Характеристика робочих рідин
Лекція 2 Робочі рідини гідроприводів та їх властивості. Рух рідини через дроселі та насадка
Робоча рідина, що застосовується в гідроприводі, є робочим середовищем, за допомогою котрого гідравлічна енергія передається від джерела до гідродвигуна. Тобто робоча рідина є енергоносієм, завдяки якому встановлюється зв’язок між насосом і гідродвигуном. Крім цієї основної функції, робоча рідина змащує поверхні тертя деталей гідромашин, відводить тепло від їх нагрітих поверхонь, виносить частинки бруду й продукти зношення, захищає деталі машин та механізмів від корозії. Умови експлуатації робочої рідини можуть бути складними. На стан робочої рідини впливає широкий діапазон робочих температур, а також наявність високих швидкостей потоку і високих тисків.
Характеристика робочих рідин
Основною властивістю робочих рідин є в’язкість. В’язкість – це здатність робочої рідини опиратися деформації зсуву або ковзанню її шарів.
Механізм виникнення в’язкості обумовлюється тим, що при протіканні рідини вздовж твердої стінки швидкість її прошарків у результаті гальмування потоку різна, внаслідок чого між прошарками виникає сила тертя.
Величина цієї сили (дотичне напруження) визначається з рівняння, що відображає закон рідинного тертя Ньютона
, (2.1)
де 
– сила тертя;
F – площа, що розглядається, шару рідини або стінки, з якою контактує рідина;
– коефіцієнт пропорційності, котрий ще називають коефіцієнтом динамічної в’язкості;
– градієнт швидкості або швидкість зсуву;
u – швидкість руху рідини;
y – відстань між шарами, виміряна перпендикулярно напрямку руху рідини.
З виразу 
ми бачимо, що коефіцієнт динамічної в’язкості чисельно рівний силі тертя , що діє на одиницю площі поверхні F при градієнті швидкості , рівному одиниці.
Одиниця динамічної в’язкості – Па·с.
У гідравлічних розрахунках використовують поняття кінематичної в’язкості
, (2.2)
де 
– кінематична в’язкість;
– динамічна в’язкість;
– щільність (густина) рідини.
Одиниця кінематичної в’язкості – см2/с – називається стоксом (Ст). У розрахунках отримав розповсюдження сантистокс (сСт).
1 сСт = 0,01 Ст = 1 мм2/с = 10-6м2/с;
1 м2/с = 10000 Ст = 1000000 сСт.
В інструкціях з експлуатації та паспортних даних на робочі рідини наводиться значення кінематичної в’язкості в сантистоксах, виміряної при температурі +50˚С.
Однією з основних характеристик робочих рідин є індекс в’язкості, він показує в’язкісно-температурну характеристику, яку зображено на рисунку 2.1.
Рисунок 2.1 – В’язкісно-температурна характеристика рідини:
1 – чисте мінеральне масло; 2 – мінеральне масло з присадками;
3 – синтетичне масло
Чисте мінеральне масло має більш круту характеристику, тому в холодну пору року пуск гідропривода може бути утруднений. Тому використання чисто мінеральних масел може призвести до погіршення роботи гідропривода.
При широкому діапазоні низьких та високих температур використовують синтетичні рідини, які мають більш пологу характеристику.
Крутизна характеристики відображає індекс в’язкості. Для зменшення крутизни характеристики в робочі рідини вводять спеціальні присадки.
Присадка – це речовина, що додається до робочої рідини для поліпшення її властивостей чи надання нових.
Присадки збільшують діапазон температур застигання, покращують антиокиснювальні здатності рідини, антикорозійні властивості, фізичну та хімічну стабільність.
Вимоги до робочих рідин
Робочі рідини повинні мати такі властивості:
малу в’язкість (достатню для забезпечення роботи гідропривода та прокачування рідини через його елементи з малими втратами енергії);
мінімальну залежність в’язкості від температури в необхідному діапазоні температур;
малу стисливість (високий модуль об’ємного стиску);
значний термін зберігання;
низьку температуру застигання (температурою застигання називають температуру, при якій робоча рідина втрачає рухливість в умовах дослідів. У гідроприводах вибирають робочі рідини, в котрих температура застигання на 10 – 17˚С нижча від найменшої температури в системі при її експлуатації);
стійкість до окиснення на повітрі;
малу випаровуваність;
відсутність механічних домішок та інших часток забруднення;
високу стабільність до механічного руйнування складних сполучень рідини (деструкції) при її дроселюванні при великих тисках і високих швидкостях потоку;
гарні змащувальні, миючі та консерваційні властивості;
гарні охолоджувальні властивості;
малу токсичність;
високі економічні показники (рідина повинна мати малу вартість);
висока хімічна та фізична стабільність.
Під фізичною стабільністю розуміють спроможність рідини зберігати свій фізичний стан. До фізичних факторів відносять попадання в рідину забруднювачів у твердому, рідкому та газоподібному стані, зміни якості й кількості присадок.
Зміни механічного характеру в рідині проходять під впливом процесів тертя і дроселювання. Унаслідок цього відбуваються зміни молекулярної структури рідини, що супроводжується зниженням її в’язкості, а також погіршення змащувальних властивостей. При зменшенні в’язкості рідини в гідросистемі на 20% її рекомендують замінити.
Хімічна стабільність – це спроможність рідини протистояти ,,старінню’’, під яким у свою чергу розуміють, головним чином, зміни, що відбуваються в рідині при присутності кисню атмосферного повітря.
Хімічна стабільність робочих рідин залежить від хімічного складу та будови складових її компонентів.
Унаслідок окиснення рідини (особливо мінеральних масел), здійснюється випадання з них відкладень у вигляді смол, а також знижується в’язкість, що супроводжується зменшенням змащувальних властивостей.
Інтенсивність окиснення значною мірою залежить від температури на поверхні контакту рідини з повітрям: підвищується зі зростанням температури. Наприклад, при підвищенні температури на кожні 8 – 10°С інтенсивність окиснення мінеральних масел практично збільшиться у 2 рази. Особливо активно відбувається процес окиснення мінеральних масел за наявності в ньому розчиненого повітря.
У якості робочих рідин у гідравлічному приводі застосовують мінеральні масла, водно-масляні емульсії, суміші, синтетичні рідини та рідкі метали. Вибір типу й марки робочої рідини визначається призначенням, ступенем надійності та умовами експлуатації гідроприводів машин.
Мінеральні масла одержують у результаті переробки високоякісних сортів нафти із введенням у них присадок, що поліпшує їхні фізичні властивості. Присадки додають у кількості 0,05 – 10%. Присадки можуть бути багатофункціональними, тобто впливати на кілька фізичних властивостей відразу. Розрізняють присадки антиокисні, в’язкісні, протизношувальні, що знижують температуру застигання рідини, антипінні й т.д.
Водно-масляні емульсії являють собою суміші води й мінерального масла в співвідношеннях 100:1, 50:1 і т.д. Мінеральні масла в емульсіях служать для зменшення корозійного впливу робочої рідини й збільшення змащувальної спроможності. Емульсії застосовують у гідросистемах машин, що працюють у пожежонебезпечних умовах і в машинах, де потрібна велика кількість робочої рідини (наприклад, у гідравлічних пресах). Застосування емульсій обмежене негативними й високими (до 60° С) температурами.
Суміші різних сортів мінеральних масел між собою, з гасом, гліцерином і т.д. застосовують у гідросистемах високої точності, а також у гідросистемах, що працюють в умовах низьких температур.
Синтетичні рідини – це полісилоксанові та кремнієорганічні рідини; негорючі, стійкі до впливу хімічних елементів, мають стабільність в’язкісних характеристик у широкому діапазоні температур. Синтетичні рідини мають недоліки. Вони розчиняють усі існуючі пластифікатори синтетичних каучуків. Тому ущільнення, які виготовляються з таких каучуків, швидко виходять із ладу (стають крихкими, тріскаються та руйнуються). У гідроприводах, де застосовуються синтетичні рідини, ущільнювальні пристрої виготовляють зі спеціальних синтетичних матеріалів. Останнім часом, незважаючи на високу вартість синтетичних рідин, вони все більше застосовуються в гідроприводах машин загального призначення.