Вязкость минеральных масел Вязкость минеральных масел и их применение

Минеральные масла применяются главным образом в качестве смазочных материалов, значительно меньшее количество их используется в качестве тормозных и гидравлических жидкостей, жидких диэлектриков и для других целей. Техническое значение вязкости минеральных масел прежде всего определяется влиянием этого свойства на трение и износ смазанных деталей. Его можно подразделить на влияние вязкости непосредственно на трение, на сохранение сплошного смазочного слоя, разделяющего трущиеся поверхности, и на поступление масла к гнездам трения. При транспортировании минеральных масел их вязкость представляет интерес с точки зрения производительности слива, налива и перекачки.

Различают три основных режима смазки: полная жидкостная смазка, граничная смазка и промежуточная между ними—полужидкостная. В условиях первого режима сухое трение заменено значительно меньшим по величине жидкостным трением. Вязкость смазочного масла препятствует выдавливанию смазочного слоя, разделяющего трущиеся поверхности, и предотвращает переход жидкостного трения в сухое или полусухое. При граничной смазке трущиеся поверхности разделены весьма тонким слоем смазочного вещества. В первом случае эффект смазки зависит главным образом от объемных свойств смазочного вещества, во втором — от молекулярно-поверхностных свойств на границе раздела слоя масло—металл.

Теоретические основы учения о полной жидкостной смазке были даны Н. П. Петровым и развиты им, Н. Е. Жуковским, С. А. Чаплыгиным, О. Рейнольдсом и др. в стройную гидродинамическую теорию смазки. Она приводит к следующей зависимости коэфициента трения от вязкости:

где / — коэфициент трения; v — относительная скорость сдвига поверхностей; h — расстояние между ними.

Зависимость / от щ, выраженная уравнением (VI, 1), нашла экспериментальное подтверждение в классической работе Н. П. Петрова и в последующих специальных измерениях. В частности, К. С. Рамайя обнаружил, что динамический коэфициент трения поверхностей, смазанных автолами и брайт-стоком, пропорционален вязкости этих масел (фиг. 69). Типичный вид зависимости коэфициента трения от температуры масел, а следовательно, и от их вязкости представлен на фиг. 70 . Вначале, при падении вязкости, коэфициент трения снижается, затем он остается постоянным и, наконец, у масла без присадки (кривая 7) скачкообразно растет. На первом участке имеет место жидкостный режим смазки, на втором—граничный, но соприкосновения между металлическими поверхностями не происходит, на что указывает низкий коэфициент трения. Резкое повышение коэфициента трения на третьем участке кривой регистрирует прорыв масляной пленки и переход к полусухому трению. Интересно, что присадка расширяет область жидкостной и граничной смазки в сторону более низких вязкостей.

Рад фактов свидетельствует о том, что в условиях жидкостной смазки вязкость масел является не единственным фактором, определяющим трение. Растительные масла и животные жиры в большинстве случаев обеспечивают более низкое трение, чем равновязкие с ними минеральные масла. Олеиновая и хлорстеариновая кислоты и аналогичные присадки к минеральным маслам снижают коэфициент трения и расширяют область жидкостной смазки, практически не влияя на вязкость.

Свойство, обусловливающее разницу в трении, большую, чем разница, связанная с вязкостью масел, получило название маслянистости. Она играет основную роль в граничном режиме смазки. Б. В. Дерягин А. С. Ахматов , М. М. Кусаков и другие считают, что маслянистость является следствием упругости, повышенной вязкости и других особенностей механических свойств жидкости в поверхностном слое на границе с твердым телом.

Гидродинамическая теория смазки и установленная ею зависимость трения от вязкости смазочного масла имеют большое значение для расчета и конструирования подшипников и различных смазочных систем и приспособлений, а также для вычисления расхода масла (подробнее см. ). В самое последнее время на ее основе А. К. Дьячков развил новую теорию несущей способности подшипников, Д. С. Коднир дал новое уравнение для расчета грузоподъемности и коэфициентов трения нагруженных подшипников и М. Г. Ханович разработал метод составления масляного баланса подшипника.

Применение формулы (VI, 1) непосредственно к реальным механизмам встречает некоторые трудности. Режим смазки двигателей, станков и других агрегатов может меняться в зависимости от колебания скорости. Даже в условиях полной жидкостной смазки на трение влияют побочные факторы, которые могут изменить ее зависимость от вязкости.

где г, т и п —-постоянные, различающиеся по величине для различных подшипников и режимов их работы, к —константа, учитывающая величину зазора и другие конструктивные факторы. Эмпирическое уравнение (VI, 2) отличается от теоретической зависимости (VI, 1) величиной показателей степени переменных. Величина этих показателей колеблется в пределах 0,3—1,0. В последнем случае уравнение (VI, 2) переходит в уравнение (VI, 1).

где В для исследованных масел с вязкостью Еюо = 1,3 — 3,5 близко к единице; а для Fs равно 0,5, а для Fd равно 0,45.

Изучая трение пары вал—подшипник, М. П. Воларович и О. В. Лазовская обнаружили, что в области положительных температур от нуля до 20° статический момент сил трения у маловязких масел больше, чем у вязких; при низких температурах зависимость оказалась обратной. Авторы объясняют полученные результаты тем, что при положительных температурах маловязкие масла полностью выдавливаются из нагруженной части подшипника и наступает сухое трение. При отрицательных температурах вязкость этих масел оказывается достаточной для того, чтобы смазка сохранилась между трущимися поверхностями; вязкие же масла в этих условиях оказывают более значительное сопротивление сдвигу, чем маловязкие.

Значительная часть работ о влиянии вязкости масел на работу целого механизма посвящена сопротивлению запуска двигателей внутреннего сгорания на холоду.

где Ягюах—максимальное давление трения при пуске, необходимое для получения 200 обjмин; Е — вязкость масла в градусах Энглера.

К. С. Рамайя нашел, что соотношение между моментом трения при запуске двигателей на холоду и вязкостью масла описывается уравнением

где Мт —момент трения; В, DuK — постоянные.

где Мт— суммарный момент сопротивления проворачиванию (крутящий момент); со —скорость вращения вала; Л, В, а и Ь — постоянные.

Отчетливая зависимость момента сопротивления провертыванию двигателя ГАЗ-54 от вязкости масла получена Н. Г. Пучковым и С. Э. Рубинштейн (фиг. 71). Интересно отметить, что точки для масел, довольно сильно различающихся по своему составу, легли на одну кривую.

В противоположность этим работам С. Э. Крейн и Р. А. Лип-штейн считают, что крутящий момент не связан с вязкостью масла. Они основывают свою точку зрения на данных, представленных на фиг. 72. Следует, однако, отметить, что эти данные получены с маслом, разжиженным бензином и керосином или загущенным паратоном. Еще раньше В. Г. Карпенко констатировал увеличение сопротивления провертывания коленчатого вала двигателя с увеличением концентрации топлива в равно-вязких смесях масла с бензином или дизельным топливом. Он нашел, что уравнение (VI, 5) применимо, если показатели степеней считать переменными.

Характерно, что для каждого масла или смеси масла с топливом С. Э. Крейн, Р. А.Лип-штейн и В. Г. Карпенко получили кривые крутящий момент — вязкость масла, близкие к аналогичным кривым Н. Г. Пучкова и С. Э. Рубинштейн и других авторов. Это дает основание полагать, что разжижение масла топливом влияет не только на вязкость, но и на маслянистость. Прямые опыты показывают, что добавление керосина к маслу повышает коэфициент трения равновязких смесей и отодвигает область полной жидкостной смазки в сторону более высоких значений.

Паратон не является индиферентной добавкой в отношении смазочной способности масел. Н. Г. Пучков и В. А. Листов показали, что максимальное значение удельного сопротивления масляной пленки разрыву в машине Тимкен растет с увеличением молекулярного веса полиизобутиленов, составляющих основной компонент этой присадки. Таким образом, можно думать, что данные, полученные со смесями масел с топливом, не опровергают вывода о зависимости крутящего момента при запуске двигателя от вязкости масла, но ограничивают его применение маслами, не сильно различающимися по своей маслянистости.

Влияние вязкости на поступление масел к трущимся поверхностям по маслопроводам машин изучалось главным образом в связи с холодным запуском двигателей внутреннего сгорания.

С. Л. Пейсаходина, Р. Н. Шнеерова и Т. С. Тарманян нашли некоторое, правда, не очень строгое, соответствие между вязкостью, измеренной по методу Пинкевича, и температурным пределом прокачиваемости в маслопроводящей системе авиационного двигателя. Прокачиваемость прекращалась при вязкости, равной 350—460 пуаз. В. К. Лимарь и В. Т. Сидоров также обнаружили, что при больших расходах наблюдается соответствие между этими величинами. В работе В. В. Соколова, проведенной на установке, моделирующей маслопроводящую систему танкового дизеля, показано, что расход в нагнетающей системе шестеренчатого насоса обратно пропорционален вязкости.

Исследование сопротивления прокручиванию вала и прокачиваемости масел на холоду привели к установлению предельной вязкости, при которой возможен запуск двигателя. Этот предел зависит в значительной степени от конструкции двигателя. По данным некоторых авторов, предельная вязкость близка к 100 пуазам, по другим данным она может достигать 200—250 пуаз и даже больше.

Вязкость масел является одним из основных факторов сопротивления разрыву масляной смазочной пленки. С увеличением вязкости растет несущая способность масляной пленки, а следовательно, возрастают удельные нагрузки, вызывающие заедание трущихся поверхностей. Недостаточная вязкость масла может привести к порче трущихся поверхностей и даже к разрушению самих деталей.

Однако отсюда еще не следует, что повышение вязкости непосредственно обеспечивает снижение износа смазанных деталей. Износ металлов при эксплуатации машин —сложное явление. Он складывается из износа при трении, абразивного и коррозионного износа. Понятно, что вязкость масел не одинаково влияет на все виды износа.

При полной жидкостной смазке износа нет. Он возникает только вследствие прорыва масляной пленки при высоких нагрузках или в период запуска, когда имеет место полусухое трение. Чтобы снизить износ и устранить задиры трущихся поверхностей, работающих при высоких нагрузках (подшипники прокатных станов, детали форсированных авиационных двигателей и т. д.), подбирают высоковязкие масла. Исследования П. А. Ребиндера и Н. Н. Петровой показали, что критическое давление, при котором наступает резкое повышение трения, зависит не столько от прочности масляного слоя, сколько от твердости самого металла. Эти же опыты установили, что смазочное масло, проникая в микропоры металла, ведет к его обмягчению, т. е. к облегчению поверхностного диспергирования. Рассматривая механизм антиизносного действия присадок, К. С. Рамайя считает одной из основных причин их действия отмеченное обмягчение трущейся поверхности и ее полировку, увеличивающую площади истинного контакта, что в свою очередь приводит к падению удельного давления.

Биик, Гивенс и Смит показали, что наиболее значительно износ снижается при одновременном добавлении к маслу полирующих добавок и так называемых расклинивающих присадок , т. е. добавок, увеличивающих толщину масляного слоя. Таким образом, в случае трения поверхностей, смазанных маслом, содержащим соответствующие добавки, вязкость является только одним из факторов, снижающих износ, в то время как молеку-лярно-поверхностные явления составляют второй фактор, значение которого может быть очень велико.

Роль вязкости масла в коррозионном износе еще недостаточно выяснена. Вильяме считает это свойство основным фактором защитной (антикоррозийной) способности автомобильных масел. Это положение недостаточно доказано, но если с ним еще можно согласиться при применении к минеральным маслам без присадок, то оно заведомо неприменимо по отношению к маслам, содержащим антикоррозийные добавки. Роль вязкости масла в снижении коррозии сводится к уменьшению скорости диффузии коррозионных агентов к поверхности металла, в то время как действие антикоррозийных присадок связано с молекулярно-поверхност-ными явлениями.

При анализе износа двигателей и других машин в эксплуатации необходимо также учитывать влияние вязкости масла на их тепловой и гидравлический режим. Вязкость регулирует циркуляцию масла в подшипнике, а также отвод тепла от трущейся поверхности. Количество тепла, выделяющееся работающим подшипником, в условиях полной жидкостной смазки прямо пропорционально вязкости (при постоянной нагрузке и скорости), но оно резко возрастает при недостаточной смазке.

  ест

. Е. Г. Се-

менидо пришел к заключению, что этот двигатель может удовлетворительно работать на еще менее вязком масле.

Вязкость масла определяет его расход в подшипниках. Согласно эмпирической зависимости, установленной Фальцем , расход масла в ненагруженной части подшипника равен:

где р —давление; / —длина шейки вала; d —диаметр шейки вала; 6—зазор между шейкой и подшипником.

Снижение вязкости обусловливает повышенный расход, илиг как говорят, угар масла, при работе двигателей внутреннего сгорания. Примером могут служить данные, полученные Н. В. Брусянцевым при стендовых испытаниях газогенераторных автомобилей (табл. 28).

В этих испытаниях было зарегистрировано довольно значительное повышение вязкости отработанных масел. В связи с этим отметим, что при работе в двигателях внутреннего сгорания вязкость масел меняется. С одной стороны, она снижается вследствие разбавления топливом, с другой, —повышается вследствие окисления и полимеризации в зоне высоких температур и нагрузок. В газогенераторных двигателях рост вязкости масла больше, чем в бензиновых двигателях, так как нет разбавления топливом (за исключением периода запуска).

Таким образом, следует притти к выводу, что вязкость является весьма важным свойством смазочного масла, обеспечивающим нормальный и надежный режим работы машин и регулирующим расход самого масла. Повышение и понижение вязкости без достаточных оснований нежелательно. В первом случае повышается трение, увеличивается температура трущихся деталей и возрастает нижний температурный предел применимости масел, во втором —снижается несущая способность масляной пленки, что облегчает заедание трущихся поверхностей и способствует износу, и повышается расход масла.

Подбор смазочных масел производится прежде всего по их вязкости. Величина последней часто определяет марку масла (например, название автолы 6, 10 и 18 указывает на вязкость автомобильного масла в градусах Энглера при 50°, а название цилиндровые масла 2 и 6—на вязкость в тех же единицах при 100°).

Для индустриальных масел практикой установлены соотношения между удельной нагрузкой и скоростью, с одной стороны, и вязкостью смазочного масла, с другой. В табл. 29 приведены эти соотношения согласно данным Р. Г. Иванова, П. М. Голенева и П. С. Тиндо . Эти данные следует рассматривать как ориентировочные, так как они не учитывают температуры, конструктивных особенностей трущихся деталей, химических свойств масел и некоторых других факторов, но могут оказать некоторую помощь при выборе индустриальных масел для рядового оборудования.

Вопрос о подборе масел по их вязкости не может считаться решенным. Высокие давления и температуры, развивающиеся между трущимися поверхностями, приводят к тому, что действительная вязкость смазочного слоя может очень сильно отличаться от вязкости, измеренной в лабораторных условиях при атмосферном давлении . Показатель температурной зависимости вязкости имеет большое значение для оценки поведения масел в эксплуатации и рассматривается как основная характеристика их качества. Ограниченность данных не позволяет применить аналогичный показатель для оценки зависимости вязкости от давления, между тем значение такого показателя для подбора масел не уступает значению вязкостно-температурного параметра.

Исходя из режима работы подшипников, А. К. Дьячков рекомендует применять маловязкие масла, но с высоким пьезо-коэфициентом вязкости. Как видно из разбора влияния вязкости масла на работу машин, это предложение для многих случаев вполне обосновано, но современная техника не располагает достаточными данными для изготовления и подбора масел по этому признаку.

Е. Г. Семенидо сомневается в целесообразности применения высоковязких моторных масел вследствие быстрого изменения их вязкости в эксплуатации, значительного влияния на трение частиц нагаров и неудовлетворительных низкотемпературных свойств вязких масел. Вопрос о допустимых пределах снижения вязкости требует дальнейшего исследования и вряд ли имеет общее решение для всех двигателей. В последнее время Е. Г. Семенидо предлагает применять маловязкие автомобильные масла, загущенные высоковязкими добавками.

В заключение отметим, что в ряде случаев присадки к маслам, повышающие смазочную способность, снижающие износ и способствующие сохранению смазочного слоя при высоких давлениях, обеспечивают нормальную работу механизмов при значительных отклонениях от вязкости масел, подобранной на основании гидродинамической теории смазки. Однако эти добавки отнюдь не снижают роли вязкости при применении смазочных масел. Подбор присадок к маслам и улучшение вязкостных свойств самих смазочных масел представляют одинаково важные задачи, совместное решение которых может обеспечить рациональную смазку.