Вязкостные свойства

Кинематическая и динамическая вязкости масел

Вязкость (viscosity). Вязкость - 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 течении короткого времени), то при этой же температуре должны быть определены и его вязкостные свойства. Например, на все автомобильные масла, предназначенные для применения зимой, должны приводиться низкотемпературные характеристики.

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

• вискозиметры истечения (рис. 2.2), в которых измеряется кинематическая вязкость - по скорости свободного течения (времени вытекания). Для этой цели применяется капиллярный вискозиметр (capillary viscometer) (рис. 2.2,а) или сосуды с калиброванным отверстием на дне - вискозиметры Энглера (Engler) (рис. 2.2,6), Сейболта (Sayboll), Редвуда (Redwood), B3-4 (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 (rotational viscometers), в которых определяется динамическая вязкость по крутящему моменту с установленной скоростью ротора или по скорости вращения ротора при заданном крутящем моменте.

Рис. 2.2. Вискозиметры истечения: а - капиллярный стеклянный вискозиметр; б - вискозиметр Энглера; в - схема истечения масла

Вязкость характеризуется двумя показателями - кинематической (kinematic viscosity) и динамической вязкостью (dynamic viscosity). Единицы измерения динами­ческой вязкости; h - пуаз (Р -poise) или сантипуаз сР (сР = mPa·s). Динамическая вяз­кость обычно определяется ротационным вискозиметром. Кинематическая вязкость, n -отношение динамической вязкости к плотности (h/r). Единицы измерения кинематической вязкости - стоке (St - stoke) или сантистокс (cSt - centistoke, l cSt = 1 мм²/с). 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 том но 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 (Saybolt Universal Seconds). Этот упрощенный метод определе­ния кинематической вязкости более широко применяется в США. В Европе чаще пользу­ются секундами Редвуда (Редвуда единицы - Redwood units) и градусами Энглера (Е°, Engler units). 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 SÄE J300 APR97. Эта спецификация устанавливает значения степеней вязкости SAE для моторных масел и определяет порядок измерения необходимых параметров вязкости. Стандартные методы опреде-ления динамической вязкости можно разделить на две группы - низкотемпературная вязкость и высокотемпературная вязкость, определяемые в условиях близких к реальным условиям эксплуатации двигателя.

Характеристики низкотемпературной вязкости (low temperature viscosity):

• максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечивающая запуск холодного двигателя (maximum low-temperature cranking viscosity), определяется при помощи имитатора запуска холодного двигателя CCS (Cold Cranking Simulator) (ASTM D 5293) (рис. 2.3, а);

• максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечивающая прокачивание масла в двигателе (maximum low-temperature pumping), определяется при помощи мини-ротационного вискозиметра MRV (Mini-Rotary Viscometer) по методике ASTM D 4684 (рис. 2.3, в);

• в качестве дополнительной информации о низкотемпературной вязкости, могут быть определены граничная (предельная) температура прокачивания по ASTM D 3829 (borderline pumping temperature) и вязкость при низкой температуре и низкой скорости сдвига (low temperature, low shear rate viscosity), так называемая тенденция к желеобразованию или индекс мелирования (gelation index). Определяется на сканирующем вискозиметре Брукфильда по методике ASTM D 5133 (Scanning Brookfield method)',

• фильтруемость (filterability) 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 "General Motors" GM 9099Р "Тест на определение фильтруемости моторного масла" (Engine Oil Filterability Test - EOFT) и оценивается как снижение потока в %.

Характеристики высокотемпературной вязкости (high-temperature viscosity): 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 (high temperature high shear viscosity), определяемая при 150°С и скорости сдвига 10⁶ с^-1. -

Рис. 2.3. Ротационные вискозиметры: - имитатор запуска холодного двигателя (CCS); 6 - имитатор конического подшипника (TBS); в - мини-ротационный вискозиметр (MRV); г- вискозиметр Брукфильда

Определяется: в Америке - с помощью имитатора конического подшипника TBS (Tapered Bearing Simulator) (рис. 2.36) по методике ASTM D 4683, а в Европе -на вискозиметре Раеепфильда или конической пробке ТВР, аналогичной конструкции (Ravenfield Viscometer, Tapered-Plug l'lscometer), по методикам СЕС L-36-A-90 или ASTM D 4741;

• стабильность к сдвигу (shear stability) - это способность масла сохранять стабильную вязкость при продолжительном воздействии высокой деформации сдвига. Определяется: в Европе с помощью насос-форсунки Бош (Bosch injector), через которую 30 раз пропускается нагретое до 100°С масло и измеряется снижение вязкости (СЕС L-14-A-88), в Америке - также (ASTM D 6278) или в стендовом бензиновом двигателе CRC L-38 после 10 часовой работы (ASTM D 5119).

Рассмотрим некоторые особенности методов определения вязкости.

Вискозиметр Брукфильда (рис. 2.3,г)-это прибор для определения низкотемпературной вязкости при низкой скорости сдвига. Он снабжен 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 к стенки сосуда вискозиметра не влияют на величину вяз­кости, которая в этом случае рассчитывается по силе внутреннего трения масла и называется вязкостью по Брукфильду (Brookfield viscosity) (в Па-с), или кажущейся вязкостью (apparent viscosity). Этим методом определяется кажущаяся вязкость автомобильных трансмиссионных масел при низкой температуре (по стандартам ASTM D 2983, SAE J 306, DIN 51398).

Низкотемпературная вязкость запуска двигателя (low-temperature cranking viscosity) является показателем способности масла течь и смазывать узлы трения в холодном двигателе. Она определяется при помощи имитатора запуска холодного двигате­ля CCS (Cold Cranking Simulator) (DIN 51 377, ASTM D 2602) (рис. 2.3а). Имитатор CCS 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 (cranking viscosity) в сантипуазах (сП) при разных заданных тем­пературах, соответственно с предполагаемой степенью вязкости SAE для моторного масла (-5° для SAE 25W; -10° для SAE 20W; -15° для SAE 15W; -20° для SAE 10W; -25° для SAE 5W и -30°С для SAE OW).

• Вязкость прокачивания (pumping viscosity) является мерой способности масла течь и создавать необходимое давление в системе смазки в начальной стадии работы холодного двигателя. Вязкость прокачивания измеряется в сантипуазах (сП = мПа -с) и определяется согласно ASTM D 4684 на мини-ротационном вискозиметре MRV. Этот показатель важен для масел, способных желировать при медленном охлаждении. Таким свойством чаще всего обладают всесезонные минеральные моторные масла (SAE 5W-30, SAE 10W-30 и SAE 10W-40). 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 25 W до -40°С для SAE OW). Прокачивание обеспечивается только для масел с вязкостью не более 60 000 mPa-s. Наименьшая температура, при которой масло может прокачиваться, называется нижней температурой прокачивания, ее значение близко к наименьшей температуре эксплуатации.

Температурная зависимость вязкости при низкой температуре и низком напряжении сдвига (low temperature, low shear rale, viscosity/temperature dependence) Ч-.ІС.ІЯСТСЯ по методике ASTM D 5133 при помощи сканирующего вискозиметра - Брукфильда (Scanning Brookfield method). Этот показатель необходим для оценки способом масла поступать в систему смазки и к узлам трения в холодном двигателе после его длительного пребывания при низкой температуре. Перед измерением масло должно пройти определенный цикл охлаждения, как и при определении равновесной температуры испытания (stable pour point). 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 SJ и ILSAC GF-1, GF-2 для масел SÄE 5W-30 и SÄE 10W-30. Этот метод разработан -мой "General Motors" и применяется ею с 1980 г. 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 отдельному снижению скорости потока через фильтр при последовательном испытании :ш ІІ смеси масла с водой. Смесь приготавливают медленным перемешиванием в течение 10 с в закрытой мешалке 49,7 г масла, 0,3 г деионизированной воды и приблизительно 10 г сухого льда. После перемешивания смесь в открытом сосуде выдерживают в печи при температуре 70°С в течение 30 мин. Затем ее охлаждают до 20 - 24 °С и выдерживают при этой температуре 48-50 ч. Снижение скорости потока не должно быть более чем на 50 %.

Стабильность к сдвигу это способность масла сохранять постоянную величину .місти под воздействием высокой деформации сдвига при эксплуатации. При быстром скольжении поверхностей трения достигается высокая скорость течения масла в узких ноpax и проявляется высокая деформация сдвига, которая вызывает деструкцию молекул - полимеров (загустителей) входящих в состав масла. Устойчивость к деформации сдви-•іішяется 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 определенной величины. Иногда пользуются показателем индекса стабильности к сдвигу SSI (shear stability index). Он определяется соотношением Потери вязкости и jicK-та загущения полимерным загустителем, выраженное в % (рй£'2:4).'5$1 определя-; я разными методами: в Европе используют дизельную насос-форсунку конструкции in (Bosch injector) (CEC L-14-A-88). В Америке этот показатель^:определяется двумя методами - как в Европе (АSТМ D 6278) или в стендовом бензиновом двигателе CRC L-38 после 10-часовой работы (ASTM D 5119).

При сравнительно небольшой деформации сдвига, полимеоные молекулы только вкручиваются, а после снятия напряжения, со временем, могут восстановить свою конфигурацию и вязкость (рис. 2.5). Такое снижение вязкости называется временным (етроrary viscosity loss - ТУ L) и иногда наблюдается при определении HTHS вязкости на n анионном вискозиметре - имитаторе конического подшипника.

Зависимость вязкости от давления. При повышении давления} уменЪййется объем, плпвается взаимное притяжение молекул и увеличивается сопротявлению 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 шестерни может увеличиться настолько, что масло станет твердой пластичной массой. Это явление оказывает определенное положительное действие, так как масло в пластичном состоянии не вытекает из зазора сопряженных поверхностей и уменьшает влияние ударных нагрузок на детали.

Рис. 2.4. Потери вязкости масла при работе в условиях большой деформации сдвига

Рис. 2.5. Временное снижение вязкости

Международные классификации масел по вязкости

Ряды степеней вязкости масла. Вязкость является основным показателем качества масла. Для конкретного назначения требуется масло определенной вязкости. Для облегчения выбора масла необходимой вязкости, составлены так называемые ряды вязкости, в которых через установленный шаг изложены фиксированные значения вязкости масла. Эти фиксированные значения вязкости масла называются степенями вязкости (viscosity grades).

Основные ряды вязкости масел обобщены в системы:

• Международной Организации по Стандартам - степени вязкости ISO (ISO Viscosity Grades - ISO V.G.) - для всех масел индустриального назначения;

• Общества инженеров автомобилестроителей США - степени вязкости SA E (SÄE Viscosity Grades - SÄE V.G) - отдельные ряды для моторных и трансмиссионных масел.

В этой книге значения вязкости приводятся в степенях вязкости (VG) и обозначают-м с указанием аббревиатуры системы, например, ISO VG, SÄE VG и т.д.

ISO VG определяются при помощи капиллярного вискозиметра при температуре Ю°С. Ряд степеней вязкости ISO составлен из средних значений кинематической вязкости согласно стандарту ISO 3448:1992 и обозначается, как показано в табл. 2.2.

Таблица 2.2 - Степени вязкости ISO и средние значения кинематической вязкости, сСт при 40 °С

Степень вязкости ISO *	Средние значения кинематической вязкости, сСт	Допустимые значения вязкости, сСт
ISO VG 2 ISO VG 3 ISO VG 5	2,2 3,2 4,6	1,98-2,42 2,88-3,52 4,14-5,06
ISO VG 7 ISOVG10 ISOVG15	6,8 10 15	.6.12-7.48 9,00-11.0 13,5-16,5
ISO VG 22 ISO VG 32 ISO VG 46	22 32 46	19,8-24,2 28,8 - 35,2 41.4-50,6
ISO VG 68 ISO VG 100 ISO VG 150	68 100 150	61,2-74,8 90,0-110 .. 135-165
ISO VG 220 ISO VG 320 ISO VG 460	220 320 460	198-242 288-352 414-506
ISO VG 680 ISO VG 1000 ISO VG 1500	680 1000 1500	612-748 900-1100 1350-1650

Вязкость моторных и трансмиссионных масел выражается в условных степенях вязкости по SAE, которые определяются на основе кинематической вязкости, определенной при заданной температуре (100 °С) и на основе показателей, низко- и высокотемпературных свойств.

Ряд степеней вязкости базовых масел называется номенклатурой базовых масел (common base oil nomenclature).