تحقیق مقاله سیالات هیدرولیک

مقدمه

آب اولین سیالی است که از آن برای انتقال قدرت استفاده شده است.آب گرچه دارای خواص خوبی چون دسترسی آسان،قیمت پائین و مقاومت در مقابل آتش می باشد ولی خواص ضعیف روانکاری،محدوده کم درجه حرارتهای کاری و ایجاد زنگ زدگی،استفاده از آن را در سیستمهای پیشرفته و جدید محدود می نماید.

روغنهای معدنی از ابتدای قرن بیستم در دسترس بوده اند اما استفاده از مواد افزودنی جهت بهبود بخشیدن خواص شیمیایی و فیزیکی روغنهای هیدرولیک در سال 1940 آغاز شد.این روغنها،به شدت قابل اشتغال بوده و هنگام کاربرد در درجه حرارتهای بالا،احتمال جدی بروز خطر وجود دارد،لذا استفاده از سیالات مقاوم به آتش که اساساً با پایه آبی و بصورت محلول در آب عرضه می شوند گسترش یافته است.

سیالات هیدرولیک با توجه به ترکیب و خواص،بصورت استاندارد توسط یک سری حروف(جدول ضمیمه 17)از یکدیگر متمایز می شودندو

خواص سیال هیدرولیک

چگالی نسبی یا وزن مخصوص

نسبت حجم مشخصی از سیال در دمای معین به وزن همان مقدار حجم آب را چگالی نسبی یا وزن مخصوص می نامند.چگالی نسبی روغنهای معدنی در حدود 9/0 است.(مقادیر دقیق با توجه به روغن پایه و افزودنی های مورد استفاده محاسبه می گردد).

مواد مصنوعی دارای چگالی بالای یک هستند.اطلاع از چگالی نسبی سیال هیدرولیک هنگام طراحی و برای محاسبات مربوط به فشار استاتیکی            (در ورودی پمپ)لازم می باشد.

لزجت

لزجت عبارتست از اصطکاک داخلی سیال و یا به عبرات دیگر،مقاومت سیال در مقابل جریان یافتن است.لزجت یکی از مهمترین خواص سیال هیدرولیک بوده که پائین بودن بیش از حد آن موجب بروز مشکلاتی در سیستم آب بندی شده و سبب بوجود آمدن نشتی های خارجی زیاد و کاهش بازده حجمی       می گردد.از طرف دیگر،افزایش بیش از حد لزجت نیز از خاصیت روانی سال می کاهد.در صورت استفاده از یک سیال با لزجت بالا،به نیروی بیشتری جهت غلبه بر اصطکاک های داخلی نیاز می باشد،که خود موجب اتلاف انرژی و افزایش گذما می شود.

لزجت به دو صورت دینامیکی یا سینماتیکی بیان می گردد.واحد لزجت سیناتیکی در سیستم SI برحسب mm2/sec می باشد و تحت عنوان سانتی استوک(Cst)بیان می شود.

چون لزجت سیالات نسبت به دما تغییر می کند،لذا مقدار آن در شرایط و درجه حرارت استاندارد(40 درجه سانتیگراد)بیان می گردد.

شاخص لزجت

لزجت همه روغن ها با افزایش درجه حرارت کاهش یافته و با کاهش آن،افزایش می یابد.شاخص لزجت میزان جدی بودن این تغییرات را نشان می دهد.به روغنی که میزان تغییرات لزجت ان با افزایش درجه حرارت کم باشد،اصطلاحاً،روغن دارای شاخص لزجت بالا گفته می شود.محدوده متوسط شاخص بین 40 و 80 می باشد.بیشتر روغنهای هیدرولیک دارای شاخص لزجت بالای 80 هستند.شاخص لزجت روغنهای معدنی اساساً وابسته به روغن پایه است.در بعضی از سیستمهای هیدرولیک که به شاخص های لزجت بالاتز نیاز باشد،باید از مواد پایه و افزودنی های لازم جهت بهبود شاخص استفاده کرد.

منحنی های لزجت دما برای چند نمونه روغن هیدرولیک،با شاخص لزجت متفاوت در شکل(1 – 7 الف)نشان داده شده است.

لزجت روغن هیدورلیک با افزایش فشار،افزایش می یابد.انتخاب سیال هیدورلیک در سیستم های با فشار کاری بالا بسیار حاوز اهیت است.(مانند پرسهای با فشار کاری bar 1000)

در یک فشار بسیار بالا،امکان بروز تغییر در مشخصات روغن وجود دارد و حتی ممکن است که روغن بصورت یک جسم صلب درآید.منحنی های لزجت دما برای یک نوع روغن هیدورلیک به ازاء فشارهای مختلف در شکل(1 – 7 ب)نشان داده شده است.

پایداری برشی

در بسیاری از سیسمتهای هیدورلیک مقاطعی وجود دارند که سیال تحت تأثیر نرخهای بالایی از برش قرار می گیردواز این مقاطع می توان نقاط تیز پره ها در یک پمپ پره ای و یا لقی های طریف در گلوگاههای شیرهای کنترل را نام برد.

تأثیر نرخ بالای برش بر روغن و افزودنی های شاخص لزجت به دو طریق زیر است:

روغنی که در محدوده نرم برش بالا قرار داشته باشد بصورت موضعی دچار افت لزجت گشته و به محض خروج از محدوده مذکور به حالت اولیه باز می گردد.اما افزودنی های شاخص لزجت پس از عبور از منطقه با نزخ برش بالا،در نتیجه کاهش تدریجی لزجت در طی چند ساعت اولیه کار سیستم،دچار تغییر دائمی می گردند.پس از شکست اولیه،مقدار لزجت در سطح معینی ثابت باقی می ماند،ولی لزجت از دست رفته هرگز جبران نخواهد شد.

مشخصه ایجاد کف

همه سیالات حاوی مقادیری هوای غیر محلول بوده که مقدار آن به دما و فشار بستگی دارد.بطور کلی روغنهای با پایه معدنی می توانند تا 10% حجم خود هوای غیر محلول داشتهباشند.با افزایش دما یا کاهش فشار،هوا از درون محلول خارج شده و چنانچه این حالت در ورودی پمپ حاصل شود،نتیجه آن کاویتاسیون خواهد بود.

نفوذ هوا در روغن بصورت حبابهای مجزا را نباید با هوای غیر محلول اشتباه نمود.زیرا نفوذ هوا موجب افزایش تراکم پذیری روغن و ایجاد حالت گیجی در عملگر و همچنین کاویتاسیون در پمپ می گردد.

اثر این حبابهای هوا بر بازدهی سیستم بسیار جدی بوده و موجب افزایش سایش در اثر ضربات کاویتاسیون می گردد.همچنین اگر این حبابهای هوا در سمت پرفشار پمپ ایجاد کف نمایند،بدلیل وجود خاصیت تراکم پذیری بالای آنها،از مضخصات تراکم پذیری سیال بشدت کاسته می شود.در کلیه نقاطی که روغن در مجاورت هوا در حال حرکت است،امکان نفوذ هوا به روغن وجود دارد.

طراحی نامناسب مخازن ذخیره،خطوط مکش آب بندی نشده در پمپ و نشتی در آب بندی های سیلندرها از نقاطی هستند که احتمال نفوذ هوا به روغن در آنها وجود دارد.هنگام بازگشت روغن محتوی هوا به مخزن،حبابها به سطح آمده و ایجاد کف می نمایند.در صورت افزایش مقادیر کف،مشکلات عدیده ای در سیستم هیدورلیک بوجود می آید،لذا به همراه اغلب سیالات هیدورلیک،از افزودنی های ضد کف که شکست حبابهای هوا را تسریع می کنند استفاده می شود.ولی ز طریف دیگر این افزودنی ها موجب کاهش نرخ حرکت حبابهای هوا به سطح می شوند.بنابراین میزان ترکیب آنها در روغن باید به دقت کنترل گردد.

نقطه ریزش

نقطه ریزش هر سیال 3 درجه سانتی گراد بالاتر از نقطه ای است که سیال شروع به جیران می کند.به عنوان یک قانون کلی،حداقل دمای کاری سال باید 10 دجه سانتی گراد بالاتر از نقطه ریزش قرار داشته باشد.

تراکم پذیری

کلیه سیالات تراکم پذیر می باشند و برای روغنهای معدنی کاهش تقریبی در حجم به ازاء هر bar 100 افزایش فشار 7/0% است.میزان تراکم پذیری هر سیال به دما و فشار بستگی دارد.حبابهای هوا به صورت قابل توجهی میزان تراکم پذیری را افزایش می دهند.مدول بالک(B)که معرف میزان تراکم ناپذیری سیال می باشد،نسبت تنش حجمی به کرنش حجمی بوده که مقدار آن به نوع و شرایط سیال وابسته است.

P      

B=

V/V

∆P تغیر در فشار،∆V تغییر در حجم و V حجم سیال تحت فشار می باشد.

مدول بالک برای آب bar 2000 B= و برای روغنهای معدنی bar15000B= می باشد.در مخرنی که حجم زیادی از سیال،تحت فشار قرار دارد،در صورت کاهش سریع فشار،ضربات شدیدی بوجود خواهد آمد که با استفاده از شیرهای خنثی کننده کاهش فشار از بروز این حالت جلوگیری می شود.

انبساط حرارتی

با تغییرات دمای سیال حجم آن دچار تغییر می گردد.افزایش حجم سیال هیدرولیک عموماً به ازاء هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دما،7/0% است.این حالت هنگامی که مقدار سیال مورد استفاده زیاد باشد بسیار اهمیت پیدا می کند.برای مثال اگر یک مخزن،400 لیتر روغن 15 درجه سانتیگراد را در خود جای داده باشد،با رسیدن دمای روغن در حین کار به 55 درجه سانتگیراد تقریباً 11 لیتر افزایش حجم بوجود خواهد آمد.

روغنکاری

روغنکاری از سایشهای فزاینده جلوگیری نموده و بین اجزاء متحرک فیلم روانکار ایجاد می کند.در یک سیستم هیدورلیک ساده،مشتکل از پمپ دستی،شیر،سیلندر و… فیلم ضخیمی از سیال روانکار،به نحو مناسب بوجود می آید.برای اجزاء عمل کننده در سرعت و فشارهای بالا مانند پمپهای پره ای که روغنکاری در آنها تز نوع لایه مرزی می باشد،لازم اسن که از افزودنی های مناسب به منظور افزایش تحمل بار و ایجاد لایه مرزی استفاده شود.

به هر حال باید از هر نوع تماس فلز با فلز جلوگیری شود،زیرا هنگامی که دو سطح فلزی تحت تأثیر نیروی زیاد و در سرعت بالا با یکدیگر در تماس باشند،تماس با فلز در ککتر از یک لحظه موجب افزایش موضعی درجه حرارت و ایجاد نقطه جوش می گردد که این جوشهای موضعی بسرعت موجب افزایش سایش و خرابی سیستم می گردند.

افزودنی های مورد استفاده در سیالات هیدرولیک

این افزودنیها در رابطه با نوع کاربرد،بصورت زیر دسته بندی می شوند:

جلوگیری از ایجاد کف

ضد تشکیل کریستالهای مومی

ضد اکسید اسیون

ضد زنگ زدگی و خوردگی

ضد سایش

بهبود شاخص لزجت

انواع سیالات هیدرولیک

روغنهای معدنی

این روغنها بطور گسرده به عنوان سیال هیدرولیک مورد استفاده قرار می گیرند.از مزایای این روغنها می توان قیمت مناسب،سهولت دسترسی و قابلیت ارائه در لزجتهای مختلف و همچنین مناسب بودن محدوده درجه حرارت کاری(40 دره سانتیگراد برای استفاده بهینه از عمر روغن)و پایداری شیمیائی را نام برد.

باید توجه داشت که در درجه حرارتهای بالا پدیده شکست شیمیائی،ایجاد حالت اسیدی،تشکیل لجن و کاهش خواص روانکاری بوجود خواهد آمد.

در روغنهای هیدرولیک صنعتی از مجموعه ای از افزودنی ها به منظور مقابله یا اثرات سبایش،اکسیداسیون،کف کردن و همجنین بهبود شاخص لزجت و روانکاری استفاده می شود.

از معایب این روغنها که با استفاده ز افزودنی ها نیز قابل رفع نمی باشد،می توان قابلیت اشتعال و افزایش لزجت در فشار بالا را نام برد.خطر استفاده از این روغنها،در بسیاری از کاربردهای صنعتی نظیر دستگاههای تزریق پلاستیک،ماشین آلات معدنی ذغال سنگ و تجهیزات مجاوز کوره ها را باید در نظر داشت.

مشخصه لزجت – فشار،کاربرد روغنهای معدنی را به فشارهای زیر bar1000 محدود می کند.این روغنها با مواد سازنده اکثر آب بندها بجز لاستیکهای بوتیلی سازگاری دارند.

محلولهای شیری روغن در آب

با اضافه کردن ذرات ریز روغن به آب(بین 5% - 2%)سیالی با مشخصات نزدیک به آب بوجود می آید.دارا بودن خواص ضد اشتعال و قدرت تراکم ناپذیری بالا،به اضافه خنک کاری مطلوب،سیال نسبتاً مناسبی را بوجود می اور.ولی در عین حال بدلیل ضعف خاصیت روانکاری(که به وسیله افزودنیها قابل بهبود باشد)و پائین بودن لزجت و در نتیجه ایجاد نشتی بالا،معمول جایگزین خوبی برای روغنهای معدنی نمی باشند.اما به صورت وسیعی در آلات معدنی و پمپهای با سرعت پائین مورد استفاده قرار می گیرند.

طول شیری آب در روغن

طول شیری آب در روغن به عنوان یک سیال هیدرولیک ضد اشتعال مورد استفاده قرار می گیرد.قطرات ریز آب به روغن اضافه شده و مشخصاتی نزدیک به روغن ایجاد می کنند.

افزودن قطرات آب،خواص روغنکاری به شدت کاهش می یابد.محلول معمولاً از 60% و 40% آب تشکیل شده است.به منظور استفاده از عمر بهینه محلول،دمای کاری نباید از 25 درجه سانتیگراد باشد اما به هر حال افزایش دما تا 50 درجه سانتیگراد نیز مجاز می باشد.در درجه حرارتهای بالاتر،در اثر بخار شدن آب محلول،از خواص ضد اشتعال سیال کاسته می گردد.فشار بخار داخلی(که به آب نزدیک است)سیستم را به کاویتاسیون حساس می نماید.افت فشار مکش پمپ در ورودی نباید از bar05/0 بیشتر گردد.

هنگامی که سیستم به مدت زیاد خاموش باشد،امکان جدائی روغن از آب وجود دارد.ولی در طی حرکت مجدد پمپ دوباره محلول ساخته می شود.مواد مورد استفاده در ساخت اجزاء سیستم های هیدرولیک باید با سیال سازگار باشد.به عنوان مثال،استفاده از مگنزیم و کادمیم در ساختمان اجزاء اشکالاتی را ایجاد می کند.در این گونه سیستمها از چوب پنبه و همچنین آب بندهای با جنس بوتیل نباید استفاده نمود.

اکثر اجزاء هیدرولیکی که برای کار با روغنهای معدنی طراحی شده اند را می توان در سیستمهای حاوی سیال فوق نیز مورد استفاده قرار داد.

سیالات آب گلیکول

این گونه سیالات که از کیفیت روانکاوی پائین تری نسبت به روغن های معدنی برخوردارند،در ابتدا به دلیل قابلیت اشتعال پائین در هواپیما مورد استفاده قرار می گرفتند.کیفیت روانکاری آنها نسبت به روغن های معدنی پائین تر بوده و وجود آب کاربرد آنها را در درجه حرارتهای بالا محدود می نماید.در سیستمهایی که از آب گلیکول جهت روانکاری استفاده می شود،استفاده از مواد جلوگیری کننده از خوردگی و اکسیداسیون(با توجه به نوع فلز بکار رفته در سیستم)ضروری است.از این روانکار در سیستمهای شامل فلزاتی نظیر روی،منیزیم،کادمیم و آلومینیم نمی توان استفاده نمود.این سیال به غالب رنگها حمله ور می شود و لذا استفاده از آن در مجاورت رنگها توصیه نمی شود.سیال آب گلیکول بسیار پایدار بوده و به جهت داشتن وزن مولکولی پائین،نسبت به برش حساس نمی باشد.بدلیل برخورداری از خاصیت ضد یخی،برای کاربرد در دماهای پائین مناسب است.

فسفات استر

این گونه سیالات دارای خواص مقاومت به شعله بسیار خوبی بوده و لذا در صنایعی که احتمال وجود شعله زیاد است نظیر ماشینهای تزریق پلاستیک مورد استفاده قرار می گیرند.مواد الاستومری که در نزدیکی فسفات استرها قرار دارند باید بدقت انتخاب شوند.در این گونه موارد بعضی از پلمیرهای سیلیکونی و لاستیکهای بوتیل مناسب هستند.

بعضی از فلزات مانند آلومینیوم و اکثر رنگها در مجاورت این سیال آسیب می بیند.مشخصه های عالی فسفات استر کاربرد آن را در محیط های خطر اجتناب ناپذیر می سازد.