Статьи

Вязкость является важнейшим показателем физико-химических и эксплуатационных свойств нефтяных масел. Она определяет надежность режима смазки в условиях гидродинамического (жидкостного) трения и существенно влияет на охлаждающую способность масел, их утечку через уплотнения и пусковые свойства. Влияние вязкости на указанные эксплуатационные характеристики масел в значительной степени связано с температурой: при низких температурах от вязкости масел зависят пуск двигателя, циркуляция в системе смазки и охлаждающая способность; при высоких температурах-обеспечение гидродинамического режима смазки ("жидкостного клина") и минимальные утечки через неплотности.

Вязкость масел зависит главным образом от состава и строения углеводородных компонентов, возрастая с увеличением их молекулярной массы, цикличности и степени разветвленности, а также с увеличением содержания смолисто-асфальтеновых веществ. В зависимости от условий работы машин и механизмов (температуры, нагрузок, скоростей) применяют товарные масла вязкостью от 4-6 мм2/с при 50С до 60-70 мм2/с при 100С. В автомобильных карбюраторных двигателях используют масла вязкостью 6-10 мм2/с при 100С, в дизельных двигателях-8-16 мм2/с. В условиях эксплуатации в зависимости от режима трения происходит своеобразное саморегулирование вязкости: при охлаждении вязкость масла увеличивается, одновременно возрастает сила трения, приводящая к нагреванию масла и снижению его вязкости. Аналогично влияет и частота вращения. Значимость показателя вязкости при подборе масел настолько велика, что ее абсолютное значение положено в основу классификации и маркировки многих смазочных масел. Так, в классификации моторных масел цифры, входящие в их маркировку (М-6Б, М-16В, М-10Г и т.п.), означают вязкость при 100С.

Наряду с уровнем вязкости для масел, работающих в широком диапозоне температур, важно ее изменение в зависимости от температуры, т.е. вязкостно-температурные свойства. Условными показателями этого изменения являются индекс вязкости (ИВ) и коэффициенты, выражающие соотношения вязкостей при различных температурах. Нефтяные масла при высоких температурах сильно разжижаются, а при низких теряют подвижность из-за резкого возрастания вязкости. Для масел любого назначения желательны максимально пологая кривая зависимости вязкости от температуры, минимальный коэффициент, характеризующий изменение вязкости с температурой, т.е. максимальный ИВ. Оптимальным условиям применения масла в температурном интервале t1-t4 соответствует участок кривой v2-v3 хотя допустимые пределы изменения вязкости значительно больше (v1-v4). Однако такой широкий интервал изменения вязкости масла приводит к ухудшению его некоторых эксплуатационных характеристик. Так, пуск холодного двигателя затруднен из-за резкого возрастания вязкости, приводящего к уменьшению (или прекращению) подачи масла к узлам трения и к необходимости преодолевать значительное сопротивление в начальный период пуска двигателя. При значительном снижении вязкости, хотя оно и желательно с точки зрения легкого пуска двигателя, резко уменьшается несущая способность тонкого слоя масла, разделяющего трущиеся поверхности.

Чем ниже вязкость масла одинаковой химической природы, тем меньше возрастает она с понижением температуры. Однако вязкостно-температурные свойства даже маловязких масел не соответствуют требованиям к современным маслам по температурному диапазону работоспособности. Снижение вязкости масел с целью улучшения их вязкостно-температурных свойств недопустимо также из-за необходимости иметь достаточно высокий уровень вязкости при высоких температурах. Значительного улучшения вязкостно-температурных свойств нефтяных масел достигаю применением вязкостных присадок-полимеров различных состава и молекулярной массы (полиметакрилатов, полиизобутиленов, виниполов). В результате получают так называемые загущенные масла, разработке, изучению свойств и применению которых посвящены многочисленные исследования Е.Г. Семенидо.

Масло с определенным уровнем вязкости, обеспечивающее нормальную работу узла трения при максимальном температурном режиме, неработоспособно при низких температурах из-за резкого увеличения вязкости. В этом случае подбирают маловязкое базовое масло (3-4 мм2/с при 100 С) с хорошими низкотемпературными свойствами и повышают его вязкость до необходимого уровня при высоких температурах введением полимерных присадок. Вязкость загущенного масла при низких температурах изменяется примерно так же, как и маловязкой основы. Недостатком загущенных масел является низкая стабильность к механическим и термическим воздействиям. В узлах трения происходит постепенная деструкция полимера, и вязкостно-температурные свойства загущенных масел ухудшаются. Скорость и глубина деструкции определяются химической природой и молекулярной массой присадки, а также температурой, нагрузками и другими факторами.

В зависимости от условий применения нефтяные масла должны сохранять подвижность при температурах до минус 20-минус 60С. При охлаждении масло постепенно переходит из жидкого в твердообразное состояние, что сопровождается потерей его подвижности. Четко выраженной температуры этого перехода масла не имеют, и о полной потере их подвижности условно судят по температуре застывания. Эта температура зависит прежде всего от содержания и строения высокомолекулярных парафиновых углеводородов, которые при охлаждении кристаллизуются,  что приводит к помутнению масла. При дальнейшем охлаждении с ростом концентрации твердых частиц из них формируется кристаллическая решетка, в ячейках которой заключены жидкие приданной температуре углеводороды масел. Кристаллизация и образование решетки приводят к потере подвижности-застыванию масла. Одним из способов понижения температуры застывания масел является добавление депрессорных присадок, препятствующих росту и сращиванию кристаллов твердых углеводородов. При помощи этих присадок температуру застывания масел можно понизить на 15-20С.

Однако затруднения в использовании масел обычно начинаются при температурах, существенно более высоких, чем температура их застывания. Уменьшение и потеря подвижности масел происходят в основном из-за резкого увеличения их вязкости при низких температурах и высоком содержании ароматических углеводородов вследствие их ассоциации. Это приводит к загустеванию масла, переходу его из жидкого состояния в аморфную стекловидную массу. Подобное явление наблюдается прежде всего при общем высоком уровне вязкости масла, обусловленном значительным содержанием ароматических углеводородов. Депрессорные присадки в данном случае неэффективны.

При загустевании масел ухудшаются их пусковые свойства и прокачиваемость в системе смазки. Эти показатели эксплуатационных свойств, характеризующие возможность применения масел при низких температурах, называют низкотемпературными свойствами. Нижний температурный предел пуска холодного двигателя связан прежде всего с вязкостно-температурными свойствами моторных масел и обычно на 15-30С выше температуры их застывания. Так, вязкость авиационного масла МК-8 с понижением температуры резко возрастает, препятствуя нормальному пуску двигателя при температурах ниже 25С; меньшую вязкость при -40С и более пологую вязкостно-температурную кривую по сравнению с МК-8 имеют масла МК-6 и МС-6, обладающие заметно лучшими пусковыми свойствами.