Hệ số nhớt là một thông số quan trọng của chất lỏng hoặc khí làm việc. Theo thuật ngữ vật lý, độ nhớt có thể được định nghĩa là ma sát bên trong gây ra bởi chuyển động của các hạt tạo nên khối lượng của môi trường lỏng (khí), hay đơn giản hơn là lực cản đối với chuyển động.
Độ nhớt là gì
Thí nghiệm thực nghiệm đơn giản nhất để xác định độ nhớt: cùng một lượng nước và dầu được đổ lên bề mặt nghiêng nhẵn. Nước thoát nhanh hơn dầu. Cô ấy lỏng hơn. Dầu chuyển động bị ngăn không cho thoát ra nhanh chóng do ma sát cao hơn giữa các phân tử của nó (nội trở - độ nhớt). Do đó, độ nhớt của chất lỏng tỷ lệ nghịch với tính lưu động của nó.
Tỷ lệ độ nhớt: công thức
Ở dạng đơn giản, quá trình chuyển động của chất lỏng nhớt trong đường ống có thể được coi là hai lớp song song phẳng A và B có cùng diện tích bề mặt S, khoảng cách giữa hai lớp là h.
Hai lớp (A và B) này chuyển động với tốc độ khác nhau (V và V + ΔV). Lớp A, có tốc độ cao nhất (V + ΔV), liên quan đến lớp B, chuyển động với tốc độ thấp hơn (V). Đồng thời, lớp B có xu hướng làm chậm tốc độ của lớp A. Ý nghĩa vật lý của hệ số nhớt là lực ma sát của các phân tử, là lực cản của các lớp dòng chảy, tạo thành một lực mà Isaac Newton đã mô tả bởi công thức sau:
F=µ × S × (ΔV / h)
Tại đây:
- ΔV là hiệu số về vận tốc của các lớp dòng chất lỏng;
- h - khoảng cách giữa các lớp của dòng chất lỏng;
- S - diện tích bề mặt của lớp chất lỏng;
- Μ (mu) - hệ số phụ thuộc vào đặc tính của chất lỏng, được gọi là độ nhớt động lực học tuyệt đối.
Theo đơn vị SI, công thức có dạng như sau:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × giây)
Ở đây F là lực hấp dẫn (trọng lượng) của thể tích đơn vị của chất lỏng làm việc.
Giá trị độ nhớt
Trong hầu hết các trường hợp, hệ số độ nhớt động lực được đo bằng centipoise (cP) phù hợp với hệ đơn vị CGS (cm, gam, giây). Trong thực tế, độ nhớt liên quan đến tỷ lệ giữa khối lượng của chất lỏng với thể tích của nó, nghĩa là, với khối lượng riêng của chất lỏng:
ρ=m / V
Tại đây:
- ρ - mật độ chất lỏng;
- m - khối lượng chất lỏng;
- V là thể tích của chất lỏng.
Mối quan hệ giữa độ nhớt động lực học (Μ) và mật độ (ρ) được gọi là độ nhớt động học ν (ν - trong tiếng Hy Lạp -khỏa thân):
ν=Μ / ρ=[m2/ s]
Nhân tiện, các phương pháp xác định hệ số nhớt là khác nhau. Ví dụ, độ nhớt động học vẫn được đo theo hệ thống CGS tính bằng centistokes (cSt) và theo đơn vị phân số - stokes (St):
- 1St=10-4m2/ s=1 cm2/ s;
- 1sSt=10-6m2/ s=1 mm2/ s.
Xác định độ nhớt của nước
Độ nhớt của nước được xác định bằng cách đo thời gian để chất lỏng chảy qua ống mao dẫn đã được hiệu chuẩn. Thiết bị này được hiệu chuẩn với chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt đã biết. Để xác định độ nhớt động học, được đo bằng mm2/ s, thời gian chảy của chất lỏng, được đo bằng giây, được nhân với một hằng số.
Đơn vị so sánh là độ nhớt của nước cất, giá trị này gần như không đổi ngay cả khi nhiệt độ thay đổi. Hệ số độ nhớt là tỷ số thời gian tính bằng giây để một thể tích nước cất cố định chảy ra khỏi lỗ được hiệu chuẩn với thể tích của chất lỏng đang được thử nghiệm.
Máy đo độ nhớt
Độ nhớt được đo bằng độ Engler (° E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") hoặc độ Redwood (° RJ) tùy thuộc vào loại nhớt kế được sử dụng. Ba loại nhớt kế chỉ khác nhau về lượng chất lỏng chảy ra.
Máy đo độ nhớt đo độ nhớt theo đơn vị độ Châu Âu là Engler (° E), được tính200cm3chảy ra môi chất lỏng. Máy đo độ nhớt đo độ nhớt bằng Saybolt Universal Seconds ("SUS" hoặc "SSU" được sử dụng tại Hoa Kỳ) chứa 60 cm3của chất lỏng thử nghiệm. Ở Anh, nơi sử dụng độ Redwood (° RJ), máy đo độ nhớt đo độ nhớt của chất lỏng 50 cm3. Ví dụ: nếu 200 cm3của một loại dầu nhất định chảy chậm hơn mười lần so với cùng một thể tích nước, thì độ nhớt Engler là 10 ° E.
Vì nhiệt độ là yếu tố chính trong việc thay đổi hệ số nhớt, các phép đo thường được thực hiện trước tiên ở nhiệt độ không đổi 20 ° C, sau đó ở các giá trị cao hơn. Do đó, kết quả được thể hiện bằng cách thêm nhiệt độ thích hợp, ví dụ: 10 ° E / 50 ° C hoặc 2,8 ° E / 90 ° C. Độ nhớt của chất lỏng ở 20 ° C cao hơn độ nhớt của nó ở nhiệt độ cao hơn. Dầu thủy lực có độ nhớt sau ở nhiệt độ tương ứng:
190 cSt ở 20 ° C=45,4 cSt ở 50 ° C=11,3 cSt ở 100 ° C.
Dịch các giá trị
Xác định hệ số độ nhớt xảy ra trong các hệ thống khác nhau (Mỹ, Anh, GHS), và do đó, thường cần chuyển dữ liệu từ hệ thống chiều này sang hệ thống chiều khác. Để chuyển đổi các giá trị độ nhớt chất lỏng được biểu thị bằng độ Engler sang centistokes (mm2/ s), hãy sử dụng công thức thực nghiệm sau:
ν (cSt)=7.6 × ° E × (1-1 / ° E3)
Ví dụ:
- 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.
Để nhanh chóng xác định độ nhớt tiêu chuẩn của dầu thủy lực, công thức có thể được đơn giản hóa như sau:
ν (cSt)=7.6 × ° E (mm2/ s)
Có độ nhớt động học ν tính bằng mm2/ s hoặc cSt, bạn có thể chuyển đổi nó thành hệ số độ nhớt động lực Μ bằng cách sử dụng mối quan hệ sau:
M=ν × ρ
Ví dụ. Tóm tắt các công thức chuyển đổi khác nhau cho độ Engler (° E), centistokes (cSt) và centipoise (cP), giả sử rằng dầu thủy lực có tỷ trọng ρ=910 kg / m3có độ nhớt động học 12 ° E, đơn vị đo cSt là:
ν=7,6 × 12 × (1-1 / 123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/ s.
Vì 1cSt=10-6m2/ s và 1cP=10-3N × s / m2, thì độ nhớt động lực học sẽ là:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6910=0,082 N × s / m2=82 cP.
Hệ số nhớt khí
Nó được xác định bởi thành phần (hóa học, cơ học) của khí, ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và được sử dụng trong các tính toán động lực học khí liên quan đến chuyển động của khí. Trong thực tế, độ nhớt của khí được tính đến khi thiết kế các phát triển mỏ khí, trong đó hệ số thay đổi được tính toán tùy thuộc vào sự thay đổi thành phần khí (đặc biệt quan trọng đối với trường ngưng tụ khí), nhiệt độ và áp suất.
Tính độ nhớt của không khí. Các quy trình sẽ tương tự nhưhai luồng thảo luận ở trên. Giả sử hai dòng khí U1 và U2 chuyển động song song, nhưng với tốc độ khác nhau. Giữa các lớp sẽ xảy ra sự đối lưu (sự xâm nhập lẫn nhau) của các phân tử. Do đó, động lượng của luồng không khí chuyển động nhanh hơn sẽ giảm và luồng khí chuyển động chậm hơn ban đầu sẽ tăng tốc.
Hệ số nhớt của không khí, theo định luật Newton, được biểu thị bằng công thức sau:
F=-h × (dU / dZ) × S
Tại đây:
- dU / dZ là gradient vận tốc;
- S - khu vực tác động lực;
- Hệ số h - độ nhớt động lực học.
Chỉ số độ nhớt
Chỉ số độ nhớt (VI) là một thông số tương quan với sự thay đổi của độ nhớt và nhiệt độ. Mối tương quan là mối quan hệ thống kê, trong trường hợp này là hai đại lượng, trong đó sự thay đổi nhiệt độ đi kèm với sự thay đổi có hệ thống về độ nhớt. Chỉ số độ nhớt càng cao, sự thay đổi giữa hai giá trị càng nhỏ, tức là độ nhớt của chất lỏng làm việc ổn định hơn với sự thay đổi nhiệt độ.
Độ nhớt của dầu
Các gốc của dầu hiện đại có chỉ số độ nhớt dưới 95-100 đơn vị. Do đó, trong các hệ thống thủy lực của máy móc và thiết bị, có thể sử dụng chất lỏng làm việc ổn định đủ để hạn chế sự thay đổi rộng rãi của độ nhớt trong điều kiện nhiệt độ tới hạn.
Hệ số nhớt "thuận lợi" có thể được duy trì bằng cách đưa vào dầu các chất phụ gia đặc biệt (polyme) thu được trong quá trình chưng cất dầu. Chúng làm tăng chỉ số độ nhớt của dầu chotính đến việc hạn chế sự thay đổi của đặc tính này trong khoảng thời gian cho phép. Trong thực tế, với việc đưa vào lượng phụ gia cần thiết, chỉ số độ nhớt thấp của dầu gốc có thể được tăng lên 100-105 đơn vị. Tuy nhiên, hỗn hợp thu được theo cách này làm giảm đặc tính của nó ở áp suất cao và tải nhiệt, do đó làm giảm hiệu quả của phụ gia.
Trong mạch nguồn của các hệ thống thủy lực mạnh, nên sử dụng chất lỏng làm việc có chỉ số độ nhớt 100 đơn vị. Chất lỏng làm việc với các chất phụ gia làm tăng chỉ số nhớt được sử dụng trong các mạch điều khiển thủy lực và các hệ thống khác hoạt động ở dải áp suất thấp / trung bình, trong một dải nhiệt độ hạn chế, có rò rỉ nhỏ và vận hành theo mẻ. Với áp suất tăng, độ nhớt cũng tăng, nhưng quá trình này xảy ra ở áp suất trên 30,0 MPa (300 bar). Trong thực tế, yếu tố này thường bị bỏ qua.
Đo lường và lập chỉ mục
Theo tiêu chuẩn ISO quốc tế, hệ số nhớt của nước (và các phương tiện lỏng khác) được biểu thị bằng centistokes: cSt (mm2/ s). Phép đo độ nhớt của dầu quá trình phải được thực hiện ở nhiệt độ 0 ° C, 40 ° C và 100 ° C. Trong mọi trường hợp, trong mã cấp dầu, độ nhớt phải được biểu thị bằng hình ở nhiệt độ 40 ° C. Trong GOST, giá trị độ nhớt được đưa ra ở 50 ° C. Các cấp độ phổ biến nhất được sử dụng trong thủy lực kỹ thuật nằm trong khoảng từ ISO VG 22 đến ISO VG 68.
Dầu thủy lực VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 ở 40 ° C có các giá trị độ nhớt tương ứng với nhãn hiệu của chúng: 22, 32, 46, 68 và 100 cSt. Tối ưuđộ nhớt động học của chất lỏng làm việc trong hệ thống thủy lực nằm trong khoảng từ 16 đến 36 cSt.
Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Hoa Kỳ (SAE) đã thiết lập phạm vi độ nhớt ở nhiệt độ cụ thể và gán mã số thích hợp cho chúng. Con số theo sau chữ W là độ nhớt động lực học tuyệt đối Μ ở 0 ° F (-17,7 ° C) và độ nhớt động học ν được xác định ở 212 ° F (100 ° C). Chỉ số này áp dụng cho các loại dầu tất cả các mùa được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô (hộp số, động cơ, v.v.).
Ảnh hưởng của độ nhớt đối với thủy lực
Xác định hệ số độ nhớt của chất lỏng không chỉ được giới khoa học và giáo dục quan tâm mà còn mang một giá trị thực tiễn quan trọng. Trong hệ thống thủy lực, chất lỏng công tác không chỉ truyền năng lượng từ bơm đến động cơ thủy lực mà còn bôi trơn tất cả các bộ phận của chi tiết và loại bỏ nhiệt sinh ra từ các cặp ma sát. Độ nhớt của chất lỏng làm việc không phù hợp với chế độ vận hành có thể làm giảm nghiêm trọng hiệu quả của tất cả các hệ thống thủy lực.
Độ nhớt cao của chất lỏng làm việc (dầu có tỷ trọng rất cao) dẫn đến các hiện tượng tiêu cực sau:
- Tăng sức cản đối với dòng chất lỏng thủy lực gây ra giảm áp suất quá mức trong hệ thống thủy lực.
- Giảm tốc độ điều khiển và chuyển động cơ học của bộ truyền động.
- Phát triển tạo lỗ trong máy bơm.
- Không hoặc quá ít thoát khí từ dầu thùng thủy lực.
- Đáng chú ýmất công suất (giảm hiệu suất) của thủy lực do chi phí năng lượng cao để khắc phục ma sát bên trong của chất lỏng.
- Mô-men xoắn của động cơ chính của máy tăng do tăng tải của máy bơm.
- Tăng nhiệt độ chất lỏng thủy lực do ma sát tăng.
Như vậy, ý nghĩa vật lý của hệ số nhớt nằm ở ảnh hưởng của nó (tích cực hoặc tiêu cực) đến các thành phần và cơ chế của phương tiện, máy móc và thiết bị.
Mất trợ lực thủy lực
Độ nhớt thấp của chất lỏng làm việc (dầu có tỷ trọng thấp) dẫn đến các hiện tượng tiêu cực sau:
- Giảm hiệu suất thể tích của máy bơm do gia tăng rò rỉ bên trong.
- Gia tăng rò rỉ bên trong các bộ phận thủy lực của toàn bộ hệ thống thủy lực - máy bơm, van, bộ phân phối thủy lực, động cơ thủy lực.
- Tăng độ mòn của các bộ phận bơm và kẹt bơm do không đủ độ nhớt của chất lỏng làm việc cần thiết để bôi trơn các bộ phận cọ xát.
Khả năng nén
Bất kỳ chất lỏng nào cũng nén dưới áp suất. Đối với dầu và chất làm mát được sử dụng trong thủy lực kỹ thuật cơ khí, theo kinh nghiệm đã chứng minh rằng quá trình nén tỷ lệ nghịch với khối lượng của chất lỏng trên một thể tích. Tỷ lệ nén cao hơn đối với dầu khoáng, thấp hơn đáng kể đối với nước và thấp hơn nhiều đối với chất lỏng tổng hợp.
Trong các hệ thống thủy lực áp suất thấp đơn giản, khả năng nén của chất lỏng có ảnh hưởng không đáng kể đến việc giảm thể tích ban đầu. Nhưng trong các máy mạnh với thủy lực caoáp suất và xi lanh thủy lực lớn, quá trình này biểu hiện rõ rệt. Đối với dầu khoáng thủy lực ở áp suất 10,0 MPa (100 bar), thể tích giảm 0,7%. Đồng thời, sự thay đổi thể tích nén bị ảnh hưởng một chút bởi độ nhớt động học và loại dầu.
Kết
Xác định hệ số độ nhớt cho phép bạn dự đoán hoạt động của thiết bị và cơ chế trong các điều kiện khác nhau, có tính đến những thay đổi trong thành phần của chất lỏng hoặc khí, áp suất, nhiệt độ. Ngoài ra, việc kiểm soát các chỉ số này có liên quan trong lĩnh vực dầu khí, tiện ích và các ngành công nghiệp khác.
