Viskozitātes koeficients ir galvenais darba šķidruma vai gāzes parametrs. Fizikālā izteiksmē viskozitāti var definēt kā iekšējo berzi, ko izraisa daļiņu kustība, kas veido šķidras (gāzveida) vides masu, vai, vienkāršāk sakot, pretestību kustībai.
Kas ir viskozitāte
Vienkāršākais empīriskais eksperiments viskozitātes noteikšanai: vienā un tajā pašā laikā uz gludas slīpas virsmas ielej vienādu daudzumu ūdens un eļļas. Ūdens izplūst ātrāk nekā eļļa. Viņa ir šķidrāka. Kustīgai eļļai no ātras noteces neļauj paaugstināta berze starp tās molekulām (iekšējā pretestība - viskozitāte). Tādējādi šķidruma viskozitāte ir apgriezti proporcionāla tā plūstamībai.
Viskozitātes attiecība: formula
Vienkāršotā veidā viskoza šķidruma kustības procesu cauruļvadā var uzskatīt par plakaniem paralēliem slāņiem A un B ar vienādu virsmas laukumu S, attālums starp kuriem ir h.
Šie divi slāņi (A un B) pārvietojas ar atšķirīgu ātrumu (V un V+ΔV). A slānis, kuram ir vislielākais ātrums (V+ΔV), ietver slāni B, kas pārvietojas ar mazāku ātrumu (V). Tajā pašā laikā slānim B ir tendence palēnināt A slāņa ātrumu. Viskozitātes koeficienta fiziskā nozīme ir tāda, ka molekulu, kas ir plūsmas slāņu pretestība, berze veido spēku, ko Īzaks Ņūtons aprakstīja šāda formula:
F=µ × S × (ΔV/h)
Šeit:
- ΔV ir šķidruma plūsmas slāņu ātrumu atšķirība;
- h – attālums starp šķidruma plūsmas slāņiem;
- S – šķidruma plūsmas slāņa virsmas laukums;
- Μ (mu) - koeficients atkarībā no šķidruma īpašībām, ko sauc par absolūto dinamisko viskozitāti.
SI vienībās formula izskatās šādi:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × sekunde)
Šeit F ir darba šķidruma tilpuma vienības gravitācijas spēks (svars).
Viskozitātes vērtība
Lielākajā daļā gadījumu dinamisko viskozitātes koeficientu mēra centipoisos (cP) saskaņā ar CGS vienību sistēmu (centimetrs, grams, sekunde). Praksē viskozitāte ir saistīta ar šķidruma masas attiecību pret tā tilpumu, tas ir, ar šķidruma blīvumu:
ρ=m / V
Šeit:
- ρ – šķidruma blīvums;
- m – šķidruma masa;
- V ir šķidruma tilpums.
Attiecību starp dinamisko viskozitāti (Μ) un blīvumu (ρ) sauc par kinemātisko viskozitāti ν (ν - grieķu valodā -pliks):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Starp citu, viskozitātes koeficienta noteikšanas metodes ir dažādas. Piemēram, kinemātiskā viskozitāte joprojām tiek mērīta saskaņā ar CGS sistēmu centistokos (cSt) un frakcionētās vienībās - stokos (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Ūdens viskozitātes noteikšana
Ūdens viskozitāti nosaka, mērot laiku, kas nepieciešams, lai šķidrums izplūst caur kalibrētu kapilāro cauruli. Šī ierīce ir kalibrēta ar standarta šķidrumu ar zināmu viskozitāti. Lai noteiktu kinemātisko viskozitāti, ko mēra mm2/s, šķidruma plūsmas laiku, ko mēra sekundēs, reizina ar konstanti.
Salīdzinājuma mērvienība ir destilēta ūdens viskozitāte, kuras vērtība ir gandrīz nemainīga pat mainoties temperatūrai. Viskozitātes koeficients ir attiecība starp laiku sekundēs, kas nepieciešams fiksētam destilēta ūdens daudzumam, lai izplūstu no kalibrētās atveres, pret testējamā šķidruma daudzumu.
Viskometri
Viskozitāti mēra Englera grādos (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") vai Redwood grādos (°RJ) atkarībā no izmantotā viskozimetra veida. Trīs veidu viskozimetri atšķiras tikai ar lielumu šķidrums izplūst.
Viskozometrs, kas mēra viskozitāti Eiropas mērvienībās Englera grādos (°E), aprēķināts200cm3 izplūstoša šķidra barotne. Viskozimetri, kas mēra viskozitāti Saybolt Universal Seconds ("SUS" vai "SSU", ko izmanto ASV), satur 60 cm3 testa šķidruma. Anglijā, kur izmanto Redwood grādus (°RJ), viskozimetrs mēra 50 cm3 šķidruma viskozitāti. Piemēram, ja 200 cm3 noteiktas eļļas plūst desmit reizes lēnāk nekā tāda paša tilpuma ūdens, tad Englera viskozitāte ir 10°E.
Tā kā temperatūra ir galvenais viskozitātes koeficienta maiņas faktors, mērījumus parasti veic vispirms nemainīgā 20°C temperatūrā un pēc tam lielākām vērtībām. Tādējādi rezultāts tiek izteikts, pievienojot atbilstošu temperatūru, piemēram: 10°E/50°C vai 2,8°E/90°C. Šķidruma viskozitāte 20°C ir augstāka nekā viskozitāte augstākā temperatūrā. Hidrauliskajām eļļām ir šāda viskozitāte to attiecīgajās temperatūrās:
190 cSt pie 20 °C=45,4 cSt pie 50 °C=11,3 cSt pie 100 °C.
Tulkot vērtības
Viskozitātes koeficienta noteikšana notiek dažādās sistēmās (amerikāņu, angļu, GHS), un tāpēc bieži vien ir nepieciešams pārsūtīt datus no vienas dimensijas sistēmas uz citu. Lai pārvērstu šķidruma viskozitātes vērtības, kas izteiktas Englera grādos, centistokos (mm2/s), izmantojiet šādu empīrisko formulu:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Piemēram:
- 2°E=7,6 × 2 × (1-1/23)=15,2 × (0,875)=13,3 cSt;
- 9°E=7,6 × 9 × (1-1/93)=68,4 × (0,9986)=68,3 cSt.
Lai ātri noteiktu hidrauliskās eļļas standarta viskozitāti, formulu var vienkāršot šādi:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Ja kinemātiskā viskozitāte ν ir mm2/s vai cSt, varat to pārveidot par dinamiskās viskozitātes koeficientu Μ, izmantojot šādu attiecību:
M=ν × ρ
Piemērs. Apkopojot dažādās pārrēķinu formulas Englera grādiem (°E), centistokiem (cSt) un centipoise (cP), pieņemsim, ka hidraulikas eļļai ar blīvumu ρ=910 kg/m3 ir kinemātiskā viskozitāte 12° E, kas cSt vienībās ir:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Jo 1cSt=10-6m2/s un 1cP=10-3N×s/m2, tad dinamiskā viskozitāte būs:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Gāzes viskozitātes koeficients
To nosaka gāzes sastāvs (ķīmiskais, mehāniskais), temperatūras ietekme, spiediens, un tiek izmantots gāzu dinamiskos aprēķinos, kas saistīti ar gāzes kustību. Praksē gāzu viskozitāte tiek ņemta vērā, projektējot gāzes lauku attīstību, kur koeficientu izmaiņas aprēķina atkarībā no gāzes sastāva (īpaši svarīgi gāzes kondensāta laukiem), temperatūras un spiediena izmaiņām.
Aprēķiniet gaisa viskozitāti. Procesi būs līdzīgiabas iepriekš apspriestās plūsmas. Pieņemsim, ka divas gāzes plūsmas U1 un U2 pārvietojas paralēli, bet ar atšķirīgu ātrumu. Starp slāņiem notiks molekulu konvekcija (savstarpēja iespiešanās). Rezultātā ātrāk kustīgās gaisa plūsmas impulss samazināsies, un sākotnēji lēnāk kustīgā gaisa plūsma paātrināsies.
Gaisa viskozitātes koeficientu saskaņā ar Ņūtona likumu izsaka ar šādu formulu:
F=-h × (dU/dZ) × S
Šeit:
- dU/dZ ir ātruma gradients;
- S – spēka trieciena zona;
- Koeficients h - dinamiskā viskozitāte.
Viskozitātes indekss
Viskozitātes indekss (VI) ir parametrs, kas korelē viskozitātes un temperatūras izmaiņas. Korelācija ir statistiska sakarība, šajā gadījumā divi lielumi, kuros temperatūras izmaiņas pavada sistemātiskas viskozitātes izmaiņas. Jo augstāks viskozitātes indekss, jo mazāka ir abu vērtību maiņa, tas ir, darba šķidruma viskozitāte ir stabilāka, mainoties temperatūrai.
Eļļas viskozitāte
Mūsdienu eļļu bāzes viskozitātes indekss ir zem 95-100 vienībām. Tāpēc mašīnu un iekārtu hidrauliskajās sistēmās var izmantot pietiekami stabilus darba šķidrumus, kas ierobežo plašās viskozitātes izmaiņas kritiskās temperatūras apstākļos.
"Labvēlīgo" viskozitātes koeficientu var uzturēt, eļļā ievadot īpašas piedevas (polimērus), kas iegūtas eļļas destilācijas laikā. Tie palielina eļļu viskozitātes indeksušī raksturlieluma izmaiņu ierobežošana pieļaujamajā intervālā. Praksē, ieviešot nepieciešamo piedevu daudzumu, bāzes eļļas zemo viskozitātes indeksu var palielināt līdz 100-105 vienībām. Taču šādā veidā iegūtais maisījums pie augsta spiediena un karstuma slodzes pasliktina savas īpašības, tādējādi samazinot piedevas efektivitāti.
Jaudīgu hidraulisko sistēmu barošanas ķēdēs jāizmanto darba šķidrumi ar viskozitātes indeksu 100 vienības. Darba šķidrumus ar piedevām, kas palielina viskozitātes indeksu, izmanto hidrauliskajās vadības ķēdēs un citās sistēmās, kas darbojas zema / vidēja spiediena diapazonā, ierobežotā temperatūras diapazonā, ar nelielām noplūdēm un partijas režīmā. Palielinoties spiedienam, palielinās arī viskozitāte, taču šis process notiek pie spiediena virs 30,0 MPa (300 bar). Praksē šis faktors bieži tiek atstāts novārtā.
Mērīšana un indeksēšana
Saskaņā ar starptautiskajiem ISO standartiem ūdens (un citu šķidru vielu) viskozitātes koeficientu izsaka centistokos: cSt (mm2/s). Procesa eļļu viskozitātes mērījumi jāveic 0°C, 40°C un 100°C temperatūrā. Jebkurā gadījumā eļļas markas kodā viskozitāte jānorāda ar skaitli 40 ° C temperatūrā. GOST viskozitātes vērtība ir norādīta 50 ° C temperatūrā. Inženiertehniskajā hidraulikā visbiežāk izmantotās kategorijas ir no ISO VG 22 līdz ISO VG 68.
Hidrauliskajām eļļām VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 40°C temperatūrā ir viskozitātes vērtības, kas atbilst to marķējumam: 22, 32, 46, 68 un 100 cSt. Optimālidarba šķidruma kinemātiskā viskozitāte hidrauliskajās sistēmās ir robežās no 16 līdz 36 cSt.
Amerikas Automobiļu inženieru biedrība (SAE) ir noteikusi viskozitātes diapazonus noteiktās temperatūrās un piešķīrusi tiem atbilstošus kodus. Skaitlis aiz W ir absolūtā dinamiskā viskozitāte Μ pie 0 °F (-17,7 °C), un kinemātiskā viskozitāte ν tika noteikta pie 212 °F (100 °C). Šī indeksācija attiecas uz visu sezonu eļļām, ko izmanto automobiļu rūpniecībā (transmisija, motors utt.).
Viskozitātes ietekme uz hidrauliku
Šķidruma viskozitātes koeficienta noteikšanai ir ne tikai zinātniska un izglītojoša nozīme, bet tai ir arī svarīga praktiska vērtība. Hidrauliskajās sistēmās darba šķidrumi ne tikai pārnes enerģiju no sūkņa uz hidrauliskajiem motoriem, bet arī ieeļļo visas detaļu daļas un noņem siltumu, kas rodas no berzes pāriem. Darba šķidruma viskozitāte, kas nav piemērota darba režīmam, var nopietni pasliktināt visas hidraulikas efektivitāti.
Darba šķidruma augsta viskozitāte (ļoti augsta blīvuma eļļa) izraisa šādas negatīvas parādības:
- Paaugstināta pretestība hidrauliskā šķidruma plūsmai izraisa pārmērīgu spiediena kritumu hidrauliskajā sistēmā.
- Vadības ātruma un izpildmehānismu mehānisko kustību palēnināšanās.
- Kavitācijas attīstība sūknī.
- Nulle vai pārāk zema gaisa izdalīšanās no hidrauliskās tvertnes eļļas.
- Pamanāmshidraulikas jaudas zudums (efektivitātes samazināšanās) augsto enerģijas izmaksu dēļ, lai pārvarētu šķidruma iekšējo berzi.
- Palielināts mašīnas galvenā dzinēja griezes moments, ko izraisa palielināta sūkņa slodze.
- Hidrauliskā šķidruma temperatūras paaugstināšanās palielinātas berzes dēļ.
Tādējādi viskozitātes koeficienta fiziskā nozīme ir tā ietekmē (pozitīvā vai negatīvā) uz transportlīdzekļu, mašīnu un iekārtu sastāvdaļām un mehānismiem.
Hidrauliskās jaudas zudums
Darba šķidruma zema viskozitāte (maza blīvuma eļļa) izraisa šādas negatīvas parādības:
- Sūkņu tilpuma efektivitātes samazināšanās pieaugošās iekšējās noplūdes rezultātā.
- Iekšējo noplūžu palielināšanās visas hidrauliskās sistēmas hidrauliskajos komponentos - sūkņos, vārstos, hidrauliskos sadalītājos, hidrauliskos motoros.
- Palielināts sūknēšanas agregātu nodilums un sūkņu iestrēgšana nepietiekamas darba šķidruma viskozitātes dēļ, kas nepieciešams, lai nodrošinātu berzes detaļu eļļošanu.
Saspiežamība
Jebkurš šķidrums saspiež zem spiediena. Attiecībā uz eļļām un dzesēšanas šķidrumiem, ko izmanto mašīnbūves hidraulikā, ir empīriski noskaidrots, ka saspiešanas process ir apgriezti proporcionāls šķidruma masai uz tilpumu. Kompresijas pakāpe ir augstāka minerāleļļām, ievērojami zemāka ūdenim un daudz zemāka sintētiskiem šķidrumiem.
Vienkāršās zema spiediena hidrauliskajās sistēmās šķidruma saspiežamībai ir niecīga ietekme uz sākotnējā tilpuma samazināšanos. Bet jaudīgās mašīnās ar augstu hidraulisko sistēmuspiediens un lieli hidrauliskie cilindri, šis process izpaužas manāmi. Hidrauliskajām minerāleļļām ar spiedienu 10,0 MPa (100 bar) tilpums samazinās par 0,7%. Tajā pašā laikā kompresijas tilpuma izmaiņas nedaudz ietekmē kinemātiskā viskozitāte un eļļas veids.
Secinājums
Viskozitātes koeficienta noteikšana ļauj prognozēt iekārtu un mehānismu darbību dažādos apstākļos, ņemot vērā šķidruma vai gāzes sastāva izmaiņas, spiedienu, temperatūru. Tāpat šo rādītāju kontrole ir aktuāla naftas un gāzes sektorā, komunālajos pasākumos un citās nozarēs.
