Рабочие жидкости для гидросистем

  РЕФЕРАТ

  Рабочие жидкости для гидросистем.

  В гидроприводе рабочая жидкость является энергоносителем, благодаря которому устанавливается  связь между насосом и гидродвигателем. Кроме того, рабочая жидкость обеспечивает смазку подвижных частей элементов гидропривода.

  В качестве рабочих  жидкостей в гидравлическом приводе  применяют минеральные масла, водомасляные эмульсии, смеси и синтетические  жидкости. Выбор типа и марки рабочей  жидкости определяется назначением, степенью надежности и условиями эксплуатации гидроприводов машин.

  Минеральные масла получают в результате переработки высококачественных сортов нефти с введением в них присадок, улучшающих их физические свойства. Присадки добавляют в количестве 0,05…10%. Присадки могут быть многофункциональными, т.е. влиять на несколько физических свойств сразу. Различают присадки антиокислительные, вязкостные, противоизносные, снижающие температуру застывания жидкости, антипенные и т.д.

  Водомасляные  эмульсии представляют собой смеси  воды и минерального масла в соотношениях 100:1, 50:1 и т.д. Минеральные масла  в эмульсиях служат для уменьшения коррозионного воздействия рабочей  жидкости и увеличения смазывающей  способности. Эмульсии применяют в  гидросистемах машин, работающих в пожароопасных условиях и в машинах, где требуется большое количество рабочей жидкости (например, в гидравлических прессах). Применение ограничено отрицательными и высокими (до 60 С) температурами.

  Смеси различных  сортов минеральных масел между  собой, с керосином, глицерином и  т.д. применяют в гидросистемах высокой точности, а также в гидросистемах, работающих в условиях низких температур.  

  Синтетические жидкости.

  Рабочие жидкости на нефтяной основе не могут обеспечить весь диапазон требований, которые  предъявляет к гидроприводам  практика. Для гидроприводов, работающих в условиях, отличающихся от нормальных (tраб > 1000° С, повышенные требования к пожаробезопасности, чрезмерно низкие температуры окружающей среды и т.п.), или от которых требуется повышенная стабильность характеристик, применяются синтетические рабочие жидкости.

  Синтетические жидкости на основе силиконов, хлор- и фторуглеродистых соединениях, полифеноловых эфиров и т.д. негорючи, стойки к воздействию химических элементов, обладают стабильностью вязкостных характеристик в широком диапазоне температур.

  Обладая повышенными  отдельными свойствами, синтетические  рабочие жидкости имеют некоторые  недостатки, препятствующие их широкому применению. Это в первую очередь  высокая стоимость и ограниченность сырьевых ресурсов, используемых для  изготовления синтетических жидкостей. Но последнее время, несмотря на высокую  стоимость синтетических жидкостей, они находят все большее применение в гидроприводах машин общего назначения.

  Кроме того, ряд  таких жидкостей плохо совместимы с основными материалами гидроприводов, токсичны и имеют худшие, по сравнению  с минеральными маслами, показатели по отдельным свойствам.

  Существует  множество типов синтетических  жидкостей, из которых в гидроприводах  нашли применение следующие: диэфиры, силоксаны, фосфаты, водосодержащие жидкости, фтор- и хлорорганические рабочие жидкости. Все типы органических жидкостей обладают по сравнению с минеральными маслами повышенными противопожарными свойствами. Наиболее лучшими в этом отношении являются фторорганические жидкости, которые отличаются полной негорючестью. Кроме того, они исключительно химически инертны и термически стабильны. Водосодержащие жидкости не воспламеняются при распылении на пламя или на поверхность, нагретую до температуры 7000° С. Остальные жидкости имеют повышенную огнестойкость по сравнению с нефтяными маслами, но являются горючими и могут воспламенятся при попадании на огонь или раскаленные предметы.

  Диэфиры - жидкости на основе сложных эфиров, являющихся продуктами реакции двухосновных кислот (адипиновой, себациновой и др.) с первичными или многоатомными спиртами (например, с пентаэритритом). Диэфиры представляют собой маслянистые жидкости с хорошей смазывающей способностью, удовлетворительной вязкостно-температурной характеристикой, малой испаряемостью и высокой температурой вспышки. Диэфиры недостаточно устойчивы к окислению, поэтому в них вводят антиокислительную и противоизносную присадку.

  В среде диэфиров плохо работают рукава и уплотнения из нитритных каучуков, электроизоляционные материалы, металлы, содержащие свинец, кадмиевые и цинковые покрытия. Диэфиры совместимы с силоксанами, поэтому в последние вводят диэфиры для улучшения смазочных свойств.

  Рабочая температура  диэфиров ограничена 2000° С, так как при температуре 230 - 2600° С они начинают разлагаться.  

  Диэфиры используются в гидроприводах турбовинтовых двигателей.

  Силоксаны и  полисилоксаны - жидкости на основе кремний - органических полимеров. Они имеют наиболее пологую из всех рабочих жидкостей вязкостно-температурную характеристику, т.е. ее вязкость мало зависит от температуры. Вязкость полисилоксанов увеличивается с увеличением молекулярной массы полимера, что позволило создать широкий ряд базовых силоксановых жидкостей с последовательно увеличивающейся вязкостью. Диапазон вязкостей силоксанов от 10 до 3000 сСт при 250° С. Силоксаны характеризуются большой сжимаемостью и стойкостью к окислению. Они обладают наименьшим поверхностным натяжением из всех известных рабочих жидкостей. Силоксаны выдерживают температуру до 1900° С, однако уже при 2000° С начинают разлагаться с образованием окиси кремния (кремнезема), который является хорошим абразивом, поэтому рабочая температура не превышает 1750° С. Смазывающая способность силоксанов неудовлетворительная (особенно для стали), поэтому их применяют для рабочих жидкостей гидроприводов только в смеси диэфирами или минеральными маслами. Температура застывания чистых силоксанов -80 - 900° С, но в смеси с другими компонентами в рабочих жидкостях она повышается и не бывает ниже -700° С.

  Фосфаты - жидкости на основе сложных эфиров фосфорной  кислоты - отличаются повышенной огнестойкостью и хорошей смазывающей способностью. Наиболее термостабильны триарилфосфаты, однако они плохо работают при низких температурах. По вязкостно-температурным свойствам фосфаты уступают минеральным маслам, их вязкость возрастает при низких температурах. Фосфаты склонны к гидролизу, поэтому их нельзя применять в системах, где возможно попадание воды. Многие фосфаты токсичны.

  Применяют фосфаты  в гидроприводах тепловых электростанций (в том числе и атомных) и  металлургического оборудования, а  также на летательных аппаратах.

  Наибольший  практический интерес представляют жидкости на основе сложных эфиров кремниевой кислоты и кремнийорганические  жидкости, которые сочетают в себе высокотемпературные и низкотемпературные свойства.

  Практика показала, что из существующих жидкостей этого  типа наилучшей являются кремнийорганические  полисилоксановые (силиконовые) жидкости, которые имеют высокие температурно - вязкостные характеристики в широком температурном диапазоне и отличаются, от прочих жидкостей этого назначения механической прочностью, а также устойчивостью против окисления. Кроме того, эти жидкости являются огнестойкими и локализуют распространение огня.

  В зависимости  от степени полимеризации мономеров  представляется возможным получить силиконы практически любой вязкости (от 1 до 10 000 сСт при 20° С).

  Полисилоксановые  жидкости обладают высокой термической  стабильностью, сохраняя ее даже при  нагреве в присутствии кислорода  воздуха. В контакте с воздухом они  выдерживают длительное нагревание при температурах до 250° С. В закрытых же системах эти жидкости можно длительно использовать при температурах до 370° С. Нижний предел температур составляет -54° С.

  Полисилоксановые  жидкости отличаются стабильностью  вязкостных характеристик. Испытания показали, что вязкость такой жидкости после 500 ч работы при давлении 15 МПа и температуре 60° С уменьшилась всего на 2 %, тогда как вязкость масляной гидросмеси при работе в этих же условиях понизилась на 50 %. Полисилоксановые жидкости практически не корродируют сталь, чугун, медь, латунь, бронзу, алюминий и другие цветные металлы даже при нагревании до 150° С.

  Ценными свойствами полисилоксанов являются их очень низкая температура застывания и чрезвычайно пологая вязкостно-температурная кривая. Температура застывания даже очень вязких полисилоксанов ниже -65° С, у низкомолекулярных маловязких полимеров она достигает -90 и -100° С. Так, например, отношение кинематической вязкости масла турбинного 22 (Л) при 0° С к вязкости при температуре 50° С равно 27, а для равновязкой с ним при 50° С этилполисилоксановой жидкости это отношение равно 4,4.

  Полисилоксаны обладают также высокими диэлектрическими свойствами и низкой упругостью паров.

  Кремнийорганические жидкости имеют более низкий модуль объемной упругости, чем жидкости минерального происхождения. Кроме того, этот модуль в большой степени зависит  от температуры. Так, например, модуль объемной упругости большинства  минеральных жидкостей гидросистем равен в нормальных условиях приблизительно 0, 167 и уменьшается при температуре 315° С до 0,103 , тогда как для кремнийорганических жидкостей он равен в нормальных условиях 0, 137 и при 315° С уменьшается до 0,034.

  Однако полисилоксановые жидкости обладают высокой текучестью, усложняющей герметизацию гидроагрегатов. При использовании этих жидкостей  практически невозможно герметизировать  без мягких уплотнений стык двух металлических  поверхностей. Кроме того, полисилоксановые жидкости растворяют все применяемые  в настоящее время пластификаторы синтетических каучуков. Поэтому  уплотнительные кольца, изготовленные  из этих каучуков, становятся хрупкими и растрескиваются, в результате чего гидроагрегаты неизбежно теряют герметичность. Большое влияние  на этот процесс оказывает температура, повышение которой с 60 до 90° С может ускорить потерю эластичности материала в десятки раз. Так, например, испытания показали, что при температуре 60° С резиновые кольца потеряли эластичность после 500 ч работы, а при 82° С - после 24 ч работы.

  К недостаткам  полисилоксановых, как и большинства  синтетических жидкостей, относится  то, что они обладают более высокой  способностью растворять воздух и газы, чем минеральные жидкости. Большинство  из этих жидкостей при комнатной  температуре растворяет воздух при  повышении давления на одну атмосферу  в количестве до 22% объема жидкости (коэффициент растворимости k = 0,22). Возможность присутствия в жидкости столь большого количества воздуха может привести к ухудшению условий работы гидросистемы, так как воздух, выделяясь из жидкости в зонах пониженного давления, образует пену.

  В связи с этим следует указать, что синтетические жидкости, в и частности, жидкости на кремнийорганической основе, склонны, как и все жидкости с низким поверхностным натяжением, к пенообразованию, образуя к тому же, как правило, стойкую пену. Недостатком их является также склонность к гидролизу, т. е. к образованию нерастворимых соединений с водой или влагой воздуха. Некоторые из них не допускают также контакта с воздухом и несовместимы с жидкостями, содержащими керосин.

  Недостатком полисилоксанов (и прочих синтетических жидкостей) является то, что они значительно уступают минеральным маслам по противоизносным и смазывающим свойствам, ввиду чего многие материалы, из которых изготовляются в настоящее время скользящие пары гидроагрегатов, практически непригодны для работы с указанной жидкостью. Кроме того, износ трущихся деталей со смазкой полисилоксановыми жидкостями при работе в атмосфере азота увеличивается в сравнении с работой при атмосферном воздухе. Например, плохо работают сталь по стали и сталь по чугуну. Вследствие этого опыт, накопленный по скользящим парам, работающим на минеральных маслах, нельзя распространять на рассматриваемые жидкости.

  Противоизносные свойства полисилоксанов могут быть улучшены добавлением к ним минерального масла, с которым они смешиваются, или специальных полярных присадок. Полисилоксаны смешивают с минеральными маслами также для улучшения вязкостно-температурных характеристик. Такие смеси отличаются хорошими смазывающими свойствами и в то же время приобретают удовлетворительную вязкостно-температурную характеристику. Применение подобных смесей иногда целесообразно также по экономическим соображениям, поскольку стоимость нефтяных масел значительно ниже стоимости полисилоксанов.

  Вязкость смеси  полисилоксановой жидкости и минерального масла значительно ниже вязкости смеси двух нефтяных масел с такими же значениями исходной вязкости. При  низких температурах вязкость смеси  значительно ниже вязкости каждого  из исходных компонентов, в то время  как при положительных температурах понижение вязкости смеси сравнительно невелико. Так, например, вязкость смеси  из 80 % полисилоксановой жидкости ()и 20 % минерального масла () равна при - 30°  С лишь 85 сСт, смеси из 60 % полисилоксановой жидкости ()и 40 % нефтяной фракции () при температуре -50°С равна 480 сСт. 

  Выбор и эксплуатация рабочих жидкостей

  Выбор рабочих  жидкостей для гидросистемы машины определяется:

  - диапазоном  рабочих температур;

  - давлением  в гидросистеме;

  - скоростями  движения исполнительных механизмов;

  - конструкционными  материалами и материалами уплотнений;

  - особенностями  эксплуатации машины (на открытом  воздухе или в помещении, условиями  хранения машины, возможностями  засорения и т.д.). 

  Диапазон рекомендуемых  рабочих температур находят по вязкостным характеристикам рабочих жидкостей. Верхний температурный предел для выбранной рабочей жидкости определяется допустимым увеличением утечек и снижением объемного КПД, а также прочностью пленки рабочей жидкости.

  Нижний температурный  предел определяется работоспособностью насоса, характеризующейся полным заполнением  его рабочих камер или пределом прокачиваемости жидкости насосом. При безгаражном хранении машин в зимнее время вязкость жидкостей становится настолько высокой, что в периоды пуска и разогрева гидросистемы насос некоторое время не прокачивает рабочую жидкость. В результате возникает "сухое" трение подвижных частей насоса, кавитация, интенсивный износ и выход насоса из строя. Таким образом, при применении рабочих жидкостей в условиях отрицательных температур пуску гидропривода в работу должен непременно предшествовать подогрев рабочей жидкости.