Ćwiczenie nr 1

Badanie odporności olejów smarowych

na ścinanie. Lepkość kinematyczna.

2

CEL

Ć

WICZENIA

Celem ćwiczenia jest określenie wpływu procesu ścinania na lepkość kinematyczną

olejów smarowych oraz zapoznanie się z metodą pomiaru lepkości kinematycznej.

ZADANIA

Wyznaczyć procentową zmianę wartości lepkości kinematycznej oleju silnikowego

zawierającego dodatek poprawiający charakterystykę lepkościową po poddaniu go procesowi

ś

cinania w aparacie ultradźwiękowym

.

Odporno

ść

na

ś

cinanie

Niektóre oleje smarne, np. silnikowe, przekładniowe i niektóre inne oraz ciecze

hydrauliczne zawierają dodatki: wiskozatory lub zagęszczacze, podwyższające lepkość oleju

podstawowego oraz wskaźnik lepkości. Z chemicznego punktu widzenia dodatki te są

polimerami, o masach cząsteczkowych rzędu 1000 … 500 000. W czasie pracy olejów

zawierających wiskozatory, obserwuje się zmniejszenie ich lepkości. Oleje nie zawierające

wiskozatorów, zjawisku temu nie podlegają lub podlegają w nieznacznym tylko stopniu.

Natomiast podlegają mu niektóre oleje syntetyczne, nawet nie zawierające wiskozatorów.

W niektórych przypadkach, zmniejszenie lepkości może dochodzić do 50%, a wskaźnika

lepkości o kilkanaście jednostek. Przyczyną zmniejszenia lepkości jest fizyczna destrukcja

wiskozatorów lub cząsteczek oleju podstawowego, pod wpływem działania sił ścinających.

Proces destrukcji polimerów jest nazywany ścinaniem, a odporność oleju na działanie sił

ś

cinających, odpornością na ścinanie lub odpornością na działanie sił mechanicznych.

Zjawisko ścinania jest obserwowane w następujących warunkach pracy olejów:

−

podczas tarcia dwóch powierzchni, między którymi znajduje się warstwa oleju,

w warunkach tarcia granicznego, w szczególności w warunkach dużych nacisków bądź

dużych prędkości przemieszczania się,

−

podczas przepływu przez szczeliny,

−

w miejscach występowania kawitacji ultradźwiękowej, np. w miejscach występowania

wirów, wywołanych przez pulsujące pęcherzyki kawitacyjne oraz nierówności

w przewodach, przez które przepływa olej.

3

Procesy destrukcji mogą zachodzić również

pod

wpływem

działania

promieniowania

radioaktywnego oraz czynników chemicznych.

W eksploatacji olejów i cieczy hydraulicznych

największe znaczenie mają czynniki typu

mechanicznego, występujące w maszynach, jak:

tarcie, przepływy przez szczeliny, kawitacja,

naciski itp.

W warunkach tarcia granicznego olej

znajduje

się

w

szczelinach

między

współpracującymi

powierzchniami.

Przesuwanie po sobie powierzchni trących jest

przyczyną

powstawania

bardzo

dużych

gradientów prędkości sił ścinających lub

dużych

naprężeń

stycznych.

Kolejne

nachodzenie wzniesień i bruzd, jak to pokazano

na rys. 1, powoduje gwałtowne zmiany

odległości

pomiędzy

współpracującymi

powierzchniami. Olej jest przeciskany przez

szczeliny, do niecałkowicie wypełnionych rowków. Prędkość przepływu jest zmienna. Jeżeli

cząsteczka polimeru zostanie usytuowana wzdłuż kierunku, na którym różnica prędkości jest

znaczna, następuje jej mechaniczne rozerwanie. Czynnikiem sprzyjającym rozrywaniu

cząsteczek jest miejscowy wzrost temperatury oleju, wywołany tarciem. W podwyższonej

temperaturze cząsteczki polimeru rozwijają się w struktury liniowe, łatwiejsze do rozrywania

pod wpływem sił ścinających. Takie warunki ścinania istnieją np. w przekładniach zębatych

i śrubowych oraz w innych skojarzeniach trących, w których trą o siebie dwie równoległe

płaszczyzny materiału.

W warunkach przepływu przez szczeliny strumień oleju w różnych miejscach przewodu

ma różne prędkości. Wynika to z warunku zachowania wydatku. W miejscach, gdzie

prędkość strumienia gwałtownie wzrasta, część cząsteczki polimeru znajduje się w obszarze

mniejszej prędkości, a część w obszarze dużej prędkości. W tych warunkach może dochodzić

do zrywania łańcucha polimeru.

Rys. 1. Schematyczne przedstawienie zjawiska

ś

cinania; A – w warunkach tarcia, B – podczas

przepływu przez szczelinę, C – mechanizm

rozrywania cząsteczek polimeru

4

Warunki sprzyjające ścinaniu mają także miejsce w szczelinach urządzeń hydraulicznych,

łożyskach, przewodach olejowych, pompach i innych miejscach maszyn, gdzie olej przepływa

przez szczeliny z dużymi prędkościami.

Mechanizm ścinania w warunkach kawitacji jest bardziej złożony. Cząsteczka polimeru

znajdująca się w pobliżu zapadającego się pęcherzyka kawitacyjnego, najpierw zostaje

zorientowana wzdłuż promienia pęcherzyka. W następnej fazie część cząsteczki polimeru jest

wciągana do pustej przestrzeni pęcherzyka, z prędkościami dochodzącymi do prędkości

dźwięku. Pozostała część łańcucha jest przetrzymywana siłami spójności cieczy,

w przestrzeni otaczającej pęcherzyk. Siły działające wzdłuż łańcucha polimeru są przyczyną

jego rozrywania. Takie warunki ścinania zdarzają się wszędzie tam, gdzie występuje zjawisko

kawitacji, np.: w pompach hydraulicznych, w pobliżu drgających elementów maszyn,

w przewodach olejowych itp. Zjawisko ścinania, niezależnie od przyczyn przez które zostało

spowodowane, zależy od występujących gradientów prędkości cieczy. Im te gradienty są

większe, tym większa szybkość ścinania.

Z punktu widzenia eksploatacji oleju ważnym parametrem, wpływającym na proces

ś

cinania, jest jakość i ilość dodatku zagęszczającego zawartego w oleju. Znaczenie ma

również budowa chemiczna polimeru. Cząsteczki o dłuższych łańcuchach efektywniej

zwiększają lepkość i wskaźnik lepkości, jednak łatwiej ulegają ścinaniu. Zmniejszenie

lepkości oleju podczas pracy, jest tym szybsze, im więcej zawiera on dodatku

zagęszczającego. Wynika stąd konieczność dysponowania metodami oceny odporności

olejów na ścinanie.

Aparaty do badania odporności olejów na ścinanie, można podzielić na dwie zasadnicze

grupy:

−

modelujące warunki pracy oleju w urządzeniu,

−

odwzorowujące gradienty prędkości, występujące w układach eksploatacyjnych.

Do pierwszej grupy można zaliczyć znormalizowane metody, oparte na przetłaczaniu oleju

za pomocą pompy przez szczelinę, stąd nazwa aparatów: pompa – szczelina. Przykładem

aparatów, zaliczanych do drugiej grupy, są urządzenia ultradźwiękowe. Schemat tego typu

aparatu przedstawiono na rys. 2.

Metoda ultradźwiękowa jest przeznaczona do oceny odporności na ścinanie olejów

silnikowych i cieczy hydraulicznych, zawierających wiskozatory oraz niektórych typów

olejów syntetycznych. Do kontroli jakości olejów zawierających wiskozatory, opracowano

wiele metod, zarówno odwzorowujących częściowo warunki pracy oleju, jak i ściśle

laboratoryjnych, np. iniektorowe, w których proces ścinania polimeru zachodzi w specjalnej

5

konstrukcji

iniektorze,

oraz

oparte

konstrukcyjnie na lepkościomierzu rotacyjnym,

w którym proces ścinania zachodzi wskutek

różnicy prędkości warstw oleju przylegających

do ścianek rotora i naczynia. W urządzeniach

tego typu, jednocześnie ze ścinaniem, jest

dokonywany pomiar lepkości oleju.

Przykładowe krzywe, przedstawiające proces

ś

cinania dodatków zawartych w olejach,

w warunkach eksploatacyjnych i w badaniach

laboratoryjnych, ilustruje rys. 3. Olej silnikowy

lub ciecz hydrauliczna, której lepkość w wyniku

ś

cinania zmniejszy się poniżej ustalonej jako

dopuszczalna, powinny zostać wymienione.

Zakresy szybkości ścinania dla różnych

rodzajów skojarzeń trących, występujących

w silnikach, urządzeniach hydraulicznych i

przekładniach,

przedstawiono

na

rys.

4.

Szybkość ścinania zależy także od objętości oleju pracującego w układzie. Im objętość oleju

jest większa, tym mniejsze obserwowane zmniejszenie jego lepkości.

Rys. 3. Krzywe przedstawiające proces ścinania

dodatków zagęszczających; 1 – w eksploatacji, 2 – w

badaniach przy użyciu aparatu ultradźwiękowego

Rys. 4. Szybkość ścinania, w warunkach

eksploatacyjnych olejów

Rys. 2. Schemat aparatu ultradźwiękowego, do

badania odporności na ścinanie olejów;

1 – generator, 2 – przetwornik magnetostrykcyjny,

3 – koncentrator, 4 – naczynie pomiarowe

z wymiennikiem ciepła, 5 – badany olej

6

Miarą ścinania jest zmniejszenie lepkości kinematycznej po badaniu w określonych

warunkach w stosunku do lepkości początkowej. Ścinanie S oblicza się zgodnie z wzorem 1

i podaje się go w procentach.

[ ]

100

%

0

0

⋅

−

=

ν

ν

ν

s

S

(1)

Mechaniczna degradacja dodatków polimerowych

(

ś

cinanie polimerów)

Oleje, których lepkość została zwiększona przez wprowadzenie polimerów, zmniejszają

swoją lepkość podczas pracy w urządzeniach. Stwierdzono, że przyczyną zmniejszenia

lepkości jest zmniejszenie masy cząsteczkowej wprowadzonych polimerów. Zjawisko to jest

określane nazwą ścinania lub mechanicznej degradacji polimerów (rys. 5a). Występuje ono

przy dużych prędkościach ścinania podczas tarcia przy wysokich naciskach jednostkowych,

podczas przeciskania cieczy przez szczeliny, podczas kawitacji, przy działaniu fal

ultradźwiękowych itd. Pomimo, że wymienione oddziaływania mechaniczne powodują

zmniejszanie masy cząsteczkowej istnieją również poglądy, że bezpośrednią przyczyną

rozrywania łańcuchów polimerów jest energia

cieplna, powstała w mikroobszarach styku na

skutek

oddziaływania

mechanicznego

(miażdżenia, ucierania lub ugniatania cieczy

roboczej). Niezależnie od tego czy degradacja

zachodzi bezpośrednio pod działaniem sił

ś

cinających, czy też poprzez oddziaływanie

cieplne, ważny jest negatywny efekt obniżenia

lepkości.

Degradacja polimerów poprzez działanie fal

ultradźwiękowych ma zasadnicze znaczenie

w badaniach odporności na ścinanie olejów

zagęszczonych, gdyż stanowi najszybszy sposób

obniżenia masy cząsteczkowej zagęszczaczy.

Działanie fal ultradźwiękowych o odpowiednio

wielkich

amplitudach

powoduje

rozrywanie

Rys. 6. Odporność polimerów na ścinanie przy

badaniu różnymi metodami olejów różniących się

lepkościami (wg Rossa); 1) badania eksploatacyjne

(przekładnia); 2) maszyna FZG (po 7 godzinach);

3) wtryskiwacz; 4) aparat ultradźwiękowy; 5)

badania eksploatacyjne; 6) maszyna FZG

(po 7 godzinach); 7) wtryskiwacz; 8) aparat

ultradźwiękowy

7

cząsteczek. Wielkie nitkowate,

poplątane cząsteczki polimerów

o

dużej

bezwładności

nie

nadążają za ruchami drgającymi

rozpuszczalnika, a powstające w

ten

sposób

siły

tarcia

są

wystarczające

do

zerwania

wiązań

między

atomami

w

cząsteczce.

Dodatkowo podczas działania

fal

ultradźwiękowych

mamy

zazwyczaj

do

czynienia

z

kawitacją. Przy rozchodzeniu się

fal ultradźwiękowych powstają kolejno po sobie zagęszczenia i rozrzedzenia cieczy,

prowadzące do tworzenia się i zanikania pęcherzyków kawitacyjnych. Czas życia pęcherzyka

kawitacyjnego jest rzędu kilkudziesięciu mikrosekund. Przy jego tworzeniu i zanikaniu

(implozja) cząsteczki najmniej ruchliwe, a więc cząsteczki polimeru, podlegają działaniu

gwałtownych sił rozrywających. W otoczeniu pęcherzyka wzrasta również temperatura

powodując dodatkowy efekt destrukcyjny. W maszynach i urządzeniach mamy w wielu

przypadkach do czynienia ze zjawiskami kawitacyjnymi w układach olejenia (odrywania się

cieczy smarnej od powierzchni, zawirowywania w czasie przepływu, gwałtowne gradienty

ciśnienia w strukturze itp.) prowadzącymi do mechanicznej degradacji polimerów.

Lepko

ść

kinematyczna i sposoby jej pomiaru

W technice bardzo często jest stosowane pojęcie lepkości kinematycznej, zwanej również

lepkością kinetyczną lub lepkością bezwzględną. Lepkość kinematyczną

ν

definiuje się (2),

jako stosunek lepkości dynamicznej η cieczy do jej gęstości ρ:

ρ

η

=

v

(2)

W układzie CGS, stosowaną jednostką lepkości kinematycznej jest stokes [St]. W praktyce

używa się jednostki 100 razy mniejszej zwanej centystokesem [cSt].

Jednostką lepkości kinematycznej w układzie SI, jest metr kwadratowy na sekundę [m

2

/s].

W praktyce używa się jednostki 10

6

razy mniejszej [mm

2

/s].

Rys. 5. Degradacja-ścinanie polimerów (wg Wiślickiego);

a – degradacja przez tarcie, ścinanie mechaniczne; b – degradacja

przez dławienie; c – degradacja kawitacyjna; d – degradacja w polu

akustycznym; a

n

= amplituda drgań

8

Wzajemne relacje między tymi jednostkami są następujące:

1 St = 10

-4

m

2

/s

1 cSt = 1 mm

2

/s

Aby przybliżyć te wielkości dodajmy, że w temperaturze 20°C lepkość kinematyczna

wody, wynosi około 1 mm

2

/s (1 cSt).

Pomiary lepkości kinematycznej cieczy są oparte o bezpośredni lub pośredni pomiar

oporu, jaki stawia ciecz przy względnym ruchu w stosunku do ciała stałego. Ruch cieczy

powinien być laminarny. Ruch taki ma miejsce przy małych prędkościach i w przewodach

o małej średnicy, zwanych kapilarami.

Pomiar lepkości, wykorzystujący przepływ cieczy przez kapilary, opiera się na prawie

Hagena-Poiseuille’a (3):

lV

pt

r

8

4

∆

=

π

η

(3)

gdzie: r – promień kapilary w cm, l – długość kapilary w cm, t – czas płynięcia w s,

∆

p –

różnica ciśnień powodująca przepływ cieczy w Pa, V – objętość cieczy przepływającej

w czasie t w cm³.

Jeżeli ciecz przepływa przez kapilarę tylko pod działaniem własnego ciężaru, wówczas

różnicę ciśnienia

∆

p wyraża się wzorem (4):

g

h

h

p

ρ

2

2

1

−

=

(4)

gdzie: h

1

– h

2

– różnica poziomów cieczy w cm, r -gęstość cieczy w g/cm³, g –

przyspieszenie grawitacyjne w cm/s².

Zatem wzór (3) przybierze postać:

(

)

t

lV

g

h

h

r

ρ

π

η

16

2

1

4

−

=

(5)

Jeżeli przyjmie się

(

)

K

lV

g

h

h

r

=

−

16

2

1

4

π

(6)

to w rezultacie otrzyma się wzór o prostszej postaci

η

= K

⋅

t

⋅

ρ

(7)

gdzie K – stała kapilary niezależna od temperatury.

Dzieląc obie strony równania przez

ρ

otrzymuje się wzór na lepkość kinematyczną:

9

ν

= k

⋅

t

(8)

gdzie:

ν

– lepkość kinematyczna

k – stała kapilary,

t – czas przepływu cieczy o określonej objętości, przez kapilarę.

W celu zmierzenia lepkości kinematycznej jest niezbędna znajomość wartości k – tzw.

stałej kapilary i czasu t – przepływu przez kapilarę ustalonej objętości cieczy. Stała kapilary

jest wyznaczana przez pomiar czasu przepływu przez kapilarę, określonej objętości oleju

wzorcowego, o dokładnie znanej lepkości.

Urządzenia do pomiaru lepkości z kapilarami są nazywane lepkościomierzami kapilarnymi

lub wiskozymetrami kapilarnymi. Przykładowe typy lepkościomierzy kapilarnych

przedstawiono na rys. 7.

Zasada pomiaru lepkości kinematycznej lepkościomierzem kapilarnym Ostwalda-

Pinkiewicza (Rys. 7b1), jest zilustrowana na rys. 8. Rys. 8A przedstawia stan napełnienia

zbiornika lepkościomierza bezpośrednio przed pomiarem, gdy poziom badanej cieczy jest

zrównany z górną kreską pomiarową 3, a rys. 8B w momencie gdy poziom badanej cieczy jest

zrównany z dolną kreską pomiarową 4. Pomiar polega na zmierzeniu czasu przepływu

badanej cieczy z ze zbiorniczka pomiarowego kapilary, o objętości ściśle określonej kreskami

pomiarowymi 3, 4 do zbiorniczka 5. Na podstawie znajomości stałej kapilary k oraz czasu

przepływu cieczy t, po podstawieniu tych wartości do wzoru (2) jest obliczana lepkość

kinematyczna badanej cieczy. Pomiar jest wykonywany w ściśle określonej temperaturze

w termostatowanej łaźni cieczowej 2.

Zarówno lepkość dynamiczna, jak i kinematyczna zależą od ciśnienia. Ma to istotne

znaczenie w przypadku cieczy hydraulicznych pracujących pod wysokimi ciśnieniami

(powyżej 5 bar). Zależność lepkości kinematycznej olejów mineralnych o lepkościach

ν

x

z przedziału 1 … 100 mm

2

/s, w zakresie zmian ciśnienia 0 … 450 bar, przedstawia wykres na

rys. 9.

10

Rys. 7. Lepkościomierze kapilarne: a – Ubbelohdego, b – Ostwalda – Pinkiewicza, b – Canon-Fenske;

1 – zbiorniczek na badany produkt, 2, 3 – kreski wyznaczające poziom badanej cieczy przed pomiarem i po

pomiarze, 4 – kalibrowana kapilara, 5 – zbiorniczek dolny na spływającą ciecz

Rys. 8. Zasada pomiaru lepkości kinematycznej przy użyciu lepkościomierza kapilarnego: A – początek

pomiaru, B – koniec pomiaru, 1 – lepkościomierz kapilarny Ostwalda-Pinkiewicza, 2 – łaźnia termostatyczna,

3 – kreska wyznaczająca poziom badanej cieczy przed pomiarem, 4 – kreska wyznaczająca poziom badanej

cieczy w chwili pomiaru czasu wypływu ze zbiorniczka, 5 – zbiorniczek dolny na spływającą ciecz, 6 – kierunek

przepływu badanej cieczy

11

Rys. 9. Zależność lepkości kinematycznej olejów mineralnych od ciśnienia

Rys. 10. Lepkościomierze kapilarne: a) Ostwalda-Pinkiewicza (1 – statyw, 2 – łaźnia, 3 – termometr,

4 – lepkościomierz); b) Vogel-Ossaga (1 – termostat, 2 – zbiorniczek oleju, 3 – kreski na kapilarze, 4 – kreski na

kapilarze, 5 – oprawka z gwintem, 6 – pokrywka, 7 – wzierniki, 8 – termometr oleju, 9 – termometr termostatu,

10 – pompka olejowa, 11 – mieszadło powietrza, 12 – palnik gazowy, 13 – klucz do przykręcania kapilary)

12

Prawidłowo przeprowadzonego badania odporności na ścinanie cieczy oraz ich lepkości

kinematycznej cieczy dokonuje się w oparciu o Polską Normę

PN-77/C04166. Badanie

odporności na ścinanie olejów smarowych i cieczy hydraulicznych w aparacie

ultradźwiękowym.

Literatura

1.

Hebda M., Wachal A., Trybologia. WNT, Warszawa 1980.

2.

Szczerek M., Wiśniewski M., Tribologia – Trybotechnika. 9 PTT, ITE, SiTMP, Radom

2000.

3.

TOTAL, Przemysłowe środki smarne, katalog, edycja 2004.

4.

Zwierzycki W., Oleje i smary przemysłowe. ITE, Radom 1999.