Что такое вязкость?
Единицы измерения и формулы | Зависимость от температуры | Индекс вязкости | Классы вязкости
Вязкость характеризует реологические свойства, то есть служит мерой густоты, текучести жидкости. Она отражает величину внутреннего трения частиц жидкости. Вязкость — одна из важнейших физических характеристик любой жидкости. Области применения и возможности использования масла определяются, помимо прочего, вязкостью. Тем не менее, сама по себе вязкость не является показателем качества масла. Она описывает лишь возможность создания определенной смазочной пленки между двумя элементами пары трения.
Внутреннее трение в жидкости можно представить как движение двух наложенных и тесно переплетенных молекулярных слоев. Во время движения молекулы текут мимо друг друга. Для их «расцепления» требуется некоторая энергия. Вязкость жидкости описывает взаимосвязь между этой энергией и свойствами рассматриваемой жидкости.
Само понятие вязкости восходит к одному из типичных примеров вязких сред — соку ягод омелы (по-латыни Viscum). Этот сок своей густотой и липкостью напоминал клей. Жидкость использовалась для ловли птиц. Таким образом, «вязкий» (нем. viskos, англ. viscous) первоначально значило «тягучий, как клей для поимки птиц».
Вязкость: единицы измерения и формулы
При количественном определении вязкости жидкости различают динамическую и кинематическую вязкость. Динамическая вязкость — это отношение напряжения сдвига и градиента скорости перпендикулярно направлению потока. Иначе это обозначается как «гидравлическое сопротивление течению в жидкости». Кинематическая вязкость получается из соотношения динамической вязкости и плотности, то есть «отношения вязкости к плотности».
| Динамическая вязкость | Кинематическая вязкость | |
|---|---|---|
| Обозначение в формуле | η | ν |
| Единица измерения | Pa·s | мм²/с |
Вязкость жидкости, в соответствии с ISO 3219, можно измерять с помощью вискозиметра. Другая возможность измерения — воспользоваться реометром.
Для пластичных смазок, в отличие от масел, определяют не вязкость, а консистенцию. Это делается, например, по методу пенетрации конусом.
Примеры, иллюстрирующие вязкость
Ниже представлены типичные жидкие среды и значения их вязкости. Благодаря этому можно лучше понять соотношение и порядок расположения разных веществ по их свойствам.
| Жидкость | η, мПa·с |
|---|---|
| Вода при 20 °C | 1,0 |
| Вода при 25 °C | 0,891 |
| Вода при 5 °C | 1,52 |
| Ртуть при 20 °C | 1,55 |
| Этанол при 20 °C | 1,19 |
| Бензин при 40 °C | ок. 0,5 |
| Дизельное топливо при 40 °C | ок. 3,1 |
| Моторное масло при 25 °C | ок. 100 |
| Моторное масло при 150 °C | ок. 3 |
| Соляровое масло при 20 °C | ок. 4-6 |
| Битум при 20 °C | ок. 1011 |
| Оливковое масло при 20 °C | ок. 10² |
| Мед при 20 °C | ок. 104 |
| Кровь при 37 °C | ок. 4-25 |
Зависимость вязкости от температуры
Вязкость любой жидкости всегда зависит от температуры. Динамическая вязкость жидкости уменьшается с ростом температуры. Если температура снижается, динамическая вязкость растет. Это значит, что при нагревании жидкость становится менее вязкой (более жидкой), а при охлаждении — более вязкой (более густой). В случае масел определяют индекс вязкости как отношение кинематической вязкости и температуры. Вязкость масла всегда зависит от температуры. Степень температурной зависимости, в свою очередь, характеризует качество масла. Вязкостно-температурная характеристика масел является довольно сложной, поскольку вязкость зависит от температуры не линейно. Каждый тип масла показывает свою, иную характеристику. К примеру, два масла могут быть одинаково текучими при 40 °C, но при этом иметь совершенно разные значения вязкости при 100 °С.
Индекс вязкости
Индекс вязкости (VI) характеризует зависимость свойств смазочного материала от температуры. Имеется в виду кинематическая вязкость масла. Измеряют вязкость при 40 °C и 100 °C. В определенной степени индекс вязкости является еще и показателем ценности смазочного масла и служит для сравнения масел различных типов. У масла с более высоким индексом вязкости реологические свойства не так сильно зависят от температуры. Такое масло сохраняет свои смазочные свойства в широком диапазоне температур. У масел с более низким индексом вязкости свойства могут сильнее зависеть от температуры. Их смазочные свойства при высоких и низких температурах не отличаются постоянством. Когда индекс вязкости был предложен в 1928 году, шкала VI была основана на типах минеральных масел, известных на то время. Шкала индекса вязкости начиналась от 0 (масла с сильной температурной зависимостью реологических свойств) и доходила до 100 (масла со слабо выраженной температурной зависимостью реологических свойств). В настоящее время шкала простирается до значений порядка 400. Это связано, помимо прочего, с появлением современных технологий производства термостойких синтетических масел, свойства которых мало изменяются с температурой. Кроме того, индекс вязкости масла может быть искусственно повышен путем добавления эффективных присадок (модификаторов вязкости).
| Тип масла | ИНДЕКС ВЯЗКОСТИ (VI) |
|---|---|
| Минеральное масло | 80-120 |
| Продукт гидрокрекинга | 120-140 |
| Масло на основе ПАО | 135-160 |
| Сложные эфиры | 140-190 |
| Гликоль (этиленгликоль) | 200-220 |
Различия в поведении масел могут быть графически представлены на графике зависимости вязкости от температуры (диаграмме вязкость—температура). Посредством математического преобразования диаграмма вязкость—температура может быть представлена прямой линией, проходящей через важные точки измерения 40 °C и 100 °C. Это означает, что вязкость масла при других температурах можно в дальнейшем определить по этой диаграмме. Это позволяет судить о том, какие масла подходят для каких рабочих температур и областей применения.
Зависимость вязкости от давления
Помимо зависимости от температуры вязкость масла зависит еще и от давления. Эта зависимость сравнительно невелика. Она означает, что вязкость увеличивается с ростом давления, поэтому масло становится более густым и менее текучим. Зависимость вязкости от давления проявляется только при высоком давлении, превышающем 400 бар. При давлении ниже 400 бар изменение вязкости незначительно. Для лучшего понимания слабой связи давления и вязкости скажем, что повышение давления на 100 бар оказывает меньшее влияние на вязкость масла, чем повышение температуры на 10 °C. Другое явление в данном контексте заключается в том, что повышение давления (когда масло становится более густым) сопровождается повышением температуры, что, в свою очередь, снова делает масло более жидким и текучим. Соответственно, ход зависимости вязкости от давления также в определенной степени зависит от вязкостно-температурной характеристики.
Изменение вязкости масла в ходе эксплуатации
Масло меняет свою вязкость не только под влиянием температуры и давления. Воздействие окружающей среды во время работы также может со временем привести к изменению его реологических свойств. Если вязкость используемого масла значительно отличается от исходного значения для свежего масла, это указывает на то, что масло подвергалось ускоренному старению. В этом случае масло следует заменить. Вязкость масла может как повышаться, так и снижаться. Ни один из этих случаев не является желательным, поскольку смазочные свойства масла уже не соответствуют должным образом конкретному применению.
Возможные причины повышения вязкости:
- окисление (результат попадания в масло кислорода), истощение ингибиторов окисления (антиокислительных присадок);
- образование кислот;
- образование твердых отложений (лаковой пленки и шлама);
- загрязнение посторонними частицами (вода, зольный остаток продуктов сгорания);
- использование неподходящего масла (к примеру, при доливе).
Возможные причины снижения вязкости:
- истощение присадки, повышающей индекс вязкости (модификатора вязкости);
- примесь топлива в масле (разжижение масла);
- использование неподходящего масла (к примеру, при доливе).
Классы вязкости масел
Смазочные материалы, используемые в автомобильной технике и разных отраслях промышленности, подразделяются на специальные классы, что дает возможность лучше их классифицировать и использовать по назначению. Классификация масел на основе вязкости возможна по результатам испытаний с использованием сопоставимых параметров.
Мы подразделяем их следующим образом:
• SAE J300 для сезонных и всесезонных моторных масел (к примеру, SAE 5W, SAE 30, SAE 5W30)
• SAE J306 для автомобильных трансмиссионных масел (к примеру, SAE 75W90)
• ISO VG для масел промышленного назначения (к примеру, гидравлическая жидкость HLP 46, трансмиссионное масло CLP 320)
Классы SAE для моторных и трансмиссионных масел
Аббревиатура SAE расшифровывается как «Society of Automotive Engineers» (Сообщество автомобильных инженеров). Эта организация создала международно признанную классификацию по вязкости для моторных масел и автомобильных трансмиссионных масел.
Моторные масла можно разбить на сезонные и всесезонные. В случае всесезонных масел масло сочетает в себе свойства, позволяющие эксплуатировать его как зимой, так и летом. Всесезонное масло оптимально смазывает при холодном запуске двигателя зимой и летом и обеспечивает стабильную смазочную пленку с хорошими разделительными свойствами при рабочей температуре (100 °C). Вот почему кинематическая вязкость моторных масел определяют при 100 °С. Одним из примеров служит широко используемое всесезонное масло 5W30. Напротив, сезонные масла наподобие SAE 30 отвечают требованиям в отношении лишь одного из свойств.
Моторные масла классифицируют на основании спецификации SAE J300. Для традиционных моторных масел (5W30 или 0W40) требуется базовое масло с высоким индексом вязкости. В процессе производства добавляются присадки, дополнительно повышающие индекс вязкости.
| Класс SAE | Низкотемпературная вязкость, мПа·с | Предельная температура прокачиваемости, °C 1) | При низком срез. усилии и 100 °C, мм²/с, не менее | При низком срез. усилии и 100 °C, мм²/с, не более | При высоком срез. усилии (HTHS) и 150 °C, Па·с |
|---|---|---|---|---|---|
| 0W | 6200 | -40 | 3,8 | — | — |
| 5W | 6600 | -35 | 3,8 | — | — |
| 10W | 7000 | -30 | 4,1 | — | — |
| 15W | 7000 | -25 | 5,6 | — | — |
| 20W | 9500 | -20 | 5,6 | — | — |
| 25W | 13 000 | -15 | 9,3 | — | — |
| 8 | — | — | 4,0 | < 6,1 | 1,7 |
| 12 | — | — | 5,0 | < 7,1 | 2,0 |
| 16 | — | — | 6,1 | < 8,2 | 2,3 |
| 20 | — | — | 6,9 | < 9,3 | 2,6 |
| 30 | — | — | 9,3 | < 12,5 | 2,9 |
| 40 | — | — | 12,5 | < 16,3 | 2,9 2) |
| 40 | — | — | 12,5 | < 16,3 | 3,7 3) |
| 50 | — | — | 16,3 | < 21,9 | 3,7 |
| 60 | — | — | 21,9 | < 26,1 | 3,7 |
1) Надежный холодный пуск двигателя возможен при температуре примерно на 5 °C выше предельной температуры прокачиваемости.
2) Норма вязкости HTHS относится к всесезонным маслам 0W/5W/10W-40.
3) Норма вязкости HTHS относится к всесезонным маслам 15W/20W/25W-40.
Для некоторых современных мощных (особенно форсированных) двигателей требуется знать минимальную вязкость масла при рабочей температуре 150 °C и скорости сдвига 106/с. Это и обозначается как вязкость HTHS (High Temperature High Share — при высокой температуре и высокой скорости сдвига). Введение этой нормы обеспечивает соответствие моторных масел необходимым смазочным свойствам при высоких температурах и высоких оборотах двигателя (скоростях сдвига). Соответствующие предельные значения нормируются организациями SAE или ACEA, а также рядом производителей автомобильной техники.
Трансмиссионные масла классифицируют на основании стандарта SAE J306.
| Класс SAE | Низкотемпературная вязкость при 150 000 мПа·с, °C | Вязкость при 100 °C, мм2/с, не менее | Вязкость при 100 °C, мм2/с, не более |
|---|---|---|---|
| 70W | -55 | 3,8 | — |
| 75W | -40 | 3,8 | — |
| 80W | -26 | 8,5 | — |
| 85W | -12 | 11,0 | — |
| 65 | — | 3,8 | < 5,0 |
| 70 | — | 5,0 | < 6,5 |
| 75 | — | 6,5 | < 8,5 |
| 80 | — | 8,5 | < 11,0 |
| 85 | — | 11,0 | < 13,5 |
| 90 | — | 13,5 | < 18,5 |
| 110 | — | 18,5 | < 24,0 |
| 140 | — | 24,0 | < 32,5 |
| 190 | — | 32,5 | < 41,0 |
| 250 | — | 41,0 | — |
Классы ISO VG для промышленных масел
ISO VG означает «International Organization for Standardization Viscosity Grade» (Международная организация по стандартизации, класс вязкости). На основании минимальной и максимальной кинематической вязкости при 40 °C определены 18 классов вязкости. Классы простираются от вязкости 2 (весьма жидкие и текучие) до 1500 (весьма густые).
| Класс ISO VG | Вязкость, медианное зн-е при 40 °C, мм2/с | Кинематич. вязкость при 40 °C, мм²/с, не менее | Кинематич. вязкость при 40 °C, мм²/с, не более |
|---|---|---|---|
| 2 | 2,2 | 1,98 | 2,42 |
| 3 | 3,2 | 2,88 | 3,52 |
| 5 | 4,6 | 4,14 | 5,06 |
| 7 | 6,8 | 6,12 | 7,48 |
| 10 | 10 | 9 | 11 |
| 15 | 15 | 13,5 | 16,5 |
| 22 | 22 | 19,8 | 24,2 |
| 32 | 15 | 28,8 | 35,2 |
| 46 | 15 | 41,4 | 50,6 |
| 68 | 15 | 61,2 | 74,8 |
| 100 | 15 | 90 | 110 |
| 150 | 15 | 135 | 165 |
| 220 | 15 | 198 | 242 |
| 320 | 15 | 288 | 352 |
| 460 | 15 | 414 | 506 |
| 680 | 15 | 612 | 748 |
| 1000 | 15 | 900 | 1100 |
| 1500 | 15 | 1350 | 1650 |
Поскольку три класса вязкости оцениваются по различным параметрам, классы можно сравнивать друг с другом лишь в ограниченной степени. Вышеприведенные сравнительные таблицы довольно приблизительны и не могут считаться научно обоснованными. Всегда используйте смазочные материалы, рекомендованные производителем, и не полагайтесь на приблизительные данные.
Свяжитесь с нашей технической командой
По любым вопросам о продукции, пожалуйста, обращайтесь к нашим специалистам. Для этого, пожалуйста, заполните приведенную ниже контактную форму или позвоните по телефону +372 627 9999.