В'язкісно-температурні властивості олив
В'язкісно-температурні властивостіолив характеризуються в'язкістю, індексом в'язкості (IB) та температурою застигання.
В'язкість оливи, як і в'язкість палива, найчастіше визначають і нормують в одиницях кінематичної в'язкості. З в'язкістю оливи дуже пов'язані ЇЇ низькотемпературні властивості. У нафтових оливах, як і в дизельному паливі, є найбільша кількість високо-плавких твердих вуглеводнів – парафіну та церезину, які при мінусових температурах починають виділятись у вигляді кристалів, що мають вигляд голок або пластин. Кристали переплітаються між собою й утворюють своєрідний каркас, заповнений рідкою оливою. При цьому її в'язкість різко зростає, олива втрачає рухливість і застигає.
Тому, коли підбирають оливу для двигуна або механізму, перш за всезвертають увагу на її в'язкість, від якої залежать:
• витрата потужності на тертя;
• інтенсивність зношування тертьових деталей;
• витрати палива й оливи;
• ущільнення поршневих кілець у циліндрах і, як наслідок, легкість пуску двигуна при низьких температурах та його потужність.
Із підвищенням в'язкості оливи рідинне мащення стає більш стійким, але водночас зростає опір переміщенню деталей, що труться. Чим більша в'язкість оливи, тим більший цей опір.
В'язкість оливи впливає також на:
• її прокачування по трубопроводах і каналах системи мащення (чим нижча в'язкість, тим краще прокачування);
• охолодження тертьових деталей (чим нижча в'язкість, тим кращі циркуляція оливи і відведення теплоти);
• очищення оливи у фільтрах (малов'язка олива легше фільтрується);
• вилучення забруднюючих продуктів з деталей, що змазуються (чим нижча в'язкість, тим краще вилучаються продукти забруднення);
• ущільнення робочих зазорів (олива підвищеної в'язкості краще ущільнює зазори);
• втрати оливи через ущільнення системи мащення (чим вища в'язкість, тим менші втрати).
При нормальній роботі двигуна і використанні загальних (незагу-щених) олив у зв'язку з накопиченням продуктів окиснення та полімеризації оливи і потраплянням у неї продуктів зношування деталей двигуна в'язкість оливи збільшується. При цьому подача оливи до тертьових пар і працездатність системи фільтрації оливи знижуються, а пускові властивості дизеля погіршуються. З іншого боку, через неповне згоряння або внаслідок витікання із системи живлення в оливу працюючого двигуна може потрапляти паливо. Це зменшує її в'язкість, погіршує мащення тертьових з'єднань. Про ступінь розрідження олив паливом і наявність в оливі більш легких паливних фракцій можна судити за температурою спалаху оливи. Зменшення температури спалаху взятої проби оливи (нижче 150 °С) вказує на присутність у ній палива.
В'язкість оливи залежить також від тиску у вузлах тертя та її температури. Якщо тиск у цих вузлах відносно невеликий, то ним можна знехтувати. Проте в сучасних двигунах тиск у деяких тертьвих вузлах досягає 25...30, а іноді й 80 МПа. В цих випадках при конструюванні двигуна слід урахувати вплив тиску на в'язкість оливи.
Для визначення кінематичної в'язкості оливи може також бути використана формула Гуревича.
В 'язкість оливи залежно від температури змінюється в дуже широких межах. За багато років вивчення цієї залежності запропоновано кілька способів побудови в'язкісно-температурних характеристик і формул, що виражають цю залежність. Однак тільки деякі з них дають задовільний збіг результатів розрахунку з даними, одержаними за допомогою віскозіметра.
Для визначення залежності кінематичної в'язкості оливи від температури використовують рівняння Вальтера та російського хіммо-толога Рамайя.
Після його подвійного логарифмування воно набуває вигляду, зручного для побудови спеціальної координатної сітки, в якій в'яз-кісно-температурні характеристики оливи додаються.
На основі формул Вальтера та Рамайя побудовано і надруковано спеціальні координатні сітки, на яких можна швидко побудувати в'язкісно-температурні характеристики різних моторних олив. У діапазоні температур 50...100 °С ці характеристики найлегше будувати в координатах t і v (рис. 5.2).
Якщо нас цікавить температурний діапазон 0...100 °С, то можна скористатися сіткою Вальтера (рис. 5.3).
Для ширшого діапазону температур, наприклад від 1 до 100 °С, можна застосовувати сітку координат Рамайя (рис. 5.4).
Знаючи в'язкість оливи при двох будь-яких температурах, можна визначити її в'язкість при будь-якій температурі за номограмою, побудованою в координатах Рамайя (рис. 5.5).
Залежність в'язкості оливи від температури і тиску в реальних умовах її роботи у підшипниках (у певному діапазоні температур) указує на несприятливі впливи на працездатність цього вузла. При збільшенні навантаження на підшипник зростають тиск в оливному шарі та його в'язкість. У свою чергу, підвищення в'язкості оливи призводить до збільшення гідродинамічних втрат, тепловиділення, підвищення температури та до зменшення в'язкості оливи.
Таким чином, здійснюється автоматичне регулювання в'язкості оливи й носійної здатності підшипника. У цьому разі одночасно важливими є чутливість в'язкості до зміни температури та тиску і дуже важливо збалансувати ці чинники або цілеспрямовано керувати їх співвідношенням.
Для структурної в 'язкості характерною є її залежність не тільки від тиску та температури, а й від градієнта швидкості зсуву. Чим більший цей градієнт, тим менша ефективність в'язкості. Під час роботи оливи у підшипниках або циліндро-поршневій групі градієнти швидкості зсуву досягають кількох тисяч одиниць градієнта, що помітно підвищує ефективну в'язкість оливи при низьких температурах і зменшує опір рухові механізмів.
Залежність в'язкості оливи від температури ускладнює її правильний вибір. Якщо при температурі 100...150 °С в'язкість має бути достатньою для здійснення гідродинамічного тертя у підшипниках та створення надійної захисної плівки в циліндро-поршневій групі, а також газорозподільному механізмі, то при низьких температурах в'язкість оливи не повинна бути високою, щоб не ускладнити провертання колінчастого вала двигуна стартером. Тому при виготовленні моторних олив слід будь-якими доступними й ефективними способами зменшити залежність в'язкості оливи від температури.
Одним із них є спосіб відокремлення з олив парафінів і загущення олив. Однак повне відокремлення парафіну з оливи – справа технічно складна й економічно невигідна. Простішим способом поліпшення властивостей олив при низьких температурах є введення в них депресорних присадок, дія яких зводиться до попередження утворень кристалічних ґраток. Ці присадки додають до олив у кількості 0,1... 1,0 %, що дає змогу зменшити температуру застигання олив на 10...20 °С і більше.
Температура застигання є дуже важливим показником низькотемпературних властивостей олив, але в дійсності вона менш надійна, ніж показник їхньої в'язкості при низьких температурах. За температури застигання неможливо встановити, при якій температурі олива ще буде прокачуватися і можливий пуск двигуна. Температура, за якої рухливість оливи достатня для пуску холодного двигуна, завжди вища від температури її застигання на 10 °С.
Робота взаємодіючих поверхонь БДМ ускладнюється тим, що вузли тертя сучасних БДМ працюють при знакоперемінних циклічних навантаженнях і забезпечити гідродинамічне мащення, як правило, не вдається. Найчастіше тертьові поверхні працюють при граничному мащенні, коли в'язкість оливи ще не забезпечує мастильні властивості. Тому додатково до в'язкості введено нові поняття: крутість в'язкісно-температурної кривої, температурний коефіцієнт в'язкості (ТКВ) й IB оливи.
Крутість в'язкісно-температурної кривої може бути оцінена одним із трьох параметрів: відношенням кінематичних в'язкостей v50/vl00; ТКВ та IB оливи.
Відношення кінематичних в'язкостей v50/v100 – найпростіший та надійний параметр, але застосовується він у відносно вузькому діапазоні температур прогрітої оливи і не дає змоги оцінити її в області низьких температур, які суттєво впливають на пускові характеристики двигуна. Для літніх олив v50 /v100 < 6, а для зимових – v50 /v100 < 4.
Температурний коефіцієнт в'язкості застосовується для оцінювання крутості в'язкісно-температурної кривої оливи в діапазоні температур 0...100 °С:
Для літніх олив ТКВ0…40 < 35...40, для всезонних ТКВ < 25, а для зимових ТКВ < 22.
Запропонований у США у 1929 p. IB застосовується для оцінювання схильності оливи до зміни її в'язкісних властивостей. При зміні температури цей параметр дає можливість оцінити в'язкісно-температурні властивості певного сорту оливи порівняно з двома еталонними оливами (рис.5.6).
Один із цих еталонів характеризується крутою в'язкісно-температурною кривою, а інший – похилою. Еталонній оливі із крутою кривою присвоєно IB, що дорівнює нулю, а оливі з пологою кривою – 100.
Практично IB оливи визначають, користуючись ГОСТ 25371–97, за допомогою кінематичної в'язкості двох олив при температурі t = 40 °С, IB яких дорівнюють 0 і 100:
На рис.5.7 зображено номограму, за якою, знаючи кінематичну в'язкість оливи за температур 50 і 100 °С, можна визначити її IB.
Чим плавніше змінюється крива в'язкості залежно від температури, тим кращі в'язкісно-температурні властивості оливи. Оливи з IB = 80...90 вважають добрими, а з IB > 100 – відмінними.
Індекс в'язкості прийнятий сьогодні як головний показник в'яз-кісно-температурних властивостей олив, але й він не відображує повною мірою всю в'язкісно-температурну характеристику олив, особливо в області мінусових температур.
Нафтанові оливи мають, як правило, невисокий IB. Для усунення цього недоліку використовують в'язкісні присадки.
Оливи з в'язкісними присадками дістали назву згущених. Для їх виготовлення за основу беруть оливу з в'язкістю при 100 °С близько 2...6 мм2/с, що зберігає свої властивості при температурі -30...-35 °С і вводять у неї 2...5 % в'язкісної присадки. При цьому в'язкість одержаної суміші за температури 100 °С збільшується до потрібного значення.
Значення в'язкості моторних олив при мінусових температурах під час пуску холодного двигуна не повинні перевищувати значень, установлених розрахунками та експлуатаційними випробуваннями машин.
Для визначення температури, при якій ще можливий пуск двигуна без підігрівання, можна користуватися номограмою, показаною на рис.5.8. Так, холодний двигун ЗИЛ-130, заправлений оливою М-10Б1 (лінія 2), можна пустити в хід при температурі 15 °С, а такий самий двигун, заправлений оливою М-6з/ЮБ, (лінія 3) – при температурі -23 °С.
Згущені оливи мають малу схильність до утворення нагарів у двигунах і забезпечують найменші витрати потужності двигуна на тертя, що сприяє збереженню палива та зменшенню інтенсивності зношування його деталей.