Характеристики

К основным физико-механическим характеристикам жидкости относятся: плотность, вязкость, сжимаемость, тепловое расширение, теплоемкость, теплопроводность, температуры застывания и вспышки, смазывающие свойства.

Плотностью (кг/м³) жидкости называется физическая величина, равная массе единицы ее объема, т. е. равная отношению:

,

где m — масса жидкости, кг; V — объем жидкости, м³.

В гидроприводе используют понятие давление жидкости, которое характеризует интенсивность сил, действующих со стороны жидкости на поверхность сосуда. Давление p выражается в Паскалях (Па). При повышении давления плотность жидкости увеличивается, при повышении температуры, как правило, уменьшается. Пример зависимости плотности от температуры для минерального масла МГЕ-10А приведены на рис.1.1.

Вязкость определяет свойство жидкости сопротивляться относительному перемещению ее слоев и проявляется в жидкости только при ее течении. Различают динамическую (абсолютную), кинематическую и условную вязкости.

где m — динамическая вязкость; S — площадь поверхности слоя жидкости; dv /dy — градиент скорости; v — скорость жидкости; y — расстояние между слоями жидкости, измеренное перпендикулярно к направлению движения
. Отсюда следует, что динамическая вязкость (Па*с) представляет собой силу трения, отнесенную к единице площади и единице градиента скорости.

Все жидкости, подчиняющиеся этому закону, называются ньютоновскими в отличие от неньютоновских жидкостей, для которых касательные напряжения не зависят от градиента скорости. Величина, обратная динамической вязкости, называется текучестью жидкости:

φ =1 / μ.

Кинематическая вязкость (м²/с, мм²/с) определяется как отношение динамической вязкости к плотности:

n = μ / ρ.

Так как непосредственно (опытным путем) определить вязкость затруднено, то в практике применяют понятие условной вязкости (секунды Сейболта, градусы Энглера и др.), которая определяется как отношение времени истечения жидкости заданного объема при данной температуре к времени, за которое вытекает дистиллированная вода такого же объема.

Хотя с увеличением давления кинематическая вязкость жидкости обычно растет, но в расчетах при давлении до 20 МПа зависимость вязкости от давления можно не учитывать.

С увеличением температуры жидкости T ее кинематическая вязкость уменьшается:

где n₅₀ - вязкость жидкости при температуре +50 °С, мм²/с; n - показатель степени, зависящий от n₅₀ (например, для n₅₀ =10 мм²/с n=1,7; для n₅₀ =20 мм²/с n= 2,0).

Вязкость технических жидкостей на практике определяется вискозиметрами.

Сжимаемость жидкости определяет ее свойство изменять объем под действием давления. Она характеризуется модулем объемной упругости жидкости Е (Па):

E = Δp/(ΔV/V),

где Δp - изменение давления, Па; ΔV - изменение объема, м³; V - первоначальный объем жидкости, м³.

Для минеральных масел Е= 1350...1700 МПа, для воды Е=2000 МПа, для силиконовых жидкостей E=1050 МПа, т.е. в 100 раз меньше, чем для стали (2×10⁵ МПа). Он увеличивается с увеличением давления и понижением температуры. Зависимость величины модуля упругости рабочей жидкости от температуры для масла МГЕ-10А, типичная для минеральных масел, приведена на рис. 1.1. При рассмотрении динамических процессов в гидросистемах с повышенным давлением (более 30 МПа) и при учете точности их работы сжимаемость рабочих жидкостей необходимо учитывать. В остальных случаях сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают. Величина, обратная Е, называется коэффициентом объемного сжатия.

В гидросистемах рабочая жидкость не является однородной. В ней находится воздух как в растворенном, так и в нерастворенном состояниях. Наличие нерастворенного воздуха (обычно 5...15%) влияет на упругие свойства масла, понижая модуль упругости и снижает быстродействие гидросистем.

Тепловое расширение жидкости характеризует ее свойство изменять объем с повышением температуры. Количественно это определяется температурным коэффициентом объемного расширения

где ΔV- приращение объема, м³; Vo - начальный объем; м³, ΔT - приращение температуры, К. Для масел при давлении 0...15 МПа принимают a =(6...7) 10^-4 К^-1.

Температурное расширение вызывает повышение давления рабочей жидкости, находящейся в замкнутой емкости (приблизительно на 1,1 МПа при DT=1 К). Это необходимо учитывать при проектировании гидросистем.

Удельная теплоемкость жидкости — это количество теплоты (Дж), необходимое для нагрева 1 кг жидкости на 1 К:

с=Q_t/ (m ΔT)=C / m ,

где Q_t - количество теплоты, Дж; m - масса жидкости, кг; ΔT - разность температур, К; С — теплоемкость жидкости, Дж/К.

Обычно в диапазоне температур 273...373 К (0...100° С) для минеральных масел C= 1,89 кДж/кг.

Теплопроводность жидкости (Вт/м²×К) характеризует ее способность проводить тепло и определяется отношением теплового потока к площади поверхности, нормальной к тепловому потоку и градиенту температуры:

l_t = Φ / S grad T,

где Ф — тепловой поток, Вт; S — площадь поверхности, м²; grad Т — градиент температуры, ⁰К / м.

Теплопроводность масел зависит от температуры и типа масла и при 288 К (или 15° С) l_t=0,13 Вт/(м²×К). При этом теплопроводность масел в 5 раз меньше теплопроводности воды и в 500 раз меньше теплопроводности стали.

Температурой застывания называется температура, при которой масло густеет настолько, что при наклоне пробирки на угол 45 град. его уровень в течение 1 мин остается неизменным. Эта характеристика существенна для работы гидросистем в условиях низких (ниже 260 К) температур. Температура эксплуатации гидроприводов должна быть на 15 – 18 град. выше температуры застывания.

Температурой вспышки называется температура, при которой пары масла, нагретого в оговоренных стандартами условиях, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Эта характеристика существенна при работе гидросистем в условиях повышенных температур (металлургические, термические и кузнечные цехи и т.п.).

Смазывающие свойства рабочей жидкости определяются прочностью масляной пленки и ее способностью противостоять разрыву. Как правило, чем больше вязкость, тем выше прочность масляной пленки.

Рабочая жидкость должна обладать противозадирными свойствами, т.е. препятствовать контактированию трущихся поверхностей, и противоизносными свойствами, т.е. создавать пограничный слой смазки между трущимися поверхностями. Эти свойства часто достигаются добавлением в незначительных количествах специальных присадок.

Исследованиями установлено, что основной причиной отказов при работе гидрооборудования является недопустимое загрязнение рабочих жидкостей частицами механических примесей, попадающих, в частности, из внешней среды.

ГОСТ 17216—71 устанавливает 19 классов чистоты жидкостей, которые отличаются друг от друга количеством и размерами находящихся в жидкости частиц загрязнения. При этом наличие в жидкости частиц размером более 200 мкм (не считая волокон) не допускается.

Для гидроприводов промышленных роботов удовлетворительным является использование рабочей жидкости от 7 до 12-го классов чистоты, в которых присутствуют механические частицы размером 10...25 мкм. Такая чистота в процессе эксплуатации обеспечивается применением специальных средств очистки, например фильтров.