Специальные жидкости

Тема 6 6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЖИДКОСТИ 6.1. Охлаждающие жидкости Жидкость для системы охлаждения двигателя не должна замерзать и кипеть во всем рабочем диапазоне температур двигателя, легко прокачиваться, не воспламеняться, не вспениваться, не воздействовать на материалы системы охлаждения, иметь высокую теплопроводность и теплоемкость. В некоторой степени этим требованиям отвечает вода. Она имеет целый ряд положительных качеств: доступность, высокую теплоемкость, пожаробезопасность, нетоксичность и т.д. К недостаткам воды следует отнести: высокую температуру замерзания и увеличение объема при этом, недостаточно высокую температуру кипения и склонность к образованию накипи. Отложение накипи в рубашках охлаждения двигателей ухудшает теплоотвод и может приводить к появлению трещин, так как из-за ухудшения охлаждения стенки неравномерно расширяются, в металле возникают значительные внутренние напряжения. Воду, вызывающую образование накипи, называют жесткой. Общая жесткость – это суммарное содержание в воде ионов кальция и магния. Она измеряется миллиграмм-эквивалентами на 1 литр воды (мг.экв/л). Один мг.экв/л соответствует содержанию в 1 литре воды 20,04 мг кальция или 12,16 мг магния. Воду считают мягкой, если в ней общее содержание солей не превышает 3 мг.экв/л, в двигателях ее можно использовать без умягчения. При содержании солей от 3 до 6 мг.экв/л – относят к средней жесткости, перед использованием в двигателе ее желательно умягчать. Воду, содержащую более 6 мг.экв/л солей, считают жесткой, она подлежит обязательному умягчению. По степени пригодности в качестве охлаждающей жидкости для двигателей природные воды распределяются в следующем порядке: атмосферная (дождевая, снеговая) – самая мягкая (до 1,5 мг.экв/л); речная или озерная – достаточно мягкая (1,5...4,0 мг.экв/л); грунтовая (колодезная, ключевая), наиболее жѐсткая - морская. Самым простым способом умягчения является кипячение воды в течение 15...20 мин. При этом большая часть солей выпадает в осадок, который отфильтровывают. Остаточная жесткость в таком случае не превышает 1...2 мг.экв/л. Более сложный, но кардинальный способ очистки воды от солей – перегонка. В результате получается дистиллированная вода. 1 Существуют химические способы умягчения воды: добавление к ней веществ, образующих с солями кальция и магния нерастворимые соединения, выпадающие в осадок. К таким способам относится известково-содовое умягчение: к воде добавляют соду Na2CO3 в количестве 53 мг/л на одну единицу жесткости или раствор извести – гидроксид кальция Ca(OH)2. Теплую воду перемешивают с реактивом, 20...30 мин отстаивают и фильтруют от осадка. Все накипеобразующие соединения выпадают в виде нерастворимых соединений CaCO3, MgCO3, Mg(OH)2. Этот способ более эффективен, чем кипячение – остаточная жесткость не превышает 0,5...1,0 мг.экв/л. Образование накипи можно предотвратить обработкой воды непосредственно в системе охлаждения добавкой так называемых антинакипинов. Они особенно удобны, когда систему требуется заправить водой из естественных источников при отсутствии умягченной воды. Наиболее часто в качестве антинакипина используют хромпик K2Cr2O7. Хромпик переводит соли накипи в растворенное состояние. Используют его следующим образом: готовят концентрат – 100 г реактива на 1 л воды. На 1 л среднежесткой воды берут 30...50 мл концентрата, для жесткой воды – 100...130 мл. Кроме того, являясь сильным окислителем, хромпик на поверхности металла создает защитную оксидную пленку, предохраняющую от коррозии. Недостатком воды как охлаждающей жидкости является не только склонность к накипеобразованию. Температура еѐ кипения составляет 1000С, что не всегда обеспечивает охлаждение современных форсированных двигателей. Замерзает вода при 00С, при этом примерно на 10 % увеличиваясь в объеме. Образующийся лед давит на стенки системы охлаждения с усилием свыше 200 МПа, что может привести к разрушению головки блока цилиндров и радиатора. По этой причине в зимнее время года целесообразнее использовать низкозамерзающие охлаждающие жидкости (НОЖ). Лучшие из них - этиленгликолевые смеси. Эти жидкости, обеспечивая надежное охлаждение двигателя, полностью исключают возможность размораживания системы охлаждения при длительной стоянке в условиях низких температур. Этиленгликоль - прозрачная бесцветная или слегка желтоватая жидкость без запаха, хорошо смешивается с водой, ацетоном, спиртами, нерастворим в нефтепродуктах. Несмотря на то, что в случае применения этиленгликоля рабочая температура жидкости может быть повышена до 120...130°С, в чистом виде его практически не используют. Причиной этого является относительно высокая температура застывания (-10°С) и низкая температура вспышки 122°С (пожароопасность) этиленгликоля. Для охлаждения используют водные растворы этиленгликоля. Смешивая этиленгликоль с водой в разных соотношениях, можно получить жидкости с температурой замерзания от 0 до -75°С. Зависимость температуры замерзания водоэтиленгликолевых растворов от их состава приведена на рис. 6.1. Кривая кристаллизации имеет перелом в точке В, соответствующей 33,3% вoды и 66,7 % этиленгликоля, темпера2 тура замерзания - 75°С. В водных растворах этиленгликоля с содержанием воды от 0 до 33,3% (кривая ВС) при замерзании образуются кристаллы этиленгликоля, а вода остается в жидком состоянии. Если концентрация воды более 33,3% (кривая АВ), при замерзании кристаллизуется вода, а этиленгликоль остается в жидком состоянии. В точке В одновременно кристаллизуются и этиленгликоль, и вода. Пользуясь кривой кристаллизации, можно, зная необходимую температуру застывания, найти состав смеси, и наоборот. Антифриз марки 40 представляет собой смесь 52% этиленгликоля и 48% воды, марки 65 – соответственно 64 и 36%. Поскольку этиленгликоль корродирует металл, к антифризам добавляют антикоррозионную присадку. Антифризы практически не действуют на резиновые шланги. Они обладают повышенной текучестью, поэтому нужно особенно тщательно следить за уплотнением соединений между деталями. Для всесезонной эксплуатации легковых и ряда грузовых автомобилей (КамАЗ), тракторов К-701 предназначены тосолы А-40 и А-65, окрашенные в зелено-голубой цвет. Тосолы готовят на основе этиленгликоля с добавкой 2,5...3,0% сложной композиции противокоррозионных и антипенных присадок. Цифры в марках характеризуют температуру застывания. Заменять тосолы в системе охлаждения следует через два года (или 60 тыс. км пробега), так как присадки в процессе эксплуатации разрушаются, ухудшая качество жидкостей. Использовать НОЖ можно только после удаления из системы охлаждения накипи, которая разрушает антикоррозионные присадки. При нагревании этиленгликолевые жидкости значительно увеличиваются в объеме. В связи с этим систему охлаждения заполняют на 92...94 %. В автомобилях для учѐта этого явления предусматриваются расширительные бачки. При обнаружении подтекания НОЖ из системы добавляют до нужного объема только НОЖ. Если система исправна, а уровень жидкости уменьшился, то доливать можно дистиллированную воду, так как температура кипения воды значительно ниже, чем у этиленгликоля, и вода быстрее испаряется. Существенный недостаток этиленгликолевых жидкостей - их токсичность. При попадании НОЖ в организм человека наблюдаются тяжелые отравления. Основные меры предосторожности: НОЖ нельзя засасывать ртом, необходимо осторожно заполнять систему охлаждения, не допуская разливов и перелива жидкости, работать следует в резиновых перчатках, лучше в специальной одежде и т.д. 3 ЛЕКЦИЯ 14 6.2. Тормозные и амортизаторные жидкости 6.2.1. Тормозные жидкости Тормозные жидкости служат для передачи энергии к исполнительным механизмам в гидроприводе тормозной системы автомобиля. При торможении кинетическая энергия при трении превращается в тепловую. Освобождается большое количество теплоты, которое зависит от массы и скорости автомобиля. В случае экстренного торможения автомобиля температура тормозных колодок может достигать 600°С, а тормозная жидкость - нагреваться до 150°С и выше. Высокие температуры в тормозах и гигроскопичность жидкости приводят к ее обводнению и преждевременному старению. В этих условиях жидкость может отрицательно влиять на резиновые манжетные уплотнения тормозных цилиндров, вызывать коррозию металлических деталей. Однако наибольшую опасность для работы тормозов представляет возможность образования в жидкости пузырьков газа и пара, образующихся при высокой температуре из-за низкой температуры кипения самой жидкости, а также при наличии в ней воды. При нажатии на педаль тормоза пузырьки газа сжимаются, и так как объем главного тормозного цилиндра невелик (5…15 мл), даже сильное нажатие на педаль может не привести к росту необходимого тормозного давления, т.е. тормоз не работает из-за наличия в системе паровых пробок. К тормозным жидкостям предъявляются следующие основные требования. Температура кипения – это важнейший показатель, определяющий предельно допустимую рабочую температуру гидропривода тормозов. Для большей части современных тормозных жидкостей температура кипения в процессе эксплуатации снижается из-за их высокой гигроскопичности. К этому приводит попадание воды, главным образом за счет конденсации из воздуха. Поэтому наряду с температурой кипения «сухой» тормозной жидкости определяют температуру кипения «увлажненной» жидкости, содержащей 3,5% воды. (Температура кипения «увлажненной» жидкости косвенно характеризует температуру, при которой жидкость будет закипать через 1,5…2 года ее работы в гидроприводе тормозов автомобиля). Из опыта эксплуатации известно, что температура жидкости в гидроприводе тормозов грузового автомобиля обычно не превышает 100°С. В условиях интенсивного торможения, например на горных дорогах, температура может 4 подняться до 120°С и выше. В легковых автомобилях с дисковыми тормозами температура жидкости при движении по магистральным дорогам составляет 60…70°С, а в городских условиях достигает 80…100°с, на горных дорогах – 100…120°С, а при высоких скоростях движения, температурах воздуха и интенсивных торможениях – до 150°С. Кроме того, начало образования паровой фазы тормозных жидкостей реально происходит ниже температуры кипения (на 20…25°С). Согласно требованиям международных стандартов температура кипения «сухой» и «увлажненной» тормозных жидкостей должна иметь значения соответственно не менее 205 и 140°С - для автомобилей при обычных условиях эксплуатации и не менее 230 и 155°С – для автомобилей, эксплуатирующихся на режимах с повышенными скоростями или с частыми и интенсивными торможениями, например на горных дорогах. Вязкостно-температурные свойства. Процесс торможения обычно длится несколько секунд, а в экстренных условиях – доли секунды. Поэтому необходимо, чтобы сила, прилагаемая водителем к педали тормоза, с помощью рабочей жидкости быстро передавалась на колесные тормоза. Это условие обеспечивается необходимой текучестью жидкости и определяется максимально допустимой вязкостью при температуре -40°С: не более 1500 сСт для жидкостей общего назначения и не более 1800 сСт – для высокотемпературных жидкостей. Жидкости для севера должны иметь вязкость не более 1500 сСт при -55°С. Антикоррозионные свойства. Для предотвращения коррозии жидкости должны содержать ингибиторы, защищающие сталь, чугун, белую жесть, алюминий, латунь, медь от коррозии. Эффективность ингибиторов оценивается по изменению массы и состоянию поверхности пластин из указанных металлов после их выдерживания в тормозной жидкости, содержащей 3,5% воды, в течение 120 ч при 100°С. Совместимость с резиновыми уплотнениями. Для обеспечения герметичности гидросистемы на поршни и цилиндры ставят резиновые уплотнительные манжеты. Необходимое уплотнение обеспечивается, когда под воздействием тормозной жидкости манжеты несколько набухают и их уплотнительные кромки плотно прилегают к стенкам цилиндра. При этом недопустимо как слишком сильное набухание манжет, так как может произойти их разрушение при перемещении поршней, так и усадка манжет, чтобы не допустить утечки жидкости из системы. Испытание на набухание резины осуществляется при выдерживании манжет или образцов резины в жидкости при 70 и 120°С. Затем определяется изменение объема, твердости и диаметра манжет. Смазывающие свойства. Влияние жидкости на износ рабочих поверхностей тормозных поршней, цилиндров, манжетных уплотнений определяется ее смазывающими свойствами, которые проверяются при стендовых испытаниях, 5 имитирующих работу гидропривода тормозов в тяжелых условиях эксплуатации. Стабильность при высоких температурах. Тормозные жидкости в интервале рабочих температур от –50 до 150°С должны сохранять исходные показатели, т.е. противостоять окислению и расслаиванию при хранении и применении, образованию осадков и отложений на деталях гидропривода тормозов. Тормозные жидкости готовят с применением растительных масел (чаще касторового) или двухатомных спиртов – гликолей. При использовании растительных масел вторым компонентом обычно является спирт, например бутиловый. До недавнего времени широкое распространение имела тормозная жидкость БСК. Она представляет собой смесь равного количества бутилового спирта и касторового масла с добавлением органического красителя (цвет жидкости оранжево-красный). Жидкость имела хорошие смазывающие свойства, но невысокие вязкостно-температурные показатели. Ее можно использовать в гидроприводах тормозов и сцепления грузовых и легковых (кроме ВАЗ) автомобилей в зонах умеренного климата. При температуре ниже -17°С жидкость БСК из-за интенсивной кристаллизации начинает переходить в твердую фазу. Верхний температурный предел работоспособности также невелик – жидкость закипает при 115°С. При попадании в систему воды однородность жидкости нарушается, и она становится непригодной к использованию. Жидкость БСК не гигроскопична – это ее достоинство, со временем ее температура кипения снижается не так ощутимо, как у тормозных жидкостей на гликолевой основе, но абсолютные значения температуры кипения в 115…110°С не в состоянии обеспечить надежную работу тормозов современных автомобилей на режимах с интенсивным торможением. Кроме того, к недостаткам касторовых тормозных жидкостей можно отнести выпаривание спирта при работе с высокими температурами. Улучшенные эксплуатационные свойства (надежная работа тормозных систем в интервале температуры от –50 до 150°С, противоизносные, защитные характеристики) у жидкостей ГТЖ-22М и «Нева» на основе гликолей с комплексом присадок (вязкостные, противоизносные, ингибитры коррозии и др.) и красителями. Это прозрачные жидкости желтого цвета. Они имеют хорошие вязкостно-температурные свойства (прокачиваемость), низкую испаряемость. Жидкость «Нева» рекомендована для применения в приводах тормозов современных легковых автомобилей (за исключением ГАЗ24 выпуска до 1985 г., из-за несовместимости с резиновыми манжетными уплотнениями гидропривода). При поглощении воды расслаивания жидкости в системе не происходит, так как вода хорошо растворима в гликолях. Основной недостаток жидкостей – высокая гигроскопичность. В результате накопления влаги в жидкости резко (со 180…200°С до 120…140°С) уменьшается температура ее кипения. Жидкость ГТЖ-22М по показателям близка к «Неве», но обладает худшими антикоррозионными и вязкостно-температурными свойствами. 6 Более высокое качество имеет всесезонная тормозная жидкость «Томь», представляющяя собой смесь гликолей (этилкарбитола) и эфиров борной кислоты с добавлением вязкостной и антикоррозионный присадки. По внешнему виду очень похожа на жидкости «Нева» и ГТЖ-22М. Основные ее преимущества: меньшая гигроскопичность, незначительное снижение температуры кипения при обводнении (с 205…220°С до 140…160°С), улучшенные противоизносные и антикоррозионные свойства. Эксплуатационные свойства жидкости обеспечивают надежную работу приводов тормозов всех отечественных грузовых и легковых автомобилей. Жидкость «Роса» представляет собой композицию на основе боросодержащих соединений, антиокислительных и антикоррозионных присадок. По внешнему виду – прозрачная бесцветная однородная жидкость. Имеет исключительно хорошие эксплуатационные свойства (особенно высокотемпературные – температура кипения «сухой» и «увлажненной» жидкости 260°С и 165°С соответственно), ее можно использовать в тормозных системах всех типов автомобилей при температуре окружающей среды от –50 до +50°С. Следует отметить, что жидкости «Нева», «Роса», «Томь» полностью совместимы, их смешивание между собой возможно в любых соотношениях. Смешивание указанных жидкостей с БСК недопустимо, так как это приведет к расслоению смеси и потере необходимых эксплуатационных свойств. Зарубежными аналогами жидкостей «Нева» и «Томь» являются жидкости, соответствующие международной классификации ДОТ-3, которые имеют температуру кипения более 205°С, а для жидкости «Роса» – жидкости ДОТ-4 с температурой кипения более 230°С. 6.2.2. Амортизаторные жидкости Амортизаторные жидкости должны иметь высокие смазывающие и антикоррозионные свойства, обладать низкой температурой застывания. Для обеспечения надежной работы телескопических амортизаторов необходима жидкость с высокой термоокислительной и механической стабильностью, которая может бессменно работать в амортизаторе длительное время (до 100 тыс. км пробега автомобиля), подвергаясь значительному механическому и термическому воздействию при многократном (десятки миллионов циклов) истечении под давлением через отверстия клапанов и дросселей. Требования к амортизаторным жидкостям многообразны. Основным из них является должная вязкость. Высокие требования предъявляются к вязкости амортизаторных жидкостей при отрицательных температурах. Так, при -20°С вязкость не должна превышать 800 сСт. Желательно, чтобы при интервале возможных на практике отрицательных темпера7 тур вязкость амортизаторной жидкости не превышала 2000 сСт. При более высокой вязкости работа амортизаторов резко ухудшается и происходит блокировка подвески. Это случается довольно часто, так как уже при -30°С вязкость товарных амортизаторных жидкостей превышает 2000 сСт, а при -40°С достигает 5000..10000 сСт. Обеспечить требуемую вязкость (при температурах ниже -30°С) могут лишь амортизаторные жидкости на синтетической основе. Таблица Вязкостно-температурные показатели основных марок амортизаторных жидкостей Показатель МГП-10 МГП-12 АЖ-12Т АЖ-170 -40°С, не более - - 6500 - -20°С, не более 1000 800 - - 50°С, не менее 10 12 12 170…190 100°С, не менее 3,6 3,9 3,6 - Температура застывания, °С, не выше -40 -43 -52 -60 Температура вспышки, °С, не ниже 145 140 165 245 Вязкость, сСт при температуре 8 Широкое распространение в амортизаторах автомобилей имеет жидкость АЖ-12Т, которая представляет собой смесь маловязкого минерального масла и полиэтилсилоксановой жидкости с добавлением противоизносной и антиокислительной присадок. Она устойчиво работает при повышенных температурах и давлениях, обладает хорошей термической и механической стабильностью. Используют жидкость АЖ-12Т в тех системах, где детали выполнены из маслостойкой резины (работа в диапазоне температур от –50 до +60°С. Для всесезонной работы гидравлических амортизаторов автомобилей предназначено масло МГП-10, являющееся смесью трансформаторного масла, полиэтилсилоксановой жидкости, животного жира, антиокислительной и противопенной присадок. Однако применение жидкости МГП-10 на автомобилях семейства ВАЗ-2108,09 вызвало повышенный износ телескопических стоек. Для этих автомобилей и семейства ВАЗ-2110 была разработана амортизаторная жидкость МГП-12 с улучшенными противоизносными свойствами. Амортизаторной жидкостью очень высокого качества является жидкость АЖ-170, представляющая собой композицию полиэтилсилоксанов с хорошо очищенным маловязким маслом. Высокие эксплуатационные свойства позволяют использовать еѐ в амортизаторах, работающих при температурах от –60 до +130°С. При отсутствии специальных жидкостей амортизаторные наполнители можно приготовить смешением примерно равного количества трансформаторного и легкого индустриального масла. Такая смесь будет обладать удовлетворительными эксплуатационными свойствами, хотя и уступает специальной жидкости. Использовать одно трансформаторное масло не рекомендуется, так как оно не обладает необходимыми противоизносными свойствами. 9 6.3. Пусковые жидкости 10