Вязкость рабочих жидкостей

Вязкость является одним из важнейших физических свойств рабочих жидкостей, которое существенно влияет на принятие технологических и конструктивных решений при проектировании и эксплуатации объемных гидромашин. От вязкости рабочей жидкости во многом зависят объемные, гидравлические и механические потери гидромашин, возможный температурный диапазон их эффективной эксплуатации и др.

Вязкость жидкости – это ее свойство оказывать при своем движении сопротивление относительному сдвигу своих частиц.

Физически модель вязкой подвижной жидкости объясняется разными скоростями ее касательных слоев в результате торможения потока стенками русла и возникновения между этими слоями сил внутреннего трения. Согласно гипотезе Ньютона закон внутреннего трения в жидкости в виде, предложенном М.П. Петровым, имеет вид

, (2.1)

где - касательное напряжение (сила внутреннего трения на единице площади касательные слоев подвижной жидкости);

- динамическая вязкость жидкости;

- градиент скорости, то есть приращение скорости частиц жидкости на бесконечно малом расстоянии между слоями, замеренном перпендикулярно направлению потока.

Из (2.1) следует, что в неподвижной жидкости касательное напряжение отсутствует , то есть вязкость оказывается только во время ее движения.

Также согласно (2.1), динамическая вязкость жидкости – это касательное напряжение при единичном градиенте скорости, то есть при , или сила, необходимая для перемещения одного слоя жидкости относительно другого при значениях площади касательные слоев и градиенте скорости, равняющихся единице.

Единицей измерения динамической вязкости в системе СИ является . Иногда, при пользовании техническими системами измерения, динамическую вязкость выражают в пуазах – П .

В гидравлических расчетах обычно используют кинематическую вязкость

,

где - плотность жидкости.

В системе СИ кинематическая вязкость жидкости измеряется в . Применяются также единицы измерения кинематической вязкости стокс – Ст , сантистокс – сСт .

Вязкость жидкостей часто задают безразмерными величинами – градусами условной вязкости или градусами Енглера, которые определяются как отношение времени свободного истечения 200 исследуемой жидкости при данной температуре через калибрирующее отверстие диаметром 2,8 мм к времени свободного истекания из того же сосуда 200 дистиллированной воды при температуре

.

Связь градусов условной вязкости (градусов Енглера жидкостей средней плотности с кинематической вязкостью выполняется с помощью эмпирической формулы Уббелоде

,

а с динамической вязкостью – по упрощенной эмпирической формуле

.

Согласно Стандарта [18], кинематическая вязкость жидких нефтепродуктов, прозрачных и непрозрачных жидкостей определяется измерением времени истечения определенного объема жидкости под действием силы притяжения при постоянной температуре через калиброванный стеклянный капиллярный вискозиметр. При этом кинематическая вязкость является произведением измеренного времени истечения и постоянной вискозиметра

,

где - калибровочная постоянная вискозиметра, мм²/с²;

- среднее арифметическое значение времени истечения, с.

Перечень типов капиллярных вискозиметров, которые могут применяться для определения кинематической вязкости жидких нефтепродуктов, прозрачных и непрозрачных жидкостей приведенный в [18], а инструкции по их эксплуатации – в [8].

Вязкость жидкостей увеличивается при повышении давления, причем в диапазоне от 0 до 30÷40 МПа эта зависимость для распространенных минеральных масел практически линейная и определяется, в том числе, упрощенной эмпирической формулой

,

где и - кинематическая вязкость минерального масла соответственно при давлении (МПа) и при атмосферном давлении;

- коэффициент, который зависит от сорта масла; как правило .

С повышением температуры вязкость рабочих жидкостей уменьшается, причем эта зависимость для разных жидкостей разная. Для минеральных масел вязкостью до в диапазоне температур пользуются зависимостью

,

где и - кинематическая вязкость минерального масла при температурах соответственно и ;

- коэффициент, который зависит от значения условной вязкости минерального масла при температуре ; как правило .

Чем меньше изменяется вязкость рабочей жидкости с изменением температуры, тем более высоки ее качество и эксплуатационные свойства.

Важной характеристикой качества минерального масла является температура застывания, при которой жидкость теряет подвижность частиц, но не превращается в твердое тело. Чем ниже температура застывания минерального масла, тем при низшей температуре внешней среды оно может использоваться в гидроприводах.

Оценку влияния температуры на вязкость минеральных масел выполняют с помощью индекса вязкости, расчет которого определен Стандартом [12]. Чем большее значение индекса вязкости, тем более пологой является вязкостно-температурная характеристика рабочей жидкости, то есть тем меньше изменяется ее вязкость с изменением температуры.

В некоторых случаях гидроприводы работают в условиях значительного изменения температурного режима. Даже в течение одного рабочего цикла гидроприводов горных машин вязкость рабочей жидкости изменяется в 20÷40 раз, а с учетом изменений температуры окружающей среды – в 80÷100 раз. В таких случаях необходимо использовать рабочие жидкости с высокими условными значениями индекса вязкости.

Для повышения условного значения индекса вязкости используют разные присадки – полиизобутелы, полиметалл-крылаты, виниполы, октол. Наилучшие результаты получают при загущении масел полиметалл-крилатами, но эти присадки в большой мере склонны к деструкции (разрушению) при дросселировании, особенно при высоких давлениях. При этом не только необратимо теряется (понижается) вязкость жидкости, но значительно ухудшаются ее смазочные свойства из-за уменьшения толщины и прочности защитной пленки на поверхности деталей. Поэтому при уменьшении вязкости рабочей жидкости более чем на 20%, ее необходимо заменять.

При выборе вязкости рабочей жидкости гидропривода необходимо учитывать следующее. Использование жидкости с низкой вязкостью приводит к повышенным утечкам и ухудшению смазки деталей с их неминуемым перегревом. Повышение внутренних утечек в гидромашине затрудняют точность регулирования гидросистем.

Увеличение вязкости рабочей жидкости приводит к ухудшению условий всасывания объемных насосов с повышением возможности возникновения кавитационных явлений, увеличения гидравлических потерь давления из-за вязкого трения в жидкости и нагрева подвижных элементов гидроприводов, замедления работы и снижения чувствительности системы управления и др.

Наиболее интенсивное ухудшение эффективности работы (уменьшение КПД) при изменении значения вязкости рабочей жидкости в сторону ее увеличения или уменьшения относительно оптимального (по критерию максимальной энергетической эффективности объемной гидромашины) имеет место в пластинчатых и шестеренных гидромашинах. Наименее чувствительные к такому изменению поршневые машины. Для указанных гидромашин существуют рекомендации по ориентированным значением вязкостей рабочих жидкостей, которые могут использоваться при их эксплуатации (табл. 2.2).

Так как в подавляющем большинстве случаях рабочие жидкости есть одновременно и маслом для подшипников, зубчатых и других передач, то необходимо при выборе жидкости согласовывать ее вязкостные показатели с требованиями к ним, как к характеристике масла.

Таблица 2.2

Значение вязкостей рабочих жидкостей, которые рекомендуются для использования в объемных гидромашинах

Тип объемной гидромашины	Вязкость рабочих жидкостей :
Пластинчатый при давлениях, МПа: - -	10÷25 30÷40	18÷40 35÷50
Шестеренный	15÷40	50÷70
Радиально поршневой	18÷40	40÷70
Аксиально-поршневой	10÷25	30÷60