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

ме воды, несколько повышается при всех прочих равных условиях. Сжимаемость этнлполисилоксановых жидкостей приблизительно на 50% выше, чем жидкостей на минеральной основе (см. рис. 5). Эффективное изменение объема, силиконовых жидкостей (как и большинства жидкостей) наблюдается при изменении давления от 0 до 3000 кГ/см2-, дальнейшее повышение давления не приводит к

заметному уменьшению объема.

При наличии в жидкости нерастворенного воздуха (механиче­ ская смесь) объемный модуль, называемый в этом случае приведен­

10

шень под действием внешней на­ грузки несколько сместится (про­ сядет). Величина этой просадки зависит от содержания нерастворенного воздуха в жидкости и давления в системе.

Для обеспечения удовлетвори­ тельной жесткости системы необ­ ходимо принимать меры для де­ газации жидкости, добиваясь, что­ бы содержание нераствореиногс воздуха не превышало 0,1% объема.

При наличии в жидкости нерастворенного воздуха последний вместе с жидкостью поступает во всасывающую полость насоса, давление в которой обычно значи­ тельно ниже атмосферного, поэто­ му воздух в ней расширяется,

уменьшая тем самым объем жид- Рис. 8. Зависимость объемного моду-

КОСТИ__________________________________________ ля упругости от давления и содержа­

растворенного воздуха, равный 1%. Вследствие расширения этого воздуха во всасывающей камере до давления рв объем* его увели- ' чпвается (принимаем, что процессы расширения и сжатия воздуха происходят по изотермическому циклу, при котором уравнение, вы­ ражающее связь между давлением и объемом, имеет вид pV = = const):

Va = V o ^ - ,

РВ

где V0— содержание воздуха в единице объема жидкости при на­ чальном давлении р0 жидкости в баке системы; Ув—тоже, при давлении во всасывающей камере насоса рв.

■ При сжатии воздуха в нагнетательной камере до давления рв на выходе из насоса объем его уменьшится:

Ра

где Vn— содержание воздуха в единице объема жидкости на выхо­ де из насоса.

Разность между значениями Vn и V„ есть потеря подачи насо­ сом _Vn, вызванная расширением воздуха:

Vn = VBVB.

11

Подставив значения Vn и Vtu получим

Рв Рв

В соответствии с этим объемный к.п.д. насоса, который характе­ ризует [10], насколько фактическая производительность насоса от­ личается от теоретической QT и представляет собой отношение фактической производительности к теоретической

На рис. 9 приведены кривые, характеризующие производитель­ ность (шестеренчатого) насоса самолетной гидросистемы в зависи­ мости от содержания в жидкости нерастворенного воздуха [10].

Воздух, находящийся в жидкости :в виде механической смеси, попадая в зону повышенного давления, частично переходит в раст­ воренное состояние .и практически не оказывает влияния на работу гидросистемы.

Время, в течение которого происходит устойчивое насыщение жидкости газом, зависит от площади контакта и степени возмуще­ ния поверхности жидкости, а также от ряда других факторов.

Так, например, при интенсивном взбалтывании или перемешива­ нии жидкости процесс насыщения ее воздухом протекает в течение нескольких.минут, даже секунд, тогда как в спокойном состоянии жидкости он длится часами.

На рис. 10 представлен график, характеризующий раствори­ мость газов в жидкости АМГ-10 при различных давлениях и тем-

12

пературе 20° С [12]. Из графика видно, что в пределах указанного давления .растворимость воздуха в этой жидкости практически яв­ ляется линейной функцией давления.

Поскольку количество газа, растворенного в жидкости, прямо пропорционально давлению, то при понижении последнего до вели­ чины, при которой произошло насыщение жидкости воздухом, изли­ шек воздуха выделится из жидкости. Подобное понижение давле­ ния может произойти в результате изменений скорости и направ­ ления потока жидкости в различных частях гидросистемы или с изменением высоты. Выделение газа будет происходить, до тех пор, пока в результате происходящего при этом обеднения содержания газа в жидкости не наступит новое равновесие между жидкой и га­ зовой фазами. Опытами установлено, что процесс выделения воз­ духа из жидкости протекает во много раз интенсивнее, чем процесс растворения в ней.

Рассмотренное свойство жидкости имеет большое практическое значение для работы гидросистемы, так как воздух во многих слу­ чаях может нарушить работу гидроагрегатов. Газ, выделившийся из жидкости в местах пониженного давления, частично и даже пол­ ностью может заполнить рабочие полости насоса, уменьшая тем самым его производительность. Как показали опыты, при давлении на входе в насос 0,2—0,3 кГ/см2, которое может возникнуть в ре­ зультате сопротивления всасывающей магистрали, наступает помут­ нение потока жидкости из-за выделения воздуха и паров жидкости, а при давлении 0,5 кГ/см2 количество выделившихся паров и воз­ духа становится таким, что жидкость превращается в эмульсию, изменяется ее окраска и появляются пузырьки [8].

Если процесс вскипания и выделения произошел в результате местного понижения статического давления, то этот процесс вызы­ вает явление, которое названо кавитацией. Возможность возникно­ вения местного вскипания жидкости в потоке вытекает из уравне­ ния Бернулли:

ри2

движения жидкости. В этих условиях статическое давление, опре-

р и 2

деляемое разностью Ро-----' по абсолютной величине прибли­

жается к давлению насыщенного пара жидкости, а кипение (испа­ рение со всего объема) жидкости, как известно, начинается в условиях равенства давления паров внешнему давлению. Исследо­ вания показывают, что кавитация начинается тем раньше, чем боль­ ше воздуха содержится в жидкости. Кавитация приводит к механи­ ческому разрушению поверхностей деталей агрегатов.

13

Механизм этого явления схематически можно представить в сле­ дующем виде. При попадании воздушных пузырьков в зону повы­ шенного давления они с большой скоростью смыкаются (захлопы­ ваются), причем более мелкие растворяются в жидкости, а более крупные резко уменьшаются в объеме. Во время смыкания пузырь­ ков частицы окружающей его жидкости перемещаются с большой скоростью к центру пузырька и кинетическая энергия этих частиц создает местные гидравлические удары с большим, мгновенно на­ растающим давлением в центре пузырька.

Вследствие большой скорости и высокой степени сжатия воздуш­ ного пузырька в нем развиваются высокие температуры, которые, как показывают расчеты [8], могут достигать при адиабатном про­ цессе сжатия 1000—1500° С и выше. Удары частиц жидкости при смыкании такого пузырька по поверхности детали вызывают мест­ ный нагрев ее до такой температуры, сочетание которой'с ударами приводит к интенсивному разрушению металла. Не исключено так­ же участие в рассматриваемом явлении пузырьков пара жидкости.

Под действием этих температур в присутствии кислорода возду­ ха происходит активное окисление (коррозия) поверхностей. Про­ цесс окисления усугубляется тем, что растворенный в жидкости воз­ дух содержит больше кислорода, чем атмосферный (коэффициент растворимости кислорода в минеральных жидкостях примерно, в 1,5 раза выше, чем азота [1]). Кроме того, интенсивность коррозион­ ных процессов повышается в результате того, что под действием механических (гидравлических) микроударов разрушается окисная пленка, которая в обычных условиях защищает металлические по­ верхности деталей от воздействия коррозионно-активных веществ.

Наблюдения также показывают, что кавитация наступает тем раньше, чем больше жидкость загрязнена твердыми частицами. По­ следнее обусловлено тем, что на поверхности загрязняющих твер­ дых частичек адсорбируется тонкий слой воздуха, частицы которого при попадании в зону пониженного давления служат зародышевы­ ми очагами, способствующие возникновению кавитаций. С появле­ нием кавитации понижается производительность насоса, возникает характерный шум, наблюдаются резкие частотные колебания (пуль­ сации) давления в нагнетательной линии и возникают ударные на­ грузки на подшипники и другие детали насоса, вызывающие быст­ рый выход последнего из строя.

Колебания давления в этом случае обусловлены не заполнением рабочих объемов насосов в полости всасывания. При этом как только камера соединяется с полостью нагнетания, возникает об­ ратный поток жидкости, вызывающий гидравлический удар и удар­ ную нагрузку на детали насоса и пульсирующее давление в гидрав­ лической сети, которое приводит к разрушению трубопроводов и к выходу из строя приборов. Амплитуда колебаний давления может достигать 300 кГ/см2 при частоте пульсации до 80 в секунду [8].

Условия работы жидкости в трубопроводах и фильтрах. В гидро­ приводах жидкость перемещается по трубам, капиллярам, фитингам и по каналам, выполненным как одно целое с деталями приводов.

14

Надежность прохождения жидкости по трубопроводам и кана­ лам с малыми затратами энергии определяется как эксплуатацион­ ными свойствами трубопроводов, так и физико-химическими свойст­

вами жидкости.

Течение всех реальных жидкостей сопровождается потерями на­ пора на преодоление сопротивлений, причем величина этих потерь зависит от характера движения жидкости.

Различают два режима течения жидкости — ламинарное и тур­ булентное. При ламинарном (слоистом) течении молекулы жидкос­ ти перемещаются параллельно оси канала, не перемешиваясь меж­ ду собой. Турбулентное же движение характеризуется тем, что наряду с движением частиц вдоль оси имеют место пульсации ско­ рости в поперечном направлении. Критерием, определяющим режим течения, является безразмерный коэффициент — число Рейнольдса:

где и — средняя скорость движения жидкости; d — гидравлический диаметр поперечного сечения канала; v — кинематическая вяз­ кость жидкости.

Опыты показали, что ламинарный поток является стабильной формой течения с числом Рейнольдса менее 2000. При числе Рей­ нольдса более 3000 течение турбулентное.

Чем выше кинематическая вязкость, тем при меньшей скорости течения наступает турбулентный режим-лючения. В связи с тем, что вязкость с повышением температуры уменьшается, то и режим те­ чения будет изменяться с изменением температуры.

При выборе величины скорости течения жидкости в трубопро­ воде руководствуются и тем, что повышение скорости приводит к увеличению потерь в системе, определяемых при ламинарном тече­ нии [12] из соотношения

где ц — коэффициент абсолютной вязкости; L и d — длина и диа­ метр сечения рассматриваемого отрезка трубы; и — скорость течения.

' Снижение скорости приводит к увеличению веса и стоимости ■трубопроводов и арматуры, так как при этом увеличиваются попе­ речные сечения проходных каналов агрегатов и трубопроводов.

Важным фактором, характеризующим надежность работы гид­ росистемы, является способность жидкостей проходить через систе­ му фильтров без значительных потерь напора. Если же в жидкости содержится значительное количество механических примесей, то каналы сетки фильтра очень быстро засоряются, и на фильтре возникает значительный перепад давлений.

Важным фактором, определяющим фильтруемость жидкости, ■является ее химическая стойкость при повышенных температурах и гомогенность при низких. Если жидкость обладает неудовлетвори­

15

случае газ является аккумулятором энергии, необходимой для воз­ вращения деталей амортизатора в первоначальное положение. Воз­ душно-жидкостные амортизаторы стоек шасси различных самоле­ тов имеют много общего и работают по одной принципиальной схе­ ме (рис. 11).

Давление в амортизационных стойках шасси транспортных дозвуковых самолетов в процессе работы достигает 200—250 ат

при повышении температуры до +70° С.2

2. ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЖИДКОСТЯМ

Исходя из анализа условий работы гидравлических систем рабо­ чая жидкость должна:

обладать хорошими смазывающими свойствами в широком диа­ пазоне скоростей скольжения и качения, удельных нагрузок и рабо­ чих температур;

16

быть стабильной во всем диапазоне эксплуатационных темпера­ тур и рабочих параметров;

иметь оптимальную вязкость в пределах рабочих температур и давлений;

иметь удовлетворительные низкотемпературные свойства; не разрушать употнительные материалы; обладать хорошей теплопроводностью; быть несжимаемой; не растворять в себе газов; быть нелетучей;

обладать минимальной вспениваемостыо; иметь низкий коэффициент расширения и высокую стойкость к

образованию эмульсии; не корродировать материалов деталей системы; быть негорючей;

иметь малую плотность и хорошие диэлектрические свойства; быть нетоксичной и удобной в обращении; хорошо прокачиваться и фильтроваться; обладать высокой теплоемкостью.

Выполнение указанных требований определяет пригодность жидкостей для работы в гидросистемах. Однако выполнить все требования при изготовлении жидкостей не представляется возмож­ ным. В каждом отдельном случае применения жидкости к ней предъявляются конкретные требования, определяемые условиями, в которых ей предстоит работать, а также конструкцией гидросис­ темы и теми рабочими операциями, которые система должна вы­ полнять.

Например, при подборе жидкости для применения в условиях значительной пожароопасности самой важной характеристикой бу­ дет ее горючесть. Так как обычно получить жидкость со всеми не­ обходимыми свойствами невозможно, то часто улучшают наиболее важные качества. Отдельные недостатки жидкости часто удается исправить или свести к минимуму путем конструктивных изменений системы.

Это возможно в том случае, если рабочая жидкость рассматри­ вается как столь же важный элемент системы, как насос, клапан или фильтр, все свойства которого будут учтены при создании и эксплуатации системы.

На основании общих требований для конкретных условий рабо­ ты разрабатываются технические требования, которые утверждают­ ся Государственным комитетом по науке и технике. В этом доку­ менте каждое требование имеет свое численное значение или пределы значений; точно оговорены условия работы жидкостей — давление, температура, контактируемые материалы и газы. Так, например, в Советском Союзе разработаны и утверждены техниче­ ские требования на разработку четырех типов жидкостей для ра­

I

■ В соответствии с техническими требованиями создается жид­ кость, на которую составляется ГОСТ (техническое условие) в Со­ ветском Союзе и Спецификация в зарубежных странах.. ГОСТ со­ ставляется разработчиками жидкости и согласуется с потребителем. В эти документы включается минимальный перечень показателей, определение которых обеспечивает контроль качества жидкости при изготовлении, хранении и эксплуатации. Кроме того, в ГОСТе ука­ заны и методы их оценки (измерения).

В процессе изготовления и применения жидкости ее подвергают испытаниям для оценки свойств и определения сферы ее примене­ ния. Для жидкостей гидросистем существуют три вида испытаний: лабораторные, стендовые и натурные. Лабораторные, испытания проводят с целью определения физико-химических показателей, ис­ пользуемых для оценки свойств и для различных расчетов. Стендо­ вые испытания жидкости проводят на оборудовании, имитирующем работу отдельных механизмов гидросистемы. Результаты стендовых испытаний более объективно отражают эксплуатационные свойства жидкостей, чем результаты лабораторных испытаний. Натурные ис­ пытания— испытания жидкости на реальной гидросистеме. Всему комплексу испытаний жидкость подвергается тогда, когда решается

- вопрос о ее использовании для данной работы.

На практике качество жидкостей, прошедших весь этап испыта­ ний, контролируется только с помощью лабораторных методов ис­ пытания.

Г л а в а 2

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И МЕТОДЫ ИХ ОЦЕНКИ

1. СМАЗЫВАЮЩИЕ СВОЙСТВА

Физико-химические свойства жидкостей условно можно подраз­ делить на эксплуатационные и свойства, определяющие физическое состояние и воздействие на организм человека. К первым относятся смазывающие, вязкостные, низкотемпературные свойства, стабиль­ ность, совместимость с материалами, взрывопожаробезопасность, содержание механических примесей, содержание воды, испаряе­ мость, вспениваемость, эмульсионные характеристики, сжимае­ мость. Такие свойства, как показатели теплопередачи, расширение, диэлектрические свойства, токсичность, запах и цвет, показатель преломления, поверхностное натяжение учитываются при разработ­ ке и создании новых жидкостей как свойства, определяющие физи­ ческое состояние, влияние на организм человека и на некоторые конструктивные параметры системы.

Основной причиной выхода из строя современных машин явля­ ется отказ вследствие износа трущихся элементов [21, 23, 24]. Это обусловлено значительно возросшей напряженностью работы узлов трения, связанной с увеличением их быстроходности, нагрузок, не-

18

обходимостыо работы при высоких и низких температурах, а также недостаточным вниманием к конструированию узлов трения н недо­ статочно тщательным выбором материалов. Правильный выбор ма­ териалов и рациональное конструирование могли бы продлить срок службы агрегатов во много раз при незначительном увеличении ма­ териальных затрат на их изготовление. Интенсивность изнашивания пар трения во многом определяется физико-химическими и смазы­ вающими свойствами рабочей среды.

Для нагруженных трущихся деталей агрегатов гидросистемы жидкость является смазочной средой. Под смазывающими свойства­ ми жидкости понимают способность жидкости снижать силу трения,, износ металлов и предотвращать задир и схватывание трущихся поверхностей. В общем виде смазочное действие можно определить как уменьшение прочности фрикционной связи, вызванное присут­ ствием в зоне трения смазочных веществ или продуктов их превра­ щения. Фрикционная связь определяется силой адгезии контакти­ рующей поверхности, истинной площадью ее эффективного дейст­ вия, сопротивлением сдвигу деформируемых объемов металла по­ верхностных слоев и глубиной деформируемой зоны. Соответственно этому сила трения складывается из адгезионного и механического компонентов. Чтобы уменьшить адгезионную составляющую сил трения, необходимо экранировать межмолекулярные силы путем создания на поверхностях пленок химических соединений или ад­ сорбированных пленок.

Для уменьшения силы механической составляющей достаточно разделить трущиеся поверхности смазочной пленкой. Смазывающая среда, таким образом, воздействует на одну из составляющих силы трения или обе одновременно.

Факторы, определяющие смазывающее действие, делятся на механические, химические и физико-химические [42].

В настоящее время наиболее разработан механический (гидро­ динамический) аспект смазки. Теория гидродинамической смазки

восновном базируется иа работах Н. П. Петрова [30].

Впределах жидкостного режима смазки сдвиг полностью лока­ лизуется в пленке жидкости, а ее толщина и устойчивость зависят от вязкости жидкости и условий трения — контактного давления, скорости сдвига, геометрии сопряженных поверхностей. Исследова­

ниями установлено, что законы гидродинамики остаются в силе для пленок жидкости толщиной более 0,0006 мм. Поскольку при идеаль­ ной гидродинамической смазке движущиеся детали друг с другом хотя и совершенно не соприкасаются, возможность абразивного из­ нашивания не исключается.

Основная часть пар трения агрегатов гидросистем работает в условиях граничной смазки. Трение в условиях граничной смазки называют граничным. В основе граничной смазки лежит эффект образования (за счет протекающих в зоне трения физико-химичес­ ких и химических процессов между металлом и смазочной средой) рабочего слоя, состоящего из пленок адсорбированных поверхност­ но-активных молекул, и пленок химических соединений, располо­

19