Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Компрессоры в технологических процессах. Смазочные материалы. Учебное пособие
.pdf
21
Рис. 2
.2. Логарифмическая шкала зависимости кинематической вязкости
масел
Тп-22С и CPI-1508-32 от температуры (
ISO VG 32)
22
За единицу динамической вязкости при заданной температуре
в системе СИ принята вязкость такой жидкости (масла), которая оказывает сопротивление силой 1 Н взаимному сдвигу двух слоев жидкости площадью 1 м2, находящихся один от другого на расстоянии 1 м и
перемещающихся с относительной скоростью 1 м/с. Единица динамической вязкости имеет размерность Паскаль-секунда – Па·с (в системе
измерений СГС единицей динамической вязкости является пуаз П).
Единица кинематической вязкости в системе СИ имеет размерность
10–4 м2/с (в системе измерений СГС принят Стокс – Ст). Зависимость
кинематической вязкости от температуры удобнее представлять в виде
логарифмической шкалы; в этом случае зависимость можно представить в виде прямой, которую можно построить по двум точкам на рассматриваемом интервале температур (рис. 2.2).
По уровню вязкости нефтяные масла можно условно разделить
на маловязкие (3–4 мм2/с при 100 °С), средневязкие (4–6 мм2/с при
100 °С), вязкие (8–9 мм2/с при 100 °С), высоковязкие (20–24 мм2/с при
100 °С). Значимость показателя вязкости при подборе масел настолько
велика, что ее абсолютное значение положено в основу классификации
моторных масел и маркировку масел других типов.
В условиях применения масел температурный режим может
значительно колебаться, а в зависимости от этого изменяться и их вязкость. При высоких температурах вязкость масла снижается, при охлаждении – возрастает, и масла вообще теряют подвижность. В первом
случае уменьшается несущая способность тонкого слоя масла, разделяющего трущиеся поверхности, например подшипников скольжения или
уплотнений, во втором – уменьшается или вообще прекращается подача масла к узлам терния. Поэтому при оценке качества масел большое значение придают зависимости его вязкости от температуры.
Вязкость смазочных масел в сильной степени зависит от температуры и в меньшей мере от давления. В нормативах (ГОСТ и ТУ) на
масла нормируется их номинальная кинематическая вязкость, т. е. вязкость при атмосферном давлении и некоторой условной температуре
(обычно это 40 или 100 °С), например, марок масел Тп-22С, Тп-22Б,
Кп-8С и др. Однако стоит учесть, что номинальная вязкость масла,
определяемая при этих температурах и атмосферном давлении, большей частью имеет мало общего с его рабочей вязкостью в зоне трения
смазываемых деталей, где температура значительно выше, а давление
может достигать нескольких тысяч МПа.
23
Наименее вязкие сорта нефтяных масел для закрытых механизмов имеют номинальную кинематическую вязкость при 100 °С порядка 1,5–2 сСт, наиболее вязкие – порядка 60–70 сСт. Этот диапазон
вязкостей обеспечивает все практические потребности смазки компрессорных машин жидкими смазочными материалами.
При выборе масла стремятся к тому, чтобы изменение его вязкости в заданном диапазоне температур было бы незначительным, т. е.
чтобы была пологая вязкостно-температурная кривая. Это облегчает
эксплуатацию техники при низких температурах и обеспечивает надежную смазку узла трения при высоких (рабочих) температурах. Для получения представления о характере вязкостно-температурной зависимости масел используют различные полуэмпирические уравнения, основанные на теоретических положениях реологии [4, 5]:
– формула Рейнольдса
где и – температура и вязкость масла в характерной точке, –
температурный коэффициент вязкости, зависящий от марки масел и
рассматриваемого интервала температур (как правило, рассматриваемый интервал для центробежных и винтовых компрессоров составляет
40–100 °С). Коэффициент остается постоянным при интервале температур не более 20 °С, а в более широком температурном интервале и
с увеличением уровня начальной вязкости уменьшается [5];
– уточненная формула Рейнольдса, аппроксимирующая параметр вязкости при более широком интервале температур [6]
где – температурные коэффициенты вязкости [6];
– формула Рамайя
– формула Вальтера
где А, В, С, D – постоянные для данного сорта масла и др.
24
Вязкостно-температурные свойства масел или «пологость» вязкостно-температурной кривой, могут характеризоваться также безразмерной величиной – индексом вязкости (ИВ). Масла, обладающие пологой вязкостно-температурной кривой, имеют высокий индекс вязкости. Так, для масел используемых для смазки центробежных и винтовых компрессоров, индекс вязкости должен составлять не менее 90 (см.
рис. 2.2, масло Тп-22С обладает ИВ 90, масло CPI-1508-32 – ИВ 99).
Использование гидрокрекинга или загущение маловязких масел присадками позволяет получить масла с индексом вязкости 100 и более.
Этот показатель особенно важен для масел, применяемых в условиях,
когда при изменении рабочих температур недопустимо даже незначительное изменение вязкости. ГОСТ 25371-2018 устанавливает два метода расчета индекса вязкости (ИВ) смазочных масел по кинематической вязкости при 40 и 100 °С, где также приведены формулы и таблицы для определения ИВ.
Практически вязкость масла оценивается косвенным методом –
по времени истечения определенного количества испытуемого масла из
вискозиметра. Динамическую вязкость определяют в основном в ротационных вискозиметрах, а кинематическую вязкость – в капиллярных [7]. Отношение времени истечения 200 мл масла при температуре
испытания из стандартного вискозиметра ко времени истечения такого
же количества дистиллированной воды при температуре 20 °С называется условной вязкостью, выражаемой в градусах ВУ; температура испытания отмечается индексом, например, ВУ50, ВУt. Соотношение
между кинематической вязкостью в сСт и градусами ВУ выражается
зависимостью
при ВУ ≥ 10 принимают =7,4 ВУ.
Зависимость вязкости масла от давления начинает проявляться
при давлении более 50 МПа, что необходимо учитывать при проектировании узлов трения. Зависимость вязкости от давления выражается
следующими формулами [5]:
– формула Волоровича
– формула Гурвича
25
– формула Баруса
где – вязкость при атмосферном давлении, – пьезокоэффициент
вязкости (зависит от химического состава масла, с увеличением темпе-
ратуры увеличивается).
2 . 2 . Т е м п е р а т у р а з а с т ы в а н и я
При определенной температуре масло может потерять подвижность. Эта температура носит название температуры застывания масла.
Ее определяют при постепенном охлаждении масла в стеклянной пробирке, погружая последнюю в охлаждающую смесь. Через 5 мин после
того, как масло примет температуру смеси, пробирку наклоняют под
углом 45 ° и оставляют ее в таком положении в охлажденной смеси еще
на 1 мин. Затем пробирку вынимают и наклоняют: если при этом уровень масла не сместится, то данную температуру считают температурой застывания масла. Температура застывания зависит от углеводородного состава, объема масла, интенсивности охлаждения, времени
выдержки при низкой температуре и т. д.
Чем меньше в масле парафиновых углеводородов и ниже их молекулярная масса, тем ниже температура застывания. Отдельные масла
получают, удаляя парафиновые углеводороды при очистке, депарафинизации, в итоге получают масло с температурой застывания –35; –45;
–60 °С (трансформаторные, веретенные, приборные, холодильные
и т. д.). Для нефтяных масел, как правило, температура застывания составляет не ниже –15 °С.
Производство других масел, застывающих при (–25)–(–30) °С,
глубоким удалением парафина экономически невыгодно. Их температуру застывания понижают применением присадок – депрессоров. Механизм влияния депрессоров таков: при охлаждении из масла выделяются кристаллы парафина, образующие каркас, внутри которого находится жидкое масло. Депрессоры на поверхности кристаллов создают
защитные пленки, которые не дают образовываться каркасу. Поэтому
масло сохраняет текучесть до более низкой температуры.
26
Масла с низкой температурой застывания обладают более высокими эксплуатационными свойствами, поскольку позволяют запускать компрессорное оборудование при более низках температурах (характерно для холодильных компрессоров).
2 . 3 . Т е м п е р а т у р а в с п ы ш к и
Температура вспышки – это температура, при которой в определенных условиях появляется первая вспышка смеси паров воздуха и масла
над поверхностью жидкости при приближении пламени, но дальнейшего
горения не наблюдается. Этот показатель имеет большое значение с точки
зрения безопасности и применяется для классификации воспламеняющихся жидкостей по степени их пожароопасности. Температура вспышки
низкокипящих, легко воспламеняющихся жидкостей определяется в закрытом тигле, высококипящих – в открытом (табл. 2.1). Так как эти методы дают различные результаты, в каждом случае следует указывать вид
определения. Температура вспышки указывает на присутствие примесей
легко воспламеняющихся компонентов или загрязнений топливом и,
наряду с вязкостью, позволяет увидеть, является ли продукт узкой или широкой фракцией или представляет смесь двух фракций.
Таблица 2.1
Температуры вспышки и степень пожароопасности
(согласно указаниям для хранения невоспламеняющихся
продуктов, ФРГ) [8]
Степень
пожароопасности
Температура
вспышки
Метод
определения
Стандарт
I
ниже +21 °С
в закрытом тигле
(по Абелю–Пенскому)
DIN 51 755,
ASTM D
3828*
II
ниже +55 °С
то же
то же
III
до 100 °С
в закрытом тигле
(по Пенскому–
Мартенсу)
DIN 51 788,
ASTM D 93
Не классифицируется
выше 100 °С
в открытом тигле
(Кливленд)
DIN 51 376,
ASTM D 92
*Метод подходит для продуктов с низкой температурой вспышки, но
приборы отличаются от применяемых в DIN 51 755.
27
По международным требованиям температура вспышки для
нефтяных масел должна быть не ниже 160–220 °С. Чем выше температура вспышки, тем выше эксплуатационные свойства масла.
2 . 4 . С т а б и л ь н о с т ь п р о т и в о к и с л е н и я
Масляные фракции – очень сложная смесь различных углеводородов (парифины, нафтены, ароматические углеводороды), неодинаково взаимодействующих с кислородом. При нормальной (комнатной)
температуре окисляются только непредельные углеводороды (олефины), которых в масле практически нет. При повышении температуры
(примерно от 60 до 70 °С) в соединение с кислородом вступают наименее устойчивые углеводороды, масло темнеет, в нем образуются различные кислые и нейтральные соединения (смолистые вещества), которые находятся в масле в растворенном состоянии. Постепенно, особенно при повышенной температуре, образуются продукты более глубокого окисления: асфальтовые вещества, оксикислоты, углеродистые
продукты (карбены, карбоиды). Эти соединения в масле нерастворимы
или ограниченно растворимы, поэтому выделяются в виде осадков, лаков, нагаров.
При температуре от 150 °С и выше процессы окисления протекают очень интенсивно. Одновременно с реакциями окисления происходит термическое разрушение углеводородных масел. В результате окисления и термического распада в маслах накапливаются органические
кислоты, смолисто-асфальтовые вещества, повышается вязкость, коррозионная активность и т. д., эксплуатационные свойства ухудшаются (затрудняется холодный пуск, ухудшается прокачиваемость масла).
Среди всех условий, влияющих на протекание реакций окисления, основным является температура. Установлено, что при повышении
температуры с 50 до 150 °С скорость окисления возрастает в 1700 раз.
При температуре 125 °С для поглощения 5 мг кислорода на 1 г масла требуется 12 000 мин, при 150 °С – 170 мин, а при 300 °С – только 0,4 мин.
Способность масел противостоять реакциям взаимодействия с
кислородом воздуха при нормальной температуре называют стабильностью. Способность масел противостоять окислению при повышенной температуре называют термоокислительной стабильностью.
28
Для повышения устойчивости масел против окисления в них нередко добавляют антиокислительные присадки (ингибиторы окисления).
Механизм действия антиокислительных присадок заключается
в том, что молекулы присадки обрывают цепные реакции окисления и
тем самым оказывают тормозящее действие процесса окисления. В качестве антиокислительных присадок к турбинным и компрессорным
маслам при температурах до 90 °С применяют присадку ионол
(агидол), представляющую собой дибутилпаракрезол.
При температуре выше 60 °С скорость окисления масел увеличивается в 2 раза. Поэтому для нелегированных нефтяных масел средней и высокой вязкости длительная эксплуатация при температуре
выше 100 °С не рекомендуется. Для маловязких масел (вязкость до
30 сСт при 50 °С) температура длительной эксплуатации не должна
превышать 80 °С. Эти температуры являются предельными по соображениям стабильности масла к окислению
2 . 5 . М о ю щ ие с в о й с т в а м а с е л
Способность масла обеспечивать необходимую чистоту деталей механизмов, поддерживая продукты окисления и загрязнения во
взвешенном состоянии, называют моющими свойствами. Чем они
выше, тем меньше нагаров и лаков накапливается на деталях механизмов и тем больше может находиться в масле в устойчивом состоянии
взвешенных продуктов загрязнения, циркулирующих с маслом, не осаждаясь на нагретых деталях.
Моющие свойства масел зависят от химического состава, способов получения и очистки. Кроме этого, на чистоту деталей механизмов существенно влияет эффективность используемых присадок. В качестве моющих присадок используют сульфонаты, алкилфеноляты, алкилсалицилаты и фосфаты кальция или магния.
Моющие присадки адсорбируются на поверхности металла и не
дают налипать на него смолам. Механизм действия диспергирующих
присадок объясняют их адсорбцией на поверхности нерастворимых в
масле частиц. В результате на каждой частице образуется оболочка из
обращенных в объем масла углеводородных радикалов. Они препятствуют коагуляции частиц загрязнений, их соприкосновению друг с
29
другом. Полярные молекулы присадок образуют двойной электрический слой, придающий одноименные заряды частицам, на которых они
адсорбировались. Благодаря этому частицы отталкиваются и вероятность их объединения в крупные агрегаты уменьшается.
Моюще-диспергирующие присадки нередко вводят в масло в
значительном количестве – до 10 %, до 15 % массы – только в дизельные масла для форсированных двигателей. При правильном выборе
типа присадки и ее концентрации обеспечивается необходимая чистота
деталей механизмов, увеличивается межремонтный период.
Моюще-диспергирующие присадки (как правило, металлоорганические соединения) больше других изменяют физико-химические
свойства масел (зольность, коксуемость), что может вызвать увеличение интенсивности изнашивания. Поэтому концентрация вводимых моющих присадок должна соответствовать уровню формирования и условиям эксплуатации компрессорных машин и механизмов [7].
Для оценки моющего действия, а также для получения наиболее
полного представления об уровне моющих свойств масел используются различные методы. Из них самым распространенным являются
методы определения моющего потенциала и моющих свойств по ГОСТ
5726-2013.
2 . 6 . П р о т и в о и з н о с н ы е с в о й с т в а м а с е л
Противоизносные свойства – это способность масел уменьшать
интенсивность изнашивания при номинальных нагрузках трущихся поверхностей, повышая долговечность работы механизма. Эти свойства
зависят от физико-химических показателей качества масел, количества
и эффективности введенных в масло присадок, условий эксплуатации
компрессорных машин и механизмов. Режимы трения определяются
условиями, в которых работают трущиеся поверхности (температура,
скорость, нагрузка, агрессивность окружающей среды, качество применяемого смазочного материала, технология изготовления и др.).
Если детали имеют нужную геометрию, хорошо обработаны,
работают при высоких окружных скоростях и сравнительно небольших
нагрузках, то обеспечивается жидкостное трение. Для обеспечения минимальной интенсивности изнашивания необходим правильный выбор
30
масла по вязкости. Длительное время считалось, что для уменьшения
интенсивности изнашивания необходимо применять масла высокой
вязкости, так как они образуют прочный слой, выдерживающий значительные по величине нагрузки и скорости. Исследованиями доказано,
что наибольший износ приходится на период пуска и прогрева механизма. Вязкость высоковязких масел при низкой температуре повышается, и масла не поступают к трущимся поверхностям. Трущиеся детали
работают длительное время в режиме масляного голодания. При этом
возрастает интенсивность изнашивания сборочных единиц, увеличиваются затраты энергии на преодоление внутреннего трения. Использование менее вязких масел облегчает условия пуска и прогрева, режим
жидкостного трения наступает быстрее.
Абразивные частицы в маслах вызывают абразивный износ трущихся поверхностей вкладышей подшипников, например, вращающегося вала компрессора (рис. 2.3). Эти явления наряду с увеличением динамических нагрузок на подшипники из-за повышения зазоров в сопряжении вследствие их изнашивания приводят к интенсификации процесса усталостного разрушения антифрикционного слоя вкладышей и
способствует возможному их провороту.
Рис. 2.3. Схема физики износных процессов при работе опорного
подшипника скольжения компрессора
В тех случаях, когда не обеспечивается режим жидкостного трения, возможна высокая интенсивность изнашивания, а также схватывание и разрушение трущихся поверхностей, тогда используют масла
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]