Розділ 2
РОБОЧІ РІДИНИ ОБ’ЄМНИХ 2. ГІДРОПРИВОДІВ
2.1. Основні властивості робочих рідин
Робочі рідини в гідроприводах є робочим тілом (енергоносієм). Завдяки їм встановлюється зв’язок між насосом і гідродвигунами. Крім того, робоча рідина виконує змащувальні функції, захищає деталі від корозії і виносить із гідропристроїв продукти зношення.
В зв’язку з цим роботоздатність гідроприводу, його надійність і довговічність значною мірою залежать від типу робочої рідини, її властивостей і стану в процесі експлуатації.
Густиною рідини ρ називають масу рідини в одинці її об’єму
ρ = m |
, |
(2.1) |
V |
|
|
де m — маса рідини, кг; V — об’єм рідини, м3. Одиниця вимірюван- ня густини — кг/м3.
Питома сила тяжіння γ — це сила тяжіння одиниці об’єму рідини
γ = |
G |
, |
(2.2) |
|
V |
|
|
де G — сила тяжіння рідини, Н. Одиниця вимірювання питомої си- ли тяжіння — Н/м3.
Оскільки G = mg, та враховуючи залежність (2.1), отримаємо
γ = ρg, |
(2.3) |
де g — прискорення вільного падіння.
Стисливість рідини характеризується коефіцієнтом об’ємного стиснення (об’ємної деформації) βρ, який є відносним зменшенням
об’єму V при зміні тиску Р на 0,1 МПа
βρ = − |
1 |
dV |
|
(2.4) |
|
V dP |
|||||
|
|
|
|||
14
Робочі рідини об’ємних гідроприводів
Одиницею вимірювання βρ в системі СІ є квадратний метр на
Ньютон (м2/Н = 1/Па).
Величина, зворотна β, називається модулем пружності рідини Е. Стисливість робочої рідини — явище негативне для об’ємного при- воду, оскільки на стиснення безповоротно витрачається енергія. Стис- ливість знижує жорсткість гідроприводу, може бути причиною автоко- ливань в ньому, створює запізнення в спрацюванні гідроапаратури. Стисливість рідини залежить від температури і тиску, за яких працює сільськогосподарська техніка (Т до 80 °С, Р до 35 МПа), сти- сливість змінюється незначно. Тому в практичних розрахунках та- кими незначними змінами нехтують. Об’ємний модуль пружності для робочих рідин перебуває в межах 500 – 2500 МПа, для оливи АМГ-10 становить 1320 МПа, а для турбінної оливи — 1720 МПа. Температурне розширення робочої рідини характеризується коефіцієнтом температурного розширення βТ, який є відносною змі-
ною об’єму V рідини при зміні температури Т на 1 °С
β |
= − |
1 |
dV |
|
(2.5) |
|
V dΤ |
||||||
T |
|
|
|
|||
Для робочих рідин гідроприводів βТ приймають, як правило, не-
залежним від температури, а збільшення тиску до 60 МПа зумов- лює збільшення βТ на 10 – 20 %.
Коефіцієнт βТ зі зменшенням густини нафтопродуктів від 920 до
700 кг/м3 збільшується від 0,00060 до 0,00082. Для більшості рідин коефіцієнт βТ зменшується зі збільшенням тиску.
Температура застигання (загущення) робочої рідини — це температура, за якої частинки рідини втрачають рухливість без фа- зових змін рідини і без переходу у тверде тіло.
Температурою спалаху називають температуру, до якої необ- хідно нагріти рідину, щоб її пара в суміші з повітрям спалахнула при піднесенні полум’я.
В’язкість — властивість робочої рідини чинити опір відносному руху його шарів при дії зовнішніх сил, тобто вона характеризує внут- рішнє тертя рідини. Від в’язкості залежить швидкість руху рідини в зазорах, наявність плівки рідини на поверхнях рухомих деталей, що стикаються, заїдання запірних елементів гідророзподільників, клапанів та їх зношення тощо.
В’язкість рідини збільшується при зменшенні температури, а та- кож при збільшенні тиску.
Найбільш чутливі до зміни в’язкості рідини насоси. При високій в’язкості можливі неповне заповнення всмоктувального трубопрово- ду і зниження подачі, а при низькій в’язкості — різке збільшення втрат (просочування) та інтенсивності зношення деталей.
15
Розділ 2
Марку робочої рідини за в’язкістю вибирають залежно від кліма- тичної зони і пори року. Взимку слід застосовувати сорти рідини з меншою в’язкістю.
В розрахунках об’ємного приводу широко використовують кіне- матичну в’язкість робочої рідини, якою є відношення динамічної в’язкості µ до густини ρ
ν = |
µ. |
(2.6) |
|
ρ |
|
Кінематичну в’язкість виражають у стоксах (Ст) або в сантисток- сах (сСт): 1 Ст = 100 сСт = 1 см2 /с = 10–4 м2/с.
Кінематична в’язкість робочої рідини при під- вищенні температури зменшується (рис. 2.1), а при підвищенні тиску і постійній температурі — збільшується.
Газоповітряні скла- дові робочої рідини
можуть бути як в розчи- неному, так і в нерозчи- неному стані у вигляді бульбашок.
Розчинений в рідині газ призводить до інтен- сивного її окиснення, руйнування гумових де- талей гідропристроїв гід- роприводу. Розчинність газу у рідині залежить від тиску, температури і типів рідини та газу. Крім того, вона залежить від величини поверхні поділу і при інтенсивно- му перемішуванні (на- приклад, незатопленим струменем при зливі у бак) насичення рідини газом різко збільшується.
Нерозчинений газ перебуває в механічній суміші з рідиною. Роз- міри пухирців газу — 0,4 – 0,8 мкм. У рідині працюючого гідропри- воду сільгоспмашин міститься 0,5 – 5 % пухирців нерозчиненого га-
16
Робочі рідини об’ємних гідроприводів
зу, а іноді до 12 – 15 %. Нерозчинені газоповітряні складові у рідині зумовлюють збільшення її стисливості, порушення безперервності потоку та зменшення змащувальної властивості. В цілому газопові- тряні складові робочої рідини знижують її в’язкість і в багатьох ви- падках можуть повністю порушити роботу гідроприводу.
Піноутворення — це виділення газу із рідини і утворення стійкої суміші рідини з газом — піни. На інтенсивність піноутво- рення впливає вода, що міститься в рідині, навіть у незначній кіль-
кості (0,1 %).
Піна — одна з причин шуму в роботі гідроприводів, зменшення об’ємного коефіцієнта корисної дії насоса та запізнення спрацьову- вання гідроапаратури.
Забруднення робочої рідини твердими домішками, водою, смо- лами і бактеріями відбувається в процесі роботи гідроприводу, збе- рігання та її транспортування. Спостереження дослідників показу- ють, що із 100 аварійних ситуацій у гідроприводах 90 випадків від- буваються внаслідок забруднення робочої рідини.
Як свідчать дослідження, на надійність роботи гідроприводів на- самперед впливають частинки домішок певних розмірів. Встанов- лено 19 класів чистоти рідини, кожному із яких відповідає наяв- ність певної кількості частинок різного діаметра в 100 см3 робочої рідини. В гідроприводах сільськогосподарської техніки необхідно забезпечити чистоту рідини не нижче 10-го класу для гідроприводів ведучих коліс самохідних машин і 15 – 20 класів — для інших гід- роприводів (табл. 2.1).
Отже, треба застосовувати тільки робочі рідини, рекомендовані для певного гідроприводу і в процесі експлуатації підтримувати їх чистоту.
2.1. Класи чистоти робочих рідин, що використовуються в об’ємних гідроприводах
Клас чис- |
Кількість частинок забрудненостей, шт., не більше, |
Маса части- |
||||||
в об’ємі рідини 100 см3 |
при розмірі частинок, мкм |
|||||||
тоти рі- |
|
|
|
|
|
|
|
нок забруд- |
5 – 10 |
10 – 25 |
25 – 50 |
|
50 – 100 |
100 – 200 |
во- |
неностей, % |
|
дини |
|
лок- |
не більше |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
на |
|
10 |
16000 |
8000 |
800 |
|
100 |
25 |
5 |
0,0008 |
15 |
— |
— |
25 000 |
|
3150 |
800 |
160 |
0,016 |
16 |
— |
— |
50 000 |
|
6300 |
1600 |
315 |
0,032 |
Хімічна і механічна стійкість характеризує здатність рідини зберігати свої вихідні властивості під час експлуатації та зберігання.
Під час роботи гідроприводу відбувається окиснення рідини, яке супроводжується випаданням із неї смол і шлаків, відкладанням на поверхнях гідропристроїв тонкого твердого нальоту, зниженням
17
Розділ 2
в’язкості і зміною кольору рідини. Продукти окиснення, маючи кис- лотні властивості, спричинюють корозію металів і знижують надій- ність роботи гідропристроїв. Інтенсивність окиснення підвищується з підвищенням температури рідини на поверхні контакту її з повіт- рям, а також з підвищенням вмісту в рідині розчиненого повітря, механічних домішок та води.
На окиснення робочих рідин також впливають конструкційні ма- теріали, з яких виготовлені гідропристрої і з якими рідина стика- ється. Так, у гідроприводах з трубопроводами із міді окиснення рі- дини в одних і тих самих умовах відбувається швидше, ніж у гідро- приводах з трубопроводами зі сталі.
Окиснення робочої рідини характеризується кислотним чис- лом, тобто кількістю гідрату окису калію в геліограмах, яка необ- хідна для нейтралізації одного грама рідини. Кислотне число мен- ше одиниці вважається нормальним показником експлуатації робо- чої рідини, а високе кислотне число — наслідок недостатнього очи- щення рідини.
Механічна стійкість характеризується стабільністю в’язкості робочої рідини при дії на неї високих тисків. Багаторазова дія висо- кого тиску зменшує в’язкість рідини. Для гідроприводів зміна в’язкості рідини допускається в межах 25 – 50 % від вихідної.
Сумісність робочої рідини з конструкційними матеріалами і особливо з матеріалами ущільнень має велике значення. Робочі рі- дини на нафтовій основі сумісні з усіма металами, застосовуваними в гідромашинобудуванні, і погано сумісні з ущільненнями, виготов- леними із синтетичної гуми, шкіри. Синтетичні робочі рідини пога- но сумісні з деякими конструкційними матеріалами і несумісні з ущільненнями із оливостійкої групи.
Кавітація — процес порушення суцільності робочої рідини, зу- мовлений локальним падінням (зміною) тиску. При цьому в зоні падіння тиску збільшуються або виникають нові газові бульбашки з наступним їх руйнуванням (конденсацією) в зоні високого тиску. Процес супроводжується місцевими гідравлічними ударами, що призводять до появи шуму, вібрації, значних втрат енергії, а також до ерозії проточних частин гідропристроїв.
Кавітація виявляється в насосах, клапанах, дроселях, особливо у вхідному трубопроводі насосів. Звісно, таке явище небажане. Каві- тація порушує нормальний режим роботи гідроприводу, може виве- сти із ладу гідропристрої, а також зменшує коефіцієнт корисної дії гідроприводу.
Основним засобом запобігання кавітації є підвищення тиску в гід- роприводі.
Облітерація — явище, внаслідок якого під час руху робочої рі- дини по капілярних каналах зменшується їхній поперечний пере-
18