Лабораторна робота №1 режими руху в'язкої рідини

1. Мета роботи

Ознайомитись із основними фізичними властивостями рідин та дослідити турбулентний і ламінарний режими руху рідини

2. Теоретичні відомості

1.2.1 Фізичні властивості рідин

Енергоносієм в об'ємних гідроприводах служить рідина під тиском, в більшості випадків - це мінеральні оливи. Рідина являє собою фізичне тіло, в якому сили міжмолекулярного зчеплення менші, чим у твердих тіл. Тому частини рідини легкорухомі і можуть мати як поступальний, так і обертальний рух. Зовсім незначні сили, які діють на рідину, здатні визивати зміну її форми. Рідини, на відміну від твердих тіл, не зберігають свою форму і набувають форми посудини, в якій вони знаходяться. Рідина настільки рухома, що тече під дією сили тяжіння, тобто володіє властивістю текучості. У звичайному стані рідини чинять дуже малий опір розриву і великий опір всесторонньому стисканню. Разом з тим рідини чинять значний опір відносному руху суміжних шарів "в'язкість".

Під назвою рідини об'єднують крапельні рідини і гази, коли їх можна приймати як суцільне малостискаєме легкорухоме середовище. Крапельні рідини - вода, нафта, гас, ртуть та інші утворюють краплі. Газоподібні рідини - повітря та інші гази в звичайному стані крапель не утворюють. В гідравліці розглядаються тільки крапельні рідини. При цьому під крапельною рідиною розуміють тіло, яке володіє властивістю текучості, але на відміну від газу незначно міняє свою густину при зміні тиску. Однак в тих випадках, коли г можливість не враховувати стискаємість газів, допустимо застосування до газів основних залежностей гідравліки.

Густиною рідини називають масу одиниці об'єму рідини, тобто відношення маси рідини до її об'єму:

ρ = m/v , кг/м³

В гідравліці широко використовується поняття про відносну густину, яка являє собою відношення густини розглядаємої рідини до густини води при t = +3,98°С. Густина води при t = +3.98°С становить 1,0000.

Іноді замість густини використовують поняття питомої ваги рідини. Питомою вагою рідини називають ваг)' її одиниці об'єму:

, Н/м³

Питома вага зв'язана з густиною співвідношенням

.

де g — прискорення вільного падіння.

Стискаємістю називають властивість рідини змінювати свою густину при зміні тиску і температури. Крапельні рідини характеризуються дуже малою стискаємістю. Коефіцієнт об'ємного стискання β_р визначається відношенням зміни об'му до зміни тиску рідини

β_р = (V1-V2)/V1*(p2-p1) , м³/H

Так, наприклад, для прісної води коефіцієнт об'много стискання при температурі від 0 до 20 °С складає в середньому 47,5-10^-11 м³/Н, а для олив — 74-10^-11...54 10^-11 м³/Н.

Розширення крапельних рідин , яке має місце під дією температури , характеризується коефіцієнтом температурного розширення /?,, який визначається відношенням зміни об'єму від V₁ до V₂ у разі нагрівання цього об'єму від температури Т₁ до T₂.

β_T = (V₂-V₁)/V₁*(T₂-T₁)

Коефіцієнт температурного розширення для води збільшується із збільшенням тиску, а для для більшості інших крапельних рідин із збільшенням тиску зменшується. Значення β₁ знаходиться в межах 0,8*10^-3 ... 0,6*10^-3 1/К.

Текучість рідини - це властивість вільно змінювати форму зовнішньої поверхні деякого постійного об'єму рідини. При зміні зовнішньої поверхні втрати енергії незначні в порівнянні з такою ж зміною поверхні твердого деформованого тіла. Ці втрати енергії обумовлені внутрішніми процесами тертя в рідині і характеризуються її в’язкістю.

В'язкість - одна з найважливіших характеристик робочих рідин. Це властивість чинити опір переміщенню одних шарів рідини відносно інших (внутрішнє тертя). Вона визначає втрати енергії рідини під час протікання по трубопроводах та елементах гідроприводу.

В’язкість характеризується динамічним коефіцієнтом в’язкості

μ = τ/(du/dh), H*сек/м²

де τ - напруга зсуву;

(du/dh)- градієнт швидкості.

На практиці найбільш часто користуються не динамічним коефіцієнтом

в'язкості, а відношенням його до густини рідини (м²/сек), який називається кінематичним коефіцієнтом в'язкості. Одиницею виміру кінематичного коефіцієнту в'язкості являється Стокс, що дорівнює 1см²/сек.

Суттєве значення для працездатності гідроприводу має вибір в'язкості робочої рідини. За умови занадто низької в'язкості зростають втрати рідини, погіршується захист від зношування поверхні, що треться, але разом з тим знижуються втрати тиску та потужності. За умови занадто високої в'язкості зростає внутрішнє тертя у рідині, що приводить до нагріву рідини та втрат потужності. В'язкість робочої рідини вибирають у залежності від тиску рідини, типу гідронасоса та гідродвигунів. а також швидкодії гідроприводу. Переважно у машинобудівному гідроприводі використовують оливи в'язкістю ЗО...35 мм²/с.

Експлуатаційні вимоги до робочих рідин:

1. здатність передавати тиск;

2. здійснювати змащення елементів пристроїв та механізмів, які переміщуються;

3. мати здатність відводити тепло, яке виділяється в результаті перетворення енергії (втрати тиску);

4. забезпечувати демпферування коливань, викликаних гідравлічними ударами;

5. забезпечувати антикорозійний захист;

6. виносити з зон тертя продукти зношування;

7. бути стійкими до окислення, виділення парів, газів та смол;

8. не містити включень, які могли б порушити роботу гідроприводу;

9. мінімальна щільність;

10. незначна стискуваність;

11. відповідність в'язкості температурі та тиску робочої рідини у гідроприводі;

12. стійкість до старіння;

13. слабка займистість;

14. сумісність з іншими матеріалами гідроприводу;

15. відсутність піноутворення;

16. морозостійкість;

17. бути безпечними у експлуатації.

Крім того, робоча рідина не повинна змінювати своїх початкових властивостей підчас зберігання та експлуатації.

Завод-виробник робочої рідини вказує, для якого типу гідроприводу рекомендоване її застосування.

Робоча рідина підлягає заміні у випадку, коли хоча б один з вказаних у технічній характеристиці показників зміниться більше ніж на 20%, аналіз оливи необхідно проводити через 700... 1000 годин експлуатації гідроприводу. Переважно тривалість експлуатації робочих рідин у гідроприводі на основі мінеральних олив становить 0,5...20 тис. годин.

Переважно у гідроприводах металорізальних верстатів використовується

вітчизняні оливи: індустріальна олива (р=890...900 кг/м³ , v =від 5 до 100 мм²/с), веретенна олива (р = 900 кг/м³ v=10 мм²/с), турбінна олива (р=900 кг/м³, v=20 мм²/с).

Згідно стандартам DIN 51524 та 51525 робочі рідини для гідроприводу діляться на три класи: HL, HLP та HV (таблиця 1).

Таблиця / Класи робочих рідин

Позначення	Основні властивості	Використання
HL	Захист від королі, стійкість до старіння	Обладнання, під час роботи якого виникають значні температурні навантаження, та можлива корозія від попадання води.
HP	Підвищена стійкість до зношування	Теж що й для обладнання попереднього класу, і крім того у гідроприводі, у якому виникає значне змішане тертя, обумовлене конструктивним виконанням або умовами і експлуатації.
HV	Знижена залежність в'язкості від температури	Теж що й для обладнання попереднього класу, і яке крім того праціос в умовах різких коливань температури оточуючого середовища.

Умовне позначення оливи відповідно стандарту DIN 51517 (клас в'язкості ііі стандартом iso) включає буквене та числове позначення (таблиця 2).

Таблиця 2 Умовне позначення робочої рідини

Умовне позначення оливи	Прийняті позначення за стандартом DIN 51517
HLP 68	H – робоча рідини на основі мінеральної олії L – з атикорозійними присадками та стійкістю до старіння P – з присадками, які дають можливість підвищити (понизити) гранично допустимі навантаження 68 – показник в’язкості