מקדם צמיגות הוא פרמטר מפתח של נוזל עבודה או גז. במונחים פיזיקליים, ניתן להגדיר צמיגות כחיכוך פנימי הנגרם מתנועת חלקיקים המרכיבים את המסה של תווך נוזלי (גזי), או, יותר פשוט, ההתנגדות לתנועה.
מהי צמיגות
הניסוי האמפירי הפשוט ביותר לקביעת צמיגות: אותה כמות של מים ושמן יוצקים על משטח נוטה חלק בו-זמנית. מים מתנקזים מהר יותר משמן. היא יותר נוזלית. שמן נע נמנע להתנקז במהירות על ידי החיכוך הגבוה יותר בין המולקולות שלו (התנגדות פנימית - צמיגות). לפיכך, הצמיגות של נוזל עומדת ביחס הפוך לנזילות שלו.
יחס צמיגות: נוסחה
בצורה פשוטה, תהליך התנועה של נוזל צמיג בצינור יכול להיחשב בצורה של שכבות מקבילות שטוחות A ו-B עם אותו שטח פנים S, שהמרחק ביניהן הוא h.
שתי השכבות הללו (A ו-B) נעות במהירויות שונות (V ו-V+ΔV). שכבה A, בעלת המהירות הגבוהה ביותר (V+ΔV), כוללת שכבה B, אשר נעה במהירות נמוכה יותר (V). במקביל, שכבה B נוטה להאט את מהירותה של שכבה A. המשמעות הפיזיקלית של מקדם הצמיגות היא שהחיכוך של המולקולות, שהן ההתנגדות של שכבות הזרימה, יוצר כוח אותו תיאר אייזק ניוטון על ידי הנוסחה הבאה:
F=µ × S × (ΔV/h)
כאן:
- ΔV הוא ההבדל במהירויות של שכבות זרימת הנוזל;
- h - מרחק בין שכבות של זרימת נוזל;
- S - שטח הפנים של שכבת זרימת הנוזל;
- Μ (mu) - מקדם בהתאם לתכונת הנוזל, הנקרא צמיגות דינמית מוחלטת.
ביחידות SI, הנוסחה נראית כך:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × second)
כאן F הוא כוח הכבידה (משקל) של יחידת הנפח של נוזל העבודה.
ערך צמיגות
ברוב המקרים, מקדם הצמיגות הדינמי נמדד ב-centipoise (cP) בהתאם למערכת ה-CGS של יחידות (סנטימטר, גרם, שנייה). בפועל, צמיגות קשורה ליחס בין המסה של נוזל לנפח שלו, כלומר לצפיפות הנוזל:
ρ=m / V
כאן:
- ρ – צפיפות נוזלים;
- m - מסה של נוזל;
- V הוא נפח הנוזל.
הקשר בין צמיגות דינמית (Μ) וצפיפות (ρ) נקרא צמיגות קינמטית ν (ν – ביוונית –עירום):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
אגב, השיטות לקביעת מקדם הצמיגות שונות. לדוגמה, צמיגות קינמטית עדיין נמדדת בהתאם למערכת CGS בסנטיסטוקס (cSt) וביחידות חלקיות - סטוקים (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
קביעת צמיגות המים
צמיגות המים נקבעת על ידי מדידת הזמן שלוקח לנוזל לזרום דרך צינור נימי מכויל. מכשיר זה מכויל עם נוזל סטנדרטי עם צמיגות ידועה. כדי לקבוע את הצמיגות הקינמטית, הנמדדת ב-mm2/s, זמן זרימת הנוזל, הנמדד בשניות, מוכפל בקבוע.
יחידת ההשוואה היא הצמיגות של מים מזוקקים, שערכם כמעט קבוע גם כאשר הטמפרטורה משתנה. מקדם הצמיגות הוא היחס בין הזמן בשניות שלוקח לנפח קבוע של מים מזוקקים לזרום מתוך פתח מכויל לזה של הנוזל הנבדק.
מדדי ויסקו
הצמיגות נמדדת במעלות Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") או מעלות Redwood (°RJ) בהתאם לסוג הצמיג המשמש. שלושת סוגי הוויסקומטרים נבדלים רק בכמות של נוזל זורם החוצה.
ויסקומטר מודד צמיגות ביחידה האירופית דרגת Engler (°E), מחושב200 ס"מ3 מדיום נוזלי יוצא. מד ויסקומטר שמודד צמיגות ב-Saybolt Universal Seconds ("SUS" או "SSU" בשימוש בארה"ב) מכיל 60 ס"מ3 מנוזל הבדיקה. באנגליה, שם משתמשים בדרגות רדווד (°RJ), ה-Viscometer מודד את הצמיגות של 50 ס"מ3 נוזל. לדוגמה, אם 200 ס"מ3 של שמן מסוים זורמים לאט פי עשר מאותו נפח מים, אז צמיגות אנגלר היא 10°E.
מכיוון שהטמפרטורה היא גורם מפתח בשינוי מקדם הצמיגות, המדידות נלקחות בדרך כלל תחילה בטמפרטורה קבועה של 20°C, ולאחר מכן בערכים גבוהים יותר. התוצאה מתבטאת אם כן על ידי הוספת הטמפרטורה המתאימה, למשל: 10°E/50°C או 2.8°E/90°C. הצמיגות של נוזל ב-20 מעלות צלזיוס גבוהה מצמיגותו בטמפרטורות גבוהות יותר. לשמנים הידראוליים יש את הצמיגות הבאות בטמפרטורות המתאימות:
190 cSt ב-20°C=45.4 cSt ב-50°C=11.3 cSt ב-100°C.
תרגם ערכים
קביעת מקדם הצמיגות מתרחשת במערכות שונות (אמריקאית, אנגלית, GHS), ולכן לעיתים קרובות יש צורך בהעברת נתונים ממערכת מימדית אחת לאחרת. כדי להמיר ערכי צמיגות נוזלים המבוטאים במעלות אנגלר לסנטיסטוקס (mm2/s), השתמש בנוסחה האמפירית הבאה:
ν(cSt)=7.6 × °E × (1-1/°E3)
לדוגמה:
- 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.
כדי לקבוע במהירות את הצמיגות הסטנדרטית של שמן הידראולי, ניתן לפשט את הנוסחה כדלקמן:
ν(cSt)=7.6 × °E(mm2/s)
עם צמיגות קינמטית ν ב-mm2/s או cSt, אתה יכול להמיר אותו למקדם צמיגות דינמי Μ באמצעות הקשר הבא:
M=ν × ρ
דוגמה. לסכם את נוסחאות ההמרה השונות עבור מעלות אנגלר (°E), centistokes (cSt) ו-centipoise (cP), נניח שלשמן הידראולי עם צפיפות של ρ=910 kg/m3 יש צמיגות קינמטית של 12°E, שביחידות cSt היא:
ν=7.6 × 12 × (1-1/123)=91.2 × (0.99)=90.3 מ מ2/s.
כי 1cSt=10-6m2/s ו-1cP=10-3N×s/m2, ואז הצמיגות הדינמית תהיה:
M=ν × ρ=90.3 × 10-6 910=0.082 N×s/m2=82 cP.
גורם צמיגות הגז
זה נקבע לפי הרכב הגז (כימי, מכני), השפעת הטמפרטורה, הלחץ ומשמש בחישובי גז דינמיים הקשורים לתנועת הגז. בפועל, צמיגות הגזים נלקחת בחשבון בעת תכנון פיתוחי שדות גז, כאשר השינויים במקדם מחושבים בהתאם לשינויים בהרכב הגז (חשוב במיוחד לשדות עיבוי גז), טמפרטורה ולחץ.
חשב את צמיגות האוויר. התהליכים יהיו דומים לשני הזרמים שנדונו לעיל. נניח ששני זרמי גז U1 ו-U2 נעים במקביל, אך במהירויות שונות. הסעה (חדירה הדדית) של מולקולות תתרחש בין השכבות. כתוצאה מכך, המומנטום של זרם האוויר שזז מהר יותר יקטן, והאיטי שנע בתחילה יאיץ.
מקדם הצמיגות של האוויר, לפי חוק ניוטון, מבוטא בנוסחה הבאה:
F=-h × (dU/dZ) × S
כאן:
- dU/dZ הוא שיפוע המהירות;
- S - אזור פגיעה בכוח;
- מקדם h - צמיגות דינמית.
אינדקס צמיגות
אינדקס הצמיגות (VI) הוא פרמטר שמתאם שינויים בצמיגות ובטמפרטורה. מתאם הוא קשר סטטיסטי, במקרה זה שתי כמויות, שבו שינוי בטמפרטורה מלווה בשינוי שיטתי בצמיגות. ככל שמדד הצמיגות גבוה יותר, כך השינוי בין שני הערכים קטן יותר, כלומר, הצמיגות של נוזל העבודה יציבה יותר עם שינויי טמפרטורה.
צמיגות השמן
לבסיסי השמנים המודרניים יש אינדקס צמיגות מתחת ל-95-100 יחידות. לכן, במערכות ההידראוליות של מכונות וציוד, ניתן להשתמש בנוזלי עבודה יציבים מספיק, המגבילים את השינוי הרחב בצמיגות בתנאים של טמפרטורות קריטיות.
ניתן לשמור על מקדם צמיגות "מועדף" על ידי הכנסת לשמן תוספים מיוחדים (פולימרים) המתקבלים במהלך זיקוק השמן. הם מגדילים את מדד הצמיגות של שמנים עבורבחשבון של הגבלת השינוי של מאפיין זה במרווח המותר. בפועל, עם הכנסת הכמות הנדרשת של תוספים, ניתן להעלות את מדד הצמיגות הנמוך של שמן הבסיס ל-100-105 יחידות. עם זאת, התערובת המתקבלת בדרך זו פוגעת בתכונותיה בלחץ ובעומס חום גבוה, ובכך מפחיתה את יעילות התוסף.
במעגלי הכוח של מערכות הידראוליות חזקות, יש להשתמש בנוזלי עבודה עם מדד צמיגות של 100 יחידות. נוזלי עבודה עם תוספים המגדילים את מדד הצמיגות משמשים במעגלי בקרה הידראוליים ומערכות אחרות הפועלות בטווח לחץ נמוך/בינוני, בטווח טמפרטורות מוגבל, עם דליפות קטנות ובהפעלה אצווה. עם הגדלת הלחץ, גם הצמיגות עולה, אך תהליך זה מתרחש בלחצים מעל 30.0 MPa (300 בר). בפועל, גורם זה מוזנח לעתים קרובות.
מדידה ואינדקס
בהתאם לתקני ISO הבינלאומיים, מקדם הצמיגות של מים (וחומרים נוזליים אחרים) מבוטא בסנטיסטוקס: cSt (mm2/s). מדידות צמיגות של שמני תהליך צריכות להתבצע בטמפרטורות של 0°C, 40°C ו-100°C. בכל מקרה, בקוד דרגת השמן, הצמיגות חייבת להיות מצוינת באיור בטמפרטורה של 40 מעלות צלזיוס. ב-GOST, ערך הצמיגות ניתן ב-50 מעלות צלזיוס. הציונים הנפוצים ביותר בהידראוליקה הנדסית נעים בין ISO VG 22 ל-ISO VG 68.
שמנים הידראוליים VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 ב-40°C הם בעלי ערכי צמיגות התואמים לסימון שלהם: 22, 32, 46, 68 ו-100 cSt. אוֹפְּטִימָלִיהצמיגות הקינמטית של נוזל העבודה במערכות הידראוליות נעה בין 16 ל-36 cSt.
האגודה האמריקאית של מהנדסי רכב (SAE) קבעה טווחי צמיגות בטמפרטורות ספציפיות והקצתה להם את הקודים המתאימים. המספר אחרי ה-W הוא הצמיגות הדינמית המוחלטת Μ ב-0°F (-17.7°C) והצמיגות הקינמטית ν נקבעה ב-212°F (100°C). הצמדה זו חלה על שמנים לכל ימות השנה המשמשים בתעשיית הרכב (תיבת הילוכים, מנוע וכו').
השפעת הצמיגות על הידראוליקה
קביעת מקדם הצמיגות של נוזל היא לא רק בעלת עניין מדעי וחינוכי, אלא גם נושאת ערך מעשי חשוב. במערכות הידראוליות, נוזלי עבודה לא רק מעבירים אנרגיה מהמשאבה למנועים הידראוליים, אלא גם משמנים את כל חלקי הרכיבים ומסירים את החום שנוצר מזוגות החיכוך. צמיגות נוזל העבודה שאינה מתאימה למצב הפעולה עלולה לפגוע קשות ביעילות כל ההידראוליקה.
צמיגות גבוהה של נוזל העבודה (שמן בעל צפיפות גבוהה מאוד) מובילה לתופעות השליליות הבאות:
- התנגדות מוגברת לזרימת נוזל הידראולי גורמת לירידת לחץ מוגזמת במערכת ההידראולית.
- האטה במהירות הבקרה ובתנועות מכניות של מפעילים.
- פיתוח קוויטציה במשאבה.
- שחרור אוויר אפס או נמוך מדי משמן מיכל הידראולי.
- מורגשאובדן כוח (ירידה ביעילות) של הידראוליקה עקב עלויות אנרגיה גבוהות כדי להתגבר על החיכוך הפנימי של הנוזל.
- מומנט המומנט העיקרי של המכונה מוגבר שנגרם על ידי עומס משאבה מוגבר.
- עלייה בטמפרטורת הנוזל ההידראולי עקב חיכוך מוגבר.
לכן, המשמעות הפיזית של מקדם הצמיגות נעוצה בהשפעתו (חיובית או שלילית) על הרכיבים והמנגנונים של כלי רכב, מכונות וציוד.
איבוד כוח הידראולי
צמיגות נמוכה של נוזל העבודה (שמן בעל צפיפות נמוכה) מובילה לתופעות השליליות הבאות:
- ירידה ביעילות הנפח של משאבות כתוצאה מהגברת הדליפה הפנימית.
- עלייה בנזילות פנימיות ברכיבים ההידראוליים של כל המערכת ההידראולית - משאבות, שסתומים, מפיצים הידראוליים, מנועים הידראוליים.
- בלאי מוגבר של יחידות השאיבה ותקיעת משאבות עקב צמיגות לא מספקת של נוזל העבודה הדרוש כדי לספק סיכה של חלקי שפשוף.
דחיסה
כל נוזל דוחס בלחץ. לגבי שמנים ונוזלי קירור המשמשים בהידראוליקה הנדסית מכנית, נקבע אמפירית שתהליך הדחיסה עומד ביחס הפוך למסת הנוזל לנפח. יחס הדחיסה גבוה יותר עבור שמנים מינרליים, נמוך משמעותית עבור מים, ונמוך בהרבה עבור נוזלים סינתטיים.
במערכות הידראוליות פשוטות בלחץ נמוך, לדחיסה של הנוזל יש השפעה זניחה על הפחתת הנפח ההתחלתי. אבל במכונות חזקות עם הידראולית גבוההלחץ וצילינדרים הידראוליים גדולים, תהליך זה בא לידי ביטוי באופן ניכר. עבור שמנים מינרליים הידראוליים בלחץ של 10.0 MPa (100 בר), הנפח יורד ב-0.7%. יחד עם זאת, השינוי בנפח הדחיסה מושפע מעט מהצמיגות הקינמטית ומסוג השמן.
מסקנה
קביעת מקדם הצמיגות מאפשרת לחזות את פעולת הציוד והמנגנונים בתנאים שונים, תוך התחשבות בשינויים בהרכב נוזל או גז, לחץ, טמפרטורה. כמו כן, השליטה באינדיקטורים אלו רלוונטית למגזר הנפט והגז, שירותים ותעשיות אחרות.
