Рабочие жидкости гидропривода

В гидроприводах рабочим телом, через которое энергия от источника передаётся к исполнительным механизмам, приводящим в действие технологическое оборудование, является жидкость. Помимо своей основной функции – передачи энергии – рабочая жидкость также выполняет множество других задач, обеспечивая надёжную работу как отдельных компонентов гидропривода, так и системы в целом. В частности, она: смазывает трущиеся детали; отводит тепло от элементов насосов и гидродвигателей; уносит продукты износа и загрязнения; защищает от коррозии внутренние поверхности оборудования.

Чтобы выполнять такие функции, рабочая жидкость должна соответствовать ряду требований: обладать хорошими смазывающими свойствами; сохранять стабильность свойств при длительной эксплуатации (стойкость к старению); иметь хорошие противоизносные характеристики; обеспечивать необходимую теплопроводность; быть химически нейтральной к материалам уплотнений и элементов системы; обладать малой токсичностью и высокой пожарной безопасностью; быть устойчивой к вспениванию и пенообразованию; иметь малую способность поглощать воздух; быть недорогой и удобной в обслуживании.

Невыполнение этих требований приводит к сбоям в работе системы: снижается срок службы элементов, возникают кавитация, коррозия, падение КПД. Поэтому правильный выбор марки рабочей жидкости крайне важен.

Виды рабочих жидкостей

В гидросистемах применяют:

• минеральные масла;
• синтетические жидкости;
• эмульсии (например, масло-вода).

Минеральные масла – это наиболее часто используемый тип. Производятся путём переработки нефти. Для придания нужных свойств базовым маслам добавляют присадки:

• вязкостные – для поддержания нужной вязкости при температурных колебаниях;
• антиокислительные – препятствуют окислению;
• антикоррозионные – предотвращают образование ржавчины;
• противоизносные – улучшают смазку;
• деэмульгирующие – снижают склонность к образованию эмульсий с водой и воздухом.

Из-за нестабильности базового состава, минеральные масла с присадками подвергаются старению. Важный параметр – вязкость: при слишком низкой вязкости возможны утечки и снижение давления, при слишком высокой – увеличение потерь энергии. При подборе масла учитывают индекс вязкости и температурный диапазон применения.

Эмульсии

Представляют собой смеси масла с водой (до 40%) или наоборот. Эмульсии более безопасны с точки зрения пожара, но уступают минеральным маслам по смазывающим свойствам и стабильности. Применяются в шахтных установках и других местах, где пожаробезопасность приоритетна.

Синтетические жидкости

Используются в условиях, когда требуется высокая температурная стабильность, пожаробезопасность, либо устойчивость к химическим воздействиям. Основу составляют сложные химические соединения – фосфаты, эфиры, силиконы и др. Такие жидкости устойчивы, но имеют недостатки: высокая цена, токсичность, несовместимость с некоторыми материалами, меньшие смазывающие свойства.

Существуют международные и отечественные стандарты обозначения рабочих жидкостей. Например:

• Группа ИГП – индустриальные масла для станков;
• Группа МГ, МГЕ – для гидроприводов транспортных установок;
• АМГ – авиационные гидроприводы.

По международной системе ISO VG жидкости классифицируются по кинематической вязкости и функциональным свойствам:

• HH – очищенные минеральные масла без присадок;
• HL – масла с антикоррозионными и антиокислительными свойствами;
• HF – жидкость с улучшенными огнестойкими свойствами;
• HR – масла типа HL с вязкостными присадками;
• HM – масла HL с улучшенными противоизносными характеристиками;
• HV – масла HM с присадками, увеличивающими вязкость.

Правильный выбор масла – это залог надёжности, безопасности и эффективности работы гидросистемы. Важным показателем качества рабочей жидкости, применяемой в гидравлических системах, является её влияние на материалы, особенно на резиновые элементы. Под действием жидкости резиновые уплотнители могут изменять свои свойства – усаживаться, набухать или становиться мягче, что приводит к потере герметичности и сбоям в работе оборудования. Чтобы избежать подобных проблем, принято считать допустимым изменение твёрдости резины после контакта с минеральным маслом не более чем на 4–5 единиц по шкале Шора.

Гипотеза сплошности среды

Рассматривать жидкость как совокупность огромного числа частиц, находящихся в постоянном хаотичном движении, с точки зрения современной науки крайне затруднительно. Ввиду этого принято рассматривать жидкость как непрерывную, деформируемую среду, способную полностью и без разрывов заполнять предоставленное ей пространство. Иначе говоря, под жидкостью понимается любое тело, обладающее способностью к течению, что обусловлено явлением диффузии. Свойство текучести можно охарактеризовать как способность материала изменять форму и объём под воздействием даже минимальных внешних сил. Таким образом, в рамках гидравлики жидкость трактуется как идеализированная непрерывная среда – континуум, на основе которого строится гипотеза сплошности. Континуумом называют сплошную, непрерывную и однородную во всех направлениях среду, в которой отсутствуют пустоты и разрывы. Это предполагает, что параметры жидкости можно описывать непрерывными функциями, обладающими непрерывными частными производными по всем координатам.

Такие среды также называют капельными жидкостями. Их особенность заключается в том, что в малом объёме они стремятся принять форму капли, а в большом – формируют свободную поверхность.

В уравнениях и описаниях гидравлических процессов часто фигурируют понятия "частица жидкости" или "элементарный объём". Эти термины обозначают бесконечно малый объём, в котором содержится достаточно большое количество молекул жидкости. Например, в кубе воды со стороной 0,001 см содержится примерно 3,3∙10^13 молекул. Частицу жидкости считают настолько малой, что её можно использовать для анализа, не учитывая её реальные размеры по сравнению с габаритами всего исследуемого объёма жидкости, находящейся в покое или движении.

Модель сплошной среды зарекомендовала себя как эффективный инструмент при изучении физических процессов, связанных с покоем и движением жидкости. Практика гидравлики подтверждает её применимость и надёжность в большинстве инженерных задач.

Плотность

Плотность жидкости ρ, так же как любых других тел, представляет собой массу единицы объёма, и для бесконечно малого объёма жидкости dW массой dM может быть определена по формуле: ρ=dW/dM.

Для однородных жидкостей можно считать, что ρ=W/M, где M – масса жидкости, а W – объём жидкости. Измеряется в кг/м3, кг/дм3, кг/л, г/см3.

Плотность жидкости зависит от температуры и давления. Все жидкости, кроме воды, характеризуются уменьшением плотности с ростом температуры. Плотность воды имеет максимум при t = 4°C и уменьшается при любых других температурах. В этом проявляется одно из аномальных свойств воды. Температура, при которой плотность воды максимальная, с увеличением давления уменьшается. Так, при давлении 14 МПа вода имеет максимальную плотность при 0,6°C.

Рис. ZSK.8. График зависимости плотности воды от температуры

 

Плотность пресной воды равна 1000 кг/м3, солёной морской воды - 1020-1030 кг/м3, нефти и нефтепродуктов – 650-900 кг/м3, ртути – 13600 кг/м3.

 

При изменении давления плотность жидкостей изменяется незначительно. В большинстве случаев плотность жидкости в расчётах можно принимать постоянной. Однако встречаются случаи, когда изменением плотности пренебрегать нельзя, т.к. это может привести к значительным ошибкам.