Температура замерзания 9з водосодержащих жидкостей минимальна при эвтектическом соотношении концентраций вода - глицерин (гликоль) 35 :65 %. Для повышения вязкости при положительных температурах вводят загущающие присадки.

Водно-гликолевые жидкости используют в системах охлаждения.

Водно-глицериновую жидкость ПГВ (ТУ 6-02-762-78) применяют для гидросистем мобильных объектов и судовых гидроприводов (9 =-30...--75°С). Основные характеристики ПГВ: цвет синий, р = 1,15 г/см; Vso = 12...14 мм/с; V20 = 44...51 ммс; Vo = 160 ммс; v-3o = 4000 ммс; 9з<-50°С, рН = = 8,2...8,85; давление насыщенных паров Pi = 18 кПа при 60°С; с = = 2,5...2,6 кДж/(кг°С) при 9 = 20°С; испаряемость 8,4% при 60 °С; температура самовоспламенения 425 °С; поверхностное натяжение на границе с воздухом при 20 °С а = 42,5 мН/м.

Водно-глицериновые жидкости пром-гидрол марок П20, П20М1, М20М2 (ТУ 6-02-1140 - 78) предназначены для гидросистем промышленного назначения, эксплуатируемых в условиях возможной пожарной опасности. Основные характеристики жидкости П20: р = = 1,145... 1,155 г/см; Vso = 17...23mmVc; V2o = 60...90 mmVc; Уз=-10°С, рН = = 5,2...8,7, температура самовоспламенения 420°С; П20М1: р= 1,125... ...1,140 г/см; Vso = 18...25 ммс; V2o = 50...90 mmVc; 9,= -30°С; рН = = 8,1...8,6; П20М2: р = 1,145...1,155 г/ см; Vso =20...27 мм/с; V2o = 65... ...100 ммс; 9з= -45°С. Промгидрол отличается от ПГВ в основном большим содержанием загущающей присадки.

Фтор- и хлорорганические (галогено-углеводородные) жидкости по химическому составу подразделяют на три основные группы:

фторхлоруглеродные - низкомолекулярные полимеры трихлорфторэтилена (11Ф, 12Ф, 13Ф, 4Ф; кельэф, флуоролюб [55]);

р.мПа-с

Рис. 2.24. Вязкостно-температурная характеристика (у в мм/с) рабочих жидкостей: / - базовое масло АМГ-10; 2 - МГЕ-4А; 3 -АМГ-10; 4 - ВМГЗ; 5 - АУП; 6 - Шелл-27

перфторуглероды, полученные фторированием нефтяных масел;

фторсодержащие эфиры и амины (ПЭФ, БАФ, МФ; фреон Е, крайтокс, фомбалин [55]).

Физико-химические свойства и особенности применения фторорганических жидкостей рассмотрены в работах [35, 55].

Вязкость нефтяных и синтетических жидкостей очень сильно зависит от температуры. В координатах Iglg v - - Ig Г (Т= 273 -h 9) в области рабочих температур вязкостно-температурные зависимости практически прямые линии (рис. 2.24), поэтому для их описания можно использовать линейное уравнение lglg(v-f 0,6) = /l-BIgT или lg(v-b + 0,6) = AjT, где А, А, В - постоянные.

По вязкостно-температурным характеристикам жидкости подразделены на группы (см. табл. 2.16).

Загущенные РЖ. Загущенное масло представляет собой раствор полимерной присадки с относительно крупными цепными молекулами (М = 3000...30000) в маловязкой основе (М = 170...300), имеющей пологую вязкостно-температурную характеристику. Молекулы загущающей присадки образуют между собой и с молекулами основы крупные ассоциированные комплексы (рои), поэтому при малых скоростях сдвига вязкость загущенной жидкости значительно увели-

9 5 3 2

Рис. 2.25. Зависимость динамической вязкости загущенного масла от давления р и градиента скорости сдвига dv/dh при 100 °С

(Ца - вязкость ОСНОВЫ)

чивается. При больших скоростях сдвига эта структура постепенно нарушается, а цепи молекул присадки ориентируются в направлении потока. Это проявляется в уменьшении вязкости с увеличением градиента скорости сдвига dv/dh (рис. 2.25). Иногда применяют понятия первой и второй ньютоновской вязкости (ц и На соответственно при малых и больших dv/dh). Снижение вязкости загущенного масла с увеличением dv/dh - явление обратимое, поэтому при прекращении движения жидкости вязкость практически мгновенно восстанавливается до начального значения.

Глава 3

УПЛОТНЕНИЯ НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

3.1. Герметичность стыка неподвижных соединений

Герметизацию неподвижных соединений осуществляют преимущественно контактными, реже диафрагмовыми уплотнениями и уплотнениями с герметиками, а также точно соприкасающимися (притертыми) поверхностями. Назначение УН - исключить взаимное проникновение сред (утечки) через соединение при сохранении возможности его разборки. По специфике механизма герметизации контактные УН подразделяют на эластомерные кольца и прокладки, металлические уплотнения линейного контакта, металлические и неметаллические прокладки, газонаполненные кольца и комбинированные уплотнения. Эластомерные, пластмассовые и газонаполненные кольца и комбинированные уплотнения устанавливают в замкнутые канавки, что позволяет реализовать эффект самоуплотнения при повышении давления в герметизируемой полости. Такие уплотнения называют активными. Для прокладок нехарактерен эффект самоуплотнения, поэтому приходится ограничивать допустимое давление среды. Такие уплотнения называют пассивными.

В контактных УН механизм герметизации определяется характером контакта уплотняемых поверхностей соединения и уплотнителя, поэтому важное значение имеет шероховатость поверхностей и структура стыка при их сближении под действием сил, создающих контактное давление рк. Характер контакта жестких поверхностей (металл-металл), эластомеров, пластмасс или композиционных материалов с твердой поверхностью различен. Существует два метода теоретического исследования герметичности стыка между двумя реальными поверхностями, каждая из которых имеет сложную геометрическую форму. Первый метод основан на модели течения среды по системе микрощелей с параметрами 5i, Bi, li (5; «: В; > /j « /), заменяемой эквивалентной щелью с функцией формы *Р и эквивалентным зазором 5 = RzF(pk, ...). Метод учитывает возможность случайных дефектов поверхностей, загрязнений в межповерхностном слое и контактную диффузию [35]. Второй метод [14, 33] основан на модели межповерхностной полости в виде пористого слоя и использовании уравнений течения теории фильтрации. Для определения коэффициента прони-

цаемости выполняют математические исследования геометрических параметров межповерхностных зазоров в зависимости от сближения поверхностей под действием р. Этот метод применяют преимущественно при расчетах клапанных уплотнений типа металл-металл для пневмоагрегатов.

Топография поверхности и проницаемость УН. Реальная поверхность имеет отклонения от заданной (номинальной). Совокупность повторяющихся выступов и впадин с относительно малыми шагами между неровностями называют шероховатостью поверхности. Для оценки шероховатости ГОСТ 2789 - 73 устанавливает следующие параметры: Ra, Rz, Rmax, Sm, S и tp, - определяемые в пределах базовой длины / (рис. 3.1). Структуру стыка определяют также отклонения формы реальных поверхностей от формы номинальной поверхности (термины и определения см. ГОСТ 24642 - 81, числовые значения - ГОСТ 10356-63). Совокупность периодических, регулярно повторяющихся и близких по размерам неровностей (w,) с относительно большим шагом S, превышающим базовую длину /, называют волнистостью поверхности. Характеристики волнистости регламентируют рекомендации СЭВ по стандартизации РС 3951-73. Средние

величины: = (1/5) W;; S„ = (1/и)S,-. Для волнистости характерно соотношение 40 S„,/Wj < 1000. Кроме рассмот-

Таблица 3.1

Соотношение параметров шховатостн поверхности Rz, Ra, Kmax и базовой длины / при их определении (для справок)

Рис. 3.1. Профнлограмма шероховатой поверхности тела:

1 - базовая линия; 2 - линия впадин; - средняя линия; 4-линия уровня сечения {пр); 5 - линия выступов

ренных параметров, для уплотнений важен средний радиус кривизны р и угол наклона профиля у. На герметичность соединения наибольшее влияние оказывает параметр шероховатости Rz (если отклонения формы находятся в пределах заданных допусков). Поскольку в документации на изделия обычно назначают параметр Ra, в табл. 3.1 дано примерное соотношение параметров Ra, Rz и i?max-Рельеф поверхности существенно зависит от вида механической обработки (табл. 3.2). В результате точения и пластического деформирования (например, при накатывании) образуется наиболее регулярный рельеф, при фрезеровании -сетка волн, при шлифовании - система рваных впадин с большим углом наклона профиля микровыступов в поперечном

Таблица 3.2

Ориентировочные значения радиусов кривизны р и углов наклона у профиля микровыступов в зависимости от вида механической обработки [86]

Рис. 3.2. Опорная поверхность (а) и кривая опорной длины (6)

направлении упоп = 9...10° и Лтах = = 1,5...3 мкм. При полировании вершины неровностей сглаживаются (средний радиус р = 500... 1000 мкм), в результате притирки образуется нерегулярная поверхность с Y = 1 • • • 3°, Ятах = 0,3... 1 мкм и р *20...70 мкм [20].

Для характеристики состояния поверхности используют понятия опорной поверхности, номинальной Ао, контурной Ас и фактической А, площади касания (рис. 3.2, а). Соответственно контактное давление в стыке поверхностей подразделяют на номинальное рк = Р/о, контурное рк.с = Р/Ас и фактическое Ркг = Р/Аг, где Р - нормальная сила, действующая на площадь Aq.

По профилограмме (см. рис. 3.1) строят кривую относительной опорной длины профиля tp (рис. 3.2, б). Начальная часть кривой зависимости tp (х), где х - относительное сближение, описывается уравнением

(3.1)

Параметры опорной кривой b и v, зависящие от способа мехайической обработки [20, 86], находятся в пределах: для точения, фрезерования, строгания b - 0,6...2; V = 1,2...2,0; для шлифования и протягивания Ь = 0,6... 2,3; v = = 1,7...2,0; для полирования и притирки Ь = 2,0...3,5; v= 1,2...1,7. При сближении шероховатой поверхности с гладкой относительную площадь г фактического контакта определяют из решения задачи Герца о контакте тел с полупространством для модели, включающей

множество индентеров, распределенных по поверхности с определенной статистической закономерностью. Разработаны программу таких расчетов для сферических, стержневых, элипсоидальных и пирамидальных инденторов [14, 20, 86].

Относительную площадь ц определяют как сумму двух составляющих, обусловленных пластической (т1пл) и упругой (гу) деформациями:

Ц = Цпл + Tjy.

(3.2)

Составляющую г\у определяют по формуле [14]

Лу = 2,7(1 - n*2)2bi/v2ci/v(yi + i/v X

X Pi

l-l/v

/(Лтах

где с - коэффициент.

Для прокладок из мягких металлов и многих пластмасс основным механизмом деформации является пластический контакт, при котором рс = сст * const и фактическая площадь контакта мало зависит от микрогеометрии поверхностей. Установлено, что практически сСт = НВ, т. е.

Лпл = Р./НВ, (3.3)

где НВ - твердость по Бринеллю (табл. 3.3 и 3.4).

При Рк = НВ поверхность пластического материала принимает форму поверхности контактирующего с ним твердого тела. Сближение е зависит от распределения материала в шероховатом слое, т. е. от параметров опорной кривой b и V [86].

Для ухшотнений периодического действия, главным образом клапанных уплотнений, пластический контакт недопустим. В этих случаях контактирующие элементы изготовляют из материалов с высокой твердостью (закаленной стали) и обрабатывают очень точно.

Из решения задачи Герца о контакте сферы радиусом г с полупространством вытекает следующая формула для определения сближения [20]:

Таблица 3.3

Физико-механические характеристики некоторых металлов

Таблица 3.4

Физико-механические характеристики неметаллических материалов при 20 °С

l/2")2v+ 1

(3.4)

где fei = 21/; fev = F (v) - числовой коэффициент (при V = 2 fcv = 0,6; при V = 3 к, = 0,52); e = (l-ц?)£Г+(1-

- ц!) Ег - обобщенная упругая постоянная Кирхгофа. Относительная площадь контакта при е < 0,25 [20]:

/ ,l/v\l/2~) 2v+ 1

[42]. При р,/£>10- использовать формулу

(3.5)

max /

где к = ]/-2-°-\

Так как \х* 0,3, 6 «£". Показатель степени 2v/(2v -Ь 1) = 4/5 при v = 2 и 6/7 при V = 3. Фактическая площадь контакта rj = рс/Е. Все характеристики, относящиеся к микрогеометрии поверхности, объединяют комплексом А = = rb/Rmax- Ориентировочно сближению Е < 0,25 соответствует р<./£ *

% 10...10-*

рекомендуется -..„v-

Бартенева - Лаврентьева

П = Аг/А, = 1 - е-Рк/Е,

где Р - коэффициент, зависящий от шероховатости поверхности.

Механизм герметизации. Уплотняющий эффект достигается заполнением всех микронеровностей и дефектов контактной поверхности материалом уплотнителя - кольца или прокладки. Для этого, очевидно, уплотнитель должен быть сжат некоторой силой, создающей в поверхностных слоях напряжение, достаточное для их деформации до заполнения неровностей. Сближение поверхностей происходит в две стадии (рис. 3.3, а). На стадии / при весьма малых номинальных значениях рк = Piti происходит внедрение самых больших выступов и сближение поверхностей до контакта выступов высотой, примерно

Рис. 3.3. Схема сближения двух контактирующих поверхностей:

1, Г - регулярные микронеровности; 2, 2 - риски, трещины и прочие отдельные дефекты; 3 - выступы; 4 - посторонние частищ.1

равной Rz. При этом образуется система впадин и капилляров произвольной формы, близкой к плоским щелям высотой Rz - zRz (рис. 3.3, б, Э). Модель этой системы (рис. 3.3, в) учитывает т сквозных и и поперечных каналов течения жидкости (газа). На стадии П при рк > Рл происходит основная герметизация соединения в результате перекрытия микроканалов. Если в каждом микрока-

нале утечка Qj, общая утечка Q = X Qf-Перепад давлений Apj на i-м участке течения является частью перепада давле-

НИИ Ар между полостями: Ар = Ар;. Наличие поперечных каналов способствует выравниванию давления по периметру межповерхностного зазора, поэтому можно упростить схему и учитывать только сквозные микроканалы (рис. 3.3, г). Безразмерная функция формы в уравнениях (1.35) и (1.36) определяется среднестатистическими соотношениями ширины микроканалов В,- к их длине т/(т - коэффициент извилистости; I - ширина контакта уплотнения). Для схем на рис. 3.3, виг соответственно

(3.6)

где Bi = Bi/B; h = h/l « т; 6; = bt/Rz; В -периметр уплотнения.

Важно установить зависимость Ч* от Рк и р. Наиболее вероятная модель поперечного сечения микроканала имеет плоскую треугольную форму (рис. 3.3, д) с отношением основания к высоте В;/5; %20...200. По мере сближения на величину eRz уменьшаются зазор 5 « к Rz - eRz и ширина щели Bi:

5,- = Rze-pk/(fc£); Bi!(k/k,)e-PK/{kE\

где к и к, - коэффициенты, учитывающие средние статистические зависимости параметров.

Определение утечки и проницаемости по методу теории фильтрации. Если представить зазор между поверхностями в виде пористого тела, для определения расхода Q жидкости (газа) можно использовать уравнение Дарен [14, 29, 33]. В теории Козени -Кармана пористую среду представляют в виде связки капиллярных трубок равной длины / и произвольного сечения, что учитывают коэффициентом проницаемости К, м