معامل اللزوجة هو معلمة رئيسية لمائع أو غاز عامل. من الناحية الفيزيائية ، يمكن تعريف اللزوجة على أنها الاحتكاك الداخلي الناجم عن حركة الجسيمات التي تشكل كتلة سائل (غازي) ، أو بشكل أكثر بساطة مقاومة الحركة.
ما هي اللزوجة
أبسط تجربة تجريبية لتحديد اللزوجة: يتم سكب نفس الكمية من الماء والزيت على سطح أملس مائل في نفس الوقت. يستنزف الماء أسرع من الزيت. هي أكثر مرونة. يتم منع الزيت المتحرك من التصريف بسرعة بسبب الاحتكاك العالي بين جزيئاته (المقاومة الداخلية - اللزوجة). وبالتالي ، فإن لزوجة السائل تتناسب عكسياً مع السيولة.
نسبة اللزوجة: الصيغة
في شكل مبسط ، يمكن اعتبار عملية حركة سائل لزج في خط أنابيب على شكل طبقات متوازية مسطحة A و B مع نفس مساحة السطح S ، والمسافة بينهما h.
هاتان الطبقتان (A و B) تتحركان بسرعات مختلفة (V و V + V). الطبقة A ، التي لها أعلى سرعة (V + V) ، تتضمن الطبقة B ، التي تتحرك بسرعة أقل (V). في الوقت نفسه ، تميل الطبقة B إلى إبطاء سرعة الطبقة A. المعنى الفيزيائي لمعامل اللزوجة هو أن احتكاك الجزيئات ، وهي مقاومة طبقات التدفق ، يشكل القوة التي وصفها إسحاق نيوتن بواسطة الصيغة التالية:
F=µ × S × (ΔV / h)
هنا:
- ΔV هو الفرق في سرعات طبقات تدفق السوائل ؛
- h - المسافة بين طبقات تدفق السوائل ؛
- S - مساحة سطح طبقة تدفق السوائل ؛
- Μ (mu) - معامل يعتمد على خاصية السائل ، يسمى اللزوجة الديناميكية المطلقة.
في وحدات SI ، تبدو الصيغة كما يلي:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (باسكال × ثانية)
هنا F هي قوة الجاذبية (الوزن) لوحدة حجم مائع العمل.
قيمة اللزوجة
في معظم الحالات ، يتم قياس معامل اللزوجة الديناميكية بوحدة centipoise (cP) وفقًا لنظام الوحدات CGS (سنتيمتر ، جرام ، ثانية). في الممارسة العملية ، ترتبط اللزوجة بنسبة كتلة السائل إلى حجمه ، أي إلى كثافة السائل:
ρ=م / ف
هنا:
- ρ - كثافة السائل
- m - كتلة السائل
- V هو حجم السائل
العلاقة بين اللزوجة الديناميكية (Μ) والكثافة (ρ) تسمى اللزوجة الحركية ν (ν - في اليونانية -عارية):
ν=Μ / ρ=[m2/ s]
بالمناسبة ، تختلف طرق تحديد معامل اللزوجة. على سبيل المثال ، لا تزال اللزوجة الحركية تقاس وفقًا لنظام CGS في centistokes (cSt) والوحدات الكسرية - Stokes (St):
- 1St=10-4م2/ ق=1 سم2/ ث ؛
- 1sSt=10-6m2/ s=1 مم2/ ثانية
تحديد لزوجة الماء
يتم تحديد لزوجة الماء عن طريق قياس الوقت الذي يستغرقه السائل للتدفق عبر أنبوب شعري معاير. تتم معايرة هذا الجهاز بسائل قياسي ذي لزوجة معروفة. لتحديد اللزوجة الحركية ، المقاسة بالملم2/ s ، يتم ضرب وقت تدفق السوائل ، المقاس بالثواني ، بثابت.
وحدة المقارنة هي لزوجة الماء المقطر ، والتي تكون قيمتها ثابتة تقريبًا حتى عند تغير درجة الحرارة. معامل اللزوجة هو نسبة الوقت بالثواني الذي يستغرقه حجم ثابت من الماء المقطر للتدفق من فتحة معايرة إلى فتحة السائل الذي يتم اختباره.
مقياس اللزوجة
يتم قياس اللزوجة بدرجات إنجلر (° E) أو Saybolt Universal Seconds ("SUS") أو درجات Redwood (° RJ) اعتمادًا على نوع مقياس اللزوجة المستخدم. تختلف الأنواع الثلاثة لمقاييس اللزوجة فقط في مقدار تدفق السوائل.
مقياس اللزوجة قياس اللزوجة في الوحدة الأوروبية درجة انجلر (° E) ، محسوبة200 سم3وسط سائل متدفق. يحتوي مقياس اللزوجة الذي يقيس اللزوجة في Saybolt Universal Seconds ("SUS" أو "SSU" المستخدم في الولايات المتحدة) على 60 سم3من سائل الاختبار. في إنجلترا ، حيث تُستخدم درجات الخشب الأحمر (° RJ) ، يقيس مقياس اللزوجة اللزوجة بمقدار 50 سم3سائل. على سبيل المثال ، إذا كان 200 سم3من زيت معين يتدفق أبطأ عشر مرات من نفس حجم الماء ، فإن لزوجة إنجلر هي 10 ° E.
نظرًا لأن درجة الحرارة هي عامل رئيسي في تغيير معامل اللزوجة ، فعادة ما يتم أخذ القياسات أولاً عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 20 درجة مئوية ، ثم عند قيم أعلى. وبالتالي يتم التعبير عن النتيجة بإضافة درجة الحرارة المناسبة ، على سبيل المثال: 10 ° E / 50 ° C أو 2.8 ° E / 90 ° C. تكون لزوجة سائل عند درجة حرارة 20 درجة مئوية أعلى من لزوجته عند درجات حرارة أعلى. تحتوي الزيوت الهيدروليكية على اللزوجة التالية عند درجة حرارة كل منها:
190 cSt عند 20 درجة مئوية=45.4 درجة مئوية عند 50 درجة مئوية=11.3 درجة مئوية عند 100 درجة مئوية.
ترجمة القيم
تحديد معامل اللزوجة يحدث في أنظمة مختلفة (الأمريكية ، الإنجليزية ، GHS) ، وبالتالي يكون من الضروري في كثير من الأحيان نقل البيانات من نظام بعد إلى آخر. لتحويل قيم لزوجة السوائل المعبر عنها بالدرجات إنجلر إلى ضربات سنت (mm2/ s) ، استخدم الصيغة التجريبية التالية:
ν (cSt)=7.6 × ° E × (1-1 / ° E3)
على سبيل المثال:
- 2 ° E=7.6 × 2 × (1-1 / 23)=15.2 × (0.875)=13.3 cSt ؛
- 9 ° شرق=7 ،6 × 9 × (1-1 / 93)=68.4 × (0.9986)=68.3 درجة مئوية.
لتحديد اللزوجة القياسية للزيت الهيدروليكي بسرعة ، يمكن تبسيط الصيغة على النحو التالي:
ν (cSt)=7.6 × ° E (mm2/ s)
وجود لزوجة حركية ν بالملليمتر2/ s أو cSt ، يمكنك تحويلها إلى معامل لزوجة ديناميكي Μ باستخدام العلاقة التالية:
م=ν × ρ
مثال. تلخيصًا لصيغ التحويل المختلفة لدرجات Engler (° E) و centistokes (cSt) و centipoise (cP) ، افترض أن الزيت الهيدروليكي بكثافة ρ=910 kg / m3له لزوجة حركية تبلغ 12 درجة شرقًا ، والتي تكون بوحدات cSt هي:
ν=7.6 × 12 × (1-1 / 123)=91.2 × (0.99)=90.3 ملم 2/ ثانية.
لأن 1cSt=10-6m2/ s و 1cP=10-3N × s / m2، ثم ستكون اللزوجة الديناميكية:
M=ν × ρ=90.3 × 10-6910=0.082 N × s / m2=82 cP.
عامل لزوجة الغاز
يتم تحديده من خلال التركيب (الكيميائي والميكانيكي) للغاز ، وتأثير درجة الحرارة والضغط ، ويستخدم في الحسابات الديناميكية للغاز المتعلقة بحركة الغاز. من الناحية العملية ، تؤخذ لزوجة الغازات في الاعتبار عند تصميم عمليات تطوير حقل الغاز ، حيث يتم حساب تغيرات المعامل اعتمادًا على التغيرات في تكوين الغاز (مهم بشكل خاص لحقول مكثف الغاز) ودرجة الحرارة والضغط.
احسب لزوجة الهواء. ستكون العمليات مشابهة لـالتيارين التي تمت مناقشتها أعلاه. افترض أن تيارين غازيين U1 و U2 يتحركان على التوازي ، ولكن بسرعات مختلفة. سيحدث الحمل الحراري (الاختراق المتبادل) للجزيئات بين الطبقات. نتيجة لذلك ، سينخفض زخم تيار الهواء الأسرع ، ويتسارع الزخم البطيء في البداية.
يتم التعبير عن معامل لزوجة الهواء وفقًا لقانون نيوتن بالصيغة التالية:
F=-h × (dU / dZ) × S
هنا:
- dU / dZ هو تدرج السرعة ؛
- S - منطقة تأثير القوة ؛
- المعامل ح - اللزوجة الديناميكية.
مؤشر اللزوجة
مؤشر اللزوجة (VI) هو معلمة تربط التغيرات في اللزوجة ودرجة الحرارة. الارتباط هو علاقة إحصائية ، في هذه الحالة كميتان ، يكون فيهما التغير في درجة الحرارة مصحوبًا بتغيير منهجي في اللزوجة. كلما ارتفع مؤشر اللزوجة ، قل التغيير بين القيمتين ، أي أن لزوجة مائع العمل أكثر استقرارًا مع تغيرات درجة الحرارة.
لزوجة الزيت
قواعد الزيوت الحديثة لها مؤشر لزوجة أقل من 95-100 وحدة. لذلك ، في الأنظمة الهيدروليكية للآلات والمعدات ، يمكن استخدام سوائل عمل مستقرة بدرجة كافية ، مما يحد من التغيير الواسع في اللزوجة في ظل ظروف درجات الحرارة الحرجة.
يمكن الحفاظ على معامل اللزوجة "المفضل" عن طريق إدخال إضافات الزيت الخاصة (البوليمرات) التي يتم الحصول عليها أثناء تقطير الزيت. أنها تزيد من مؤشر لزوجة الزيوت لحساب الحد من تغيير هذه الخاصية في الفترة المسموح بها. في الممارسة العملية ، مع إدخال الكمية المطلوبة من المواد المضافة ، يمكن زيادة مؤشر اللزوجة المنخفضة للزيت الأساسي إلى 100-105 وحدة. ومع ذلك ، فإن المزيج الذي يتم الحصول عليه بهذه الطريقة يفسد خصائصه عند الضغط العالي والحمل الحراري ، وبالتالي يقلل من فعالية المادة المضافة.
في دوائر الطاقة للأنظمة الهيدروليكية القوية ، يجب استخدام سوائل العمل بمؤشر لزوجة 100 وحدة. تستخدم سوائل العمل مع الإضافات التي تزيد من مؤشر اللزوجة في دوائر التحكم الهيدروليكية والأنظمة الأخرى التي تعمل في نطاق الضغط المنخفض / المتوسط ، في نطاق درجات حرارة محدودة ، مع تسريبات صغيرة وفي التشغيل على دفعات. مع زيادة الضغط ، تزداد اللزوجة أيضًا ، لكن هذه العملية تحدث عند ضغوط أعلى من 30.0 ميجا باسكال (300 بار). من الناحية العملية ، غالبًا ما يتم إهمال هذا العامل.
القياس والفهرسة
وفقًا لمعايير ISO الدولية ، يتم التعبير عن معامل لزوجة الماء (والوسائط السائلة الأخرى) بضربات السنت: cSt (mm2/ s). يجب إجراء قياسات اللزوجة لزيوت المعالجة عند درجات حرارة 0 درجة مئوية و 40 درجة مئوية و 100 درجة مئوية. في أي حال ، في رمز درجة الزيت ، يجب تحديد اللزوجة برقم عند درجة حرارة 40 درجة مئوية. في GOST ، يتم إعطاء قيمة اللزوجة عند 50 درجة مئوية. تتراوح الدرجات الأكثر استخدامًا في الهندسة الهيدروليكية من ISO VG 22 إلى ISO VG 68.
الزيوت الهيدروليكية VG 22 ، VG 32 ، VG 46 ، VG 68 ، VG 100 عند 40 درجة مئوية لها قيم لزوجة مطابقة لعلاماتها: 22 ، 32 ، 46 ، 68 و 100 سنتي. أفضلتتراوح اللزوجة الحركية لسائل العمل في الأنظمة الهيدروليكية من 16 إلى 36 cSt.
أنشأت الجمعية الأمريكية لمهندسي السيارات (SAE) نطاقات لزوجة عند درجات حرارة محددة وخصصت لها الرموز المناسبة. الرقم الذي يلي W هو اللزوجة الديناميكية المطلقة Μ عند 0 درجة فهرنهايت (-17.7 درجة مئوية) وتم تحديد اللزوجة الحركية ν عند 212 درجة فهرنهايت (100 درجة مئوية). ينطبق هذا المؤشر على زيوت جميع المواسم المستخدمة في صناعة السيارات (ناقل الحركة ، المحرك ، إلخ).
تأثير اللزوجة على المكونات الهيدروليكية
تحديد معامل لزوجة السائل ليس فقط ذا أهمية علمية وتعليمية ، ولكنه يحمل أيضًا قيمة عملية مهمة. في الأنظمة الهيدروليكية ، لا تقوم سوائل العمل بنقل الطاقة من المضخة إلى المحركات الهيدروليكية فحسب ، بل تقوم أيضًا بتشحيم جميع أجزاء المكونات وإزالة الحرارة المتولدة من أزواج الاحتكاك. يمكن أن تؤدي لزوجة مائع العمل غير المناسب لوضع التشغيل إلى إضعاف كفاءة جميع المكونات الهيدروليكية بشكل خطير.
اللزوجة العالية لسائل العمل (زيت عالي الكثافة) تؤدي إلى الظواهر السلبية التالية:
- تؤدي المقاومة المتزايدة لتدفق السوائل الهيدروليكية إلى انخفاض مفرط في الضغط في النظام الهيدروليكي.
- تباطؤ سرعة التحكم والحركات الميكانيكية للمشغلات.
- تطوير التجويف في المضخة.
- إطلاق هواء منخفض جدًا أو صفري من زيت الخزان الهيدروليكي.
- ملحوظفقدان الطاقة (انخفاض الكفاءة) للمكونات الهيدروليكية بسبب ارتفاع تكاليف الطاقة للتغلب على الاحتكاك الداخلي للسائل.
- زيادة عزم دوران المحرك الرئيسي للماكينة بسبب زيادة حمل المضخة.
- ارتفاع في درجة حرارة السائل الهيدروليكي بسبب زيادة الاحتكاك.
هكذا يكمن المعنى المادي لمعامل اللزوجة في تأثيره (إيجابي أو سلبي) على مكونات وآليات المركبات والآلات والمعدات.
فقدان القدرة الهيدروليكية
اللزوجة المنخفضة لسائل العمل (زيت منخفض الكثافة) تؤدي إلى الظواهر السلبية التالية:
- انخفاض في الكفاءة الحجمية للمضخات نتيجة زيادة التسرب الداخلي.
- زيادة التسريبات الداخلية في المكونات الهيدروليكية للنظام الهيدروليكي بأكمله - المضخات ، الصمامات ، الموزعات الهيدروليكية ، المحركات الهيدروليكية.
- زيادة تآكل وحدات الضخ وانحشار المضخات بسبب عدم كفاية اللزوجة لسائل العمل الضروري لتوفير تزييت أجزاء الاحتكاك.
الانضغاط
أي كمادات سائلة تحت الضغط. فيما يتعلق بالزيوت والمبردات المستخدمة في المكونات الهيدروليكية للهندسة الميكانيكية ، فقد ثبت تجريبياً أن عملية الضغط تتناسب عكسياً مع كتلة السائل لكل حجم. نسبة الضغط أعلى بالنسبة للزيوت المعدنية ، وأقل بكثير للمياه ، وأقل بكثير بالنسبة للسوائل الاصطناعية.
في الأنظمة الهيدروليكية البسيطة ذات الضغط المنخفض ، يكون لانضغاط السائل تأثير ضئيل على تقليل الحجم الأولي. ولكن في آلات قوية ذات هيدروليكي عالٍالضغط والأسطوانات الهيدروليكية الكبيرة ، تتجلى هذه العملية بشكل ملحوظ. بالنسبة للزيوت المعدنية الهيدروليكية عند ضغط 10.0 ميجا باسكال (100 بار) ، ينخفض الحجم بنسبة 0.7٪. في الوقت نفسه ، يتأثر التغيير في حجم الضغط قليلاً باللزوجة الحركية ونوع الزيت.
الخلاصة
يسمح لك تحديد معامل اللزوجة بالتنبؤ بتشغيل المعدات والآليات في ظل ظروف مختلفة ، مع مراعاة التغيرات في تكوين السائل أو الغاز والضغط ودرجة الحرارة. كما أن التحكم في هذه المؤشرات وثيق الصلة بقطاع النفط والغاز والمرافق والصناعات الأخرى.
