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,  podwyŜszające  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  moŜe  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 duŜych nacisków bądź 

duŜych 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  równieŜ 

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 

duŜych 

gradientów  prędkości  sił  ścinających  lub 

duŜych 

napręŜeń 

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. JeŜeli 

cząsteczka polimeru zostanie usytuowana wzdłuŜ kierunku, na którym róŜnica prędkości jest 

znaczna,  następuje  jej  mechaniczne  rozerwanie.  Czynnikiem  sprzyjającym  rozrywaniu 

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

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  róŜnych  miejscach  przewodu 

ma  róŜne  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 duŜej prędkości. W tych warunkach moŜe 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 takŜe miejsce w szczelinach urządzeń hydraulicznych, 

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

przez szczeliny z duŜymi prędkościami. 

Mechanizm  ścinania  w  warunkach  kawitacji  jest  bardziej  złoŜony.  Cząsteczka  polimeru 

znajdująca  się  w  pobliŜu  zapadającego  się  pęcherzyka  kawitacyjnego,  najpierw  zostaje 

zorientowana wzdłuŜ 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  wzdłuŜ  łańcucha  polimeru  są  przyczyną 

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

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

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

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

większe, tym większa szybkość ścinania.  

Z  punktu  widzenia  eksploatacji  oleju  waŜnym  parametrem,  wpływającym  na  proces 

ś

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

równieŜ  budowa  chemiczna  polimeru.  Cząsteczki  o  dłuŜszych  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,  moŜna  podzielić  na  dwie  zasadnicze 

grupy:  

−

 

modelujące warunki pracy oleju w urządzeniu,  

−

 

odwzorowujące gradienty prędkości, występujące w układach eksploatacyjnych. 

Do pierwszej grupy moŜna 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 

róŜnicy  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  poniŜej  ustalonej  jako 

dopuszczalna, powinny zostać wymienione. 

Zakresy  szybkości  ścinania  dla  róŜnych 

rodzajów  skojarzeń  trących,  występujących 

w silnikach,  urządzeniach  hydraulicznych  i 

przekładniach, 

przedstawiono 

na 

rys. 

4. 

Szybkość ścinania zaleŜy takŜe 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 uŜyciu 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,  Ŝe  przyczyną  zmniejszenia 

lepkości jest zmniejszenie masy cząsteczkowej wprowadzonych polimerów. Zjawisko to jest 

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

przy  duŜych  prędkościach  ścinania  podczas  tarcia  przy  wysokich  naciskach  jednostkowych, 

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

ultradźwiękowych  itd.  Pomimo,  Ŝe  wymienione  oddziaływania  mechaniczne  powodują 

zmniejszanie  masy  cząsteczkowej  istnieją  równieŜ  poglądy,  Ŝe  bezpośrednią  przyczyną 

rozrywania  łańcuchów  polimerów  jest  energia 

cieplna,  powstała  w  mikroobszarach  styku  na 

skutek 

oddziaływania 

mechanicznego 

(miaŜdŜenia,  ucierania  lub  ugniatania  cieczy 

roboczej).  NiezaleŜnie  od  tego  czy  degradacja 

zachodzi  bezpośrednio  pod  działaniem  sił 

ś

cinających,  czy  teŜ  poprzez  oddziaływanie 

cieplne,  waŜny  jest  negatywny  efekt  obniŜenia 

lepkości.  

Degradacja  polimerów  poprzez  działanie  fal 

ultradźwiękowych  ma  zasadnicze  znaczenie 

w badaniach  odporności  na  ścinanie  olejów 

zagęszczonych,  gdyŜ  stanowi  najszybszy  sposób 

obniŜenia  masy  cząsteczkowej  zagęszczaczy. 

Działanie  fal  ultradźwiękowych  o  odpowiednio 

wielkich 

amplitudach 

powoduje 

rozrywanie 

Rys. 6. Odporność polimerów na ścinanie przy 

badaniu róŜnymi metodami olejów róŜniących 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 

duŜej 

bezwładności 

nie 

nadąŜają  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 Ŝycia 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  równieŜ  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 równieŜ 

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 

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

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

2

/s]. 

W praktyce uŜywa 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  przybliŜyć  te  wielkości  dodajmy,  Ŝe  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 – 

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

w czasie t w cm³.  

JeŜeli  ciecz  przepływa  przez  kapilarę  tylko  pod  działaniem  własnego  cięŜaru,  wówczas 

róŜnicę ciśnienia 

∆

p wyraŜa się wzorem (4): 

g

h

h

p

ρ

2

2

1

−

=

 

(4) 

gdzie:  h

1

  –  h

2

  –  róŜnica  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) 

JeŜeli 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 niezaleŜna 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  zaleŜą  od  ciśnienia.  Ma  to  istotne 

znaczenie  w  przypadku  cieczy  hydraulicznych  pracujących  pod  wysokimi  ciśnieniami 

(powyŜej  5  bar).  ZaleŜność  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 uŜyciu 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. ZaleŜność 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.