Oleje smarowe - wyznaczanie charakterystyki reologicznej

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu: EKSPLOATACJA MASZYN Oleje smarowe - wyznaczanie charakterystyki reologicznej Numer ćwiczenia: L1 Kod: Białystok 2011

2 Spis treści 1.Wprowadzenie Cel ćwiczenia Efekty kształcenia Opis stanowiska badawczego Wykonanie ćwiczenia Sposób przeprowadzenia pomiaru Opracowanie wyników pomiarów LITERATURA... 13

3 1.Wprowadzenie Lepkość stanowi jedną z najważniejszych właściwości cieczy i gazów, w tym również olejów smarowych. Jest ona miarą tarcia wewnętrznego. Tarcie wewnętrzne jest wynikiem przesuwania się względem siebie poszczególnych warstw płynu w jego masie (wewnątrz płynu). Im tarcie to jest większe, tzn. im większą siłą musimy podziałać, aby przesunąć względem siebie warstewki płynu, tym płyn jest bardziej lepki. Lepkość olejów smarowych zależy od temperatury i ciśnienia. Ze wzrostem temperatury lepkość olejów zmniejsza się. Miernikiem zależności lepkości oleju od temperatury jest tzw. wskaźnik lepkości. Lepsze są oleje o większych wartościach tego wskaźnika. Wzrost ciśnienia zewnętrznego w zakresie małych ciśnień nie powoduje, praktycznie biorąc, zmiany lepkości cieczy. Wzrost ciśnienia w zakresie ciśnień dużych powoduje wzrost lepkości cieczy. Do mierzenia lepkości cieczy służą przyrządy zwane lepkościomierzami lub wiskozymetrami. Istnieje szereg metod oznaczania lepkości cieczy. W praktyce laboratoryjnej najszersze zastosowanie znalazły lepkościomierze kapilarne, wśród nich wypływowe i przepływowe oraz lepkościomierze opadowe (kulkowe). Istnieje także szereg innych zasad, które wykorzystuje się do pomiaru lepkości. Znane są lepkościomierze pęcherzykowe, ratacyjne, ultradźwiękowe i inne. Reprezentantem wiskozymetrów wypływowych jest lepkościomierz Englera, przepływowych lepkościomierz Yogla-Ossaga, kulkowych lepkościomierz Höpplera. Opisanie za pomocą równań matematycznych zjawisk ruchu płynów rzeczywistych, jest niezwykle trudne. Dla uproszczenia opisu stosuje się pojęcie płynu doskonałego, odznaczającego się zupełnym

4 brakiem lepkości. Brak lepkości odznacza się doskonałą ruchliwością cząstek. Aby zrozumieć zagadnienie lepkości płynów rzeczywistych, rozważmy cienką warstewkę płynu między dwiema równoległymi płytami o bardzo dużej powierzchni A (rys.1). F dy płyn y dv Rys.1. Proste ścinanie w płynie x Odległość między płytami równa jest różniczkowej wartości dy. Dolna płyta jest nieruchoma, zaś do górnej przyłożona jest stycznie siła F. Ze względu na fakt, że płyny i gazy nie wykazują sprężystości postaci więc pod wpływem stycznie działającej siły ścinającej, górna płyta będzie się poruszać z prędkością dv względem płyty dolnej. Lepkość płynu powoduje, że w ustalonych warunkach ruchu siła F zostaje zrównoważona przez siłę tarcia wewnętrznego płynu. Zakładając, że wskutek działania sił adhezji warstewki płynu bezpośrednio przylegające do płyt są względem nich nieruchome, rozkład prędkości w płynie będzie taki, jak przedstawiono na rys.1. Droga przebyta w czasie t przez warstewkę płynu znajdującą się bezpośrednio pod górną płytą wyniesie (dv)t, analogicznie można określić drogi przebyte przez kolejne, niżej położone warstewki. Tangens kąta traktować można jako miarę odkształcenia płynu: tg ( dv) t dy (1)

5 wywołanego przez naprężenie styczne : F A (2) Przez analogię do ruchu punktu materialnego i możliwości określenia szybkości tego ruchu - równej pochodnej drogi względem czasu, można określić również szybkość odkształcenia płynu jako pochodną odkształcenia względem czasu: d dt dv dy (3) Szybkość odkształcenia nazywana najczęściej szybkością ścinania równa jest gradientowi prędkości. Dla wielu płynów (np. gazy, woda, inne ciecze o małej masie cząsteczkowej), w warunkach prostego ścinania, zależność między naprężeniami stycznymi i szybkością ścinania ma postać: (4) czyli naprężenia styczne są wprost proporcjonalne do szybkości ścinania. Takie płyny nazywane są płynami newtonowskimi a współczynnik proporcjonalności nazywany jest współczynnikiem lepkości dynamicznej lub po prostu lepkością dynamiczną. Jego jednostką jest Ns/m 2 (Pa s). Zwykle stosowana jest jednostka mniejsza, czyli mpa s. Wartość lepkości dynamicznej płynów newtonowskich w określonych warunkach temperatury i ciśnienia jest stała. Do grupy płynów newtonowskich należą również oleje przemysłowe. Dla smarów plastycznych i innych płynów o konsystencji papkowatej, zawiesin, zależność powyższa nie sprawdza się Takie płyny, w przeciwieństwie do newtonowskich, nazywane są płynami nienewtonowskimi. W stosunku do płynów tych nie stosuje się pojęcia

6 lepkości, lecz - obliczanej analogicznie, tj.: pojęcie lepkości pozornej ( p. ) w danym punkcie, p (5) W odniesieniu do olejów przemysłowych bardzo często posługujemy się pojęciem lepkości kinematycznej ( ), którą oblicza się na podstawie lepkości dynamicznej (η) i gęstości fizycznej (ρ) :, m s 2 lub mm s Wraz ze spadkiem lepkości środka smarnego spada zdolność tworzenia tarcia płynnego. Zależność pomiędzy grubością filmu olejowego (z), lepkością dynamiczną oleju ( ), prędkością liniową w układzie tarciowym ( ) i średnim naciskiem jednostkowym (p) zachodzi przybliżona zależność: v z p. (7) Jak wynika z powyższej zależności, spadek lepkości może prowadzić do wystąpienie mniej korzystnego tarcia mieszanego i większej intensywności procesu zużywania elementów węzła tarciowego. Konsekwencją tego może być wystąpienie mniej korzystnego tarcia mieszanego i większej intensywności procesu zużywania elementów węzła tarciowego. Nadmierna lepkość środka smarnego skutkować z kolei będzie niepotrzebnym wzrostem oporów tarcia wewnętrznego i w konsekwencji wystąpieniem strat przenoszonej mocy. Oleje przemysłowe pod względem lepkości, wg ISO 3448, klasyfikowane są w 18 klasach. Przedstawia to tabela 1 w załączniku. 2. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą pomiaru lepkości przy pomocy lepkościomierza rotacyjnego krzywych płynięcia dla wybranych olejów smarowych. 2 (6) DV-II+ oraz wyznaczenie

7 3. Efekty kształcenia W wyniku przeprowadzenia niniejszego ćwiczenia student powinien osiągnąć następujące efekty kształcenia: w zakresie wiedzy: student posiada wiedzę o lepkości (pojęcie lepkości, jednostki lepkości, znaczenie lepkości oleju w procesie smarowania), student zna zasadę pomiaru lepkości lepkościomierzem rotacyjnym, zna ogólna budowę stanowiska pomiarowego z wykorzystaniem lepkościomierza DV-II+ ; w zakresie umiejętności: student potrafi pod nadzorem prowadzącego wykonać pomiar lepkości oleju i opracować wyniki; w zakresie kompetencji: student ma świadomość odpowiedzialności za poprawne przeprowadzenie pomiarów i znaczenie otrzymanych wyników, rozumie potrzebę ciągłego dokształcania się w zakresie zagadnienia olejów smarowych, gdyż na rynku pojawiają się coraz to nowe rodzaje olejów. 4. Opis stanowiska badawczego Rys. 2. Stanowisko do pomiaru lepkości: 1 - lepkościomierz, 2 - ultratermostat, 3 - regulator temperatury, 4 - komputer, 5 - monitor

8 Lepkościomerz DV-II+ jest cyfrowym miernikiem lepkości dynamicznej płynów. Producentem lepkościomierza jest amerykańska firma BROOKFIELD. Do współpracy z lepkościomierzem wykorzystywany jest program sterujący Rheocalc for Windows. Budowę lepkościomierza zilustrowano na rys. 3. naczynie pomiarowe płaszcz komory wymiany ciepła wrzeciono zespół napędowosterujący zespół pomiarowy przewody układu termostatującego statyw Rys. 3. Fotografia lepkościomierza Badany olej, w ilości 50 ml, wypełnia przestrzeń pomiędzy wrzecionem i naczyniem pomiarowym. Lepkościomierz działa na zasadzie pomiaru siły oporu, z jaką oddziałuje badany olej na wirujące w nim wrzeciono. Na podstawie wartości tej siły i pola powierzchni styku wrzeciona z olejem wyznaczane są naprężania styczne. Napęd na wrzeciono przekazywany jest z silnika za pośrednictwem kalibrowanej sprężyny (w części napędowo-sterującej). Siła oporu, wynikająca z lepkości oleju, hamuje obracające się wrzeciono i powoduje

9 odkształcenie się sprężyny, którego stopień mierzony jest elektronicznie. Odkształcenie to jest wprost proporcjonalne do występujących w warstwie badanego oleju naprężeń stycznych. Są one wyliczane przez program i wyświetlane na ekranie monitora. Do wyznaczenia lepkości, zgodnie z zależnością (4) niezbędna jest jeszcze znajomość szybkości ścinania. Wynika ona z prędkości obrotowej wrzeciona oraz jego średnicy zewnętrznej i średnicy wewnętrznej naczynia pomiarowego. Jest ona również obliczana przez program i wyświetlana na ekranie monitora. Dzięki programowi Rheocalc for Windows użytkownik może: sterować reometrem, sterować ultratermostatem lub podgrzewaczem, zbierać, archiwizować i drukować dane pomiarowe, obrabiać graficznie wyniki pomiarów, przeprowadzać analizę matematyczną wg wybranych modeli reologicznych, tworzyć i wykonywać procedury pomiarowe. Opis panelu monitora stanu Rys. 4. Wygląd panelu monitora stanu Vscosity zmierzona lepkość; Speed aktualna prędkość obrotowa; Torque aktualny, wykorzystywany procent skali reometru (maksymalnego momentu skręcającego);

10 Shear Stress Shear Rate Temperature Bath obliczona wartość naprężeń stycznych; obliczona wartość prędkości ścinania; temperatura zmierzona sondą podłączoną do reometru; aktualna i nastawiona temperatura komunikującego się z programem akcesorium do stabilizacji temperatury; 5. Wykonanie ćwiczenia 5.1. Przygotowanie stanowiska do pomiaru Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów lepkościomierz musi być wyzerowany. Operacja ta odbywa się po każdorazowym włączeniu przyrządu. Lepkościomierz zeruje się w następujący sposób: Należy odłączyć wrzeciono z lepkościomierza (jeśli było założone) od wałka napędowego a następnie nacisnąć dowolny przycisk. Podczas odłączania wrzeciona jedną ręką należy przytrzymać wałek napędowy a drugą ręką odkręcić nakrętkę wrzeciona (sprzęgiełko wrzeciona łączy się z wałkiem za pomocą połączenia gwintowego z gwintem lewostronnym). Czynności te należy wykonywać bardzo delikatnie, tak aby nie zgiąć wałka napędowego. Główny włącznik znajdujący się na tylnej ściance lepkościomierza ustawić w pozycję ON. Spowoduje to wyświetlenie się na ekranie kolejno 3 komunikatów: BROOKFIELD DV-2+ RV VISCOMETER BROOKFIELD DV-2+ VERSION X. X REMOVE SPINDLE PRESS ANY KEY

11 Dalszy przebieg ćwiczenia. Kierując się orientacyjnym zakresem lepkości (tabela 1, str.14) należy dokonać wyboru właściwego zestawu pomiarowego (wrzeciona i cylinderka nieruchomego). Zamontować wrzeciono na wałku pomiarowym. Wprowadzić do cylinderka nieruchomego niezbędną ilość przeznaczonej do badań cieczy. Zamontować cylinderek nieruchomy (ze zbiornikiem termostatu). Połączyć ultratermostat ze zbiornikiem termostatu. Włączyć ultratermostat. Kiedy temperatura wewnątrz zbiornika termostatu ustali się, przystąpić do pomiaru Sposób przeprowadzenia pomiaru Do badań użyć dowolnego oleju przemysłowego. Pomiary rozpocząć od niskich wartości szybkości ścinania, dokonując dla każdej z szybkości odczytu naprężeń stycznych. Wzrost szybkości ścinania osiąga się poprzez zwiększenie obrotów cylindra ruchomego zadając kolejno coraz to większe prędkości obrotowe. Pomiary wykonać dla kilku wybranych temperatur, np. 5 0 C, 10 0 C, 15 0 C, 25 0 C 35 0 C. Dla każdej z nich pomiary powtórzyć, najlepiej przynajmniej trzykrotnie. Po zakończeniu pomiarów uporządkować stanowisko. 6. Opracowanie wyników pomiarów Otrzymane wyniki opracować, wyznaczając równania regresji opisujące przebieg otrzymanych krzywych: = f( ); = f(t).

12 Lepkość dynamiczną obliczmy ze wzoru:,, gdzie: η współczynnik lepkości dynamicznej, mpa s Na podstawie otrzymanych wyników badań sformułować wnioski. Załącznik Tabela 1 Klasyfikacja olejów przemysłowych wg ISO 3448 Symbol klasy Zakres lep. w 40 C, mm 2 /s Symbol klasy Zakres lep. w 40 C, mm 2 /s VG2 1,98 2,42 VG68 61,2 74,8 VG3 2,88 3,52 VG VG5 4,14 5,06 VG VG7 6,12 7,48 VG VG10 9,0 11,0 VG VG15 13,5 16,5 VG VG22 19,8 24,2 VG VG32 28,8 35,2 VG VG46 41,4 50,6 VG VG viscosity grade

13 LITERATURA 1. Lawrowski Z.: Tribologia tarcie, zużycie, smarowanie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1993 r. 2. Instrukcja obsługi lepkościomierza 3. Podniało A.: Paliwa oleje i smary w ekologicznej eksploatacji. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002

14