Глава 5

§ 33. Анализ смазок

И ТВЕРДЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

АНАЛИЗ СМАЗОК ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СМАЗКАХ

Пластичными, или консистентными, смазками называется боль­шая группа нефтепродуктов различного назначения, представляющих собой мазеобразные, иногда почти твердые, пластичные вещества кол­лоидной структуры. Как правило, пластичные смазки изготавливаются путем загущения различных нефтяных, а иногда и синтетических ма­сел каким-либо загустителем. В качестве загустителей применяют кальциевые, натриевые, литиевые, алюминиевые, бариевые и другие соли высших жирных кислот (мыла), твердые углеводородные про­дукты (церезин, петролатум, парафин) и различные неорганические вещества (бентонитовые глины, силикагель и др.).

По техническому назначению пластичные смазки принято делить на следующие группы.

Антифрикционные смазки закладываются в узлы трения в це­лях уменьшения износа и снижения трения, а также для герметизации и защиты деталей узла трения от пыли, влаги и коррозионных агентов внешней среды.

Защитные смазки предназначены для покрытия различных металлических изделий и деталей в целях предохранения их от коррозии и порчи при длительном хранении.

Уплотнительные смазки предназначены для герметизации сальников, кранов, стыков труб, затворов газгольдеров и т. п.

Остановимся вкратце на эксплуатационных свойствах пластичных смазок, требованиях к ним и нормируемых показателях.

Объемно-механические свойства. Эксплуатационные свойства анти­фрикционных смазок в сильной мере зависят от так называемых объемно-механических характеристик. Пластичные смазки, являясь коллоидными системами, могут проявлять механические свойства, ха­рактерные как для твердых тел, так и для жидкостей. Так, при срав­нительно небольших нагрузках смазки обладают способностью сохра­нять свою форму. Под действием собственного веса смазки не стекают с вертикальных поверхностей и не выбрасываются из незакрытых узлов трения под действием центробежной силы. Это весьма суще­ственное эксплуатационное качество смазок, присущее твердым телам, оценивается пределом прочности.

Под пределом прочности смазки понимают то минимальное дав­ление (напряжение сдвига), которое вызывает разрушение коллоидной структуры, в результате чего происходит сдвиг смазки и она начинает течь, как вязкая жидкость. Определение предела прочности необхо­димо проводить при температурах, близких к эксплуатационным для данной смазки, на специальном приборе.

Когда смазка находится под нагрузкой, превышающей ее предел прочности, т. е. когда ее структурный каркас, образованный загустите­лем и обусловливающий ее упругопластические свойства, разрушается, смазка начинает течь и превращается как бы в вязкую жидкость. Следовательно, в этих условиях механические свойства смазки, должны были бы зависеть от вязкости. Однако вязкостные свойства смазок резко отличаются от вязкостных свойств нефтяных масел. Вязкость масел и других жидкостей при данной температуре — величина по­стоянная, независимая от относительной скорости передвижения слоев масла, т. е. от градиента скорости сдвига, а следовательно, и от диа­метра капилляра вискозиметров.

Пластичные смазки благодаря коллоидным особенностям своей структуры, наоборот, характеризуются так называемой структурной или аномальной вязкостью. Их вязкость при постоянной температуре сильно зависит от градиента скорости сдвига. Чем он больше, тем вязкость смазки меньше. В практике применения пластичных смазок это имеет положительное значение, так как увеличение скорости дви­жения трущихся частей в механизмах сопровождается уменьшением вязкости смазки, что относительно снижает общее сопротивление си­стемы движению. Общее течение слоев, как в масле, в смазке не имеет места. Течение, или неупругая деформация смазки состоит из суммы деформаций ее отдельных структурных элементов, зависящих от ско­рости сдвига. Следовательно, понятие вязкости смазок весьма условно, и постоянного показателя вязкости они не имеют.

Необходимо отметить, что вязкость смазок с изменением темпера­туры изменяется во много раз меньше, чем вязкость нефтяных масел. Это, конечно, является также положительной характеристикой пластич­ных смазок.

Таким образом, вязкостные свойства смазок наиболее правильно характеризуются не абсолютными значениями вязкости, а кривыми зависимости вязкости от градиента скорости сдвига при различных тем­пературах.

Все смазки, являясь коллоидными системами, характеризуются тиксотропными свойствами, т. е, способностью к разрушению своей структуры при механическом воздействии и дальнейшему хотя бы час­тичному ее восстановлению.

О степени консистентности (густоте) смазок, в какой-то мере от­ражающей ее механические свойства, судят по пенетрации.

С повышением температуры наступает такой момент, когда смазка теряет свойства твердого тела и начинает течь. О температуре, при которой это происходит, судят по температуре каплепадения. Она нор­мируется для большинства выпускаемых групп и сортов этого класса нефтепродуктов. Температура каплепадения для разных смазок изме­няется в широком интервале от 40 до 200 °С.

Физико-химические свойства. Наряду с механическими свойствами смазок большое эксплуатационное значение имеют их физико-химиче­ские свойства, а также показатели, нормирующие содержание различ­ных компонентов и нежелательных примесей.

Ко всем смазкам без исключения предъявляется требование — не вызывать коррозии смазываемых поверхностей. Коррозия может обусловливаться наличием в смазках свободных органических кислот, особенно низкомолекулярных, и щелочей. Кроме того, при длительной эксплуатации в условиях, способствующих окислению, первоначально инертная смазка может стать коррозионно активной в связи с накоп­лением в ней кислых продуктов окисления. Испытание смазки на кор­розионную активность проводят ускоренным методом при 100 °С в тече­ние 3 ч (ГОСТ 9.080—77).О результатах испытания судят по внешнему виду металлических пластинок после выдерживания их в смазке. Для многих смазок стандартизованы условия испытания на коррозионную активность. Для мыльных смазок на синтетических кислотах норми­руется отсутствие свободных органических кислот, а для углеводород­ных— кислотное число не более 0,1—0,3 мг КОН/г. Для многих смазок установлена также норма на содержание свободных щелочей в пере­счете на NaOH — не более 0,1—0,2 %.

Следующим не менее важным эксплуатационным свойством сма­зок является их стабильность. Различают коллоидную, термическую и химическую стабильность.

Пластичные смазки, являясь коллоидными структурированными системами, склонны при хранении или в рабочих условиях даже при обычной температуре выделять масло, причем иногда в значительных количествах (до 20% и выше). Это явление особенно характерно для смазок, изготавливаемых на маловязких нефтяных маслах с небольшим количеством загустителей. В лабораторных условиях о коллоидной стабильности смазок судят по количеству масла (в %), отпрессован­ного от смазки в стандартных условиях испытания на приборе КСА. Чем меньше отделится при этом масла, тем выше коллоидная стабильность смазки. Коллоидная стабильность смазок разного состава нормируется в пределах от 5 до 30 %.

При повышении температуры возможность отделения масла уве­личивается. Так как в рабочих условиях это недопустимо, то для ряда смазок в технические нормы введен показатель термическая стабиль­ность. Под термической стабильностью понимают способность смазки при определенной температуре в течение определенного времени не отделять масла.

Химическая стабильность, т. е. стойкость к окислению кислородом воздуха при хранении и в тонком слое в рабочих условиях, является весьма существенным свойством смазок. Углеводородные смазки обла­дают лучшей химической стабильностью, чем мыльные, так как многие мыла способны катализировать реакции окисления. Наибольшее зна­чение стойкость против окисления имеет для тугоплавких антифрик­ционных смазок, предназначенных для работы при повышенных темпе­ратурах. Для этих смазок определение химической стабильности по ГОСТ 5734—76 заключается в окислении смазки, которая нанесена тонким слоем на медную пластинку, помещенную на 10 ч в термостат при температуре 120 °С. В конце испытания наблюдают за состоянием поверхности смазки и увеличением против допустимой нормы кислот­ного числа, характеризующего стабильность смазки.

Для многих смазок нормируется содержание воды. В углеводо­родных и натриевых смазках присутствие воды, как правило, не допус­кается. Наоборот, в кальциевых, мыльных смазках вода является необ­ходимой составной частью, стабилизирующей коллоидную структуру смазки. Содержание воды в этих смазках колеблется от 1,5 до 3 %. Определение воды в смазках проводят обычным методом отгонки с рас­творителем.

Очень нежелательно даже минимальное содержание в смазках механических примесей, так как они не отстаиваются при хранении смазки и не отфильтровываются при подаче к узлу трения. Попадание в смазку различных загрязнений может вызвать абразивный износ смазываемых деталей.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕНЕТРАЦИИ

Пенетрация характеризует консистентность, или густоту, смазки. По пенетрации судят о степени мягкости или твердости смазки. Чис­лом пенетрации называется глубина погружения стандартного конуса в смазку за 5 ., в градусах. Число градусов соответствует числу деся­тых долей миллиметра глубины погружения конуса в смазку. Есте­ственно, чем глубже погружен в смазку конус, тем смазка мягче, я, наоборот, у более твердых смазок число пенетрации меньше. Для боль­шинства смазок число пенетрации при 25°С находится в широких пре­делах от 200 до 360°, а для отдельных смазок — от 30 до 100° (бензо-упорная, смазка ИП-2 и др.).

Пенетрация является эмпирической условной величиной, не имею­щей самостоятельного физического смысла. При заводском контроле определение пенетрации позволяет следить за правильностью произ­водственного процесса. Что же касается эксплуатационных механиче­ских свойств смазок, то они пенетрацией характеризуются крайне не­достаточно.

Аппаратура

Определение пенетрации проводят на пенетрометре (рис. 48). На основании прибора укрепляется подвижный столик и массивный шта­тив. На штативе с помощью плеча-держателя закреплен стержень с ко­нусом 1 общим весом 1,5 Н. С включением кнопки 2 конус может по­лучить свободное движение вниз. В верхней части штатива крепится с помощью второго плеча-держателя циферблат 4 со стрелкой 5. Стрелка связана с кремальерой 3, при помо­щи которой может передвигаться по . циферблату, разделенному на 360°. 1°, отмеряемый стрелкой на цифер­блате, соответствует 0,1 мм продоль­ного движения кремальеры.

Рис. 48. Пенетрометр:

1— конус; 2 — пусковая кнопка; 3—кремальера; 4 — циферблат; 5 — стрелка.

Рис. 49. Смеситель для смазок.

Для набора пробы смазки и ее перемешивания перед определе­нием применяют смеситель — металлический стакан с крышкой и ме­шалкой (рис. 49). Термостатирование испытуемой смазки осуществ­ляется в водяной ванне, на дне которой установлена на ножках дырча­тая пластина, на которую ставят стакан со смазкой.

Методика определения

Испытуемую смазку загружают в стакан смесителя путем вмазы­вания. При этом следят, чтобы в смазке не осталось пузырьков воз­духа. В стакан вносят такое количество смазки, чтобы она заполнила весь стакан и выступала из него примерно на 15 мм в виде шарового сектора. Затем завинчивают съемную крышку стакана. Стакан с про­бой ставят в ванну, погружая его полностью вместе с крышкой, и вы­держивают в течение 1 ч при заданной температуре (обычно при 25°С). Через 1 ч стакан вынимают из ванны, прикрепляют его к подставке и, присоединив рукоятку смесителя, перемешивают смазку 60 раз в те­чение 1 мин. Эта операция имеет целью гомогенизировать смазку и оказывает большое влияние на результаты определения. Перемешива­ние необходимо проводить тщательно.

После перемешивания смазки отвинчивают крышку и погружают открытый стакан до резьбы в ванну на 15 мин. Ванну со стаканом пе­реносят на столик пенетрометра (рис. 48) и выравнивают ножом по­верхность смазки, снимая ее избыток. С помощью кнопки 2 подводят конус к поверхности смазки, но так, чтобы его наконечник касался смазки в центре стакана. С другой стороны, необходимо избежать со­прикосновения конуса со стенками стакана. Затем опускают кре­мальеру 3 до соприкосновения со стержнем, в котором закреплен ко­нус. Стрелку циферблата устанавливают на нуль.

Убедившись в правильности подготовки прибора, нажимают кноп­ку 2 и одновременно включают секундомер. Конус под давлением соб­ственного веса и веса стержня свободно входит в смазку. Ровно через 5 с кнопку для закрепления конуса отпускают. Для замера глубины погружения конуса снова опускают кремальеру 3 до соприкосновения со стержнем. Вместе с кремальерой начнет передвигаться стрелка, ко­торая и укажет на циферблате результат испытания.

Для подготовки прибора к следующему испытанию кремальеру и стержень с конусом приподнимают, а конус очищают от смазки ва­той, смоченной бензином. Затем выравнивают поверхность смазки. При повторных испытаниях надо менять место соприкосновения наконеч­ника конуса с поверхностью смазки.

Испытание проводят не менее пяти раз. За результат принимают среднее арифметическое из пяти совпавших (в допускаемых преде­лах) значений. Расхождения между результатами отдельных опре­делений не должны превышать ±3 % от среднего арифметического зна­чения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КАПЛЕПАДЕНИЯ

Температурой каплепадения называется температура, при которой из капсюля термометра Уббелоде в результате нагревания в стандарт­ных условиях падает первая капля испытуемой смазки.

Хотя температура каплепадения характеризует эксплуатационные возможности испытуемой смазки для работы при повышенных темпе­ратурах и отражает в какой-то мере ее состав и, главное, природу за­густителя, все же это условная эмпирическая величина, которую нельзя отождествлять с температурой плавления. Иначе говоря, падение первой капли не всегда означает, что при данной температуре испытуемая смазка потеряла пластичность и начала течь. Иногда это происходит благодаря плохой термической стабильности смазки. Смазка еще со­храняет какой-то предел прочности, но выделяет некоторое количество масла. Кроме того, поскольку смазки — не индивидуальные вещества, а сложные коллоидные системы, переход их в текучее (жидкое) со­стояние происходит в определенном температурном интервале, иногда довольно широком.

Устройство прибора

Определение проводят со стандартным термометром Уббелоде (рис. 50), в нижнюю часть которого наглухо вделана металлическая гильза, снабженная нарезкой, на которую навинчивается металличе­ская трубка с отверстием. В это отверстие вставляется стеклянный капсюль (чашечка) тоже стандартных размеров. Подготовленный тер­мометр укрепляется на пробке в пробирке диаметром 40 и длиной около 200 мм. Пробирка, закрепленная на штативе, вставляется в стакан-баню в который в зависимости от ожидаемой температуры каплепадения наливают воду или глицерин.

Подготовка прибора и методика определения

И спытуемую смазку вмазывают шпателем в капсюль прибора, следя за тем, чтобы в продукте не было воздушных пузырьков, и сре­зают излишки ножом. Вставляют заполненный и обтертый снаружи капсюль в гильзу термометра. Верхний край капсюля должен упе­реться в буртик гильзы. Избыток смазки, вытекающий из нижнего от­верстия, срезают. Если анализируются твердые продукты или углеводородные смазки, то испытуемый продукт вна­чале нагревают до 100 °С и наливают в капсюль по кап­лям. Капсюль при этом устанавливают на гладкую метал­лическую поверхность. На дно сухой чистой пробирки кла­дут кружок белой бумаги и вставляют в эту пробирку подготовленный термометр так, чтобы нижний край капсюля отстоял на 25 мм от кружка бумаги на дне пробирки. Пе­реносят пробирку в водяную или глицериновую баню. Гли­церин применяется для продуктов с температурой капле­падения выше 80 °С. Обогрев бани ведут с такой интенсив­ностью, чтобы температура, начиная с температуры на 20 °С ниже ожидаемой температуры каплепадения, повышалась со скоростью 1 °С/мин.

За температуру каплепадения испытуемой смазки при­нимают температуру, при которой упадет первая капля или дна пробирки коснется столбик смазки, выступивший из отверстия капсюля. Расхождение между двумя параллель­ными определениями не должно превышать 1 °С.

рис. 50. Термометр Уббелоде

Рис. 51. Пластометр К-2:

1—корпус прибора; 2—оправка, внутри которой находится капилляр; 3—защитное стекло; 4 — кран; 5 — манометр; 6 — воронка для залива масла; 7 — резервуар для масла; 8 — электропечь.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ СМАЗОК НА ПЛАСТОМЕТРЕ К-2

Сущность определения по ГОСТ 7143—73 (метод Б) заключается в том, что испытуемую смазку после перемешивания загружают в стан­дартный капилляр пластометра К-2, где при за--данной температуре она подвергается давле­нию, создаваемому маслом. Давление в приборе замеряется манометром. Сдвиг смазки отмеча­ется по падению давления в системе. По мак­симальному давлению, замеренному во время опыта, и известным длине и радиусу капилля­ра рассчитывают предел прочности.

Устройство пластометра К-2

Общий вид прибора в разрезе представлен на рис. 51. В корпус 1 вставляется оправка 2 с металлическим капилляром. Капилляры при­лагаются к прибору двух размеров: длиною 100 и 50 мм. Короткий ка­пилляр применяется в том случае, если при испытании на длинном капилляре давление в приборе превысит допустимое для манометра. Капилляры представляют собой стальные трубки с внутренним диа­метром 8 мм, перегороженные через каждые 2 мм шайбами толщиной 0,1 мм с отверстиями диаметром 4 мм. По всей длине трубки капил­ляра с двух сторон имеются вырезы-окна шириной 5,5 мм. Через эти окна капилляр заполняют смазкой. После заполнения капилляра смазкой окна закрывают заслонками. Нижний конец капилляра за­канчивается чашечкой.

Во время опыта на верхней части корпуса укрепляется защитное стекло 3. К корпусу пластометра подведена металлическая трубка, по которой из воронки 6 подается масло в корпус. Через кран 4 к трубке присоединяется резервуар 7 с тем же маслом, помещенный в электро­печь 8. Вся масляная система через кран 4 соединена с пружинным манометром 5, по которому можно вести отсчеты с точностью до 0,005 МПа в пределах до 0,25 МПа. Давление на смазку в капилляре через смазку, находящуюся в чашечке, осуществляется маслом, подо­греваемом в резервуаре 7. Когда предел прочности смазки будет пре­одолен, смазка потечет через верхний конец капилляра, и давление в системе понизится.

К прибору прилагаются: мешалка с дырчатым поршнем, специаль­ная сплющенная воронка, с помощью которой заполняется смазкой капилляр, и поршень для выдавливания смазки из мешалки. Воронка устроена таким образом, что суженным концом ее с помощью гайки можно навинчивать на цилиндр мешалки; в широкой части воронки имеется гнездо, куда вставляется капилляр при заполнении его смазкой.

Для поддержания заданной температуры пластометр во время определения устанавливают в термостат или баню. Масло для запол­нения прибора должно иметь температуру застывания на 15 °С ниже температуры испытания и вязкость при 50 °С в пределах 19—53 мм2/с.

Подготовка прибора и проведение испытания

Заполняют цилиндр и крышки мешалки испытуемой смазкой, следя за тем, чтобы не было пустот и пузырьков воздуха. Затем закры­вают цилиндр мешалки нижней и верхней крышками, заполняя перед этим смазкой отверстия в поршне мешалки. Наполненную смазкой ме­шалку выдерживают в термостате 30 мин при температуре 20°С, а за­тем перемешивают смазку, сообщив поршню 100 двойных ходов. Под­нимают поршень в верхнее крайнее положение, снимают нижнюю крышку и присоединяют к мешалке воронку. В воронку вставляют чис­тый и сухой капилляр так, чтобы его окна совпадали с окнами гнезда воронки.

После этого снимают верхнюю крышку мешалки и приступают к заполнению капилляра смазкой. Для этого закрывают пальцами концы капилляра, а вставленный предварительно в мешалку поршень посте­пенно продвигают до тех пор, пока смазка не выйдет из противопо­ложного окна капилляра наружу. Вынимают капилляр из гнезда во­ронки и закрывают его окна заслонками, вводя их в паз со стороны верхнего конца капилляра и внутренней поверхности оправки, и встав­ляют капилляр в оправку. После этого заполняют чашечку капилляра испытуемой смазкой. На нижний обрез буртика оправки надевают ре­зиновую прокладку и вставляют оправку с капилляром на место в кор­пусе прибора.

Через воронку заполняют прибор маслом до тех пор, пока уровень масла в корпусе не достигнет верхнего обреза буртика оправки капил­ляра. После этого оправку в корпусе закрепляют гайкой. Если при этом повышается давление, то часть масла через кран выпускают в воронку. Укрепляют на корпусе защитное стекло и помещают в термо­стат. Уровень жидкости в термостате должен быть на 30 мм выше верх­него конца капилляра. В' термостате прибор со смазкой выдерживают при заданной температуре 20 мин. Кран на воронке должен быть от­крыт. На этом заканчиваются все приготовления к проведению испы­тания, которое можно начинать не ранее, чем через 30 мин после пе­ремешивания смазки.

Само испытание заключается в том, что путем нагревания масла в резервуаре с помощью электропечи медленно поднимают давление в системе. Поднимая или опуская электропечь, регулируют нагрев, а сле­довательно, и повышение давления так, чтобы при работе с длинным капилляром оно повышалось не более, чем на 0,005 МПа в 1 мин, а при работе с коротким капилляром вдвое медленнее, т. е. на 0,005 МПа в 2 мин. Наблюдая все время за показаниями манометра, отмечают с точностью до 0,001 МПа максимальное давление. После этого выклю­чают электропечь, открывают кран воронки и медленно вынимают оправку с капилляром из корпуса, после чего кран закрывают. Опыт повторяют еще раз.

Предел прочности испытуемой смазки т (в Па) вычисляют по фор­муле:

τ=pr/(2l)

где р — максимальное давление, Па; r — радиус капилляра, см; 1 — длина капил­ляра, см.

Для двух параллельных определений допускаются расхождения не более чем на ±10% от среднего арифметического.