Исследование влияния температуры на вязкостные характеристики смазочных материалов



В статье рассмотрены физические свойства смазочных масел, оказывающие влияние на эксплуатационные характеристики двигателей. При помощи методов взвешивания при нагревании и капиллярной вискозиметрии установлены зависимости плотности и вязкости авиационных масел марок МС-20 и МС-8П от температуры, вычислены коэффициенты объемного расширения данных масел, составляющие соответственно 0,0018 1/град и 0,0010 1/град, а также индексы вязкости, равные 4,05 и 1,12. Данные результаты позволяют сделать вывод, что авиационное масло МС-8П обладает лучшими вязкостно-температурными характеристиками.

Ключевые слова: смазочные масла, кинематическая вязкость, индекс вязкости объемное расширение, плотность, температура.

I. Введение

Одними из важнейших продуктов химической и нефтеперерабатывающей промышленности являются смазочные масла, играющие весомую роль в эксплуатации современной техники. Предотвращая износ трущихся поверхностей и выполняя функцию электроизоляционной и теплоотводящей среды, они существенно увеличивают срок работы широкого спектра механизмов, в том числе и различных двигателей. Такая область применения данных материалов обусловлена их специфическими характеристиками.

Вязкость — это одна из наиболее важных характеристик масел, которая характеризует внутреннее трение, определяет текучесть и способность обеспечить жидкостной режим смазывания [1]. Для оценки текучести, то есть меры сопротивления течению под действием силы тяжести масел, используют кинематическую вязкость, равную отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности при той же температуре.

При выборе масла необходимо учитывать, что его вязкость изменяется в зависимости от температуры: с понижением температуры вязкость увеличивается, а с повышением — уменьшается, причем интенсивность изменения широко различается [2]. Для оценки скорости изменения вязкости от температуры было предложено несколько показателей. Наиболее широко используемый — это отношение величин вязкости при двух температурах: при +50⁰С и +100⁰С. Чем меньше отношение кинематической вязкости масла при 50⁰С к кинематической вязкости при 100⁰С, тем более пологой является вязкостно-температурная характеристика, и тем лучше эксплуатационные свойства масла. В ряде стандартов вместо данного отношения указывается минимально допустимый для данной марки масла индекс вязкости. Оценка по индексу вязкости основана на сравнении вязкостно-температурных свойств испытуемого масла с вязкостно-температурными свойствами двух групп эталонных масел.

Эталонные масла одной группы имеют очень пологую вязкостно-температурную кривую. Их индекс вязкости условно принят за 100. Масла другой группы обладают крутой вязкостно-температурной кривой и их индекс вязкости принят равным 0. Вязкостно-температурная кривая испытуемого масла обычно располагается между кривыми эталонных масел: чем кривая вязкости испытуемого масла более полога, тем больше его индекс вязкости. Для определения индекса вязкости масло сравнивается при двух температурах с эталонными маслами.

Смазочные масла, как и любые другие капельные жидкости, обладают таким свойством, как тепловое расширение [3]. Данное свойство масел необходимо учитывать при их хранении и эксплуатации, так как увеличение объема масла при нагревании может создавать избыточное давление внутри резервуара либо двигателя, что приводит к их деформации и последующему разрыву, а с уменьшением объема масла происходит уменьшение давления над его поверхностью и, следовательно, быстрое истирание деталей двигателя.

Вышеуказанные свойства смазочных масел напрямую зависят от их плотности — физической величины, которая описывается отношением массы жидкости к объему, который эта жидкость занимает. Для смазочных масел наблюдается следующая зависимость: чем больше изменяется плотность масла при уменьшении или увеличении температуры, тем сильнее меняется его вязкость и увеличивается коэффициент теплового расширения, что негативно отражается на эксплуатационных характеристиках данного смазочного материала и, соответственно, двигателя. Следовательно, одним из главных свойств качественных масел является способность сохранять относительное постоянство плотности в рабочем интервале температур.

Особенно важно учитывать данное свойство при выборе смазочных материалов для двигателей, работающих в условиях высоких температур, давлений и нагрузок. Одними из наиболее широко используемых в современной авиации и при эксплуатации газотурбинных, турбовинтовых и газоперекачивающих агрегатов являются следующие марки масел и смеси на их основе:

− Масло МС-8П (ОСТ 38 101163–78)

− Масло МС-20 (ГОСТ 21743–76)

II. Постановка задачи

Целью настоящей работы является исследование зависимости плотности и вязкости смазочных масел от температуры. Задачи исследования:

− Изучение теоретического материала по теме исследования;

− Исследование зависимости плотности масел марок МС-8П и МС-20 в интервале температур от -10 до 150°С;

− Исследование зависимости кинематической вязкости от температуры;

− Расчет вязкостно-температурных параметров масел марок МС-8П и МС-20;

− Анализ полученных данных и формулирование выводов.

III. Теория

Работа выполнена в период июнь-август 2019 года в Омском государственном техническом университете. Объект исследования –масла марок МС-8П и МС-20.

Для достижения цели исследования были использованы весовой метод определения плотности и метод капиллярной вискозиметрии [4].

Расчет плотности производили по формуле 1:

(1)

Полученные зависимости плотности масел от температуры приведены на графиках (см. рис.1, 2)

Рис. 1. График зависимости плотности авиационного масла марки МС-20 от температуры

Рис. 2. График зависимости плотности авиационного масла марки МС-8П от температуры

Коэффициент объемного расширения рассчитали по формуле 2:

, (2)

где:

— коэффициент объемного расширения смазочного масла при температуре t (℃), причем:

где:

α_t — коэффициент объёмного расширения смазочного масла, (1/град);

ρ₀ — плотность смазочного масла при температуре 20℃, кг/м3;

ρ_t — плотность смазочного масла при температуре t, кг/м3.

Таблица 1

Коэффициенты объемного расширения авиационных масел марок МС-20 иМС-8П

Масло	αср, 1/град
МС-20	0,0018
МС-8П	0,0010

Для определения кинематической вязкости использовали вискозиметр ВЗ-246 с диаметром отверстия 4 мм.

Кинематическая вязкость испытуемой жидкости прямо пропорциональна времени истечения через капилляр вискозиметра и определяется по формуле 4:

, (4)

где:

с — постоянная вискозиметра (мм²/с²);

τ — среднее время истечения (с).

Полученные значения кинематической вязкости масел МС-8П и МС-20 представлены в таблице 2.

Таблица 2

Кинематическая вязкость масел марок МС-8П иМС-20 при различных температурах

Масло	Кинематическая вязкость, мм2/с
	0℃	10℃	20℃	30℃	40℃	50℃	60℃	70℃	80℃	90℃	100℃
МС-8П	22,35	19,56	16,76	13,97	13,03	12,57	12,11	11,18	11,18	11,18	11,18
МС-20	1003,07	717,14	381,86	207,69	125,73	71,71	47,50	31,67	24,21	17,70	17,70

Индекс вязкости масел рассчитывали по формуле 5:

(5)

IV. Результаты экспериментов

Рис. 6. График зависимости кинематической вязкости масла МС-8П от температуры.

Рис. 7. График зависимости кинематической вязкости масла МС-20 от температуры

Таблица 3

Индексы вязкости авиационных масел МС-20 иМС-8П

Масло	Индекс вязкости
МС-20	4,05
МС-8П	1,12

V. Выводы и заключение

В результате проведенных исследований были сделаны следующие выводы:

1. Определили зависимость плотности от температуры для смазочных масел МС-20 и МС-8П в интервале температур от -10℃ до 150℃.
2. Установили, что плотность исследованных масел с увеличением температуры уменьшается нелинейно. В интервале температур от 100 до 130℃ для образца МС-20 плотность практически не изменяется.
3. Рассчитали коэффициент объемного расширения, для масел МС-20 и МС-8П он составил 0,0018 и 0,0010 1/град соответственно.
4. Определили значения кинематической вязкости смазочных масел МС-8П и МС-20 при различных температурах.
5. Установили, что вязкость исследуемых масел уменьшается с увеличением температуры.
6. Рассчитали индексы вязкости смазочных масел МС-8П и МС-20, равные соответственно 1,12 и 4,05.
7. Полученные результаты рекомендуется учитывать при эксплуатации технического оборудования и проектировании резервуаров хранения нефтепродуктов.

Литература:

1. Журавлев А. А., Савин Н. П., Филатова Н. О. Исследование зависимости вязкости моторного масла от температуры // Научно-методический электронный журнал «Концепт». 2016. Т. 12. С. 82–86.
2. Коняев Е. А., Немчиков М. Л. Химмотология авиационных масел и гидравлических жидкостей / М.: Изд-во МГТУ ГА, 2008. — 81 с.
3. Барекян А. Ш. Основы гидравлики и гидропневмоприводов: Учебное пособие. 1-е изд. Тверь: 2006. — 84с.
4. Чуркин В. А. Смазочные материалы: рекомендации к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 15.03.01 — “Машиностроение” (МШС) / Екб.: Изд-во УрГУ, 2015. — 14 с.
5. Нуруллаева З. В., Бакиева Ш. К., Суяров М. Т. Эксплуатационные свойства смазочных масел и улучшение их присадками // Молодой ученый. 2016. № 8. С. 274–276.