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

глицерина. Весовой процент спирта и глицерина определяют по формуле

где а™ — количество остатка при 20° С, мл\ угл — удельный вес ос­ татка; Лгл — количество глицерина в водном растворе остатка

(ГОСТ 1529—42).

% воды = 100% — (°/о спирта + % глицерина).

12. СЖИМАЕМОСТЬ

Капельная жидкость является упругим телом, приближенно подчиняющимся закону сжатия Гука. Упругая деформация (сжи­ маемость) жидкости — явление для гидравлических систем, как правило, отрицательное. В частности, она понижает жесткость гид­ равлической системы и может привести к нарушению ее устойчи­ вости; сжатие жидкостей в линии нагнетания насосов понижает их объемный к. п. д. Лишь в некоторых случаях свойство сжимае­ мости жидкости используется для выполнения полезных функций (работы), например в жидкостных пружинах и амортизаторах шас­ си. Сжимаемость жидкостей определяется, как было отмечено вы­ ше, коэффициентом относительного объемного сжатия (5 и величи­ ной, обратной ему — объемным модулем упругости жидкости при всесторонним сжатии Е. Чем выше объемный модуль упругости, тем менее податлива и более жестка жидкость. В гидроусилителях обычно стремятся использовать жидкость с высоким модулем объемной упругости, поскольку от них требуется быстрое срабаты­ вание, высокая точность, стабильность и малая инерционность.

Объемный модуль упругости жидкости изменяется в зависимо­ сти от типа жидкости, действующего давления и температуры. Вы­ сокими показателями сжимаемости обладают полисилоксановые жидкости, для них объемный модуль упругости при 20° С и атмо­ сферном давлении составляет 8 • 103—1*104 кГ/см2. Для водно-гли­ колевых смесей среднее значение модуля упругости может быть принято 21 -103 кГ/см2, для глицерина — 40-103 кГ/см2, для жидко­ стей па минеральной основе 13-103 кГ/см2, для масляных смесей — 17,5-103 кГ/см2 [8]. В связи с высоким значением модуля упругости жидкостей в технических расчетах сжимаемостью пренебрегают, считают жидкость несжимаемой. Однако в ряде случаев для соз­

80

дания жидкостных пружин п амортизаторов необходимо знать зна­ чение упругости жидкости.

На величину модуля упругости большое влияние оказывает давление и температура. Для всех жидкостей с повышением давле­ ния модуль упругости возрастает, одиа.ко возрастание его с по­ вышением давления неравномерно — более интенсивно модуль уп­ ругости повышается в зоне сравнительно низких давлений. В сред­ нем при изменении давлений от 0 до 1000 кГ/см2 модуль упругости минеральных жидкостей увеличивается на 30—40%, а полисилоксановых на 60—70% от первоначальной величины, соответствующей атмосферному давлению и нормальной температуре.

С повышением температуры объемный модуль упругости умень­ шается. Так, например, объемный модуль упругости минеральной жидкости равен 17 000 кГ/см2 при 40° С, а при 200° С — 10 000 кГ/см2\ объемный модуль упругости полисилоксановой жид­ кости в тех же условиях уменьшается с 10 000 до 5000 кГ/см2.

Приведенные данные имеют большое практическое значение и учитываются при подборе рабочей жидкости, чтобы в диапазоне рабочих температур объемный модуль упругости не был недопусти­ мо низким. Так, например, модуль упругости распространенной в США силиконовой жидкости «Силкодейн-Н» при 20° С и атмосфер­ ном давлении равен 10 500 кГ/см2, а при 370° С всего 2100 кГ/см2.

Объемный модуль упругости жидкости можно измерять стати­ ческим и динамическим методами. Статический модуль определяют с помощью механических средств, отмечающих относительные из­ менения объема жидкости в зависимости от изменения температу­ ры или давления в изотермических условиях. Динамический мо­ дуль упругости определяют путем измерения пульсации жидкости в пзоэнтропийных условиях. Величина модуля упругости зависит главным образом от химического состава жидкости.

13. РАСШИРЕНИЕ

Нагрев большинства жидкостей приводит к их расширению. Из­ менение объема жидкости при изменении температуры характери­ зуется коэффициентом объемного расширения, который определяет изменение объема жидкости при повышении температуры на 1°С:

ДУ

V

ДУ где - ~ относительное изменение рассматриваемого начального

объема У жидкости; Д/=А—1\ — изменение температуры (t2— конечная температура, t\-—начальная температура). Коэффициент объемного расширения жидкостей, применяемых в

гидросистемах, зависит от давления, уменьшаясь с уменьшением последнего.

81

Среднее значение коэффициента объемного расширения для жидкости АМГ-10 в диапазоне давлении 0—150 кГ/см2 принято рав­ ным 8-10—1 1/град пли, иначе, температурное расширение этой жид­ кости составляет приблизительно 0,08% при нагревании на 1°С. Максимальный коэффициент объемного расширения имеют синте­ тические жидкости. Так, для ряда полпснлоксанов средний коэф­ фициент объемного расширения при изменении температуры от 0

до 200° С равен 9,52 -10 11/град.

При практических расчетах гидросистем тепловым расширением жидкости обычно пренебрегают, за исключением тех случаев, когда температурное расширение жидкости, запертой распределителем или гидравлическим замком в силовом цилиндре, может вызвать разрушение магистрали и цилиндра, так как коэффициенты темпе­ ратурного расширения жидкостей значительно выше, чем коэффи­ циенты расширения металлов, из .которых изготавливаются гидро­ агрегаты.

Коэффициент объемного расширения жидкостей рассчитывают по результатам измерения объема при изменении температуры.

14. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Для поддержания эффективной работы системы и предотвраще­ ния разрушения жидкости и элементов системы необходимо отво­ дить тепло, образующееся в результате трения в клапанах, насосах, двигателях и других механизмах. Для расчета показателей тепло­ передачи необходимо знать удельную теплоемкость и коэффициент теплопроводности жидкости. Эти показатели необходимы также для определения расхода жидкости, требуемого охлаждения и некото­ рых механических характеристик гидравлической системы.

Удельная теплоемкость жидкости измеряется количеством тепла, необходимого для повышения температуры единицы вещества на 1°С. Так, например, для минеральных жидкостей удельная тепло­ емкость в интервале температур от 0 до 100°С составляет 0,45 ккал/кг-град, для глицерина — 0,58, для жидкости на водной основе — 0,72, для воды— 1, для керосина — 0,5. У большинства ра­ бочих жидкостей удельная теплоемкость повышается с увеличе­ нием температуры, причем эти изменения незначительны, поскольку модуль их объемной упругости велик. Для измерения удельной теплоемкости жидкостей используют различные калориметры.

Теплопроводность жидкостей — это количество тепла в кало­ риях, которое проходит за 1 сек через 1 см2 слоя толщиной в 1 см.

Значение коэффициента теплопроводности Hi можно вычислить по формуле

Ht = а(1 + 0,0120

ккал м- сек-град

где а — коэффициент, зависящий от сорта жидкости (для минераль­ ных жидкостей а = 0,0027-М),003); t — температура жидкости, °С.

82

Минеральные жидкости являются плохими проводниками тепла п уступают воде, теплопроводность которой в 4—5 раз выше тепло­ проводности минеральных жидкостей. Коэффициент теплопровод­ ности жидкости примерно в 500 раз меньше, чем коэффициент теп­ лопроводности сталей. Значения коэффициентов теплопроводности некоторых жидкостей следующие:

Теплопроводность жидкостей уменьшается с повышением темпе­ ратуры.

Для измерения коэффициента теплопроводности используют прибор, представляющий собой пробирку из свинцового стекла, в которую вдоль продольной оси впаяна прямая платиновая нить. Этим методом измеряется .количество тепла, необходимого для по­ вышения температуры данного количества жидкости на заданное число градусов в точно определенных условиях испытания. Количе­ ство тепла определяют расчетом, температуру жидкости оценива­ ют по изменению сопротивления платиновой нити.

15. токсичность

Токсичность жидкостей является важным эксплуатационным свойством, так как и с жидкостью и с агрегатами гидравлической системы постоянно приходится соприкасаться в процессе техниче­ ской эксплуатации и обслуживания. Ни одна из синтетических, а также минеральных жидкостей с присадками, используемых в сис­ темах, не является безопасной.

Всесторонняя оценка токсичности жидкостей для гидравличе­ ских систем является очень продолжительной и дорогостоящей про­ цедурой и трудно осуществимой на практике. Поэтому о токсично­ сти жидкостей, особенно тех, которые являются новыми, очень мало данных. Приближенное представление о токсических свойствах но­ вых жидкостей могут дать родственные им по химической природе продукты, токсические свойства которых уже изучены. Подробные данные о токсичности жидкостей, позволяющие правильно их при­ менять и избежать вредных последствий при практическом исполь­ зовании, можно получить, тщательно испытав эти жидкости на раз­ личных животных. Для этой цели могут быть использованы крысы, кролики, морские свинки и более крупные животные, такие как свиньи или собаки. Определяют следующие характеристики:

влияние на кожу: а) эффект от воздействия единичной дозы; б) эффект от повторных доз (хронический контакт);

действие при приеме внутрь; раздражающие действия на глаза; результат подкожной инъекции;

результат воздействия в распыленном состоянии (ингаляция); результат воздействия паров (ингаляция);

83

результат периодического воздействия на кровь и мочу; патологический эффект, включающий исследование таких тка­

ней, как почки, печень, мозг и легкие.

Показателем острой токсичности служит количество миллиграм­ мов жидкости, приходящейся на 1 кГ массы тела, .которая вызы­ вает смерть половины подопытных животных. Патологический эф­ фект, получаемый при воздействии острой и хронической дозировки, изучается на тканях животных.

Важной и сложной проблемой является оценка степени и вида токсического воздействия, предполагаемого в условиях практиче­ ского применения. Еще более сложной является зависимость между токсичностью, определенной при опытах над животными, и воздей­ ствием жидкости на организм человека. В практике применения жидкостей нельзя умалять важности соответствующих мер пред­ осторожности, которые необходимо принимать при работе с ними.

16. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ

Цвет жидкости не определяет ее эксплуатационных свойств. Вместе с тем для удобства обнаружения жидкостей ее часто окра­ шивают в определенный цвет. При выборе красителя учитывается возможность реакции между красителем и компонентами систе­ мы и жидкости. Краситель обычно подбирают такой, чтобы жид­ кость по цвету можно было легко определить визуально. Точно оп­ ределить цвет можно при помощи калориметров.

Запах жидкостей для гидравлических систем имеет значение главным образом для обслуживающего персонала. Он должен быть слабым и не должен быть неприятным. Изменение запаха жидко­ сти в процессе работы иногда может служить первым признаком ее изменения вследствие перегрева, окисления, загрязнения другими продуктами и материалами.

Плотность (отношение массы жидкости к се объему при одина­ ковой температуре) жидкостей является контрольным показателем их качества. В соответствии с техническими требованиями, предъяв­ ляемыми к жидкостям, плотность измеряют при 20° С и нормальном атмосферном давлении. Плотность измеряют ареометрами, гидро­ статическими весами и пикнометрами.

Эксплуатационное значение плотность имеет при расчетах.ре­ жимов течения жидкости через местные сопротивления, потеря на­ пора в которых обусловлена главным образом ускорением жидко­ сти (инерционные силы). Плотность жидкости определяет величи­ ну давления при гидравлическом ударе, а также сопротивление магистралей в переходных процессах. При применении жидкостей с большой плотностью сила инерции может быть настолько боль­ шой, что на создание требуемого ускорения потока жидкости будет расходоваться большая часть рабочего давления, а также будет замедляться быстродействие системы и реакция последней на ко­ мандные сигналы. Плотность рабочих жидкостей, используемых в настоящее время, лежит в пределах 0,75—1 ед.

84

Поверхностное натяжение является специфическим свойством жидкости и связано с ее молекулярной структурой. Молекулы по­ верхностного слоя жидкости имеют некоторый избыток потенциаль­ ной энергии по сравнению с молекулами внутренних слоев жид­ кости, обусловленный наличием некомпенсированных молекуляр­ ных связей. В результате действия этих связей молекулы поверх­ ностного слоя жидкости испытывают давление, направленное внутрь жидкости.

Обладая избытком свободной энергии, молекулы па поверхности жидкости, взаимодействуя друг с другом, стремятся занять возмож­ но меньшую площадь. Для того чтобы увеличить эту площадь, необходимо совершить работу по отрыву их друг от друга. Эта рабо­ та соответствует свободной энергии поверхностного слоя. Вслед­ ствие тенденции жидкости занять минимальный объем ее поверх­ ность находится как бы в состоянии натяжения. В любой точке и во всех направлениях по поверхности это натяжение одинаково. Обыч­ но оно выражается силой, действующей под прямым углом на 1 см или 1 м поверхности жидкости. Величина поверхностного натяже­ ния жидкости зависит от ее природы (величины и строения мо­ лекул), свойств соприкасающейся с ней другой фазы и температуры (с повышением температуры величина поверхностного натяжения уменьшается).

Поверхностное натяжение жидкостей, следовательно, характе­ ризует их способность оказывать сопротивление растягивающим силам. От поверхностного натяжения зависит, при прочих равных условиях, герметичность гидроагрегатов. Так, например, полнсилоксановые жидкости, имеющие поверхностное натяжение менее 0,003 кГ/м, трудно уплотнять.

Практический интерес представляет явление капиллярности, обусловленное наличием поверхностного натяжения жидкости и природой взаимодействия между нею и стенками трубки. В зави­ симости от соотношения сил молекулярного взаимодействия (от смачиваемости жидкости) на границах между газообразными и жидкими телами создается выпуклый или вогнутый мениск, в ре­ зультате чего поверхность жидкости в трубке поднимается пли опускается на некоторую высоту относительно свободной поверхно­ сти. Это явление учитывается при использовании капиллярных тру­ бок в приборах для измерения давления.

10

тится на высоту примерно — мм.

Капиллярность определяется химическим составом жидкости и материалом стенок трубок.

85

Для измерения поверхностного натяжения используется метод наибольшего давления пузырька воздуха, образующегося у отвер­ стия капилляра с круглым сечением при вакуумировании (44].

Поверхностное натяжение является одним из показателей, ис­ пользуемых для обнаружения или для измерения количества по­ верхностно-активных веществ, присутствующих в жидкости.

Показатель преломления равен отношению синуса угла падаю­ щего светового луча к синусу угла преломления. Это отношение для одной и той же жидкости является величнион постоянной п изме­ няется с изменением температуры и природы света. Если жидкость в процессе эксплуатации изменила свои первоначальные физико­ химические свойства, эти изменения можно легко установить по по­ казателю преломления. Рабочие свойства жидкостей для гидравли­

86

разовавшихся кислых соединений. Особенно обосновано примене­ ние этого показателя для оценки стабильности, окисляемости и коррозионных свойств.

Продукты окисления жидкостей благотворно влияют на смазы­ вающие свойства, так как в большинстве своем они обладают по­ верхностной активностью. На рис. 49 приведены данные испытания очищенной минеральной жидкости, выкипающей при 140—280° С. Эта жидкость была испытана в исходном состоянии и окисленная с разной глубиной. Эти данные свидетельствуют, что продукты окис­ ления эффективно действуют как противонзносная присадка. Наи­ большей эффективностью из продуктов окисления обладают веще­ ства кислотного характера. На рис. 50 приведены данные испыта­ ния той же очищенной фракции при трении скольжения с разным содержанием продуктов окисления кислотного характера. Приве­ денные данные позволяют говорить об универсальности соедине­ ний кислотного характера, которые в равной степени уменьшают износ н повышают нагрузку заедания.

Для определения кислотности жидкостей используют метод ней­ трализации кислых соединений едким калием.

Растворимость газов в жидкости является весьма важным пока­ зателем работы ее в гидравлической системе и зависит от свойства газа, состава жидкости, температуры и давления. О растворимости воздуха в жидкостях и о его влиянии на работоспособность систем говорилось выше, однако следует отметить важное эксплуатацион­ ное значение содержащегося в жидкостях растворенного кислоро­ да. Исследования последних лет убедительно показали, что раство­ ренный кислород в количестве, соответствующем равновесной кон­ центрации, ухудшает эксплуатационные характеристики жидкостей, способствует значительному увеличению содержания продуктов

87

окисления смолистого характера (рис. 51) и повышению износа со­ пряженных деталей в условиях граничного трения (рис. 52). Дан­ ные, приведенные на этих рисунках, получены при испытании глубокоочшценноп нефтяной фракции, выкипающей в диапазоне тем­ ператур 180—280° С.

Уменьшение концентрации растворенного в жидкости кислорода при эксплуатации гидравлической системы является огромным ре­ зервом повышения ее работоспособности п надежности. Следует отметить, что в ряде случаев при эксплуатации современных гидро­ систем эти резервы частично используются — так, например, газо­ жидкостные амортизаторы заполняют нейтральным газом, произво­ дят наддув инертным газом гидравлических баков гидросистем и др. Однако в полной мере эти резервы можно использовать при эксплу­ атации жидкостей с минимально допустимой концентрацией раство­ ренного кислорода. Предстоит определить для каждого типа жид­ кости оптимальную эксплуатационную концентрацию кислорода и разработать методы обезгажнвания и, прежде всего, обескислоро­ живания жидкостей при заправке в гидросистему.

В связи с этим появится необходимость в экспрессных методах контроля за содержанием растворенного в жидкостях кислорода. Одним из распространенных способов определения растворимости газов в жидкостях является следующий. В камеру, в которой под­ держивается разряжение порядка 0,005 мм рт. ст., впрыскивается жидкость, содержащая растворенный газ. Объем выделившегося газа подсчитывается по наблюдаемому увеличению давления, при этом в случае необходимости делается поправка на давление паров.

определить количество растворенных составных частей воздуха. Для определения количества растворенного газа в жидкости широ­ ко используется метод ВИАМ, основу которого составляет прибор, схема которого изображена на рис. 41. При определении количества растворенного воздуха испытуемая жидкость в количестве 50 мл заливается в колбу 2 и охлаждается до потери подвижности. Затем система вакуумируется до остаточного давления не выше 0,02 мм рт. ст. н колба соединяется краном 4 с манометром. Жид­ кость подогревают до 20° С и при этой температуре измеряют дав­ ление выделившегося газа. Процентное содержание газа А подсчи­ тывается по формуле

Vp273■100

мм рт. ст.

88

17. СРОК СЛУЖБЫ ж и д к о с т е й

Наиболее сложной проблемой, связанной с использованием жид­ костей в гидравлических системах, является определение сроков их работы, что необходимо для правильной эксплуатации гидравличе­ ских систем и обеспечения ее рентабельности. Под сроком службы жидкости обычно понимается время, в течение которого она может эксплуатироваться без существенных изменений в свойствах, не вы­ зывая нарушений в работе гидравлической системы.

Определить научно обоснованный срок службы жидкости весь­ ма сложно. Имеется много факторов, которые могут так или иначе влиять на срок службы жидкостей. Наиболее важными являются условия эксплуатации. Например, перегрев, сильное окисление и другие являются факторами, существенно сокращающими срок службы жидкостей. Большое влияние на его продолжительность оказывают загрязнения, попадающие в жидкость. Загрязнения мо­ гут вызывать и ускорять разложение жидкостей, что также приво­ дит к значительному сокращению сроков их службы. Из сказанного следует, что срок службы жидкостей зависит как от ее природы, условий эксплуатации жидкости и системы, так и от конструктив­ ных особенностей гидравлической системы. Исходя из этого необхо­ димо определять свой срок службы жидкости для каждой гидрав­ лической системы.

В настоящее время срок службы жидкостей определяют по дан­ ным их эксплуатации. За критерий принимают допустимые пределы изменения химических, физических и эксплуатационных свойств. Если изменения превысили допустимые нормы, жидкость бракуют и удаляют из системы.

Срок службы жидкости определяют в несколько этапов. На пер­ вом этапе применения в новой системе жидкости из нее периодиче­ ски отбирают пробы и анализируют их. В этой работе принимают участие как изготовители, так и потребители жидкости. Учитывая степень изменения наиболее важных показателей свойств жидкостей и рабочих параметров системы, изготовители и потребители сов­ местно вырабатывают рекомендации по срокам службы. На втором этапе производится опытная эксплуатации жидкости и системы с установленным сроком службы, и по результатам ее делается окон­ чательный вывод о сроках службы.

Г л а в а 3

ж и д к о с т и ДЛЯ ГИДРОСИСТЕМ

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Жидкости, применяемые в современных самолетных гидравличе­ ских системах, разделяются на минеральные (нефтяные), синтети­ ческие и смесевые. Под минеральными понимают жидкости, основа которых изготовлена из нефти обычными методами (дистилляция, обработка адсорбентами, депарафинизация, очистка избирательны-

89