zaharov

4.2. Свойства рабочих жидкостей

201

гидросистемы выделяющегося при ее работе тепла и его рассеивания необходимо, чтобы жидкости обладали высокими теплоемкостями и теплопроводностями.

Удельная теплоемкость однородной жидкости – отношение количества теплоты к массе жидкости и разности температур (или отношение к массе жидкости):

c Q /(m T ) C / m ,

где Q – количество теплоты, Дж; m – масса жидкости, кг; T – раз-

ность температур, К; С – теплоемкость жидкости, Дж/К.

Для большинства реальных жидкостей удельная теплоемкость повышается с увеличением температуры незначительно, так как их модуль объемной упругости велик.

Среднее значение удельной теплоемкости при температуре до 373 К для минеральных масел см = 1880…2090 Дж/(кг К).

Теплопроводностью однородной жидкости называют величину, равную отношению теплового потока к площади поверхности, нормальной к тепловому потоку, и градиенту температур или отношению поверхностной плотности теплового потока к градиенту температур:

Ф /(S gradT ) q / gradT ,

где Ф = / t – тепловой поток, Вт; S – площадь поверхности, м2; grad T = = (T1 – T2)/j – градиент температуры, К/м; q = Ф/S – поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2.

Единица теплопроводности в СИ–Вт/( м К ).

Минеральные масла являются плохим проводником тепла и уступают воде и жидкостям на водной основе, теплопроводность которых в 5 раз выше теплопроводности масел.

Среднее значение теплопроводности при 293 К ( 20 С ) для минерального масла

м 0,128 Вт /(м К) .

Объемная прочность и кавитация жидкости. Объемная проч-

ность жидкости оценивается величиной внутренних растягивающих напряжений, при которых происходит ее разрыв. Опытами установлено, что эти напряжения нестабильны, так как они зависят от чистоты и температуры жидкости. Вначале ее объем увеличивается пропорционально величине растягивающих напряжений.

202	Глава 4. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ

Затем при достижении критического напряжения происходит разрыв жидкости, который сопровождается резким щелчком, выделением паров жидкости и образованием газового пузыря.

Нарушение сплошности потока жидкости в результате повышения давления до давления парообразования получило название кавитации.

В гидравлических приводах кавитация носит динамический характер и происходит в отдельных местах гидродинамического поля, где растягивающие напряжения достигают своего критического значения парообразования. Например, кавитацию можно наблюдать в насадках, вблизи вибрирующих тел, в камерах насоса при очень быстром движении поршней и т.д.

Кавитация сопровождается выделением кавитационных пузырьков и образованием «кавитирующей среды». Вследствие динамического изменения давления в кавитационных пузырьках выделение паров жидкости сменяется их мгновенной конденсацией. Появление и исчезновение кавитационных пузырьков внешне напоминает кипение жидкости. Причем процесс конденсации паров жидкости с большой скоростью и возникающим местным гидравлическим ударом сопровождается высоким забросом давления и температуры в центре пузырьков (по расчетам температуры могут достигать значений 1000…1500 С и выше и местное давление может достигать величины 150…200 МПа). Под действием высоких температур и присутствия кислорода воздуха происходит активное окисление (коррозия) контактирующих поверхностей. В результате при длительной кавитации под действием гидроударов высокой повторяемости и одновременным воздействием высокой температуры происходит разрушение (эрозия) поверхностей деталей. Кавитация наступает тем раньше, чем больше жидкость загрязнена твердыми частицами. Это обусловлено тем, что на поверхности этих частиц адсорбируется тонкий слой воздуха, частицы которого при попадании в зону пониженного давления служат очагами, способствующими возникновению кавитации.

Кавитация отрицательно влияет на работу гидравлического привода. С появлением кавитации понижается производительность насоса и уменьшается коэффициент полезного действия гидравлического привода, возрастают динамические (ударные) нагрузки на детали насоса, происходит выделение растворенного в жидкости воздуха и образование эмульсии. Кавитация уменьшает надежность работы гидравлического привода, вызывая преждевременный выход из строя его элементов.

4.2. Свойства рабочих жидкостей

203

Облитерация. Облитерация – это свойство жидкости заращивать (засорять) узкие каналы и капиллярные щели при ее течении под действием перепада давлений. Облитерация уменьшает геометрическое поперечное сечение капиллярной щели. Опыт показывает, что вследствие облитерации течение жидкости через дросселирующие щели золотников и отверстия небольшого диаметра сопровождается постепенным уменьшением расхода. Вначале уменьшение расхода происходит интенсивно, а затем этот процесс замедляется. Установлено, что интенсивность изменения расхода не зависит от вязкости жидкости.

Отфильтрованная жидкость также обладает свойством заращивания капиллярных щелей. С увеличением перепада давлений интенсивность облитерации повышается. Наиболее сильно облитерация проявляется у жидкостей, сложных по молекулярному составу. К таким жидкостям относятся минеральные масла на нефтяной основе, применяемые в авиационных гидравлических приводах.

Как показывают исследования, облитерация представляет собой сложное явление образования на стенках канала твердого граничного слоя в результате адсорбции поляризованных молекул жидкости. Кроме того, в образовании структуры твердого граничного слоя активное участие принимают концентрации смолистых веществ и твердых частиц, содержащихся в жидкости. Таким образом, это явление связано с уменьшением геометрического сечения канала.

Для некоторых жидкостей толщина граничного слоя может достигать нескольких микрон. В результате облитерации узкие капиллярные щели могут зарастать полностью, при этом нарушается стабильность расходных характеристик дросселей и жиклеров с малыми проходными сечениями (d < 0,5 мм) вследствие заметного уменьшения проходных отверстий. Кроме этого, облитерация капиллярных щелей отрицательно влияет на работу золотниковых механизмов. Заращивание капиллярных щелей между золотником и втулкой приводит к «залипанию золотника». При этом золотник сращивается со втулкой так, что для его перемещения требуется приложить большое усилие.

В результате «облитерационного залипания золотника» резко снижается чувствительность, увеличивается запаздывание и уменьшается динамика гидравлического привода. После трогания золотника усилие, необходимое для его перемещения, резко уменьшается из-за разрушения граничного связывающего слоя. Одним из методов борьбы с облитерацией является сообщение золотнику угловых или осевых осцилли-

204 Глава 4. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ

рующих движений (вибраций) с большой и малой (в несколько микрон) амплитудой.

Модуль объемной упругости жидкости, содержащей не-

растворенный воздух. Жидкость, циркулирующая в гидравлическом приводе, всегда содержит небольшое количество воздуха как в виде раствора, так и в виде газовых пузырьков. Полностью удалить воздух из жидкости не удается. В лучшем случае в рабочей жидкости содержится не менее 0,3...0,5 % нерастворенного воздуха. При обычных условиях в масле гидравлического привода может быть 3...5 % нерастворенного воздуха. Если растворенный воздух практически не влияет на величину объемного модуля упругости жидкости, то воздух, нерастворенный в жидкости, может существенно изменить сжимаемость образующейся при этом гидровоздушной смеси. За счет большого сжатия воздушных пузырьков, содержащихся в жидкости, объемный модуль упругости гидровоздушной смеси значительно уменьшается, в особенности при малых давлениях.

Рассмотрим процесс сжатия и модуль объемной упругости смеси, состоящей из двух фаз: жидкости и нерастворенного в ней воздуха (газа), при условии, что объем воздуха остается неизменным, а давление в жидкой и газовой фазах можно считать одинаковым.

Пусть в жидкости с объемом Vж под давлением р содержится объем воздуха Vв. При изотермическом процессе сжатия (давление р увеличивается до p р ) изменение объема газовой фазы находится из со-

отношения
V	V	p	,	(4.2)
в	в	p
где р – давление, под которым находится объем воздуха; Vв				– объем

воздуха в жидкости при давлении р.

Последняя формула показывает, что модуль объемной упругости воздуха без жидкости при изотермическом процессе численно равен давлению, под которым находится объем воздуха:

Ев Vв p p.Vв

Можно показать, что при адиабатическом процессе модуль объемной упругости газа Ев kp , где k – показатель адиабаты.

4.2. Свойства рабочих жидкостей

205

Считая для упрощения, что объем жидкости и модуль объемной упругости жидкости при нормальных атмосферных условиях и расчетном давлении р различаются незначительно, запишем зависимость изменения жидкой фазы от изменения давления на р в таком виде:

V		Vж	р .	(4.3)
ж		Eж

Модуль объемной упругости двухфазной гидровоздушной смеси

	Еж V	p		Vж Vв	p ,	(4.4)
		V		Vж Vв

где V Vж Vв – суммарный объем жидкой и газовой фаз при давлении р; V Vж Vв – изменение суммарного объема, состоящего из

жидкой и газовой фаз, при изменении давления	на р ;
Vв V0в ( p0 / p) – объем газовой фазы при давлении р; V0в	– объем га-

зовой фазы при нормальных атмосферных условиях (р = р0). Подставив в уравнение (4.4) выражения (4.2) и (4.3) и произведя

необходимые преобразования, получим приближенную формулу для определения изотермического объемного модуля упругости газогидравлической смеси в следующем виде:

	1		V0в				p0
Есм Еж			Vж				p			.
					p0
1		V0в						E
		Vж			p2				ж

Вязкость смеси минеральных масел. При смешении различ-

ных по вязкости минеральных масел образуются однородные смеси, которым присущи такие важные свойства исходных масел, как вязкость, смачивание, липкость и др. Это позволяет смешивать в определенных количествах несколько сортов масел для получения смеси, обладающей заранее заданным доминирующим свойством, наиболее важным для данных целей применения. При этом должна быть обеспечена однородность компонентов смеси, так как в противном случае легкие их фракции могут испариться, в результате чего вязкость жидкости изменится.

206			Глава 4. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ
Коэффициент условной вязкости смеси двух масел с достаточной
точностью может быть вычислен по выражению
Е	aE1	bE2 k(E1	E2 )		,
		100

где a и b – процентное содержание компонентов в смеси (a + b = 100); Е1 и Е2 – коэффициенты условной вязкости компонентов смеси; k –

эмпирический коэффициент, зависящий от процентного содержания компонентов a и b в смеси.

Механическая и химическая стойкость масел. Минераль-

ные масла, применяемые в самолетных гидросистемах, теряют в процессе эксплуатации физико-механические и другие свойства, вследствие чего может ухудшиться режим работы гидравлических агрегатов. Изменение качества масла происходит в основном в результате механического и химического воздействия на него различных факторов, основными из которых являются «мятие» в условиях работы под высоким давлением, окисление вследствие контакта с воздухом, эмульсирование и вспенивание при попадании в него воздуха и влаги и др.

Вязкость большинства масел при длительной работе в условиях высоких давлений, в особенности при дросселировании с большим перепадом давления и при смазке под давлением трущихся пар с высокой удельной нагрузкой, может значительно понизиться. Одновременно с понижением вязкости ухудшаются также его смазывающие свойства. Это изменение происходит из-за молекулярно-структурных изменений (деструкции) масла при механическом нагружении.

Окисление масел. Важным качеством, характеризующим масла, является химическая стабильность или стойкость против «старения», под которым понимаются химические и механические изменения, происходящие в масле в присутствии кислорода. Этим изменениям способствуют повышенная температура и наличие металлов и различных механических примесей, выступающих в роли катализаторов.

В результате старения (окисления) происходит выпадение из масла отложений в виде смол, а также понижение его вязкости и потеря смазывающих качеств. При окислении масла на рабочих поверхностях подвижных элементов образуется тонкий твердый налет, в особенности при работе в условиях высоких температур, который при переме-

4.2. Свойства рабочих жидкостей

207

щениях деталей разрушающе действует на резиновые уплотнения. Практика показывает, что интенсивность окисления масла повышается с ростом температуры на поверхности его контакта с воздухом. Помимо температуры, катализатором процесса окисления масла являются различные механические загрязнители, а также вода. Опыт показывает, что процесс окисления масла протекает тем интенсивнее, чем более возмущенным является его состояние, так как возмущение масла препятствует оседанию загрязняющих частиц.

Очевидно, для того чтобы произошло окисление масла, оно должно вступить с кислородом в контакт, который происходит по граничной поверхности, а также по поверхности пузырьков воздуха, находящегося с маслом в механической смеси, и воздуха, растворенного в масле. Чтобы избежать этого контакта, применяют в ЛА наддув баков инертным газом, а также баки с механическим разделением воздушных и жидкостных сред. Перед наддувом из системы и жидкости необходимо удалить кислород.

Растворение газов в жидкостях. Все жидкости обладают спо-

собностью растворять газы, которые в растворенном (дисперсном) состоянии практически не оказывают существенного влияния на работу гидросистемы. Однако, если давление в какой-либо точке уменьшается, они выделяются из раствора в виде мелких пузырьков, которые ухудшают механические свойства и понижают химическую стойкость жидкости.

Относительное количество газа, которое может раствориться в жидкости до насыщения, прямо пропорционально абсолютному давлению на поверхности раздела

Vг kVж Р ,

где Vг – объем растворенного газа, отнесенный к атмосферному давлению; k – коэффициент растворимости газа в жидкости; Vж – объем

жидкости; P – абсолютное давление газа, находящегося в контакте с жидкостью.

Коэффициент растворимости зависит от свойств жидкостей и газов. Растворимость газов в маслах малой вязкости выше, чем в маслах большей вязкости. При повышении температуры растворимость незначительно снижается.

208	Глава 4. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ

Растворимость воздуха в масле до насыщения зависит от плотности последнего, уменьшаясь с ее увеличением.

Эти факторы следует учитывать при проектировании гидросистем, находящихся под давлением газа (воздуха) в условиях широкотемпературного диапазона, поскольку в результате изменения объема растворенного газа, обусловленного тепловым его расширением, может нарушаться условие насыщенности жидкости газом.

Так, например, жидкость, насыщенная воздухом при температуре хранения 20 С , будет при повышении температуры в гидросистеме

до 80...90 С перенасыщена до 25...30 % объема жидкости, и в резуль-

тате выделения воздуха, происходящего до установления нового равновесного состояния для новой температуры, в гидросистеме образуется пена. Это может наблюдаться в тупиковых линиях гидросистем или в системах с одной рабочей линией, например, для систем простых гидравлических тормозов, в которых в результате значительного выделения воздуха при нагревании жидкости может образоваться неработоспособная смесь жидкости с воздухом.

Время, в течение которого происходит насыщение масла газом, зависит от величины поверхности раздела, приходящейся на единицу объема масла, а также от степени возмущенности состояния этой поверхности. При интенсивном перемешивании жидкость насыщается в течение одной или нескольких минут, тогда как в спокойном состоянии процесс длится часами.

Механическая смесь воздуха с жидкостью. Воздух (или газ)

может находиться в жидкости в механической смеси (суспензии воздуха в жидкости), причем в зависимости от размеров пузырьков воздуха такая смесь обладает меньшей или большей устойчивостью и при определенных условиях, характеризуемых в основном размерами пузырьков и вязкостью жидкости, интенсивность удаления пузырьков воздуха из жидкости настолько мала, что смесь становится практически стабильной. Пузырьки воздуха при некоторых условиях размельчаются настолько, что воздух может находиться в смеси с маслом и в особенности с маслом высокой вязкости в течение многих суток.

Обычно в масле действующей гидросистемы содержится примерно от 0,5...5 % воздуха в нерастворенном состоянии. В зависимости от конструкции и режима эксплуатации гидросистемы содержание воздуха может повыситься до 10...15 % общего объема жидкости.

Рис. 4.3. Зависимость вязкости жидкости от содержания воздуха

4.2. Свойства рабочих жидкостей

209

При наличии в жидкости нерастворенного воздуха ее вязкость увеличивается. На рис. 4.3 представлена кривая, характеризующая соотношение вязкостей жидкостейв с пузырьками воздуха и 0 –

без пузырьков. Это соотношение может быть выражено эмпириче-

ским уравнением в 1 0,015b ,

0

где b – содержание пузырьков воздуха, %. Размер пузырьков на вязкость смеси не влияет.

е

0

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

5 10 15 20 25 %

Образование пены. При экс-

плуатации гидросистемы может образоваться пена, которая состоит из пузырьков воздуха различного

размера. В верхней части пены располагаются крупные пузырьки со смежными стенками и в нижней части – мелкие пузырьки, не имеющие смежных стенок.

Пена понижает смазывающую способность масла, а также вызывает коррозию металлических деталей гидравлических агрегатов и окисление масла. Вследствие большой площади поверхности раздела между жидкостью и воздухом значительно ускоряется процесс окисления и другие химические реакции в пене. Устойчивая пена превращается со временем в вязкие включения, которые откладываются на поверхностях агрегатов и могут нарушить их нормальную работу. Пена может быть причиной кавитации насосов, а также вызывать скачкообразность в движении исполнительных гидравлических двигателей.

Устойчивость пены тем выше, чем выше вязкость масла и чем ниже упругость насыщенных ее паров.

Интенсивность образования и стойкость пены в значительной мере зависят от температуры, причем стойкость пены в отличие от интенсивности образования с повышением температуры уменьшается; при 70 С и выше пена быстро распадается.

Пена образуется, как правило, тем интенсивнее, чем ниже поверхностное натяжение и давление (упругость) насыщенного пара жидко-

210	Глава 4. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ

сти. Такие условия возникают при добавлении в жидкость воды или иного активного агента.

Пенообразование зависит также от типа жидкости: минеральные масла дают стойкую пену.

Влияние воды. Пенообразование резко усиливается при наличии в масле даже ничтожного (менее 0,1 % по весу) количества свободной или растворенной воды, которая способствует образованию эмульсий. Образование эмульсий в первом случае происходит в результате механического дробления капель воды при прохождении их через насос (грубодисперсные эмульсии).

Особенно отрицательно влияет вода, находящаяся в жидкости в виде эмульсий (однородной смеси очень мелких пузырьков воздуха и воды) высокой дисперсности, которая не оседает под действием сил тяжести; обнаружить ее можно лишь по помутнению: масло мутнеет при содержании в нем воды более 0,008 % по весу при 70 С .

		Подобные эмульсии могут образоваться при резком изменении тем-
	пературы окружающей среды, при котором вода выпадает из раствора.
		Предельное содержание растворенной воды в жидкости типа АМГ-10
	при длительном ее выдерживании и перемешивании в открытом сосу-
	де при влажности окружающего воздуха 96...98 % составляет 0,02 % и
	синтетической жидкости 7-50С-3 – 0,1 %. На рис. 4.4 показаны кривые,
	характеризующие изменения содержания воды в этих жидкостях во
	времени при соотношении объемов жидкой и газовой фаз 1:1. С повы-
	шением температуры растворимость воды увеличивается. Вода может
	попасть в масло в результате неудовлетворительного складского хра-
							нения или вследствие конден-
	Содержание растворенной воды						сации в гидробаке паров воды,
		%					попадающих в бак с воздухом
		0,5		7-50с-3
							при изменении в нем объема
			АМГ - 10
		0,1					жидкости (при «дыхании» ба-
		0,05					ка), обусловленном работой си-
		0,002					ловых	цилиндров с	односто-
		0	10	20	30	Сутки	ронним	штоком,	зарядкой
			Время насыщения
							гидрогазовых аккумуляторов и
	Рис. 4.4. Характеристики насыщения						других, т.е. попадание воды в
							масло	практически	предупре-
			жидкостей водой
							дить невозможно.