Рабочая жидкость для гидравлических систем

Использование: в системах автоматического управления гидроприводами различных конструкций. Сущность: жидкость содержит в мас.%: 27-60 полидиметилсилоксановых жидкостей с вязкостью от 20 до 200 мм²/с и 40-73 фракций нефти Троицко-Анастасиевского месторождения с температурой кипения от 165 до 370°С. Технический результат - повышение надежности и быстродействия автоматических систем благодаря высоким реологическим и смазывающим свойствам рабочей жидкости, обеспечение высоких эксплуатационных характеристик для гидравлических систем в любой климатической зоне России (от минус 70 до плюс 70°С) и при повышенных температурах эксплуатации (до 130°С). 2 табл.

 

Изобретение относится к рабочим жидкостям для гидросистем, в т.ч. запорной арматуры.

К рабочим жидкостям указанного назначения предъявляются требования, обусловленные сложными условиями их эксплуатации, а именно: жидкости должны сохранять работоспособность в диапазоне температур от минус 70 до плюс 70°С, стабильность в течение всего срока хранения и эксплуатации, должны быть инертны к материалам гидросистем, обладать хорошими смазывающими свойствами и не проявлять токсического воздействия.

Широкое распространение в промышленности получили гидравлические жидкости на основе товарных фракций нефти и минеральных масел из-за их доступности и целого комплекса положительных свойств - хорошей смазывающей способности, совместимости с различными присадками и т.д. К недостаткам этой группы продуктов можно отнести их склонность к окислению, высокую зависимость вязкости от температуры, растворяющую способность по отношению к неметаллическим материалам гидросистем (прокладкам и уплотнениям), летучесть.

Из числа синтетических жидкостей широкое распространение получили полиметилсилоксановые жидкости линейной структуры, обладающие малой зависимостью вязкости от температуры и низкими температурами застывания.

Недостатком полиметилсилоксановых жидкостей является их неудовлетворительная смазывающая способность по отношению к парам сталь-сталь, в большинстве случаев значительно уступающая смазывающей способности нефтяных масел. Введение же поверхностно-активных веществ для улучшения смазывающих свойств существенно затруднено из-за плохой их совместимости с полидиметилсилоксанами.

Устранение вышеперечисленных недостатков при сохранении высоких эксплуатационных свойств гидравлических жидкостей может быть достигнуто компаундированием прямогонных нефтяных фракций с полидиметилсилоксанами.

Однако большинство из известных нефтяных фракций не совместимо с полиметилсилоксановыми жидкостями. Единственной нефтяной фракцией, хорошо совместимой с полидиметилсилоксанами, являлась керосиногазойлевая фракция, производимая при переработке нефти Ярегского месторождения Республики Коми.

Из патента RU 2079523, С10М 169/04, 1997, известна рабочая жидкость для гидравлической системы газопроводов, содержащая, мас.%: 40-60 полиметилсилоксановой жидкости, 40-60 керосиногазойлевой фракции нефти Ярегского месторождения Республики Коми, имеющая диапазон работы в интервале от -70°С до +70°С. Эта рабочая жидкость производится в соответствии с ТУ 6-05-11687721-97 и обладает хорошими техническими характеристиками.

Однако практическая эксплуатация рабочей жидкости выявила ряд ее недостатков:

- появление кристаллической фазы при длительном воздействии низких температур (при минус 50°С в течение 20 часов);

- проявление кислотности продукта в процессе эксплуатации;

- ограниченный диапазон вязкости жидкости вследствие пониженной вязкости компонентов, что ограничивает ее применение.

В результате воздействия этих факторов в процессе длительной эксплуатации (через 3-6 месяцев) наблюдается забивка гидропривода запорной арматуры, снижение надежности и быстродействия системы автоматического управления гидроприводом.

Известна рабочая жидкость, описанная в патенте RU 2184770, С10М 169/04, 2002, которая применяется в практике эксплуатации газовых магистралей, производимая в соответствии с ТУ 6-05-11687721-97, представляющая в соответствии с требованиями ГОСТ 13032-77 или ТУ 6-05-116-87721-022-97 смесь полиметилсилоксановой жидкости ПМС-20к и керосиногазойлевой фракции нефти Ярегского месторождения (Республика Коми), производимой в соответствии с требованиями ТУ 38.00145-87, и присадки ω₁ω¹-гексаметил-метил(2,6-дитрет-бутил-4-метилфенокси)

олигодиметилсилоксана или смолы АО-80, взятых в соотношении:

- Полиметилсилоксановая жидкость	40-60
- Присадка	0,05-3,0
- Смола АО-80	1-5
- Керосиногазойлевая фракция нефти
Ярегского месторождения	до 100

Эта рабочая жидкость обеспечивает надежную работу арматуры в диапазоне температур от -70°С до +70°С, имеет вязкость при 20°С 5,7-16,0 мм²/с, при -40°С - 55-120 мм²/с, не кристаллизуется во всем рабочем диапазоне температур, имеет кислотное число не более 0,2, диаметр пятна износа 0,35-0,5 мм, не изменяет своих свойств в течение 6 мес.

Однако, наряду с этими достоинствами, указанная жидкость обладает существенными недостатками, а именно невысокими смазывающими свойствами, что приводило к заклиниванию трущихся пар «сталь по стали», а также возможностью получения ограниченного ассортимента по показателю «вязкость» рабочих жидкостей. Кроме того, по данному составу не представляется возможным получить жидкости с вязкостью, аналогичной широко применяемым маслам, что существенно ограничивает возможности жидкостей в основной массе гидросистем.

Из патента RU 2247769, С10М 169/04, 2005, известна также рабочая жидкость, содержащая, мас.%: 30-70 полидиметилсилоксановой жидкости, 0,1-10 присадки, остальное - фракции нефти, выкипающие при температурах 155-350°С. В этом документе не раскрыты такие показатели рабочей жидкости, как конкретные величины кислотного числа, диаметра пятна износа, вязкости при различных температурах, но указано, что она обеспечивает повышенный ресурс работы арматуры в любых климатических условиях, а также то, что она обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками. Однако этой жидкости присущи те же недостатки, что и предыдущей.

Наиболее близкой к предлагаемой и принятой нами в качестве прототипа является рабочая жидкость для гидравлических систем газопроводов, описанная в патенте RU 2285717, С10М 159/04, 2006, включающая полидиметилсилоксановую жидкость линейного или разветвленного строения, фракцию нефти с температурой кипения 165-315°С и органическую добавку, представляющую собой высококипящую фракцию нефти с температурой кипения 320-352°С. Жидкость обладает высокими эксплуатационными характеристиками, однако широкое применение ее ограничено низкой вязкостью. Жидкость, получаемую по прототипу, не представляется возможным применять в гидросистемах, где допускается использование только масел с вязкостью не менее 10 мм²/с при 50°С (взамен масел ВМГЗ, АМГ-10 и др.).

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и быстродействия систем автоматического управления гидроприводами различных конструкций и назначения благодаря высоким реологическим и смазывающим свойствам жидкости (наилучший результат - до 0,32 по предлагаемому изобретению по сравнению с наилучшим результатом - до 0,42 по прототипу), обеспечение высоких эксплуатационных характеристик рабочих жидкостей для гидравлических систем в любой климатической зоне России (от минус 70 до плюс 70°С) и при повышенных температурах эксплуатации (до 130°С), стабильная эксплуатация систем управления без заклинивания рабочих механизмов управления, забивок, коррозии и слома, а также возможность получения рабочих жидкостей с широким диапазоном вязкости для гидросистем различных типов.

Указанный результат достигается тем, что в качестве рабочей жидкости используются композиции на основе полидиметилсилоксановых жидкостей с широким диапазоном вязкостей (от 20 до 200 мм²/с) с фракциями нефти Троицко-Анастасиевского месторождения с температурой кипения от 165 до 370°С при следующих соотношениях компонентов (мас.%):

Полидиметилсилоксановая жидкость	27-60
Фракция нефти Троицко-
Анастасиевского месторождения	40-73

Отличительными особенностями изобретения являются:

- использование полидиметилсилоксановых жидкостей с широким диапазоном вязкости (от 20 до 200 мм²/с);

- расширение фракционного состава нефти за счет использования нескольких фракций тяжелой нефти (с температурой кипения от 165 до 370°С), обладающих различной вязкостью, что было невозможно в известных жидкостях;

- более широкий диапазон соотношений компонентов.

Использование различных марок полиметилсилоксановых жидкостей, как и различных фракций нефти Троицко-Анастасиевского месторождения, позволяет варьировать вязкостные свойства композиций в широких пределах (от 6,96 сСт до 24,0 сСт при 20°С), причем композиции не расслаиваются при температурах до -70°С.

Авторам не известно аналогичное или близкое техническое решение, обеспечивающее возможность получения жидкостей для гидросистем на основе полидиметилсилоксановых жидкостей и фракций тяжелой нефти, обладающих такими характеристиками, а также обеспечивающее надежность и длительный ресурс работы гидросистем, в частности запорной арматуры газовых магистралей.

Анализ предложенного решения и прототипа позволяет сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию «новизна».

Характеристика компонентов рабочей жидкости:

Полидиметилсилоксановые жидкости (линейной или разветвленной структуры)

Значение вязкости	- 20-200 мм2/сек при 20°С
Плотность жидкости	- 0,96-0,98 г/см3 при 20°C
Температура застывания - не выше минус 60°С

Температура кипения при остаточном давлении 1-3 мм

рт.ст

- выше 250°С

Жидкости инертны по отношению к конструкционным материалам гидравлической системы запорной арматуры.

2. Фракции нефти, выкипающие в интервале температур 165-370°С.

Значение вязкости	- 4,5 мм2/сек при 20°С
Содержание серы	- менее 0,01 мас.%
Содержание парафинов	- не более 0,5 мас.%

Пример 1. Получение гидравлической жидкости.

В трехгорлую колбу, снабженную мешалкой, капельной воронкой и термометром, загружают взвешенное количество (60,0 г) полидиметилсилоксановой жидкости ПМС-20, включают обогрев и мешалку. Из капельной воронки подают определенное количество (40 г) фракции тяжелой нефти с температурами перегонки от 180 до 340°С. Смесь прогревают при температуре 50°С в течение 1 часа при перемешивании. После охлаждения смесь фильтруют.

Примеры 2-7 проводят аналогично примеру 1 с использованием полидиметилсилоксановых жидкостей различных вязкостей, различных фракций нефти Троицко-Анастасиевского месторождения, а также при различных соотношениях компонентов (см. табл.1).

Полученный готовый продукт представляет собой прозрачную жидкость желтого цвета.

Анализ жидкостей проводили по следующим показателям:

1. Кинематическая вязкость при 20°С, минус 50°С по ГОСТ 33-86.

2. Температура застывания по ГОСТ 20841.3-75.

3. Температура начала кристаллизации по ГОСТ 18995.5-73.

4. Диаметр пятна износа на 4-шариковой машине трения.

5. Кислотное число по ГОСТ 5985-79.

6. Плотность при 20°С.

7. Содержание воды.

Эксплуатационные и физико-химические свойства гидрожидкости приведены в таблице 2.

Таблица 1
Количества загружаемых компонентов (мас.%)
№ примера	ПМС	Фракция нефти (температуры перегонки)
1	60 (ПМС-20)	40 (180-340)
2	46 (ПМС-50)	54 (180-340)
3	43 (ПМС-20)	57 (170-370)
4	34 (ПМС-100)	66 (180-340)
5	30 (ПМС-50)	70 (160-360)
6	27 (ПМС-100)	73 (180-340)
7	50 (ПМС-50)	50 (165-280)
8	40 (ПМС-200)	60 (165-280)

Таблица 2
Свойства композиционных жидкостей
Показатели	Примеры
	1	2	3	4	5	6	7	8
Кинематич. вязкость, мм2/сек при 20°С, при -50°С	6,96 76,9	9,85 116,6	12,98 200,3	8,77 184,9	9,49 199,8	8,75 97,0	9,10 89,1	24,0 126,5
Температ. застывания, °С	Ниже -70	Ниже -70	Ниже -70	Ниже -70	Ниже -70	Ниже -70	Ниже -70	Ниже -70
Диам. пятна износа на 4-х шариковой машине трения, мм	0,42	0,36	0,40	0,42	0,35	0,38	0,39	0,32
Кислотное число мг КОН/г	0,028	0,033	0,019	0,032	0,032	0,013	0,012	Не определяли
Температура кристаллизации, °С	Не кристалли- зуется	Не кристалли- зуется	Не кристалли- зуется	Не кристалли- зуется	Не кристалли- зуется	Не кристалли- зуется	Не кристалли- зуется	Не кристалли- зуется
Плотность, г/см3 при 20°С	0,8949	0,8444	0,8870	0,8824	0,8784	0,8730	0,8910	0,8945
Содержание воды, %	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие

Из анализа примеров в таблицах 1 и 2 можно сделать вывод, что все полученные композиции удовлетворяют требованиям, предъявляемым к рабочим жидкостям для гидросистем. Значение вязкости при +20°С - 5,7-16 мм²/с, при минус 50°С - 76,9-200,3 мм²/с. Температура застывания - ниже минус 70°С. Ни один из предложенных составов не кристаллизуется. Диаметр пятна износа - 0,32-0,42 мм, т.е. наихудший результат смазывающих свойств заявленной жидкости на уровне лучшего по прототипу. Кроме того, вязкость гидравлических жидкостей может варьироваться в широких пределах - от 6,96 до 24,0 мм²/сек, что позволяет получать жидкости для различных гидросистем, в том числе и для тех, где применяются только масла типа АМГ-10.

Все физико-химические характеристики гидрожидкости остались без изменений при повторном анализе, проведенном через 6 месяцев.

В процессе эксплуатации не происходит изменений физико-химических свойств гидрожидкости, что является гарантией надежности работы системы гидропривода и позволяет сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию «промышленная применимость».

Анализ полученных результатов показывает, что предложенная жидкость обладает новой совокупностью свойств, причем полученный результат не является следствием суммирования известных свойств компонентов предложенного состава.

Описанный эффект отражает качественный и количественный скачок в изменении свойств, не прогнозируемый на основе имеющихся представлений, и поэтому являющийся неожиданным для специалиста и не следующим явным образом из уровня техники.

Авторам не известны решения, содержащие признаки, общие с отличительными признаками предложенного решения с достижением описанного технического результата. Все вышесказанное обеспечивает предложенному решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Рабочая жидкость для гидравлических систем, содержащая полидиметилсилоксановую (ПМС) жидкость, фракцию тяжелой нефти, отличающаяся тем, что в качестве полидиметилсилоксановой жидкости она содержит жидкости с вязкостью от 20 до 200 мм²/с, а в качестве фракции тяжелой нефти она содержит фракции нефти Троицко-Анастасиевского месторождения с температурой кипения от 165 до 370°С при следующих соотношениях, мас.%:

Полиметилсилоксановая жидкость	27-60
Фракция нефти Троицко-Анастасиевского месторождения	40-73