Файл: Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие.pdf

жением температуры вязкость увеличивается, а с повыше­ нием — уменьшается; интенсивность изменения различная. Уровень вязкости при данной температуре и интен­ сивность ее изменения зависят от углеводородного состава масел. Если сравнить углеводороды с одинаковым числом углеродных атомов, то наименьшее абсолютное значение вязкости и меньшее ее изменение имеют парафиновые угле­ водороды. Высокое значение вязкости и резкое ее увели­ чение при понижении температуры, особенно при отрица­ тельных, имеют ароматики. Нафтеновые углеводороды, особенно с длинными парафиновыми цепями, имеют дос­ таточно высокую вязкость при рабочих (повышенных) температурах и более плавное постепенное возрастание вязкости при понижении температуры. Обычно с повыше­ нием числа циклов в молекуле увеличивается вязкость и ухудшаются вязкостно-температурные свойства. Осо­ бенно плохие вязкостные свойства у масел, имеющих в своем составе много полициклических углеводородов с короткими боковыми цепями.

Углеводородный состав масел чрезвычайно сложен и разнообразен, поэтому трудно рассчитать или предугадать поведение масла при изменении температуры. В ГОСТах на моторные и некоторые другие масла введено понятие индекса вязкости, который характеризует протекание вяз­ костно-температурной кривой (ВТК). Чем выше индекс вязкости, тем более пологая кривая изменения вязкости в зависимости от температуры, тем выше качество масла. При высоких рабочих температурах обеспечивается на­ дежная смазка, а при низких — лучшие пусковые свой­ ства.

Индексом вязкости (ИВ) называется относительная ве­ личина, которая показывает степень изменения вязкости в зависимости от температуры по сравнению с эталонными маслами. Для определения ИВ нужно иметь две серии эталонных масел. Масла первой серии незначительно из­ меняют вязкость в зависимости от температуры, их ИВ ус­ ловно принят за 100 единиц. Для .масел второй серии характерны очень крутые кривые изменения вязкости, их ИВ принят за 0. Сравнивая температурные изменения вязкости испытуемого масла и эталонных, по соответст­ вующим формулам вычисляют ИВ.

Поскольку по формулам сложно подсчитывать ИВ, ча­ ще его определяют по номограмме (рис. 45). Для поль­ зования номограммой нужно знать значения кинемати-

210

Вязкость при 100° с Cm

Рис. 45. Номограмма для вычисления индекса вязкости.

ческой вязкости при 50 и 100° и отложить их: при 50° по вертикали, а при 100° по горизонтали. Из найденных точек восстановить перпендикуляры до их взаимного пересе­ чения. Индекс вязкости показывает наклонная прямая, проходящая через точку пересечения перпендикуляров или ближе всего расположенная к ней.

Индекс вязкости также можно определить по табли­ цам, которые приводятся в технических требованиях на нефтепродукты ] 14 [. В таблицах по вертикали дано зна­ чение кинематической вязкости при 50°, а по горизонтали— при 100°, в сСт, на пересечении этих значений для испы­ туемого масла и находят его индекс вязкости. Для полной оценки вязкостных свойств масел обычно строят вязкост­ но-температурную кривую (ВТК) в интервале температур от 0 до 100°. При температурах выше 100° вязкость меняет­ ся незначительно, а при отрицательных температурах — сильно, причем может наблюдаться аномалия вязкости, так как нефтяные масла не истинные растворы, что пару-

211

шает характер ВТК при отрицательных температурах. При оценке пусковых свойств масел часто пользуются понятием предельной вязкости — это то максимальное значение вязкости, при котором возможен пуск холодного двигателя. При температурах пуска масло должно обла­ дать подвижностью, чтобы в более короткий отрезок вре­ мени оно могло поступить ко всем трущимся поверхнос­ тям.

Конструктивные особенности двигателя: частота вра­ щения коленчатого вала при пуске, развиваемая старте­ ром или другим пусковым устройством, мощность — ока­ зывают существенное влияние на величину предельной вязкости. Вероятно, поэтому в литературных источниках можно встретить разные значения предельной вязкости, но чаще эти цифры около 9000—10 000 сСт.

При увеличении давления (особенно более 100—200 кгс/см2) наблюдается возрастание вязкости. По данным [15] при 100 кгс/см2 вязкость увеличивается на 35—40%, а при 600 кгс/см2 — на 250—350% от значения вязкости при нормальном давлении.

Наиболее высокие давления наблюдаются в различных зубчатых передачах. В гипоидных передачах автомобилей, например, давление доходит до 40 000 кгс/см2. При под­ боре масел для узлов трения, работающих при высоких давлениях, нужно учитывать возрастание вязкости с из­ менением давления. Г. А. Морозов рекомендует следую­

а— постоянный коэффициент, для нефтяных масел равен 1,002—1,004.

При оценке пусковых качеств масел, кроме вязкостных свойств, нужно учитывать температуру застывания (по­ тери подвижности) масел. Температурой застывания на­ зывается та температура, при которой испытуемое масло в условиях опыта застывает настолько, что при наклоне пробирки с продуктом под углом 45° уровень масла остает­ ся неподвижным в течение одной минуты. Многие фак­ торы оказывают влияние на температуру застывания ма­ сел. Так, она может изменяться в зависимости от объема масла, интенсивности охлаждения, времени нахождения продукта в холодной среде и т. д.

212

Температура застывания зависит от химического сос­ тава масел. Чем больше в маслах парафиновых углеводо­ родов и чем больше углеродных атомов содержат эти уг­ леводороды, тем выше температура застывания. Следова­ тельно, такие масла можно использовать в теплое время года или в установках и двигателях, работающих в отап­ ливаемых помещениях. Современные масла для смазки контрольно-измерительной аппаратуры и приборов, масла для холодильных машин, трансформаторные и другие имеют низкие температуры застывания (—70—80°). Зим­ ние сорта масел для двигателей внутреннего сгорания

имеют температуры застывания —25—35°, а летние —

10-15°.

§ 3. Определение кинематической вязкости масел

Кинематическая вязкость масел, как и дизельных топ­ лив, определяется в капиллярных вискозиметрах, опи­ сание которых дано в главе IV (§ 2).

Определение вязкости масел удобнее проводить в вис­ козиметрах типа ВПЖ-2 или Пинкевича (рис. 29, б и в).

Вязкость моторных масел обычно определяют при двух температурах: 100 и 50° (в марке масла указывается кине­ матическая вязкость при 100°, а для определения индекса вязкости нужно знать также и вязкость при 50°). Для более полной оценки вязкостных свойств и возможно­ сти построения ВТК желательно определить вязкость и при 0°.

Точное определение кинематической вязкости для раз­ личных исследований, контрольных проверок и т. п. нуж­ но выполнять в полном соответствии с требованиями ГОСТ 33—66 [6]; ниже дается краткое руководство для выполне­ ния лабораторной работы.

Диаметр капилляра вискозиметра должен быть таким, чтобы время истечения масла было не менее 200 с. При определении вязкости при 0° нужны вискозиметры с диа­ метром капилляра 2,0—3,0 мм, при 50° — 1,2—1,4 мм, а при 100° — 0,8—1,0 мм. Следовательно, при определении вязкости одного масла приходится пользоваться несколь­ кими вискозиметрами, имеющими разные постоянные с. Вискозиметры предварительно следует тщательно промыть растворителем и высушить. В качестве растворителей мож­ но использовать петролейный эфир, бензин, ацетон, бен­ зол, спирт этиловый, хромовую смесь.

213

Масло, подлежащее испытанию, не должно содержать воды и механических примесей. Если в масле имеется вода, его осушают крупнокристаллической поваренной солыо или другими реагентами. Для удаления механи­ ческих примесей масло фильтруют.

Испытуемое масло в количестве 40—50 мл (на глаз) наливают в химический стаканчик и нагревают па закры­ той электроплитке до 40—50°. Вискозиметры наполняют подогретым маслом, каждый в объеме двух шариков.

Заполненный вискозиметр устанавливают в ванну-тер­ мостат в строго вертикальном положении, так чтобы шаро­ вые емкости были погружены в жидкость. При заданной температуре вискозиметр выдерживают 15 мин, строго следя за тем, чтобы температура жидкости в термостате была постоянной (отклонения от заданной не должны пре­ вышать ±0,5°).

Жидкостью в термостате при определении вязкости при 0° служит вода с талым снегом, при 50° — дистиллиро­ ванная вода, а при 100° — глицерин или маловязкое свет­ лое масло (вазелиновое, трансформаторное). Воду при 100° брать нельзя, так как при данной температуре она кипит и сильно испаряется.

После 15-мшгутиой выдержки в термостате ори задан­ ной температуре приступают к определению времени исте­ чения масла через капилляр. Для этого в узкое колено вискозиметра с помощью резиновой трубки засасывают масло примерно до г/3 высоты верхнего шарика. Сооб­ щают колено с атмосферой. Когда уровень масла будет между двумя шаровыми емкостями (риска 1), включают секундомер, а когда уровень опустится до нижней метки на капилляре (риска 2), выключают. Время опускания мениска жидкости т переводят в секунды.

Желательно провести 3—4 измерения времени истечения жидкости, но ни в коем случае нельзя ограничиться толь­ ко одним измерением. В крайнем случае берут среднее арифметическое из двух параллельных определений. До­ пускаемое расхождение времени истечения масла состав­ ляет 1,5%.

Кинематическую вязкость v в сСт подсчитывают по

214

с— постоянная вискозиметра, сСт/с;

т— среднее арифметическое времени истечения масла в вискозиметре, с;

g — ускорение силы тяжести, см/с2;

980,7 — нормальное ускорение силы тяжести, см/с2;

к— коэффициент, учитывающий изменение гид­ ростатического напора жидкости в резуль­ тате расширения ее при нагревании.

Для вискозиметров типа ВПЖ-2 и Пинкевича коэффи­ циент к = 1+0,000040 At, где At — разность между темпе­ ратурой масла при заполнении вискозиметра и температу­ рой при определении вязкости.

Отношение силы тяжести к нормальной очень близко к 1, поэтому его можно не учитывать.

§ 4. Окисляемость масел

Все масла под действием высокой температуры, осо­ бенно в присутствии кислорода, ухудшают свои первона­ чальные свойства. Интенсивность и глубина этих измене­ ний зависят от химического состава масла и тех условий, которые на него действуют (температура, концентрация кислорода, время, каталитическое действие металлов и

ДР-)-

Основные изменения масел наблюдаются в результа­ те их окисления. Процессы окисления могут протекать и при обычных (неповышенных) температурах, если в нефтепродуктах содержатся непредельные углеводороды. В маслах, как правило, таких углеводородов нет, поэтому они в течение длительного периода хранения почти не окисляются.

Картина резко меняется при повышении температуры. Примерно с 50—60° кислород воздуха начинает вступать в реакцию с отдельными компонентами масла. При темпе­ ратурах от 150° и выше процессы окисления протекают очень интенсивно, причем даже при небольшом повышении температуры скорость и глубина окисления резко возрас­

тают.

Способность масла противостоять реакциям взаимо­ действия с кислородом при нормальных температурах на­ зывается стабильностью, а способность противостоять взаимодействию с кислородом при повышенных темпера­ турах — термоокислительной стабильностью (устойчи­ вость к окислению).

215

Под действием очень высоких температур (от 300—350° и выше) одновременно с процессами окисления протекают реакции термического разрушения углеводородов масла.

В результате окисления и термического разрушения масла в нем повышается содержание органических кислот и смол, образуется ряд новых соединений, которых не было раньше. По внешнему виду окисленное масло приоб­ ретает более темный цвет (иногда черный), увеличивается его вязкость, в масле накапливаются различные угле­ родистые осадки. В двигателях внутреннего сгорания и других механизмах, работающих при высоких темпера­ турах, имеются разные условия окисления масла. На большинстве горячих деталей процессы окисления масла происходят в тонком слое (цилиндры, поршни, поршневые кольца и др.). В маслопроводах, картере двигателя, мас­ ляном радиаторе окисление происходит в объеме, а в неко­ торых узлах (внутренние части поршней, поршневые паль­ цы, различные воздушные пространства) масло окисляет­ ся в тонкораспыленном (туманообразном) состоянии. В зависимости от условий качественно и количественно различаются продукты окисления.

Из масел, широко распространенных в народном хо­ зяйстве, наибольшей устойчивостью к окислению должны обладать моторные масла. Причем чем выше степень сжа­ тия горючей смеси, скорость движения поршня и эффек­ тивное давление в двигателе, тем более жесткие требова­ ния предъявляются к качеству масла. Современные, а тем более перспективные двигатели с наддувом и высокой частотой вращения имеют высокую тепловую напряжен­ ность деталей. Такие двигатели могут работать только на маслах с хорошими моющими свойствами, высокой тер­ моокислительной стабильностью и коррозийной устойчи­ востью.

Термоокислительная стабильность зависит от химичес­ кого строения углеводородов, входящих в состав масла. Поэтому при выработке того или иного сорта масла под­ бирают соответствующее сырье, технологию его перера­ ботки и очистки. Для улучшения эксплуатационных свойств ко всем моторным маслам добавляют присадки.

Изучением процессов окисления минеральных масел занимались многие видные советские ученые (особенно много сделано профессорами Н. И. Черножуковым и С. Э. Крейн). Ими было установлено, что присоединение кис­ лорода к углеводородной молекуле происходит по С—Н

216