Физико-химические свойства жидкостей и методы их оценки. Смазывающие свойства

Общие технические требования к жидкостям

Исходя из анализа условий работы гидравлических систем рабочая жидкость должна:

- обладать хорошими смазывающими свойствами в широком диапазоне скоростей качения и скольжения, удельных нагрузок и рабочих температур;

- быть стабильной во всем диапазоне эксплуатационных температур и рабочих параметров;

- иметь оптимальную вязкость в пределах рабочих температур и давлений;

- иметь удовлетворительные низкотемпературные свойства;

- не разрушать уплотнительные материалы;

- обладать хорошей теплопроводностью;

- быть несжимаемой;

- не растворять в себе газов;

- быть нелетучей;

- обладать минимальной вспениваемостью;

- иметь низкий коэффициент расширения и высокую стойкость к образованию эмульсии;

- не корродировать материалов деталей системы;

- быть негорючей;

- иметь малую плотность и хорошие диэлектрические свойства;

- быть нетоксичной и удобной в обращении;

- хорошо прокачиваться и фильтроваться;

- обладать высокой теплоемкостью.

Выполнение указанных требований определяет пригодность жидкостей для работы в гидросистемах. Однако выполнить все требования при изготовлении жидкостей не представляется возможным. В каждом отдельном случае применения жидкости к ней предъявляются конкретные требования, определяемые условиями в которых ей предстоит работать, а также конструкцией гидросистемы и теми рабочими операциями, которые система должна выполнять.

На практике качество жидкостей контролируется только с помощью лабораторных методов испытания.

Физико-химические свойства жидкостей условно можно подразделить на эксплуатационные и свойства, определяющие физическое состояние и воздействие на организм человека. К первым относятся смазывающие, вязкостные, низкотемпературные свойства, стабильность, совместимость с материалами, взрывопожаробезопасность, содержание механических примесей, содержание воды, испаряемость, вспениваемость, эмульсионные характеристики, сжимаемость. Такие свойства, как показатели теплопередачи, расширение, диэлектрические свойства, токсичность, запах и цвет, показатель преломления, поверхностное натяжение учитываются при разработке и создании новых жидкостей как свойства, определяющие физическое состояние, влияние на организм человека и на некоторые конструктивные параметры системы.

Интенсивность изнашивания пар трения во многом определяется физико-химическими и смазывающими свойствами рабочей среды, поэтому для нагруженных трущихся деталей агрегатов гидросистемы жидкость является смазочной средой.

Способность жидкости сохранять свой состав и свойства в процессе работы противостоять воздействию кислорода воздуха в присутствии различных металлов при высоких температуре и давлении, в условиях транспортировки, хранения и в гидросистеме называют стабильностью. Различают химическую и термическую стабильность, стойкость к механической деструкции и гидролитическую устойчивость.

Низкотемпературное (жидкофазное) окисление углеводородов протекает без предварительной термической диссоциации углеводородов за счет радикалов, образующихся в минимальном количестве, необходимом для начала цепной реакции. Процесс высокотемпературного окисления обусловлен диссоциацией углеводородов.

Окисление гидравлической жидкости способствует образованию твердых смолообразных продуктов, загрязняющих гидросистему.

Светостойкость жидкости

Органические жидкости, подвергающиеся воздействию жестких лучей (гамма-лучей, ультрафиолетовых, рентгеновских), с течением времени изменяют свои первоначальные физико-химические свойства.

Вязкость

Для минеральных жидкостей зависимость кинематической вязкости от температуры определяется выведенным опытным путем линейным уравнением Вальтера:

где n-кинематическая вязкость, сст; к' - универсальная постоянная величина, равная 0,6; А и В - константы, характеризующие данную жидкость; Т-температура, К.

Коэффициенты А и В определяют по результатам измерения вязкости при трех температурах

При повышении температуры характер изменения вязкости от давления для всех типов жидкостей не изменяется, по абсолютной же величине изменение вязкости пропорционально изменению температуры. Изменение вязкости с изменением давления в гидросистемах, при давлении 0-500 кГ/см² учитывается эмпирическим выражением:

где n_p и n - кинематическая вязкость соответственно при давлении р и атмосферном.

В условиях низких температур часть компонентов жидкости, имеющих достаточно высокую температуру кристаллизации, выпадает в виде твердых частиц и может произойти расслаивание ограниченно растворимых составных частей. При изменении растворяющей способности в объеме жидкости могут образоваться мельчайшие капельки свободной воды или кристаллов льда. Указанные процессы могут вызвать значительное изменение текучести жидкости и фильтруемости, что приведет к нарушению работы гидросистемы.

Под совместимостью понимается отсутствие взаимодействия между жидкостью, применяемой в гидравлической системе, и веществами, с которыми она соприкасается в процессе работы. К числу таких веществ относятся поверхностные покрытия, изоляционные материалы, пластмассы, эластомеры, различные атмосферные газы. Нужно принимать во внимание и те конструкционные металлы, из которых изготовлены детали гидросистемы.

Коррозионные свойства. При эксплуатации гидравлических систем на ее деталях обнаруживаются участки, подверженные воздействию коррозионно-активных веществ, присутствующих в жидкости. Коррозия возникает в результате комбинированного воздействия на металл воды, кислорода, следов органических и минеральных кислот, сернистых соединений и других продуктов. По механизму процессов, вызывающих разрушение поверхностного слоя металлов, коррозию делят на химическую и электрохимическую.

Химический вид коррозии возникает при непосредственном химическом взаимодействии коррозионно-активных веществ с металлами, главным образом цветными, из которых изготовлены детали агрегатов гидросистемы. Такая коррозия может быть поверхностной и межкристаллитной. Наиболее опасна для деталей агрегатов гидросистем, работающих под высоким давлением, межкристаллитная коррозия, снижающая объемную прочность металла.

Электрохимический коррозионный процесс сплавов на основе железа представляется в следующем виде. Анодный процесс заключается в непрерывном переходе ион-атомов железа в электролит. При катодном процессе происходит взаимодействие электронов с водой и растворенным кислородом и образование гидроксильных групп. Возникающие вблизи катода гидроксильные группы, диффундируя в тонком слое электролита, встречаются с ионами железа и образуют продукт коррозии – гидрат окиси железа Fе(ОН)₂, который под воздействием температуры превращается в гидратированную окись трехвалентного железа Fе₂О₃-Н₂О. Так постепенно происходит разрушение поверхности металла. Коррозионные процессы протекают с большей интенсивностью, если металл подвержен формациям.

Помимо разрушения поверхности детали, коррозия опасна образованием твердых осадков, способных вызвать абразивный износ, заклинивание прецизионных пар и пр. Коррозия поверхностей, прикасающихся с подвижными уплотнениями, может привести к быстрому износу последних и к появлению течи.

Коррозия может быть сведена к минимуму, если исключить попадание воды и кислорода в жидкость и проводить тщательный контроль коррозионной активности жидкостей.

Действие жидкостей на резиновые детали оценивается в основном при подборе уплотнительных материалов. Действие жидкости на уплотнительные материалы проявляется в усадке, набухании и размягчении, что вызывает появление различных неисправностей гидроагрегатов. Ни одна из применяемых рабочих жидкостей не является полностью инертной к уплотнительным материалам. Поэтому важно, чтобы жидкость не ухудшала основных качеств резин. В результате длительного контакта рабочей жидкости с резиновым деталями может измениться их объем и вес вследствие набухания или физико-химических процессов вымывания отдельных компонентов резины. При этом происходит изменение физико-механических свойств резины. Поэтому главным показателем, по которому оценивают воздействие жидкости на резину, является набухаемость последней.

Помимо свойств жидкости и каучука, на набухаемость большое влияние оказывают внешние условия: температура, продолжительность контакта и др.

Вспениваемость жидкостей в основном связана с присутствием в ней растворенного воздуха (газа) и поверхностно-активных продуктов. Воздух может попадать в гидравлическую систему различиями путями. Большая часть попавшего воздуха при наличии высоких давлений растворяется в жидкости. Если количество попавшего в систему воздуха настолько велико, что пузырьки воздуха остаются в жидкости при рабочем давлении, резко снижается производительность насоса и ухудшается стабильность работы всей системы. Поскольку при прохождении жидкости через цилиндры и клапаны, двигатели и другие элементы системы давление жидкости снижается, количество воздуха, находящегося в ней в растворенном состоянии, также снижается. Излишний воздух в виде пузырьков из жидкости с хорошими антипенными свойствами выносится через систему дренажа. При наличии в жидкости поверхностно-активных продуктов, адсорбирующихся на разделе фаз «жидкость-воздух», образуется в резервуаре очень устойчивая пена. Если пены образуется много, возможен выброс ее через систему дренажа бака.

Отрицательное влияние пены проявляется еще и в том, что, она снижает смазывающую способность жидкости, вызывает коррозию металлических деталей гидросистемы. Вследствие большой площади поверхности раздела между жидкостью и воздухом значительно ускоряется окисление и другие реакции в пене. Устойчивая пена превращается со временем в вязкие включения, откладывающиеся на поверхностях агрегатов и вызывающие нарушение нормальной работы.

Пенообразование различных жидкостей различно и зависит как от природы жидкости, химического ее состава, так и от внешних условий. Вспениваемость более вязких жидкостей выше. Вспениваемость спиртоглицериновых смесей меньше по сравнению с жидкостями минерального происхождения.

Синтетические жидкости способны в большей мере, чем минеральные растворять воздух и газ

Эмульсионная способность

Работа гидравлической системы может нарушиться при попадании в рабочую жидкость воды. Если во время работы вода циркулирует по системе вместе с жидкостью, образуется эмульсия, Эмульсией называется система из двух или нескольких несмешивающихся жидкостей, одна из которых распределена в виде мелких капель в другой. При работе жидкости в гидросистеме образуются эмульсии, когда вода диспергирована в рабочей жидкости. Присутствие эмульсий вызывает затруднения в работе гидравлической системы, поскольку они ухудшают эксплуатационные свойства жидкостей. Стойкие эмульсии воды и жидкости образуют вязкий шлам, который засоряет насосы, регулировочные клапаны и цилиндры и таким образом приводит к неудовлетворительной работе системы. Эмульсии могут переносить по системе абразивные материалы. Кроме того, смазка пар трения жидкостью с водой не обеспечивает их надежной работы.

Гигроскопичность

Все рабочие жидкости, используемые в гидросистемах, способны растворять в себе воду. Количество растворенной воды в жидкостях зависит от химической природы жидкости, внешнего давления, температуры, влажности атмосферы. Применяемые жидкости обладают, как правило, обратимой гигроскопичностью. Это означает, что при изменении условий растворения вода из растворенного состояния может выделиться в виде микроскопических капель жидкость.

Обратимая гигроскопичность приводит к тому, что в жидкости постепенно накапливается довольно значительное количество эмульсионной воды.

Благодаря гигроскопичности в жидкостях всегда в растворенном состоянии присутствует вода. Количество растворенной воды определяется как внешними условиями, так и химическим составом жидкости. Так, например, предельное содержание растворенной воды в жидкости АМГ-10 при длительном ее выдерживании и перемешивании в открытом сосуде при влажности окружающего воздуха 96 – 98% составляет 0,02% а синтетической жидкости 7-50С-3 – 0,1%.

Присутствие воды в жидкостях нежелательно и даже опасно, поэтому в практике применения жидкостей необходимо следить за их обводненностью. Содержание воды определяют качественно и количественно. Содержание воды в жидкостях качественно определяют по внешнему виду. Жидкость, не содержащая воды, всегда прозрачна. Если же жидкость непрозрачна, то это служит признаком ее обводнения. Воду в жидкости на минеральной ocнове можно обнаружить также по характерному потрескиванию, появляющемуся при ее нагреве до 150°C (ГОСТ 1547 - 42).

Токсичность жидкостей является важным эксплуатационным свойством, так как и с жидкостью и с агрегатами гидравлической системы постоянно приходится соприкасаться в процессе технической эксплуатации и обслуживания. Ни одна из синтетических, а также минеральных жидкостей с присадками, используемых в системах, не является безопасной.

Показателем острой токсичности служит количество миллиграммов жидкости, приходящейся на 1 кг массы тела, которая вызывает смерть половины подопытных животных. В практике применения жидкостей нельзя умалять важности соответствующих мер предосторожности, которые необходимо принимать при работе с ними.

Характеристики взрывопожаробезопасности

Одним из основных требований, предъявляемых к жидкости, является ее огнебезопасность. Жидкость, предназначенная работы в гидравлических устройствах, должна обладать достаточной огнестойкостью, чтобы не быть косвенной причиной пожара. Рабочая жидкость гидросистемы может явиться прямым источником пожара на самолете при разбрызгивании ее под высоким давлением вследствие повреждения трубопроводов гидросистемы, подтекания через уплотнение и попадания на горячие поверхности (например, выпускные трубы, тормоза и др.). Электрические искры, возникающие при коротком замыкании электропроводов, могут воспламенять жидкость в паровоздушной фазе, образующейся разбрызгиванием ее под высоким давлением.

При разработке методов оценки стойкости жидкостей к воспламенению в основном стремятся создать источники воспламенения, имитирующие реальные, а показателями, характеризующими пожарную опасность жидкости, приняты следующие:

- пределы взрываем ост и паров в воздухе;

- температура вспышки;

- температура самовоспламенения жидкости.

- температура самовоспламенения минеральных жидкостей лежит в пределах 230-250°С.

Испаряемость

Повышенная испаряемость жидкости может влиять на работоспособность гидравлической системы, приводя к снижению к.п.д. насосов вследствие испарения жидкости во всасывающей линии или другом месте системы, где понижено давление. Этот процесс еще более интенсифицируется, если система работает при повышенной температуре, так как давление паров имеет степенную зависимость от температуры. Это приводит к возникновению в трубопроводе двухфазной системы - жидкой и газообразной, пульсации давления, кавитации или даже отказу насосов при образовании газовых пробок.

Летучесть жидкостей оценивают в основном по трем методам, основанным на определении температуры кипения, давления паров и потерь от испарения.

Дата добавления: 2013-12-13