Вязкостные свойства

Кинематическая и динамическая вязкости масел

Вязкость (viscosity) — это внутреннее трение или сопротивление течению жидкости. Вязкость масла, во-первых, является показателем его смазывающих свойств, так как от вязкости масла зависит качество смазывания, распределение масла на поверхностях трения и, тем самым, износ деталей. Во-вторых, от вязкости зависят потери энергии при работе двигателя и других агрегатов. Вязкость — основная характеристика масла, по величине которой частично делается выбор масла для применения в конкретном случае.

Вязкость масла зависит от химического состава и структуры соединений, составляющих масло, и является характеристикой масла как вещества. Кроме этого, вязкость масла также зависит и от внешних факторов — температуры, давления (нагрузки) и скорости сдвига, поэтому рядом с числовым значением вязкости всегда должны указываться условия определения вязкости.

Условия работы двигателя определяют два основных фактора, влияющих на определение вязкости — температура и скорость сдвига. Вязкость масел определяется при температурах и скоростях сдвига, близких к реальным при эксплуатации. Если масло должно работать при низкой температуре(даже в течение короткого времени), то при этой же температуре должны быть определены и его вязкостные свойства.

Вязкость масла определяется при помощи двух основных типов вискозиметров (viscometers):

  • вискозиметры истечения, в которых измеряется кинематическая вязкость по скорости свободного течения (времени вытекания). Для этой цели применяется капиллярный вискозиметр (capillaryviscometer) или сосуды с калиброванным отверстием на дне
  • вискозиметры Энглера (Engler), Сей-болта (Saybolt), Редвуда (Redwood), ВЗ-4 (ГОСТ 26378.3-84); в настоящее время для стандартных определений применяется стеклянный капиллярный вискозиметр; он отличается простотой и точностью определения; скорость сдвига в таком вискозиметре незначительна;
  • ротационные вискозиметры (rotationalviscometers), в которых определяется динамическая вязкость по крутящему моменту с установленной скоростью ротора или по скорости вращения ротора при заданном крутящем моменте.

Вязкость характеризуется двумя показателями: кинематической (kinematicviscosity) и динамической вязкостью (dynamicviscosity). Единицы измерения динамической вязкости: h — пуаз (Р — poise) или сантипуазсР (сР = mPa-s). Динамическая вязкость обычно определяется ротационным вискозиметром. Кинематическая вязкость, n — отношение динамической вязкости к плотности (h/r). Единицы измерения кинематической вязкости — стокс (St — stoke) или сантистокс (cSt — centistoke. 1 cSt = 1 мм2/c). Численные значения кинематической и динамической вязкости несколько различаются, в зависимости от плотности масел. Для парафиновых масел кинематическая вязкость при температуре 20 — 100°С превышает динамическую примерно на 15 — 23%, а для нафтеновых масел эта разница составляет 8 — 15%.

Кинематическая вязкость характеризует текучесть масел при нормальной и высокой температурах. Методы определения этой вязкости относительно просты и точны. Стандартным прибором в настоящее время считается стеклянный капиллярный вискозиметр, в котором измеряется время истечения масла при фиксированной температуре. Стандартными температурами являются 40 и 100 °С.

Относительная вязкость определяется на вискозиметрах Сейболта, Редвуда и Энглера. Это сосуды с калиброванным отверстием на дне, через которое вытекает точно установленное количество масла. При измерении времени вытекания заданная температура масла в вискозиметре должна поддерживаться с необходимой точностью. Универсальная вязкость Сейболта, определяемая по стандарту ASTM D 88, выражается в универсальных секундах Сейболта SUS (SayboltUniversalSeconds). Этот упрощенный метод определения кинематической вязкости более широко применяется в США. В Европе чаще пользуются секундами Редвуда (Редвуда единицы — Redwoodunits) и градусами Энглера (Е°, Englerunits). Градус Энглера — это число, показывающее во сколько раз вязкость масла превышает вязкость воды при 20°С, поэтому вискозиметром Энглера необходимо измерить время вытекания воды при 20°С.

Динамическая вязкость обычно определяется ротационными вискозиметрами. Вискозиметры разной конструкции имитируют реальные условия работы масла. Обычно выделяются крайние значения температуры и скорости сдвига. Основные методы определения вязкости моторных масел предусмотрены спецификацией SAE J300 APR97. Эта спецификация устанавливает значения степеней вязкости SAE моторных масел и определяет порядок измерения необходимых параметров вязкости. Стандартные методы определения динамической вязкости можно разделить на две группы — низкотемпературная вязкость и высокотемпературная вязкость, определяемые в условиях близких к реальным условиям эксплуатации двигателя.

Характеристики низкотемпературной вязкости (lowtemperatureviscosity):

  • максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечиваюшая запуск холодного двигателя (maximumlow-temperaturecrankingviscosity), определяется при помощи имитатора запуска холодного двигателя CCS (ColdCrankingSimulator) (ASTM D 5293)
  • максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечиваюшая прокачивание масла в двигателе (maximumlow-temperaturepumping), определяется при помощи миниротационного вискозиметра MRV (Mini-RotaryViscometer) по методике ASTM D 4684 ¶
  • в качестве дополнительной информации о низкотемпературной вязкости, могут быть определены граничная (предельная) температура прокачивания по ASTM D 3829 (borderlinepumpingtemperature) и вязкость при низкой температуре и низкой скорости сдвига (lowtemperature, lowshearraleviscosity), так называемая тенденция к желеобразоваиию или индекс желирования (gelationindex). Определяется на сканирующем вискозиметре Брукфильда по методике ASTM D 5133 (ScanningBrookfieldmethod);¶
  • фильтруемость (ftlterability) моторных масел при низкой температуре показывает тенденцию образования твердых парафинов или других неоднородностей, приводящих к закупориванию масляного фильтра. Некоторое влияние на фильтруемость может оказать наличие воды в холодном масле. Фильтруемость моторных масел определяется по стандарту «GeneralMotors» GM 9099Р «Тест на определение фильтруемости моторного масла» (EngineOilFilterabilityTest — EOFT) и оценивается как снижение потока в %.¶

Характеристики высокотемпературной вязкости (high-temperatureviscosity):

  • кинематическая вязкость, определяемая на стеклянном капиллярном вискозиметре при 100°С и низкой скорости сдвига (ASTM D 445);
  • вязкость при высокой температуре и высокой скорости сдвига HTHS (hightemperaturehighshearviscosity), определяемая при 150°C и скорости сдвига 106 с-1.
  • стабильность к сдвигу (shearstability) — это способность масла сохранять стабильную вязкость при продолжительном воздействии высокой деформации сдвига.

Особенности методов определения вязкости.

Вискозиметр Брукфилда — это прибор для определения низкотемпературной вязкости при низкой скорости сдвига. Он снабжён комплектом роторов разной величины и формы. Скорость можно менять ступенчато в широких пределах. Во время измерения скорость поддерживается постоянной. Крутящий момент является мерой кажущейся вязкости. Расстояние между статором и ротором сравнительно большое, поэтому считается, что скорость сдвига низка и стенки сосуда вискозиметра не влияют на величину вязкости, которая в этом случае рассчитывается по силе внутреннего трения масла и называется вязкостью по Брукфилду (Brookfieldviscosity) (в Па·с), или кажущейся вязкостью (apparentviscosity). Этим методом определяется кажущаяся вязкость автомобильных трансмиссионных масел при низкой температуре (по стандартам ASTM D 2983, DIN 51398).

Низкотемпературная вязкость запуска двигателя (low-temperaturecrankingviscosity) является показателем способности масла течь и смазывать узлы трения в холодном двигателе. Она определяется при помощи имитатора запуска холодного двигателя CCS (ColdCrankingSimulator). Имитатор является ротационным вискозиметром с малым расстоянием между профилированным (не цилиндрическим) ротором и прилегающим к нему статором. Таким образом имитируются зазоры в подшипниках двигателя. Специальным двигателем поддерживается постоянный крутящий момент при заданных температурах, а скорость вращения является мерой вязкости. Вискозиметр калибруется с применением эталонного масла. Применяется для определения вязкости запуска (crankingviscosity) в сантипуазах (сП) при разных заданных температурах.

Вязкость прокачивания (pumpingviscosity) является мерой способности масла течь и создавать необходимое давление в системе смазки в начальной стадии работы холодного двигателя. Вязкость прокачивания измеряется в сантипуазах и определяется согласно ASTM D 4684 на миниротационном вискозиметре MRV. Этот показатель важен для масел, способных желировать при медленном охлаждении. Таким свойством чаще всего обладают всесезонные минеральные моторные масла. При испытании определяется либо напряжение сдвига, необходимое для разрушения желе, либо вязкость при отсутствии напряжения сдвига. Вязкость прокачивания определяется при разных заданных температурах (от -15 для SAE 25W до -40̊C для SAE 0W). Прокачивание обеспечивается только для масел с вязкостью не более 60 000 mPa·s. Наименьшая температура, при которой масло может прокачиваться, называется нижней температурой прокачивания, её значение близко к наименьшей температуре эксплуатации.

Температурнаязависмость вязкости при низкой температуре и низком напряжении сдвига (lowtemperature, lowsharerate, viscosity/temperaturedependence) определяется по методике ASTM D 5133 при помощи сканирующего вискозиметра Брукфильда (ScanningBrookfieldmethod). Этот показатель необходим для оценки способности масла поступать в систему смазки и к узлам трения в холодном двигателе после его длительного пребывания при низкой температуре. Перед измерением масло должно пройти определённый цикл охлаждения, как и при определёнии равновесной температуры застывания (stablepourpoint). Такое испытание занимает много времени и применяется в основном при разработке новых рецептур масел.

Оценка фильтруемости масел по методу GM P9099 введена в новые категории API SH, SJ и ILSAC GF — 1, GF — 2 для масел SAE 5W-30 и SAE 10W-30. Этот метод разработан фирмой «GeneralMotors» и применяется ею с 1980 года. Он имитирует закупоривание масляного фильтра осадком, образующимся в присутствии воды и конденсата прорывающихся в картер газов при краткосрочной работе после длительной стоянки. Оценку проводят по относительному снижению скорости потока через фильтр при последовательном испытании масла и смеси масла с водой. Смесь приготавливают медленным перемешиванием в течение 30 св закрытой мешалке 49, 7 грамм масла, 0,3 грамма деионизированной воды и приблизительно 10 грамм сухого льда. После перемешивания смесь в открытом сосуде выдерживают в печи при температуре 70 ̊С в течение 30 мин. Затем её охлаждают до 20 — 24̊С и выдерживают при этой температуре 48 — 50 часов. Снижение скорости потока не должно быть более чем на 50%.

Стабильность к сдвигу — это способность масла сохранять постоянную величину вязкости под воздействием высокой деформации сдвига при эксплуатации. При быстром скольжении поверхностей трения достигается высокая скорость течения масла в узких зазорах и появляется высокая деформация сдвига, которая вызывает деструкцию молекул полимеров (загустителей) входящих в состав масла. Устойчивость к деформации сдвига является важным показателем для масел, применяемых в современных высокоскоростных, высоконагруженных, мощных и малогабаритных двигателях. Способность масла сохранять стабильную вязкость определяется временем, в течение которого вязкость изменяется до определённой величины. Иногда пользуются показателем индекс стабильности к сдвигу SSI (shearstabilityindex). Он определяется соотношением потери вязкости и эффекта загущения полимерным загустителем, выраженное в %. SSI определяется разными методами: в Европе используют дизельную насос-форсунку конструкции Бош (Boshinjector) (CEC L-14-A-88). В Америке этот показатель определяется двумя методами — как в Европе (ASTM D 6278) или в стендовом бензиновом двигателе CRC L-38 после 10-часовой работы (ASTM D 5119).

При сравнительно небольшой деформации сдвига, полимерные молекулы только раскручиваются, а после снятия напряжения, со временем, могут восстановить свою конфигурацию и вязкость. Такое снижение вязкости называется временным (temporaryviscosityloss — TVL) и иногда применяется для определения HTHS вязкости на ротационном вискозиметре — имитаторе конического подшипника.

Зависимость вязкости от давления. При повышении давления, уменьшается объём, усиливается взаимное притяжение молекул и увеличивается сопротивление течению, т.е. вязкость масла увеличивается. При повышении температуры имеет место противоположный процесс и вязкость масла уменьшается.

При низкой температуре и высоком давлении вязкость масла в зацеплении шестерён, может увеличиваться настолько, что масло станет твёрдой пластичной массой. Это явление оказывает определённое положительное воздействие, так как масло в пластичном состоянии не вытекает из зазора сопряжённых поверхностей и уменьшает влияние ударных нагрузок на детали.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


*