Как вязкость масла влияет на давление

Институт моторного масла / Глава 9 — Начнем сначала

Мы выяснили, что масла 0W-30, 5W-30, 10W-30 и простая 30-ка все имеют совершенно одинаковую вязкость при 100°С и 150°С. А как насчет вязкости в момент пуска? Имеют ли масла 0W-20, 0W-30 и 0W-40 одинаковую вязкость в момент пуска при 24°С? Ответ — нет. Стандарт SAE J300 допускает некоторые отличия. Вот пример:

Цифры не совсем точные, но они ясно дают понять что за “0” скрываются различные пусковые вязкости. И в то же время в горячем двигателе масла 0W-30, 5W-30, 10W-30 и простая 30-ка имеют идентичную вязкость равную 10 сСт.
Я бы хотел прокомментировать следующие утверждения сделанные опытным автомобильным энтузиастом:
“Давление и поток связаны с вязкостью, но не имеют никакого отношения к процессу смазывания. Смазывание — это свойство жидкости, а не силы. Маслонасос мог бы с таким же успехом прокачивать воду, но она бы не обеспечивала никакой смазки. Если мы удвоим давление — мы удвоим поток. Если мы снижаем вязкость, мы увеличиваем поток и теряем давление. Интенсивный поток помогает лучше охлаждать. Высокое давление помогает сохранять металлические детали такие как подшипники от взаимного соприкосновения.”
Вот вам один пример: возьмем компрессор домашнего кондиционера воздуха на закрытом подшипнике. Поставим вентиль с одного конца вала подшипника и сожмем подшипник под давлением. Оно никак не поспособствует снижению износа, никак.
Я приведу для вас следующий пример чтобы помочь визуализировать то, что происходит с моторными маслами. Здесь будет подразумеваться что масло не имеет внутреннего сопротивления. На самом же деле, удвоение давления не удвоит скорость потока, усиление будет немногим меньше. И густые масла имеют большее сопротивление чем жидкие во всех случаях. Но, упрощая, получим следующую картину:

Если на масле той же вязкости мы увеличим отдачу маслонасоса — мы увеличим давление и скорость потока масла. Если мы удвоим отдачу маслонасоса — мы удвоим давление и скорость потока (в идеальной системе). Но мы всегда будем ограничены перепускным клапаном насоса:

Сравним с маслом класса вязкости 40 при рабочей температуре:
Масло более густое, имеет более высокое внутреннее сопротивление, соответственно, требует больше давления для получения той же скорости потока (для того же гипотетического двигателя).

Увеличение давления при использовании той же вязкости масла даст увеличение скорости потока, но увеличение давления от увеличения вязкости масла даст снижение скорости потока. Для прокачки густого масла требуется больше давления. Когда вы переходите на густое масло, давление повышается из-за повышения сопротивления, и, следовательно, уменьшения скорости потока. Из-за того что повышенное давление наступает раньше, перепускной клапан насоса открывается раньше. В результате, при высоких оборотах, когда высокая скорость потока так необходима, она будет меньше.
В этих графиках есть еще один интересный момент, но о нем — в следующей главе.
Кроме того, в дополнение ко всему, давление — не означает смазывание. Давайте еще раз взглянем на одиночный закрытый подшипник, смазанный маслом на весь срок службы. Мы могли бы соорудить систему для создания давления в подшипнике. Такое на самом деле возможно. Мы могли бы оставить там обычное атмосферное давление. Потом могли бы удвоить, утроить, учетверить давление масла в нем. Масло — несжимая жидкость. Вне зависимости от давления, мы будем иметь качество смазывания идентичное оному при обычном давлении.
Физика процесса смазывания выделяет прямую зависимость между скоростью потока и разделяющим давлением. Сам процесс смазки не зависит от давления. Я не стану приводить вам математические уравнения.
Даже вода может быть использована в качестве смазочного материала. Частично благодаря тому что имеет высокое значение поверхностного натяжения. Она используется во многих медицинских приборах и других системах, которые находятся в воде или подвержены воздействию воды. Дело в том что вода вызывает коррозию металлических деталей что делает ее использование неприемлемым для автомобильных двигателей. По сравнению с маслом она имеет более высокую теплоемкость. Значит она могла бы забирать больше тепла с поверхностей подшипников. В этом отношении вода как смазочный материал превосходит масло.

Как вязкость масла влияет на давление

1. Вязкость, вязкостно-температурные характеристики
Вязкость является важнейшим критерием оценки несущих способностей гидравлического масла. Вязкость дифференцируют по динамическим и кинематическим показателям.
Индустриальные смазочные масла и гидравлические масла классифицируют по ISO классам вязкости на основании их кинематической вязкости, которую, в свою очередь, описывают как отношение динамической вязкости к плотности. Эталонной является температура 40 °С. Официальной единицей измерения (St) для кинематической вязкости является м 2 /с, а в нефтеперерабатывающей промышленности единицей измерения кинематической вязкости является cSt (сантистокс) или мм 2 /с. Классификация вязкости ISO, DIN 51519 для жидких промышленных смазочных материалов описывает 18 сортов (классов) вязкости от 2 до 1500 мм 2 /с при температуре 40 °С. Каждый сорт определяют по средней вязкости при 40 °С и с допустимым отклонением ±10% от этой величины. Вязкостно-температурная зависимость имеет большое значение для гидравлических масел. Вязкость резко увеличивается с понижением температуры и понижается по мере повышения температуры. В практическом смысле пороговая вязкость жидкости (допустимая вязкость при запуске, прибл. 800—2000 мм 2 /с) необходима для использования в насосах различных типов. Минимально допустимая вязкость при высоких температурах определяется началом фазы граничного трения. Минимальная вязкость не должна быть ниже 7—10 мм 2 /с во избежание недопустимого износа насосов и двигателей. Кривые на вязкостно-температурных графиках описывают зависимость вязкости гидравлических жидкостей от температуры. В линейных условиях В—Т— кривые гиперболичны. Путем математической трансформации эти В— Т — кривые могут быть представлены как прямые линии. Эти линии позволяют точно определять вязкость в широком температурном диапазоне. Индекс вязкости (ИВ) является критерием В— Т-зависимости, а В—Т— кривая — градиентом на графике. Чем выше ИВ гидравлической жидкости, тем меньше изменение вязкости с изменением температуры, т. е. тем более полога В— Т— кривая. Гидравлические масла на базе минеральных масел обычно имеют природный ИВ 95-100. Синтетические гидравлические масла на базе сложных эфиров имеют предельный ИВ 140-180, а полигликоли — природный ИВ 180-200 (рис. 1)

Индекс вязкости может быть также повышен с помощью присадок (полимерных присадок, которые должны обладать стойкостью к сдвигу), называемых присадками, улучшающими ИВ, или вязкостными присадками. Гидравлические масла с высокими ИВ обеспечивают легкий запуск, снижают потери в эксплуатационных характеристиках при низких окружающи температурах и улучшают уплотнения и защиту от износа при высоких рабочих температурах. Высокоиндексные масла повышают эффективность системы и увеличивают срок службы узлов и компонентов, подверженных износу (чем выше вязкость при рабочих температурах, тем лучше коэффициент объема).

2. Зависимость вязкости от давления
За несущую способность смазочной пленки ответственна зависимость вязкости смазочного материала от давления. Динамическая вязкость жидких сред повышается с повышением давления. Ниже приведен способ регулирования зависимости динамической вязкости от давления при постоянной температуре.
Зависимость вязкости от давления, а именно увеличение вязкости по мере повышения давления оказывает положительное влияние на удельную нагрузку (например, на подшипники), потому что вязкость смазочной пленки увеличивается под действием высокого парциального давления с 0 до 2000 атм. Вязкость HFC жидкости увеличивается в два раза, минерального масла — в 30 раз, в HFD жидкости — в 60 раз. Этим объясняется сравнительно короткий срок службы роликовых подшипников, если для их смазки используют (HFA, HFC) смазочные масла на водной основе. На рис. 2. и 3 показана зависимость вязкости от давления для различных гидравлических жидкостей.

Вязкостно-температурные характеристики могут быть также описаны экспоненциальным выражением:

где η_ο— динамическая вязкость при атмосферном давлении, α — коэффициент зависимости «вязкость-давление», Р—давление. Для HFCα = 3,5 · 10 -4 атм -1 ;
для HFDα = 2,2·10 -3 атм -1 ; для HLPα = 1,7·10 -3 атм -1

3. Плотность
Потери гидравлических жидкостей в трубопроводной обвязке и в элементах гидравлической системы прямо пропорциональны плотности жидкости. Например, потери давления прямо пропорциональны плотности:

где ρ — плотность жидкости, ξ, — коэффициент сопротивления, с — скорость течения жидкости, а ΔP — потеря давления.
Плотность ρ — это масса единицы объема жидкости.

Плотность гидравлической жидкости измеряют при температуре 15 °С. Она зависит от температуры и давления, так как объем жидкости увеличивается при увеличении температуры. Таким образом, изменение объема жидкости в результате нагрева происходит по уравнению

что приводит к изменению плотности:

В гидростатических условиях при температурах от –5 до +150 °С достаточно применения линейной формулы к приведенному выше уравнению. Коэффициент термического объемного расширения β_темп может быть применен ко всем типам гидравлических жидкостей.

Так как коэффициент термического расширения минеральных масел приблизительно составляет 7 · 10 -4 К -1 , то объем гидравлической жидкости увеличивается на 0,7%, если ее температура повышается на 10 °С. На рис. 5 показана зависимость объема гидравлических жидкостей от температуры.

Зависимость «плотность—давление» гидравлических жидкостей следует также включить в гидростатическую оценку, так как сжимаемость жидкостей негативно влияет на их динамические характеристики. Зависимость плотности от давления можно просто считывать по соответствующим кривым (рис. 6).

4. Сжимаемость
Сжимаемость гидравлических жидкостей на базе минеральных масел зависит от температуры и давления. При давлениях вплоть до 400 атм и температурах до 70 °С, которые являются предельными для индустриальных систем, сжимаемость ревалентна системе. Гидравлические жидкости, применяемые в большинстве гидравлических систем, можно считать несжимаемыми. Однако при давлениях от 1000 до 10 000 атм могут наблюдаться изменения в сжимаемости среды. Сжимаемость выражается коэффициентом β или модулем М (рис. 7, М = К).

Изменение объема можно определить с помощью уравнения

где ΔV— изменение объема; Р_max — максимальное давление; Р _нач— начальное давление.

5. Растворимость газов, кавитация
Воздух и другие газы могут растворяться в жидкостях. Жидкость может абсорбировать газ до состояния насыщения. Это не должно негативно влиять на характеристики жидкости. Растворимость газа в жидкости зависит от базовой составляющей типа газа, давления и температуры. При давлении вплоть до ≈300 атм. растворимость газа пропорциональна давлению и соответствует закону Генри.

где V_G — объем растворенного газа; V_F — объем жидкости, Р_o — атмосферное давление, P—давление жидкости; α_V —коэффициент распределения Бунзена (1,013 мбар,20 °С).
Коэффициент Бунзена в высокой степени зависит от базовой жидкости и показывает, насколько (%) газ растворен в единице объема жидкости в нормальных условиях. Растворенный газ может выделяться из гидравлической жидкости при низком статическом давлении (высокой скорости потока и высоком напряжении сдвига) до тех пор, пока не достигнута новая точка насыщения. Скорость, с которой газ покидает жидкость, обычно превышает скорость, с которой газ абсорбируется жидкостью. Газ, выходящий из жидкости в виде пузырьков, изменяет сжимаемость жидкости аналогично пузырькам воздуха. Даже при низких давлениях небольшое количество воздуха может резко снизить несжимаемость жидкости. В мобильных системах с высокой кратностью циркуляции жидкости содержание нерастворенного воздуха может достигать величин вплоть до 5%. Этот нерастворенный воздух очень негативно влияет на эксплуатационные характеристики, несущую способность и динамику системы (смотри раздел 6 — деаэрация и раздел 7 — пенообразование). Поскольку сжимаемость жидкостей в системах обычно протекает очень быстро, пузырьки воздуха могут внезапно разогреться до высокой температуры (адиабатическая компрессия). В экстремальных случаях может быть достигнута температура возгорания жидкости и иметь место микродизельные эффекты.
Пузырьки газа могут также взрываться в насосах в результате сжатия, что может привести к повреждению вследствие эрозии (которую иногда называют кавитацией или псевдокавитацией). Ситуация может усугубиться, если в жидкости образуются пузырьки паров. Таким образом, кавитация происходит тогда, когда давление падает ниже растворимости газа или ниже давления насыщенных паров жидкости.
Кавитация в основном происходит в открытых системах с постоянным объемом, то есть опасность этого явления актуальна для впускных и выпускных контуров и насосов. Ее причинами могут быть слишком низкое абсолютное давление в результате потерь в скорости потока в узких поперечных сечениях, на фильтрах, коллекторах и дроссельных заслонках, вследствие избыточного напора на входе или потерь давления в результате чрезмерной вязкости жидкости. Кавитация может привести к эрозии насосов, снижению к. п. д., пикам давления и чрезмерному шуму.
Это явление может отрицательно влиять на стабильность дроссельных регуляторов и вызывать вспенивание в емкостях, если смесь жидкость-вода возвращается в емкость при атмосферном давлении.

6. Деаэрация
При возвращении гидравлических жидкостей обратно в резервуары поток жидкости способен увлечь с собой воздух. Это может произойти из-за утечек в трубопроводной обвязке при сужении и частичном вакууме. Турбулентность в резервуаре или локальная кавитация говорит об образовании пузырьков воздуха в жидкости.
Захваченный таким образом воздух должен выйти на поверхность жидкости, в противном случае при попадании в насос он может привести к повреждению других компонентов системы. Скорость, с которой пузырьки воздуха поднимаются на поверхность, зависит от диаметра пузырьков, вязкости жидкости, плотности и качества базового масла. Чем выше качество и чистота базового масла, тем быстрее происходит деаэрация. Маловязкие масла обычно деаэрируются быстрее, чем высоковязкие базовые масла. Это связано со скоростью подъема пузырьков.

где ρ _FL — плотность жидкости; ρ _L — плотность воздуха; η— динамическая вязкость; X— константа, зависящая от плотности и вязкости жидкости.
Системы должны быть сконструированы таким образом, чтобы воздух не попадал в жидкость, а в случае попадания увлеченные пузырьки воздуха могли легко выйти. Критическими зонами являются резервуары, которые должны быть снабжены перегородками и воздухоотражателями, и конфигурация трубопроводных обвязок и контуров. Присадки не могут положительно влиять на деаэрационные свойства гидравлических жидкостей. ПАВ (в частности, антипенные присадки на основе силиконов) и загрязняющие примеси (например, пластичные смазки и ингибиторы коррозии) вредоносно влияют на деаэрационные характеристики гидравлических масел. Минеральные масла обычно обладают лучшими деаэрационными свойствами, чем огнестойкие жидкости. Деаэрационные свойства HPLD гидравлической жидкости могут быть сопоставимы со свойствами гидравлических жидкостей HLP.
Испытание на определение деаэрационных свойств описано в стандарте DIN 51 381. Этот метод заключается в нагнетании воздуха в масло. Число деаэрации — это время, которое требуется воздуху (минус 0,2%) для того, чтобы покинуть жидкость при температуре 50 °С в заданных условиях.
Долю диспергированного воздуха определяют путем измерения плотности масляно-воздушной смеси.

7. Пенообразование
Поверхностное вспенивание происходит, когда скорость деаэрации выше скорости, с которой пузырьки воздуха лопаются на поверхности жидкости, т. е. когда образовавшихся пузырьков больше, чем разрушившихся. В худшем случае эта пена может быть выдавлена из бака через отверстия или унесена в насос. Антипенные присадки на основе силиконов или не содержащие силиконов способны ускорить разрушение пузырьков путем снижения поверхностного натяжения пены. Они также негативно влияют на деаэрационные свойства жидкости, что может вызвать проблемы сжимаемости и кавитацию. Поэтому антипенные присадки применяются в очень малых концентрациях (≈ 0,001%). Концентрация антипенной присадки может прогрессивно снижаться в результате старения и осаждения на металлических поверхностях, также проблемы пенообразования часто возникают при использовании старых, уже работавших жидкостей. Последующее введение антипенной присадки следует производить только после консультации с производителем гидравлической жидкости.
Объем пены, образующейся на поверхности жидкости, измеряют по времени (сразу, через 10 мин) и при разных температурах (25 и 95 °С). ПАВ, детергенты или диспергирующие присадки, загрязнители в виде пластичной смазки, ингибиторов коррозии, чистящих средств, СОЖ, побочных продуктов окисления и т. д. могут негативно влиять на эффективность антипенных присадок.

8. Деэмульгирование
Деэмульгирование — это способность гидравлической жидкости отталкивать проникшую воду. Вода в гидравлическую жидкость может попасть в результате утечки из теплообменника, образования конденсированной воды в резервуарах вследствие значительных изменений в уровне масла, плохой фильтрации, загрязнения воды из-за неисправности уплотнений и в экстремальных окружающих условиях. Вода в гидравлической жидкости может вызвать коррозию, кавитацию в насосах, увеличить трение и износ, ускорить разрушение эластомеров и пластиков. Свободную воду следует по возможности быстрее удалять из емкостей с гидравлическими жидкостями через сливные краны. Загрязнение водорастворимыми СОЖ, особенно возможное на станочном оборудовании, может вызывать образование липких остатков после испарения воды. Это может спровоцировать проблемы в насосах, клапанах и цилиндрах. Гидравлическая жидкость должна быстро и полностью отталкивать проникшую в нее воду. Деэмульгирование определяют по DIN 51 599, но этот метод неприменим к гидравлическим жидкостям, содержащим моюще-диспергирующие (DD) присадки. Деэмульгирование — это время, которое требуется для разделения смесей масла и воды. Параметрами деэмульгирования являются:
• вязкость вплоть до 95 мм 2 /с при 40 °С; температура испытания 54 °С;
• вязкость > 95 мм 2 /с; температура 82 °С.
В гидравлических маслах, содержащих DD присадки, вода, жидкие и твердые загрязняющие примеси удерживаются во взвешенном состоянии. Они могут быть удалены с помощью соответствующих фильтрующих систем без использования гидравлической функции машины, исключая негативное воздействие на гидравлическую жидкость. Поэтому DD гидравлические жидкости часто применяются в гидростатическом станочном оборудовании и в мобильных гидравлических системах.
Для машин с высокой кратностью циркуляции, нуждающихся в постоянной эксплуатационной готовности и перманентно подвергнутых опасности попадания воды и других загрязнителей, применение моющих гидравлических жидкостей является первостепенной областью. Гидравлические жидкости, обладающие деэмульгирующими свойствами, рекомендуются к применению в сталеплавильных и прокатных цехах, где присутствуют большие объемы воды и невысокая кратность циркуляции позволяет производить разделение эмульсий в резервуаре. Деэмульгирующие свойства в модифицированной форме используются для определения совместимости оборудования с гидравлическими маслами. Старение гидравлической жидкости негативно влияет на деэмулыирующие свойства.

9. Температура застывания
Температура застывания — это самая низкая температура, при которой жидкость все еще сохраняет текучесть. Образец жидкости систематически охлаждают и испытывают на текучесть при понижении температуры на каждые 3 °С. Такие параметры, как температура застывания и граничная вязкость, определяют самую низкую температуру, при которой возможно нормальное применение масла.

10. Медная коррозия (испытание на медной пластинке)
Медь и медьсодержащие материалы часто применяются в гидравлических системах. Такие материалы, как латунь, литейная бронза или спеченная бронза содержатся в элементах подшипников, направляющих или в узлах управления, ползунах, гидравлических насосах и моторах. Медные трубы применяются в системах охлаждения. Медная коррозия может привести к отказу всей гидравлической системы, поэтому испытание на коррозию медной пластинки проводят для получения информации о коррозионной агрессивности базовых жидкостей и присадок по отношению к материалам, содержащим медь. Методика испытания на коррозионную агрессивность гидравлических жидкостей на минеральной основе, т. е. биологически разлагаемых жидкостей, по отношению к цветным металлам известна как метод Линде (отборочный метод испытания биологически разлагаемых масел на коррозионную агрессивность по отношению к медным сплавам) (SAE Технический бюллетень 981 516, апрель 1998 г.), также известный как VDMA 24570 (VDMA 24570 — биологически быстро разлагаемые гидравлические жидкости — воздействие на сплавы из цветных металлов 03-1999 на немецком языке).
В соответствии со стандартом DIN 51 759, коррозия на медной пластинке может выражаться в форме изменения цвета или образования чешуек. Шлифовальную медную пластинку погружают в испытуемую жидкость на заданное время при заданной температуре. Гидравлические и смазочные масла обычно испытывают при температуре 100 °С. Степень коррозии оценивают в баллах:
1 — легкое изменение цвета;
2 — умеренное изменение цвета;
3 — сильное изменение цвета;
4 — коррозия (потемнение).

11. Содержание воды (Метод Карла Фишера)
Если вода попадает в гидравлическую систему частично тонкодиспергированной настолько, что она проникает в масляную фазу, то в зависимости от плотности гидравлической жидкости вода может также выделяться из масляной фазы. Эту возможность необходимо учитывать при отборе проб для определения содержания воды.
Определение содержания воды в мг/кг (масс) по методу Карла Фишера связано с введением раствора Карла Фишера при прямом или косвенном титровании.

12. Стойкость к старению (метод Баадера)
Это попытка повторить изучение влияния воздуха, температуры и кислорода на гидравлические жидкости в лабораторных условиях. Была предпринята попытка искусственно ускорить старение гидравлических масел путем повышения температуры выше уровней практического применения, а также уровня кислорода в присутствии металлических катализаторов. Увеличение вязкости и увеличение кислотного числа (свободная кислота) регистрируют и оценивают. Результаты лабораторных испытаний переводят на практические условия. Метод Баадера — это практический способ испытания гидравлических и смазочных масел на старение.
В течение заданного периода времени образцы подвергают старению при заданных температуре и давлении потока воздуха при периодическом погружении в масло медного змеевика, действующего в качестве ускорителя окисления. В соответствии с DIN 51 554-3 С, CL и CLP жидкости и HL, HLP, НМ гидравлические масла испытывают на окислительную стабильность при температуре 95 °С. Число омыления выражается в мг КОН/г.

13. Стойкость к старению (метод TOST)
Окислительную стабильность масел для паровых турбин и гидравлических масел, содержащих присадки, определяют в соответствии с DIN 51 587. Метод TOST уже много лет применяется для испытания турбинных масел и гидравлических жидкостей на базе минеральных масел. В модифицированном виде (без воды) сухой TOST метод применяется для определения окислительной стойкости гидравлических масел на базе сложных эфиров.
Старение смазочных масел характеризуется увеличением кислотного числа, когда масло подвергается воздействию кислорода, воды, стали и меди на протяжении максимум 1000 ч при 95 °С (кривая нейтрализации по мере старения). Максимально допустимо увеличение кислотного числа — 2 мг КОН/г после 1000 ч.

14. Кислотное число (число нейтрализации)
Кислотное число гидравлического масла увеличивается в результате старения, перегрева или окисления. Образовавшиеся продукты старения могут агрессивно действовать на насосы и подшипники гидравлической системы. Поэтому кислотное число является важным критерием оценки состояния гидравлической жидкости.
Кислотное число указывает на количество кислотных или щелочных веществ в смазочном масле. Кислоты в минеральных маслах могут агрессивно действовать на конструкционные материалы гидравлической системы. Высокое содержание кислоты нежелательно, так как возможно в результате окисления.

15. Защитные антиокислительные свойства по отношению к стали/черным металлам
Антиокислительные свойства турбинных и гидравлических масел, содержащих присадки, по отношению к стали/черным металлам определяют в соответствии со стандартом DIN 51 585.
Гидравлические жидкости часто содержат диспергированную, растворенную или свободную воду, поэтому гидравлическая жидкость должна обеспечивать защиту от коррозии всех смачиваемых узлов в любых условиях эксплуатации, включая загрязнение водой. Этот метод испытания определяет характеристики антикоррозионных присадок в ряде различных условий эксплуатации.
Испытуемое масло перемешивают с дистиллированной водой (метод А) или с искусственной морской водой (метод В), непрерывно помешивая (в течение 24 ч при температуре 60 °С) стальным стержнем, погруженным в смесь. После стальной стержень исследуют на коррозию. Результаты позволяют оценивать антикоррозионные защитные свойства масла по отношению к стальным компонентам, находящимся в контакте с водой или с водяными парами:
степень коррозии 0 означает отсутствие коррозии,
степень 1 — незначительную коррозию;
степень 2 — умеренную коррозию;
степень 3 — сильную коррозию.

16. Противоизносные свойства (четырехшариковая машина Shell; VKA, DIN 51350)
Четырехшариковый аппарат компании Shell служит для измерения противоизносных и противозадирных свойств гидравлических жидкостей. Несущую способность гидравлических жидкостей испытывают в условиях граничного трения. Метод служит для определения величин для смазочных масел с присадками, которые выдерживают высокое давление в условиях граничного трения между поверхностями скольжения. Смазочное масло испытывают в четырехшариковом аппарате, который состоит из одного (центрального) вращающегося шарика и трех неподвижных шариков, расположенных в виде кольца. В постоянных условиях испытаний и с заданной продолжительностью измеряют диаметр пятна контакта на трех стационарных шариках или нагрузку на вращающийся шарик, которая может увеличиваться до сваривания с остальными тремя шариками.

17. Стойкость к сдвигу смазочных масел, содержащих полимеры
В смазочные масла для повышения вязкостно-температурных характеристик вводят полимеры, применяемые в качестве присадок, улучшающих индекс вязкости. По мере увеличения молекулярной массы эти вещества становятся все более чувствительными к механическим нагрузкам, например к таким нагрузкам, которые существуют между поршнем и его цилиндром. Для оценки стойкости масел к сдвигу в различных условиях существуют несколько методов испытаний:
DIN 5350-6, четырехшариковый метод, DIN 5354-3, FZG метод и DIN 51 382, метод впрыска дизельного топлива.
Снижение относительной вязкости вследствие сдвига после 20-часового испытания по DIN 5350-6 (определение стойкости к сдвигу смазочных масел, содержащих полимеры, применяемых для роликовых подшипников с коническим вкладышем) применяется в соответствии с DIN 51 524-3 (2006); рекомендуется снижение вязкости вследствие сдвига менее чем на 15%.

18. Механические испытания гидравлических жидкостей в ротационных крыльчатых насосах (DIN 51 389-2)
Испытание на насосе Виккерса и насосах других производителей позволяет реально оценивать характеристики гидравлических жидкостей. Однако в настоящее время в стадии разработки находятся альтернативные методы испытания (в частности, проект DGMK 514 — механические испытания гидравлических жидкостей).
Метод Виккерса служит для определения противоизносных свойств гидравлических жидкостей в ротационном крыльчатом насосе при заданных величинах температуры и давления (140 атм, 250 ч рабочей вязкости жидкости 13 мм 2 /с при изменяющейся температуре). По окончании испытания обследуют кольца и крылья на износ <Vickers V-104С10 или Vickers V-105С10). Значения максимально допустимого износа: < 120 мг для кольца и < 30 мг для крыльев.

19. Противоизносные свойства (испытание на шестеренном FZG стенде; DIN 534-1и-2)
Гидравлические жидкости, особенно высоковязкие сорта, применяются в качестве гидравлических и смазочных масел в комбинированных системах. Динамическая вязкость является главным фактором противоизносных характеристик в режиме гидродинамической смазки. При малых скоростях скольжения или высоких давлениях в условиях граничного трения противоизносные свойства жидкости зависят от примененных присадок (образование реактивного слоя). Эти граничные условия воспроизводятся при испытании на FZG стенде.
Этот метод применяется главным образом для определения граничных характеристик смазочных материалов. Определенные шестерни, вращающиеся с определенной скоростью, смазывают разбрызгиванием или распылением масла, начальную температуру которого регистрируют. Нагрузку на ножки зубьев ступенчато повышают и записывают характеристики внешнего вида ножек зубьев. Эту процедуру повторяют до конечной 12-й ступени нагрузки: давление по Герцу на 10-й ступени нагрузки в полосе зацепления составляет 1 539 Н/мм2; на ступени 11 — 1 691 Н/мм 2 ; на 12-й ступени — 1 841 Н/мм 2 . Исходная температура на ступени 4 составляет 90 °С, периферическая скорость — 8,3 м/с, предельную температуру не определяют; применяют геометрию шестерен А.
Определяют нагрузочную ступень отказа по DIN 51 524-2. Для положительного результата это должна быть ступень не менее 10-й. Гидравлические жидкости, отвечающие требованиям ISO VG 46, не содержащие противоизносных присадок, обычно достигают нагрузочной ступени 6 (≈ 929 Н/мм 2 ). Гидравлические жидкости, содержащие цинк, обычно достигают не менее 10—11-й нагрузочной ступени до разрушения. Не содержащие цинка так называемые ZAF гидравлические жидкости выдерживают ступень нагрузки 12 или выше.

Как выбрать моторное масло? Советы экспертов

Вязкостно-температурная характеристика моторного масла заметно влияет почти на все основные показатели двигателя. Мощность, момент, экономичность, ресурс — всё это рассчитывается разработчиками мотора под определенную вязкость масла. Ее классифицируют по системе SAE (англ. society of automotive engineers — сообщество автомобильных инженеров). Эта классификация оговаривает максимальную низкотемпературную вязкость, а также диапазон вязкости при 100 ºС. Но чтобы понять, какое масло выбрать, нужно для начала вспомнить, что скрывают «масляные» обозначения.

Обозначения и скрытый смысл

Они весьма условны. Первая цифра говорит о минимальной температуре, на которую рассчитано масло. Если, например, впереди стоит ноль, то проворачивание коленвала гарантируется при температуре до —35 ºС, а прокачиваемость масла — аж до —40 ºС. Точнее говоря, производитель масла ручается, что при указанных температурах вязкость продукта не превысит определенных классификацией SAE значений.

Число после дефиса отвечает за высокие температуры: оно говорит о допустимом диапазоне изменения вязкости масла при 100 ºС. К примеру, для «двадцатки» производитель обещает вилку от 5,6 до 9,3 сСт, а для «сороковки» — от 12,6 до 16,3 сСт. Кроме того, это же число характеризует минимальную вязкость при 150 ºС.

Какая вязкость лучше?

На морозе всё понятно: с чересчур вязким маслом стартер не провернет мотор, а насос не сможет прокачать масло. И чем меньше первое число в обозначении, тем меньше износ двигателя при пуске. На работу прогретого мотора этот параметр не влияет.

При высоких температурах картина сложнее. Казалось бы, чем больше вязкость, тем лучше. Но это не так. Если зальете в мотор обычной легковушки «шестидесятку», вовсе для него не предназначенную, то, скорее всего, не только потеряете мощность, а еще и угробите двигатель. Но почему? Ведь вязкое масло должно лучше защищать детали от износа. Чем выше вязкость, тем толще слой масла в подшипниках и под поршневыми кольцами и, соответственно, ниже интенсивность износа.

Однако есть и другая сторона медали, связанная с низкой теплопроводностью масла. Ведь чем толще масляный слой, тем хуже тепло отводится от поршня, который при этом начинает перегреваться и расширяться. Растет и трение — так и до заклинивания ­недалеко.

Заметим, что второе число «работает» не только при трехзначных температурах, но и во время прогрева двигателя. Чем выше вязкость, тем больше потерь на трение. А вязкость зависит от температуры. Мы проводили исследования на эту тему (ЗР, № 3, 2008). И обнаружили, что при комнатной температуре разница по вязкости между «тридцаткой» и «пятидесяткой» почти двойная. А потому и расход топлива на более вязком масле во время прогрева будет выше.

Теперь главный вопрос: какое масло нужно именно моему мотору? К сожалению, современные исследования показали, что при выборе подходящего масла для определенного двигателя одного лишь соответствия SAE недостаточно. Нужна более точная «настройка», зависящая как от конструкции мотора, так и от условий его эксплуатации и степени износа.

Что будет, если…

А зачем нужны все эти рассуждения, если правильный ответ давно известен? Заливайте исключительно то масло, которое вам рекомендует производитель автомобиля! Но ведь он старается, как правило, угодить максимальному количеству потребителей — вне зависимости от условий эксплуатации машины и ее возраста. К группе качества надо относиться с почтением: сказано SN — значит, ничего из группы SM лить нельзя. А вот с вязкостью в рамках дозволенного можно и поиграть. К примеру, для эксплуатации при низких температурах второе число в обозначении может быть чуть меньше рекомендованного инструкцией — скажем, 30 вместо 40. Это поможет несколько снизить расход топлива, потому что зимой масло прогревается дольше, чем летом, а аппетит при вязком масле будет, естественно, выше.

То же относится к машинам, которые живут в основном в городских условиях. Если мотор чаще работает на умеренных оборотах, то второе число в обозначении масла может быть чуть ниже по сравнению с рекомендованным для автомобиля, который чаще ездит по скоростным магистралям. Причина все в той же взаимосвязи толщины масляной пленки, температуры и трения. Сотрудники профильных лабораторий утверждают, что для каждого мотора и режима его работы существует оптимальная вязкость, снижающая механические потери.

Немножко самодеятельности

Впрочем, один вопрос остается. Насколько отличаются друг от друга рабочие характеристики масел с одинаковой вязкостью, но от разных производителей? Это вопрос, на который без лабораторных исследований ответить невозможно. Но многие автолюбители, особенно в холодных регионах, проводят собственные замеры, сооружая самодельные приборы для сравнительного определения вязкости. Самой наглядной конструкцией нам представляется шариковый вискозиметр. Время падения стального шарика в стеклянной трубке (ди­аметр шарика лишь чуть-чуть меньше ди­аметра трубки), заполненной маслом, косвенно говорит о вязкости продукта. Кстати, подобный принцип использован в профессиональных приборах, например в вискозиметре Гепплера. Мы смастерили такой же. Измерить точно, сколько в масле пуазов или сантистоксов, с его помощью не удастся, зато он позволяет наглядно сопоставить вязкость нескольких масел ­в идентичных условиях.

В какой из трубок стальной шарик быстрее достигнет дна, там вязкость жидкости ниже. И если к вам попадет канистра с маслом от неизвестного производителя, то организовать простейшие испытания будет совсем несложно. Скажем, в одну пробирку заливаем испытанное масло, в другую — новичка, затем помещаем всё это в морозильник (или даже в сугроб), а после выдержки переворачиваем пробирки и следим за плавным опусканием шариков. Где шарик опускается медленнее, там вязкость выше.

Нам игрушка понравилась сразу. Если при комнатной температуре шарики гуляют по трубке довольно шустро, то при минус тридцати (ниже мы не забирались) их подви­жность падает настолько, что сразу хочется пересесть на общественный транспорт: жалко мотор… В любом случае всем любителям поэкспериментировать с неизвестными маслами мы советуем соорудить себе нечто подобное, прежде чем заливать неведомую жидкость в мотор. Наглядность эксперимента гарантирована.

А вот на автомобиле экспериментировать не стоит. В любом случае настоятельно советуем прислушиваться к рекомендациям именно производителя мотора, а не масленщиков. В каких случаях и в каких пределах позволительно несколько отклоняться от них, мы рассказали выше.

НАША СПРАВКА

Различают динамическую вязкость и кинематическую вязкость. Динамическую измеряют в паскаль-секундах (Па·с), а также в пуазах (1 П = 0,1 Па·с). Она характеризует сопротивление, которое оказывает масло при попытке сдвигать один его слой относительно другого. Фактически это величина, обратная текучести. На практике чаще пользуются кинематической вязкостью, измеряемой в м²/с, стоксах (1 Ст = 10–4 м²/с) или сантистоксах (1 сСт = 10–6 м²/с. Кинематическая вязкость — это отношение ­динамической вязкости к плотности масла.