Физические и эксплуатационные свойства

Жидкости характеризуются физическими и эксплуатационными свойствами.

Важнейшими физическими свойствами жидкостей являются: плотность, вязкость, адгезия, сжимаемость, тепловое расширение, поверхностное натяжение, способность затвердевать и кипеть (испаряться).

Плотность

Под плотностью однородной жидкости понимают частное от деления её массы на занимаемый ею объем, т. е.

.(3.2.1).

Плотность выражается в кг/м3.

В литературе часто оперируют понятием удельного веса, т. е. частного от деления веса жидкости на занимаемый ею объем.

.(3.2.2).

Удельный вес выражается в Н/м³. Известно также соотношение:

.(3.2.3).

В международной системе (СИ) плотность воды при кг/м3, а ее удельный вес Н/м3. Плотность большинства минеральных масел, используемых в качестве РЖ составляет примерно от 800 до 930 кг/м3. .

Вязкость

Под вязкостью, понимают способность оказывать сопротивление сдвигу одного слоя относительно другого. У жидкостей вязкость обусловливается взаимным притяжением молекул, а у газов — обменом молекулами между слоями при их перескоках. При повышении температуры усиливается молекулярное движение, расстраивается связь между молекулами жидкости и вязкость уменьшается; обмен же молекулами газа между смежными слоями потока усиливается, ввиду чего вязкость газа с увеличением температуры увеличивается. При повышении давления молекулы жидкости сближаются, силы молекулярного притяжения увеличиваются, ввиду чего растет и вязкость жидкости. В практических расчетах увеличение вязкости минеральных масел обычно учитывают при давлениях от 16 МПа и выше.

Вязкость жидкости проявляется при движении. Если слои жидкости a и b движутся параллельно (без перемешивания), скорость слоя a равна u толщина этого слоя dy, а скорость слоя b равна u+du то сила трения между слоями жидкости (рисунок 3.2.1) согласно гипотезе Ньютона (высказана в конце XVII века), подтвержденной многочисленными и тщательно поставленными опытами профессора Н. П. Петрова (исследования проведены во второй половине XIX века).

(3.2.4).

где S — площадь поверхности соприкасающихся слоев;

— динамическая вязкость, зависящая от физической природы жидкости, ее температуры, и слабо зависящая от давления. Динамическая вязкость выражается в Пас.

В технических приложениях часто используется не динамическая, а кинематическая вязкость, представляющая собой отношение.

(3.2.5).

Кинематическая вязкость выражается в м²/с.

Величина характеризует изменение скорости в направлении нормали к ней. Иногда эту величину называют поперечным градиентом скорости.

Рисунок 3.2.1.

Единицей кинематической вязкости является 1 м²/c. Эта величина велика и неудобна для практических расчётов. Поэтому используют величину в 10⁴ меньше -1 см²/c = 1Cт (стокс), или одну сотую часть Ст — сСт (сантистокс), равную 1 мм²/c. В нормативно-технических документах обычно указывают кинематическую вязкость при 100С — (₁₀₀) или при 50 С — (₅₀). Для новых марок масел в соответствии с международными нормами указывается вязкость при 40С (точнее при 37.8С) — ₄₀. Указанная температура соответствует 100⁰ по Фаренгейту.

На практике используются и другие параметры, характеризующие вязкость жидкостей. Часто используют так называемую условную или относительную вязкость, определяемую по течению жидкости через малое отверстие вискозиметра (прибора для определения вязкости) и сравнению времени истечения с временем истечения воды. В зависимости от количества испытуемой жидкости, диаметра отверстия и других условий испытаний применяют различные показатели. Для измерения условий вязкости приняты градусы Энглера (Е), называемые также градусами условной вязкости (ВУ) которые представляют собой показания вискозиметра при 20, 50 и 100С и обозначаются соответственно E50 и E100. Значение вязкости в градусах Энглера есть отношение времени истечения через отверстие вискозиметра 200 см³ испытуемой жидкости к времени истечения такого же количества дистиллированной воды при t=20 С.

Вязкость рабочей жидкости оказывает непосредственное влияние на рабочие процессы и явления, происходящие как в отдельных элементах, так и в целом гидроприводе. Действие вязкости неоднозначно и требуются тщательные исследования для рекомендации оптимальной вязкости для конкретного гидропривода. Изменение вязкости является критерием достижения предельного состояния рабочей жидкости.

При чрезмерно высокой вязкости силы трения в жидкости настолько значительны, что могут привести к нарушению сплошности потока. При этом рабочие камеры насоса перестают заполняться жидкостью, возникает кавитация, снижается подача, ухудшаются показатели надежности.

Помимо этого, высокая вязкость рабочей жидкости позволяет снизить утечки через зазоры и щелевые уплотнения. При этом объёмный КПД увеличивается. Но высокая вязкость одновременно увеличивает трение в трущихся парах и снижает механический КПД. Одновременно снижается и гидравлический КПД, так как возрастают гидравлические потери.

Рекомендуется выбирать рабочую жидкость таким образом, чтобы кинематическая вязкость при длительной эксплуатации в гидроприводе с шестеренными насосами находилась в пределах 18−1500 cCm, в гидроприводе с пластинчатыми насосами 10 — 4000 cCm и в гидроприводе с аксиально-поршневыми насосами 6−2000 cCm.

Понятие о ньютоновских жидкостях. Жидкости, для которых справедлив закон внутреннего трения Ньютона (3.2.4), называют ньютоновскими. К ним относятся нефтяные и синтетические рабочие жидкости, применяемые в гидроприводах. Однако имеются жидкости (коллоидные суспензии, растворы полимеров и т. п.), для которых связь между касательным напряжением и градиентом скорости выражается другими соотношениями. Такие жидкости относятся к неньютоновским.

Для упрощения теоретических расчетов и исследований в гидравлике используется понятие идеальной жидкости. Идеальной называют воображаемую модель реальной жидкости, которая характеризуется отсутствием сил внутреннего трения и абсолютной несжимаемостью. Идеальная жидкость характеризуется только плотностью.

Формулы и уравнения, выведенные для идеальной жидкости, корректируют по результатам опытов для реальной жидкости.