Рабочие и смазочно-охлаждающие жидкости

В гидравлических установках энергия от насоса к исполнительному органу передается с помощью рабочей жидкости. При механической обработке деталей используется смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ) и смазочно-охлаждающие технические средства (СОТС). В машиностроительных гидроприводах применяются разнообразные минеральные масла, спиртоглицериновые смеси и т.п. При обработке резанием используются масляные и другие разнообразные жидкости, в том числе на водной основе.

Рабочая жидкость или СОЖ, находясь в постоянном взаимодействии с различными деталями механизмов и машин, обеспечивает, кроме всего прочего, отвод тепла, смазку трущихся поверхностей, удаление стружки и т.п.

Основные свойства рабочих жидкостей машиностроительных гидроприводов:

плотность; вязкость; упругость (сжимаемость); огнестойкость;

химическая нейтральность к материалам гидросистем; малая

испаряемость; наличие или отсутствие неприятного запаха;

степень пенообразования; хорошие диэлектрические свойства.

1. Плотность и удельный вес.

r_ж= m/V [кг/м³]- плотность;

g_ж= r_жg= G/V [Н/м³]- удельный вес,

где m, G - соответственно, масса и вес объема жидкости V.

Плотность жидкости зависит от температуры. За исключением воды, имеющей наивысшую плотность при Т= 4°С, плотность жидкостей уменьшается с повышением температуры. Для нефтепродуктов это выражается формулой [8]

r_ж= r_жо- b(t - t_o), (3-2)

где r_ж , r_жо- плотности соответственно при t и t_o; b- коэффициент (см. таблицу 3.3).

Табл. 3.3

2. Вязкость.

Это свойство жидкости, характеризующее ее сопротивляемость скольжению или сдвигу. Различают динамическую и кинематическую вязкость.

В процессе движения между слоями жидкости возникают касательные напряжения, обусловленные переходом молекул из одного слоя в другой. Для воды такие напряжения определяются уравнением

t=m du / dh, (3-3)

где m - коэффициент динамической вязкости [1 Г/см*сек = 1 пуаз (пз)= 10⁶спз]; du/ dh - градиент скорости u движения слоев жидкости по нормали к поверхности слоя, 1/ сек,

В связи с разнообразием применяемых жидкостей возможны и более сложные зависимости вязкого трения от скорости как, например [7]

t= [ m_а+ (m _о - m _а ) exp(-yv^¢)]du/dh. (3-4)

Вязкость сильно зависит от температуры и давления. Так в работе [10] для минеральных масел приведена зависимость m= =m_оexp[a(p-p_о)-l( t-t_о)], которой пользуются в общем машиностроении, где a и l - экспериментально определяемые коэффициенты.

Коэффициент кинематической вязкости определяется формулой

n=m / r_ж. [1м²/сек= 1 стокс(ст)= 10⁶стс]. (3-5)

Непосредственное определение коэффициентов кинематической и динамической вязкости затруднительно. Поэтому обычно определяют с помощью специальных приборов, вискозиметров, условную или относительную вязкость, которая характеризует вязкость испытуемой жидкости непосредственно или по отношению к эталонной жидкости, например, воде.

На рис. 3.2 приведены графики изменения коэффициентов вязкости некоторых жидкостей от температуры[10].

Рис. 3. 2

Зависимость кинематической вязкости жидкостей от температуры:

1- глицерин; 2- масло индустриальное 50; 3- веретенное масло АУ;

4- масло трансформаторное; 5- жидкость ЖРМ.

Вязкость большинства рабочих жидкостей в зависимости от давления увеличивается

m= m_оb^{[(P/Po)- 1]}, (3-6)

где m, m_о- динамическая вязкостьсоответственно при давлениях Р и Р_о; b- коэффициент, для минеральных масел равный 1,003.

У растительных масел этот параметр увеличивается с ростом давления примерно в 2 раза медленнее, чем у минеральных.

При дросселировании масло подвергается мятию и вязкость уменьшается.

3. Модуль упругости;

Очень важным параметром рабочей жидкости гидроприводов является упругость, посредством которого от насоса к исполнительному органу передается мощность.

В процессе функционирования гидросистемы рабочая жидкость находится в состоянии объемного сжатия[11]. Напряжение (давление), возникающее в ней, может меняться в зависимости от условий работы. Объем, занимаемый подобной жидкостью, также меняется. Согласно “дырчатой” теории строения жидкостей, при сжатии происходит заполнение имеющегося в молекулярной структуре свободного объема или “дырок” молекулярного размера, причем объемы пустых пространств определяются степенью несовершенств молекулярной “упаковки” и зависят от термодинамического состояния жидкости.

Необходимо отметить, что всякое изменение “дырки”, вызванное варьированием термодинамических условий, приводит не только к объемным деформациям, но и к новому энергетическому состоянию вещества. Это выражается в изменении энергии межмолекулярного взаимодействия, являющейся мерой прочностных характеристик вещества и энергии теплового движения, т.е. его температуры. Обычно в технической литературе сжимаемость оценивается коэффициентом, имеющим две различные записи:

b=-V^-1∙dV/dP, (3-7)

b¢= -V^-1_о ∙DV/DR , (3-8)

где V_о , V - объемы жидкости , соответственно, при начальном давлении Р_о и давлении Р; dP, DP= Р-Р_о - изменение давления, действующего в жидкости;

dV, DV=V-V_о - изменение объема жидкости при варьировании давления на величину dP или DР.

Величина, обратная сжимаемости, называется модулем объемной упругости при всестороннем сжатии или коротко “модулем упругости”.

В соответствии с двумя формами записи выражения для коэффициента сжимаемости применяются две формы записи и для модуля упругости:

æ=-VdPdV , (3-9)

æ═ -V_оDP/DV , (3-10)

причем при обработке данных эксперимента по определению модуля упругости в подавляющем большинстве случаев используется уравнение (3-10).

Уравнение (3-9) применяется при исследовании динамики гидросистем, анализе волновых и переходных процессов в них.

Большинство исследователей коэффициент сжимаемости обозначают буквой b, а для написания модуля упругости используются различные буквенные обозначения: Е, æ, В, К и т.д. В книг применятется обозначение модуля упругости через æ , имея ввиду, что именно такое обозначение часто встречается как в молекулярной акустике, так и при описании упругих свойств полимеров, с которыми рассматриваемые рабочие жидкости имеют ряд общих особенностей.

В литературе предложено много выражений для определения модуля упругости рабочей жидкости [7]. Одни предполагают знание молекулярной структуры жидкости и вычисления параметров, определяемых силами сцепления, а другие формулы устанавливают связь между модулем упругости ( или скоростью звука) и другими физическими свойствами жидкостей.

Для гидросистем, использующих минеральные масла российского производства целесообразней всего применять зависимости, определенные в работе [7].

По данным Лузановой И.А. зависимость адиабатического модуля упругости от давления при постоянной температуре в области давлений до 40 МПа и температур до 80°С хорошо аппроксимируется прямой

æ_а = æ_ао + A_а(P-P_о), (3-11)

здесь Р_о атмосферное давление.

В ориентировочных расчетах гидросистем при использовании минеральных масел рекомендуется принимать

æ_а = æ_ао + 12 (P-P_о). (3-12 )

Для воды при температуре 38°С получены следующие значения æ_а= 2100 МПа; А= А_а= 8.

Изотермический модуль упругости подчиняется аналогичной зависимости

æ_и = æ_ио + A_и (P-P_о).

Коэффициенты æ_ао = В_а ; æ_ио =В_и ; А_и; А_а получены в работах Прокофьева В.Н. и его учеников [12].

Из зарубежных исследователей упругих свойств жидкостей привлекает внимание работа A.T.J. Hayward[13] , где на основании изучения 30 основных минеральных масел сделан ряд выводов и получено 4 уравнения для определения модуля упругости любой распространенной жидкости в зависимости от плотности и вязкости при атмосферном давлении и температуре 20ºС:

æ^‘_a= [1,57+ 0,15lgn][antilog0,0024(20-t)]10⁴+ 5,6P, (3-13)

æ_и= [1,78+ 7(r - 0,86)][antilog0,0024(20-t)]10⁴+5,6P, (3-14)

æ^‘_и= [1,30+ 0,15lgn][antilog0,0023(20-t)]10⁴+ 5,6P, (3-15)

æ_и= [1,51+ 7(r - 0,86)][antilog0,0023(20-t)]10⁴+5,6P, (3-16)

где Р - давление в бар.; t - температура в град. С; n - кинематический коэффициент вязкости при 20ºС и атмосферном давлении в сст; r - плотность при атмосферном давлении и t= 20ºС.

В диапазоне 0...80 МПа и температур 5...100ºС эти формулы дают значение модуля с точностью до 5% для всех жидкостей, вязкость которых заключается между 30 и 1500 ст. при 20ºС ( за исключением жидкостей, содержащих значительную добавку, улучшающую индекс вязкости). В случае очень вязких жидкостей и жидкостей с улучшенным индексом вязкости предпочтительно пользоваться уравнением (3-13). Однако, полученные таким образом значения модуля для этих жидкостей будут менее точными.

При распространении акустического сигнала в упругой трубе, заполненной рабочей жидкостью, происходит деформация не только жидкости, но и самой трубы, которая может быть учтена приведенным модулем упругости. В работе Прокофьева В.Н. приводится выражение для расчета этой величины

æ_пр=æ{1+2æ(d²_тн+d²_т)/[Е(d²_тн+d²_т)(1-w²/w²_т)]}, (3-17)

где d_тн, d_т - наружный и внутренний диаметры трубопровода; Е - модуль упругости материала трубопровода; w- частота гармонических колебаний; w_т - собственная частота радиальных колебаний стенок трубы.

Если в жидкости находится какое-либо количество нерастворенного воздуха или газа, обусловленное дросселированием потока, высокой газонасыщенностью или введением недостаточно хорошо обработанного утяжелителя, то её свойства могут сильно измениться. Полагая, что количественное содержание газовой фазы (фазы Г ) характеризуется соотношением V’_го =V_го/V_со , где V_го , V_со -соответственно объемы в начальных условиях газовой фазы и смеси. На рис. 3.3 (кривая 1) показано, как может изменяться при этом модуль упругости минерального масла ГМ-50И. Формула для вычисления модуля упругости приведена в [7].

Применение гибких обрезиненных шлангов также приводит к зависимости приведенного модуля упругости от давления. На рис. 3.3 (кривая 2) показан график изменения указанного модуля упругости гибкого шланга с металлическими оплетками, заполненного маслом ГМ-50И. Кривая, соединяющая экспериментальные точки, характеризующие один шланг, во многом похожа на линию 1, характеризующую изменение изотермического модуля упругости газовоздушной смеси. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что влияние гибких обрезиненных шлангов эквивалентно действию нерастворенной газовой составляющей, по крайней мере на малых частотах ( f < 20Гц).

Рис.3.3

Зависимость модуля упругости смеси минерального масла ГМ-50И с воздухом (1) и гибкого шланга (2).

Еще одним источником переменной упругости в гидросистеме являются пневмокомпенсаторы или аккумуляторы. Поскольку они предварительно заряжаются, причем давление сжатого воздуха превышает 1... 1,5 МПа, то уравнение потребляемого ими расхода можно записать в форме

Q_пк= (V_пк/ æ_г) dP/dt, (3-18)

где V_пк - объем воздуха в пневмокомпенсаторе; æ_к= k(P+1) - модуль упругости газа.

Более подробный анализ выполнен в специальной литературе[14].

4. Растворимость воздуха и пенообразование.

Растворимость воздуха в жидкости определяется отношением объема растворенного воздуха (приведенного к нормальным условиям 20°С и атмосферное давление 760 мм рт. столба) к объему растворителя

a= V_в/ V_ж .

Растворимость зависит от температуры и давления. Для некоторых жидкостей (минеральных масел) она увеличивается с ростом давления по линейному закону a= cP. (c= 0,07- 0,12).

Влияние полностью растворенного воздуха на свойства жидкости не очень велико, однако в случае снижения давления, например при дросселировании, растворенный воздух выделяется, образуя газовую фазу, которая снижает упругость системы, а также приводит к появлению пены. Это может также вызвать кавитационные явления.

5. Смазывающие свойства жидкостей.

Они заключаются в способности образовывать прочную пленку, разделяющую трущиеся поверхности. Наилучшими смазывающими свойствами обладают масла.

В некоторых установках в качестве рабочей жидкости применяется обессоленная (дистиллированная) вода- дистиллат. В зависимости отусловий применения он должен иметь необходимые свойства и соотвествующий химический состав. Эти параметры указываются в нормативной документации.

6. Смазочно-охлаждающие жидкости.

При механической обработке деталей к смазочно- охлаждающим жидкостям (СОЖ) предъявляются дополнительные требования по экологии, отсутствию серы или воды, а также по оптимальной вязкости, хорошим смазывающим свойствам, поддержанию рабочей температуры в интервале 30- 50°С, хорошему отводу тепла и др.

В зависимости от физико- химических особенностей основной фазы СОЖ подразделяются на водные (водносмешиваемые), масляные и специальные (основная фаза- животные и растительные масла, синтетические масла, органические жидкости и расплавы металлов).

Водные СОЖ

В зависимости от дисперсности компонентов, вводимых в основную фазу, водные СОЖ разделяют на 4 группы: растворы электролитов, синтетические СОЖ, полусинтетические СОЖ и эмульсии.

Природная и техническая вода является многокомпонентной гетерогенной системой, содержащей большое количество различных примесей, которые можно подразделить на минеральные, органические и биологические.

Главными растворенными в воде минеральными примесями являются ионы Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, C l ^-, HCO₃^-, CO₃^{- -}, SO^{- -}₄ и газы О₂, N₂ и др. В пресной воде содержание минеральных примесей не превышает 0,1%. Примеси, содержащиеся в воде, оказывают сильное влияние на все функциональные и эксплуатационные свойства водных СОЖ и, в конечном счете, на технико-экономическую эффективность их использования. Однако этому обстоятельству до последнего времени уделяли малое внимание, из-за чего в нормативно- технической документации вид и концентрация примесей не нормируются.

Растворы электролитов относятся к средам с ионной степенью дисперсности и могут применяться в качестве самостоятельных СОТС или являться основой для приготовления многокомпонентных синтетических и полусинтетических СОЖ. Чаще всего в качестве электролитов используют соли неорганических кислот: двууглекислых натрий (соду), хлористые калий, натрий, кальций, барий, магний, нитриды натрия и др. Соли вводятся с целью снижения коррозионной агрессивности и улучшения функциональных свойств. В качестве ингибитора коррозии (замедлителя коррозии) в водных средах широко применяют нитрит натрия или двухромовокислые соли, хотя это нежелательно из-за высокой токсичности.

Концентрация электролитов обычно не более 2%. Это обусловлено опасностью выпадения твердых минеральных отложений на деталях оборудования, разрушающим влиянием высоких концентраций электролитов на лакокрасочные покрытия оборудования и на резиновые детали, а также их токсичностью.

Синтетические СОЖ- это среды с молекулярной степенью дисперсности. Основными диспергируемыми компонентами являются разнообразные водорастворимые органические продукты, среди которых преобладают поверхностно- активные вещества (ПАВ).

К ПАВ относятся вещества, способные снижать поверхностное натяжение воды в результате адсорбции на границе раздела фаз. Все ПАВ являются полярными соединениями, состоящими из гидрофобной и гидрофильной частей. Гидрофобная часть состоит из прямой или разветвленной парафиновой цепи, бензольного или нафталинового кольца с алкильными радикалами. Гидрофильной частью служат карбоксильная, сульфатная, сульфонатная, азотосодержащие и другие группы.

ПАВ подразделяются на анионоактивные, катионоактивные и неионогенные.

Компонентами синтетических СОЖ могут служить водорастворимые полимеры невысокой молекулярной массы.

Синтетические СОЖ могут также содержать в небольшом количестве различные добавки органического и неорганического происхождения, улучшающие технические характеристики жидкости.

Полусинтетические СОЖ относятся к средам с коллоидной степенью дисперсности. Диспергируемыми компонентами являются маловязкие минеральные или синтетические масла, водонерастворимые органические жидкости. Очень высокая степень диспергирования компонентов не позволяет выделить какую- либо отдельную фазу, т.е. раствор- квазиоднородный.

Компонентами такой СОЖ могут также являться водорастворимые и вододиспергируемые полимеры. Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств в СОЖ вводятся различные добавки (ингибиторы, стабилизаторы и др.)

Эмульсии- грубодисперсные смеси нерастворенных фаз. Основной (дисперсионной) фазой обычно является вода, а дисперсной- мельчайшие капельки масел. Эмульсии получают путем самопроизвольного или принудительного диспергирования в воде концентрата, называемого эмульсолом. В общем случае эмульсол состоит из следующих компонентов: базовой масляной основы; эмульгатора; противоизносных, противозадирных и антифрикционных присадок; добавок, улучшающих эксплуатационные свойства эмульсии. В качестве основы эмульсолов обычно используют средневязкие минеральные масла нафтенового или смешанного основания. Доля масла в эмульсоле не превышает 85%.

Эмульсолы могут быть легированы различными противозадирными, противоизносными и антифрикционными присадками. Для этих целей в масляную фазу вводят продукты, содержащие хлор, серу, фосфор, смеси различных продуктов. В качестве антифрикционных и противоизносных присадок целесообразно вводить в эмульсол тонкоизмельченные порошки слоистых твердосмазочных веществ: графита, дисульфита молибдена, нитрита бора. В этом случае эмульсол должен содержать стабилизаторы, т.е. вещества, препятствующие оседанию твердых частиц в растворе.

Обязательными компонентами современных эмульсолов являются бактерициды и ингибиторы коррозии.

Эмульгаторы - вещества, придающие устойчивость эмульсиям, т.е. являющиеся их стабилизаторами. Эмульгаторы, сосредотачиваясь на поверхности разделов 2-х жидких фаз, препятствуют обратному слиянию капель. Имеются 2 группы эмульгаторов с различным механизмом действия.

Часто эмульгатор, помимо выполнения своих основных функций, играет роль смазочного агента, улучшает моющие свойства и т.п.

В таблице 3.4 приведены примеры применения СОЖ.

Табл. 3.4

Примеры использования СОЖ

Масляные СОЖ. В масляные СОЖ входят базовое минеральное масло и различные присадки, причем базовое масло составляет 60- 100% массы СОЖ. По хим. составу минеральное масло представляет собой сложную смесь высокомолекулярных углеводородов, которые условно подразделяют на несколько групп: нафтеновые, ароматические и нафтено- ароматические, парафиновые.

Нафтеновые углеводороды являются важнейшей составной частью большинства масел. Их содержание в зависимости от природы нефтяного сырья изменяется в пределах 30- 70% объема. Масла, богатые нафтеновыми углеводородами, наиболее устойчивы к окислению кислородом воздуха.

Ароматические и нафтено- ароматические углеводороды в зависимости от природы нефти находятся в маслах в количестве 10- -55 % объема. Эта группа наиболее реакционноспособна.

Парафиновые углеводороды. Их содержание в различных маслах колеблется в широких пределах и может достигать 50%. В маслах преобладают парафиновые углеводороды нормального строения.

Структурно- групповой состав минеральных масел определяет многие функциональные и эксплуатационные свойства масляных СОЖ.

Органические жидкости. К органическим жидкостям, используемым как СОЖ, относятся хлорированные углеводороды (4-х хлористый углерод и др.), арматические и циклические углеводороды, спирты (глицерин, гликоли и др.), простые и сложные эфиры и др.

В качестве смазочно- охлаждающих технических средств (СОТС) могут применяться: расплавы многих твердых веществ (сера, твердые жиры и парафины, стекол, эмалей и т.п); воздух; аэрозоли; индивидуальные газы (хлор, хлористый водород); пары сжиженных газов.

Необходимо отметить, что соответствующая СОЖ применяется в зависимости от вида механической обработки. Так, при глубоком сверлении нельзя применять Аквол-14. Здесь обычно используется МР-3.