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

Я,

:м3/сек

0,008

0,006

0,00k

0,002

О

Течение жидкости через зазоры микронных размеров имеет од­ ну отличительную особенность, которая не учтена формулой Гаге- на-Пуазейля, а именно, изменение расхода, связанное с адсорбци­ онными явлениями поверхностно-активных веществ. В качестве примера, иллюстрирующего сказанное, на рис. 32 [28] приведены результаты проливни жидкости АМГ-10 через щель размером 1,8X X 1,7 мм и .высотой в 10 мкм. Как видно из графика, расход жидко­ сти через щель после подвода рабочего давления быстро уменьша­ ется. При течении жидкости происходит как бы заращиванпе щели, уменьшение ее проходного сечения. Это являение получило назва­ ние аблитерации капиллярной щели. В результате этого взаимодей­ ствия на стенках каналов адсорбируются п фиксируются слои по­ лярно-активных молекул, обладающих определенной прочностью, постепенно уменьшающих сечение канала.

Скорость процесса аблитерации при прочих равных условиях зависит от расхода жидкости через щель: чем больше расход, тем больше в единицу времени через щель пройдет полярно-активных молекул п тем больше их число адсорбируется на ее стенках. Этим объясняется зависимость утечки при аблитерации от времени и быстрое уменьшение расхода в первые минуты работы системы.

Движущиеся вместе с потопом жидкости частицы загрязнений размером, большим или равным минимальному размеру зазора, задерживаются как у входа в канал, так и в самом канале. В после­ дующем уменьшающееся сечение щели начнет задерживать все более мелкие частицы. Процесс засорения будет проходить до тех пор, пока не наступит момент полной аблитерации .и течение через щели прекратится. Интенсивность заращнвания пропорциональна концентрации загрязнителя.

Влияние загрязненности жидкости на объемную характеристи­ ку насосов. Одним из главных факторов, оказывающих влияние на срок службы насосов, является степень чистоты рабочей жидкости, обусловливающая изменение геометрических размеров сопряжен­ ных поверхностей вследствие износа. Особенно интенсивный износ

60

наблюдается в распределительных устройствах плунжерных насо­ сов п гидромото-ров, в результате чего резко снижается их произво­ дительность п объемный к.п.д. При исследовании изношенных пар как плунжерных, так и шестеренных насосов обнаруживается один и тот же характер износа — риски, царапины, борозды. Об этом свидетельствуют данные рис. 33, из которого видно, что чем размер частиц загрязнителя больше, тем выше износ, обусловливающий снижение объемного к.п.д. Наблюдаются также аналогичные изме­ нения зависимости объемного к.п.д. п износа от 'Концентрации за­ грязнителей в жидкости.

Процесс возникновения абразивного износа п появление утечек жидкости в насосе можно представить следующим образом.

При работе насоса на загрязненной жидкости образивные части­ цы из полости всасывания совместно с жидкостью переносятся блоком цилиндров в полость нагнетания, откуда часть из них посту­ пает в рабочую магистраль, а другая часть проникает в зазор тор­ цового распределителя и цилиндро-поршневой группы. Частицы проникают в зазор вместе с жидкостью только в полости нагнетания под влиянием высокого перепада давления.

При попадании абразивной частицы в зазор торцовой пары, у которой одна из поверхностей перемещается относительно другой, частица или внедряется в мягкую поверхность золотника или пере­ мещается со скольжением между трущимися поверхностями, созда­ вая местные разрушения в виде борозд на поверхности блока цилиндров. Действие частиц на поверхность деталей может быть как однократным, так и многократным. Кроме эффекта микроре­ зания, износ деталей гидросистемы может происходить также за счет гидроабраз-ивного воздействия. Жидкость при течении с боль­ шой скоростью (в некоторых участках современных гидросистем ома достигает значений 30 м/сек) притупляет подобно абразивной эмульсии острые кромки распределительных отверстий [45]. В ре­ зультате с течением времени увеличиваются зазоры и уменьшаются перекрытия плунжерных пар. Износ изменяет коэффициенты рас­

61

Процесс абразивного износа сопряженных поверхностей во вре­ мени происходит следующим образом. Вначале наблюдается интен­ сивный износ, который при достижении определенного значения резко снижается и далее стабилизируется. Как правило, стабилиза­ ция износа наступает, когда зазор достигает высоты, соизмеримой с максимальным размером абразивных частиц.

7. Характеристики взрывопожаробезопасности

Одним из основных требований, предъявляемых к жидкости, является ее огнебезопасность. Жидкость, предназначенная для работы в гидравлических устройствах, должна обладать достаточ­ ной огнестойкостью, чтобы не быть косвенной причиной пожара. За последние годы имелось шесть — семь случаев пожаров транс­ портных самолетов различных зарубежных фирм, которые возник­ ли в результате течи жидкости из гидросистемы. Наблюдались случаи, когда в результате повреждений гидросистемы жидкость попадала на нагретые до высоких температур металлические по­ верхности н загоралась. Были случаи взрывов гидроаккумулято­ ров, заполненных минеральной жидкостью и сжатым воздухом. Рабочая жидкость гидросистемы может явиться прямым источни­ ком пожара па самолете при разбрызгивании ее под высоким дав­ лением вследствие повреждения трубопроводов гидросистемы или подтекания через уплотнение и попадания на горячие поверхности (например, выпускные трубы, тормоза и др.). Электрические искры, возникающие при коротком замыкании электропроводов, могут воспламенять жидкость в паровоздушной фазе, образующейся при разбрызгивании ее под высоким давлением.

Кроме этого, рабочая жидкость может явиться косвенным источ­ ником пожара при воспламенении ее от соприкосновения с пламе­ нем горящего топлива, масла или других горючих материалов. Особое значение огнеопасность жидкостей имеет для эксплуатации скоростных летательных аппаратов.

Высокие рабочие температуры скоростных самолетов, высокие давления гидросистемы и разветвленность ее по самолету создают условия, при которых рабочая жидкость при разрыве шланга вы­ брасывается в виде брызг и образует туман, легко распространяю­ щийся по всему самолету. Таким образом, гидросистема, заполнен­ ная жидкостью, является чрезвычайно уязвимой и опасной в пожар­ ном отношении. Тушение пожара, возникшего от воспламенения жидкости, необычайно трудно как вследствие легкого распростра­ нения тумана по всему самолету, так и вследствие того, что ие вся гпдромагистраль онабжен а средствами огнетушения.

Горение жидкости является химическим процессом, который возникает, когда над поверхностью жидкости имеется определенная концентрация паров данной жидкости с воздухом, способная вос­ пламениться при нагреве ее до определенной температуры. Следо­ вательно, прежде чем пастушит воспламенение, какое-то количество

62

жидкости должно испариться в воздух п образовать с ним паровоз­ душную смесь. При нагреве паровоздушной смеси до определенной температуры начинается реакция окисления, сопровождающаяся 'выделением тепла. Это тепло передается окружающей среде. Если количество отданного тепла 'больше, чем образовавшегося и посту­ пившего, то воспламенения не наступит. Если количество выделяю­ щегося при реакции тепла будет 'больше, чем отводящегося, то произойдет нагревание и затем воспламенение, которое и -будет начальной стадией горения. Но можно специально создать условия, при которых паровоздушная смесь нагреется до температуры само­ воспламенения и загорится. Для этого достаточно внести в паровоз­ душную смесь посторонний предмет, нагретый выше температуры ее самовоспламенения, так называемый источник воспламенения. Таким источником воспламенения могут явиться в эксплуатации выпускные трубы или раскаленные тормозные колодки.

Единого метода оценки стойкости к воспламенению всех типов жидкостей для гидравлических систем при всевозможных условиях эксплуатации нет. Степень стойкости зависит от характеристик жидкости, типа пламени или источника воспламенения, общего количества подводимой энергии, приходящейся на единицу массы жидкости, ее физического состояния и многих других факторов.

При разработке методов оценки стойкости жидкостей к восплаvменейию в основном стремятся создать источники воспламенения, имитирующие реальные, а показателями, характеризующими по­

жарную опасность жидкости, приняты следующие: пределы взрываемости паров в воздухе; температура вспышки; температура самовоспламенения жидкости.

Нижним температурным пределом взрываемости (или воспла­ меняемости) называется та низшая температура жидкости, при ко­ торой насыщенные пары ее с воздухом в замкнутом объеме образу­ ют смесь, еще способную воспламеняться при поднесении к ней источников ■воспламенения. Верхним температурным пределом взрываемости называется та наивысшая температура жидкости, при которой насыщенные пары ее С воздухом в замкнутом объеме обра­ зуют смесь, способную воспламениться при поднесении к ней источ­ ника воспламенения. При более высокой температуре жидкости образуется негорючая смесь насыщенных паров с воздухом.

Температурой вспышки паров жидкости называется та низшая температура жидкости, при которой пары ее образуют с воздухом смесь, способную .воспламениться при поднесении к ней пламени. Когда происходит вспышка, то сгорает только смесь паров жидко­ сти с воздухом. При несколько более высокой температуре (на 2— 5° С) загорается уже сама жидкость, и эта температура называется температурой воспламенения.

Температурой самовоспламенения называется та наивысшая температура, при которой выделение тепла за счет реакции окисле­ ния превышает теплоотдачу и вследствие саморазогревания жид­ кость .воспламеняется.

63

Следует заметать, что 'пределы взрываемости смесей паров жид­ кости с воздухом обычно измеряются величинами, характеризую­ щими концентрацию. В практике эксплуатации закрытых систем удобнее пользоваться температурными пределами, а для помеще­ нии — концентрационными пределами.

При разработке методов оценки огнестойкости жидкости в ла­ бораторных условиях встретилось ряд трудностей, связанных с большим числом факторов, встречающихся в эксплуатации. Так, возникновение пожара при попадании жидкости на горячие поверх­ ности зависит главным образом от температуры ее самовоспламе­ нения. Если температура самовоспламенения жидкости ниже темтературы нагретой поверхности, то произойдет воспламенение. Если температура самовоспламенения жидкости выше, чем нагретая поверхность, то загореться жидкость может лишь в присутствии

открытого пламени или искры.

Результаты исследований различными авторами и различными методами на аппаратуре с открытой горячей поверхностью показы­ вают, что порядок расположения различных нефтепродуктов по опасности пожара в случае попадания на раскаленную поверхность будет следующим: смазочное масло — жидкость—бензин; в то вре­ мя как в случае соприкосновения с открытым пламенем: бензин — жидкость — моторное масло. Если, например, в резервуары е мас­ лом н бензином при нормальной температуре внести открытое пламя, то бензин вспыхнет, а масло нет. Если же бензин и масло разлить на горячие открытые поверхности, то масло воспламенится легче, чем бензин.

Температура вспышки и температура самовоспламенения одних и тех же продуктов имеют совершенно различные значения и раз­ личную зависимость от давления пара данного продукта. Известно, что чем выше упругость пара, тем ниже температура вспышки про­ дукта и тем .выше температура самовоспламенения. В табл. 3 при­ ведены сравнительные данные по температурам вспышки и само­ воспламенения различных продуктов, характеризующие зависи­ мость этих значений от упругости пара.

Т а б л и ц а 3

64

ратурный предел взрывоопасности 68—98° С, а при давлении, соот­ ветствующем высоте 17 км, вследствие переобогащения смеси па­ рами взрыва не происходит. Перечисленные факторы наглядно иллюстрируют отдельные трудности, встречающиеся при определе­ нии стойкости жидкостей к воспламенению.

Многочисленность факторов, определяющих возможность воз­ никновения очага пламени жидкости, ие позволяет использовать какой-либо одни показатель для оценки огнестойкости жидкостей. Ряд исследователей рекомендует для оценки огнестойкости жидко­ стей использовать три показателя: температуры вспышки и само­ воспламенения, величину концентрационных пределов взрывоопас­ ных паровоздушных смесей. По результатам определения трех показателей судят о пожароопасности жидкости.

Температуру вспышки жидкостей определяют на приборе, изо­ браженном на рис. 38 (ГОСТ 4333—48). Методика определения заключается в следующем. В фарфоровый или стальной тигель на­ ливают необходимое количество испытуемой жидкости, затем тигель устанавливают в песочную баню, вставленную в кольцо штатива. В лапке штатива укрепляют термометр таким образом, чтобы ртут­ ный шарик его находился в середине жидкости. Подогревают жид­ кость и после того, как температура ее достигает ожидаемых зна­ чений, по краю тигля проводят открытым пламенем. При появлении синего пламени над поверхностью жидкости (вспышка) отмечают температуру. Для большей точности делают не менее двух парал­ лельных определений. Расхождение при этом не должно превышать 4° С для жидкостей с температурой вспышки до 150° С и 6° С для жидкостей с температурой вспышки свыше 150° С.

Для определения температуры самовоспламенения жидкостей используют метод, разработанный в ГосНПИ ГА, имитирующий случай попадания жидкостей на сильно нагретые металлические поверхности. Используемая аппаратура представляет собой уста­ новку, состоящую из плиты, изготовленной из нержавеющей стали. Плита нагревается электрической спиралью до температуры 700° С. В центре плиты закреплена термопара, соединенная с регистрирую­ щей аппаратурой. Температура плиты регулируется изменением питающей электроэнергии. Над стальной плитой смонтирована ка­

паровоздушная смесь, температура которой измеряется термопарой, расположенной на расстоянии 3 мм от плиты. При испытании тем­ пературу плиты устанавливают на 20—50° С выше ожидаемой тем­ пературы самовоспламенения и выдерживают 5—10 мин. Испыту­ емую жидкость '.в количестве 0,2 мл при помощи пипетки быстро

66

сти в воздухе считается промежуток между нижним и верхним пре­ делами. Определение производится следующим образом. В сталь­ ной сосуд аппарата емкостью 1 л заливают 200 мл испытываемой жидкости и закрывают его герметичной крышкой. Через каучукувую пробку крышки пропускают контакты к спирали из нихромовой проволоки.

Аппарат ТП с жидкостью помещают в термостат. При определе­ нии жидкость нагревают на 15—20° С выше ожидаемого темпера­ турного предела, затем охлаждают до требуемой температуры и вы­ держивают 15—20 мин. Перед воспламенением давление внутри аппарата должно 'быть равно атмосферному. Критерием для опре­ деления взрыва служит повышение давления внутри аппарата в результате сгорания паровоздушной смеси.

При необходимости по результатам определения температурных пределов взрывоопасных концентраций при известных значениях давлений насыщенных паров и атмосферного давления вычисляют концентрационные пределы взрывоопасности паров жидкости с воз­ духом по следующим формулам:

Кроме перечисленных методов, в ряде случаев применяют допол­ нительно еще ряд приемов, например, определяют характер распро­ странения пламени по поверхности материалов, пропитанных жид­ костью, горючесть жидкостей в разряженном воздухе, горючесть жидкостей, вытекающих под давлением из трубопровода и попа­ дающих на раскаленную поверхность, и горючесть жидкостей, раз­ брызгиваемых под давлением.

Сущность метода определения огнестойкости жидкости при раз­ брызгивании струи под высоким давлением (метод имитирует утеч­ ку жидкости, находящейся под высоким давлением, и соприкоснове­ ние ее с открытым пламенем) заключается в том, что жидкость, на­ ходящаяся под давлением 70 кГ/см2 и вытекающая из отверстия диаметром 0,3—0,4 мм, не должна воспламеняться при поднесении кислородной ацетиленовой горелки к отверстию на расстоянии 0— 450 мм от отверстия (имеется в виду ограниченное пространство на самолете).

Изложенное показывает, что объективная оценка стойкости жид­ кости к воспламенению и выбор жидкости необходимой пожаростойкости в каждом конкретном случае весьма затруднительны. Дело усложняется еще и тем, что очень трудно создать условия испыта­ ния, которые бы полностью имитировали реальные условия эксплуа­ тации гидравлических систем. Хотя перечисленные лабораторные

68

испытания имеют большую ценность, всесторонняя оценка стойко­ сти жидкостей к воспламенению может быть дана лишь на основа­ нии опыта их практического использования в условиях опасности загорания.

Жидкости, стойкие к воспламенению, можно разделить на две группы [16, 46]. К первой относятся жидкости, которые будучи са­ ми горючими в критических условиях, не горят и не поддерживают горение, после того как источник воспламенения удален, а затем вновь поднесен в жидкости. К второй относятся воспламеняющиеся жидкости, но более стойкие к загоранию и в связи с этим представ­ ляющие интерес как пожаростойкие. Лишь немногие жидкости, об­ ладающие качествами, необходимыми для использования их в гид­ равлических системах, являются действительно невоспламеняемыми. Почти все органические жидкости при достаточно длительном пре­ бывании в условиях повышенных температур подвергаются пиро­ лизу пли окислению, при этом нередко образуются летучие продук­ ты, которые являются горючими.

Из синтетических жидкостей наибольшую температуру самовос­ пламенения (600° С) имеют галлондозамещенные углеводороды и трикрезмлфосфат, а эфиры кремниевой кислоты, кремнийорганические соединения, фосфаты — от 250 до 400° С (в зависимости от характера входящих в молекулу алкильных групп). Температура самовоспламенения минеральных жидкостей лежит в пределах

230—250° С.

8. ИСПАРЯЕМОСТЬ

Повышенная летучесть жидкости может влиять на работоспособ­ ность гидравлической системы, приводя к снижению к. п. д. насосов вследствие испарения жидкости во всасывающей линии или другом месте системы, где понижено давление. Этот процесс еще более интенсифицируется, если система работает при повышенной темпе­ ратуре, так как давление паров имеет степенную зависимость от температуры. Это приводит к возникновению в трубопроводе двух­ фазной системы — жидкой и газообразной, пульсации давления, ка­ витации или даже отказу насосов при образовании газовых пробок.

Летучесть жидкостей оценивают в основном по трем методам, основанным на определении температуры кипения, давления паров и потерь от испарения.

Метод измерения температуры кипения применим для относитель­ но чистых химических соединений. Температура кипения может быть определена при заданных условиях путем нагревания жидкости и последующей конденсации ее паров. Для жидкостей, представляю­ щих собой сложную смесь различных соединений, определяют не температуру кипения, а чаще всего температурные пределы выки­ пания или температуру начала кипения. Для этих целей использу­ ют аппарат для фракционной разгонки углеводородных топлив (рис. 40). Для определения температуры кипения или пределов выкипания берут 50—100 нл жидкости.

63