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

Расход жидкости q через цилиндр радиусом г определяется урав­ нением

Объем V7 вытекающей жидкости через капилляр за время т оп­ ределяется уравнением У = <7т или, подставив значение расхода, получим

Удельная сила р, под действием которой течет жидкость через капилляр, состоит из гидравлического давления столба жидкости, поэтому

Р = pgh,

где р — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения;

Коэффициент т] носит название динамической вязкости.

В метрической системе единиц измерения за единицу динами­ ческой вязкости примят пуаз:

1 пз — 0,0102 кГ-сек/м2 = 0,1 н-сек/м2.

Из соотношения (9) следует, что для определения динамической вязкости жидкости нужно знать ее плотность при той же темпера­ туре. Удобнее оказалось измерять относительную вязкость, назван­ ную кинематической из-за ее размерности, которая равна отноше­ нию динамической вязкости жидкости к ее плотности, измеренных при одной и той же температуре:

козиметрами. Размеры вискозиметров вычисляют при температуре 20° С и записывают в виде коэффициента с в паспорт на прибор. Этот коэффициент называют постоянной вискозиметра.

Для того чтобы определить кинематическую вязкость жидкости, достаточно определить время (в секундах) истечения определенно-

40

го количества жидкости через капилляр и вычислить по формуле

V ; = CT, ( 1 1 /

где с — постоянная вискозиметра.

Для точных измерений кинематической вязкости вводят поправ­ ки на изменение ускорения силы тяжести и гидростатического на­

1 ст— \ см21сек. В технической практике получили распространение сантнстоксы (сст), 1 стг = 0,01 ст = 1 мм2!сек.

В зарубежной практике, особенно в США, Англии, при измере­ нии вязкости методами, основанными на истечении жидкости, широ­ ко распространены условные единицы, называемые «градусы Зиг­ лера», «секунды Сейболта», «секунды Редвуда» и др.

Зависимость между вязкостями, определенными в разных виско­ зиметрах и выраженными различными единицами, нелинейная. При переходе из одной системы в другую вязкости пересчитывают с не­ которым приближением по различным эмпирическим формулам. Ниже приведены формулы для пересчета распространенных ус­ ловных единиц вязкости в приближенные значения коэффициента кинематической вязкости:

п л™ °с. 0.0631

0,0731 t ------—— ( £ — градусы Энглера); 0,001435 "Е — 3п'22 (" Е — секунды Энглера);

0,00220" S --- 3—— ("S — секунды Сейболта универсальные);

Зависимость вязкости от температуры. Вязкость является одним из свойств жидкости, которое в значительной степени изменяется с изменением температуры. Это изменение обусловлено деформацией: молекул жидкости и изменением внутренней энергии. Для нормаль­ ной работы гидроагрегатов систем в эксплуатационном диапазоне температур (—60ч-+200° С) необходимо, чтобы вязкость жидкости изменялась в допустимых пределах. Так, условия работы самолет­ ных гидросистем требуют чтобы кинематическая вязкость жидкости

при 60° С была не более 2500 сст, а при максимальной рабочей температуре не более 3 сст.

2 03

0,0220AS£ — ("SF — секунды Сейболта Фурол).

41

На рис. 23 представлены зависимости времени уборки и выпуска шасси от температуры жидкостей АМГ-10 и МВП. Если сопоставить эти зависимости с изменением вязкости этих же жидкостей при низких температурах (рис. 24), то можно заключить, что надежность работы гидросистемы в широком диапазоне низких температур обес­ печивается жидкостями, незначительно изменяющими свою вяз­ кость. Из представленных данных следует, что изменение вязкости с изменением температуры весьма значительное, поэтому в любом случае при указании вязкости температура должна быть точно ого­ ворена.

Для минеральных жидкостей зависимость кинематической вяз­ кости от температуры определяется выведенным опытным путем линейным уравнением Вальтера [46]:

где v — кинематическая вязкость, сст\ к' — универсальная постоян­ ная величина, равная 0,6; А и В — константы, характеризующие данную жидкость; Т — температура, ° К.

Коэффициенты А и В определяют по результатам измерения вязкости при трех температурах. Для этого составляют и решают три системы уравнения вида:

Г lglg(vi + 0,6) = A + Blgti; Iglg(v2 + 0,6) = A + B lg t2.

Получаемые при решении различных систем уравнении числен­ ные значения коэффициентов А и В несколько различаются. Это

42

Рис. 25. Вязкостно-температурная номограмма:

/-ж и д к о ст ь па нефтяной основе; 2 — эфир фосфорной кислоты; 3 — эфир кремниевой кислоты; 4 — фторхлоруглеводороднаи жидкость; 5 — полнсилоксановая жидкость

связано с тем, что величина вязкости измеряется с некоторой пог­ решностью, определяемой систематической ошибкой и влиянием случайных факторов.

Окончательные значения коэффициентов определяют методом иаименьших квадратов.

Указанная аналитическая зависимость вязкости от температуры может быть использована в пределах температур —50-4-4-200° С. Для более узкого диапазона температур (10—70° С) может быть использована зависимость степенная [12]:

где т]г и цго — динамическая вязкость соответственно при темпера­ туре i и 20° С; а — показатель степени, характеризующий дан­ ную жидкость.

Для того чтобы определить показатель а для данной жидкости,, достаточно измерить вязкость жидкости при 20° С и какой-либо- температуре t.

Преимущества аналитических выражений зависимости вязкости: от температуры заключаются в том, что для определения вязкостнотемпературной характеристики жидкости с необходимой для прак­ тики точностью не требуется проводить измерения во всем диапазо­ не температур.

Для наглядности и удобства сравнения различных жидкостей по вязкостно-температурным характеристикам последние обычно изо­ бражают графически (номограмма ASTM). На рис. 25 представ­ лены вязкостно-температурные характеристики для ряда исполь­ зуемых жидкостей [46].

43

В практике применения жидкостей возникает необходимость от­ разить в различного рода документации их вязкостно-температур­ ные характеристики. Изображение этих характеристик в виде аналитической или графической зависимости не совсем удобно. Для упрощения записи вязкостно-температурной зависимости К. С. Чер­ нова предложила пользоваться эксплуатационным коэффициентом вязкости (ЭКВ), представляющим собой отношение кинематической

.вязкости, измеренной пли при —50° С, или при —60° С к кинемати­ ческой вязкости, измеренной или при +50°С, или при +70°С. В со­ ответствии с этим и записывают ЭКВ как —50/ + 50 пли —60/+70. Например, ЭКВ —50/ + 50 для МВП (масло вазелиновое приборное)

Чем больше численное значение ЭКВ жидкости, тем ее вязкостнотемпературные характеристики хуже. Значение ЭКВ для жидкостей современных гидросистем не должно быть больше 100 ед.

Простым методом оценки зависимости вязкости от температуры является ее оценка по наклону кривой, построенной в соответствии с выражением (12), см. рис. 25. Наклон кривой можно определить графическим способом или рассчитать. По графику его определяют следующим образом. Вязкостно-температурная кривая образует с линиями постоянной вязкости угол а, тангес которого характеризу­ ет наклон кривой. Если обозначить у — ось вязкостен, а х-—-ось температуры, то tg а определится отношениями линейных их раз­ меров:

Например, для фтороуглеводородной жидкости (кривая 4, рис. 25), имеющей крутую вязкостно-температурную зависимость, tg а=1, а для полисилоксановой жидкости (кривая 5), имеющей бо­ лее пологую зависимость, tg а = 0,4.

Способы выражения вязкостно-температурных характеристик жидкостей, указанные выше, не исчерпывают всех возможных прие­ мов, однако они являются наиболее распространенными. В некото­ рых случаях для характеристики вязкостно-температурных свойств жидкости записывают значение вязкости при двух температурах: + 50° С и -50° С (ГОСТ 6794—53).

Зависимость вязкости от давления. Вязкость всех жидкостей из­ меняется при изменении давления. Однако зависимостью вязкости от давления в гидравлических системах пренебрегают, особенно в сис­ темах, рассчитанных на малое давление (50—200 кГ/см2). С увели­ чением давления вязкость возрастает, причем тем быстрее, чем ниже температура. Характер изменения вязкости от давления в большой степени зависит от химического состава жидкости. Так,

44

например, вязкость минеральных жидкостей с изменением давления изменяется более существенно, чем вязкость эмульсионных жид­ костей на основе животных и растительных масел.

У жидкостей нефтяного происхождения зависимость вязкости от давления определяется главным образом строением молекул. Так, вязкость жидкостей иа основе парафиновых углеводородов менее зависит от давления, чем вязкость жидкостей на основе нафтеновых углеводородов. Вязкость синтетических жидкостей от давления за­ висит в меньшей степени, чем вязкость минеральных жидкостей. Значительно менее других жидкостей изменяют свою вязкость с из­ менением давления жидкости на основе водно-гликолевых смесей.

При повышении температуры характер изменения вязкости от давления для всех типов жидкостей не изменяется, по абсолютной же величине изменение вязкости пропорционально изменению тем­ пературы. На рис. 26 показано изменение вязкости четырех жид­ костей иа основе широко распространенных веществ при трех различных температурах [46].

Изменение вязкости с изменением давления необходимо учиты­ вать главным образом при расчетах процессов смазки и перекачки. Исследованиями установлено, что при давлениях более 400 кГ/см2 различие в вязкости ряда смазочных материалов вносит значитель­ ные ошибки в результаты расчетов, основанных на теории гидроста­ тической смазки [38]. Для ряда минеральных жидкостей вязкость при рабочем давлении в современной гидросистеме может возрасти в 2 и более раза. Это повышение может существенно повлиять иа расход жидкости и потери напора по длине трубопровода.

Рис. 26. Влияние давления на вязкость жидкостей при постоянной температуре:

1 — жидкость на нефтяной основе; 2 —эфир фосфорной кислоты; 3 — жидкость на основе эфира фосфорной кислоты; 4 — водно-гликолевая жидкость

45

В практических расчетах для определения зависимости вязкости минеральных жидкостей, применяемых в гидросистемах, при дав­ лении 0—500 кГ/см2 пользуются эмпирическим выражением [12]:

vp = v ( l + 0,002p),

где л-р и v — кинематическая вязкость соответственно при давлении р и атмосферном.

Зависимость динамической вязкости от давления может быть представлена в виде [8]:

11 = рое*”",

где i]o — вязкость при атмосферном давлении; т — пьезокоэффнциент, см2/кГ; е — основание натуральных логарифмов; ц — вяз­

кость при давлении р.

Экспериментальные исследования показывают, что значение пьезокоэффицнента зависит главным образом от типа жидкости, температуры и диапазона изменения давления. Пьезокоэффициент определяют по данным измерения вязкости при различных дав­ лениях. Так, величина пьезокоэффицнента при температуре 38° С для минеральных жидкостей, имеющих вязкость при атмосферном давлении 28,3 спз, равна 0,00213, а для жидкости с вязкостью при атмосферном давлении 46,4 спз т = 0,0027 [46].

Для измерения вязкости при высоких давлениях используют при­ боры трех основных типов: вискозиметры с падающим телом; виско­ зиметры с катящимся шариком и вискозиметры с колеблющимся цилиндром или диском. Метод падающего тела заключается в изме­ рении времени прохождения сферическим пли другим телом под дей­ ствием тяжести определенного расстояния в испытуемой жидкости, находящейся под давлением. Вискозиметром с катящимся шариком измеряют время, необходимое для прохождения шариком опреде­ ленного расстояния внутри наклонного цилиндра, точно пригнанного

кнему [46].

Ввискозиметре третьего типа имеется кварцевый диск, закреп­ ленный между двумя пластинами на торсионе. Диск приводится в колебательное движение, и свет, который отражается от зеркала, закрепленного на выступе диска, позволяет определить скорость ее вибрации. Для этих же целей может быть использована и мостовая схема с усилителем. Данные, получаемые в результате эксперимен­ тов, используются при расчете вязкости.

Пути улучшения вязкостных свойств технических жидкостей. Для жидкостей гидравлических систем, эксплуатирующихся в раз­ личных температурных условиях, важнейшим качеством является пологая вязкостно-температурная зависимость.

Применяемые в гидросистемах современных самолетов мине­ ральные жидкости значительно изменяют свою вязкость при изме­ нении температуры. Для улучшения вязкостно-температурных свойств в состав минеральных жидкостей вводят полимерные за­ густители.

46

Использование полимеров позволяет значительно увеличить вяз­ кость при повышенных температурах. Загущающий эффект поли­ меров заключается в образовании своего рода решетки (вследствие беспорядочного расположения молекул), повышающей силу сдвига. Б определенных условиях течения беспорядочно расположенные молекулы могут ориентироваться, и загущающий эффект уменьша­ ется. По этой причине величина вязкости таких жидкостей, измеряе­ мая на вискозиметрах с разной скоростью деформации, получается различной. Это объясняется ориентацией полимерных молекул в направлении течения жидкости. Несмотря на эти особенности, жид­ кости с полимерными присадками также отно­ сят к квазиныотоновским.

47

лагать, что эта жидкость способна обеспечить работу гидравличе­ ской системы при температуре до минус 60° С. Однако при минус 60° С жидкость МВП застывает настолько, что становится твердой как камень. Естественно, что в таком виде ее нельзя применять. Практически жидкость МВП нормально обеспечивает работу гид­ равлической системы до температуры окружающего воздуха ми­ нус 30° С. Таким образом, температура застывания является лишь ориентировочным показателем работоспособности жидкости при низких температурах.

Для более полной оценки работоспособности жидкостей при низ­ ких температурах К. С. Чернова рекомендуют пользоваться показа­ телями, характеризующими вязкость и стабильность при низких температурах. Значение вязкости как фактора, характеризующего работу гидросистемы в условиях низких температур, рассмотрено выше. Под стабильностью жидкостей при низких температурах сле­ дует понимать способность жидкостей к расслаиванию и выделению кристаллов и осадков. Склонность жидкости к расслаиванию или кристаллизации указывает на нестабильность.

Для определения стабильности при низкой температуре жид­ кость в стеклянных ампулах помещают в сосуд Дьюара, постепенно понижают температуру. Испытание ведется непрерывно в течение 72 ч. Сосуд Дыоара заполняют охлаждающей смесыо из спирта и сухого льда или жидким азотом. Ампулу помещают в сосуд Дыоара, и постепенно в течение 4 ч в этом сосуще понижают температуру до —30° С. При этой температуре ампулу с жидкостью выдерживают в течение 20 ч. Затем температуру постепенно в течение 3 ч понижа­ ют до —45° С. При этой температуре ампу'лу выдерживают в течение 21 ч. После этого температуру понижают до —60° С в те­ чение 3 ч и при этой температуре выдерживают в течение 21 ч. По другим методикам общее время выдержки при —60°С должно быть не менее 100 ч.

Во время испытания через специальные окна наблюдают, не про­ исходит ли расслаивание жидкостей или выделение кристаллов и осадков. Когда жидкость в ампуле примет комнатную температуру, ампулу вскрывают, пипеткой берут пробу жидкости из верхней и нижней частей и измеряют их вязкость. Если не наблюдается ника­ ких выделений, расслоения и если вязкость проб жидкости из верх­ него и нижнего слоев одинакова, то считается, что жидкость ста­ бильна при низких температурах.

5. СОВМЕСТИМОСТЬ ЖИДКОСТЕЙ С МАТЕРИАЛАМИ

Под совместимостью понимается отсутствие взаимодействия между жидкостью, применяемой в гидравлической системе, и ве­ ществами, с которыми она соприкасается в процессе работы. К чис­ лу таких веществ относятся поверхностные покрытия, изоляционные материалы, пластмассы, эластомеры, различные атмосферные газы. Нужно принимать во внимание и те конструкционные металлы, из которых изготовлены детали гидросистемы.

48

Совместимость жидкости с металлом можно оценить, используя различные методы испытания металлов на коррозионную устойчи­ вость в разнообразных условиях их взаимодействия. По истечении установленного времени испытания определяют изменения, проис­ шедшие в металле и жидкости, которые и принимаются за меру кор­ розионной агрессивности жидкости или меру несовместимости обоих материалов.

Наибольшие трудности возникают при оценке совместимости гидравлических жидкостей с прокладочными и уплотнительными материалами, которые подвергаются самым различным воздей­ ствиям, включая влияние температуры, давления, вибрации, окис­ ления, истирания и т. д. Оценка устойчивости уплотнения, произве­ денная в статических условиях, может значительно отличаться от устойчивости в реальных условиях. Поэтому при выборе полимеров для изготовления уплотнений и набивок устойчивость их определя­ ют в два этапа. Вначале грубо определяют растворимость полиме­ ров в жидкости, затем выбранный полимер подвергают дальнейшим испытаниям на совместимость. Для этого полимер выдерживают в жидкости с повышенной температурой, затем определяют степень его набухания, растворения и изменения твердости. Результаты ис­ пытания считаются удовлетворительными, если изменения невелики. Изменения в допустимых пределах нередко являются желаемыми для обеспечения надежной герметизации валов агрегатов.

Окончательный выбор полимера для применения в гидравличес­ кой системе определяется результатами его дальнейших испытании

вусловиях, имитирующих реальные.

Впрактике применения жидкостей оценивают их коррозионные свойства и воздействие на резиновые детали.

Коррозионные свойства. При эксплуатации гидравлических сис­ тем на ее деталях обнаруживаются участки, подверженные воздей­ ствию коррозионно-активных веществ, присутствующих в жидкости. Коррозия возникает в результате комбинированного воздействия на металл воды, кислодора, следов органических и минеральных кислот, сернистых соединений и других продуктов. По механизму процессов, вызывающих разрушение поверхностного слоя металлов, коррозию делят на химическую и электрохимическую [4, 19].

Химический вид коррозии возникает при непосредственном хи­ мическом взаимодействии коррозионно-активных веществ с метал­ лами, главным образом цветными, из которых изготовлены детали агрегатов гидросистемы. Такая коррозия может быть поверхностной и межкристаллитиой. Наиболее опасна для деталей агрегатов гид­ росистем, работающих под высоким давлением, межкристаллитная коррозия, снижающая объемную прочность металла.

Механизм протекания электрохимического коррозионного про­ цесса аналогичен работе короткозамкнутого гальванического эле­ мента. Необходимым условием осуществления этого механизма

коррозии является наличие на металле, особенно в местах контак­ тирования различных металлов или сплавов, капелек свободной воды. Величина электродного потенциала, от которого зависит

49