Вязкость масла может расти от ряда причин, таких как полимеризация, окисление, испарение низкокипящих фракций и образование растворённого кокса и оксидов. Загрязнения, такие как вода, воздух, сажа, антифриз и добавление «неправильного» масла, могут также быть причиной роста вязкости масла. Давайте рассмотрим каждый из этих факторов в отдельности.
Полимеризация. Полимеризация основных компонентов масла может происходить, когда масло долгое время подвергается воздействию высоких температур. Базовое масло содержит вариации различных, но тесно связанных между собой, органических компонентов. Высокая температура может стать причиной того, что некоторые компоненты в результате химических реакция начнут «склеиваться» между собой, создавая высокомолекулярные тяжелые компоненты. Результатом этого становится значительное увеличение вязкости и точки кипения масла.
Окисление. Другой процесс, близко связанный с полимеризацией, это окисление, т. к. рост окисления также является следствием воздействия высокой рабочей температуры. Базовое масло может вступать в реакцию с атмосферным кислородом. Эта реакция известна нам под названием окисление. Она также может привести к полимеризации, но в то же время может содействовать образованию органических кислот в масле. В результате рост кислотности и вязкости и поэтому показатель деградации масла связывают с уменьшением TBN (Total Base Number) 3 .
На каждые 10 °C роста температуры удваивается значение окисления и, размышляя логически, вполовину уменьшается срок службы масла. Это не так страшно как звучит, т. к. в масла добавлены присадки, которые борются с воздействием высокой температуры и образованием кислоты. Вопрос, который часто задают: «Какую максимальную температуру выдержит это масло?». К сожалению, ответа нет, т.к. срок службы масла зависит не только от рабочей температуры, но и от времени тоже. Итак, что нам нужно знать, так это как горячо и как долго? Моторное масло могло бы «спокойно» отработать при 150 °C час или около того, но сильно деградировать при 100 °C за более долгий промежуток времени.
Образование растворённых в масле кокса и оксидов. Также связан с окислением процесс образования растворённых в масле кокса и оксидов. Высокая рабочая температура может стать причиной образования различных компонентов, которые растворены в масле. Сажа образуется, когда масло частично окислилось, также могут образовываться другие продукты деградации масла, которые способствуют росту вязкости масла. Этот эффект может быть достигнут просто в результате долгой эксплуатации масла – даже лучшие масла не вечны.
Потеря низкокипящих фракций. Высокая рабочая температура может также быть причиной термической деградации масла и без присутствия кислорода. Как уже было сказано, базовое масло состоит из различных, тесно взаимосвязанных, компонентов. Эти компоненты имеют различную испаряемость (точку кипения). Если масло подвергается нагрузкам длительный период, они выше нормы, но нет воздействия высокой температуры, тогда компоненты с более низкой точкой кипения будут испаряться. Этот процесс известен как испарение низкокипящих фракций. Эти более испаряющиеся компоненты также являются частью масла, имеющей более низкую вязкость, таким образом, потеря этой фракции ведет к росту вязкости.
Загрязнения. Загрязнения также играют роль в росте вязкости. Вода может иметь более низкую вязкость, чем масло, но когда вода и масло смешаны, то возможна реакция с базовым маслом и, что более важно, с присадками. Могут формироваться стабильные эмульсии, которые образовывают компоненты увеличивающие вязкость масла. Вода также является еще одним источником кислорода, который может усиливать окисление при определенных обстоятельствах. Реакция воды с маслом и его присадками известна как гидролиз. Небольшое, но измеряемое количество воды может растворяться в масле, затем образовываются эмульсии и, наконец, свободная вода видна в масле. Величина воды в каждой фазе зависит от базового масла, химии присадок и температуры масла.
Воздух может находиться в масле в растворённом и свободном виде. Он также может засасываться в масло (эквивалент эмульсии) и образовывать пену. Воздух действует как поставщик кислорода и, если он хорошо смешан с маслом, он будет усиливать реакцию окисления, что загустит масло.
В идеале сгорание ископаемого топлива, такого как дизельное топливо или бензин, приведет к образованию диоксида углерода, паров воды и ничего кроме этого. Но мы живём в реальном мире, где топливо содержит примеси, а процесс сгорания не проходит со 100% эффективностью. Неполное сгорание ведёт к частично окисленному топливу, которое превращается в сажу, накапливающуюся в масле. Вот почему дизельные моторные масла становятся чёрными после короткого периода времени. Ещё раз, масла разработаны с присадками, чтобы работать с определённым количеством сажи, но как только предел будет достигнут, появление любого количества сажи будет увеличивать вязкость масла. Это явление известно как шламообразование, с которым многие из вас возможно знакомы.
Загрязнение охладителем не только причина проблем связанных с присутствием воды, если охладитель содержит гликоль, то это ведет к чрезвычайно вредному воздействию на масло, и может стать причиной резкого загущения масла в очень короткий срок.
Простейший способ увеличить вязкость масла это добавить другое масло, имеющее более высокую вязкость. Заливка обычного SAE 10W с 20% SAE 50 увеличила бы вязкость на 35%. Наконец, если вы хотите увеличить вязкость вашего масла, просто забудьте его поменять. Все эффекты, здесь перечисленные, со временем только усугубляются. Чем дольше эксплуатируется масло, тем больше оно деградирует и обычное следствие этого - увеличение вязкости. Запомните, что присадки в вашем масле приносятся в жертву. Один раз они делают свою работу и всё. Они не могут быть восстановлены - масло не может служить вечно.
Так что за последствия высокой вязкости? Высокая вязкость может создать вязкостное торможение. Оно создаёт больше трения, которое, в свою очередь, создает теплоту, которая будет ускорять процесс окисления – в результате порочный круг в противоположность вязкостному кругу. Недостаточный подвод смазки к подшипникам, кавитация, вспененное масло в шейке вала, потери энергии и мощности, низкие антипенные и деэмульгирующие характеристики, задержка жидкости в сливной линии и недостаточная прокачиваемость при холодном старте могут также быть результатом возросшей вязкости. Сказав все это, надо упомянуть, что часто масло со слишком низкой вязкостью, может нанести механизмам вреда больше, так что же может быть причиной снижения вязкости?
Причин для снижения вязкости масла меньше, ведь масло более «расположено» к росту вязкости, т.к. это естественная физическая и химическая возрастная тенденция.
Вязкость масла может также падать из-за загрязнений , большинство источников которых это разбавление с топливом. Самый серьёзный эффект смешения с топливом случающийся с маслом это уменьшение вязкости масла и в результате потеря несущей способности масла. Это означает, что масляная пленка слишком тонка, для того чтобы не давать соприкасаться движущимся металлическим поверхностям, и какая-либо поломка или заедание неизбежны. Очевидно, что серьёзность поломки и время до неё будет зависеть от таких вещей как применение, окружающая среда, нагрузка, период смены масла, техническое обслуживание и др. Есть жёсткое эмпирическое правило: растворение в масле 8,5% топлива снизит вязкость масла SAE 15W-40 на 30% при 40 °C и на 20% при 100 °C.
Другой эффект менее очевидный и не такой серьёзный это то, что топливо, в отличие от масла, не содержит каких-либо присадок, так если у вас растворено в масле 10% топлива, то вы имеете снижение концентрации пакета присадок на ту же величину. Это становится серьёзной проблемой, когда растворение топливом действительно велико.
Вязкость также может быть снижена добавлением растворителей , используемых как промывающие или моющие агенты. Растворители могут также попасть в двигатель вместе с некачественным топливом. Холодильные компрессоры могут быть загрязнены охлаждающим газом (хладагентом), который понижает вязкость, как будет понижать любой другой технологический газ, который начнет растворяться в смазочном материале в любом другом месте на производстве.
Наконец, как в случае с ростом вязкости, вязкость масла может быть понижена путём добавления менее вязкого масла. Добавление 20% масла SAE 10W в масло SAE 50 снизит вязкость величину близкую к 30%.
Последствия низкой вязкости. Так что за последствия низкой вязкости? Чрезмерный износ, из-за потери несущей способности масла, которая уже упоминалась в связи с топливным разбавлением. Потери энергии и рост сил трения из-за контакта металла по металлу. Возрастание механического трения увеличивает величину создаваемого тепла и, таким образом, рост вероятности окисления. Одна из функций смазочного материала состоит в том, чтобы разделять трущиеся поверхности, быть как бы прокладкой между ними; низкая вязкость этому не способствует, также могут стать проблемой внутренние и внешние утечки. Маловязкие масла также более чувствительны к загрязняющим частицам, т.к. смазывающая плёнка слишком тонка. Наконец, гидродинамическая плёнка, в идеале, зависит от скорости, вязкости и прилагаемой нагрузки. Это означает, что если вязкость низкая, то применение высокой нагрузки в сочетании с низкой скоростью может привести к разрыву масляной пленки.
Измерения при 40 °С и 100 °С. Индустриальные стандарты диктуют, что температура при которой должна измеряться вязкость это 40 °C и 100 °C. Какая разница в свойствах при этих температурах? Измерение при 40 °C полезно для раннего определения окисления, полимеризации и перегрева масла. При этой температуре также хорошо определять загрязнения, такие как топливо и хладогенты, которые снижают вязкость. Добавление масел различной вязкости более заметно при низкой температуре. Имеет смысл делать измерения вязкости при температуре близкой к рабочей для оборудования. Для оборудования работающего при температуре близкой к окружающей, вязкость должна измеряться при 40 °C. Очевидно, что работать инструментами для измерения вязкости, при температуре близкой к окружающей, легче, особенно в поле или на производстве.
Измерения при 100 °C имеют преимущества при определении снижения индекса вязкости и лучше подходит для компонентов которые работают при высоких температурах, таких как двигатели внутреннего сгорания. Обе температуры могут применяться тогда, когда важно определить значение или изменение VI, и где необходимо получить много показателей. Обычно, все образцы измеряют на вязкость при 40 °C, но для двигателей внутреннего сгорания также необходимо измерять вязкость при 100 °C.
Просто замена масла, потому что вязкость слишком большая или слишком низкая, не заставит проблему исчезнуть, требуется активный поиск неисправности.
Если вязкость слишком велика, проверьте:
· рабочую температуру;
· эффективность сгорания;
· присутствие воды или гликоля;
· наличие воздуха в масле;
· процедуру заливки масла.
Если вязкость слишком низкая, проверьте:
· исправность системы питания;
· наличие значительных сил сдвига;
· наличие высокой температуры вызывающей термический крекинг;
· загрязнение растворителем или растворенным газом;
· процедуру заливки масла.
Как было ясно показано, много чего может пойти не так с вязкостью масла, по многим причинам, и все они сигнализируют и являются следствием различных неисправностей. Держите вязкость масла в допустимых пределах и как результат получите хорошо работающее оборудование, устраните внезапные отказы, получите низкую стоимость работы оборудования и меньший расход запасных частей, уменьшите простои и увеличите прибыль. Убедитесь, что вязкость наблюдается регулярно, чтобы любая проблема могла быть устранена до того когда она превратится в катастрофу.
Компьютерный способ определения качества моторного масла. Он относится к диагностированию дизельных двигателей автотранспортных и военных машин, в частности к способам определения качества моторного масла с применением компьютера. Способ определения качества моторного масла заключается в том, что на лист фильтровальной бумаги наносят каплю масла, взятую щупом из системы смазки двигателя внутреннего сгорания. После получения пятна на бумаге фиксируют его внешний вид с возможностью ввода полученной информации в компьютер и сравнивают его при помощи компьютера с внешним видом эталонных пятен, предварительно введенных в компьютер, на основании чего определяют качество масла. Эталонным пятнам, введенным в компьютер, присваивают соответствующую наработку масла с начала эксплуатации. Фиксируют наработку оцениваемого масла с начала эксплуатации при сравнении оцениваемого пятна с эталонным, а при фиксации наработки одновременно определяют его остаточный ресурс. Такое выполнение повышает информативность результатов оценки качества масла, а также снижает затраты труда на его определение.
Известен способ определения качества моторного масла по пятну на фильтровальной бумаге, при котором на фильтровальную бумагу наносят каплю масла, взятую щупом из системы смазки. При этом характеристики качества масла находят по отношению наружного диаметра пятна к внутреннему диаметру внешнего кольца пятна, а также по отношению внутреннего диаметра внешнего кольца пятна к диаметру его ядра.
Недостатки указанного способа: полученные пятна часто не имеют четкой формы круга, что существенно влияет на определяемые характеристики качества масла и, следовательно, на достоверность результата его проверки.
Существует способ определения качества масла на основе сравнения пятна оцениваемого масла с эталонными пятнами.
Недостатки этого способа: сравнение пятен производят визуально, что также снижает достоверность результатов оценки качества масел. При этом отсутствует возможность быстрого ввода информации в компьютер.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является компьютерный способ оценки качества моторного масла, при котором после получения пятна оцениваемого масла фиксируют его внешний вид с возможностью ввода полученных данных в компьютер. Затем вводят их в компьютер и сравнивают при помощи компьютера с внешним видом эталонов, предварительно введенных в компьютер.
Недостатком известного способа является то, что он мало информативен. В частности, этот метод не позволяет получить данные об остаточном ресурсе масла.
Сущность компьютерного способа заключается в следующем. Эталонным пятнам, введенным в компьютер, присваивают соответствующую наработку масла с начала эксплуатации. Затем фиксируют наработку оцениваемого масла с начала эксплуатации при сравнении оцениваемого пятна с эталонным. При фиксации наработки оцениваемого масла одновременно определяют его остаточный ресурс. В результате получают дополнительную информацию о состоянии масла, в соответствии с которой корректируют очередной срок проверки масла, а это позволяет снизить затраты труда на определение его качества.
На практике предложенный способ определения качества моторных масел может быть осуществлен следующим образом. Получают внешний вид эталонных пятен масла и вводят их в компьютер. Для этого, например через каждые 50 моточасов работы двигателя, на фильтровальную бумагу наносят каплю масла, взятую из системы смазки. Выдерживают ее установленное время. Затем с помощью цифрового фотоаппарата или другого электронного средства фиксируют внешний вид каждой полученной капли и вводят эту информацию, а также наработку масла в компьютер. Таким же образом получают и вводят в компьютер информацию о свежем масле. В результате имеют в компьютере банк информации эталонных пятен масла, показатели качества которого находятся в интервале от номинальных до предельных значений. По такой же методике получают и вводят в компьютер данные о внешнем виде проверяемого масла. Компьютер из множества эталонных пятен выбирает то пятно, которое по информационной характеристике наиболее ближе подходит к проверяемому. Данные найденного эталонного пятна, например наработка с начала эксплуатации и остаточный ресурс, появляются на дисплее компьютера. Они наиболее точно соответствуют данным проверяемого масла. Полученная информация автоматически сохраняется и используется в дальнейшем для решения поставленных задач диагностирования.
Перечень приборов теплотехнической лаборатории по анализу масла:
Спектрометры «Барс-3» и «Спектроскан».
Калориметрическая установка для определения содержания серы в топливе, масле.
Прибор ЛК для определения температуры каплепадения.
Прибор ЛП для определения пенетрации.
Прибор К-2 для определения предела прочности смазок.
ИКА «ОСМА-220».
PH-метр «pH-150».
Весы лабораторные.
Сушильный шкаф, аппарат фракционного состава, термостат ЛТН-01.
Барометр- анероид БАММ-1.
Гигрометр ВИТ-2.
Приборы определения вязкости.
Вискозиметры ВПЖ, ВНЖТ, пружинный, «Вискомар».
Анализатор жидкости «Флюорат 02-3М» для определения показателей загрязненных компонентов в воде.
Прибор ЛАЗ-93 для определения температуры застывания масла и топлива.
Центрифуга лабораторная для определения механических примесей в маслах, топливе, смазках.
Прибор ТВ-2 для определения температуры вспышки масла и топлива в открытом тигле.
Аппараты АКОВ для определения массовой доли воды в масле, топливе и смазках.
Приборы определения количества воды в топливах.
Прибор вспышки в закрытом тигле ПВНЗ.
Термометры стеклянные.
Газоанализаторы.
Прибор «SHATOX» для определения октанового, цетанового числа и температуры застывания дизельного топлива.
Основные виды работ:
1. Анализ качества топлива - дизельного, ТСМ, мазутов М40, M100, IFO, MFO, RMD. RMC, RME, а также бензинов и керосинов.
2. Анализ качества смазочных масел - моторных для дизелей и бензиновых двигателей, турбинных, трансмиссионных, гидравлических, компрессорных для воздушных компрессоров, индустриальных, термальных и пр., а также пластичных смазок типа солидола, Литола и др.
6. Анализ качества природной воды из скважин, колодцев и т. п., что позволяет дать заключение о пригодности воды для питья, мытья или для технических, поливочных целей.
7. Анализ качества технической воды - котловой парогенераторов, питательной, добавочной, охлаждающей воды дизелей.
9. Анализ состава накипей, нагаров, отложений, образующихся при эксплуатации судового энергооборудования - необходим для расследования и устранения причин образования отложений и способов их очистки.
10. Проверка пригодности судовых переносных газоанализаторов, подлежащих обязательной проверке. Это газоанализаторы для определения содержания кислорода, взрывоопасных газов, углеводородов нефти, сероводорода, угарного газа, токсических и других вредных и опасных газов.
В лаборатории имеется набор жидких стандартных реактивов для выполнения на судне экспресс-анализов воды на содержание хлоридов, щелочного числа, жесткость и содержание присадок в воде.
Лабораторный анализ моторного масла автомобиля «Лада Ларгус». Был проведен анализ моторного масла первой заливки 16-ти клапанного двигателя Renault устанавливаемого в Lada Largus. В самом начале эксплуатации (март 2013) при пробеге 25 км сливали излишки масла. Именно это мало было направлено в лабораторию «Oil-Club.ru» для выявления его характеристик.
От пресс-центра АВТОВАЗа был получен документ, в котором говорится, что в двигатели, устанавливаемые в «Лада Ларгус» залито моторное масло Shell PC 1021 (ЗАО "Шелл Нефть" г. Москва).
Какое же масло на самом деле в двигателе Lada Largus.
В результате анализа масла было выявлено - масло первой заливки «Лада Ларгус» очень хорошего качества, с отличными низкотемпературными свойствами. По результатам анализа SAE масла: 0W-30 или 0W-20.
Коэффициент вязкости - это ключевой параметр рабочей жидкости либо газа. В физических терминах вязкость может быть определена как внутреннее трение, вызываемое движением частиц, составляющих массу жидкой (газообразной) среды, или, более просто, сопротивлением движению.
Что такое вязкость
Простейший определения вязкости: на гладкую наклонную поверхность одновременно выливают одинаковое количество воды и масла. Вода стекает быстрее масла. Она более текучая. Движущемуся маслу мешает быстро стекать более высокое трение между его молекулами (внутреннее сопротивление - вязкость). Таким образом, вязкость жидкости обратно пропорциональна ее текучести.
Коэффициент вязкости: формула
В упрощенном виде процесс движения вязкой жидкости в трубопроводе можно рассмотреть в виде плоских параллельных слоев А и В с одинаковой площадью поверхности S, расстояние между которыми составляет величину h.
Эти два слоя (А и В) перемещаются с различными скоростями (V и V+ΔV). Слой А, имеющий наибольшую скорость (V+ΔV), вовлекает в движение слой B, движущийся с меньшей скоростью (V). В то же время слой B стремится замедлить скорость слоя А. Физический смысл коэффициента вязкости заключается в том, что трение молекул, представляющих собой сопротивление слоев потока, образует силу, которую описал следующей формулой:
F = µ × S × (ΔV/h)
- ΔV - разница скоростей движений слоев потока жидкости;
- h - расстояние между слоями потока жидкости;
- S - площадь поверхности слоя потока жидкости;
- μ (мю) - коэффициент, зависящий от называется абсолютной динамической вязкостью.
В единицах измерения системы СИ формула выглядит следующим образом:
µ = (F × h) / (S × ΔV) = [Па × с] (Паскаль × секунда)
Здесь F - сила тяжести объема рабочей жидкости.
Величина вязкости
В большинстве случаев коэффициент измеряется в сантипуазах (сП) в соответствии с системой единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда). На практике вязкость связана соотношением массы жидкости к ее объему, то есть с плотностью жидкости:
- ρ - плотность жидкости;
- m - масса жидкости;
- V - объем жидкости.
Отношение между динамической вязкостью (μ) и плотностью (ρ) называется кинематической вязкостью ν (ν - по-гречески - ню):
ν = μ / ρ = [м 2 /с]
Кстати, методы определения коэффициента вязкости разные. Например, кинематическая вязкость по-прежнему измеряется в соответствии с системой СГС в сантистоксах (сСт) и в дольных величинах - стоксах (Ст):
- 1Ст = 10 -4 м 2 /с = 1 см 2 /с;
- 1сСт = 10 -6 м 2 /с = 1 мм 2 /с.
Определение вязкости воды
Коэффициент вязкости воды определяется измерением времени течения жидкости через калиброванную капиллярную трубку. Это устройство калибруется с помощью стандартной жидкости известной вязкости. Для определения кинематической вязкости, измеряемой в мм 2 /с, время течения жидкости, измеряемое в секундах, умножается на постоянную величину.
В качестве единицы сравнения используется вязкость дистиллированной воды, величина которой почти постоянна даже при изменении температуры. Коэффициент вязкости - это отношение времени в секундах, которое необходимо фиксированному объему дистиллированной воды для истечения из калиброванного отверстия, к аналогичному значению для испытываемой жидкости.
Вискозиметры
Вязкость измеряется в градусах Энглера (°Е), универсальных секундах Сейболта ("SUS) или градусах Редвуда (°RJ) в зависимости от типа применяемого вискозиметра. Три типа вискозиметров отличаются только количеством вытекающей жидкой среды.
Вискозиметр, измеряющий вязкость в европейской единице градус Энглера (°Е), рассчитан на 200 см 3 вытекающий жидкой среды. Вискозиметр, измеряющий вязкость в универсальных секундах Сейболта ("SUS или "SSU), используемый в США, содержит 60 см 3 испытываемой жидкости. В Англии, где используются градусы Редвуда (°RJ), вискозиметр проводит измерения вязкости 50 см 3 жидкости. Например, если 200 см 3 определенного масла течет в десять раз медленнее, чем аналогичный объем воды, то вязкость по Энглеру составляет 10°Е.
Поскольку температура является ключевым фактором, изменяющим коэффициент вязкости, то измерения обычно проводятся сначала при постоянной температуре 20°С, а затем при более высоких ее значениях. Результат, таким образом, выражается путем добавления соответствующей температуры, например: 10°Е/50°С или 2,8°Е/90°С. Вязкость жидкости при 20°С выше, чем ее вязкость при более высоких температурах. Гидравлические масла имеют следующую вязкость при соответствующих температурах:
190 сСт при 20°С = 45,4 сСт при 50°С = 11,3 сСт при 100°С.
Перевод значений
Определение коэффициента вязкости происходит в разных системах (американской, английской, СГС), и поэтому часто требуется перевести данные из одной мерной системы в другую. Для перевода значений вязкости жидкости, выраженных в градусах Энглера, в сантистоксы (мм 2 /с) используют следующую эмпирическую формулу:
ν(сСт) = 7,6 × °Е × (1-1/°Е3)
Например:
- 2°Е = 7,6 × 2 × (1-1/23) =15,2 × (0,875) = 13,3 сСт;
- 9°Е = 7,6 × 9 × (1-1/93) =68,4 × (0,9986) = 68,3 сСт.
С целью быстрого определения стандартной вязкости гидравлического масла формула может быть упрощена следующим образом:
ν(сСт) = 7,6 × °Е(мм 2 /с)
Имея кинематическую вязкость ν в мм 2 /с или сСт, можно перевести ее в коэффициент динамической вязкости μ, используя следующую зависимость:
Пример. Суммируя различные формулы перевода градусов Энглера (°Е), сантистоксов (сСт) и сантипуазов (сП), предположим, что гидравлическое масло с плотностью ρ=910 кг/м 3 имеет кинематическую вязкость 12°Е, что в единицах сСт составляет:
ν = 7,6 × 12 × (1-1/123) = 91,2 × (0,99) = 90,3 мм 2 /с.
Поскольку 1сСт = 10 -6 м 2 /с и 1сП = 10 -3 Н×с/м 2 , то динамическая вязкость будет равна:
μ =ν × ρ = 90,3 × 10 -6 · 910 = 0,082 Н×с/м 2 = 82 сП.
Коэффициент вязкости газа
Он определяется составом (химическим, механическим) газа, воздействующей температурой, давлением и применяется в газодинамических расчетах, связанных с движением газа. На практике вязкость газов учитывается при проектировании разработок газовых месторождений, где ведется расчет изменений коэффициента в зависимости от изменений газового состава (особенно актуально для газоконденсатных месторождений), температуры и давления.
Рассчитаем коэффициент вязкости воздуха. Процессы будут аналогичными с рассмотренными выше двумя потоками воды. Предположим, параллельно движутся два газовых потока U1 и U2, но с разной скоростью. Между слоями будет происходить конвекция (взаимное проникновение) молекул. В итоге импульс движущегося быстрее потока воздуха будет уменьшаться, а изначально движущегося медленнее - ускоряться.
Коэффициент вязкости воздуха, согласно закону Ньютона, выражается следующей формулой:
F =-h × (dU/dZ) × S
- dU/dZ является градиентом скорости;
- S - площадь воздействия силы;
- Коэффициент h - динамическая вязкость.
Индекс вязкости
Индекс вязкости (ИВ) - это параметр, коррелирующий изменение вязкости и температуры. Корреляционная зависимость является статистической взаимосвязью, в данном случае двух величин, при которой изменение температуры сопутствует систематическому изменению вязкости. Чем выше индекс вязкости, тем меньше изменения между двумя величинами, то есть вязкость рабочей жидкости более стабильна при изменении температуры.
Вязкость масел
У основ современных масел индекс вязкости ниже 95-100 единиц. Поэтому в гидросистемах машин и оборудования могут использоваться достаточно стабильные рабочие жидкости, которые ограничивают широкое изменение вязкости в условиях критических температур.
«Благоприятный» коэффициент вязкости можно поддерживать введением в масло специальных присадок (полимеров), получаемых при Они повышают индекс вязкости масел за счет ограничения изменения этой характеристики в допустимом интервале. На практике при введении необходимого количества присадок низкий индекс вязкости базового масла может быть повышен до 100-105 единиц. Вместе с тем получаемая таким образом смесь ухудшает свои свойства при высоком давлении и тепловой нагрузке, снижая тем самым эффективность присадки.
В силовых контурах мощных гидросистем должны применяться рабочие жидкости с индексом вязкости 100 единиц. Рабочие жидкости с присадками, повышающими индекс вязкости, применяются в контурах гидроуправления и других системах, работающих в диапазоне низких/средних давлений, в ограниченном интервале изменения температур, с небольшими утечками и в периодическом режиме. С возрастанием давления возрастает и вязкость, но этот процесс возникает при давлениях свыше 30,0 МПа (300 бар). На практике этим фактором часто пренебрегают.
Измерение и индексация
В соответствии с международными стандартами ISO, коэффициент вязкости воды (и прочих жидких сред) выражается в сантистоксах: сСт (мм 2 /с). Измерения вязкости технологических масел должны проводиться при температурах 0°С, 40°С и 100°С. В любом случае в коде марки масла вязкость должна указываться цифрой при температуре 40°С. В ГОСТе значение вязкости дается при 50°С. Марки, наиболее часто применяемые в машиностроительной гидравлике, варьируются от ISO VG 22 до ISO VG 68.
Гидравлические масла VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 при температуре 40°С имеют значения вязкости, соответствующие их маркировке: 22, 32, 46, 68 и 100 сСт. Оптимальная кинематическая вязкость рабочей жидкости в гидросистемах лежит в диапазоне от 16 до 36 сСт.
Американское Общество автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers - SAE) установило диапазоны изменения вязкости при конкретных температурах и присвоило им соответствующие коды. Цифра, следующая за буквой W, - абсолютный динамический коэффициент вязкости μ при 0°F (-17,7°С), а кинематическая вязкость ν определялась при 212°F (100°С). Эта индексация касается всесезонных масел, применяемых в автомобильной промышленности (трансмиссионные, моторные и т. д.).
Влияние вязкости на работу гидравлики
Определение коэффициента вязкости жидкости представляет не только научно-познавательный интерес, но и несет в себе важное практическое значение. В гидросистемах рабочие жидкости не только передают энергию от насоса к гидродвигателям, но также смазывают все детали компонентов и отводят выделяемое тепло от пар трения. Не соответствующая режиму работы вязкость рабочей жидкости может серьезно нарушать эффективность всей гидравлики.
Высокая вязкость рабочей жидкости (масло очень высокой плотности) приводит к следующим негативным явлениям:
- Повышенное сопротивление течению гидравлической жидкости вызывает излишнее падение давления в гидросистеме.
- Замедление скорости управления и механических движений исполнительных механизмов.
- Развитие кавитации в насосе.
- Нулевое или слишком низкое выделение воздуха из масла в гидробаке.
- Заметная потеря мощности (снижение КПД) гидравлики из-за высоких затрат энергии на преодоление внутреннего трения жидкости.
- Повышенный крутящий момент первичного двигателя машины, вызываемый возрастающей нагрузкой на насосе.
- Рост температуры гидравлической жидкости, порождаемый повышенным трением.
Таким образом, физический смысл коэффициента вязкости заключается в его влиянии (позитивном либо негативном) на узлы и механизмы транспортных средств, станков и оборудования.
Потеря мощности гидросистем
Низкая вязкость рабочей жидкости (масло невысокой плотности) приводит к следующим негативным явлениям:
- Падение объемного КПД насосов в результате возрастающих внутренних утечек.
- Возрастание внутренних утечек в гидрокомпонентах всей гидросистемы - насосах, клапанах, гидрораспределителях, гидромоторах.
- Повышенный износ качающих узлов и заклинивание насосов по причине недостаточной вязкости рабочей жидкости, необходимой для обеспечения смазки трущихся деталей.
Сжимаемость
Любая жидкость под действием давления сжимается. В отношении масел и СОЖ, используемых в машиностроительной гидравлике, эмпирически установлено, что процесс сжатия обратно пропорционален величине массы жидкости на ее объем. Величина сжатия выше для минеральных масел, значительно ниже для воды и гораздо ниже для синтетических жидкостей.
В простых гидросистемах низкого давления сжимаемость жидкости ничтожно мало влияет на уменьшение первоначального объема. Но в мощных машинах с гидроприводом высокого давления и крупными гидроцилиндрами этот процесс проявляет себя заметно. У гидравлических при давлении в 10,0 МПа (100 бар) объем уменьшается на 0,7%. При этом на изменение объема сжатия в небольшой степени влияют кинематическая вязкость и тип масла.
Вывод
Определение коэффициента вязкости позволяет прогнозировать работу оборудования и механизмов при различных условиях с учетом изменения состава жидкости либо газа, давления, температуры. Также контроль этих показателей актуален в нефтегазовой сфере, коммунальном хозяйстве, других отраслях промышленности.
Воспользуйтесь удобным конвертером перевода кинематической вязкости в динамическую онлайн. Поскольку соотношение кинематической и динамической вязкости зависит от плотности, то необходимо ее также указывать при расчете в калькуляторах ниже.
Плотность и вязкость следует указывать при одинаковой температуре.
Если задать плотность при температуре отличной от температуры вязкости повлечет некоторую ошибку, степень которой будет зависеть от влияния температуры на изменение плотности для данного вещества.
Калькулятор перевода кинематической вязкости в динамическую
Конвертер позволяет перевести вязкость с размерностью в сантистоксах [сСт] в сантипуазы [сП]
. Обратите внимание, что численные значения величин с размерностями [мм2/с] и [сСт]
для кинематической вязкости и [сП] и [мПа*с]
для динамической – равны между собой и не требуют дополнительного перевода. Для других размерностей – воспользуйтесь таблицами ниже.
Вязкостью называется способность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Это свойство жидкости проявляется лишь при ее движении. Допустим, что некоторое количество жидкости заключено между двумя плоскими неограниченными параллельными пластинами (рис. 2.1); расстояние между ними – п; скорость движения верхней пластины относительно нижней – υ.
Опыт показывает, что слой жидкости, непосредственно прилегающий к стенке, прилипает к ней. Отсюда следует, что скорость движения жидкости, прилегающей к нижней стенке, равна нулю, а к верхней – υ. Промежуточные слои движутся со скоростью, постепенно возрастающей от 0 до υ.
Рис. 2.1.
Таким образом, существует разность скоростей между соседними слоями, и возникает взаимное скольжение слоев, которое приводит к проявлению силы внутреннего трения.
Чтобы перемещать одну пластину относительно другой, необходимо приложить к движущейся пластине некоторую силу Г, равную силе сопротивления жидкости в результате внутреннего трения. Ньютон установил, что эта сила пропорциональна скорости и, поверхности соприкосновения S и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами n , т.е.
где μ – коэффициент пропорциональности, называемый динамической вязкостью (или динамическим коэффициентом вязкости).
Для большего уточнения этой зависимости ее следует отнести к бесконечно малому расстоянию между слоями жидкости, тогда
где Δ υ – относительная скорость движения соседних слоев; Δп – расстояние между ними. Или в пределе
Последнее выражение представляет закон Ньютона для внутреннего трения. Знак плюс или минус принимается в зависимости от знака градиента скорости dv/dn.
Так как τ = Т/S есть касательное напряжение сдвига, то закону Ньютона можно придать более удобный вид:
Касательное напряжение, возникающее в жидкости, пропорционально градиенту скорости в направлении, перпендикулярном вектору скорости и площадке, по которой оно действует.
Коэффициент пропорциональности µ характеризует физические свойства жидкости и называется динамической вязкостью. Из формулы Ньютона следует, что
Из этого выражения вытекает физический смысл коэффициента р: если , то µ = τ.
В гидродинамике вводят в рассмотрение величину
называемую кинематической вязкостью (кинематическим коэффициентом вязкости).
Динамическая вязкость µ с ростом температуры уменьшается, а с увеличением давления увеличивается. Однако влияние давления для капельных жидкостей незначительно. Динамическая вязкость газов с увеличением температуры возрастает, а от изменения давления меняется незначительно.
Закон Ньютона для внутреннего трения в жидкостях существенно отличается от законов трения в твердых телах. В твердых телах существует трение покоя. Кроме того, сила трения пропорциональна нормальному давлению и мало зависит от относительной скорости движения. В жидкости, подчиняющейся закону Ньютона, при отсутствии относительной скорости движения слоев сила трения отсутствует. Сила трения не зависит от давления (нормального напряжения), а зависит от относительной скорости перемещения слоев. Жидкости, подчиняющиеся закону Ньютона, называются ньютоновскими. Однако существуют жидкости, которые не подчиняются этому закону (аномальные жидкости). К их числу относятся различного вида эмульсии, коллоидные растворы, представляющие собой неоднородные тела, состоящие из двух фаз (твердой и жидкой).
Так, глинистые растворы, применяемые при бурении нефтяных скважин, некоторые сорта нефтей вблизи температуры их застывания не подчиняются закону Ньютона. Опытами установлено, что в подобных жидкостях движение наступает после того, как касательные напряжения достигнут некоторого значения, называемого начальным напряжением сдвига.
Для таких жидкостей справедлива более общая зависимость для τ (формула Бингема):
где τ0 – начальное напряжение сдвига; η – структурная вязкость.
Таким образом, эти жидкости при напряжении τ < τ0 ведут себя как твердые тела и начинают течь лишь при τ ≥ τ0. В дальнейшем градиент скорости пропорционален не т, а разнице τ -τ0.
Графически зависимость между и τ изображается кривой 1 для ньютоновских жидкостей и кривой 2 – для аномальных жидкостей (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Зависимость dv/dn от касательного напряжения
При движении структурных жидкостей по трубопроводу наблюдаются три режима их движения: структурный, ламинарный, турбулентный.
Структурный. Для начала движения необходим некоторый начальный перепад давления в трубопроводе Δр 0, после чего жидкость отделяется от стенок и начинает двигаться как одно целое (как твердое тело).
Ламинарный. При увеличении перепада давления Δр будет увеличиваться скорость движения жидкости и вблизи стенок начнет развиваться ламинарный режим течения. По мере дальнейшего увеличения скорости область ламинарного режима будет расширяться, затем структурный режим полностью переходит в ламинарный.
Турбулентный. При дальнейшем увеличении скорости ламинарный режим переходит в турбулентный (см. параграф 6.1).
Зависимость вязкости от температуры и давления. Вискозиметры
Вязкость капельной жидкости в значительной степени зависит от температуры и в меньшей степени – от давления. Зависимостью вязкости от давления в большинстве случаев пренебрегают. Например, при давлениях до 50 105 Па вязкость изменяется не более чем на 8,5%. Исключением является вода при температуре 25°С – ее вязкость с увеличением давления незначительно уменьшается. Другая особенность воды состоит в том, что ее плотность с уменьшением температуры до +4°С возрастает, а при дальнейшем уменьшении температуры (от +4 до 0°С) – уменьшается. Этим объясняется тот факт, что вода замерзает с поверхности. При температуре около 0°С она имеет наименьшую плотность, и слои жидкости, имеющие такую температуру, как наиболее легкие всплывают на поверхность, где и происходит замерзание воды, если ее температура оказывается меньшей 0°С.
При атмосферном давлении вязкость воды в зависимости от температуры определяется по формуле Пуазейля
где v – кинематическая вязкость; µ – динамическая вязкость; ρ – плотность воды при данной температуре; t – температура воды.
Вязкость жидкости определяют при помощи приборов, называемых вискозиметрами. Для жидкостей, более вязких, чем вода, применяют вискозиметр Энглера. Этот прибор состоит из емкости с отверстием, через которое при температуре 20°С определяют время слива дистиллированной воды Т 0 и жидкости T , вязкость которой требуется определить. Отношение величин Т и Т 0 составляет число условных градусов Энглера:
После определения вязкости жидкости в условных градусах Энглера кинематическая вязкость (см2/с) находится по эмпирической формуле Убеллоде
Полученные по этой формуле значения v хорошо согласуются с опытными данными.
Вязкость масла. Рост и уменьшение вязкости.
Тема вязкости была затронута во многих технических документах, и на это были серьезные причины. Вязкость масла его самое важное физическое свойство и оно, это свойство, является самой сущностью масла. Система измерения вязкости, как например SAE (Society of Automotive Engineers)1 для автомобильных масел и ISO (International Standards Organisation)2 для промышленного применения получили всеобщее одобрение как средство классификации смазок.
Статей относящихся к вязкости было много: система классификации масел, как масло работает, почему так много видов масла, трение и смазывание и как читать информацию на канистре масла. Другие статьи затронули вопрос о том, как измеряется вязкость. Но почему мы вообще должны волноваться об измерении вязкости?
Во-первых, как ранее было упомянуто, вязкость определяет применение масла, чтобы можно было сравнить с тем, что указано в документации. Во-вторых, изменение вязкости, неважно увеличение или уменьшение, может отражать химические и физические изменения в масле, которые могут стать причиной неисправности оборудования. Эти изменения вязкости, их причины и будут рассмотрены в этой статье.
ЧТО ТАКОЕ ВЯЗКОСТЬ?
Но сначала, небольшая проверка. Вязкость это особое измерение жидкостного сопротивления потоку в зависимости от температуры. Однако есть два вида вязкости.
Динамическая или абсолютная вязкость определяется как отношение силы сдвига к скорости сдвига в зависимости от температуры. Для тех из вас кому нужно более точное определение, это тангенциальная сила на единицу площади, необходимая для сдвига одной горизонтальной плоскости относительно другой, со скоростью в одну единицу, находящихся на единице расстояния между плоскостями жидкости. В системе СИ динамическая вязкость определяется как Ньютон в секунду на квадратный метр или Паскаль в секунду (Н*с*м-2 или Па*с). Не входящая в СИ, но принятая единица – Пуаз, это 0,1H*c*м-2. Поскольку динамическая вязкость реальных жидкостей постоянно незначительная величина, то более часто используют сантипуаз (сП, 10-3Н*с*м-2) и обозначается греческой буквой "эта".
Динамическая вязкость важна при определении низкотемпературных свойств смазок, но её редко применяют при анализе масла или для определения класса вязкости (мы ещё вернёмся к этому позже). По многим серьёзным причинам, исследователя масла интересует кинематическая вязкость.
Кинематическая вязкость – производная величина и определяется довольно просто: динамическая вязкость жидкости делится на её плотность при определенной температуре. Она может быть также определена как сопротивление потоку под действием силы тяжести. Единица измерения – сантиметр квадратный в секунду (см2*с-1), также известная как Стокс (Ст) и обозначается греческой буквой ню, в СИ 1Ст = 10-4м2*с-1. Более распространенное обозначение – сантистокс, это миллиметр в квадрате в секунду (мм2*с-1). Предпочтительные температуры при которых проводятся измерения это 40°C и 100°C.
Это очень важно, чтобы температура, при которой вязкость была измерена, была отмечена, так как вязкость меняется вместе с температурой. Как температура растет, вязкость падает, как показано на упрощенном графике ниже:
Зависимость Температура/Вязкость
Рис. 1: Зависимость Температура/Вязкость.
Более того, с ростом температуры у различных масел вязкость уменьшается на различную величину. Так появляется такое понятие как индекс вязкости (viscosity index или VI). Индекс вязкости это безразмерная величина, которая характеризует изменение вязкости в зависимости от изменения температуры. С ростом температуры, у масел с низким VI скорость уменьшения вязкости будет выше, чем у масел с более высоким VI. Обычное летнее моторное масло, как например, SAE 30 имеет VI около 95, тогда как всесезонное масло 15W-40 будет иметь VI около 135. С ростом температуры всесезонное масло «теряет» вязкость не так быстро, как летнее, имея, таким образом, стабильную вязкостную характеристику для более широкого диапазона температур, хотя оба типа масла имеют вязкость около 100 сСт при 40°C.
В системе вязкости SAE, более высокому значению, соответствует более высокая вязкость, то есть масло с вязкостью SAE 15W-40 ведёт себя как SAE 15 в холоде и как SAE 40 в нагретом состоянии. Это дает необходимую защиту во время рабочих температур, до тех пор, пока обеспечивается условие, что масло в холодном двигателе не слишком вязкое для того чтобы течь. Фактически «W» означает «Winter»(Зима). График расположенный ниже иллюстрирует зависимость между сезонным и всесезонным маслом.
Сезонное/Всесезонное масло – зависимость от температуры
Рис. 2: Сезонное/Всесезонное масло – зависимость от температуры (упрощенно).
VI масла может быть увеличен различными путями. Обычное минеральное масло имеет в своем составе присадки. VII - viscosity index improver (улучшители индекса вязкости), которые представляют собой длинные цепочки органических полимеров, которые остаются аккуратно свернутыми пока холодно. Но как только температура начинает расти, полимеры «разматываются» и тем самым замедляют уменьшение вязкости, вызванное ростом температуры. Минеральные масла глубокой очистки имеют естественно высокий VI , так как процесс очистки удаляет компоненты нефти с низким VI. Наконец, синтетические смазочные материалы могут быть химически разработаны так, чтобы иметь высокий индекс вязкости. Запомните, просто очистка масла, без каких-либо присадок, дает натуральный, высокий VI.
Индекс вязкости масла может быть определен измерением кинематической вязкости масла при двух температурах, обычно это 40°C и 100C. Кинематическая вязкость определяется при помощи кинематического вискозиметра. Типичные такие инструменты представлены на изображении ниже.
Кинематические вискозиметры
Рис. 3: Кинематические вискозиметры.
Силиконовая масляная ванна при постоянной температуре (с точностью до одной двадцатой градуса) и серия трубок погружённых в ванну. Масло течёт по трубкам под действием силы тяжести до тех пор, пока не достигнет электронного сенсора в нижней части трубки. Когда масло проходит через сенсор, включается таймер. На небольшом расстоянии после этого есть еще один сенсор, который останавливает таймер, когда масло проходит мимо него. Основываясь на известном нам диаметре трубки и времени прохождения масла между двумя сенсорами, мы можем вычислить вязкость. Вязкостная трубка показана ниже.
Вязкостная трубка.
Рис. 4: Вязкостная трубка.
Этот исследовательский метод очень прост. Он также быстр, дёшев, точен и воспроизводим. Это совсем не так при определении динамической вязкости, когда плёнка масла расположена между двумя пластинами и измеряется сила, требуемая для кручения одной пластины относительно другой. Явные преимущества измерения кинематической вязкости подталкивают нас к выбору именно этого метода. Однако динамическая вязкость дала бы нам более верное отражение того, что на самом деле происходит в смазочной системе. Измерения кинематической вязкости, под действием гравитации, подвергают масло очень небольшим усилиям сдвига, тогда как во время измерения динамической вязкости, оказывается приближенное к реальному усилие сдвига, которое встречается в механических системах, а это, в свою очередь, может отразиться на вязкости масла в реальной ситуации.
Прежде чем мы двинемся дальше, давайте рассмотрим некоторые малоиспользуемые единицы измерения кинематической вязкости. Универсальные Секунды Сейболта или Вязкость по Сейболту (SUS - Saybolt Universal Seconds), была популярна в США, и основывалась на количестве секунд необходимых для прохождения 60 мл масла через специальное калиброванное отверстие. Связаны с SUS (или SSU) и Furol Секунды Сейболта (SFS - Saybolt Furol Seconds). Это в основном то же, что и универсальные измерения, но применяется к более вязким жидкостям. «Furol» - это акроним от «Fuel and Road Oils»(Топливо и Дорожные Масла). Градусы Энглера были популярны в континентальной Европе и основаны на отношении времени занимаемого прохождением потока 200мл масла через вискозиметр ко времени занимаемому таким же объемом воды при 20°C. Секунды Рэдвуда использовались в Великобритании, этот метод основан на времени занимающем потоком 50мл масла через вискозиметр. Есть коэффициенты перевода результатов измерений от одной системы к другой, но только температура должна быть фиксированной, а также обычно предполагают, что масло имеет VI от 95.
Итак, теперь мы знаем, что мы измеряем, но зачем мы это измеряем и как мы распорядимся этим – что значат эти результаты? В чем смысл вязкости, она слишком маленькая или слишком большая? Какие причины заставляют вязкость изменяться?
ПРИЧИНЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВЯЗКОСТИ
Вязкость масла может расти от ряда причин, таких как полимеризация, окисление, испарение низкокипящих фракций и образование растворённого кокса и оксидов. Загрязнения, такие как вода, воздух, сажа, антифриз и добавление «неправильного» масла, могут также быть причиной роста вязкости масла. Давайте рассмотрим каждый из этих факторов в отдельности.
Густой шлам образовавшийся в моторном масле (загрязнение сажей)
Рис. 5: Густой шлам образовавшийся в моторном масле (загрязнение сажей).
ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
Полимеризация основных компонентов масла может происходить, когда масло долгое время подвергается воздействию высоких температур. Базовое масло содержит вариации различных, но тесно связанных между собой, органических компонентов. Высокая температура может стать причиной того, что некоторые компоненты в результате химических реакция начнут «склеиваться» между собой, создавая высокомолекулярные тяжелые компоненты. Результатом этого становится значительное увеличение вязкости и точки кипения масла.
ОКИСЛЕНИЕ
Другой процесс, близко связанный с полимеризацией, это окисление, т.к. рост окисления также является следствием воздействия высокой рабочей температуры. Базовое масло может вступать в реакцию с атмосферным кислородом. Эта реакция известна нам под названием окисление. Она также может привести к полимеризации, но в то же время может содействовать образованию органических кислот в масле. В результате рост кислотности и вязкости и поэтому показатель деградации масла связывают с уменьшением TBN (Total Base Number)3.
На каждые 10°C роста температуры удваивается значение окисления и, размышляя логически, вполовину уменьшается срок службы масла. Это не так страшно как звучит, т.к. в масла добавлены присадки, которые борются с воздействием высокой температуры и образованием кислоты. Вопрос, который часто задают: «Какую максимальную температуру выдержит это масло?». К сожалению, ответа нет, т.к. срок службы масла зависит не только от рабочей температуры, но и от времени тоже. Итак, что нам нужно знать, так это как горячо и как долго? Моторное масло могло бы «спокойно» отработать при 150°C час или около того, но сильно деградировать при 100°C за более долгий промежуток времени.
ОБРАЗОВАНИЕ РАСТВОРЁННЫХ В МАСЛЕ КОКСА И ОКСИДОВ
Также связан с окислением процесс образования растворённых в масле кокса и оксидов. Высокая рабочая температура может стать причиной образования различных компонентов, которые растворены в масле. Сажа образуется, когда масло частично окислилось, также могут образовываться другие продукты деградации масла, которые способствуют росту вязкости масла. Этот эффект может быть достигнут просто в результате долгой эксплуатации масла – даже лучшие масла не вечны.
ПОТЕРЯ НИЗКОКИПЯЩИХ ФРАКЦИЙ
Высокая рабочая температура может также быть причиной термической деградации масла и без присутствия кислорода. Как уже было сказано, базовое масло состоит из различных, тесно взаимосвязанных, компонентов. Эти компоненты имеют различную испаряемость (точку кипения). Если масло подвергается нагрузкам длительный период, они выше нормы, но нет воздействия высокой температуры, тогда компоненты с более низкой точкой кипения будут испаряться. Этот процесс известен как испарение низкокипящих фракций. Эти более испаряющиеся компоненты также являются частью масла, имеющей более низкую вязкость, таким образом, потеря этой фракции ведет к росту вязкости.
ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Загрязнения также играют роль в росте вязкости. Вода может иметь более низкую вязкость, чем масло, но когда вода и масло смешаны, то возможна реакция с базовым маслом и, что более важно, с присадками. Могут формироваться стабильные эмульсии, которые образовывают компоненты увеличивающие вязкость масла. Вода также является еще одним источником кислорода, который может усиливать окисление при определенных обстоятельствах. Реакция воды с маслом и его присадками известна как гидролиз. Небольшое, но измеряемое количество воды может растворяться в масле, затем образовываются эмульсии и, наконец, свободная вода видна в масле. Величина воды в каждой фазе зависит от базового масла, химии присадок и температуры масла.
Воздух может находиться в масле в растворённом и свободном виде. Он также может засасываться в масло (эквивалент эмульсии) и образовывать пену. Воздух действует как поставщик кислорода и, если он хорошо смешан с маслом, он будет усиливать реакцию окисления, что загустит масло.
В идеале сгорание ископаемого топлива, такого как дизельное топливо или бензин, приведет к образованию диоксида углерода, паров воды и ничего кроме этого. Но мы живём в реальном мире, где топливо содержит примеси, а процесс сгорания не проходит со 100% эффективностью. Неполное сгорание ведёт к частично окисленному топливу, которое превращается в сажу, накапливающуюся в масле. Вот почему дизельные моторные масла становятся чёрными после короткого периода времени. Ещё раз, масла разработаны с присадками, чтобы работать с определённым количеством сажи, но как только предел будет достигнут, появление любого количества сажи будет увеличивать вязкость масла. Это явление известно как шламообразование, с которым многие из вас возможно знакомы.
Загрязнение охладителем не только причина проблем связанных с присутствием воды, если охладитель содержит гликоль, то это ведет к чрезвычайно вредному воздействию на масло, и может стать причиной резкого загущения масла в очень короткий срок.
Простейший способ увеличить вязкость масла это добавить другое масло, имеющее более высокую вязкость. Заливка обычного SAE 10W с 20% SAE 50 увеличила бы вязкость на 35%. Наконец, если вы хотите увеличить вязкость вашего масла, просто забудьте его поменять. Все эффекты, здесь перечисленные, со временем только усугубляются. Чем дольше эксплуатируется масло, тем больше оно деградирует и обычное следствие этого - увеличение вязкости. Запомните, что присадки в вашем масле приносятся в жертву. Один раз они делают свою работу и всё. Они не могут быть восстановлены - масло не может служить вечно.
ПОСЛЕДСТВИЯ ВЫСОКОЙ ВЯЗКОСТИ
Так что за последствия высокой вязкости? Высокая вязкость может создать вязкостное торможение. Оно создаёт больше трения, которое, в свою очередь, создает теплоту, которая будет ускорять процесс окисления – в результате порочный круг в противоположность вязкостному кругу. Недостаточный подвод смазки к подшипникам, кавитация, вспененное масло в шейке вала, потери энергии и мощности, низкие антипенные и деэмульгирующие характеристики, задержка жидкости в сливной линии и недостаточная прокачиваемость при холодном старте могут также быть результатом возросшей вязкости. Сказав все это, надо упомянуть, что часто масло со слишком низкой вязкостью, может нанести механизмам вреда больше, так что же может быть причиной снижения вязкости?
Маловязкое гидравлическое масло
Рис. 6: Маловязкое гидравлическое масло.
ПРИЧИНЫ СНИЖЕНИЯ ВЯЗКОСТИ
Причин для снижения вязкости масла меньше, ведь масло более «расположено» к росту вязкости, т.к. это естественная физическая и химическая возрастная тенденция.
ТЕРМИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ
Некоторые масла могут быть подвержены феномену известному как термический крекинг и это частный случай для масел теплоносителей. Термический крекинг может быть представлен как противоположность полимеризации, хотя оба эффекта результат длительного воздействия высокой температуры. Если полимеризация есть склеивание друг с другом ряда подобных органических компонентов, результатом которого является новый компонент с более высокой вязкостью (и точкой кипения), то термический крекинг есть процесс разрушения некоторых компонентов на более мелкие части. Эти частички имеют более низкую вязкость и, что более важно, более низкую точку кипения, как результат более низкая точка воспламенения и более высокая испаряемость. Точка воспламенения масел – это минимальная температура, при которой воздушно-масляная смесь паров будет поддерживать горение, если будет подведен внешний источник огня. Низкая точка воспламенения может иметь важное значение, для безопасности и здоровья.
НЕУСТОЙЧИВОСТЬ К ЗНАЧИТЕЛЬНЫМ СИЛАМ СДВИГА
Ране было указано, что индекс вязкости масла может быть увеличен добавлением различных компонентов. К сожалению, эти длинные органические полимеры, которые раскручиваются с ростом температуры, не очень устойчивы к силам сдвига. Это означает, что когда компоненты подвергаются значительным сдвигающим силам, таким как, например, встречаются в автоматических трансмиссиях, они начинают разрушаться и, как результат, терять вязкость. Масла, которые имеют высокий индекс вязкости благодаря процессу очистки или благодаря их синтетической базе, не подвержены данному феномену.
ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Вязкость масла может также падать из-за загрязнений, большинство источников которых это разбавление с топливом. Самый серьёзный эффект смешения с топливом случающийся с маслом это уменьшение вязкости масла и в результате потеря несущей способности масла. Это означает, что масляная пленка слишком тонка, для того чтобы не давать соприкасаться движущимся металлическим поверхностям, и какая-либо поломка или заедание неизбежны. Очевидно, что серьёзность поломки и время до неё будет зависеть от таких вещей как применение, окружающая среда, нагрузка, период смены масла, техническое обслуживание и др. Есть жёсткое эмпирическое правило: растворение в масле 8,5% топлива снизит вязкость масла SAE 15W-40 на 30% при 40°C и на 20% при 100 °C.
Другой эффект менее очевидный и не такой серьёзный это то, что топливо, в отличие от масла, не содержит каких-либо присадок, так если у вас растворено в масле 10% топлива, то вы имеете снижение концентрации пакета присадок на ту же величину. Это становится серьёзной проблемой, когда растворение топливом действительно велико.
ДОБАВЛЕНИЕ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
Вязкость также может быть снижена добавлением растворителей, используемых как промывающие или моющие агенты. Растворители могут также попасть в двигатель вместе с некачественным топливом. Холодильные компрессоры могут быть загрязнены охлаждающим газом (хладагентом), который понижает вязкость, как будет понижать любой другой технологический газ, который начнет растворяться в смазочном материале в любом другом месте на производстве.
ДОБАВЛЕНИЕ МЕНЕЕ ВЯЗКИХ МАСЕЛ
Наконец, как в случае с ростом вязкости, вязкость масла может быть понижена путём добавления менее вязкого масла. Добавление 20% масла SAE 10W в масло SAE 50 снизит вязкость величину близкую к 30%.
ПОСЛЕДСТВИЯ НИЗКОЙ ВЯЗКОСТИ
Так что за последствия низкой вязкости? Чрезмерный износ, из-за потери несущей способности масла, которая уже упоминалась в связи с топливным разбавлением. Потери энергии и рост сил трения из-за контакта металла по металлу. Возрастание механического трения увеличивает величину создаваемого тепла и, таким образом, рост вероятности окисления. Одна из функций смазочного материала состоит в том, чтобы разделять трущиеся поверхности, быть как бы прокладкой между ними; низкая вязкость этому не способствует, также могут стать проблемой внутренние и внешние утечки. Маловязкие масла также более чувствительны к загрязняющим частицам, т.к. смазывающая плёнка слишком тонка. Наконец, гидродинамическая плёнка, в идеале, зависит от скорости, вязкости и прилагаемой нагрузки. Это означает, что если вязкость низкая, то применение высокой нагрузки в сочетании с низкой скоростью может привести к разрыву масляной пленки.
ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ 40°C И 100°C
Индустриальные стандарты диктуют, что температура при которой должна измеряться вязкость это 40°C и 100°C. Какая разница в свойствах при этих температурах? Измерение при 40°C полезно для раннего определения окисления, полимеризации и перегрева масла. При этой температуре также хорошо определять загрязнения, такие как топливо и хладогенты, которые снижают вязкость. Добавление масел различной вязкости более заметно при низкой температуре. Имеет смысл делать измерения вязкости при температуре близкой к рабочей для оборудования. Для оборудования работающего при температуре близкой к окружающей, вязкость должна измеряться при 40°C. Очевидно, что работать инструментами для измерения вязкости, при температуре близкой к окружающей, легче, особенно в поле или на производстве.
Измерения при 100°C имеют преимущества при определении снижения индекса вязкости и лучше подходит для компонентов которые работают при высоких температурах, таких как двигатели внутреннего сгорания. Обе температуры могут применяться тогда, когда важно определить значение или изменение VI, и где необходимо получить много показателей. Обычно, все образцы измеряют на вязкость при 40°C, но для двигателей внутреннего сгорания также необходимо измерять вязкость при 100°C.
ПРОБЛЕМЫ СВЯЗАННЫЕ С ИЗМЕНЕНИЕМ ВЯЗКОСТИ
Просто замена масла, потому что вязкость слишком большая или слишком низкая, не заставит проблему исчезнуть, требуется активный поиск неисправности.
Если вязкость слишком велика, проверьте:
Рабочую температуру;
эффективность сгорания;
присутствие воды или гликоля;
наличие воздуха в масле;
процедуру заливки масла.
Если вязкость слишком низкая, проверьте:
Исправность системы питания;
наличие значительных сил сдвига;
наличие высокой температуры вызывающей термический крекинг;
загрязнение растворителем или растворенным газом;
процедуру заливки масла.
Как было ясно показано, много чего может пойти не так с вязкостью масла, по многим причинам, и все они сигнализируют и являются следствием различных неисправностей. Держите вязкость масла в допустимых пределах и как результат получите хорошо работающее оборудование, устраните внезапные отказы, получите низкую стоимость работы оборудования и меньший расход запасных частей, уменьшите простои и увеличите прибыль. Убедитесь, что вязкость наблюдается регулярно, чтобы любая проблема могла быть устранена до того когда она превратится в катастрофу.
1 - Society of Automotive Engineers(SAE) - Общество Автомобильных Инженеров, США.
2 - International Standards Organisation (ISO) - Международная Организация по Стандартизации.
3 - Total Base Number (TBN) – общее щелочное число.
Загрузка...
