Issuu on Google+

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ 1’2014

1(101)2014

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

ТЕХНИКА

ШАГАЮЩИЕ ЭКСКАВАТОРЫ

ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ «СТТ»

ТЕХНИКА

ВИБРОПЛИТЫ КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

ОБУЧЕНИЕ

ИСТОРИЯ

çÄëéëçõÖ ëíÄçñàà

éëçéÇçõÖ ëÇéâëíÇÄ êÄÅéóàï ÜàÑäéëíÖâ

äéëíêéåëäéâ ùäëäÄÇÄíéêçõâ áÄÇéÑ

18+


НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА

52

>>> БАЗОВЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПРИВОДОВ 1. éÒÌÓ‚Ì˚ ҂ÓÈÒÚ‚‡ ‡·Ó˜Ëı ÊˉÍÓÒÚÂÈ, ó‡ÒÚ¸ 1

ТЕХНИКА

2. éÒÌÓ‚Ì˚ ҂ÓÈÒÚ‚‡ ‡·Ó˜Ëı ÊˉÍÓÒÚÂÈ, ó‡ÒÚ¸ 2 3. êÂÊËÏ˚ ‚Ò‡Ò˚‚‡ÌËfl „ˉÓ̇ÒÓÒÓ‚ 4. ÑË̇Ï˘ÂÒÍË ÂÊËÏ˚ ‡·ÓÚ˚ „ˉÓ̇ÒÓÒÓ‚, ó‡ÒÚ¸ 1

ОБЪЕКТ

5. ÑË̇Ï˘ÂÒÍË ÂÊËÏ˚ ‡·ÓÚ˚ „ˉÓ̇ÒÓÒÓ‚, ó‡ÒÚ¸ 2 6. ê‡ÒÔ‰ÂÎÂÌË ÏÓ˘ÌÓÒÚË ÔË „ÛÎËÓ‚‡ÌËË Ì‡ÒÓÒÓÏ 7. òÛÏ ‚ „ˉÓÒËÒÚÂχı

9. ìÔ‡‚ÎÂÌË „ˉÓˆËÎË̉Ó‚

ИСТОРИЯ

ОБУЧЕНИЕ

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

ОПЫТ

8. ä·ÒÒËÙË͇ˆËfl „ˉÓˆËÎË̉Ó‚

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ

ê

абочие жидкости, применяемые в гидросистемах машин и оборудования, не только обеспечивают передачу энергии, но и выполняют ряд других важных функций, в том числе смазку и охлаждение подвижных пар гидрокомпонентов. Базовые параметры рабочих жидкостей должны удовлетворять техническим требованиям, предъявляемым к работе гидроприводов, обладать нетоксичными свойствами по отношению к людям. Выбор рабочей жидкости зависит от ее физических свойств и реакции на внешние воздействия, возникающие в гидросистеме, например, кавитацию, перепады температур и т.п. Большинство гидравлических систем в качестве рабочих жидкостей требуют применения минеральных масел. Однако в отдельных гидроприводах они непригодны в силу негативного воздействия на окружающую среду или огнеопасности. Казалось бы, что наиболее доступной жидкостью является вода. Она пожаробезопасна, экологически чистая, практически несжимаема. Однако вода не обладает смазочными свойствами, интенсивно окисляет металлические поверхности гидрокомпонентов, закипает при относительно низких температурах и превращается в твердый лед при отрицательных ее значениях. Воду необходимо тщательно очищать от солей и примесей, которые неизбежно откладываются в каналах гидросистемы. Эти решающие факторы исключают её применение в большинстве гидросистем. Тем не менее вода используется для передачи энергии в приводах оборудования для пищевой и фармацевтической промышленности. Водомасляные эмульсии (смесь воды с минеральным маслом), обладающие очень низкой степенью воспламенения, широко применяются в гидроприводах шахтного оборудования. В странах, уделяющих повышенное внимание загрязнению окружающей среды в гидросистемах сельскохозяйственных, лесозаготовительных и других машин, часто используют биоразлагаемые масла, полученные из растительных культур. Наиболее распространёнными биологическими жидкостями, обладающими приемлемыми техническими параметрами, являются масла из рапса. Однако их производство не полностью удовлетворяет спрос.

Корнюшенко С.И., доктор наук, профессор РАЕН

MAIN PROPERTIES OF WORKING FLUIDS Kornyushenko S.I., RANS professor

In the article are considered the main properties of hydraulic fluids. Here are explained characteristics influencing the exploitation of hydraulic systems. Dependencies formulae of hydraulic oils parameters are cited. Distinctions of various fluids parameters are shown in table forms. Classification of hydraulic oils is given.

ëÇéâëíÇÄ ÉàÑêÄÇãàóÖëäàï ÜàÑäéëíÖâ ÇflÁÍÓÒÚ¸ Вязкость – это ключевой параметр рабочей жидкости. В физических терминах вязкость может быть определена как внутреннее трение, вызываемое движением частиц, составляющих массу жидкой среды, или, более просто, сопротивлением жидкости движению. Простейший эмпирический опыт определения вязкости: на гладкую наклонную поверхность одновременно выливают одинаковое количество воды и масла. Вода стекает быстрее масла. Вода более текучая, чем масло. Движущемуся маслу мешает быстро стекать более высокое трение между его молекулами (внутреннее сопротивление – вязкость). Таким образом, вязкость жидкости обратно пропорциональна ее текучести. В упрощенном виде процесс движения вязкой жидкости в трубопроводе можно рассмотреть в виде плоских параллельных слоёв АВ и СD с одинаковой площадью поверхности S, расстояние между которыми составляет величину h. Такая модель трения между слоями молекул в движущейся жидкости представлена на рис. 1. Эти два слоя (АВ и СD) перемещаются с различными скоростями (V и V + ΔV). Слой АВ, имеющий наибольшую скорость (V + ΔV), вовлекает в движение слой СD, движущийся с меньшей скоростью (V). В то же время слой СD стремится замедлить скорость слоя АВ. Трение молекул, представляющих собой сопротивление слоев потока, образует силу, которую Исаак Ньютон описал следующей формулой:

>>> Рис. 1. Трение между слоями молекул в движущейся жидкости

СТТ 1’2014


Здесь: ρ – плотность жидкости; m – масса жидкости; V – объем жидкости. Мы помним, что по второму закону Ньютона масса тела определяется частным силы (в данном случае силы тяжести или веса объема жидкости) на ускорение (здесь – свободного падения a = g).

Тогда

Отношение между динамической вязкостью (μ) и плотностью (ρ) называется кинематической вязкостью ν (ν – по-гречески – ни):

Как и динамическая, кинематическая вязкость по-прежнему измеряется в соответствии с системой СГС в сантистоксах (сСт) и в дольных величинах – стоксах (Ст): 1 ëÚ = 10-4 Ï2/Ò = 1 ÒÏ2/Ò; 1 ÒëÚ = 10-6 Ï2/Ò = 1 ÏÏ2/Ò.

Вязкость жидкости в различных измерениях градус Энглера (°Е) 2 3 4 5 7 10 15 20 30 50 70 100

секунда Сейболта градус Редвуда (“SUS) (°RJ) 65 57 102 88 135 120 175 150 245 230 350 310 520 460 700 610 1050 920 1750 1550 2450 2150 3500 3100

Таблица 1 СантиСтокс (сСт [мм2/с]) 13 22 30 38 53 76 115 150 230 380 530 760

Например: 2°Е = 7,6 · 2 · (1 – 1/23 ) = 15,2 · (0,875) = 13,3 сСт, или 9°Е = 7,6 · 9 · (1 – 1/93) = 68,4 · (0,9986) = 68,3 сСт. С целью быстрого определения стандартной вязкости гидравлического масла формула может быть упрощена следующим образом: ν (ÒëÚ) = 7,6 • °Ö (ÏÏ2/Ò)

НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА ОБЪЕКТ

На практике вязкость связана соотношением массы жидкости к ее объему, т.е. с плотностью жидкости.

ОПЫТ

Здесь: F – сила тяжести (вес) единицы объема рабочей жидкости. В большинстве случаев динамическая вязкость по-прежнему измеряется в сантипуазах (сП) в соответствии с системой единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда):

Имея кинематическую вязкость ν в мм2/с или сСт, можно перевести ее в динамическую вязкость μ, используя следующую зависимость: μ=ν•p Суммируя различные формулы перевода градусов Энглера (°Е), сантистоксов (сСт) и сантипуазов (сП), предположим, что гидравлическое масло с плотностью ρ = 910 кг/м3 имеет кинематическую вязкость 12°Е, что в единицах сСт составляет ν = 7,6 · 12 · (1 – 1/123) = 91,2 · (0,99) = 90,3 мм2/с Поскольку 1 сСт = 10-6 м2/с и 1 сП = 10-3 Н·с/м2, то динамическая вязкость будет равна μ = ν · p = 90,3 · 10-6 · 910 = 0,082 Н·с/м2 = 82 сП. В таблице 1 приведены приближённые значения вязкости жидкости в различных измерениях. СТТ 1’2014

ОБУЧЕНИЕ

Здесь: ΔV – разница скоростей движений слоев потока жидкости; h – расстояние между слоями потока жидкости; S – площадь поверхности слоя потока жидкости; μ (мю) – коэффициент, зависящий от свойства жидкости, называется абсолютной динамической вязкостью. В единицах измерения системы СИ формула выглядит следующим образом:

Величина вязкости определяется измерением времени течения жидкости через калиброванную капиллярную трубку. Это устройство калибруется с помощью стандартной жидкости известной вязкости. Для определения кинематической вязкости, измеряемой в мм2/с, время течения жидкости, измеряемое в секундах, умножается на постоянную величину. В качестве единицы сравнения используется вязкость дистиллированной воды, величина которой почти постоянна даже при изменении температуры. Коэффициент вязкости – это отношение времени в секундах, которое необходимо фиксированному объёму дистиллированной воды для истечения из калиброванного отверстия, к аналогичному значению для испытываемой жидкости. Вязкость измеряется в градусах Энглера (°Е), универсальных секундах Сейболта ("SUS) или градусах Редвуда (°RJ) в зависимости от типа применяемого вискозиметра. Три типа вискозиметров отличаются только количеством вытекающей жидкой среды. Вискозиметр, измеряющий вязкость в европейской единице градус Энглера (°Е), рассчитан на 200 см3 вытекающий жидкой среды. Вискозиметр, измеряющий вязкость в универсальных секундах Сейболта ("SUS или "SSU), используемый в США, содержит 60 см3 испытываемой жидкости. В Англии, где используются градусы Редвуда (°RJ), вискозиметр проводит измерения вязкости 50 см3 жидкости. Например, если 200 см3 определенного масла течет в десять раз медленнее, чем аналогичный объем воды, то вязкость по Энглеру составляет 10°Е. Поскольку температура является ключевым фактором, влияющим на изменение коэффициента вязкости, то измерения обычно проводятся сначала при постоянной температуре 20°С, а затем при более высоких ее значениях. Результат, таким образом, выражается путем добавления соответствующей температуры, например: 10°Е/50°С или 2,8°Е/90°С. Вязкость жидкости при 20°С выше, чем её вязкость при более высоких температурах. Гидравлические масла имеют следующую вязкость при соответствующих температурах: 190 сСт при 20°С → 45,4 сСт при 50°С → 11,3 сСт при 100°С. Для перевода значений вязкости жидкости, выраженных в градусах Энглера, в сантистоксы (мм2/��) используют следующую эмпирическую формулу: ν (cëÚ) = 7,6 • °Ö • (1 – 1/°Ö3)

ИСТОРИЯ

.

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

53


НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА ОБЪЕКТ ОПЫТ КОМПЛЕКТУЮЩИЕ ОБУЧЕНИЕ ИСТОРИЯ

54 КЛАССЫ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ по стандарту ISO [сСт или мм2/с] Класс ISO VG 10 ISO VG 22 ISO VG 32 ISO VG 46 ISO VG 68 ISO VG 100

Таблица 2

ν макс (0°С)

ν ср (40°С) и (мин-макс) значения

ν мин (100°С)

90 300 420 780 1400 2560

10 (9 – 11) 22 (19,8 – 24,2) 32 (28,2 – 35,2) 46 (41,1 – 50,6) 68 (61,2 – 74,8) 100 (90 – 110)

2,4 4,1 5,0 6,1 7,8 9,9

à̉ÂÍÒ ‚flÁÍÓÒÚË Индекс вязкости (ИВ) – это параметр, коррелирующий изменение вязкости и температуры. Корреляционная зависимость является статистической взаимосвязью, в данном случае двух величин, при которой изменение температуры сопутствует систематическому изменению вязкости. Чем выше индекс вязкости, тем меньше изменения между двумя величинами, т.е. вязкость рабочей жидкости более стабильна при изменении температуры. Графики индексов вязкости показаны на рис. 2. У основ современных масел индекс вязкости ниже 95-100 единиц. Поэтому в гидросистемах машин и оборудования могут использоваться достаточно стабильные рабочие жидкости, которые ограничивают широкое изменение вязкости в условиях критических температур. Благоприятные характеристики могут поддерживаться введением в масло специальных присадок (полимеров), получаемых при перегонке нефти. Они повышают индекс вязкости масел за счет ограничения изменения вязкости в допустимом интервале. На практике при введении необходимого количества присадок низкий индекс вязкости базового масла может быть повышен до 100-105 единиц. Вместе с тем получаемая таким образом смесь ухудшает свои свойства при высоком давлении и тепловой нагрузке, снижая тем самым эффективность присадки. В силовых контурах мощных гидросистем должны применяться рабочие жидкости с индексом вязкости 100 единиц. Рабочие жидкости с присадками, повышающими индекс вязкости, применяются в контурах гидроуправления и других системах, работающих в диапазоне низких/средних давлений, в ограниченном интервале изменения тем-

>>> Рис. 2. Графики индексов вязкости

ператур, с небольшими утечками и в периодическом режиме. С возрастанием давления возрастает и вязкость, но этот процесс возникает при давлениях свыше 30,0 МПа (300 бар). На практике этим фактором часто пренебрегают. В соответствии с международными стандартами ISO коэффициент кинематической вязкости жидких сред выражается в сантистоксах: сСт (мм2/с). Измерения вязкости должны проводиться при температурах 0°С, 40°С, 100°С. В любом случае в коде марки масла вязкость должна указываться цифрой при температуре 40°С. В ГОСТ Р значение вязкости дается при 50°С. Марки масла, наиболее часто применяемые в машиностроительной гидравлике, варьируются от ISO VG 22 до ISO VG 68. В таблице 2 приведены классы кинематической вязкости гидравлических масел по стандарту ISO. На рис. 3 дана диаграмма изменения кинематической вязкости основных марок гидравлических масел в зависимости от температуры. Следует обратить внимание, что линии вязкости на графиках прямые, поскольку на оси ординат отложена логарифмическая шкала измерений. На самом деле изменение вязкости до t ≈ 20°С происходит очень быстро (нелинейно), в то время как при дальнейшем росте температуры значения вязкости понижаются и имеют тенденцию к стабильности изменения, т.е. обретают характеристику, близкую к линейной. Гидравлические масла VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 при температуре 40°С имеют значения вязкости, соответствующие их маркировке: 22, 32, 46, 68 и 100 сСт. Из графиков видно, что оптимальная кинематическая вязкость рабочей жидкости в гидросистемах лежит в диапазоне от 16 до 36 сСт.

Американское Общество автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers – SAE) установило диапазоны изменения вязкости при конкретных температурах и присвоило им соответствующие коды. Цифра, следующая за буквой W, – величина абсолютной динамической вязкости μ при 0°F (–17,7°С), а кинематическая вязкость ν определялась при 212°F (100°С). Следует заметить, что эта индексация касается всесезонных масел, применяемых в автомобильной промышленности (трансмиссионные, моторные масла и т. д.). На рис. 4 представлена таблица, по которой можно определить значения динамической и кинематической вязкости для конкретной марки масла. Например, масло марки SAE 15W-20 имеет динамическую вязкость в интервале от 2400 до 4800 сП и кинематическую вязкость при температуре 100°С в интервале от 5,7 до 9,6 сСт.

ÇÎËflÌË ‚flÁÍÓÒÚË Ì‡ ‡·ÓÚÛ „ˉ‡‚΢ÂÒÍËı ÒËÒÚÂÏ В гидросистемах рабочие жидкости не только передают энергию от насоса к гидродвигателям, но также смазывают все детали компонентов и отводят выделяемое тепло от пар трения. Не соответствующая режиму работы вязкость рабочей жидкости может серьезно нарушать эффективность всей гидросистемы. Отметим ряд основных проблем, связанных с использованием нештатных гидравлических жидкостей. Высокая вязкость рабочей жидкости (масло очень высокой плотности) приводит к следующим негативным явлениям: • Повышенное сопротивление течению гидравлической жидкости вызывает излишнее падение давления в гидросистеме. • Замедление скорости управления и механических движений исполнительных механизмов. • Развитие кавитации в насосе. • Нулевое или слишком низкое выделение воздуха из масла в гидробаке. • Заметная потеря мощности (снижение КПД) гидросистемы из-за высоких затрат энергии на преодоление внутреннего трения гидравлической жидкости. • Повышенный крутящий момент первичного двигателя машины, вызываемый возрастающей нагрузкой на насосе. • Рост температуры гидравлической жидкости, порождаемый повышенным трением.

èÓÚÂfl ÏÓ˘ÌÓÒÚË „ˉÓÒËÒÚÂÏ˚. Низкая вязкость рабочей жидкости (масло невысокой плотности) приводит к следующим негативным явлениям: СТТ 1’2014


НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА

55

Таблица 3 СЖИМАЕМОСТЬ МИНЕРАЛЬНОГО МАСЛА Давление [МПа] 10,0 20,0 30,0 40,0 60,0 80,0

β [10-3 МПа-1] 0,75 0,70 0,65 0,61 0,56 0,53

ИЗМЕНЕНИЕ ОБЪЁМА (СЖИМАЕМОСТЬ) ЖИДКОСТЕЙ При воздействии перепада давления Δp = 10,0 МПа Рабочая жидкость

Таблица 4

ОБЪЕКТ ОПЫТ

Или t = 0,14 · 60 = 8,4 с. Эта величина (8,4 секунды) является временем неизбежной задержки, которое серьезно влияет на продолжительность рабочего цикла машины. Если сократить время процесса сжатия гидравлической жидкости не представляется возможным, то это можно сделать путем замены насоса на большую производительность. В данном примере насос производительностью Q = 50 дм3/мин сократит время запаздывания до 1,68 с. Рабочие жидкости для гидросистем обладают и другими важными свойствами, от которых зависит качество работы машин и оборудования. Они будут рассмотрены в следующей публикации.

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

ëÊËχÂÏÓÒÚ¸ При рассмотрении основных понятий гидравлики рабочая жидкость рассматривалась как несжимаемая среда. Фактически любая жидкость под действием давления сжимается. В отношении рабочих жидкостей, используемых в машиностроительной гидравлике, эмпирически установлено, что процесс сжатия обратно пропорционален величине массы жидкости на ее объем. Величина сжатия выше для минеральных масел, значительно ниже для воды и гораздо ниже для синтетических жидкостей. В простых гидросистемах низкого давления сжимаемость жидкости ничтожно мало влияет на уменьшение первоначального объема. Но в мощных машинах с гидроприводом высокого давления и крупными гидроцилиндрами сжимаемость жидкости проявляет себя заметно. У гидравлических минеральных масел при давлении в 10,0 МПа (100 бар) объём

положим, что производительность насоса гидросистемы составляет Q = 10 дм3/мин, рабочее давление 30,0 МПа при β = 0,65 · 10-3, объем исполнительного гидроцилиндра 70 дм3 (литров). При таких условиях уменьшение объема гидравлического масла составит 1,4 литра: Δ V = β · p = 0,65 · 10-3 · 70 ·30,0 = 1365 · 10-3 = 1,4 дм3. При расходе насоса Q = 10 дм3/мин время, необходимое для сжатия этого объема, т.е. время возрастания давления в гидроцилиндре до 30,0 МПа, определится из соотношения

ОБУЧЕНИЕ

Падение объемного КПД насосов в результате возрастающих внутренних утечек. Возрастание внутренних утечек в гидрокомпонентах всей гидросистемы – насосах, клапанах, гидрораспределителях, гидромоторах. Повышенный износ качающих узлов и заклинивание насосов по причине недостаточной вязкости рабочей жидкости, необходимой для обеспечения смазки трущихся деталей.

уменьшается на 0,7% (здесь мы пренебрегаем температурой). При этом на изменение объема сжатия в небольшой степени влияют кинематическая вязкость и тип масла. Если пренебречь упомянутыми факторами, то изменение объема (ΔV) можно описать следующей формулой: ΔV = β · V0 · (p1 – p0), β = 10-4 см2/даН = 10-4 · бар-1 = 10-3 · МПа-1 Здесь: β – коэффициент сжимаемости жидкости; V0 – объём жидкости в состоянии ее покоя; p0 и p1 – начальное и конечное давление соответственно; да – приставка образования кратных единиц; да → 10, т.е. даН = 10Н = 1 кгс. Тенденция изменения коэффициента сжимаемости жидкости (β) в зависимости от величины давления (р) показана в таблице 3. Величины изменения объема (ΔV) различных жидкостей при воздействии на них перепада давления Δp = 10,0 МПа приведены в таблице 4. При повышении давления эта величина (ΔV) возрастает. Например, гидросистема экскаватора, составляющая 400 литров (дм3), при работе под давлением 25,0 МПа (250 бар) уменьшит свой объем на 7 литров: ΔV = Vначальн. · 0,7% · p/10,0 = 400 · (0,7/100) · (25,0/10,0) = 400 · 0,007 · 2,5 = 7 дм3 (литров). В практическом выражении изменение объема влияет на рабочее время выполнения технологических операций. Пред-

Изменение объёма ΔV

Минеральное масло

0,7%

Масло на растительной основе

0,5%

Вода и эмульгированная водомасляная эмульсия

0,4%

Жидкости водогликолевые и синтетические (полимеры)

0,35%

СТТ 1’2014

ИСТОРИЯ

>>> Рис. 3. Изменение вязкости гидравлических масел в зависимости от температуры

ТЕХНИКА

>>> Рис. 4. Индексация вязкости масел по стандарту SAE (США)


Main properties of working fluids