4.1. Рабочие жидкости гидросистем

4.  КОНДИЦИОНЕРЫ  РАБОЧЕЙ  ЖИДКОСТИ, ГИДРОЕМКОСТИ,  ГИДРОЛИНИИ

 

4.1. Рабочие жидкости гидросистем

 

В гидроприводе жидкость выполняет функции рабочего тела, поэтому ее называют рабочей жидкостью. С помощью рабочей жидкости энергия передается от источника (насоса) к исполнительным гидродвигателям.

Кроме того, рабочая жидкость является смазочным материалом для многочисленных пар трения, охлаждающим агентом пар трения, средой, удаляющей из пар трения продукты изнашивания и обеспечивающей при длительной эксплуатации защиту деталей от коррозии.

Поэтому одной из функций жидкости является снижение трения и устранение износа элементов гидросистемы, изготовленных из различных конструкционных материалов.

Не менее важной функцией, выполняемой рабочей жидкостью в гидросистеме, является отвод тепла от различных участков системы.

Нагрев элементов гидропривода вызывается трением подвижных частей в гидромашинах и гидроаппаратах, потерями энергии на трение и вихреобразование при течении жидкости в трубопроводах, распределителях, дросселях и других элементах гидропривода.

Для обеспечения защиты деталей элементов гидросистемы от коррозии при длительной эксплуатации машины рабочая жидкость не должна содержать воду, для чего в некоторые жидкости вводятся специальные присадки – ингибиторы коррозии.

Перечисленные функции рабочей жидкости играют важную роль в обеспечении надежного функционирования гидропривода. По своей основе все рабочие жидкости подразделяются на две группы: нефтяные и синтетические. Рабочие жидкости на нефтяной основе называются маслами.

Рабочие жидкость на нефтяной основе на 85…98% состоят из базового масла, свойства которого улучшают введением различных присадок. Присадки способствуют сохранению химических свойств масел при повышенных температурах, уменьшают пенообразование, улучшают антикоррозийные, противоизносные свойства масел.

Синтетические рабочие жидкости обладают высокотемпературными свойствами, негорючи. Один из основных недостатков синтетических жидкостей – высокая стоимость, поэтому их применяют крайне редко – при необходимости обеспечить пожаробезопасную работу гидропривода при высоких температурах (до 350^º).

При выборе рабочей жидкости необходимо учитывать большое число факторов, характеризующих как условия ее эксплуатации (температуру окружающей среды, режим работы и нагрузки и др.), так и ее основные свойства (плотность, вязкость, сжимаемость и др.).

В гидроприводе рекомендуется применять рабочую жидкость малой плотности, так как плотность рабочей жидкости характеризует ее инерционность и потери давления при течении через гидролинии, местные сопротивления, элементы гидропривода.

Плотность жидкости зависит от температуры, давления и количества нерастворенного в ней воздуха. Однако в рабочем диапазоне изменений этих параметров плотность жидкости изменяется незначительно, и при практических расчетах этим изменением обычно пренебрегают.

Вязкость масла является наиболее важным свойством рабочей жидкости, определяющим большинство эксплуатационных показателей, таких как утечки, пусковые характеристики, трение и др.

Вязкость рабочей жидкости оценивают коэффициентом динамической вязкости m или коэффициентом кинематической вязкости , связанных между собой через плотность r следующим соотношением: .

Вязкость рабочей жидкости зависит от давления и в значительной степени от температуры (рис. 4.1). С уменьшением температуры она резко возрастает. С увеличением вязкости жидкости повышается гидравлическое сопротивление дросселей, рабочих окон гидрораспределителей, гидролиний и других элементов гидропривода.

При очень высокой вязкости нарушается сплошность потока жидкости, происходит незаполнение рабочих камер насоса, возникает явление кавитации, снижаются подача и ресурс насоса.

Вязкость рабочей жидкости оказывает также существенное влияние на величину утечек жидкости в уплотнениях насосов, гидродвигателей, гидроаппаратуры, гидролиний и др. С уменьшением вязкости утечки жидкости возрастают.

Поскольку вязкость рабочей жидкости характеризует ее смазывающую способность, то, как правило, с уменьшением вязкости ухудшаются условия смазки скользящих поверхностей элементов и узлов гидравлических систем. Обычно вязкость ограничивает диапазон рабочих температур гидропривода.

Для обеспечения пуска насосов при низких температурах максимальная вязкость масла должна быть не более 4000…5000 сСт (в зависимости от конструктивной схемы насоса), а нормальное функционирование гидроавтоматики возможно при максимальной вязкости не более 1500 сСт. Минимальная вязкость по условиям сохранения смазочной пленки и допустимому уровню утечек должна быть не менее  3 сСт.

 

Рис. 4.1. Зависимость коэффициента кинематической

вязкости масла МГ-30 от температуры при различных

значениях давления

 

Для оценки постоянства вязкости жидкости применяют критерий индекса вязкости (ИВ). Индекс вязкости характеризует степень постоянства вязкости жидкости при изменении температуры. Чем выше индекс вязкости, тем более пологой является кривая зависимости вязкости от температуры (рис. 4.2). Наилучшей жидкостью является жидкость со стабильной вязкостью во всем интервале рабочих температур.

Индекс вязкости (ИВ) определяют, сравнивая кривую  исследуемого масла с кривыми ,  двух эталонных масел с одинаковой вязкостью  при t = 100 °С . Первое их этих масел (кривая 1) имеет пологую характеристику и условно имеет         ИВ = 100, а второе имеет крутую характеристику (кривая 2) и условно имеет ИВ = 0. Обычно для индустриальных масел ИВ = 70…100, для загущенных ИВ = 120…180. Практически ИВ определяют по номограммам.

 

Рис. 4.2. Зависимость кинематического коэффициента

вязкости от температуры

 

В обозначении рабочей жидкости принято указывать кинематическую вязкость в сСт при температуре 50⁰С; например, у масла МГ-30 кинематическая вязкость равна 30 сСт, у масла АМГ-10 – 10 сСт.

Существенное значение при выборе рабочей жидкости имеет ее сжимаемость. Сжимаемость жидкости характеризуется модулем объемной упругости  Е.

Различают адиабатический и изотермический модули объемной упругости жидкости. Адиабатический модуль упругости по величине больше изотермического и применяется при исследовании быстро-протекающих (динамических) процессов, т.е. когда отсутствует теплообмен из-за инерционности тепловых свойств жидкости.

Изотермический модуль упругости является статическим показателем и используется при изучении статических и динамических низкочастотных процессов, когда температура жидкости очень медленно изменяется при медленном сжатии жидкости или остается постоянной:  .

Учитывая, что в гидроприводах гидромеханические процессы протекают быстрее, чем тепловые, на практике обычно учитывают адиабатический модуль объемной упругости.

Для обеспечения кинематических связей и высоких динамических качеств рабочая жидкость гидропривода должна иметь большой модуль объемной упругости Е. Модуль объемной упругости минеральных масел, применяемых в гидроприводах, находится в пределах 1350…1750 МПа (для синтетических жидкостей Е =600…1500 МПа), а для воды ~ 2000 МПа.

Заметим, что для конструкционных сталей модуль упругости Е_с = 2×10⁵ МПа, что более чем в 100 раз превышает модуль объемной упругости минеральных масел.

Величина модуля объемной упругости зависит от типа рабочей жидкости, давления и температуры. С увеличением давления модуль объемной упругости увеличивается по линейному закону, в общем случае  , здесь А и В коэффициенты, p – давление.

Модуль объемной упругости уменьшается с увеличением температуры. Однако изменение модуля объемной упругости жидкости в рабочем диапазоне изменения температур и давлений не превышает 10%, и этим изменением на практике обычно пренебрегают.

На величину модуля объемной упругости рабочей жидкости существенное влияние оказывает наличие нерастворенного газа, приводящее к его значительному снижению.

Данные о количественном содержании нерастворенного газа (воздуха) в гидросистемах пока что не однозначны. Принято считать, что в рабочей жидкости действующей гидросистемы содержится от 0,5 до 5% (чаще 1,5…2,5%), а в отдельных случаях – до 10…15% нерастворенного газа от общего объема жидкости. Количество нерастворенного газа в жидкости зависит от времени работы гидросистемы после ее включения. Если до включения гидросистемы нерастворенный газ отсутствует, то через несколько минут работы его количество может составлять 2…6% от объема жидкости и выше.

Для определения модуля объемной упругости газожидкостной смеси используются различные формулы, которые приводятся в технической литературе.

Наличие в жидкости нерастворенного газа заметно снижает выходные параметры гидрооборудования и гидропривода в целом, такие как:

- подача насосов из-за недозаполнения их рабочих камер;

- быстродействие из-за увеличения времени срабатывания исполнительных механизмов;

- мощность гидроприводов из-за дополнительных затрат мощности, необходимых для сжатия рабочей жидкости;

- точность позиционирования и равномерность перемещения исполнительного гидродвигателя и др.

Помимо этого газ (воздух) усиливает высокочастотные колебания давления в каналах гидрооборудования и гидролиниях, что усиливает кавитационную эрозию деталей насосов и гидроаппаратуры, значительно повышает шум и вибрацию элементов гидропривода. Все это говорит о необходимости учета содержания нерастворенного газа в рабочей жидкости гидроприводов при их проектировании, расчете или исследовании.

К показателям качества рабочей жидкости относятся также температуры застывания и вспышки.

Температура вспышки – эта та минимальная температура, при которой пары нагреваемого масла образуют с воздухом воспламеняющуюся смесь при поднесении к ней пламени. Температура вспышки является показателем, позволяющим судить о пожарной безопасности жидкости.

Температура застывания – такая температура, при которой масло загустевает настолько, что практически нарушается его текучесть. температура застывания рабочей жидкости должна быть на 10…20^ºС ниже наименьшей температуры окружающей среды. Максимальная температура рабочей жидкости в гидросистеме не должна превышать 70…80 ⁰С.

Под (стойкостью) рабочих жидкостей понимается их способность сохранять свои свойства в условиях эксплуатации и хранения.

В процессе эксплуатации гидросистем на рабочие жидкости воздействуют высокие и низкие температуры, давление, вибрация, происходит многократная деформация (мятие) жидкости при прохождении ее через щелевые зазоры, каналы, дроссели и другие элементы гидропривода.

Все эти факторы вызывают старение рабочей жидкости, которое сопровождается изменением физических свойств и химического состава жидкости (эти явления называют деструкцией). В результате происходит изменение вязкости (снижается до 50% от своего первоначального значения), плотности, температуры вспышки, ухудшаются смазывающие свойства рабочей жидкости и т.д.

Химическое разложение жидкости происходит в результате окисления ее кислородом воздуха, каталитическое действие при этом оказывает температура. При повышении температуры рабочей жидкости на каждые 10⁰С скорость ее окисления увеличивается в 2…3 раза.

Физическая стабильность жидкости – способность ее длительно сохранять свои первоначальные физические свойства (вязкость, плотность, смазывающую способность) при работе на высоких давлениях.

Механическая стабильность – способность жидкости работать при значительной вибрации без расслоения на компоненты.

Химическая стабильность жидкости – устойчивость жидкости к окислению кислородом воздуха. При окислении из жидкости выпадает осадок в виде смолы и коксоподобных веществ, которые, попадая в зазоры гидроаппаратов, парализуют их работу. Заращивание щелей гидроаппаратов называется облитерацией.

Для увеличения срока эксплуатации рабочей жидкости при проектировании гидросистем необходимо:

- применять гидросистему с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости;

- обеспечивать надежную фильтрацию жидкости;

- уменьшать количество нерастворенного воздуха, стремиться к уменьшению контакта воздуха с жидкостью в гидробаке;

- стремиться к уменьшению рабочей температуры жидкости и т.д.

Для снижения механической деструкции рабочей жидкости необходимо стремиться к уменьшению количества щелевых зазоров, капиллярных каналов, дросселей, а также к уменьшению вибрационных воздействий на гидросистему.

К рабочим жидкостям гидропривода предъявляются следующие основные требования:

- минимальная зависимость вязкости от температуры в требуемом диапазоне температур, высокий индекс вязкости;

- высокий модуль объемной упругости;

- высокая химическая, физическая, механическая стабильность при эксплуатации и хранении;

- хорошие смазывающие свойства;

- высокая температура вспышки (пожаробезопасность) и низкая температура застывания;

- хорошая теплопроводность и малый коэффициент теплового расширения;

- длительный срок службы;

- отсутствие механических примесей, воды, воздуха;

- низкая стоимость и недефицитность.

Единой системы классификации и обозначения рабочих жидкостей не существует. Распространено обозначение рабочих жидкостей по области применения. Чаще их называют маслами гидравлическими, вводя в обозначение буквы МГ с дополнительным уточнением назначения: для гидросистем общепромышленного назначения – масла индустриальные гидравлические – ИГ, для авиационной техники АМГ, для мобильных машин – МГЕ, ВМГЗ.

Для гидроприводов строительных и дорожных машин рекомендуются к применению два сорта рабочей жидкости – ВМГЗ, МГ-30 и МГ-30у.

Всесезонное масло ВМГЗ – основной зимний сорт для гидросистем строительных и дорожных машин. Оно допускает работу при температуре окружающей среды от –40 до + 50 ⁰С, рабочая температура до +90^ºС. В связи с интенсивным использованием строительных и дорожных машин масло, как правило, заменяют каждый сезон. Летом заправляют маслом МГ-30.

В таблице 4.1 приведены основные характеристики наиболее распространенных рабочих жидкостей, применяемых в гидроприводах мобильных машин.

ГОСТ 17216–71 устанавливает 19 классов чистоты рабочих жидкостей гидроприводов, которые должны указываться в технических условиях на гидравлическое оборудование. Для каждого класса чистоты установлены предельные нормы загрязнений частицами определенного гранулометрического состава, при этом загрязнениями считаются все посторонние частицы, включая продукты смолообразования и органические частицы.

Частицы загрязнений размером более 200 мкм (не считая волокон) в маслах не допускаются. К волокнам относятся частицы не более 30 мкм при длине, превышающей толщину не менее чем в 10 раз.

Практическая чистота рабочей жидкости в гидроприводах общемашиностроительного применения соответствует 10…14 классам чистоты, для строительных и дорожных машин она чаще соответствует 12…14 классам чистоты. Параметры классов чистоты в соответствии с ГОСТ 17216–71 приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.1

 

Основные характеристики масел для мобильных машин

 

 

Таблица 4.2

Классы чистоты жидкости (ГОСТ 17216–71)

 

 

Критериями, определяющими необходимую степень чистоты рабочей жидкости в гидроприводе, являются величина зазоров между сопрягаемыми поверхностями в элементах гидропривода и величина рабочего давления.

ВНИИгидропривод рекомендовал для гидроприводов общемашиностроительного применения мощностью до 50 кВт обеспечивать 12 класс чистоты рабочей жидкости, а при мощности 50…150 кВт – 13 класс, при этом контроль класса чистоты при эксплуатации обязателен /8, 9/.

Для гидроприводов большой мощности (более 150 кВт), с большими зазорами в сопрягаемых парах, устанавливается 14 класс чистоты. В этом случае проведение контроля загрязнения рекомендуется, учитывая возможность увеличения долговечности гидропривода и его элементов, при своевременной очистке или замене жидкости.

Вопросы защиты масла от загрязнений требуют комплексного подхода к выполнению определенных конструктивных решений гидросистемы, перевозке и хранению масла, изготовлению и монтажу элементов гидропривода, эксплуатации гидросистемы.

При конструировании бака целесообразно дно выполнять наклонным, чтобы в его нижней части собирались загрязнения. Для их слива необходимо предусмотреть пробку. Внутренние поверхности бака после очистки должны быть защищены от коррозии маслостойким покрытием.

Разделительная перегородка, предусмотренная в баке, будет способствовать осаждению частиц загрязнений. Конструкция бака должна предусматривать установку сапуна (воздушного фильтра) для очистки поступающего в бак воздуха от пыли.

Для заливки или доливки в бак масла должен быть предусмотрен специальный заливной фильтр тонкой очистки.

Требуется тщательно герметизировать все места стыковки трубопроводов в зонах возможного образования вакуума, чтобы исключить подсос запыленного воздуха.

Конструкция гидроцилиндров должна предусматривать наличие грязесъемника. Для повышения надежности гидропривода при его эксплуатации масло должно постоянно очищаться от загрязнений. С этой целью в гидросистему встраиваются фильтры, в зависимости от места установки делятся на всасывающие (приемные), сливные и напорные.

Зарубежные масла, рекомендуемые в качестве заменителей отечественных масел, приведены в табл. 4.3.

 

Таблица 4.3

 

Зарубежные рабочие жидкости, рекомендуемые в качестве

заменителей отечественных

 

 

Обозначение гидравлических масел по ГОСТ 17479.3–85 состоит из групп знаков, первая из которых обозначается буквами МГ (минеральное гидравлическое); вторая группа знаков – цифрами и характеризует класс кинематической вязкости; третья – обозначается буквами и указывает на принадлежность масла к группе по эксплуатационным свойствам.

В зависимости от величины кинематической вязкости при температуре 40 ⁰С гидравлические масла делят на классы, указанные в табл. 4.4 .

Таблица 4.4

 

Классы вязкости гидравлических масел

 

 

В зависимости от эксплуатационных свойств гидравлические масла делят на группы А, Б, В, указанные в табл. 4.5.

 

Таблица 4.5

 

Группы гидравлических масел

 

 

Допускается добавление в гидравлические масла всех групп загущающих и антипенных присадок.

Пример обозначения гидравлических масел:

МГ – 15 – В,

где МГ – минеральное гидравлическое масло; 15 – класс вязкости; В – группа масла по эксплуатационным свойствам.