Экспериментальные исследования реологических свойств всесезонных моторных масел

Контроль и испытания

УДК 532.135

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВСЕСЕЗОННЫХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

И.Г. Леванов, Е.А. Задорожная

THE EXPERIMENTAL RESEARCHES OF RHEOLOGICAL PROPERTIES OF MULTIGRADE MOTOR OIL

I.G. Levanov, E.A. Zadorozhnaya

Выполнены исследования реологических свойств всесезонных моторных масел класса SAE 10W-40. Показано, что снижение вязкости при сдвиге может достигать 26 %. Рассчитаны параметры степенного реологического закона для моторных масел. Результаты этих исследований могут быть полезны специалистам, занимающимся проектированием двигателей внутреннего сгорания.

Ключевые слова: всесезонные моторные масла, реологические свойства, степенной закон, скорость сдвига.

Researches of rheological properties of multigrade oils of class SAE 10W-40 are executed. It is shown that viscosity decrease at shear can achieve 26 %. Parameters of the power rheological law for engine oils are calculated. Results of these researches can be useful the experts who are engaged in designing of internal combustion engines.

Keywords: multigrade oils, rheological properties, power law, shear rate.

Введение. Сегодня при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания наибольшее распространение получили всесезонные моторные масла. Их круглогодичное применение целесообразно вследствие большего, чем у сезонных, индекса вязкости. Кроме того, использование всесезонных масел уменьшает образование отложений, облегчает запуск двигателя при низких температурах, а также способствует повышению ресурса, благодаря несколько большей, чем у сезонных, вязкости при повышенных температурах.

Так, например, американская фирма Cummins Inc. (Камминс) - один из крупнейших в мире производителей дизельных двигателей для тягачей, автобусов, бронетехники и самоходных судов, рекомендует использовать в зависимости от температурных условий всесезонные моторные масла классов SAE 0W-30, 5W-30, 10W-30, 5W-40, 15W-40. Отечественные двигателестроительные компании также рекомендуют применять всесезонные моторные масла.

Однако, эффективное применение масел таких классов возможно только в том случае, если это допускает конструкция двигателя, в частности, подшипников скольжения коленчатого вала. Это связано с некоторыми особенностями реологического поведения всесезонных масел. В частности, с зависимостью вязкости от скорости сдвига [1].

Настоящая статья является частью работы по созданию методики расчёта гидромеханических характеристик сложнонагруженных подшипников скольжения, работающих на неньютоновских маслах [2].

При создании методики был использован известный подход, основанный на модификации обобщенного уравнения Рейнольдса путём применения различных реологических законов. С точки зрения гидродинамической теории смазки, как теоретического фундамента для расчёта подшипников скольжения ДВС, вязкость, входящая в обобщенное уравнение Рейнольдса, является наиболее важной характеристикой смазочного материала. Изменение вязкости влияет на распределение гидродинамических давлений в подшипнике скольжения и, следовательно, на все его гидромеханические характеристики. В связи с этим, задача исследования реологических свойств всесезонных моторных масел и обоснование выбора реологической модели является принципиальной при разработке методики расчёта.

Следует отметить значительный вклад американских, европейских инженеров и исследователей в изучение влияния реологии моторных масел на работу двигателей внутреннего сгорания, в частности, подшипников скольжения коленчатого вала. Результаты многочисленных исследований были учтены в классификации БАЕГЗОО [3] (табл. 1), являющейся сегодня единственной признанной во всём мире системой классификации автомобильных моторных масел. Согласно этой классификации в отношении всесезонных масел устанавливается понятие минимальной вязкости при температуре 150 °С и скорости сдвига (отношение скорости скольжения к зазору) 10б с-1, так называемая высокотемпературная, высокоскоростная вязкость (НТН8). Измерение вязкости при таких условиях проводят с помощью вискозиметра, представляющего собой имитатор конического подшипника (по методике АБТМ 04683-09), который имеет высокую стоимость и сложность конструкции.

Таблица 1

Степени вязкости вАЕ для моторных масел

Степень вязкости Низкотемпературная вязкость Высокотемпературная вязкость

Проворачиваемость Прокачиваемость Вязкость при 100 °С, мм2/с Вязкость НТНБ при 150 °С и скорости сдвига 106 с *; мПа-с, не менее

Максимальная вязкость, мПа-с ШІП шах

при темп. * при темп. **

0\У 3250 при -30 °С 60 000 при -40°С 3,8

5\¥ 3500 при -25 °С 60 000 при -35 °С 3,8

10\¥ 3500 при-20 °С 60 000 при -30°С 4,1

15\¥ 3500 при-15 °С 60 000 при -25°С 5,6

20\¥ 4500 при -10 °С 60 000 при -20°С 5,6

25'№ 6000 при -5° С 60 000 при -15°С 9,3

20 5,6 <9,3 2,6

30 9,3 <12,5 2,9

40 12,5 <16,3 2 9***

40 12,5 <16,3 ^ у****

50 ‘ 16,3 <21,9 3,7

60 21,9 <26,1 3,7

Примечания: 1 сСт = 1 мм2/с. * При запуске холодного двигателя, вязкость проворачивания, измеряется на вискозиметре ССБ; ** в отсутствии напряжения сдвига, измеряется на вискозиметре МЯУ; *** для масел БАЕ 0\У-40,5\¥-40 и 10\¥-40; **** для масел БАЕ 40,15\У-40, 20\У-40 и 25\У-40.

Таким образом, в этом стандарте косвенно учитываются особенности реологического поведения всесезонных масел. Однако понятие НТН8 вязкости не отражает особенностей реологического поведения масел при других рабочих условиях,

т. е. при скоростях сдвига менее 10б с-1 и температурах менее 150 °С.

В связи с этим, главная цель - исследование реологических свойств современных всесезонных моторных масел. Результаты этих исследований могут быть полезны специалистам, занимающимся проектированием двигателей внутреннего сгорания.

Оборудование, образцы масел, условия эксперимента. На сегодняшний день в ГОУ ВПО ЮУрГУ в вузовско-академической лаборатории «Триботехника» им. д-ра техн. наук, профессора В.Н. Прокопьева имеется возможность исследовать реологические свойства масел в диапазоне скоростей сдвига от 1 до 6,58-103 с-1 и температурах от +30 до +170°С с помощью измерительного комплекса Ю1ео1е511^4 4.1, общий вид которого представлен на рис. 1.

Рис. 1. Измерительный комплекс ЯМео1е51 НМ 4.1:

1 - вискозиметр; 2 - блок управления; 3 - измерительные системы; 4 - криостат; 5 - термостатирующие сосуды

В качестве объектов исследования были взяты моторные масла класса вязкости БАЕ 10\У-40, условно обозначенные как А, В и С. Выбор масел такого класса вязкости обусловлен тем, что БАЕ 10\¥-40 один из наиболее подходящих для большей части территории России классов. Основной целью исследований является измерение зависимости вязкости масел от скорости сдвига при температурах от +40 до +150°С, а также аппроксимация полученных зависимостей и расчёт необходимых параметров реологической модели.

Выбор температур обусловлен, с одной стороны, отечественным ГОСТ 25371-97 [4], с другой стороны, международным стандартом ЗАЕГЗОО.

Методика эксперимента и результаты. Исследования были выполнены в соответствии с рекомендациями, изложенными в руководстве по эксплуатации к измерительному комплексу Ю1ео1е51 КЫ 4.1. Методика эксперимента включает следующие основные этапы: калибровки, термостатирования, измерения, обработки результатов.

Калибровка необходима для проверки точности показаний комплекса, а также для оценки систематической погрешности. Для проверки был использован государственный стандартный образец вязкости (ГСО-40). Отклонение измеренных значений от нормы составило менее 5 %, что соответствует заявленной точности. Для вычисления систематической погрешности были выполнены измерения эталонных жидкостей, вязкость которых заведомо известна и не зависит от скорости сдвига при ее значениях, достигаемых в ротационном вискозиметре: масло М8Г2к и индивидуальное химическое вещество - триэтаноламин. Результаты четырёх последовательных измерений вязкости масла М8Г2к при плавном изменении скорости сдвига от 0 до 6,58 103 с-1 представлены на рис. 2.

Ц,

Па-с

0,009 0,008 0,007

0,006 0,005

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Y > с-1

Рис. 2. Зависимость вязкости масла М8Г2к от скорости сдвига при Т = 100 °С

Видно, что масло М8Г2к имеет некоторую зависимость вязкости от скорости сдвига. Однако этого не может быть априори, поскольку масло М8Г2к не содержит загущающих вязкостных присадок и является ньютоновской жидкостью.

Наибольшие отклонения от линейных наблюдаются при низких значениях скорости сдвига. За истинное значение вязкости принимали значение в области наименьшей зависимости показаний прибора от скорости сдвига, т. е. минимальные значения ().

Поправочные коэффициенты для соответствующих значений скорости сдвига у( были рассчитаны по формуле

где (1, - показания прибора при скорости сдвига у,, Па с.

Значения поправочных коэффициентов, рассчитанные для масла М8Г2к и триэтаноламина, представлены на рис. 3.

f- )50

Ч-1,000

0,950

0,900

0,850

0,800

0,750

0,700

0,650

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 у, с~'

Рис. 3. Значения поправочных коэффициентов

Результаты измерений показали, что поправочные коэффициенты практически совпадают для ньютоновских жидкостей, принадлежащих к разным химическим классам, и не зависят от температуры измерения.

Для того чтобы обеспечить необходимую точность измерений, пробу масла выдерживали в течение двадцати минут при заданной температуре. Измерение зависимости вязкости от скорости сдвига осуществлялось после того, как температура стабилизировалась с точностью до ± 0,5 °С. При обработке результатов все полученные значения были скорректированы с помощью найденных поправочных коэффициентов.

Результаты измерений реологических свойств моторных масел класса SAE 10W-40 представлены в табл. 2 и на рис. 4.

Таблица 2

Снижение вязкости (в %) в диапазоне скоростей сдвига от 103 с-1 до 6,58-103 с-1

Е!Щ —£

• Опыт 1 Вещество • Опыт 2 Вещество • Олыт1 8Г2к Олыт2 8Г2к • ОпытЗ 8Г2к • Опыт4 8Г2к

iJK»

J

if

/

Масло Т = 40 °С Г = 100 °С Г = 120 °С Г = 150 °С

А 13 3,7 12,3 26,2

В 7,1 4,9 4,2 6,5

С 5,7 6,2 9,7 17,1

Результаты свидетельствуют о том, что в диапазоне скоростей сдвига от 103с 1 до 6,58 • 103 с-1 снижение вязкости может достигать 26 % (см. табл. 2). Как видно из рис. 4, вязкость масел может значительно различаться в пределах одного класса. Важно отметить, что вязкость масел А, В и С при температуре 150 °С составляет 3,3, 4,3 и 3,9 мПа с, соответственно. Минимально допустимое значение вязкости по международному стандарту БАЕ 1300 для масел класса вязкости 10\У-40 составляет 2,9 мПа с при температуре 150 °С и скорости сдвига 106с-1 (см. табл. 1). Таким образом, можно предположить, что существующий стандарт не исключает возможности релаксационного снижения вязкости моторного масла в наиболее напряженном режиме работы двигателей.

Для подтверждения этого предположения полученные зависимости вязкости от скорости сдвига были аппроксимированы степенным законом [1]:

\1 = кГ~1.

Здесь к - мера консистенции; п - показатель, характеризующий степень неньютоновского поведения.

После несложных математических преобразований получили выражение для показателя п:

lg

Л = —7....^

•2 _1

где // - кажущаяся вязкость при максимальной скорости сдвига у = 6,58 • 10 с

Па-с 0,0740 0,0720 0,0700

а)

' 0,0680 0,0660 0,0640 0,0620 0,0600

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 у , С_1

Ц.

Па-с 0,0120 „ 0,0115

о)

0,0110 0,0105 0,0100 0,0095

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 у, С-1'

и.

Пас

0,0060 0,0055 в) 0,0050 0,0045 0,0040 0,0035 0,0030

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 У,С

Рис. 4. Зависимости вязкости масел А, В и С (SAE 10W-40) от скорости сдвига для разных температур: а) Т = 40 °С; 6) Т = 100 °С; в) Т = 150 °С. 1 - масло А; 2 - масло В; 3 - масло С

В качестве меры консистенции к была принята кажущаяся вязкость при скорости сдвига

2 “1

10 с . Значения ц, к и п представлены в табл. 3.

Таблица 3

Значения Ц, к и п

Масло Параметры 40 °С 100 °С 120 °С 150 °С

А ц, мПа-с 59,97 10,19 6,3 3,23

к, мПа• с1/" 65,82 11,68 7,8 5,06

п 0,989 0,984 0,975 0,949

В ц, мПа • с 64,67 9,69 6,66 3,91

к , мПа  с17" 70,15 10,65 7,44 4,19

п 0,991 0,993 0,987 0,988

С IX, мПа • с 69,31 11,35 7,40 4,344

к, мПа• с17" 73,17 13,54 9,54 7,18

п 0,994 0,980 0,971 0,943

♦ ♦ •v к /3

А * * /2 А

Важно отметить, что показатель п, характеризующий степень неньютоновского поведения масла, является функцией температуры.

На рис. 5 представлены результаты аппроксимации зависимости вязкости от скорости сдвига (при температуре 150 °С, скорости сдвига 106с-1), а также экспериментальные значения в диапа-зоне скоростей от 10 с до 6,58 10 с .

Па с 0,0055 0,0050

а)

0,0045 -Ц 0,0040 0,0035 0,0030 0,0025

♦  ♦ - » ♦♦ ♦♦ V** У2

—^ 1 —7—

’

102

103

104

105 У !

106

б)

ц, Па с 0,0045 0,0040 0,0035 0,0030

0,0025

2 1

10"

103

104

105 V,

106

ц, Па с 0,0060 0,0055 0,0050 в) 0,0045 0,0040 0,0035 0,0030 0,0025

♦ ♦ 2 1

102

103

104

105 У , с'1 106

Рис. 5. Зависимости вязкости масел от скорости сдвига при температуре 150 °С: а - масло А; б - масло В; в - масло С. 1 - расчётные значения;

2 - экспериментальные значения

Видно, что при найденных параметрах степенного закона расчётные и экспериментальные

^ —1 3 —1

значения хорошо согласуются в диапазоне скоростей сдвига от 10 с до 6,58-10 с . Важно отметить, что при скорости сдвига 106 с-1 расчётные вязкости масел А и С составляют 2,83 и 3,41 мПа с, соответственно. Отклонение от минимально допустимого значения 2,9 мПа с по стандарту БАЕ 1300 составляет 2,4 % для масла Л и 15 % для масла С . Эти результаты хорошо согласуются с данными работы [5].

Однако для масла В аппроксимация даёт завышенное значение вязкости - 3,7 мПа с, что соответствует минимально допустимому для классов БАЕ 15\¥-40, 20W-40 и 25\¥-40.

Заключение. На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Степенной закон с достаточной точностью позволяет описывать реологическое поведение

современных всесезонных моторных масел в диапазоне скоростей сдвига от 103 с-1 до 106с-1. Для температуры 150 °С при п = 0,949 и к = 5,06 мПа • с1/л степенной реологический закон обеспечивает минимальные значения вязкости в соответствии с международным стандартом БАЕ 1300 для масел класса 10\\М0.

2. Предшествующие расчётные исследования показали, что при температурах 140... 150 °С и значениях вязкости 4...6 мПа с толщина разделяющего слоя в подшипниках достигает значений, близких к минимально допустимым [2], поэтому даже при незначительном снижении вязкости возможен переход от жидкостного трения к граничным режимам с повышенной скоростью

изнашивания поверхностей трения. В связи с этим необходимо учитывать реологическое поведение масел при проектировании узлов трения, в частности, подшипников скольжения.

В настоящее время проводятся исследования реологических свойств всесезонных масел классов вязкости SAE 0W-40, 5W-40 и 15W-40.

Представленная работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» и Российского фонда фундаментальных исследований (проект 10-08-00424).

Литература

1. Леванов, И.Г. Обзор реологических моделей моторных масел, используемых при расчётах динамики подшипников скольжения коленчатого вала / И.Г. Леванов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». —2010. - Вып. 15. — № 10 — С. 54-62.

2. Совершенствование методики расчёта сложнонагруженных подшипников скольжения, смазываемых неньютоновскими маслами / В.Н. Прокопьев, Е.А. Задорожная, В.Г. Караваев, И.Г. Леванов // Проблемы машиностроения и надёжности машин. -2010. -№ 1. - С. 63-67.

3. Синельников, А. Ф. Автомобильные масла: краткий справ. / А. Ф. Синельников, В.И. Балабанов. -М.: ООО «Книжное издательство «Зарулём», 2005. - 176 с.

4. ГОСТ 25371-97. Нефтепродукты. Расчет индекса вязкости по кинематической вязкости. -Взамен ГОСТ25371-82;1999-1-07. - Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации; М.: Изд-во стандартов, 2001. -25 с. - (Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу).

5. The viscoelastic properties of multigrade oils and their effect on journal-bearing characteristics / B.P. Williamson, T.W. Bates, R.C. Coy, A.L. Milton // J. Non-Newtonian Fluid Mech. - 1997. -V. 73.-P. 115-126.

Поступила в редакцию 15 февраля 2011 г.

Леванов Игорь Геннадьевич. Аспирант, инженер кафедры «Автомобильный транспорт и сервис автомобилей», Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов — гидродинамическая теория смазки, неньютоновские жидкости, расчёт трибосопряжений поршневых и роторных машин.

Levanov Igor Gennadevich. The post-graduate student, the engineer of «Motor transport and service of cars» department of the South Ural State University. The area of scientific interests - the hydrodynamical theory of greasing, non-Newtonian fluids, calculation of tribounits piston and rotor-type machines.

Задорожная Елена Анатольевна. Кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобильный транспорт и сервис автомобилей», Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов: динамика опор скольжения, трение, износ и смазка машин, нелинейная динамика роторов.

Zadorozhnaya Elena Anatolevna. Candidate of engineering science, senior lecturer of «Motor transport and service of cars» department of the South Ural State University. The area of scientific interests: sliding supports dynamics, friction, wear, lubrication of machines, rotors nonlinear dynamics.