Viskoossustegur on töövedeliku või gaasi põhiparameeter. Füüsikalises mõttes võib viskoossust defineerida kui sisehõõrdumist, mis on põhjustatud vedela (gaasilise) keskkonna massi moodustavate osakeste liikumisest, või lihtsam alt kui liikumistakistust.
Mis on viskoossus
Lihtsaim empiiriline katse viskoossuse määramiseks: siledale kaldpinnale valatakse korraga sama kogus vett ja õli. Vesi tühjeneb kiiremini kui õli. Ta on vedelam. Liikuva õli kiiret nõrgumist takistab selle molekulide suurem hõõrdumine (sisetakistus – viskoossus). Seega on vedeliku viskoossus pöördvõrdeline selle voolavusega.
Viskoossussuhe: valem
Lihtsustatud kujul võib viskoosse vedeliku liikumise protsessi torustikus vaadelda lamedate paralleelsete kihtidena A ja B, mille pindala on S ja mille vaheline kaugus on h.
Need kaks kihti (A ja B) liiguvad erineva kiirusega (V ja V+ΔV). Kiht A, millel on suurim kiirus (V+ΔV), hõlmab kihti B, mis liigub väiksema kiirusega (V). Samal ajal kipub kiht B aeglustama kihi A kiirust. Viskoossusteguri füüsikaline tähendus seisneb selles, et voolukihtide takistuseks olevate molekulide hõõrdumine moodustab jõu, mida Isaac Newton kirjeldas järgmine valem:
F=µ × S × (ΔV/h)
Siin:
- ΔV on vedeliku voolu kihtide kiiruste erinevus;
- h – vedelikuvoolu kihtide vaheline kaugus;
- S – vedeliku voolukihi pindala;
- Μ (mu) - vedeliku omadustest sõltuv koefitsient, mida nimetatakse absoluutseks dünaamiliseks viskoossuseks.
SI-ühikutes näeb valem välja järgmine:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × sekund)
Siin F on töövedeliku ruumalaühiku raskusjõud (kaal).
Viskoossuse väärtus
Enamasti mõõdetakse dünaamilise viskoossuse koefitsienti sentipoisides (cP) vastav alt CGS ühikute süsteemile (sentimeeter, gramm, sekund). Praktikas on viskoossus seotud vedeliku massi ja ruumala suhtega, st vedeliku tihedusega:
ρ=m / V
Siin:
- ρ – vedeliku tihedus;
- m – vedeliku mass;
- V on vedeliku maht.
Dünaamilise viskoossuse (Μ) ja tiheduse (ρ) vahelist seost nimetatakse kinemaatiliseks viskoossuseks ν (ν – kreeka keeles –alasti):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Muide, viskoossusteguri määramise meetodid on erinevad. Näiteks kinemaatilist viskoossust mõõdetakse endiselt vastav alt CGS-süsteemile sentistookides (cSt) ja murdosaühikutes - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Vee viskoossuse määramine
Vee viskoossus määratakse, mõõtes aega, mis kulub vedeliku voolamiseks läbi kalibreeritud kapillaartoru. See seade on kalibreeritud teadaoleva viskoossusega standardse vedelikuga. Kinemaatilise viskoossuse määramiseks, mõõdetuna mm2/s, korrutatakse sekundites mõõdetud vedeliku vooluaeg konstandiga.
Võrdlusühikuks on destilleeritud vee viskoossus, mille väärtus on peaaegu konstantne ka siis, kui temperatuur muutub. Viskoossustegur on aja suhe sekundites, mis kulub kindlaksmääratud koguses destilleeritud vee väljavoolamiseks kalibreeritud avast ja testitava vedeliku omasse.
Viskosimeetrid
Viskoossust mõõdetakse Engleri kraadides (°E), Saybolti universaalsekundites ("SUS") või Redwoodi kraadides (°RJ) olenev alt kasutatava viskosimeetri tüübist. Kolm tüüpi viskosimeetrit erinevad ainult viskosimeetri suuruse poolest. vedelik voolab välja.
Viskosimeeter, mis mõõdab viskoossust Euroopa ühikutes Engleri kraadides (°E), arvutatud200cm3 väljavoolav vedel keskkond. Viskosimeeter, mis mõõdab viskoossust Saybolt Universal Seconds (USA-s kasutusel "SUS" või "SSU"), sisaldab 60 cm3 testvedelikku. Inglismaal, kus kasutatakse Redwoodi kraadi (°RJ), mõõdab viskosimeeter 50 cm3 vedeliku viskoossust. Näiteks kui 200 cm3 teatud õli voolab kümme korda aeglasem alt kui sama kogus vett, siis on Engleri viskoossus 10°E.
Kuna temperatuur on viskoossusteguri muutmisel võtmetegur, tehakse mõõtmised tavaliselt esm alt konstantsel temperatuuril 20 °C ja seejärel kõrgematel väärtustel. Tulemust väljendatakse seega sobiva temperatuuri lisamisega, näiteks: 10°E/50°C või 2,8°E/90°C. Vedeliku viskoossus 20°C juures on kõrgem kui viskoossus kõrgematel temperatuuridel. Hüdraulikaõlidel on vastavatel temperatuuridel järgmised viskoossused:
190 cSt 20 °C juures=45,4 cSt 50 °C juures=11,3 cSt 100 °C juures.
Tõlgi väärtused
Viskoossuskoefitsiendi määramine toimub erinevates süsteemides (ameerika, inglise, GHS) ja seetõttu on sageli vaja andmeid ühest dimensioonilisest süsteemist teise üle kanda. Engleri kraadides väljendatud vedeliku viskoossuse väärtuste teisendamiseks sentistookiteks (mm2/s), kasutage järgmist empiirilist valemit:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Näiteks:
- 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.
Hüdraulikaõli standardviskoossuse kiireks määramiseks saab valemit lihtsustada järgmiselt:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Kinemaatilise viskoossuse ν korral mm2/s või cSt saate selle teisendada dünaamilise viskoossuse koefitsiendiks Μ, kasutades järgmist seost:
M=ν × ρ
Näide. Võttes kokku erinevad teisendusvalemid Engleri kraadide (°E), sentistokes (cSt) ja sentipoise (cP) jaoks, oletame, et hüdraulikaõlil tihedusega ρ=910 kg/m3 on kinemaatiline viskoossus 12° E, mis cSt ühikutes on:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Sest 1cSt=10-6m2/s ja 1cP=10-3N×s/m2, siis on dünaamiline viskoossus:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Gaasi viskoossuse tegur
Määratakse gaasi koostise (keemiline, mehaaniline), temperatuuri, rõhu mõju järgi ning seda kasutatakse gaasi liikumisega seotud gaasidünaamilistes arvutustes. Praktikas võetakse gaasivälja arenduste projekteerimisel arvesse gaaside viskoossust, kus koefitsiendi muutused arvutatakse sõltuv alt gaasi koostise (eriti oluline gaasi kondensaadiväljade puhul), temperatuuri ja rõhu muutustest.
Arvutage õhu viskoossus. Protsessid on sarnasedkaks ülalpool käsitletud voogu. Oletame, et kaks gaasivoogu U1 ja U2 liiguvad paralleelselt, kuid erineva kiirusega. Molekulide konvektsioon (vastastikune tungimine) toimub kihtide vahel. Selle tulemusena väheneb kiiremini liikuva õhuvoolu hoog ja algselt aeglasem alt liikuv kiireneb.
Õhu viskoossustegur vastav alt Newtoni seadusele väljendatakse järgmise valemiga:
F=-h × (dU/dZ) × S
Siin:
- dU/dZ on kiiruse gradient;
- S – jõu mõjuala;
- Koefitsient h – dünaamiline viskoossus.
Viskoossusindeks
Viskoossusindeks (VI) on parameeter, mis korreleerib viskoossuse ja temperatuuri muutusi. Korrelatsioon on statistiline seos, antud juhul kaks suurust, mille puhul temperatuuri muutus kaasneb süstemaatilise viskoossuse muutusega. Mida kõrgem on viskoossusindeks, seda väiksem on muutus kahe väärtuse vahel, st töövedeliku viskoossus on temperatuurimuutustel stabiilsem.
Õli viskoossus
Kaasaegsete õlide baaside viskoossusindeks on alla 95-100 ühiku. Seetõttu saab masinate ja seadmete hüdrosüsteemides kasutada piisav alt stabiilseid töövedelikke, mis piiravad viskoossuse suurt muutust kriitiliste temperatuuride tingimustes.
"Soodsat" viskoossuskoefitsienti saab säilitada, lisades õlisse spetsiaalseid lisaaineid (polümeere), mis on saadud õli destilleerimisel. Need suurendavad õlide viskoossusindeksitselle tunnuse muutumise piiramine lubatud intervallis. Praktikas saab vajaliku koguse lisandite kasutuselevõtuga tõsta baasõli madala viskoossusindeksit 100-105 ühikuni. Sel viisil saadud segu aga halvendab oma omadusi kõrge rõhu ja soojuskoormuse korral, vähendades seeläbi lisandi efektiivsust.
Võimsate hüdrosüsteemide jõuahelates tuleks kasutada töövedelikke viskoossusindeksiga 100 ühikut. Viskoossusindeksit suurendavate lisanditega töövedelikke kasutatakse hüdraulilistes juhtimisahelates ja muudes süsteemides, mis töötavad madala / keskmise rõhu vahemikus, piiratud temperatuurivahemikus, väikeste leketega ja partiirežiimis. Rõhu tõustes suureneb ka viskoossus, kuid see protsess toimub rõhul üle 30,0 MPa (300 baari). Praktikas jäetakse see tegur sageli tähelepanuta.
Mõõtmine ja indekseerimine
Rahvusvaheliste ISO standardite kohaselt väljendatakse vee (ja muude vedelate ainete) viskoossustegurit sentistookides: cSt (mm2/s). Protsessiõlide viskoossuse mõõtmised tuleks läbi viia temperatuuridel 0°C, 40°C ja 100°C. Igal juhul peab õliklassi koodis viskoossus olema näidatud numbriga temperatuuril 40 ° C. GOST-is on viskoossuse väärtus antud temperatuuril 50 °C. Tehnikahüdraulika kõige sagedamini kasutatavad klassid ulatuvad ISO VG 22 kuni ISO VG 68.
Hüdraulikaõlidel VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 40°C juures on viskoossusväärtused, mis vastavad nende märgistusele: 22, 32, 46, 68 ja 100 cSt. Optimaalnetöövedeliku kinemaatiline viskoossus hüdrosüsteemides on vahemikus 16 kuni 36 cSt.
Ameerika autoinseneride selts (SAE) on kehtestanud viskoossusvahemikud teatud temperatuuridel ja määranud neile vastavad koodid. W-le järgnev arv on absoluutne dünaamiline viskoossus Μ temperatuuril 0 °F (-17,7 °C) ja kinemaatiline viskoossus ν määrati temperatuuril 212 °F (100 °C). See indekseerimine kehtib autotööstuses kasutatavate aastaringsete õlide kohta (käigukastid, mootorid jne).
Viskoossuse mõju hüdraulikale
Vedeliku viskoossusteguri määramine ei paku mitte ainult teaduslikku ja hariduslikku huvi, vaid sellel on ka oluline praktiline väärtus. Hüdraulikasüsteemides ei edasta töövedelikud mitte ainult energiat pumbast hüdromootoritele, vaid määrivad ka kõiki komponentide osi ja eemaldavad hõõrdepaaridest tekkiva soojuse. Töövedeliku viskoossus, mis ei vasta töörežiimile, võib tõsiselt kahjustada kogu hüdraulika tõhusust.
Töövedeliku kõrge viskoossus (väga suure tihedusega õli) põhjustab järgmisi negatiivseid nähtusi:
- Suurenenud takistus hüdraulikavedeliku voolule põhjustab hüdrosüsteemis liigse rõhulanguse.
- Juhtimiskiiruse ja täiturmehhanismide mehaaniliste liikumiste aeglustumine.
- Kavitatsiooni areng pumbas.
- Hüdraulikapaagi õlist ei vabastata õhku või see on liiga madal.
- Märgatavhüdraulika võimsuse kaotus (tõhususe langus) kõrgete energiakulude tõttu vedeliku sisehõõrdumise ületamiseks.
- Pumba suuremast koormusest tingitud masina peamootori pöördemoment on suurenenud.
- Hüdraulikavedeliku temperatuuri tõus suurenenud hõõrdumise tõttu.
Seega seisneb viskoossusteguri füüsikaline tähendus selle mõjus (positiivne või negatiivne) sõidukite, masinate ja seadmete komponentidele ja mehhanismidele.
Hüdraulikavõimsuse kaotus
Töövedeliku (madala tihedusega õli) madal viskoossus põhjustab järgmisi negatiivseid nähtusi:
- Pumbade mahulise kasuteguri vähenemine suureneva siselekke tõttu.
- Siselekete suurenemine kogu hüdrosüsteemi hüdrokomponentides – pumbad, ventiilid, hüdrojaoturid, hüdromootorid.
- Pumbaagregaatide suurenenud kulumine ja pumpade kinnikiilumine töövedeliku ebapiisava viskoossuse tõttu, mis on vajalik hõõrduvate osade määrimiseks.
Tihendatavus
Iga vedelik surub rõhu all kokku. Masinaehituses kasutatavate hüdraulika õlide ja jahutusvedelike puhul on empiiriliselt kindlaks tehtud, et kokkusurumisprotsess on pöördvõrdeline vedeliku massiga mahu kohta. Surveaste on mineraalõlide puhul kõrgem, vee puhul oluliselt madalam ja sünteetiliste vedelike puhul palju madalam.
Lihtsates madalrõhu hüdrosüsteemides on vedeliku kokkusurutavus algmahu vähenemisel tühine. Aga võimsates kõrge hüdraulikaga masinatessurve ja suured hüdrosilindrid, avaldub see protsess märgatav alt. Hüdrauliliste mineraalõlide puhul rõhul 10,0 MPa (100 baari) väheneb maht 0,7%. Samal ajal mõjutab survemahu muutust veidi kinemaatiline viskoossus ja õli tüüp.
Järeldus
Viskoossusteguri määramine võimaldab ennustada seadmete ja mehhanismide tööd erinevates tingimustes, võttes arvesse muutusi vedeliku või gaasi koostises, rõhus, temperatuuris. Samuti on nende näitajate juhtimine oluline nafta- ja gaasisektoris, kommuna alteenuste ja muudes tööstusharudes.
