Коефіцієнт температурного розширення рідини. Коефіцієнт об'ємного розширення

15.07.2012
Фізичні властивості гідравлічних масел та їх вплив на експлуатаційні характеристики

1. В'язкість, в'язкісно-температурні характеристики
В'язкість є найважливішим критерієм оцінки несучих здібностей гідравлічної олії. В'язкість диференціюють за динамічними та кінематичними показниками.
Індустріальні мастила та гідравлічні масла класифікують за ISOкласам в'язкості виходячи з їх кінематичної в'язкості, яку, своєю чергою, описують як ставлення динамічної в'язкості до щільності. Еталонною є температура 40 °С. Офіційною одиницею виміру ( St) для кінематичної в'язкості є м 2 /с, а в нафтопереробній промисловості одиницею вимірювання кінематичної в'язкості є cSt(Сантістокс) або мм 2 /с. Класифікація в'язкості ISO, DIN 51519 для рідких мастильних матеріалів описує 18 сортів (класів) в'язкості від 2 до 1500 мм 2 /с при температурі 40 °С. Кожен сорт визначають за середньою в'язкістю при 40 ° С і з допустимим відхиленням ±10% цієї величини. В'язкісно-температурна залежність має велике значення для гідравлічних масел. В'язкість різко збільшується зі зниженням температури і знижується в міру підвищення температури. У практичному сенсі порогова в'язкість рідини (припустима в'язкість при запуску, прибл. 800-2000 мм 2 /с) необхідна для використання в різних типів насосах. Мінімально допустима в'язкість за високих температур визначається початком фази граничного тертя. Мінімальна в'язкість не повинна бути нижче 7-10 мм 2 /с, щоб уникнути недопустимого зносу насосів і двигунів. Криві на в'язкісно-температурних графіках описують залежність в'язкості гідравлічних рідин від температури. У лінійних умовах В-Т- криві гіперболічні. Шляхом математичної трансформації ці В-Т- криві можуть бути представлені як прямі лінії. Ці лінії дозволяють точно визначати в'язкість у широкому температурному діапазоні. Індекс в'язкості (ІВ) є критерієм В-Т-залежності, а В-Т- крива - градієнтом на графіку. Чим вище ІВ гідравлічної рідини, тим менше зміна в'язкості зі зміною температури, тобто тим більше полог В-Т- крива. Гідравлічні олії на базі мінеральних масел зазвичай мають природний ВЕРХ 95-100. Синтетичні гідравлічні масла на базі складних ефірів мають граничний ВЕРБ 140-180, а полігліколі - природний ВЕРБ 180-200 (рис. 1)

Індекс в'язкості може бути також підвищений за допомогою присадок (полімерних присадок, які повинні мати стійкість до зсуву), званих присадками, що покращують ВВ, або в'язкісними присадками. Гідравлічні масла з високими ВВ забезпечують легкий запуск, знижують втрати в експлуатаційних характеристиках при низьких температурах і покращують ущільнення та захист від зносу при високих робочих температурах. Високоіндексні масла підвищують ефективність системи і збільшують термін служби вузлів і компонентів, схильних до зносу (що вище в'язкість при робочих температурах, тим краще коефіцієнт обсягу).

2. Залежність в'язкості від тиску
За несучу здатність мастильної плівки відповідальна залежність в'язкості мастильного матеріалу від тиску. Динамічна в'язкість рідких середовищ підвищується підвищенням тиску. Нижче наведено спосіб регулювання залежності динамічної в'язкості тиску при постійній температурі.
Залежність в'язкості від тиску, а саме збільшення в'язкості в міру підвищення тиску позитивно впливає на питоме навантаження (наприклад, на підшипники), тому що в'язкість мастильної плівки збільшується під дією високого парціального тиску з 0 до 2000 атм. В'язкість HFCрідини збільшується вдвічі, мінеральної олії - в 30 разів, в HFDрідини - у 60 разів. Цим пояснюється порівняно короткий термін служби роликових підшипників, якщо для їх змащення використовують ( HFA, HFC) мастила на водній основі. На рис. 2. та 3 показана залежність в'язкості від тиску для різних гідравлічних рідин.

В'язко-температурні характеристики можуть бути описані експоненційним виразом:

η = η ο · e α P ,

Де η ο - динамічна в'язкість при атмосферному тиску, α - коефіцієнт залежності «в'язкість-тиск», Р-Тиск. Для HFCα = 3,5 · 10 -4 атм -1;
для HFDα = 2,2 · 10 -3 атм -1; для HLPα = 1,7 · 10 -3 атм -1

3. Щільність
Втрати гідравлічних рідин у трубопровідній обв'язці та елементах гідравлічної системи прямо пропорційні щільності рідини. Наприклад, втрати тиску прямо пропорційні щільності:

Δ P= (ρ/2)·ξ· з 2 ,

Де ρ - густина рідини, ξ, - коефіцієнт опору, зшвидкість течії рідини, а Δ P- Втрата тиску.
Щільність - це маса одиниці об'єму рідини.

ρ = m/V(Кг/м 3).

Щільність гідравлічної рідини вимірюють за температури 15 °С. Вона залежить від температури та тиску, оскільки об'єм рідини збільшується зі збільшенням температури. Таким чином, зміна об'єму рідини в результаті нагрівання відбувається за рівнянням

Δ V=V·β темп Δ T,

Що призводить до зміни щільності:

Δρ = ρ·β темп Δ T.

У гідростатичних умовах за температур від -5 до +150 °С достатньо застосування лінійної формули до наведеного вище рівняння. Коефіцієнт термічного об'ємного розширення β темп може бути застосований до всіх типів гідравлічних рідин.

Так як коефіцієнт термічного розширення мінеральних масел приблизно становить 7 · 10 -4 К -1 то обсяг гідравлічної рідини збільшується на 0,7%, якщо її температура підвищується на 10 °С. На рис. 5 показано залежність об'єму гідравлічних рідин від температури.

Залежність «щільність-тиск» гідравлічних рідин слід також включити в гідростатичну оцінку, оскільки стисливість рідин негативно впливає на їх динамічні характеристики. Залежність щільності від тиску можна легко зчитувати за відповідними кривими (рис. 6).

4. Стиснення
Стискання гідравлічних рідин на базі мінеральних масел залежить від температури і тиску. При тисках аж до 400 атм і температурах до 70 ° С, які є граничними для індустріальних систем, стисливість ревалентна системі. Гідравлічні рідини, що застосовуються у більшості гідравлічних систем, можна вважати нестисливими. Однак при тисках від 1000 до 10 000 атм можуть спостерігатися зміни у стисливості середовища. Стиснення виражається коефіцієнтом β або модулем М(Мал. 7, М = До).

М= 1/β атм = 1/β · 10 5 Н · м 2 = 1/β · 10 5 Па.

Зміну обсягу можна визначити за допомогою рівняння

Δ V=V · β( P max - Рпоч)

Де Δ V- Зміна обсягу; Р max – максимальний тиск; Рпоч - початковий тиск.

5. Розчинність газів, кавітація
Повітря та інші гази можуть розчинятися у рідинах. Рідина може абсорбувати газ до насичення. Не повинно негативно впливати на характеристики рідини. Розчинність газу в рідині залежить від базової складової типу газу, тиску та температури. При тиску до ≈300 атм. розчинність газу пропорційна тиску та відповідає закону Генрі.

V G = V F·α V · P/P o ,

Де VG- Об'єм розчиненого газу; V F - обсяг рідини, Р o - атмосферний тиск, P-Тиск рідини; α V -коефіцієнт розподілу Бунзена (1,013 мбар,20 ° С).
Коефіцієнт Бунзена високою мірою залежить від базової рідини і показує, наскільки (%) газ розчинений в одиниці об'єму рідини в нормальних умовах. Розчинений газ може виділятися з гідравлічної рідини при низькому статичному тиску (високій швидкості потоку та високій напрузі зсуву) до тих пір, поки не досягнуто нової точки насичення. Швидкість, з якою газ залишає рідину, зазвичай перевищує швидкість, з якою газ абсорбується рідиною. Газ, що виходить з рідини у вигляді бульбашок, змінює стисливість рідини аналогічно бульбашкам повітря. Навіть за низьких тисків невелика кількість повітря може різко знизити стисливість рідини. У мобільних системах з високою кратністю циркуляції рідини вміст нерозчиненого повітря може досягати величин до 5%. Це нерозчинене повітря дуже негативно впливає на експлуатаційні характеристики, несучу здатність та динаміку системи (див. розділ 6 – деаерація та розділ 7 – піноутворення). Оскільки стисливість рідин у системах зазвичай протікає дуже швидко, бульбашки повітря можуть раптово розігрітися до високої температури (адіабатична компресія). В екстремальних випадках може бути досягнута температура загоряння рідини та мати місце мікродизельні ефекти.
Бульбашки газу можуть вибухнути в насосах внаслідок стиснення, що може призвести до пошкодження внаслідок ерозії (яку іноді називають кавітацією або псевдокавітацією). Ситуація може посилитися, якщо у рідині утворюються бульбашки парів. Таким чином, кавітація відбувається тоді, коли тиск падає нижче розчинності газу або нижче тиску насичених парів рідини.
Кавітація в основному відбувається у відкритих системах з постійним обсягом, тобто небезпека цього явища є актуальною для впускних і випускних контурів і насосів. Її причинами можуть бути надто низький абсолютний тиск внаслідок втрат у швидкості потоку у вузьких поперечних перерізах, на фільтрах, колекторах та дросельних заслінках, внаслідок надлишкового натиску на вході або втрат тиску внаслідок надмірної в'язкості рідини. Кавітація може призвести до ерозії насосів, зниження к. п. д., піків тиску та надмірного шуму.
Це може негативно впливати на стабільність дросельних регуляторів і викликати спінювання в ємностях, якщо суміш рідина-вода повертається в ємність при атмосферному тиску.

6. Деаерація
При поверненні гідравлічних рідин назад у резервуари потік рідини здатний захопити повітря. Це може статися через виток у трубопровідній обв'язці при звуженні та частковому вакуумі. Турбулентність у резервуарі або локальна кавітація говорить про утворення бульбашок повітря у рідині.
Захоплене таким чином повітря має вийти на поверхню рідини, інакше при попаданні в насос може призвести до пошкодження інших компонентів системи. Швидкість, з якою бульбашки повітря піднімаються на поверхню, залежить від діаметра бульбашок, в'язкості рідини, щільності та якості базової олії. Чим вища якість і чистота базової олії, тим швидше відбувається деаерація. Малов'язкі олії зазвичай деаеруються швидше, ніж високов'язкі базові олії. Це з швидкістю підйому бульбашок.

C = (ρ FL -ρ L )Χ/η,

Де ρ FL- Щільність рідини; ρ L- Щільність повітря; η-динамічна в'язкість; X-константа, яка залежить від щільності та в'язкості рідини.
Системи повинні бути сконструйовані таким чином, щоб повітря не потрапляло в рідину, а у разі потрапляння захоплені бульбашки повітря могли легко вийти. Критичними зонами є резервуари, які повинні бути забезпечені перегородками і відбивачами повітря, і конфігурація трубопровідних обв'язок і контурів. Присадки що неспроможні позитивно проводити деаэрационные властивості гідравлічних рідин. ПАР (зокрема, антипінні присадки на основі силіконів) та забруднюючі домішки (наприклад, пластичні мастила та інгібітори корозії) шкідливо впливають на деаераційні характеристики гідравлічних масел. Мінеральні олії зазвичай мають кращі деаераційні властивості, ніж вогнестійкі рідини. Деаераційні властивості HPLDгідравлічної рідини можуть бути порівняні з властивостями гідравлічних рідин HLP.
Випробування визначення деаераційних властивостей описано у стандарті DIN 51 381. Цей метод полягає у нагнітанні повітря в олію. Число деаерації - це час, який потрібен повітрям (мінус 0,2%) для того, щоб залишити рідину при температурі 50 ° С в заданих умовах.
Частку диспергованого повітря визначають шляхом вимірювання густини масляно-повітряної суміші.

7. Піноутворення
Поверхневе спінювання відбувається, коли швидкість деаерації вище швидкості, з якої бульбашки повітря лопаються на поверхні рідини, тобто коли бульбашок, що утворилися більше, ніж зруйнованих. У найгіршому випадку ця піна може бути видавлена ​​з бака через отвори або віднесена в насос. Антипінні присадки на основі силіконів або силіконів, що не містять, здатні прискорити руйнування бульбашок шляхом зниження поверхневого натягу піни. Вони також негативно впливають на деаераційні властивості рідини, що може спричинити проблеми стисливості та кавітації. Тому антипінні присадки застосовують у дуже малих концентраціях (≈ 0,001%). Концентрація антипінної присадки може прогресивно знижуватися в результаті старіння та осадження на металевих поверхнях, також проблеми піноутворення часто виникають при використанні старих рідин, що вже працювали. Подальше введення антипінної присадки слід проводити тільки після консультації з виробником гідравлічної рідини.
Об'єм піни, що утворюється на поверхні рідини, вимірюють за часом (відразу через 10 хв) і при різних температурах (25 і 95 °С). ПАР, детергенти або диспергуючі присадки, забруднювачі у вигляді пластичного мастила, інгібіторів корозії, засобів для чищення, СОЖ, побічних продуктів окислення і т. д. можуть негативно впливати на ефективність антипінних присадок.

8. Деемульгування
Деемульгування - це здатність гідравлічної рідини відштовхувати проникну воду. Вода в гідравлічну рідину може потрапити в результаті витоку з теплообмінника, утворення конденсованої води в резервуарах внаслідок значних змін у рівні олії, поганої фільтрації, забруднення води через несправність ущільнень та екстремальних навколишніх умовах. Вода в гідравлічній рідині може спричинити корозію, кавітацію в насосах, збільшити тертя та знос, прискорити руйнування еластомерів та пластиків. Вільну воду слід якомога швидше видаляти з ємностей із гідравлічними рідинами через зливні крани. Забруднення водорозчинними СОЖ, особливо можливе на верстатному устаткуванні, може викликати утворення липких залишків після випаровування води. Це може спровокувати проблеми в насосах, клапанах та циліндрах. Гідравлічна рідина повинна швидко і повністю відштовхувати воду, що проникла в неї. Деемульгування визначають за DIN 51 599, але цей метод не застосовується до гідравлічних рідин, що містять мийно-диспергуючі ( DD) присадки. Деемульгування - це час, який потрібен для поділу сумішей олії та води. Параметрами деемульгування є:
. в'язкість до 95 мм 2 /с при 40 °С; температура випробування 54 ° С;
. в'язкість > 95 мм 2 /с; температура 82 °С.
У гідравлічних оліях, що містять DDприсадки, вода, рідкі та тверді забруднюючі домішки утримуються у зваженому стані. Вони можуть бути видалені за допомогою відповідних систем фільтрування без використання гідравлічної функції машини, виключаючи негативний вплив на гідравлічну рідину. Тому DDгідравлічні рідини часто застосовуються в гідростатичному верстатному обладнанні та в мобільних гідравлічних системах.
Для машин з високою кратністю циркуляції, що потребують постійної експлуатаційної готовності і перманентно наражені на небезпеку попадання води та інших забруднювачів, застосування миючих гідравлічних рідин є першорядною областю. Гідравлічні рідини, що мають деемульгуючі властивості, рекомендуються до застосування в сталеплавильних і прокатних цехах, де присутні великі об'єми води і невисока кратність циркуляції дозволяє проводити поділ емульсій в резервуарі. Деэмульгирующие властивості модифікованої формі використовуються визначення сумісності устаткування з гідравлічними маслами. Старіння гідравлічної рідини негативно впливає на властивості, що деемулюють.

9. Температура застигання
Температура застигання - це найнижча температура, за якої рідина все ще зберігає плинність. Зразок рідини систематично охолоджують і відчувають плинність при зниженні температури на кожні 3 °С. Такі параметри, як температура застигання та гранична в'язкість, визначають найнижчу температуру, при якій можливе нормальне застосування олії.

10. Мідна корозія (випробування на мідній платівці)
Мідь і мідь містять матеріали часто застосовуються в гідравлічних системах. Такі матеріали, як латунь, ливарна бронза або спечена бронза містяться в елементах підшипників, що направляють або у вузлах управління, повзунах, гідравлічних насосах та моторах. Мідні труби застосовують у системах охолодження. Мідна корозія може призвести до відмови всієї гідравлічної системи, тому випробування на корозію мідної пластинки проводять для отримання інформації про корозійну агресивність базових рідин і присадок по відношенню до матеріалів, що містять мідь. Методика випробування на корозійну агресивність гідравлічних рідин на мінеральній основі, тобто біологічно розкладаються рідин, по відношенню до кольорових металів відома як метод Лінде (відбірковий метод випробування олій, що біологічно розкладаються, на корозійну агресивність по відношенню до мідних сплавів) ( SAEТехнічний бюлетень 981 516, квітень 1998 р.), також відомий як VDMA 24570 (VDMA 24570 - гідравлічні рідини, що біологічно швидко розкладаються - вплив на сплави з кольорових металів 03-1999 німецькою мовою).
Відповідно до стандарту DIN 51759, корозія на мідній платівці може виражатися у формі зміни кольору або утворення лусочок. Шліфувальну мідну платівку занурюють у випробувану рідину на заданий час при заданій температурі. Гідравлічні та мастила зазвичай випробовують при температурі 100 °С. Ступінь корозії оцінюють у балах:
1 - легка зміна кольору;
2 - помірна зміна кольору;
3 - сильна зміна кольору;
4 - корозія (потемніння).

11. Зміст води (Метод Карла Фішера)
Якщо вода потрапляє в гідравлічну систему частково тонкодиспергованої настільки, що вона проникає в масляну фазу, то залежно від густини гідравлічної рідини вода може виділятися з масляної фази. Цю можливість необхідно враховувати під час відбору проб визначення змісту води.
Визначення вмісту води в мг/кг (мас) за методом Карла Фішера пов'язане із введенням розчину Карла Фішера при прямому або непрямому титруванні.

12. Стійкість до старіння (метод Баадера)
Це спроба повторити вивчення впливу повітря, температури та кисню на гідравлічні рідини у лабораторних умовах. Була спроба штучно прискорити старіння гідравлічних масел шляхом підвищення температури вище за рівні практичного застосування, а також рівня кисню в присутності металевих каталізаторів. Збільшення в'язкості та збільшення кислотного числа (вільна кислота) реєструють та оцінюють. Результати лабораторних випробувань переводять у практичні умови. Метод Баадера - це практичний спосіб випробування гідравлічних і мастил на старіння.
Протягом заданого періоду часу зразки піддають старінню при заданих температурі і тиску потоку повітря при періодичному зануренні в масло мідного змійовика, що діє як прискорювач окислення. Відповідно до DIN 51 554-3 С, CLі CLPрідини та HL, HLP, НМгідравлічні олії випробовують на окисну стабільність при температурі 95 °С. Число омилення виражається в мг КОН/г.

13. Стійкість до старіння (метод TOST)
Окислювальну стабільність масел для парових турбін і гідравлічних масел, що містять присадки, визначають відповідно до DIN 51 587. Метод TOSTвже багато років застосовується для випробування турбінних олій та гідравлічних рідин на базі мінеральних олій. У модифікованому вигляді (без води) сухий TOSTМетод застосовується визначення окисної стійкості гідравлічних масел з урахуванням складних ефірів.
Старіння мастил характеризується збільшенням кислотного числа, коли масло піддається впливу кисню, води, сталі та міді протягом максимум 1000 год при 95 ° С (крива нейтралізації в міру старіння). Максимально допустиме збільшення кислотного числа - 2 мг КОН/г після 1000 год.

14. Кислотне число (число нейтралізації)
Кислотне число гідравлічної олії збільшується внаслідок старіння, перегріву чи окислення. Продукти старіння, що утворилися, можуть агресивно діяти на насоси і підшипники гідравлічної системи. Тому кислотне число є важливим критерієм оцінки стану гідравлічної рідини.
Кислотне число вказує на кількість кислотних або лужних речовин у мастилі. Кислоти у мінеральних оліях можуть агресивно діяти на конструкційні матеріали гідравлічної системи. Високий вміст кислоти небажаний, оскільки можливий в результаті окислення.

15. Захисні антиокислювальні властивості по відношенню до сталі/чорних металів
Антиокислювальні властивості турбінних та гідравлічних масел, що містять присадки, по відношенню до сталі/чорних металів визначають відповідно до стандарту DIN 51 585.
Гідравлічні рідини часто містять дисперговану, розчинену або вільну воду, тому гідравлічна рідина повинна забезпечувати захист від корозії всіх вузлів, що змочуються, в будь-яких умовах експлуатації, включаючи забруднення водою. Цей метод випробування визначає характеристики антикорозійних присадок у різних умовах експлуатації.
Випробуване масло перемішують з дистильованою водою (метод А) або зі штучною морською водою (метод В), безперервно помішуючи (протягом 24 год при температурі 60 ° С) сталевим стрижнем, зануреним у суміш. Після сталевий стрижень досліджують корозію. Результати дозволяють оцінювати антикорозійні захисні властивості олії по відношенню до сталевих компонентів, що знаходяться в контакті з водою або водяними парами:
ступінь корозії 0 означає відсутність корозії,
ступінь 1 - незначну корозію;
ступінь 2 - помірну корозію;
ступінь 3 – сильну корозію.

16. Протизносні властивості (чотирикульова машина Shell; VKA, DIN 51350)
Чотирьохкульковий апарат компанії Shellслужить для вимірювання протизносних та протизадирних властивостей гідравлічних рідин. Несучу здатність гідравлічних рідин відчувають за умов граничного тертя. Метод служить для визначення величин мастил з присадками, які витримують високий тиск в умовах граничного тертя між поверхнями ковзання. Мастильне масло випробовують у чотирикульковому апараті, який складається з однієї (центральної) кульки, що обертається, і трьох нерухомих кульок, розташованих у вигляді кільця. У постійних умовах випробувань і із заданою тривалістю вимірюють діаметр плями контакту на трьох стаціонарних кульках або навантаження на кульку, що обертається, яка може збільшуватися до зварювання з рештою трьома кульками.

17. Стійкість до зсуву мастил, що містять полімери
У мастила для підвищення в'язкісно-температурних характеристик вводять полімери, що застосовуються як присадки, що покращують індекс в'язкості. У міру збільшення молекулярної маси ці речовини стають все більш чутливими до механічних навантажень, наприклад таких навантажень, які існують між поршнем і його циліндром. Для оцінки стійкості мастил до зсуву в різних умовах існують кілька методів випробувань:
DIN 5350-6, чотирикульковий метод, DIN 5354-3,FZGметод та DIN 51382, метод упорскування дизельного палива.
Зниження відносної в'язкості внаслідок зсуву після 20-годинного випробування DIN 5350-6 (визначення стійкості до зсуву мастил, що містять полімери, що застосовуються для роликових підшипників з конічним вкладишем) застосовується відповідно до DIN 51524-3 (2006); рекомендується зниження в'язкості внаслідок зсуву менш як на 15%.

18. Механічні випробування гідравлічних рідин у ротаційних крильчатих насосах ( DIN 51 389-2)
Випробування на насосі Віккерса та насосах інших виробників дозволяє реально оцінювати характеристики гідравлічних рідин. Проте в даний час у стадії розробки знаходяться альтернативні методи випробування (зокрема, проект DGMK 514 - механічні випробування гідравлічних рідин).
Метод Віккерса служить для визначення протизносних властивостей гідравлічних рідин у ротаційному крильчастому насосі при заданих величинах температури і тиску (140 атм, 250 год робочої в'язкості рідини 13 мм 2 /с при температурі, що змінюється). Після закінчення випробування обстежують кільця та крила на знос ( Vickers V-104З 10 або Vickers V-105З 10). Значення максимально допустимого зношування:< 120 мг для кольца и < 30 мг для крыльев.

19. Протизносні властивості (випробування на шестеренному) FZGстенді; DIN 534-1і-2)
Гідравлічні рідини, особливо високов'язкі сорти, застосовуються як гідравлічні та мастильні мастила в комбінованих системах. Динамічна в'язкість є головним фактором протизносних характеристик у режимі гідродинамічного мастила. При малих швидкостях ковзання чи високих тисках за умов граничного тертя протизносні властивості рідини залежить від застосованих присадок (освіта реактивного шару). Ці граничні умови відтворюються при випробуванні на FZGстенд.
Цей метод застосовується головним чином визначення граничних характеристик мастильних матеріалів. Певні шестерні, що обертаються з певною швидкістю, змащують розбризкуванням або розпорошенням олії, початкову температуру якого реєструють. Навантаження на ніжки зубів поступово підвищують і записують характеристики зовнішнього вигляду ніжок зубів. Цю процедуру повторюють до кінцевого 12-го ступеня навантаження: тиск по Герцу на 10-му ступені навантаження в смузі зачеплення становить 1539 Н/мм2; на щаблі 11 - 1691 Н/мм 2 ; на 12-му ступені - 1841 Н/мм 2 . Вихідна температура на рівні 4 становить 90 °С, периферична швидкість - 8,3 м/с, граничну температуру не визначають; застосовують геометрію шестерень А.
Визначають навантажувальний ступінь відмови за DIN 51 524-2. Для позитивного результату це має бути ступінь не менше 10-го. Гідравлічні рідини, що відповідають вимогам ISO VG 46, що не містять протизносних присадок, зазвичай досягають навантажувального ступеня 6 (≈ 929 Н/мм 2). Гідравлічні рідини, що містять цинк, зазвичай досягають не менше 10-11-го навантажувального ступеня до руйнування. Такі, що не містять цинку ZAFгідравлічні рідини витримують ступінь навантаження 12 або вище.

Роман Маслов.
За матеріалами закордонних видань.

Подібно до температурного коефіцієнта лінійного розширення можна ввести та застосовувати температурний коефіцієнт об'ємного розширення, який є характеристикою зміни об'єму тіла при зміні його температури. Емпірично встановлено, що збільшення обсягу в цьому випадку можна вважати пропорційним зміні температури, якщо вона змінюється не на дуже велику величину. Коефіцієнт об'ємного розширення може бути позначений по-різному, немає жодного позначення. Часто зустрічається позначення:

ВИЗНАЧЕННЯ

Позначимо об'єм тіла при початковій температурі (t) як V, об'єм тіла при кінцевій температурі , як , об'єм тіла при температурі , як , тоді коефіцієнт об'ємного розширеннявизначимо у вигляді формули:

Тверді тіла та рідини збільшують свій об'єм зі збільшенням температури незначно, отже, так званий «нормальний об'єм» () при температурі несуттєво відрізняється від об'єму за іншої температури. Тому у виразі (1) замінюють на V, при цьому виходить:

Слід зауважити, що для газів теплове розширення інше та заміна «нормального» обсягу на V можливе лише для малих інтервалів температур.

Коефіцієнт об'ємного розширення та об'єм тіла

Використовуючи коефіцієнт об'ємного розширення можна записати формулу, яка дозволяє розрахувати об'єм тіла, якщо відомі початковий об'єм та збільшення температури:

де. Вираз () називають біномом об'ємного розширення.

Теплове розширення твердого тіла пов'язують з ангармонічністю теплових коливань частинок, що становлять кристалічну решітку тіла. В результаті даних коливань зі збільшенням температури тіла збільшується рівноважна відстань між сусідніми частинками цього тіла.

Коефіцієнт об'ємного розширення та щільність речовини

Якщо при незмінній масі відбувається зміна об'єму тіла, це призводить до зміни щільності його речовини:

де - Початкова щільність, - щільність речовини при новій температурі. Так як величина то вираз (4) іноді записують як:

Формули (3)-(5) можна використовувати при нагріванні тіла та при його охолодженні.

Зв'язок об'ємного та лінійного коефіцієнтів теплового розширення

Одиниці виміру

Основною одиницею вимірювання коефіцієнта температурного розширення у системі СІ є:

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Який тиск показує ртутний барометр, який знаходиться в кімнаті, якщо температура в приміщенні постійна і дорівнює t = 37 o С. Коефіцієнт об'ємного розширення ртуті дорівнює Розширення скла можна знехтувати.
Рішення	Фактичним обсягом ртуті в барометрі буде величина V, яку можна знайти відповідно до виразу: де - обсяг ртуті при нормальному атмосферному тиску та температурі. Так температура в кімнаті не змінюється, то можна використовувати закон Бойля - Маріотта і записати, що: Проїдемо обчислення:
Відповідь	Па

ПРИКЛАД 2

Завдання

Яка різниця рівнів рідини в двох однакових трубках, що сполучаються, якщо ліва трубка має постійну температуру , а права title="(!LANG:Rendered by QuickLaTeX.com" height="18" width="66" style="vertical-align: -4px;">). Высота жидкости в левой трубке равна (рис.1). Коэффициент объемного расширения жидкости равен . Расширение стекла моно не учитывать.!}

Зв'язки між частинками рідини, як ми знаємо, слабші, ніж між молекулами у твердому тілі. Тому слід очікувати, що при однаковому нагріванні рідини розширюються більшою мірою, ніж тверді тіла. Це справді підтверджується на досвіді.

Наповнимо колбу з вузьким і довгим шийкою підфарбованою рідиною (водою або краще гасом) до половини шийки і відзначимо гумовим кільцем рівень рідини. Після цього опустимо колбу в посудину з гарячою водою. Спочатку буде видно зниження рівня рідини в шийці колби, а потім рівень почне підвищуватися і підніметься значно вище за початковий. Це тим, що спочатку нагрівається посудина і його збільшується. Через це рівень рідини опускається. Потім нагрівається рідина. Розширюючись, вона не тільки заповнює обсяг судини, що збільшився, а й значно перевищує цей обсяг. Отже, рідини розширюються більшою мірою, ніж тверді тіла.

Температурні коефіцієнти об'ємного розширення рідин значно більші за коефіцієнти об'ємного розширення твердих тіл; вони можуть досягати значення 10 -3 -1 .

Рідина не можна нагріти, не нагріваючи посудини, в яких вона знаходиться. Тому ми можемо спостерігати справжнього розширення рідини в посудині, оскільки розширення судини занижує видиме збільшення обсягу рідини. Втім, коефіцієнт об'ємного розширення скла та інших твердих тіл зазвичай значно менший за коефіцієнт об'ємного розширення рідини, і при не дуже точних вимірах збільшенням обсягу судини можна знехтувати.

Особливості розширення води

Найбільш поширена на Землі рідина - вода - має особливі властивості, що відрізняють її від інших рідин. У води при нагріванні від 0 до 4 ° С обсяг не збільшується, а зменшується. Лише з 4 °С обсяг води починає при нагріванні зростати. При 4 °С таким чином об'єм води мінімальний, а щільність максимальна*. На малюнку 9.4 показано приблизну залежність щільності води від температури.

* Ці дані відносяться до прісної (хімічно чистої) води. У морської води найбільша щільність спостерігається приблизно за 3 °С.

Зазначена особлива властивість води дуже впливає на характер теплообміну у водоймах. При охолодженні води спочатку щільність верхніх шарів збільшується і вони опускаються вниз. Але після досягнення повітрям температури 4 °С подальше охолодження вже зменшує щільність і холодні шари води залишаються на поверхні. В результаті в глибоких водоймищах навіть при дуже низькій температурі повітря вода має температуру близько 4 °С.

Об'єм рідких і твердих тіл збільшується прямо пропорційно зростанню температури. У води виявляється аномалія: її щільність максимальна при 4 °С.

§ 9.4. Облік та використання теплового розширення тіл у техніці

Хоча лінійні розміри та обсяги тіл при зміні температури змінюються мало, проте ця зміна нерідко доводиться враховувати у практиці; водночас це явище широко використовується у побуті та техніці.

Облік теплового розширення тіл

Зміна розмірів твердих тіл внаслідок теплового розширення призводить до появи величезних сил пружності, якщо інші тіла перешкоджають цій зміні розмірів. Наприклад, сталева бруківка балка перетином 100 см 2 при нагріванні від -40 °С взимку до +40 °С влітку, якщо опори перешкоджають її подовженню, створює тиск на опори (напруга) до 1,6 10 8 Па, тобто діє на опори із силою 1,6 10 6 Н.

Наведені значення можуть бути отримані із закону Гука та формули (9.2.1) для теплового розширення тел.

Відповідно до закону Гука механічна напруга
де
- відносне подовження, a Е- Модуль Юнга. Згідно (9.2.1)
. Підставляючи це значення відносного подовження у формулу закону Гука, отримаємо

(9.4.1)

У сталі модуль Юнга Е= 2,1 10 11 Па, температурний коефіцієнт лінійного розширення α 1 = 9 10 -6 К -1. Підставивши ці дані у вираз (9.4.1), отримаємо, що за Δ t = 80 °С механічна напруга σ = 1,6 10 8 Па.

Так як S = 10 -2 м 2 то сила F = σS = 1,6 10 6 Н.

Для демонстрації сил, що з'являються під час охолодження металевого стрижня, можна зробити наступний досвід. Нагріємо залізний стрижень з отвором на кінці, в який вставлений чавунний стрижень (рис. 9.5). Потім вставимо цей стрижень у масивну металеву підставку із пазами. При охолодженні стрижень скорочується, і в ньому виникають такі великі сили пружності, що чавунний стрижень ламається.

Теплове розширення тіл потрібно враховувати під час конструювання багатьох споруд. Необхідно вживати заходів для того, щоб тіла могли вільно розширюватись або стискатися при зміні температури.

Не можна, наприклад, туго натягувати телеграфні дроти, а також дроти ліній електропередач (ЛЕП) між опорами. Влітку провисання дротів помітно більше, ніж узимку.

Металеві паропроводи, а також труби водяного опалення доводиться постачати вигинами (компенсаторами) у вигляді петель (рис. 9.6).

Внутрішня напруга може виникати при нерівномірному нагріванні однорідного тіла. Наприклад, скляна пляшка або склянка з товстого скла можуть луснути, якщо налити гарячу воду. Насамперед відбувається нагрівання внутрішніх частин судини, що стикаються з гарячою водою. Вони розширюються і сильний тиск на зовнішні холодні частини. Тому може статися руйнація судини. Тонка склянка не лопається при наливанні в нього гарячої води, так як його внутрішня і зовнішня частини однаково швидко прогріваються.

Дуже низький температурний коефіцієнт лінійного розширення має кварцове скло. Таке скло витримує, не тріскаючись, нерівномірне нагрівання чи охолодження. Наприклад, в розпечену до червоного колбочку з кварцового скла можна вливати холодну воду, тоді як колба зі звичайного скла при такому досвіді лопається.

Різнорідні матеріали, що піддаються періодичному нагріванню та охолодженню, слід з'єднувати разом лише тоді, коли їх розміри при зміні температури змінюються однаково. Це особливо важливо за великих розмірів виробів. Так, наприклад, залізо та бетон при нагріванні розширюються однаково. Саме тому широкого поширення набув залізобетон – затверділий бетонний розчин, залитий у сталеву решітку – арматуру (рис. 9.7). Якби залізо та бетон розширювалися по-різному, то в результаті добових та річних коливань температури залізобетонна споруда незабаром зруйнувалася б.

Ще кілька прикладів. Металеві провідники, впаяні в скляні балони електроламп і радіоламп, роблять із сплаву (заліза та нікелю), що має такий же коефіцієнт розширення, як і скло, інакше при нагріванні металу скло тріснуло б. Емаль, якою покривають посуд, і метал, з якого цей посуд виготовляється, повинні мати однаковий коефіцієнт лінійного розширення. В іншому випадку емаль лопатиметься при нагріванні та охолодженні покритого нею посуду.

Значні сили можуть розвиватися і рідиною, якщо нагрівати її в замкнутій посудині, що не дозволяє розширюватися рідини. Ці сили можуть призвести до руйнування судин, у яких міститься рідина. Тому з цією властивістю рідини теж доводиться зважати. Наприклад, системи труб водяного опалення завжди забезпечуються розширювальним баком, приєднаним до верхньої частини системи та сполученим з атмосферою. При нагріванні води в системі труб невелика частина води перетворюється на розширювальний бак, і цим виключається напружений стан води та труб. З цієї ж причини в силовому трансформаторі з масляним охолодженням зверху є розширювальний бак для олії. При підвищенні температури рівень олії в баку підвищується, при охолодженні олії - знижується.

При зміні температури відбувається зміна розмірів твердого тіла, яку називають тепловим розширенням. Розрізняють лінійне та об'ємне теплове розширення. Ці процеси характеризують коефіцієнтами теплового (температурного) розширення: - Середній коефіцієнт лінійного температурного розширення, середній коефіцієнт об'ємного теплового розширення.

ВИЗНАЧЕННЯ

Коефіцієнтом температурного розширенняназивають фізичну величину, що характеризує зміну лінійних розмірів твердого тіла при зміні його температури.

Застосовують, зазвичай, середній коефіцієнт лінійного розширення. Це характеристика теплового розширення матеріалу.

Якщо початкова довжина тіла дорівнює , - Подовження його при збільшенні температури тіла на , Тоді визначений формулою:

p align="justify"> Коефіцієнт лінійного подовження є характеристикою відносного подовження (), яке відбувається при збільшенні температури тіла на 1К.

При збільшенні температури зростає обсяг твердого тіла. У першому наближенні можна вважати, що:

де - Початковий об'єм тіла, - Зміна температури тіла. Тоді коефіцієнтом об'ємного розширення тіла є фізична величина, яка характеризує відносну зміну об'єму тіла (), що відбувається при нагріванні тіла на 1 K та незмінному тиску. Математичним визначенням коефіцієнта об'ємного розширення є формула:

Теплове розширення твердого тіла пов'язують з ангармонічністю теплових коливань частинок, що становлять кристалічну решітку тіла. В результаті даних коливань зі збільшенням температури тіла збільшується рівноважна відстань між сусідніми частинками цього тіла.

При зміні об'єму тіла відбувається зміна його густини:

де - Початкова щільність, - щільність речовини при новій температурі. Так як величина то вираз (4) іноді записують як:

Коефіцієнти теплового розширення залежить від речовини. Загалом вони залежатимуть від температури. Коефіцієнти теплового розширення вважають незалежними від температури у невеликому інтервалі температур.

Існує низка речовин, що мають негативний коефіцієнт теплового розширення. Так, при підвищенні температури такі матеріали стискаються. Зазвичай це відбувається у вузькому інтервалі температур. Є речовини, у яких коефіцієнт теплового розширення майже дорівнює нулю біля певного інтервалу температур.

Вираз (3) застосовують як для твердих тіл, а й рідин. При цьому вважають, що коефіцієнт температурного розширення для краплинних рідин змінюється при зміні температури не суттєво. Однак при розрахунку систем опалення його враховують.

Зв'язок коефіцієнтів теплового розширення

Одиниці виміру

Основною одиницею вимірювання коефіцієнтів температурного розширення у системі СІ є:

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання

Для того щоб визначати коефіцієнт об'ємного розширення рідин, використовують прилади, які називають пікнометри. Це скляні колби із вузьким горлом (рис.1). На шийці ставлять позначки про місткості судини (зазвичай у мл). Як застосовують пікнометри?

Рішення

Вимірюють коефіцієнт об'ємного розширення в такий спосіб. Пікнометр наповнюють рідиною, що досліджується, до обраної мітки. Колбу нагрівають, відзначаючи зміну рівня речовини. При таких відомих величинах як: початковий об'єм пікнометра, площа перерізу каналу шийки колби, зміна температури визначають частку початкового об'єму рідини, яка надійшла в шийку пікнометра, при нагріванні на 1 К. При цьому слід врахувати, що коефіцієнт розширення рідини більше отриманої величини, так як відбулося нагрівання та розширення та колби. Отже, для обчислення коефіцієнта розширення рідини додають коефіцієнт розширення речовини колби (зазвичай скла). Треба сказати, що оскільки коефіцієнт об'ємного розширення скла істотно менше, ніж рідини, при приблизних розрахунках коефіцієнтом розширення скла можна знехтувати.

ПРИКЛАД 2

Завдання

У чому полягають особливості розширення води? У чому значення цього явища?

Рішення

Вода, на відміну більшості інших рідких речовин, розширюється при нагріванні, якщо температура вище 4 o З. В інтервалі температур об'єм води зі збільшенням температури зменшується. Прісна вода має максимальну щільність. Для морської води максимальна щільність досягається при. Зростання тиску знижує температуру максимальної густини води. Оскільки майже 80% поверхні планети покрито водою, то особливості розширення її відіграють значну роль у створенні клімату на Землі. Промені Сонця, потрапляючи на поверхню, нагрівають її. Якщо температура нижче 1-2 o С, то шари води, що нагрілися, мають більшу щільність, ніж холодні і опускаються вниз. При цьому їх місце займають холодніші шари, які в свою чергу нагріваються. Так йде постійна зміна шарів води і це веде до прогрівання водяної товщі, до досягнення максимальної щільності. Подальше збільшення температури призводить до того, що верхні шари води зменшують свою густину і залишаються нагорі. Так виходить, що великий шар води прогрівається до температури максимальної щільності досить швидко, а подальше збільшення температури йде повільно. В результаті глибокі водоймища Землі з деякої глибини мають температуру близько 2-3 o С. При цьому температура верхніх шарів води в морях теплих країн може мати температуру близько 30 o C і вище.