книги из ГПНТБ / Аксенов А.Ф. Применение авиационных технических жидкостей

ми растворителями, а также крекинг, полимеризация, циклизация, гидрогенизация и т. д.).

К синтетическим жидкостям относятся такие, основу которых составляют продукты, получаемые в результате химических реак­ ции, в том числе и такие, при получении которых в качестве исход­ ных берутся продукты нефтяного происхождения.

Смесевыми жидкостями называют такие, основа которых изго­ тавливается из нескольких индивидуальных веществ путем смеше­ ния пли растворения одного в другом, причем эти вещества .могут быть как минерального происхождения, так и синтетические.

Кроме приведенной классификации, существуют и другие. На­ пример, ВВС США классифицирует жидкости по рабочему интерва­ лу температур гидросистем. Жидкости первой группы работоспо­ собны в интервале температур от —54° С до 71° С; второй группы от —54° С до 135° С, третьей от —54° С до 204° С, четвертой от —54°С до 288° С и пятой от —18° С до 371° С. Классификация жидкостей по температурным пределам работоспособности получила широкое распространение также в авиационной промышленности США.

Среди химиков, занимающихся вопросами разработки жидко­ стей для гидросистем, распространена классификация по признаку химической структуры. По химической природе жидкости делят па углеводороды, сложные эфиры, жидкости на основе органических соединении, содержащих галлоиды, полиорганоснлоксановые (си­ ликоны), полпалкиленглпколевые, жидкости на водной основе и др. При такой классификации в каждой группе объединены жидкости, сходные по химическим свойствам, тогда как их физические свой­ ства могут быть совершенно различными.

Такая классификация позволяет прогнозировать и некоторые эк­ сплуатационные свойства жидкости, синтезируемой па основе тех пли иных химических соединении и поэтому удобна для химика. Видоизменяя структуру молекулы соединения данного класса, можно существенно изменить его физические свойства при незна­ чительных изменениях химических свойств.

За последнее время в связи с бурным развитием сверхзвуковой и ракетной техники получила распространение классификация жид­ костей для гидравлических систем по признаку горючести пли вос­ пламеняемости. В основу такой классификации положено деление жидкостей на взрывопожароопасные и взрывобезопасные. Требова­ ния, предъявляемые к жидкостям по горючести, обычно формулиру­ ются исходя из пожарной опасности, связанной с их конкретным применением.

2. МИНЕРАЛЬНЫЕ ЖИДКОСТИ

Жидкости для гидравлических систем на основе нефтяных фрак­ ций являются широко распространенными. Составными частями этих жидкостей, кроме основы, могут быть полимерные загустители, антнокислительная, антикоррозионная и противоизносная присад­ ки, красители.

90

Сырьем для получения основы минеральных жидкостей являет­ ся нефть. По своему составу нефть представляет собой сложную смесь углеводородов, в которой присутствует небольшое количество органических соединений, содержащих кислород, серу, азот и дру­ гие элементы.

Углеводороды нефти различаются по молекулярному весу и структуре. В состав нефти входят парафиновые углеводороды нор­ мального и разветвленного строения, нафтеновые п ароматические углеводороды, в том числе моно- и полициклические с боковыми це­ пями и без них. Состав нефтей различных месторождений неодина­ ков. Одни нефти состоят преимущественно из парафиновых и наф­ теновых углеводородов, другие в основном содержат ароматические углеводороды и т. д. Присутствие гетероорганическпх соединений в жидкостях нежелательно, так как это ведет к ухудшению их хими­ ческой стабильности, повышению отложений и коррозионной ак­ тивности. Нежелательными являются также ароматические углево­ дороды, вызывающие повышенную набухаемость резин и служащие причиной образования шламов и нагаров, ухудшающих вязкостнотемпературные характеристики жидкостей.

Парафиновые углеводороды нормального строения имеют очень высокую температуру кристаллизации, поэтому присутствие их в основе жидкости приводит к ухудшению их низкотемпературных свойств.

Для получения жидкостей с требуемыми свойствами для произ­ водства основы используют только отборные нефти, из которых пу­ тем прямой перегонки выделяют фракцию, выкипающую в интерва­ ле 200—300° С. Но даже в случае применения специально отобран­ ных нефтей выделенная фракция нуждается в дополнительной очистке от гетероорганическпх и смолистых соединений, ароматиче­ ских и парафиновых углеводородов. Эффективное избирательное удаление из основы нежелательных соединений достигается приме­ нением специальных методов — физических и химических. К физи­ ческим методам относятся процессы, основанные на очистке при по­ мощи спликтивных растворителей, кристаллизации, адсорбции, тонкой фильтрации. К химическим методам переработки относятся: реакции гидрогенизации, циклизации, изомеризации; обработка крепкой серной кислотой; термообработка.

При помощи спликтивных растворителей освобождают основу от асфальтосмолистых веществ, при этом улучшается стабильность, вязкостно-температурные и другие свойства. Метод кристаллизации используется для очистки основы от парафиновых углеводородов. Он заключается в следующем: нефтяную фракцию разбавляют рас­ творителем (обычно пропаном), затем смесь охлаждают, при этом происходит кристаллизация парафина, который в дальнейшем от­ деляют.

Адсорбционная очистка используется для удаления взвешенных водяных капель, растворенных полярных веществ, таких как нафте­ новые кислоты, фенолы, мыла, а также для освобождения от части наиболее высокомолекулярных ароматических углеводородов.

91

Адсорбционной очисткой достигают увеличения прозрачности, повышения стабильности и снижения коррозионной активности. Тонкая фильтрация используется для освобождения от механиче­ ских примесей.

Применение химических приемов, таких как циклизация и изо­ меризация, позволяет изменить молекулярное строение н-парафино- вых углеводородов, превратить их в изопарафиновые и нафтеновые. Метод гидрогенизации используется для повышения стойкости уг­ леводородов к окислению в результате насыщения непредельных соединений.

Обработка .крепкой серной кислотой позволяет достаточно пол­ но удалить из нефтяных фракций ароматические углеводороды, смо­ листые и ряд гетерооргаинческих соединений. В результате термо­ обработки (нагрев до 250—230° С) происходит искусственное окис­ ление нестабильных компонентов, их осмоление, разрушение коррозионно-активных продуктов, стабилизируется углеводородный состав основы.

Таким образом, применение рассмотренных процессов позволяет получить на базе нефтяной фракции 200—300° С основу для произ­ водства жидкостей, обладающую удовлетворительной вязкостью и деэмульсационной способностью, стабильностью, весьма низкой

.коррозионной активностью, хорошими антнпенными свойствами, удовлетворительными смазывающими п противоизиоснымп харак­ теристиками.

Однако в настоящее время в чистом виде нефтяная улучшенная фракция не используется в качестве жидкостей для гидросистем. Для улучшения некоторых эксплуатационных свойств в основу вво­ дят целый ряд присадок. Используемые присадки можно разделить на две группы: присадки, изменяющие физические свойства основы, к ним относятся вязкостные, протнвопзноспые и красители; присад­ ки, изменяющие химические свойства основы к ним относятся ан­ тиокислители, ингибиторы коррозии и др.

Вязкостные присадки используют в том случае, если требуется повысить величину вязкости при положительных температурах и улучшить вязкостно-температурную характеристику основы. Это достигается введением в жидкость соответствующих полимеров. В их присутствии повышается вязкость основы и при правильном подборе полимера уменьшается наклон вязкостно-температурной кривой. Это объясняется тем, что собственная вязкость полимера в растворе при высоких температурах выше, чем при низких темпе­ ратурах. Поскольку вязкость определяется как сопротивление пе­ ремещению молекул жидкости относительно друг друга, то чем больше размеры полимерных молекул, тем выше вязкость жидко­ сти. Полагают, что полимеры в основе жидкости находятся в форме относительно мелких клубков. Хорошо растворимые полимеры силь­ но сольватируются, набухают и вытягиваются. Именно поэтому на­ гревание полимера в основе, обладающей ограниченной растворяю­ щей способностью, приводит к повышению ее вязкости.

92

Способность присадок улучшать вязкостно-температурную ха­ рактеристику обусловлена загущающей способностью полимера, ко­ торая является функцией молекулярного веса и степени изменения собственной вязкости полимера с изменением температуры. Изме­ нение собственной вязкости полимера связано с растворимостью и, вероятно, со многими другими факторами.

В качестве вязкостных присадок применяются полиизобутилены (суперол, опанол, эксанол), винипол и полиметакрилаты. Полиизо­ бутилены получают полимеризацией непредельного углеводорода изобутилена в присутствии катализатора — хлористого алюминия. Структурная формула полиизобутилена следующая:

СН3 СН3 СН3

СН3 СН3 СН3

Полиизобутилены хорошо растворяются в углеводородах, повышая при этом вязкость, однако вязкостно-температурные характеристи­ ки при их введении улучшаются недостаточно (вероятно, благодаря хорошей растворимости). Полиизобутилены имеют превосходную устойчивость к механической деструкции.

Полиметакрилаты являются продуктами совместной полимери­ зации акриловых и матокриловых производных в присутствии пере­ киси водорода. Структурная формула полиметакрилата следую­ щая:

COOR COOR COOR

I I I

—С—СН2—С—СН2—С—

СН3 СН3СН3

Недостатком полиметакрилатов является довольно плохая рас­ творимость их в нефтяных фракциях. Поэтому при применении их приходится предварительно растворять в легких растворителях ти­ па бензола. Раствор сначала смешивают с основной массой, а затем освобождают основу от растворителя. Эффективность полиметакри­ лата, как присадки, его загущающая способность и стойкость к де­ струкции, изменяются в широких пределах в зависимости от харак­ тера алкильных групп и молекулярного веса полимера.

Виниполы, как присадки, обладают рядом преимуществ, такими как простота способа получения, хорошая растворимость в углево­ дородах, хорошая смазывающая способность и др. Виниполами на­ зывают продукты полимеризации виниловых эфиров в присутствии хлорного железа как катализатора. Например, винипол ВБ-2 полу­ чается в результате полимеризации винил-н-бутилового эфира. Син­ тез виниполов разработан А. Е. Фаворским и М. Ф. Шостаковским.

Вииипол ВБ-2 (бальзам Шостаковского) представляет собой свет­ ло-желтую прозрачную вязкую массу, структурная формула его следующая:

—СН—СН2—СН—СН2—СН—

Растворяясь в основе, винипол повышает ее вязкость, улучшает смазывающую способность, повышает антикоррозионные свойства. К недостаткам виниполов относятся их легкая окисляемость при хранении, воздействии высоких температур и .кислорода воздуха. Поэтому для загущения основы жидкостей винипол применяют вместе с антиокислителем. При механических воздействиях винипол склонен к деструкции, в результате которой снижается вязкость жидкости.

Антиокислительные присадки применяют в том случае, если не­ обходимо повысить стойкость основы к различным химическим воз­ действиям или улучшить стойкость полимерных присадок. Назначе­ ние таких присадок — сохранить, насколько это возможно, жидко­ сти и механизмы гидравлической системы в первоначальном состоя­ нии.

В результате многочисленных исследований сформулировались современные представления, объясняющие механизм действия анти­ окислителей. Полагают, что окисление углеводородов инициируется свободными радикалами. Первичные радикалы могут быть иниции­ рованы термическим или механическим расщеплением молекул. Они легко соединяются с кислородом, образуя перекисные радикалы, которые затем реагируют по направлениям, зависящим от среды и типа соединения.

Конечными продуктами превращений являются спирты п кар­ боновые кислоты, которые могут конденсироваться, образуя поли­ меры в виде лаков, смолистых отложений, осадков, служащих ис­ точником коррозии, или оставаться инертными по отношению к ме­ таллам. В присутствии следов растворенных металлов, таких как железо, медь, никель, цинк, олово, свинец, реакции окисления обычно сильно ускоряются и приобретают ту или иную направлен­ ность.

При помощи присадок предотвращается распад и дальнейшее окисление молекул. Такие соединения называют антиокислителями. Они предотвращают цепную реакцию образования свободных ради­ калов. Будучи введены в жидкость антиокислители реагируют со свободными радикалами, обладающими высокой энергией, образуя свободные радикалы с низкой энергией. Затем последние соединя­ ются один с другим, прерывая развитие цепной реакции образова­ ния радикалов и прекращая окисление. Механизм действия анти­ окислителя может быть и другим: так, если его энергия активации достаточно высокая, антиокислитель может тормозить начало окис-

94

цвет, степень однородности и стабильность. Применяемые в современных авиационных гид­ росистемах минеральные жид­ кости окрашивают, как прави­ ло, в красный цвет, иногда в оранжевый. Широко распро­ страненным красным красите­ лем является вещество «Су-

«Аэрошелл флюид-1АС». Фракционный состав этих жидкостей при­ веден на рис. 53.

Жидкость АМГ-10 (авиационное масло гидравлическое с вяз­ костью 10 сст при 50° С) является основной жидкостью для отече­ ственных самолетов Ту-104, Ту-114, Ту-134, Ту-124, Ил-18, Ил-62,

Ан-10, Ан-12, Ан-24, Ил-14 и др.

Жидкость АМГ-10 имеет следующий состав:

96

Зарубежная жидкость «Аэрошелл флюид-4» является наиболее распространенной минеральной жидкостью в гидросистемах зару­ бежных самолетов.

Жидкость «Аэрошелл флюид-4» имеет следующий состав:

Жидкость «Аэрошелл флюид-4», выпускаемая различными фир­ мами, имеет следующие обозначения: DTD-585 (Англия), MIL-H-5606A и В (США), 3GP-26A (Канада), FHS-1 (Франция),

ОМ-15 (международное).

»вспышки в открытом тигле, °С, не ниже . . . . +93,3

97

Жидкость MIL-H-5606B по сравнению с жидкостью MIL-5606A обладает повышенной стойкостью к механическим воздействиям.

Жидкость «Аэрошелл флюид-1 АС» используется для ряда спе­ циальных гидравлических устройств самолетов и в некоторых слу­ чаях в гидросистемах.

Жидкость «Аэрошелл флюид-1 АС» имеет следующий состав: очищенная минеральная основа (фракция 270—370°С), анти-

©кислительная, антикоррозионная и противоизносная присадки, кра­ ситель красный (фирмы США и Англии), краситель оранжевый (фирма «Шелл»).

В связи с достигнутыми в последние годы международными со­ глашениями о транспортных перевозках ежегодно увеличивается количество полетов как отечественных самолетов в зарубежные страны, так и зарубежных самолетов в СССР. Это вызвало необ­ ходимость иметь жидкости, взаимозаменяемые с зарубежными. Ис­ следования, проведенные в этой области, показали, что жидкости АМГ-10 и «Аэрошелл флюид-4» по основным физико-химическим свойствам идентичны и их смеси обеспечивают удовлетворительную работу гидросистем самолетов. В связи с этим в зарубежных аэро­ портах гидросистемы отечественных самолетов, работающих на жидкости АМГ-10, разрешается дозаправлять жидкостью «Аэро­ шелл флюид-4» и не разрешается жидкостями синтетическими, кас­ торовыми и водно-этиленгликолевымн.

Жидкость «Аэрошелл флюид-1АС» имеет неудовлетворительную температуру .кристаллизации, высокую температуру кипения и вспышки, поэтому гидросистемы отечественных самолетов в зару­ бежных аэропортах не разрешается дозаправлять этой жидкостью.

Для гидросистем поршневых самолетов в США используют ми­ неральные жидкости фирмы «ESSO». Некоторые физико-химиче­ ские свойства этих жидкостей приведены ниже:

Жидкость «Юнивис-40» представляет собой высокоочищенную нефтяную фракцию с хорошими низкотемпературными свойствами, содержит загущающую присадку. Она предназначена для гидро-

98

систем самолетов ДС-3, ДС-4, ДС-6. Жидкость «Юнивис-43», кро­ ме высокоочищенной нефтяной фракции, содержит антиокислительную, противоизносную и вязкостную присадки.

Жидкость 3126 изготовлена на основе сверхчистой нефтяной фракции, обеспечивающей хорошие рабочие характеристики в диа­ пазоне температур от —54 до 71° С в открытых сиетемах и до 135° С в закрытых системах.

3. СМЕСЕВЫЕ ЖИДКОСТИ

Смесевые жидкости находят ограниченное применение в поршне­ вой авиации, так, например, отечественная спирто-водно-глицери­ новая жидкость АМ-70/10 используется для амортизационных сто­ ек самолетов Ли-2, Ил-12, Ил-14, Ан-2, Як-18А вертолетов Ми-1 и Ми-4. Жидкость АМ-70/10 состоит из 70% (по весу) химически чис­ того глицерина, 20% этилового спирта-ректификата и 10% кипяче­ ной воды. По своим вязкостным свойствам жидкость АМ-70/10 обес­ печивает нормальную работу амортизационных стоек шасси при температурах 10—30° С. При высоких температурах вязкость ее сильно понижается, что приводит .к нарушению герметичности, при низких температурах — возрастает, что вызывает ухудшение амор­ тизационных свойств.

По коррозионным свойствам жидкость АМ-70/10 значительно уступает минеральным. Повышенное агрессивно-коррозионное дей­ ствие ее объясняется наличием в ее основе большого количества воды. Основные свойства жидкости следующие:

В гидросистемах зарубежных самолетов иногда используют сме­ севые жидкости. Так, на английском самолете «Комета-4» приме­ няется смесевая жидкость на касторовой основе. Эта жидкость представляет собой смесь касторового масла с высококипящими спиртами и присадками различного назначения, выпускается по английской спецификации ДТД 900/4081.

На поршневых зарубежных самолетах находит применение вод- но-этиленгликолевая жидкость «Хайдролюб», которая представля­ ет собой водный (45%) раствор этиленгликоля, загущенный поли­ метакрилатом и сополимером полиалкиленгликоля. Этиленгликоль

99