Гідропривод ІІ частина

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ
ДОДАТКИ	СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ	УКЛАДАЧІ

1. РОБОЧІ РІДИНИ

1.1. Визначення робочої рідини. Вимоги до робочих рідин, їх функції, експлуатаційні показники та властивості

1.2. Класифікація та склад робочих рідин

1.3. Марки олив та їх використання

1.4. Основні фізичні параметри робочих рідин

1.1. Визначення робочої рідини. Вимоги до робочих рідин, їх функції, експлуатаційні показники та властивості

Робоча рідина – гідравлічна рідина, призначена для застосування в об'ємних гідроприводах. Робоча рідина гідроприводів використовується як робоче тіло для приведення в дію різних агрегатів і механізмів. Завдяки їй встановлюється зв'язок між насосом і гідродвигунами.

Вимоги до робочих рідин

Для гідравлічних приводів слід використовувати рухливі і практично нестисливі рідини, що здатні працювати в широкому діапазоні температур (від +90 до -40°С і нижче), за підвищеного тиску (до 100 МПа), в контакті з деталями з чорних і кольорових металів, гумовими та шкіряними ущільненнями, шлангами тощо. Тому рідини для гідросистем повинні мати високу температуру кипіння і низьку температуру замерзання, невелику в'язкість і належні в'язкісно-температурні та змащувальні властивості, які б забезпечували добре перетікання; не утворювати пробки за робочих температур і не змінюватися в об'ємі з її зміною; бути безпечними в роботі; мати достатню сировинну базу; бути дешевими. Рідини для гідравлічних систем повинні захищати деталі гідроприводів від корозії, мати сумісність з конструкційними матеріалами, високі антиокисні властивості, фізичну стабільність тощо.

Працездатність гідроприводу, його надійність і довговічність значною мірою залежать від типу робочої рідини, її властивостей і стану в процесі експлуатації.

Густиною (питомою масою) рідини ρ називають масу рідини в одинці її об'єму.

, (1.1)

де m – маса рідини, кг;

V – об'єм рідини, м³.

Одиниця вимірювання густини – кг/м³.

Питома вага γ – це вага рідини, що займає певний об'єм.

, (1.2)

де G – вага рідини, Н.

Одиниця вимірювання питомої ваги – Н/м³.

Пружність (стиснення) рідини характеризується коефіцієнтом об'ємного стискання (об'ємної деформації) β_V, який є відносним зменшенням об'єму за зміни тиску ρ на 0,1 МПа. Одиницею вимірювання β_V в системі СІ є квадратний метр на Ньютон (м²/Н = 1/Па).

(1.3)

де V – початковий об’єм рідини;

dV – зміна цього об’єму за збільшення тиску на величину dP.

Величина, зворотна , називається модулем об’ємної пружності рідини Е.

(1.4)

Одиниця вимірювання модуля об’ємної пружності – Н/м².

Пружність рідини залежить від температури і тиску, за яких працює техніка (t до 80°С, Р до 35 МПа), вона змінюється незначно. Тому в практичних розрахунках такими незначними змінами нехтують. Об'ємний модуль пружності для робочих рідин перебуває в межах 500–2500 МПа, для оливи АМГ-10 становить 1320 МПа, а для турбінної оливи – 1720 МПа.

Температурне розширення робочої рідини характеризується коефіцієнтом температурного розширення β_Т, який є відносною зміною об'єму рідини за зміни температури на 1°С.

Для робочих рідин гідроприводів β_Т приймають, як правило, незалежним від температури, а збільшення тиску до 60 МПа зумовлює збільшення β_Т на 10–20%.

Коефіцієнт β_Т зі зменшенням густини нафтопродуктів від 920 до 700 кг/м³ збільшується від 0,00060 до 0,00082. Для більшості рідин коефіцієнт β_Т зменшується зі збільшенням тиску.

Температура застигання (загущення) робочої рідини – це температура, за якої частинки рідини втрачають рухливість без фазових змін і без переходу у тверде тіло.

Температурою спалаху називають температуру, до якої необхідно нагріти рідину, щоб її пара в суміші з повітрям спалахнула при піднесенні полум'я.

В'язкість – властивість робочої рідини чинити опір переміщенню однієї її частини відносно іншої, тобто вона характеризує внутрішнє тертя рідини. Від в'язкості залежить швидкість руху рідини в зазорах, наявність плівки рідини на поверхнях рухомих деталей, що стикаються, заїдання запірних елементів гідророзподільників, клапанів, їх зношення тощо.

В'язкість рідини збільшується за зменшення температури (рис 1.1), а також за збільшення тиску. Найчутливіші до зміни в'язкості рідини насоси. За високої в'язкості можливі неповне заповнення всмоктувального трубопроводу і зниження подачі, а за низької в'язкості – різке збільшення втрат (просочування) та інтенсивності зношення деталей.

Марку робочої рідини за в'язкістю вибирають залежно від кліматичної зони і пори року. Взимку необхідно використовувати сорти рідини з меншою в'язкістю.

В розрахунках об'ємного приводу широко використовують кінематичну в'язкість робочої рідини, якою є відношення динамічної в'язкості до густини.

Рис. 1.1. Віскозиметр Сейболта і залежність кінематичної в’язкості

робочих рідин від температури:

1 – И-12А; 2 – И-30А; 3 – И-40А; 4 – М-8В2, М-8Г2; 5 – М-10В2, М-10Г2

1.2. Класифікація та склад робочих рідин

Класифікація робочих рідин

Класифікація робочих рідин гідросистем може проводитися відповідно до різних ознак і вимог. Так, класифікація ISO 3448 складається з 18 класів в’язкості. Величина, що характеризує клас в’язкості (від 2 до 1500), вказує кінематичну в’язкість при 40^оС у мм²/с (сСт). Допустиме коливання в’язкості від номінальної – ±10%.

Згідно з ISO 3448 гідравлічні оливи за величиною в'язкості при 40°С поділяються на класи.

Таблиця 1.1

Класи в'язкості гідравлічних олив згідно з ISO 3448

Клас в’язкості	v40, мм^2/с	Клас в’язкості	v40, мм^2/с
2	1,9–2,5	68	61–75
3	3,0–3,5	100	90–110
5	4,0–5,0	150	135–165
7	6,0–8,0	220	198–242
10	9,0–11,0	320	288–352
15	13,0–17,0	460	414–506
22	19,0–25,0	680	612–748
32	29,0–35,0	1000	900–1100
46	41,0–51,0	1500	1350–1650

До малов'язких олив належать такі, що мають значення в'язкості 4–5 мм²/с при 50°С, при мінус 50°С – менше 500 мм²/с; при 40°С відповідна в'язкість для них лежить у межах 6,12–7,48 мм²/с, що відповідає міжнародній класифікації ISO – ISO VG7 (VG – англ. viscosity grade, клас в'язкості). Малов'язкі оливи з класом в'язкості 5 і 7 (ISO VG5 і ISO VG7) експлуатують за низьких температур (наприклад, у північних районах).

До середньов'язких-всесезонних гідравлічних олив належать оливи із значенням в'язкості при 50°С, що дорівнює 10 мм²/с, і при мінус 50°С – не більше 1500 мм²/с; до середньов'язких сезонного використання – із значенням в'язкості при 50°С, що дорівнює 15 мм²/с, і при мінус 40°С – не більше 4000 мм²/с.

До в'язких – із значенням в'язкості при 50°С, що дорівнює 25–30 мм²/с. У кожну групу залежно від значення в'язкості входять декілька класів.

За експлуатаційними властивостями гідравлічні рідини поділяються на три групи: А, Б, В.

До групи А (H за DIN, HH за стандартом ISO) входять мінеральні оливи, які не містять у своєму складі присадок. Вони знайшли застосування у мало навантаженому обладнанні з насосами поршневого або шестеренного типу, діапазон робочих температур не перевищує +80°С, а робочий тиск – не вище за 15 МПа. До групи Б (HL за DIN та ISO) належать оливи з антиоксидними, антикорозійними і протизносними присадками. Вони призначені для середньо навантажених гідросистем з різними насосами, що працюють при тисках до 25 МПа і температурі оливи понад 80°С. До групи В (HLP за DIN, HM за стандартом ISO) входять високоочищені рідини з антиокислювальними, протизносними і антикорозійними присадками. Призначені для гідросистем, що працюють при тиску понад 25 МПа і температурі оливи понад 90°С.

Таблиця 1.2

Класифікація гідравлічних олив за експлуатаційними

властивостями відповідно до ISO 6074

ISO	Тип оливи	Класи, передбачені даною категорією	Індекс в’язкості (мінімум)	Рекомендована область застосування
HH	Неінгібована мінеральна олива	10,15,22,32, 46,58,100,150	70 – на класи в’язкості 10 і 15 не нормується, визначення обов’язкове	Гідросистеми з шестеренчастими і поршневими насосами, що працюють при тиску до 15 МПа і температурі оливи в об’ємі до 80°С
HL	Мінеральна олива з інгібіторами окислення та корозії	10,15,22,32, 46,58,100,150	90 – на класи в’язкості 10 і 15 не нормується, визначення обов’язкове	Гідросистеми з насосами всіх типів, що працюють при тиску до 25 МПа і температурі оливи в об’ємі не вище 90°С
HM	Мінеральна олива з інгібіторами окислення, корозії та протизносними присадками	10,15,22,32, 46,58,100,150	90 – на класи в’язкості 10 і 15 не нормується, визначення обов’язкове	Гідросистеми з насосами всіх типів, що працюють при тиску понад 25 МПа і температурі оливи в об’ємі більше 90°С
HV	Як НМ, але з покращеними в’язкостно-температурними властивостями	15,22,32,46, 68,100	130 – для всіх класів; 120 – для класу 100	Гідросистеми з насосами всіх типів, що працюють при тиску до 25 МПа і температурі оливи в об’ємі більше 90°С

Відповідно до стандартів DIN та ISO виокремлюється ще одна група олив HLP-V і HV. Матеріали цієї групи містять загусники, що покращують в'язкісно-температурні характеристики.

У складі олив групи HL та НМ можуть бути інші присадки. Різні країни та компанії-виробники часто використовують свою специфікацію гідравлічних олив, наприклад, фірма «ВР» (British Petroleum) може мати такі позначення, як «Energol HLP-HM46», де НМ – група гідравлічної оливи, цифра 46 – клас в'язкості (значення кінематичної в'язкості за температури 40°С у мм²/с).

Склад робочих рідин

Як робочі рідини гідроприводів застосовуються мінеральні, синтетичні і напівсинтетичні оливи, а також рідини на силіконовій основі.

Більшість гідравлічних олив виробляють з нафтової сировини (індустріальні оливи) із введенням до їх складу функціональних присадок (антиокисних, антикорозійних, протизношувальних, протизадирних, антипінних тощо). Для виготовлення гідравлічних олив можуть використовуватись синтетичні продукти або суміш мінеральних і синтетичних олив.

Особливого значення набуває використання пожежобезпечних синтетичних олив (рідин). До негорючих (вогнестійких) синтетичних олив належать поліалкіленгліколі (ПАГ), а також фторвуглеводні. Тому все більшого розвитку (вивчення і застосування) набувають водно-гліколеві синтетичні рідини, які складаються, в основному, з таких компонентів:

Таблиця 1.3

Основні характеристики робочих рідин

Робоча рідина (марка оливи)	Густина, кг/м^3		В’язкість, м^2/с 10^-6		Температура, °С		Межа робочих температур,°С
	при температурі, °С				застигання	спалахування
	20	50	20	50
Веретенна АУ	876	857	49	12	-45	163	-40 +60
Трансформаторна	904	884	20	9	-45	135	-30 +90
Індустріальна:
І-5А	875	854	12	5
І-8А	858	838	21	7
І-12А	868	848	46	13
І-20А	879	859	84	18	-20	170	0 90
І-30А	888	869	149	31	-15	180	10 50
І-40А	891	868	215	40
І-50А	881	862	269	50	-20	200	10 70
Циліндрова	916	895	471	40
МС-14	888	869	672	98,5
МС-20	894	875	110	15,1
Індустріальна 20В	909	890	104	23
Індустріальна ВІ-4	849	828	11	3,6
Турбінна:
Т-22	893	874	101	15	-15	180	5 50
Т-30	897	877	159	30
Т-46	920			46	-10	195	10 +50
Приладова МВП	896	875	34	12	-60	120	-40 +60
АМГ-10		850	22	10	-70	92	-40 +80

1.3. Марки олив та їх використання

Згідно з чинними в Україні нормативними документами, мінеральні гідравлічні оливи позначаються часто індексом МГ (від «мінеральна», «гідравлічна»). За призначенням до позначення деяких олив можуть входити інші індекси, такі як «И», «AM», «Е», наприклад, ИГ – індустріальні, АМГ – для авіаційної техніки, МГЕ – єдині; за технологією одержання – ВМГЗ – загущені тощо. У позначенні гідравлічних олив вказується цифрою значення в'язкості в мм²/с за температури 50°С (наприклад, АМГ-10, МГЕ-10А, МГП-10) або за температури 40°С, як прийнято за міжнародними стандартами (наприклад, МГ-15-А, МГ-15-В, МГ-46-В).

Гідравлічна система надійно працює за оптимального значення в'язкості оливи в різних умовах роботи. Недостатня в'язкість оливи не забезпечує належних мастильних властивостей. Крім того, така олива може витікати через ущільнення. Використання олив для гідросистем з великим значенням в'язкості провокує збільшення гідравлічних втрат і, як наслідок, зменшення ефективності передачі енергії гідроприводу.

Обираючи оливи для гідравлічних систем, враховують не тільки клас в'язкості (середнє значення в'язкості при 40°С), а також значення в'язкості за робочих температур, які можуть сягати 70…120°С, і робочі тиски в системі. За збільшення тиску до 40 МПа в'язкість робочої рідини іноді може збільшуватись удвічі і більше.

МГ-22-А (И-20А), а також И-30, И-40А, И-50А – використовують у гідравлічних системах промислового обладнання, будівельних, дорожніх та інших машин, що працюють на відкритому повітрі. Значення в'язкості оливи вибирають залежно від навантаження та швидкості руху: що більше навантаження і менша швидкість руху, то більше значення в'язкості оливи.

МГ-32-А (ЕШ) – використовують у гідросистемах «крокуючих» екскаваторів та іншої техніки, що працюють за температур від мінус 40–45°С до плюс 80–100°С при тисках до 15 МПа.

МГ-15-Б (АМГ-10) – загущена олива, яка використовується для гідравлічних систем в авіації та наземній техніці, що працюють за температур від мінус 60°С до плюс 55°С.

МГ-22-Б (АУП) – може використовуватись аналогічно до оливи И-20А, містить антикорозійні та протиокисні присадки.

МГ-46-Б (МГ-30) – використовують у середній кліматичній зоні як літню оливу в гідравлічних системах будівельних, дорожніх, підйомно-транспортних машин та механізмів, що працюють на відкритому повітрі. Має невисокі протизношувальні властивості.

МГ-46-В (МГ-30у, МГЕ-46В) – використовують у гідравлічних системах дорожньо-будівельної, меліоративної та іншої техніки, що працюють при високих тисках, в інтервалі температур від мінус 10°С до плюс 80°С; гідроприводах з аксіально-поршневими машинами.

МГ-15-В(с) (ВМГЗ) – загущена олива з комплексом присадок, використовують взимку для гідравлічних систем, гідроуправління дорожньо-будівельних, підйомно-транспортних та інших машин і механізмів, що працюють на відкритому повітрі в середній кліматичній зоні.

МГ-15-В (МГЕ-10А) – загущена олива з комплексом присадок, використовують у гідравлічних системах машин і механізмів, що працюють за температур від мінус 60–65°С до плюс 70–75°С (температури 35–50°С є оптимальними).

МГ-46-В (МГЕ-46) – використовують у гідравлічних системах дорожньо-будівельної, сільськогосподарської та іншої техніки при тисках до 35 МПа за температур від мінус 20°С до плюс 80°С; містить комплекс присадок, має високі протизношувальні властивості.

Правило взаємозамінності гідравлічних олив таке ж, як і для попередніх олив, наприклад, олива групи Б заміняється оливою групи В однакового класу в'язкості, тобто олива нижчої групи заміняється оливою вищої за якістю групи.

Як універсальна трансмісійно-гідравлічна олива може використовуватись олива МГТ для гідромеханічних передач автомобілів та іншої техніки, що працює в інтервалі температур від мінус 50°С до плюс 50°С. Її можуть застосовувати як універсальну трансмісійно-гідравлічну оливу у важких умовах роботи тракторів та техніки на їх базі.

Таблиця 1.4

Використання робочих рідин

Галузь використання	Рекомендовані робочі рідини
Сільськогосподарська техніка (трактори, сільськогосподарські машини)	М-10B2, М-10Г2, М-8B2, М-8Г2, МГЄ-46В, ЕШ, А, И-20А, И-30А, BMГ3
Металорізальні верстати, промислові роботи, гнучкі виробничі системи	Індустріальна И (ИГП), веретенна АУ, Турбінні Т22, Т30
Гірничодобувні машини	Індустріальні, трансформаторне, водооливові емульсії
Турбіни	Турбінні Т22, Т30, Т46 та з присадками Тп-22, Тп-30, Тп-46
Будівельно-дорожні машини	Індустріальні И-12А, И-20А, И-40А; трансформаторна; АУП
Ковальське пресове обладнання	Циліндрова, водосливові емульсії
Гідравлічне суднове обладнання	AУП, MBП, 132-10, AMГ-10
Авіаційні гідросистеми	АМГ-0,7-50С-3

1.4. Основні фізичні параметри робочих рідин

Газоповітряні складові робочої рідини можуть бути як в розчиненому, так і в нерозчиненому стані у вигляді бульбашок. Розчинений у рідині газ призводить до інтенсивного її окислення, руйнування гумових деталей гідропристроїв гідроприводу. Розчинність газу у рідині залежить від тиску, температури і типів рідини та газу. Крім того, вона залежить від величини поверхні поділу і за інтенсивного перемішування (наприклад, незатопленим струменем під час зливу в бак) насичення рідини газом різко збільшується. Нерозчинений газ перебуває в механічній суміші з рідиною. Розміри бульбашок газу – 0,4–0,8 мкм. У рідині працюючого гідроприводу міститься 0,5–5% пухирців нерозчиненого газу, а іноді – до 12–15%. Нерозчинені газоповітряні складові у рідині зумовлюють збільшення її стискання, порушення безперервності потоку та зменшення змащувальної властивості. Загалом газоповітряні складові робочої рідини знижують її в'язкість і в багатьох випадках можуть повністю порушити роботу гідроприводу.

Піноутворення – це виділення газу із рідини і утворення стійкої суміші рідини з газом – піни. На інтенсивність піноутворення впливає вода, що міститься в рідині, навіть у незначній кількості (0,1%). Піна – одна з причин шуму в роботі гідроприводів, зменшення об'ємного коефіцієнта корисної дії насоса та повільної роботи гідроприводу.

Забруднення робочої рідини твердими домішками, водою, смолами і бактеріями відбувається в процесі роботи гідроприводу, зберігання та її транспортування. Спостереження дослідників свідчать, що із 100 аварійних ситуацій у гідроприводах 90 випадків відбуваються внаслідок забруднення робочої рідини.

Як свідчать дослідження, на надійність роботи гідроприводів насамперед впливають частинки домішок певних розмірів. Встановлено 19 класів чистоти рідини, кожному із яких відповідає наявність певної кількості частинок різного діаметра в 100 см³ робочої рідини. В гідроприводах ДБМ необхідно забезпечити чистоту рідини не нижче 10-го класу для гідроприводів ведучих коліс самохідних машин і 15–20 класів – для інших гідроприводів.

Отже, треба застосовувати робочі рідини, рекомендовані тільки для певного гідроприводу і в процесі експлуатації підтримувати їх чистоту.

Хімічна і механічна стійкість характеризує здатність рідини зберігати свої вихідні властивості під час експлуатації та зберігання.

Під час роботи гідроприводу відбувається окислення рідини, що супроводжується випаданням із неї смол і шлаків, відкладанням на поверхнях гідропристроїв тонкого твердого нальоту, зниженням в'язкості і зміною кольору рідини. Продукти окислення, маючи кислотні властивості, спричиняють корозію металів і знижують надійність роботи гідропристроїв. Інтенсивність окислення підвищується з підвищенням температури рідини на поверхні контакту її з повітрям, а також з підвищенням вмісту в рідині розчиненого повітря, механічних домішок та води.

На окислення робочих рідин також впливають конструкційні матеріали, з яких виготовлені гідропристрої і з якими рідина стикається. Так, у гідроприводах з трубопроводами із міді окислення рідини в одних і тих самих умовах відбувається швидше, ніж у гідроприводах з трубопроводами зі сталі.

Окислення робочої рідини характеризується кислотним числом, тобто кількістю гідрату окису калію в геліограмах, яка необхідна для нейтралізації одного грама рідини. Кислотне число менше одиниці вважається нормальним показником експлуатації робочої рідини, а високе кислотне число – наслідок її недостатнього очищення.

Механічна стійкість характеризується стабільністю в'язкості робочої рідини під дією на неї високих тисків. Багаторазова дія високого тиску зменшує в'язкість рідини. Для гідроприводів зміна в'язкості допускається в межах 25–50% від вихідної.

Сумісність робочої рідини з конструкційними матеріалами і особливо з матеріалами ущільнень має велике значення. Робочі рідини на нафтовій основі сумісні з усіма металами, які використовують у гідромашинобудуванні, і погано сумісні з ущільненнями, виготовленими із синтетичної гуми, шкіри. Синтетичні робочі рідини погано сумісні з деякими конструкційними матеріалами і несумісні з ущільненнями із оливостійкої групи.

Кавітація (рис. 1.2) – процес порушення суцільності робочої рідини, зумовлений локальним падінням (зміною) тиску. При цьому в зоні падіння тиску збільшуються або виникають нові газові бульбашки з наступним їх руйнуванням (конденсацією) в зоні високого тиску. Процес супроводжується місцевими гідравлічними ударами, що призводять до появи шуму, вібрації, значних втрат енергії, а також до ерозії проточних частин гідропристроїв.

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=IE3FAYHVqrE

Кавітація виявляється в насосах, клапанах, дроселях, особливо у вхідному трубопроводі насосів. Звісно, таке явище небажане. Кавітація порушує нормальний режим роботи гідроприводу, може вивести із ладу гідропристрої, а також зменшує коефіцієнт корисної дії гідроприводу. Основним засобом запобігання кавітації є підвищення тиску в гідроприводі.

а	б
Рис. 1.2. Кавітаційне пошкодження: а – пластини клапана аксіально-поршневого гідронасоса; б – робочого колеса відцентрового насоса

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=LQ2BWfFXzLM

Облітерація (рис. 1.3) – явище, внаслідок якого під час руху робочої рідини капілярними каналами зменшується їх поперечний переріз. Облітерація зумовлюється осадом поляризованих молекул рідини і твердих частинок на поверхні капіляра. Залежно від тиску, хімічних і фізичних властивостей рідини і стінок капіляра може утворюватися шар завтовшки 0,05–10 мкм.

	При розмірах капіляра чи щілини, наближених до товщини такого шару, може статися повне зарощення поперечного перерізу, через що різко зростають сили, необхідні для переміщення запірних елементів розподільників, зменшується чутливість систем стеження тощо.
Рис. 1.3. Явище облітерації

Одним із методів усунення облітерації є надання запірному елементові розподільника зворотно-поступального або кутового переміщення з великою частотою і малою (в декілька мікрометрів) амплітудою.

	Питання для самоконтролю
1. Дайте визначення поняттю «робоча рідина». 2. Назвіть вимоги, що пред’являються до робочих рідин. 3. Класифікація робочих рідин. 4. Назвіть склад робочих рідин. 5. Маркування та використання гідравлічних олив. 6. Основні фізичні параметри робочих рідин.

Попередня тема

На початок

Наступна тема