Các tính chất cơ bản của chất lỏng

Các tính chất cơ bản của chất lỏng 

Môi trường làm việc trong các hệ thống thuỷ lực chủ yếu là dầu khoáng có độ nhớt nhỏ.

Chất lỏng làm việc vừa là một phần tử của hệ thống vừa là phương tiện bôi trơn và chống gỉ, vì vậy khi chọn chất lỏng làm việc cần phải chú ý đến các tính chất lý hoá của chúng. Các tiêu chí cơ bản để đánh giá chất lượng của chất lỏng làm việc là khối lượng riêng, độ nhớt, độ ổn định của lý hoá tính, mức độ tác động đến các đệm làm kín bằng cao su và tính bôi trơn. Trong những trường hợp đặc biệt còn có yêu cầu về phòng hoả và làm việc ổn định trong dải nhiệt độ rộng.

Trọng lượng riêng, khối lượng riêng của chất lỏng. Trọng lượng riêng – đại lượng vật lý biểu thị tỷ số giữa trọng lượng của chất lỏng trên thể tích của nó.

g =G/V,

trong đó G – trọng lượng của thể tích chất lỏng V.

Đơn vị của trọng lượng riêng [N/m3].

Khối lượng riêng có thể được biểu diễn qua trọng lượng riêng và gia tốc rơi tự do g:

r =g/g

Đơn vị của khối lượng riêng [Ns2/m4].

Trọng lượng riêng của dầu khoáng thường nằm trong khoảng g = 830-940 N/m3

Trong các tính toán sơ bộ có thể lấy giá trị  g = 900 N/m3.

Khối lượng riêng có ý nghĩa quan trọng trong các tính toán chế độ chẩy của chất lỏng thông qua sức cản thuỷ lực. Từ công thức thuỷ lực đã biết

u= sqrt(2Δp/p),

ta suy ra độ rơi áp qua sức cản thuỷ lực

Dp =  (r/2).u2

Khối lượng riêng của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức

r =r0/(1+at),                                               (2)

trong đó r và r0      – khối lượng riêng ở nhiệt độ t và t0;

a- hệ số giãn nở nhiệt của chất lỏng;

Dt  – độ gia tăng nhiệt độ.

Độ nhớt của chất lỏng. Độ nhớt của chất lỏng là tính chất chống lại biến dạng trượt của các lớp chất lỏng và là một trong những thông số quan trọng trong tính toán và thiết kế các thiết bị thuỷ lực.

Khi chất lỏng chuyển động dọc theo thành rắn, do ma sát mà tốc độ của các lớp chất lỏng trong dòng chẩy khác nhau, và kết quả là xuất hiện lực ma sát giữa các lớp chất lỏng với nhau. Lực ma sát này (ứng suất tiếp) được tính theo định luật nội ma sát của Newton:

T= mF(du/dn),                                                       (3)

trong đó   m                  – hệ số nhớt động lực;

F    – diện tích bề mặt chất lỏng;

n    – khoảng cách giữa hai lớp chất lỏng;

u    – tốc độ chuyển động của chất lỏng.

du/dn – gradient tốc độ;

Đơn vị của hệ số nhớt động lực [Pa.s].

Trong các tính toán thuỷ lực thường sử dụng tỷ số giữa hệ số nhớt động lực m và khối lượng riêng r và được gọi là hệ số nhớt động n:

n = μ/r

Đơn vị của hệ số nhớt động [m2/s].

Độ nhớt bằng 1 cm2/s  được gọi là stoc (st).

Trong kỹ thuật thường sử dụng đơn vị centi stoc (cst)

1 cst = 0,01 st = 1 mm2/s

Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt động giảm. Ngoài ra, độ nhớt động cũng phụ thuộc vào áp suất chất lỏng và được tính theo công thức:

np = n (1 + kp),

trong đó  np và n – độ nhớt động tương ứng với áp suất p và áp suất khí quyển

k         – hệ số phụ thuộc vào mác của dầu;

p         – áp suất chất lỏng.

Độ nén của chất lỏng. Chất lỏng là vật thể đàn hồi tuân theo định luật Huck. Biến dạng đàn hồi của chất lỏng đối với truyền động thuỷ lực là hiện tượng xấu. Năng lượng nén chất lỏng không thể sinh công có ích và bị mất đi khi dãn ra. Vì vậy nó làm giảm hiệu suất của truyền động thuỷ lực.

Sự nén của chất lỏng trong hệ thống đường ống và trong các thiết bị của truyền động thuỷ lực tạo ra hiệu ứng lò xo thuỷ lực.

Độ cứng của các thiết bị thuỷ lực (không tính đến biến dạng kết cấu) được đánh giá bằng hệ số nén thể tích tương đối b.

b =(1/Dp).(∆V0/∆V),                                                  (4)

trong đó Dp = p2 – p1  – sự thay đổi áp suất tác dụng lên chất lỏng;

V0 và V    – thể tích ban đầu tại áp suất khí quyển và thể tích khi áp suất thay đổi một lượng Dp.

Đại lượng nghịch đảo của b được gọi là mô đun đàn hồi của chất lỏng:

E =1/β  = V0(∆p/∆V)                                                (5)

Đơn vị của mô đun đàn hồi [N/m2].

Hiện tượng xâm thực. Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc vào áp suất hơi bão hoà của chất lỏng. Khi áp suất tăng, nhiệt độ sôi tăng và khi áp suất giảm, nhiệt độ sôi giảm. Đi cùng với vấn đề này, trong truyền động thuỷ lực suất hiện một hiện tượng được gọi là xâm thực. Tức là xuất hiện những bọt khí (sôi lạnh) tại những nơi áp suất bị giảm và bị phá vỡ khi chúng di chuyển đến vùng áp suất cao. Việc phá vỡ các bọt khí gây ra hiện tượng va đập thuỷ lực cục bộ với tần số cao. Hiện tượng xâm thực phá vỡ chế độ làm việc bình thường của hệ thống thuỷ lực và phá hỏng bề mặt các chi tiết của bơm, động cơ, van và các thiết bị khác.

Cơ chế xuất hiện xâm thực được giải thích như sau: Khi áp suất tại một điểm bất kỳ nào đó giảm, chất lỏng bị sôi, tạo ra các bọt khí và cùng với dòng chẩy chúng di chuyển đến vùng có áp suất cao, ở đó chúng bị nén lại. Vì quá trình nén của các bọt khí xuất hiện tức thời, các phần tử chất lỏng di chuyển vào tâm với tốc độ rất lớn (hàng trăm m/s) và kết quả là động năng của các phần tử chất lỏng tại thời điểm bọt khí bị vỡ tạo nên va đập thuỷ lực cục bộ, kéo theo sự tăng áp suất và nhiệt độ (1000 – 1500 0C). Nếu quá trình này xuất hiện gần thành ống hoặc bề mặt các chi tiết, nó sẽ phá huỷ cục bộ các bề mặt chi tiết. Cùng với hiện tượng va đập cục bộ, dưới tác dụng của nhiệt độ cao, và sự xuất hiện của ô xy làm cho không khí trở thành chất ô xy hoá cao làm gỉ các bề mặt chi tiết.