Измерение вязкости масла

Тема вязкости была затронута во многих технических документах, и на это были серьезные причины.  Вязкость масла его самое важное физическое свойство и оно, это свойство, является самой сущностью масла. Система измерения вязкости, как например SAE (Society of Automotive Engineers)¹ для автомобильных масел и ISO (International Standards Organisation)² для промышленного применения получили всеобщее одобрение как средство классификации смазок.

Статей относящихся к вязкости было много: система классификации масел, как масло работает, почему так много видов масла, трение и смазывание и как читать информацию на канистре масла. Другие статьи затронули вопрос о том, как измеряется вязкость. Но почему мы вообще должны волноваться об измерении вязкости?

Во-первых, как ранее было упомянуто, вязкость определяет применение масла, чтобы можно было сравнить с тем, что указано в документации. Во-вторых, изменение вязкости,  неважно увеличение или уменьшение, может отражать  химические и физические изменения в масле, которые могут стать причиной неисправности оборудования. Эти изменения вязкости, их причины  и будут рассмотрены в этой статье.
 

ЧТО ТАКОЕ ВЯЗКОСТЬ?

Но сначала, небольшая проверка. Вязкость это особое измерение жидкостного сопротивления потоку в зависимости от температуры. Однако  есть два вида вязкости.

Динамическая или абсолютная вязкость определяется как отношение силы сдвига к скорости сдвига в зависимости от температуры. Для тех из вас кому нужно более точное определение, это тангенциальная сила на единицу площади, необходимая для сдвига одной горизонтальной плоскости относительно другой, со скоростью в одну единицу, находящихся на единице расстояния между плоскостями жидкости. В системе СИ динамическая вязкость определяется как Ньютон в секунду на квадратный метр или Паскаль в секунду (Н*с*м^-2 или Па*с). Не входящая в СИ, но принятая единица – Пуаз, это 0,1H*c*м^-2. Поскольку динамическая вязкость реальных жидкостей постоянно незначительная величина, то более часто используют сантипуаз (сП, 10^-3Н*с*м^-2) и обозначается греческой буквой "эта".

Динамическая вязкость важна при определении низкотемпературных свойств смазок, но её редко применяют при анализе масла или для определения  класса вязкости (мы ещё вернёмся к этому позже).  По многим серьёзным причинам, исследователя масла интересует кинематическая вязкость.

Кинематическая вязкость – производная величина и определяется довольно просто: динамическая вязкость жидкости делится на её плотность при определенной температуре. Она может быть также определена как сопротивление потоку под действием силы тяжести. Единица измерения  – сантиметр квадратный в секунду (см²*с^-1), также известная как Стокс (Ст) и обозначается греческой буквой ню, в СИ 1Ст = 10^-4м²*с^-1. Более распространенное обозначение – сантистокс, это миллиметр в квадрате в секунду (мм²*с^-1). Предпочтительные температуры при которых проводятся измерения это  40°C и 100°C.

Это очень важно, чтобы температура, при которой вязкость была измерена, была отмечена, так как вязкость меняется вместе с температурой. Как температура растет, вязкость падает, как показано на упрощенном графике ниже:
 

 Рис. 1: Зависимость Температура/Вязкость.

Более того, с ростом температуры у различных масел вязкость уменьшается на различную величину. Так появляется такое понятие как индекс вязкости (viscosity index или VI). Индекс вязкости это безразмерная величина, которая характеризует изменение вязкости  в зависимости от изменения температуры. С ростом температуры, у масел с низким VI скорость уменьшения вязкости будет выше, чем у масел с более высоким VI.  Обычное летнее моторное масло, как например, SAE 30 имеет VI около 95, тогда как всесезонное масло 15W-40 будет иметь VI около 135. С ростом температуры всесезонное масло «теряет» вязкость не так быстро, как летнее, имея, таким образом, стабильную вязкостную характеристику для более широкого диапазона температур, хотя оба типа масла имеют вязкость около 100 сСт при 40°C.

В системе вязкости SAE,  более высокому значению, соответствует более высокая вязкость, то есть масло с вязкостью SAE 15W-40 ведёт себя  как SAE 15 в холоде и как SAE 40 в нагретом состоянии. Это дает необходимую защиту во время рабочих температур, до тех пор, пока обеспечивается условие, что масло в холодном двигателе не слишком вязкое для того чтобы течь. Фактически «W» означает «Winter»(Зима). График расположенный ниже иллюстрирует зависимость между сезонным и всесезонным маслом.

Рис. 2: Сезонное/Всесезонное масло – зависимость от температуры (упрощенно).

VI масла может быть увеличен различными путями. Обычное минеральное масло имеет в своем составе присадки. VII - viscosity index improver (улучшители индекса вязкости), которые представляют собой длинные цепочки органических полимеров, которые  остаются аккуратно свернутыми пока холодно. Но как только температура начинает расти, полимеры «разматываются» и тем самым замедляют уменьшение вязкости, вызванное ростом температуры. Минеральные масла глубокой очистки имеют естественно высокий VI , так как процесс очистки удаляет компоненты нефти с низким VI. Наконец, синтетические смазочные материалы могут быть химически разработаны так, чтобы иметь высокий индекс вязкости. Запомните, просто очистка масла, без каких-либо присадок,  дает натуральный, высокий VI.

Индекс вязкости масла может быть определен измерением кинематической вязкости масла при двух температурах, обычно это 40°C и 100C. Кинематическая вязкость определяется при помощи кинематического вискозиметра. Типичные такие инструменты представлены на изображении ниже.
  

Рис. 3: Кинематические вискозиметры.

Силиконовая масляная ванна при постоянной температуре (с точностью до одной двадцатой градуса) и серия трубок погружённых в ванну. Масло течёт по трубкам под действием силы тяжести до тех пор, пока не достигнет электронного сенсора в нижней части трубки. Когда масло проходит через сенсор, включается таймер. На небольшом расстоянии после этого есть еще один сенсор, который останавливает таймер, когда масло проходит мимо него.  Основываясь на известном нам диаметре трубки и времени прохождения масла между двумя сенсорами, мы можем вычислить вязкость.

Этот исследовательский метод очень прост. Он также быстр, дёшев, точен и воспроизводим. Это совсем не так при определении динамической вязкости, когда плёнка масла расположена между двумя пластинами и измеряется сила, требуемая для кручения одной пластины относительно другой. Явные преимущества измерения кинематической вязкости подталкивают нас к выбору именно этого метода. Однако динамическая вязкость дала бы нам более верное отражение того, что на самом деле происходит в смазочной системе. Измерения кинематической вязкости, под действием гравитации, подвергают масло очень небольшим усилиям сдвига, тогда как во время измерения динамической вязкости, оказывается приближенное к реальному усилие сдвига, которое встречается в механических системах, а это, в свою очередь,  может отразиться  на вязкости масла в реальной ситуации.

Прежде чем мы двинемся дальше, давайте рассмотрим некоторые малоиспользуемые единицы измерения кинематической вязкости. Универсальные Секунды Сейболта или Вязкость по Сейболту (SUS - Saybolt Universal Seconds), была популярна в США, и основывалась на количестве секунд необходимых для прохождения 60 мл масла через специальное калиброванное отверстие. Связаны с SUS (или SSU)  и  Furol Секунды Сейболта (SFS - Saybolt Furol Seconds). Это в основном то же, что и универсальные измерения, но применяется к более вязким жидкостям. «Furol» - это акроним от «Fuel and Road Oils»(Топливо и Дорожные Масла). Градусы Энглера были популярны в континентальной Европе и основаны на отношении времени занимаемого прохождением потока 200мл масла через вискозиметр ко времени занимаемому таким же объемом воды при 20°C. Секунды Рэдвуда использовались в Великобритании, этот метод основан на времени занимающем потоком  50мл масла через вискозиметр. Есть коэффициенты перевода результатов измерений от одной системы к другой, но только температура должна быть фиксированной, а также обычно предполагают, что масло имеет VI от 95.

Итак, теперь мы знаем, что мы измеряем, но зачем мы это измеряем и как мы распорядимся этим – что значат эти результаты? В чем смысл вязкости, она слишком маленькая или слишком большая? Какие причины заставляют вязкость изменяться?