<< Пред. стр. 2 (из 8) След. >>
Список литературы по разделу
Растворение газов - способность жидкости поглощать (растворять) газы, находящиеся в соприкосновении с ней. Все жидкости в той или иной степени поглощают и растворяют газы. Это свойство характеризуется коэффициентом растворимости kр.
Если в закрытом сосуде жидкость находится в контакте с газом при давлении P1, то газ начнёт растворяться в жидкости. Через какое-то время
произойдёт насыщение жидкости газом и давление в сосуде изменится. Коэффициент растворимости связывает изменение давления в сосуде с объёмом растворённого газа и объёмом жидкости следующим соотношением
где WГ - объём растворённого газа при нормальных условиях,
Wж - объём жидкости,
P1 и P2 - начальное и конечное давление газа.
Коэффициент растворимости зависит от типа жидкости, газа и температуры.
При температуре 20 ?С и атмосферном давлении в воде содержится около 1,6% растворенного воздуха по объему (kp = 0,016). С увеличением температуры от 0 до 30 ?С коэффициент растворимости воздуха в воде уменьшается. Коэффициент растворимости воздуха в маслах при температуре 20 ?С равен примерно 0,08 - 0,1. Кислород отличается более высокой растворимостью, чем воздух, поэтому содержание кислорода в воздухе, растворенном в жидкости, примерно на 50% выше, чем в атмосферном. При уменьшении давления газ из жидкости выделяется. Процесс выделения газа протекает интенсивнее, чем растворение.
Кипение
Кипение - способность жидкости переходить в газообразное состояние. Иначе это свойство жидкостей называют испаряемостью.
Жидкость можно довести до кипения повышением температуры до значений, больших температуры кипения при данном давлении, или понижением давления до значений, меньших давления насыщенных паров pнп жидкости при данной температуре. Образование пузырьков при понижении давления до давления насыщенных паров называется холодным кипением.
Жидкость, из которой удален растворенный в ней газ, называется дегазированной. В такой жидкости, кипение не возникает и при температуре, большей температуры кипения при данном давлении.
Сопротивление растяжению жидкостей
Сопротивление растяжению жидкостей заключается в способности жидкости противостоять растягивающим силам.
Сопротивление растяжению жидкостей может возникать только в дегазированных жидкостях. В опытах удавалось при центрифугировании дегазированной дистиллированной воды получить на очень короткое время напряжения растяжения в воде, доходившие приблизительно до 25 МПа. Технические жидкости не сопротивляются растягивающим усилиям.
Газы могут находиться в жидкости в растворенном и нерастворенном виде. Присутствие в жидкости нерастворенного газа в виде пузырьков существенно уменьшает модуль упругости жидкости, причем это уменьшение не зависит от размеров пузырьков воздуха. Динамическая вязкость жидкости с увеличением содержания в ней воздуха растет. Содержание нерастворенного воздуха в рабочих жидкостях гидросистем машин и механизмов, так же как и в трубопроводах, подающих жидкость, может сильно повлиять на параметры работы трубопроводов и гидросистем.
Вязкость
Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу ее слоев. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхностях их соприкосновения возникают силы сопротивления сдвигу, называемые силами внутреннего трения, или силами вязкости. Если рассмотреть то, как распределяются скорости различных слоёв жидкости по сечению потока, то можно легко заметить, что чем дальше от стенок потока, тем скорость движения частиц больше. У стенок потока скорость движения жидкости равна нулю. Иллюстрацией этого является рисунок, так называемой, струйной модели потока. На рисунке применены следующие обозначения:
- скорость слоя жидкости,
- расстояние между соседними слоями жидкости.
Медленно движущийся слой жидкости "тормозит" соседний слой жидкости, движущийся быстрее, и наоборот, слой, движущийся с большей скоростью, увлекает (тянет) за собой слой, движущийся с меньшей скоростью. Силы внутреннего трения появляются вследствие наличия межмолекулярных связей между движущимися слоями.
Закон жидкостного трения - закон Ньютона
Если в равномерно движущемся потоке жидкости рассмотреть два соседних слоя с ординатами y1 и y2, расположенных на расстоянии dy друг от друга, и скорость первого из них обозначить u1, а скорость другого u2 , то разница между ними составит du. Тогда можно записать
Эта величина называется градиентом скорости по сечению потока или поперечным градиентом скорости. Он показывает, как меняются скорости слоёв жидкости по сечению потока.
Если между соседними слоями жидкости выделить некоторую площадку S, то согласно гипотезе Ньютона
где T - силы вязкого трения;
S - площадь трения;
? - коэффициент вязкого трения.
Величина ? в этом выражении является динамическим коэффициентом вязкости, равным
или
;
где ? - касательное напряжение в жидкости (зависит от рода жидкости).
Физический смысл коэффициента вязкого трения - число, равное силе трения, развивающейся на единичной поверхности при единичном градиенте скорости.
Единицы измерения: [Н·с/м2], [кГс·с/м2], [Пз]{Пуазейль}, 1Пз=0,1Н·с/м2.
На практике чаще используется кинематический коэффициент вязкости, названный так потому, что в его размерности отсутствует обозначение силы. Этот коэффициент представляет собой отношение динамического коэффициента вязкости жидкости к её плотности
.
Единицы измерения: [м2/c], [cм2/c], [Ст] {стокс}, [сСт] {сантистокс}, 1Ст=100сСт {1Ст=1 cм2/c}.
Анализ свойства вязкости
Для капельных жидкостей вязкость зависит от температуры t и давления Р, однако последняя зависимость проявляется только при больших изменениях давления, порядка нескольких десятков МПа.
Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры выражается формулой вида:
где ?t - коэффициент динамической вязкости при заданной температуре,
?0 - коэффициент динамической вязкости при известной температуре (для минеральных масел при 50 0C),
T - заданная температура,
T0 -температура, при которой измерено значение ?0 (50 0C для минеральных масел),
kt - коэффициент, для минеральных масел равный 0,02-0,03,
e - основание натурального логарифма равное 2,718282.
Зависимость относительного коэффициента динамической вязкости от давления описывается формулой
где ?P - коэффициент динамической вязкости при заданном давлении,
?0 - коэффициент динамической вязкости при известном давлении (чаще всего при нормальных условиях),
P - заданное давление,
P0 -давление, при которой измерено значение ?0,
kP - коэффициент, для минеральных масел равный 0,002-0,003.
Влияние давления на вязкость жидкости проявляется только при высоких давлениях.
Для примера приведём значения кинематического коэффициента вязкости n для некоторых жидкостей: масла индустриальные (по ГОСТ 20799-75) при температурах 50 0C: И-5А - 4-5 сСт, И-12А - 10-14 сСт, И-40А - 35-45 сСт; вода пресная при 20 0C - 0,0101Ст; ртуть при 150C 0,0011- Ст, сталь жидкая при 1550 0C - 0,0037 Ст.
Вязкость жидкости - это свойство, проявляющееся только при движении жидкости, и не влияющее на покоящиеся жидкости. Вязкое трение в жидкостях подчиняется закону трения, принципиально отличному от закона трения твёрдых тел, т.к. зависит от площади трения и скорости движения жидкости.
Жидкости, которые подчиняются описанному закону жидкостного трения Ньютона, называются ньютоновскими жидкостями. Однако есть жидкости, трение в которых описывается другими закономерностями.
Неньютоновские жидкости
Особенностью ньютоновских жидкостей является полное отсутствие трения покоя. Однако существуют жидкости (растворы полимеров, коллоидные суспензии, строительные растворы, пищевые и кормовые смеси и т. п.), для которых связь между касательным напряжением t и поперечным градиентом скорости не подчиняется закону Ньютона. Такие жидкости называются неньютоновскими или аномальными, и отличаются от ньютоновских наличием касательного напряжения в состоянии покоя t0.
Например, касательные напряжения подчиняются закону
Такие жидкости называются вязкопластичными, и движение их слоёв начинается лишь после того, как будет преодолено напряжение сдвига покоя t0.
Для других неньютоновских жидкостей динамическая вязкость может зависеть от градиента скорости, времени и т. д. Эта зависимость может иметь, например, следующий вид
где k - коэффициент, который может зависеть от скорости, времени, температуры, давления и некоторых других факторов.
Определение вязкости жидкости
Вязкость жидкости определяется экспериментально с помощью приборов, которые называются вискозиметрами. Примером такого прибора может служить вискозиметр Стокса. Его работа основана на следующем. В прозрачную трубку с жидкостью помещается шарик, плотность которого выше плотности жидкости. Шарик медленно опускается в вязкой жидкости с постоянной скоростью V. На шарик будут действовать: во-первых, сила тяжести
во-вторых, выталкивающая (архимедова) сила
в-третьих, сила Стокса, порождаемая вязким трением на поверхности шарика
В приведённых выражениях применены следующие обозначения:
- плотность материала шарика,
- плотность жидкости,
W - объём шарика,
V - скорость опускания шарика,
- ускорение свободного падения,
- динамический коэффициент вязкости,
d - диаметр шарика.
Так как скорость тела постоянна, по второму закону Ньютона можно записать
.
Объём шарика W
Подставляя полученные выражения в уравнение сил, действующих на шарик, получим:
Выразив из последней формулы , будем иметь выражение для определения динамического коэффициента вязкости:
Если измерить время опускания шарика на определённую, заранее измеренную глубину, то нетрудно определить вязкость любой жидкости.
Лекция 3. Эксплуатационные свойства жидкостей
Кроме рассмотренных физических свойств жидкостей при их использовании в технологических машинах нужно учитывать и другие характеристики. Они не влияют на математическое описание гидравлических явлений, но оказываются существенными при эксплуатации гидросистем. Требования к таким свойствам определяются, прежде всего, целью, с которой жидкость применяется в технологической машине. В гидроприводе жидкость выполняет несколько различных функций. Во-первых, это функция рабочего тела, обеспечивающего перенос энергии в гидросистеме, поэтому её называют рабочей жидкостью, в гидроприводах тормозов - тормозными жидкостями. Во-вторых, рабочая жидкость является смазочным и охлаждающим веществом. В системах смазки их называют маслами, в системах охлаждения - охлаждающими или смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ). В этом случае они обеспечивают уменьшение сил трения в парах трения. В-третьих, жидкость является средой, удаляющей из гидросистемы продукты износа. В-четвёртых, смазочно-охлаждающие жидкости обеспечивают защиту деталей от коррозии. Комплекс физико-химических свойств рабочих жидкостей должен наилучшим образом обеспечивать их основную и дополнительные функции. Рабочие жидкости гидросистем должны обладать следующими дополнительными свойствами.
Антифрикционные (смазывающие) свойства заключаются в способности жидкости уменьшать силы трения между движущимися деталями. Данное свойство обеспечивается посредством добавления различных модификаторов и присадок.
Стабильность вязкости состоит в минимальной зависимости вязкости от температуры в требуемом температурном диапазоне. Вязкость жидкости должна быть оптимальна, т.е. должна обеспечивать хорошие смазывающие свойства при минимальных утечках через неплотности и зазоры в гидросистеме. Это свойство существенным образом зависит от относительных скоростей движения подвижных частей.
Температура кипения должна быть высокой, что обеспечивает работоспособность и стойкость жидкости в большом температурном диапазоне.
Устойчивость к механической и химической деструкции и к окислению должна быть высокой в условиях применяемого температурного режима, а также в течение максимально длительного срока службы.
Модуль объемной упругости должен максимально высоким.
Коэффициенты теплопроводности и удельной теплоемкости должны быть высокими, что обеспечивает интенсивный отвод тепла из гидросистемы и повышает точность её работы.
Коэффициент теплового расширения должен быть небольшим, т.к. это также приводит к увеличению точности работы гидросистемы.
Экологическая безопасность жидкости и продуктов её разложения заключается в недорогой возможности переработки, повторного использования или утилизации после окончания срока эксплуатации.
Температурой застывания называют такую наиболее высокую температуру, при которой поверхность уровня масла, залитого в стандартную пробирку, не перемещается при наклоне пробирки на 45? в течение 5 мин. Эта температура характеризует жидкость с точки зрения сохранения текучести, а следовательно, возможности транспортировки и слива в холодное время года.
Температура застывания масла должна быть не менее чем на 10 ? 17?С ниже наименьшей температуры окружающей среды, в условиях которой будет работать гидросистема.
Температурой замерзания называют температуру начала кристаллизации, т.е. температуру, при которой в жидкости образуется облачко из мельчайших кристаллов. При этом не должно быть расслаивания жидкости и выделения из нее составных компонентов.
Жидкость не должна содержать легкоиспаряющиеся компоненты, испарение которых может привести при продолжительной эксплуатации к загустению жидкости.
Огнестойкость жидкостей выражается в том, что жидкость не должна быть причиной возникновения или распространения пожара.
С точки зрения огнестойкости жидкости характеризуются температурами вспышки, воспламенения и самовоспламенения. Под температурой вспышки понимается минимальная температура, при которой над поверхностью жидкости образуется количество пара, достаточное для возникновения кратковременной вспышки. Температурой воспламенения называется такая температура, при которой количество выделяющегося пара таково, что горение продолжается после удаления источника огня. Температурой самовозгорания называется такая температура, при которой жидкость или ее пар вспыхивает при контакте с воздухом без внешнего источника воспламенения.
Температура воспламенения масел на нефтяной основе находится в пределах 180?230? С, а температура самовозгорания от 260?370? С и выше.
Негорючесть во многих случаях является решающим свойством при выборе типа рабочей жидкости. В гидросистемах, расположенных близко к источникам тепла или огня необходимы негорючие жидкости.
Более высокой пожарной безопасностью, по сравнению с минеральными, обладают синтетические жидкости. Они практически не горят при возможных высоких температурах и не распространяют огня. При работе с минеральными маслами при температуре выше 70?С необходимо устранять контакт с воздухом. Для этого баки при 70?С и выше необходимо заполнять инертным газом (азотом, аргоном или гелием). Этого же эффекта можно достичь механическим разделением газовой и жидкостной сред.
Диэлектрические свойства. Встречаются случаи, когда важными являются изолирующие и диэлектрические свойства жидкости.
Большинство жидкостей для гидросистем - хорошие изоляторы. Такое свойство позволяет помещать в них электрические агрегаты и их элементы (соленоиды, обмотки электродвигателей и пр.) без дополнительной изоляции. Однако в этом случае в жидкостях не должно быть металлических присадок и металлических продуктов износа. Они также не должны содержать воду.
Воздействие жидкости на резиновые детали. Важным свойством рабочих жидкостей для гидросистем является воздействие их на материалы конструктивных элементов, и, в частности, на резиновые детали гидроагрегатов, которые используются в качестве уплотнений. Изменение их свойств, происходящее под воздействием жидкости, сопровождается нарушением герметичности и другими ошибками в работе гидросистем.
Ни одна рабочая жидкость не обладает абсолютной инертностью. Поэтому важно, чтобы она не критично ухудшала основные качества материала уплотнительных устройств. В результате длительного контакта рабочей жидкости с резиновыми деталями могут изменяться их объем, вес, прочность и другие механические свойства деталей. Особо следует отметить влияние на резину синтетических жидкостей, одни из которых вызывают либо чрезмерное набухание уплотнительного материала, либо, наоборот, значительную его усадку.
Цена рабочей жидкости должна быть по возможности невысокой.
Перечисленные свойства гидравлических рабочих жидкостей, к сожалению, не носят постоянный характер. В процессе работы гидросистем происходит изменение их характеристик.
Изменение характеристик рабочих жидкостей
Наиболее существенным фактором, влияющим на свойства рабочих жидкостей, является количество и состав частиц загрязняющих эту жидкость.
Загрязнение рабочих жидкостей гидросистемы может происходить
* во время поставки жидкостей, хранения и заправки их в гидросистему,
* в процессе изготовления, сборки и испытания элементов гидросистемы,
* в процессе эксплуатации,
* за счёт распада самой жидкости под действием различных факторов.
Загрязнение во время поставки, хранения и заправки
Различные присадки и добавки, предназначенных для улучшения эксплуатационных свойств жидкости в процессе транспортировки и хранения могут выделяться из жидкости, превращаясь в загрязняющие вещества. При длительном хранении в условиях положительных температур в маслах могут развиваться колонии микроорганизмов, водорослей и грибков. Размер отдельных грибков и бактерий, а также их спор составляет, как правило, 1 - 2 мкм, однако может достигать и 10 мкм. В основном их наблюдают на границе масло - вода. Непрерывно идёт процесс окисления масла. Активность этого процесса повышается с увеличением температуры и при наличии в масле эмульгированного воздуха. Катализатором окисления являются частицы износа из чёрных и цветных металлов. При окислении в масле образуются растворимые и нерастворимые продукты, которые способствуют его сгущению и могут, в конечном счёте, выпадать в виде осадка на детали гидроаппаратов и гидромашин. Мельчайшие нерастворимые продукты окисления коагулируют и укрупняются. Замечены случаи "самопроизвольного" увеличения размеров частиц загрязнений в герметически закрытых сосудах. Например, если при заправке в жидкости были зафиксированы частицы не более 10 мкм, то со временем обнаруживались частицы размером 25 - 200 мкм в виде рыхлых образований. Быстрый рост размера частиц происходит в жидкости, подвергающейся тряске при транспортировке. Жидкость может загрязняться частицами пыли из воздуха. Пыль поступает в баки через систему наддува и дренажа, через заливные горловины при "открытой" заправке баков. Пыль всегда присутствует в атмосфере. В одном литре воздуха число пылинок может изменяться от 10 до 200000. Предельная крупность частиц пыли в воздухе составляет 50 мкм, основную массу пыли составляют пылинки размером менее 10 мкм. В их составе:
* до 80% - кварц твёрдостью 7 единиц по десятибалльной шкале (Мооса),
* до 17% - окись алюминия с твёрдостью 9 единиц,
* полевой шпат с твёрдостью 6 - 6,5 единиц,
* другие компоненты.
Для сравнения: твёрдость алмаза по десятичной шкале - 10, железа - 4,4, меди - 3,0, алюминия - 2,9.
Таким образом, большая доля частиц пыли соизмерима с зазорами в подвижных узлах гидроагрегатов, а твёрдость некоторых компонентов загрязнений значительно превосходит твёрдость материалов сопрягаемых деталей.
Загрязнение в процессе изготовления, сборки и испытания
Большое количество частиц загрязнения остаётся в гидросистеме и её элементах после изготовления и ремонта. Это песок, попадающий при литье; пыль, осевшая на стенках; окалина от сварки, ковки или термической обработки; остатки механической обработки деталей; заусенцы от трубопроводов; волокна ветоши, остающиеся после протирки. Притирочные пасты, применяемые при доводке гидроагрегатов, образуют смешанные с парафином, стеарином, воском и др. абразивные зёрна (карбиды бора и кремния, белый электрокорунд, алмазная пыль), твёрдость которых превышает твёрдость большинства конструкционных материалов. Паста при обработке деталей обычно накапливается в глухих ответвлениях системы и при её работе постепенно вымывается, циркулируя вместе с рабочей жидкостью.
Загрязнение в процессе эксплуатации
Наибольшее количество частиц загрязнения попадает в рабочие жидкости в процессе эксплуатации гидросистемы. За счёт износа её элементов рабочие жидкости загрязняются непрерывно самыми различными видами загрязнителей - ржавчиной, резиной, металлом, абразивными частицами, волокнистыми частицами, краской, пылью. Особенно интенсивный износ наблюдается в парах трения, дроссельных элементах, рабочих камерах гидромашин, распределительных устройствах плунжерных насосов и т.д. Продукты износа трущихся деталей поступают в жидкость непрерывно. При микроанализе проб жидкости было установлено, что размер металлических продуктов износа, генерируемых в рабочую жидкость, составляет от 1 до 10 мкм.
Совместное воздействие влаги, кислорода воздуха и рабочей жидкости может вызвать на поверхности деталей, трубопроводов, баков образование ржавчины и шелушение покрытий. Частицы ржавчины выпадают в виде осадка частиц микронных размеров. Этому способствует вибрация конструкции и пульсации давления.
Кроме того, загрязнения в жидкость попадают при обслуживании системы, при небрежном монтаже агрегатов, шлангов и трубопроводов, через незаглушенные соединительные узлы, из-за загрязнённости инструментов, заправочных средств, одежды обслуживающего персонала.
Источником загрязнения топлив и масел в некоторых случаях могут служить также сами фильтры, предназначенные для очистки жидкости. В процессе работы фильтрующие элементы частично разрушаются и их компоненты вымываются потоком жидкости. Такого типа загрязнения наблюдаются у всех фильтров с волокнистыми наполнителями, изготовленными, например, из бумаги, шерсти, войлока, целлюлозы, стекловолокна и т.п. Кроме того, при использовании волокнистых наполнителей, которые могут изменять пористость при увеличении перепада давлений во время гидроударов и пульсаций давления, задержанные фильтром частицы загрязнения медленно проходят через фильтроэлемент и вновь попадают в рабочую жидкость.
Распад жидкости под действием различных факторов
Рабочая жидкость в процессе хранения, транспортировки, заправки и эксплуатации подвергается воздействию различных видов энергии, вступает в контакт с различными видами материалов (металлами, полимерами, кислотами, водой и т.д.), многие из которых являются катализаторами химических процессов. Постоянно воздействующим фактором является тепловая энергия, иногда радиационная и электрическая. Эти виды энергии определяют интенсивность статических процессов старения. Старением называют изменение свойств вещества во времени. В динамических условиях, в дополнение к этим видам энергии, на масло действуют механическая энергия при сжатии и разрежении, волновая механическая энергия при вибрациях, звуковых и ультразвуковых колебаниях. В результате этих воздействий в рабочей жидкости происходит комплекс физико-химических изменений, которые можно разделить на три группы.
1. Изменения физического характера: испарение компонентов масла, проникновение в жидкость продуктов изнашивания, растворение газов, воды и компонентов эластомеров, изменение количественного состава присадок за счёт образования сорбционных плёнок на поверхностях контактирующих деталей.
2. Изменения химического характера: окисление углеводородов базового масла и присадок вследствие присутствия в масле воды и водных растворов, реакции присадок масла с материалами гидросистемы и другие химические процессы
3. Изменения механохимического характера: участие масла в процессах трения, перемешивания, а также стимулирующее влияние механических воздействий на химические реакции.
Последствия загрязнения рабочей жидкости
Надежность работы гидропривода находится в непосредственной зависимости от чистоты рабочей жидкости. В большинстве случаев наблюдаются следующие нарушения работы и повреждения, вызванные загрязнением:
* затруднённость движения или полная остановка,
* ошибки позиционирования привода,
* отклонения от заданной скорости движения гидродвигателя,
* скачкообразность движения привода при плавном изменении управляющего сигнала,
* уменьшение жёсткости системы из-за увеличения утечек в гидроагрегатах,
* порча поверхности штоков и валов гидродвигателей,
* порча поверхности сёдел клапанов.
Эти повреждения значительно ухудшают качество выполняемых оборудованием технологических операций и ведут к производству бракованных изделий.
Кроме этого, наличие загрязнения в жидкости необходимо учитывать при разработке элементов гидросистем. Например: силы, требуемые для перемещения плунжеров распределителей, измеряемые десятыми долями Ньютона, могут при наличии загрязнения возрасти в сотни раз, вызвав нарушение нормальной работы гидросистемы и даже выход из строя отдельных её участков. Чтобы гарантировать надёжную работу, для преодоления сил трения плунжеров применяют электромагниты с большим тяговым усилием, достигающим 150 Н. Такие устройства имеют большие размеры и массу, и малый срок службы, так как большие инерционные силы, развиваемые якорем при его втягивании, быстро разбивают электромагнит, что ведёт к увеличению затрат на обслуживание системы. В то же время, большие пусковые токи требуют мощных контактных устройств в системах электропитания.
Загрязнения в жидкости существенно влияют также на срок службы гидроаппаратов и гидромашин. Жидкость со взвешенными твёрдыми частицами при течении с большой скоростью, достигающей в некоторых участках систем 300 м/с, притупляет, подобно абразивной эмульсии, кромки распределительных отверстий. От этого с течением времени увеличиваются зазоры, уменьшаются перекрытия, изменяются коэффициенты расхода и сопротивления сопел и точных (калиброванных) отверстий.
Из вышеизложенного следует, что необходимо постоянно контролировать степень чистоты рабочей жидкости во время заправки и работы оборудования, т.к. это может способствовать своевременному предупреждению отказов в работе гидросистем. Для каждой гидросистемы в зависимости от её назначения и выполняемых функций, планируемой надёжности и срока службы аппаратуры должна быть назначена определённая степень чистоты рабочей жидкости.
Определение класса чистоты рабочей жидкости.
В большинстве случаев для оценки степени чистоты жидкости используются следующие показатели:
> масса частиц загрязнения в единице объема жидкости,
> объем механических включений в единице объема жидкости,
> количество частиц разных размеров в единице объема жидкости.
Степень чистоты рабочей жидкости определяется на основе нескольких стандартов: ГОСТ 6370 - 59, 10227 - 62, 10577 - 63 и других. Приведем пример некоторых из них. По ГОСТ 6370 - 59 жидкость считается чистой, если содержание загрязняющих частиц в ней не превышает 0,005 %, что составляет 50 мг/л. Общей массой частиц загрязнения нельзя до конца охарактеризовать степень загрязненности, так как при одинаковой массе количество частиц может сильно изменяться.
В ГОСТ 17216 - 2001 загрязненность определяется иначе. Этот стандарт устанавливает 19 классов чистоты рабочей жидкости (см. приложение), каждому из которых соответствует определенное число частиц различного размера, содержащихся в 0,1 л жидкости.
Международная ассоциация транспортной авиации рекомендует использовать в качестве рабочей среды жидкость с частицами загрязнения не больше 5 мкм и с ограниченным числом меньших размеров.
По проекту международной организации ИСО/ТК 131 классы чистоты жидкости устанавливаются по размерам частиц более 15 мкм.
Существуют и другие методы определения загрязненности рабочей среды.
Во всех случаях контроля чистоты жидкость должна быть перемешана, либо проба должна сниматься не позже одной минуты после остановки гидросистемы. Приспособление для извлечения пробы должно исключать проникновение в пробу частиц загрязнения извне как во время взятия, так и во время транспортирования, что обеспечивает проведение максимально точного анализа. Кроме перечисленных существует ещё целый ряд требований к проведению подобных анализов.
Метод анализа степени чистоты рабочей жидкости ориентирован на ГОСТ 17216-2001, который учитывает количество и размер частиц загрязнения в 100 см3 жидкости и классифицирует жидкость по 19 классам чистоты. Обычно такой анализ проводится следующим образом. С помощью специального заборного устройства, по внешнему виду и принципу действия напоминающему шприц, набирается проба жидкости в объёме 100 см3. Далее эта жидкость пропускается через фильтроэлемент, на котором остаются частицы загрязнения. После этого с помощью микроскопа проводится подсчёт частиц, осевших на фильтре с учетом их размеров. Такой метод - очень длительный и трудоёмкий процесс. При его использовании субъективная погрешность оператора может достигать 100%, а время, затрачиваемое на анализ одной пробы (одного фильтроэлемента), - нескольких часов.
Применяемые жидкости
В гидросистемах машин технологического назначения чаще всего применяют специальные жидкости минерального происхождения с диапазоном вязкости при 500 С примерно10-175 cСт. Минеральные масла, применяемые в качестве рабочих жидкостей гидросистем, отличаются от минеральных смазочных (машинных) масел тем, что они содержат присадки, придающие им специфические свойства, отсутствующие у смазочных масел. Так, например, для получения минимальной зависимости вязкости от температуры применяют вязкостные присадки.
Лекция 4. Гидростатика
Гидростатика - раздел гидромеханики, изучающий законы равновесия неподвижной жидкости, находящейся под действием внешних сил.
Вследствие действия этих сил внутри жидкости возникают напряжения сжатия, которые в гидравлике называются давлением и обозначаются буквой P. В гидростатике силы, действующие на жидкость, принимаются не зависящими от времени. С учётом этого положения можно считать, что напряжения, возникающие в жидкости под действием внешних сил, зависят только от координат точки в жидкости. Таким образом, основными задачами гидростатики являются определение давления в жидкости как функции координат
а также определение сил, действующих со стороны жидкости на твёрдые стенки.
Силы, действующие в жидкости
Массовые силы
Массовые силы это силы, пропорциональные массе жидкости. В случае однородной жидкости эти силы пропорциональны объёму. Прежде всего, к ним относится вес жидкости
,
где G - вес жидкости,
W - объём жидкости,
m - масса жидкости,
g - ускорение свободного падения,
? - плотность жидкости,
? - удельный вес жидкости.
Как известно, масса является мерой инертности тела. Это свойство присуще и жидкостям, поэтому к массовым силам относятся и силы инерции:
где Fин - инерционная сила,
V - скорость жидкости,
t - время движения,
a - ускорение движения.
Силы инерции, действующие в жидкости, так же как и для твёрдого тела, могут проецироваться на оси.
,
,
где - проекции сил инерции на соответствующие оси.
Поверхностные силы
Поверхностные силы - силы, величины которых пропорциональны площади. К ним относят два вида сил. Силы поверхностного натяжения и силы вязкого трения. Последние проявляются только при движении жидкости и не играют никакой роли, когда жидкость находится в покое. Эти силы, как свойство вязкости, были рассмотрены при изучении свойств жидкостей.
Силы поверхностного натяжения
Молекулы жидкости притягиваются друг к другу с определённой силой. Причём внутри жидкости силы, действующие на любую молекулу, уравновешиваются, т.к. со всех сторон от неё находятся одинаковые молекулы, расположенные на одинаковом расстоянии. Однако молекулы жидкости, находящиеся на границе (с газом, твердым телом или на границе двух несмешивающихся жидкостей) оказываются в неуравновешенном состоянии т.к. со стороны другого вещества действует притяжение других молекул, расположенных на других расстояниях. Возникает преобладание какой-то силы. Под влиянием этого воздействия поверхность жидкости стремится принять форму, соответствующую наименьшей площади. Если силы внутри жидкости больше наружных сил, то поверхность жидкости стремится к сферической форме. Например, малые массы жидкости в воздухе стремятся к шарообразной форме, образуя капли. Может иметь место и обратное явление, которое наблюдается как явление капиллярности. В трубах малого диаметра (капиллярах) наблюдается искривление свободной поверхности, граничащей с газом или с парами этой же жидкости. Если поверхность трубки смачивается, свободная поверхность жидкости в капилляре вогнутая. Если нет смачивания, свободная поверхность выпуклая, как при каплеобразовании. Во всех этих случаях силы поверхностного натяжения обусловливают дополнительные напряжения pпов в жидкости. Величина этих напряжений определяется формулой
.
где ? - коэффициент поверхностного натяжения,
r - радиус сферической поверхности, которую принимает жидкость.
Эти дополнительные напряжения легко наблюдать, если в сосуд с жидкостью погрузить капилляр. В этом опыте возможны два варианта. В первом случае жидкость, за счёт поверхностных сил, поднимется по капилляру на некоторую высоту. Тогда говорят о капиллярном поднятии, и наблюдается явление смачивания.
Во втором варианте жидкость опускается в капилляре ниже уровня жидкости в сосуде. Такое явление называют капиллярным опусканием, которое происходит при несмачивании.
В обоих случаях величина пропорциональна дополнительному напряжению, вызванному в жидкости поверхностными силами. Она равна
;
где ? - коэффициент поверхностного натяжения,
d - диаметр капилляра,
k - коэффициент пропорциональности, который выражается следующей формулой
,
и зависит от жидкости. Например, при t = 20 ?C, k спирта составляет 11,5, ртути -10,15 а воды - 30.
Поднятие воды в капиллярах почвы и грунтов является важным фактором в распространении воды. Высота капиллярного поднятия в грунтах изменяется от нуля (галечники) почти до 5 м (глины). При этом с увеличением минерализации воды высота капиллярного поднятия увеличивается.
Поверхностное натяжение и капиллярные эффекты определяют закономерности движения жидкости в условиях невесомости.
К поверхностным силам относятся и силы давления, т.к. они действуют на поверхности жидкости.
Силы давления
Давление - напряжение, возникающее в жидкости под действием сжимающих сил.
В общем случае поверхностная сила , действующая на площадке под некоторым углом к ней, может быть разложена на нормальную и тангенциальную составляющие. Первая, направленная внутрь объема, называется силой давления, вторая - силой трения. Нормальная составляющая вызывает в жидкости нормальные напряжения или гидромеханическое давление, которое в покоящейся жидкости называется гидростатическим. Если сила равномерно распределена по площадке , то
,
или переходя, к пределу
.
В любом случае причиной возникновения давления является внешняя сила, приложенная к жидкости. Часто в гидроприводе такой силой является нагрузка F, приложенная к исполнительному органу. Эта нагрузка воздействует на жидкость через какую-то жёсткую поверхность и, следовательно, распределена равномерно, например площадь поршня гидроцилиндра S. В таком случае давление P определяется по формуле
.
Если давление отсчитывается от нуля, оно называется абсолютным и обозначается , если от атмосферного, - избыточным и обозначается . Атмосферное давление обозначается .
Кроме того, различают давление гидродинамическое и гидростатическое. Гидродинамическое давление возникает в движущейся жидкости. Гидростатическое давление - давление в покоящейся жидкости.
Свойства гидростатического давления
Первое свойство формулируется следующим образом: на внешней поверхности жидкости гидростатическое давление всегда направлено по нормали внутрь рассматриваемого объёма.
В приведённой формулировке "внешняя поверхность" это любая поверхность, которую можно выделить внутри жидкости (даже мысленно), или поверхность раздела сред.
Доказывается первое свойство путём рассуждений методом "от противного".
Рассмотрим покоящуюся жидкость. Известно, что жидкость плохо сопротивляется касательным усилиям. Если бы сила, от давления R действовала бы не по нормали к площадке, то её можно было бы представить в виде двух составляющих - нормальной Fn и касательной F?. Тогда касательная составляющая смещала бы слои жидкости друг относительно друга. Это означало бы, что жидкость не находилась бы в покое. Это противоречит начальному утверждению.
Из первого свойства следует, что напряжение сжатия - единственный вид напряжений в покоящейся жидкости
Второе свойство состоит в том, что в любой точке внутри жидкости давление по всем направлениям одинаково. Иначе это свойство давления звучит так: на любую площадку внутри объёма жидкости, независимо от её угла наклона, действует одинаковое давление.
Докажем второе свойство. Для этого рассмотрим произвольный объём в неподвижной жидкости в виде прямоугольного тетраэдра с размерами . Будем рассматривать этот объём в некоторой произвольной системе координат X,Y,Z.
На рисунке приведены следующие буквенные обозначения:
- гидростатическое давление, действующее на грань, перпендикулярную соответствующей оси,
- гидростатическое давление, действующее на наклонную грань dS,
F- инерционные силы (или силы веса).
Тетраэдр dx, dy, dz по определению находится в покое, следовательно, сумма сил, действующих на него равна 0, т.е.
Подробно рассмотрим эти силы. Прежде всего, на выделенный тетраэдр действуют силы давления. В проекциях на оси системы координат по направлению каждой из осей действует сила от давления на грань, перпендикулярную этой оси. Этой силе противодействует проекция на соответствующую ось силы давления на наклонную (большую) грань тетраэдра. Получаются три пары сил, соответственно осям:
Вместе с силами давления, в общем случае, на тетраэдр действуют инерционные силы (или в простейшем случае сила веса), которые равны произведению массы на проекцию ускорения на соответствующую ось. Массу определим как произведение плотности жидкости и объёма тетраэдра. Объём для прямоугольного тетраэдра равен . В этом случае инерционные силы примут вид:
.
Сложив обе полученные системы уравнений, и, приравняв их 0 по причине равновесия тетраэдра, получим общую систему уравнений сил, действующих в покоящейся жидкости:
Если учесть, что площадь каждой грани тетраэдра, параллельной плоскостям координат, равна площади проекции наклонной грани на соответствующую координатную плоскость, получим следующее равенство:
.
Разделив уравнения сил на соответствующие одинаковые площади, получим:
.
Устремив размеры тетраэдра к 0, т.е. и последняя система уравнений примет вид:
.
Приравняв все три уравнения, получим следующее равенство:
.
В результате можно сделать следующий вывод: давление не зависит от направления, или другими словами: давление - величина скалярная.
Однако возникает вопрос, каким образом получается, что давление и площадь величины скалярные, а их произведение сила - величина векторная.
.
Ответ на этот вопрос заключается в следующем. Направление вектора силы задаёт площадка, на которую действует давление. Это направление всегда перпендикулярно площадке действия и направлено внутрь рассматриваемого объёма.
Основное уравнение гидростатики
Определим теперь величину давления внутри покоящейся жидкости. С этой целью рассмотрим произвольную точку А, находящуюся на глубине ha. Вблизи этой точки выделим элементарную площадку dS. Если жидкость покоится, то и т. А находится в равновесии, что означает уравновешенность сил, действующих на площадку.
A - произвольная точка в жидкости,
ha - глубина т. А,
P0 - давление внешней среды,
? - плотность жидкости,
Pa - давление в т. А,
dS - элементарная площадка.
Сверху на площадку действует внешнее давление P0 (в случае, если свободная поверхность граничит с атмосферой, то ) и вес столба жидкости. Снизу - давление в т. А. Уравнение сил, действующих на площадку, в этих условиях примет вид:
.
Разделив это выражение на dS и учтя, что т. А выбрана произвольно, получим выражение для P в любой точке покоящейся жидкости:
;
где h - глубина жидкости, на которой определяется давление P.
Полученное выражение носит название основного уравнения гидростатики.
Следствия основного уравнения гидростатики
Во-первых, из основного уравнения гидростатики следует, что для любой точки жидкости в состав величины давления входит P0 - давление, которое приложено к граничной поверхности жидкости извне. Эта составляющая одинакова для любой точки жидкости. Поэтому из основного уравнения гидростатики следует закон Паскаля, который гласит: давление, приложенное к граничной поверхности покоящейся жидкости, передаётся всем точкам этой жидкости по всем направлениям одинаково. Следует подчеркнуть, что давление во всех точках не одинаково. Одинакова лишь та часть (составляющая), которая приложена к граничной поверхности жидкости. Закон Паскаля - основной закон, на основе которого работает объёмный гидропривод, применяемый в абсолютном большинстве гидросистем технологических машин.
Вторым следствием является тот факт, что на равной глубине в покоящейся жидкости давление одинаково. В результате можно говорить о поверхностях равного давления. Для жидкости, находящейся в абсолютном покое или равномерно движущейся, эти поверхности - горизонтальные плоскости. В других случаях относительного покоя, которые будут рассмотрены ниже, поверхности равного давления могут иметь другую форму или не быть горизонтальными. Существование поверхностей равного давления позволяет измерять давление в любой точке жидкости.
Приборы для измерения давления
Существует два основных типа приборов для измерения давления в жидкости.
К приборам первого типа можно отнести пьезометры. Они представляют собой вертикальную трубку, обычно прозрачную. Если, например, нужно измерить давление в точке a, то достаточно подсоединить эту трубку к стенке сосуда так чтобы её конец находился на поверхности равного давления, проходящей через эту точку. В пьезометре установится уровень жидкости, пропорциональный давлению в т. a. Абсолютное давление в этой точке будет
.
С другой стороны, это же давление можно представить как
.
Отсюда
.
Величина называется пьезометрической высотой. По её величине судят о величине давления.
Если абсолютное давление меньше атмосферного , то в жидкости имеет место разрежение, или вакуум. Такое давление называют вакуумметрическим давлением , а высоту в пьезометре называют вакуумметрической высотой . Эти величины соответственно равны:
и .
Ко второму типу приборов относятся манометры, которые имеют большое разнообразие по типам размерам и характеристикам. Однако принципиально все эти приборы состоят из чувствительного элемента, который меняет свою форму под воздействием давления, и, связанного с этим элементом, передаточного механизма и регистрирующего прибора (индикатора).
Подсоединять манометры для измерения давления в определённой точке надо также как пьезометры, на уровне поверхности равного с выбранной точкой, давления. Например, под действием давления гибкий чувствительный элемент - мембрана изгибается. Размер этого отклонения пропорционален величине измеряемого давления. Вместе с мембраной отклоняется жёстко соединённая с ней стрелка, которая перемещается вдоль шкалы. Такой прибор отличается небольшим отклонением регистрирующего элемента - стрелки, следовательно, точность измерения большой быть не может.
Для увеличения чувствительности прибора мембрану можно соединить с зубчатой рейкой, находящейся в зацеплении с шестерней. Если с последней жёстко соединить стрелку, то при изменении давления она будет поворачиваться по отношению к круговой шкале. В этом случае изгиб мембраны даст большее, чем в первом случае, линейное отклонение конца стрелки. Это увеличит точность показаний прибора.
Общим недостатком таких приборов является малое исходное отклонение чувствительного элемента - мембраны.
Для устранения этого недостатка используются более сложные чувствительные элементы. Чаще всего таким элементом является полая трубка, согнутая по окружности. Один конец трубки связан со штуцером для подключения к измеряемому давлению, другой с зубчатым сектором, который связан с шестерней и стрелкой, поворачивающейся вокруг шкалы. При повышении давления трубка разгибается, и это отклонение значительно больше, чем отклонение мембраны при таком же давлении.
Во всех случаях чувствительный элемент (мембрану или гибкую трубку) можно связать с индуктивным электрическим преобразователем, состоящим из сердечника и электрической катушки. Можно так же использовать пьезокристаллический преобразователь. В обоих случаях будет генерироваться электрический сигнал, пропорциональный величине давления. Этот сигнал после соответствующих электрических аналоговых или цифровых преобразователей можно передавать на большие расстояния и регистрировать стрелочными или цифровыми, например жидкокристаллическими индикаторами. Этот сигнал несложно также передавать для обработки компьютеру.
<< Пред. стр. 2 (из 8) След. >>
Список литературы по разделу