zaharov

4 РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ

4.1.Основные требования

крабочей жидкости

Рабочей жидкостью в гидросистемах служит капельная жидкость, характерной особенностью которой в сравнении с газом является высокий объемный модуль сжатия и вязкость. В авиации применяются минеральные масла, представляющие собой жидкие дистилляты, загущенные парафином, церезином и другими твердыми углеводородами, а также жидкости на основе органических и кремнийорганических соединений. Особенно широко применяются смеси минеральных масел, полученные смешиванием маловязких нефтепродуктов с высоковязкими компонентами (загустителями).

Основные показатели для оценки качества рабочей жидкости: вяз- костно-температурные свойства, химическая и физическая стабильность, антикоррозионные свойства, агрессивность по отношению к резиновым уплотнительным деталям, смазочная способность, теплофизические свойства и вспениваемость, а также огнестойкость и температура замерзания.

Основной функцией рабочей жидкости является передача гидравлической энергии от ее источника (гидронасоса, гидроаккумулятора, насосной станции) до потребителей – исполнительных механизмов (рулевых приводов, гидромоторов, гидроцилиндров и др.). Кроме того, рабочая жидкость выполняет следующие важные функции:

192	Глава 4. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ

используется для смазывания трущихся поверхностей элементов гидропривода, в результате чего между ними уменьшается сила трения

иинтенсивности их износа;

служит для отвода тепла от нагреваемых поверхностей;

эвакуирует из системы продукты износа и другие частицы загрязнения;

защищает детали от коррозии.

Рабочая жидкость гидропривода ЛА должна обладать:

хорошими смазывающими свойствами;

минимальной зависимостью вязкости от температуры в требуемом диапазоне температур;

низкой упругостью насыщенных паров и высокой температурой кипения;

нейтральностью к применяемым материалам, в частности к резиновым уплотнителям, и малым адсорбированием воздуха, а также легкостью его отделения;

высокой устойчивостью к механической и химической деструкции и к окислению в условиях применяемых температур, а также длительным сроком службы;

высоким объемным модулем упругости;

высокими коэффициентами теплопроводности и удельной теплоемкости и малым коэффициентом теплового расширения;

высокими изолирующими и диэлектрическими качествами;

жидкость и продукты ее разложения не должны быть токсичными;

растворимостью газа при нормальных условиях эксплуатации, не более 10 %;

радиационной стойкостью;

минимальной массовой характеристикой;

быть несжимаемой;

иметь характерную окраску.

Жидкость не должна содержать легкоиспаряющихся компонентов, испарение которых может привести при продолжительной эксплуатации к ее загустению.

Рабочая жидкость должна быть дешевой, доступной (обеспеченной сырьевыми ресурсами) и приемлемой для хранения и эксплуатации (невзрывоопасной, нетоксичной и т.п.).

4.1. Основные требования к рабочей жидкости

193

Рабочая жидкость должна иметь класс чистоты (ГОСТ 17216-71), зависящий от типа ЛА и от гидрооборудования, применяемого в гидроприводе ЛА.

Опыт производства и эксплуатации летательных аппаратов показывает, что чистота рабочих жидкостей зависит не только от качества их очистки и фильтрации, но и в не меньшей степени от чистоты рабочих мест и атмосферы производственных помещений, чистоты моющих и технологических жидкостей, эффективности очистки, промывки и контроля чистоты внутренних поверхностей элементов и агрегатов систем, правильной организации монтажно-сборочных и кон- трольно-сдаточных работ.

Комплексное рассмотрение этих вопросов составляет новое направление в технологии – обеспечение промышленной чистоты. Такая технология увеличивает трудоемкость, например монтажно-сборочных работ не менее, чем на 10 ... 20 %. Поэтому особую актуальность приобретают вопросы систематизации и совершенствования методов и средств обеспечения промышленной чистоты с минимальными трудозатратами, регламентация уровня чистоты и его контроля во всем цикле производства.

Наибольшее внимание к указанной проблеме объясняется рядом причин. Во-первых, только при определенных уровнях чистоты рабочих жидкостей и систем гарантируется безопасность полетов. Вовторых, повышается надежность, уменьшается простой ЛА, существенно увеличивается их технический ресурс, в результате чего затраты на достижение и поддержание чистоты рабочих жидкостей многократно окупаются. В-третьих, затраты на рабочие жидкости столь велики, что сопоставимы со стоимостью самой техники. Наличие загрязнений резко ухудшает термостабильность, смазывающую способность, кислотность и другие эксплуатационные свойства рабочих жидкостей. Поэтому влияние очистки жидкостей не только на надежность, но и стоимость эксплуатации очевидно. В-четвертых, загрязненность системы является достоверным диагностическим признаком, позволяющим внедрить в практику прогрессивный метод обслуживания систем по их техническому состоянию. Необходимо также отметить, что обеспечение и контроль чистоты систем не только дает объективную оценку уровня культуры и технологической дисциплины, но и характеризует отлаженностъ и стабильность технологического процесса. Кроме того, проблемы обеспечения чистоты связаны также с экономией

194	Глава 4. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ

материальных ресурсов, охраной окружающей среды, улучшением санитарных условий работы и снижением пожарной опасности производственных процессов и т.п.

Трудности обеспечения промышленной чистоты объясняются в основном отсутствием научно обоснованных норм чистоты на различных этапах производства, несовершенством существующих критериев оценки эффективности промывочных операций и выбора оптимальных режимов работы очистного оборудования, что приводит к излишним, неоправданным затратам труда и материальных ресурсов.

Требования к чистоте рабочих жидкостей непрерывно повышаются в связи с усложнением функций и условий работы гидрооборудования бортовых систем ЛА. Гидросистемы современных самолетов функционируют в условиях высоких механических нагрузок при давлениях 28…32 МПа и температурах 150…250 С, имеют объем жидкости порядка 200…400 л, расходы жидкости в них достигают 200…300 л/мин. По данным специалистов, в этих условиях по сравнению с авиатехникой 1950–1960 гг. вероятность появления отказов увеличилась в несколько раз.

В настоящее время накоплен большой статистический материал по отказам бортовых систем летательных аппаратов из-за повышенной загрязненности рабочих жидкостей. Загрязнениями в жидкости считаются все твердые посторонние частицы, включая нерастворимые продукты смолообразования, органические вещества, колонии бактерий и продукты их жизнедеятельности, содержание которых регламентируется ГОСТ 17216-71, а также растворенные или находящиеся в свободном состоянии воздух и вода. Отказы и неисправности гидравлических систем самолетов составляют примерно 12,74 % от общего числа отказов. Типичными причинами отказов гидросистем являются повышенное изнашивание кромок золотниковых устройств, закупорка отверстий дросселей, защемление управляющих сервоклапанов, изнашивание и нарушение герметичности уплотнений, повреждение поверхности штоков гидроцилиндров, падение подачи насосов, уменьшение жесткости системы из-за увеличения утечек в агрегатах, ухудшение смазывающих свойств и термостабильности жидкости и т.п. Из этих данных следует, что 20…40 % отказов гидросистем вызваны некачественной очисткой рабочих жидкостей.

4.2. Свойства рабочих жидкостей

195

4.2. Свойства рабочих жидкостей

Жидкость как рабочее тело, передающее энергию большой концентрации, работает в гидравлическом приводе в тяжелых условиях высоких удельных напряжений, знакопеременных скоростей, большого диапазона температур, перегрузок и вибраций. Поэтому физические свойства и технические характеристики жидкости существенно влияют на статику, динамику и надежность работы гидрооборудования.

Рассмотрим основные свойства и характеристики жидкостей, которые влияют на работу гидрооборудования ЛА.

Плотность. Плотностью жидкости называется количество ее массы в единице объема:

Vm ,

где m – масса жидкости; V – объем жидкости. Единица плотности в СИ – кг/м3.

С повышением давления (при постоянной температуре) плотность жидкости увеличивается, а с ростом температуры (при постоянном давлении), как правило, уменьшается.

Плотность имеет важное значение при расчетах режимов течения жидкости в трубопроводах и через местные сопротивления, потери давления в которых будут зависеть от плотности жидкости, т.е.

P 12 V 2 .

Плотность жидкости определяет также величину ударного давления при гидравлическом ударе, которое может быть вычислено по уравнению Н.Е. Жуковского

Pг.у V0a,

где V0 – начальная скорость движения жидкости в трубе; a – скорость ударной волны.

Удельный вес. Удельный вес – физическая величина, равная отношению веса к объему, связана с плотностью следующим соотношением:

VG g,

196	Глава 4. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ

где G – вес жидкости; V – объем жидкости; g – ускорение свободного падения.

Единица удельного веса в СИ – Н/м2.

Плотность и удельный вес капельных жидкостей изменяются с изменением температуры в эксплуатации, поэтому это свойство жидкости необходимо учитывать при расчетах. Расширение жидкости может также нарушить тарировку различных жидкостных приборов и датчиков.

Вязкость. Вязкость – это свойство жидкости сопротивляться сдвигу или скольжению ее слоев. При относительном движении слоев жидкости с конечной скоростью вследствие внутреннего трения возникают напряжения сдвига. Для большинства жидкостей напряжение сдвига пропорционально изменению скорости сдвига, а коэффициент пропорциональности представляет собой абсолютный коэффициент вязкости

ddyv,

где – напряжение сдвига; – абсолютный или динамический коэффициент вязкости, имеющий размерность Н с/м2; v – скорость; y –

расстояние между слоями жидкости; ddyv – градиент скорости сдвига

слоев жидкости.

В технических расчетах наряду с абсолютным коэффициентом вязкости применяют кинематический коэффициент вязкости, который определяется по формуле

,

где – кинематический коэффициент вязкости; – плотность

жидкости.

Кинематическую вязкость измеряют в стоксах или сантистоксах: стокс (Ст) = 1 см2/с; сантистокс (сСт) = 0,01 Ст.

С увеличением давления вязкость жидкости повышается практически по следующему закону:

Р 0			Р		;
	1
			Р 0

4.2. Свойства рабочих жидкостей

197

где 0 – вязкость при атмосферном давлении Р0; Р – вязкость при

давлении Р; Р Р Р0 ; = 0,003.

Например, при увеличении давления на 5,0 МПа вязкость масла увеличивается на 15 %:

Р 0 0,15 0 .

Вязкость жидкостей, применяемых в гидравлических приводах, зависит от температуры (рис. 4.1). С понижением температуры вязкость масла увеличивается, а ее текучесть уменьшается. Поэтому при низких температурах растет сопротивление гидромагистралей, но уменьшаются утечки в насосе и гидродвигателе.

v, сСт
5000
4000
2000
1000
500
200
100
50			М		ас
20					л	о	А
							М
								Г
10								- 1	0
5		К								Жи
		е		р	осин						дк
2							Т				ость 7-50	с-	3
							-1
1					40 60 80 100 120 140 160 180 200 t, ºC
–60 –40–20	0	20
Рис. 4.1. Зависимость вязкости рабочих жидкостей
	от температуры

Вязкость определяет важнейшие характеристики гидравлического привода. Прежде всего вязкость обусловливает смазку деталей, а следовательно, долговечность и надежность работы насосов и гидродвигателей. От вязкости зависят демпфирующие свойства, характеристики расхода и коэффициенты полезного действия золотников, насосов, гидродвигателей и гидромагистралей. Изменение вязкости с изменением температуры вызывает изменение статических, энергетических и динамических характеристик гидропривода в целом и его элементов.

198	Глава 4. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ

При давлениях от 0 до 50 МПа вязкость минеральных масел изменяется практически линейно. При более высоких давлениях эта линейность нарушается, и при давлениях 2000 МПа минеральные масла затвердевают. Минеральные масла (АМГ-10) уступают по параметру вязкости синтетическим жидкостям, обладающим более высокой стабильностью вязкости в функции давления и температуры.

Сжимаемость. Сжимаемость – это свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость жидкости в целом отрицательно влияет на энергетику и динамику гидравлического привода. Сжимаемость жидкости обусловливает уменьшение подачи и объемного КПД насоса, ухудшает быстродействие гидродвигателя и может явиться причиной неустойчивого движения следящего привода при большой массе рабочего органа.

Сжимаемость жидкости в гидравлических системах управления создает во всех случаях эффект гидравлической пружины. Это явление усугубляется при использовании жидкостей с низким модулем объемной упругости и большими объемами полостей, заполненными жидкостью под давлением.

Модуль объемной упругости изменяется в широких пределах в зависимости от типа жидкости, температуры, давления, скорости (частоты) деформации и характера термодинамического процесса сжатия.

Расчет динамики гидравлического привода с нагрузкой большой массы без учета сжимаемости жидкости нельзя считать даже приближенными, поскольку такой расчет является принципиально неправильным.

Проблема сжимаемости в динамической теории привода осложняется наличием нерастворенного газа и воздуха в рабочей жидкости.

Вначале рассмотрим некоторые закономерности для «чистой» жидкости, не содержащей нерастворенный воздух и газы.

В зависимости от условий сжатия жидкости различают изотермический и адиабатический модули объемной упругости жидкости. Изотермический модуль является усредненным статическим показателем сжимаемости жидкости в условиях, когда давление и объем жидкости изменяются весьма медленно при постоянной или очень медленно меняющейся температуре.

Статический (изотермический) модуль определяется путем замера деформации жидкости при ее непосредственном механическом сжатии, например, в герметичном цилиндре, в изотермических условиях.

4.2. Свойства рабочих жидкостей

199

Для расчета динамических процессов гидравлического привода используется адиабатический модуль объемной упругости жидкости, который оценивает сжимаемость жидкости в быстропротекающих (адиабатических) процессах изменения давления при отсутствии существенного теплообмена с окружающей средой.

Динамический (адиабатический) модуль объемной упругости определяется как произведение объема жидкости на производную давления по объему:

Е V	P	,	(4.1)
0 V

где V0 – первоначальный объем жидкости; P – изменение давления,

действующего на жидкость; V – изменение объема жидкости. Единица модуля объемного сжатия в СИ–Па.

Из выражения (4.1) определяют изменение объема жидкости

V V0 P .

E

Модуль объемного сжатия увеличивается с повышением давления и уменьшением температуры. Среднее значение модуля для масла АМГ-10 при давлении от 0 до 20 МПа и температуре 293 К ( 20 С )

можно принять Е = 1430 МПа, т.е. относительное изменение объема жидкости при этих условиях составляет приблизительно 1 %. В тех случаях, когда таким изменением объема можно пренебречь, рабочую жидкость считают несжимаемой, однако при динамических расчетах гидросистем сжимаемость жидкости необходимо учитывать.

С ростом давления объемный модуль упругости жидкости увеличивается. В рабочем диапазоне давлений (от 0 до 30 МПа) изменение объемного модуля упругости жидкости подчиняется эмпирической закономерности

Е = Е0 + АР,

где Р – давление; Е0, А – параметры, зависящие от жидкости и ее температуры.

Например, для минерального масла АМГ-10 при температуре

+ 20 С Е0=16,8 104 Н/см2, А = 9,98.

Как видно из графика на рис. 4.2, модуль объемной упругости минерального масла АМГ-10 при изменении давления на 10 МПа изменяется

200	Глава 4. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ

Е, МПа

2000

1500

1000

0

	ºC
0
2
	0
4
	0
	6
		ºC
	0
	8

10 20 30 Р, МПа

Рис. 4.2. Зависимость адиабатического модуля объемной упругости масла АМГ-10 от давления и температуры

не более чем на 10 %. Поэтому в расчетах первого приближения значение модуля объемной упругости можно считать постоянной величиной, взятой при соответствующей температуре. Численные значения модуля объемной упругости характеризуют жидкость как весьма упругую среду. Для сравнения отметим, что сжимаемость жидкости примерно в 100 раз больше сжимаемости металла.

Тепловое расширение жидкости. Тепловое расширение жид-

кости – свойство жидкости изменять объем в процессе ее изобарного нагревания (при постоянном давлении). Количественно тепловое расширение жидкости характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения

1 V ,

V0 T

где T – разность температуры жидкости.

Единица температурного коэффициента объемного расширения в СИ–К–1.

Среднее значение температурного коэффициента объемного расширения при давлении от 0 до 15 МПа для жидкостей на нефтяной ос-

нове принимают 7 10 4 К 1 .

Теплофизические свойства жидкости. Из теплофизических свойств жидкостей наибольшее практическое значение имеют удельная теплоемкость и теплопроводность. Для поглощения и удаления из