ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЁННОСТИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ИХ ВЯЗКОСТЬ

Полный текст

Современный летательный аппарат (ЛА) - это сложнейший технический объект, состоящий из множества агрегатов и узлов, совокупность которых в свою очередь образу- ет комплекс отдельных систем на его борту. Для приведения в действие систем управления самолётом и двигателем, других систем и аг- регатов на самолёте используют различные виды энергии со значительными потребителя- ми мощности. В зависимости от вида исполь- зуемой энергии системы бывают гидравличе- ские, газовые (пневматические) и электриче- ские. Гидравлические системы (ГС) активно используются на борту ЛА ещё с 60-х годов 20 века в качестве одной из энергетических сис- тем, имеющих жизненно важные агрегаты систем управления ЛА. Принцип действия та- ких систем основан на свойствах текучести и несжимаемости жидкости, которая, будучи заключённой в жёсткий трубопровод, способ- на передавать усилия как жёсткий стержень. Их широкое применение объясняется рядом преимуществ по сравнению с другими энерге- тическими системами. image © Попельнюк И. А., 2016. Попельнюк Илья Александрович (iap.ssau@gmail.com), аспират кафедры эксплуатации авиационной техники Самарского университета, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе,34. ГС относятся к жизненно важным сис- темам ЛА, то есть правильность её функцио- нирования оказывает прямое влияние на безопасность полётов. В связи с этим конст- рукцией предусматривается две, а иногда и три независимых друг от друга ГС. Испол- нительные агрегаты могут работать как па- раллельно от двух систем, так и от каждой по отдельности. Кроме того, проектирова- ние, производство и эксплуатации ГС регла- ментируется множеством требований, опи- санных в различных мировых и отечествен- ных стандартах. Любую ГС можно предста- вить в виде совокупности механической её части (агрегатов, трубопроводов, арматуры) и «живой» части - рабочей жидкости (РЖ), состояние которой в значительной степени влияет на правильное функционирование всей системы. Известно, что работоспособность ГС в значительной степени зависит от: давления жидкости; температуры жидкости; расхода жидкости; частоты колебаний жидкости; вязкости жидкости; антикоррозионных свойств жидкости; противоизносных свойств жидкости; противопенных свойств жидкости; антиокислительных свойств жидкости; сти; плотности жидкости; модуля объёмной упругости жидко- коэффициента поверхностного натя- Отсюда динамическая вязкость равна: image    dy (H  c / м2 ), dv жения жидкости; испаряемости жидкости; загрязнения жидкости. Совокупность значений этих параметров в любой момент времени определяет состояние РЖ. При этом все их можно условно разделить на внешние и внутренние. Внеш- ние параметры (давление, температура, плотность, концентрация загрязнений и т.д.) изменяются под воздействием внешней экс- плуатационной среды. Внутренние парамет- ры (вязкость, антикоррозионные, антиокис- лительные, противопенные свойства и т.д.), характеризующие физико-химические свой- ства, закладываются на этапе производства и, что очень важно, изменяются с течением времени под воздействием внешних пара- метров. В условиях эксплуатации ГС не представляется возможным оценить весь комгде τ - касательные напряжения жидкости, τ = T/S. При течении вязкой жидкости вдоль твёрдой стенки происходит торможение по- тока, обусловленное вязкостью. Скорость уменьшается по мере уменьшения расстоя- ния y от стенки. При этом у поверхности стенки скорость падает до нуля, а между слоями происходит проскальзывание, сопро- вождающееся возникновением касательных напряжений τ. Величина обратная динамическому коэффициенту вязкости (1/μ) называется теку- честью жидкости. Отношение динамического коэффици- ента вязкости к плотности жидкости называется кинематическим коэффициентом вязко- сти: плекс параметров РЖ. Поэтому на практике состояние РЖ определяют преимущественно по содержанию механических примесей и     (м2 / с) значению вязкости. Целью данной статьи является изучение всестороннее изучение понятия вязкости, влияния этого свойства РЖ на работоспособность гидравлических агрегатов, а также исследование влияния ме- ханических примесей на вязкость РЖ ГС ЛА. Вязкость - свойство жидкости сопро- тивляться скольжению или сдвигу её слоёв. Она зависит от температуры и от давления жидкости. Суть её заключается в возникновении внутренней силы трения между дви- жущимися слоями жидкости, которая определяется по формуле Ньютона: Вязкость измеряется в Стоксах. Так 1см²/с = 1 Ст, а 0,01 Ст - 1 сантистокс (сСТ).Помимо оценки вязкости с помощью динамического и кинематического коэффи- циентов пользуются условной вязкостью - градусы Энглера (Е). Вязкостью, выражен- ной в градусах Энглера, называется отноше- ние времени истечения 200 см³ испытуемой жидкости через капилляр d = 2,8 мм к време- ни истечения такого же объёма воды при t = 20 С. При этом t image T  S d (H ), dy image Е  tводы , где tводы  51, 6 с где S - площадь слоёв жидкости или стенки, соприкасающейся с жидкостью, м2; μ - динамический коэффициент вязкости, или сила вязкостного трения; d /dy - градиент скорости, перпендикуляр- ный к поверхности сдвига. Одна из основных функций РЖ в ГС обеспечение смазки трущихся поверхностей агрегатов. Вследствие этого к ней предъяв- ляются существенные требования по обеспе- чению на поверхности трущихся деталей прочных и устойчивых плёнок, исключаю- щих возможность возникновения сухого трения и связанного с ним повышенного из- носа деталей. Кроме того, изменение вязкости оказывает существенное влияние на точ- ность системы управления ЛА. Так, слишком вязкая жидкость течёт медленнее и в управ- ляющих каналах возникают недопустимые задержки и мёртвые зоны, а жидкость с низ- кой вязкостью, наоборот, ускоряет свое те- чение, что вызывает рассогласование управ- ляющих устройств. По существующим нор- мам вязкость АМГ-10 не должна быть ниже 8,0 сСт. В то же время проведённые в Гос- НИИ ГА исследования показали, что удовле- творительная смазывающая способность АМГ-10, при которой практически не уско- ряется процесс изнашивания деталей агрега- тов, сохраняется при вязкости, равной 6,7 сСт [1]. При эксплуатации РЖ подвергается температурным воздействиям, действию мощных звуковых полей и продавливается через зазоры в агрегатах. Всё это приводит к её деструкции и снижению вязкости. Для поддержания вязкости в требуемых пределах в процессе эксплуатации отечественных ВС предусмотрена периодическая её замена (полная или частичная). Такая замена обыч- но приурочивается к тяжелой форме ТО. Процесс определения вязкости называется вискозиметрией, а приборы, которы- ми она определяется - вискозиметрами, ко- торых на сегодняшний день существует не- сколько видов [2]. Ротационный. В таком вискозиметре исследуемая вязкая среда помещается в зазор между двумя соосными телами правильной геометрической формы (цилиндры, конусы, сферы или их сочетания). Одно из тел, назы- ваемое ротором, приводится во вращение с постоянной скоростью, другое остаётся не- подвижным. Принцип действия ротационно- го вискозиметра основывается на нескольких положениях. Вращательное движение от од- ного тела (ротора) передаётся жидкостью к другому телу. Теория ротационного метода вискозиметрии предполагает отсутствие проскальзывания жидкости у поверхностей тел. Следовательно, момент вращения, пере- даваемый от одной поверхности к другой, является мерой вязкости жидкости. Суть опыта при определении вязкости состоит в измерении крутящего момента при заданной угловой скорости или по угловой скорости при заданном крутящем моменте. Для этих целей вискозиметр ротационный снабжён динамометрическим устройством. Устройст- ва, применяемые в вискозиметрах ротацион- ных для измерения моментов и угловых ско- ростей, подразделяются на механические и электрические. Дальнейшие расчёты ведутся на основании теории метода ротационной вискозиметрии. Вискозиметры ротационные используются для измерения вязкости сред при температурах от -60 °C (масла) до +2000 °C (расплавы металлов и силикатов) и позволяют вести измерения с погрешностью в пределах ±3-5 %. Вискозиметр Гепплера относится к вискозиметрам с движущимся в исследуемой среде шариком. Действие вискозиметра Геп- плера основано на законе Стокса о шарике, падающем в неограниченной вязкой среде. Прибор представляет собою трубку, выпол- ненную из прозрачного (или непрозрачного) материала, в которую помещается вязкая сре- да. Вязкость определяется по скорости про- хождения падающим шариком промежутков между метками на трубке вискозиметра, ис- ходя из формул метода падающего шарика вискозиметрии. При использовании вискози- метра Гепплера возникают трудности, свя- занные с непрозрачностью вязкой среды либо трубки вискозиметра. В этом случае сложно определить местонахождение шарика; с це- лью преодоления такого характера трудно- стей были сделаны попытки внедрения в ша- рик вискозиметра материалов, излучающих рентгеновские лучи. В настоящее время в та- кого рода вискозиметрах применяется способ регистрации магнитных полей. Вискозиметр Гепплера и подобные ему используются для измерения вязкости различных сред и позво- ляют вести измерения с погрешностью в пре- делах 1-3 %. Вибрационный вискозиметр в самом простом случае представляет собой резерву- ар с вязкой жидкостью и некоторое тело (пластина, шар, цилиндр), называемое зон- дом вискозиметра, которое производит вы- нужденные колебания в вязкой среде. Сущ- ность эксперимента заключается в определе- нии изменений параметров вынужденных колебаний зонда вискозиметра при погруже- нии его в вязкую среду. Руководствуясь тео- рией метода вибрационной вискозиметрии, по значениям этих параметров определяют вязкость среды. Вибрационный вискозиметр имеет значительно большую чувствитель- ность и также может быть применён для сред температурой до 2000 °C в инертной атмо- сфере или вакууме при наличии как боль- ших, так и сравнительно малых масс распла- вов. В настоящее время для измерения дина- мической вязкости широко применяют элек- тронные вибрационные вискозиметры, в ко- торых зонд совершает вынужденные колеба- ния под воздействием импульсов электро- магнитного вибратора со встроенным датчи- ком амплитуды. Вибрационные высокотем- пературные вискозиметры с электронным дистанционным управлением могут исполь- зоваться в условиях агрессивных средств. Относительная погрешность измерений при использовании вибрационного вискозиметра составляет ± 0,5-1 %. Капиллярный вискозиметр представ- ляет собою один или несколько резервуаров Однако кроме прямых методов для из- мерения вязкости можно использовать и косвенные. Наиболее перспективным с этой точки зрения выглядит оценка вязкости РЖ по содержанию в ней механических приме- сей, так как этот показатель обладает высо- кой степенью информативности (загрязнения содержатся в РЖ на всех этапах эксплуата- ции [3]) и прост в определении (на сего- дняшний день существует множество разно- образных средств, реализующих различные методы оценки чистоты РЖ). На макроуровне вязкость влияет на два параметра РЖ. В первую очередь - на её расход. Исходя из формулы Пуазейля, рас- ход РЖ находится в прямой зависимости от разности давлений на входе и выходе трубы, четвёртой степени её радиуса, плотности жидкости и в обратной зависимости от ко- эффициента вязкости и длины трубы [4]. с отходящими трубками малого круглого се- чения, или капиллярами. Принцип его действия заключается в медленном истечении image Q   P1  P2  R4 8L (1) жидкости из резервуара через капилляр определённого сечения и длины под влиянием разности давлений. В автоматических ка- пиллярных вискозиметрах жидкость посту- пает в капилляр от насоса постоянной произ- водительности. Суть опыта при определении вязкости состоит в измерении времени про- Рассмотрим объём РЖ (V) массой (М), в который вносится некоторое количество загрязнений массой (m) общим объёмом (v). Тогда плотность загрязнённой жидкости можно найти по формуле: M  m текания известного количества жидкости при известном перепаде давлений на концах капилляра. Дальнейшие расчёты ведутся на image 2  V  , (2) v основании закона Пуазейля. Капиллярный где 2 - плотность объёма РЖ с загрязневискозиметр за счёт простоты устройства и возможности получения точных значений вязкости нашёл широкое распространение в вискозиметрии жидкостей (масел, распла- вов). Относительная погрешность измерений при использовании капиллярного вискози- метра составляет 0,1-2,5 %. Анализируя современные вискозиметры можно сделать вывод о том, что главным, объниями. Изменением объёма в виду малости можно пренебречь (V  V  v ) и сделать вы- вод о том, что плотность РЖ при её загряз- нении увеличивается. Подставляя (2) в (1) при прочих равных параметрах и выполнив необходимые преобразования, получим: единяющим их всех, недостатком является Q2  M  m (3) большая трудоёмкость работ по определению вязкости РЖ. Практически отсутствует возможность встроенного контроля вязкости, так как серийные ротационные вискозиметры, ко- торые теоретически возможно монтировать в гидравлическую магистраль, не устойчивы к шуму и вибрациям, создаваемым ЛА в полёте. Q1 M Из формулы (3) видно, что внесение загрязнений в РЖ вызывает увеличение расхода и соответственно снижение её вяз- кости. Таблица 1 Исходные данные и результаты расчёта изменения массы и объёма пробы при загрязнениях РЖ с 7 до 9 класса Размерная фракция, мкм Число частиц Средний размер частиц, мкм Радиус частицы, м Изменение объёма, Изменения массы, кг 5 -10 6000 7,5 0,00000375 10 -25 3000 17,5 0,00000875 25 - 50 300 37,5 0,00001875 50 - 100 38 75 0,0000375 100 - 200 8 150 0,000075 ИТОГО image В качестве примера рассмотрим измене- ние плотности жидкости при увеличении кон- центрации загрязнений (табл. 1). При расчётах использовались данные о содержании частиц загрязнения различных размерных фракций при изменении их концентрации с 7 до 9 клас- са чистоты по ГОСТу 17216-91 в стандартной пробе 100 см3. Кроме того, из того же ГОСТа были взяты справочные данные о средней плотности частиц загрязнений 4000 кг/м3 и средней плотности РЖ 1000 кг/ м3. Изменение объёма пробы в результате загрязнений рассчитывалось по формуле: V  4  r3 N , 3 где N - число частиц загрязнений, посту- пающих в РЖ. Изменение массы пробы в результате загрязнений рассчитывалось по формуле: m   V , где  - средняя плотность частиц загрязнения. Анализируя представленные в таблице 1 данные, можно сделать несколько важных выводов. Попадание частиц загрязнения вы- зывает изменение как массы пробы, так и её объёма. При этом изменение массы почти в два раза превосходит изменение объёма, а значит, вышеизложенный тезис о возможно- сти пренебрежения величиной изменения объёма при расчётах верен. Величины изменения массы и объёма под воздействием загрязнений малы и на практике существенного изменения расхода РЖ не вызовут (во всяком случае в пределах соседних классов). Однако, если рассматри- вать изменение чистоты жидкости от исход- ного уровня (4-5 класс чистоты) до предот- казного (10-11 класс), то изменения расхода, а значит и вязкости, будут значительные. С другой стороны, вязкость влияет на толщину и стабильность смазывающей плен- ки, состояние которой, как упоминалось выше, крайне важно для обеспечения правильного функционирования гидравлических агрегатов. Механические примеси изменяют структуру потока, вызывая его турболизацию (рис. 1). Рассмотрим участок трубопровода, в кото- ром поток РЖ вместе с частицами загрязнений перемещается в направлении Q. Эти частички обтекаются потоком с разными скоростями (там, где путь от А до В больше, с большими скоростями и наоборот). Вследствие разности скоростей градиенты давлений на верхней и нижней поверхностях частички неодинаковы (следует из уравнения неразрывности). Под действием перепада давлений происходит движение частицы в направлении потока и вверх (позиции 1-2). При этом одновременно частица вращается вокруг своей оси, и в неко- торый момент времени (позиция 3) характер её обтекания меняется на противоположный. Да- лее движение происходит в направлении по- тока и вниз (позиции 4-5). image Рис. 1. Механизм турболизации потока РЖ частичками загрязнений Заключение Таким образом, механические при- меси, двигаясь с потоком РЖ и одновременно в радиальном направлении, до- полнительно турболизуют поток и способствуют повышенному пенообразова- нию и возникновению такого опасного явления, как кавитация. Частички за- грязнений нарушают состав масляной плёнки на поверхностях трения, тем са- мым повышая вязкость РЖ. Вследствие нарушения стабильности пленки химиче- ские реакции окисления и коррозии на этих поверхностях протекают гораздо интенсивнее. Недостаточная толщина и равномерность смазывающей плёнки (в том числе и из-за низкой вязкости) спо- собствует повышенному износу трущих- ся поверхностей гидравлических агрега- тов. Таким образом, можно утверждать, что кроме ухудшения вязкости механи- ческие примеси снижают антиокисли- тельные, антикоррозионные, противоиз- носные свойства РЖ [5]. Также загрязнения способствуют ухудшению термостабильности и увеличе- нию такого важного показателя, как сжи- маемость РЖ, что, в конечном счете, оказы- вает существенное влияние на точность ра- боты ГС. Таким образом, в рамках данной рабо- ты были рассмотрены понятие вязкости РЖ и методы её измерения. Кроме того, иссле- довано влияние вязкости на работоспособность ГС, а также изучена зависимость по- ступления механических примесей в РЖ на её вязкость. По результатам работы можно утверждать, что загрязнения оказывают все- стороннее деструктивное влияние на все свойства РЖ, а в особенности на её вяз- кость, что способствует ухудшение её со- стояния и снижению надёжности и безот- казности всей ГС. В продолжение этой работы планиру- ется провести практические исследования изменения вязкости РЖ в зависимости от содержания в ней механических примесей различных размерных фракций и концен- траций.

Об авторах

Илья Александрович Попельнюк

Самарский университет

Email: iap.ssau@gmail.com
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе,34

Список литературы

Дополнительные файлы