Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti OLEJE strana Teoretická východiska1 - 28 Zadání cvičení „Stanovení dynamické viskozity“29.

Prezentace na téma: "Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti OLEJE strana Teoretická východiska1 - 28 Zadání cvičení „Stanovení dynamické viskozity“29."— Transkript prezentace:

1 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti OLEJE strana Teoretická východiska1 - 28 Zadání cvičení „Stanovení dynamické viskozity“29 - 33

2 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Mazací schopnost je komplexní vlastnost, která zahrnuje 3 dílčí: 1)viskozitu; 2)mazivost; 3)maznost. -většina vyrobených olejů se používá pro mazání ve spalovacích motorech, ložiskách a převodech motorů a jiných strojních zařízení. Zbývající část se využívá pro jiné užití jako jsou např. transformátorové, formové a kabelové oleje. Mazací schopnost -mezi nejdůležitější základní vlastnosti olejů všech druhů patří bezesporu mazací schopnost; -tento pojem vyjadřuje vlastnost projevující se přilnutím maziva k povrchu mazané součásti a vytvořením souvislé vrstvy s dostatečnou únosností a s malým vnitřním třením.

3 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Viskozita -viskozita je mírou vnitřního tření v kapalinách; -znalosti základů viskozity jsou nutné pro pochopení způsobu tvorby mazací vrstvičky; -v dosahu hydrodynamického mazání je viskozita pro výběr maziva jedinou směrodatnou veličinou a patří mezi nejdůležitější vlastnosti olejů; -každá kapalina, ať je to olej, nebo voda, tzn. ať má jakékoliv složení či polaritu molekul, vykazuje určité tření, a tím i ztráty energie při jejím toku; -je možné si představit tak, že jednotlivé vrstvy kapaliny se po sobě posouvají jako karty v balíčku při působení tečné síly; -tyto vnitřní odpory kapaliny, specifické co do vlastnosti pro každou kapalinu, způsobené relativním posuvem olejových částic po sobě, nazýváme viskozitou.

4 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Jako první se zabýval prouděním kapaliny v úzké mezeře již Newton a definoval princip viskozity doslova jako: „The resistence which arises from the lack of sl'ipperiness of the parts of a liquid...", To znamená, že viskozita pochází z odporu, který má svoji příčinu v nedostatku hladkosti částic kapaliny.

5 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti -snižování viskozity provozního oleje je způsobeno hlavně zředěním oleje palivem, jehož malé množství již citelně ovlivňuje pokles viskozity; -snížení viskozity může také pocházet např. z mechanického a chemického rozrušování „V.I.I. aditiv“. -zvýšení viskozity provozního oleje je výsledkem přítomnosti oxidačních produktů a karbonu (neměl být vyšší než 4 - 5 %); -je-li viskozita stálá, neznamená to, že se olej nemění. Ve skutečnosti se může ustavit právě rovnováha mezi poklesem viskozity, způsobeným zředěním palivem a efektem zhoustnutí karbonem a oxidačními produkty. -viskozita motorového oleje je též závislá na tlaku. Se zvyšujícím se tlakem narůstá, ačkoliv ne tak výrazně jako s klesající teplotou. Velikost závislosti na tlaku lze jen těžko složením oleje ovlivňovat.

6 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Dynamická viskozita Pro smykové napětí ve vrstvě kapaliny platí

7 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Definice smykového napětí ve vrstvě kapaliny -součinitel úměrnosti  se označuje jako dynamická viskozita, jeho hodnota je závislá na vlastnostech příslušné kapaliny; -podíl dv/dh se nazývá rychlostní spád; -z rovnice definice vyplývá jednotka dynamické viskozity v mezinárodním jednotkovém systému N.s.m -2, popř. Pa.s, resp. praktická jednotka 10 -3 krát menší: miliPa.s.

8 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Kinematická viskozita Kromě dynamické viskozity a pro nás více cennější se stal poměr viskozity a hustoty, nazývaný kinematická viskozita . Zde je nutno dosadit hodnotu hustoty při téže teplotě, k níž se vztahuje údaj viskozity. -jednotkou kinematické viskozity v SI je m 2 s -1 -dnes se opět užívá jednotky řádově menší, tj. mm 2.s -1, což je rozměrově i číselně shodné s dřívější jednotkou označovanou cSt (centistokes).

9 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Viskozitní index Viskozita mazacích olejů je značně závislá na teplotě a sice ubývá exponenciálně s rostoucí teplotou. Tato teplotní závislost není u všech olejů stejná, nýbrž závisí na složení základového oleje (poměrně malou VT-závislost vykazují dobře rafinované parafinické oleje). Užitná hodnota mazacího oleje je tak v mnoha případech určo­vána převážně stupněm VT-závislosti. Například u motorových olejů je požadována malá teplotní závislost, aby se usnadnilo spouštění při nízkých teplotách a mazací film zůstal při vysokých teplotách dostatečně stálý s vyhovující viskozitou.

10 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti -nejvíce rozšířená, a především v obchodním sektoru světově zavedená charakteristika pro VT-závislost mazacích olejů, je viskozitní index (VI); -tato veličina zavedená Američany Deanem a Davidem v r. 1929 se dá snadno vypočítat, jestliže je známa viskozita při 40 °C a 100 °C; -viskozitní index závisí na struktuře olejů. -nejvyšší VI mají n-alkany; -isoalkany mají nižší viskozitní index než n-alkany, závisí na jejich rozvětvení – čím je rozvětvení vyšší, tím nižší je viskozitní index; -nižší viskozitní index mají cyklany a alkylcyklany, -nejnižší hodnoty jsou u aromátů a alkylaromátů. Hodnota VI kolem 100 a výše ukazuje na velmi plochou VT-křivku, tzn. dobrou VT-závislost. Čím více se VI blíží nule, tím je křivka strmější, tzn. tím horší je VT-závislost. Vysoké hodnoty VI tedy znamenají, že se viskozita s teplotou mění málo, zatímco nízké hodnoty VI signalizují velkou změnu viskozity s teplotou.

11 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Viskozitní index -viskozitní index motorových olejů se během provozu mění, avšak jeho změny jsou méně významné než v případě viskozity; -vypočítává se z rozdílu vybraných standardů L – Low s nízkým VI, H- High s vysokým VI a neznámého vzorku U - Unknow.

12 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Mazivost oleje a oblast uplatnění -mazivost dle dnešních představ je mazací schopnost kapaliny uplatňující se v oblasti hydrodynamického mazání, ve kterém dané mazivo zajišťuje nejmenší součinitel tření při optimální únosnosti kapalinné vrstvy; -je třeba zdůraznit, že tato vlastnost se týká pouze kapalných maziv a už ne plastických mazacích tuků či tuhých maziv; -vysokou mazivost vykazují právě vysoce rafinované oleje zbavené polárních látek.

13 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Maznost oleje -maznost definujeme jako mazací schopnost maziva pro oblast mazání meznou mazací vrstvou, je tedy vlastnost maziva (všech druhů), zajišťující co největší únosnost tzv. mezné mazací vrstvičky při optimálním koeficientu tření. -v praxi (technické) se maznost maziva projevuje nejen rozdílným koeficientem tření (a to v daleko větším rozpětí, než u mazivosti v kapalinném tření), ale i různým stupněm opotřebení povrchů součástí, protože mazání v oblasti inflexního bodu Stribeckovy křivky velmi snadno přebíhá do oblasti provozní nespolehlivosti, resp. havarijní oblasti.

14 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Stribeckova křivka

15 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti -z hlediska ztrát a opotřebení by bylo ideální, kdyby se uplatňovalo hydrodynamické mazání a mazacím filtrem oddělujícím zcela pohybující se součásti; -bohužel, je mnoho případů v mazací technice, kdy se nemůžeme vyhnout meznému či smíšenému tření. Dá se dokonce tvrdit, že smíšené tření v technice převládá. -Jsou dvě hlavní kategorie, ve kterých nelze docílit ideálního hydrodynamického mazání a kde se tudíž musí uplatnit maznost maziva.

16 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti První kategorie zahrnuje takový případ mazání, kdy mazací film vzniká a je během normálních pracovních podmínek průběžně udržován, avšak za určitých okolností (změna pracovní teploty, tlaku, zatížení, otáček apod.) se náhle trhá a nastává mezní tření. Typické příklady: mazání kluzných ložisek v nestacionárním stavu, mazání válců spalovacích motorů v horní úvrati, mazání kluzných uložení zemědělských strojů s vratným pohybem. Druhá kategorie zahrnuje zcela jednoznačně takové případy, kdy je zcela nemožné vytvořit kapalinový film mezi součástkami a v nejlepším případě probíhá mezné tření.

17 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Ostatní vlastnosti olejů Z dalších vlastností mazacích olejů nutno zmínit alespoň: 1)měrné teplo; 2)tepelná vodivost; 3)stlačitelnost.

18 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Ad 1) Měrné teplo oleje c je definováno jako množství tepla v joulech, potřebné k ohřátí kilogramu oleje o 1 °C. Je různé dle druhu zastoupení uhlovodíků či jiných komponentů, nebo teploty oleje. Měrné teplo olejů je bohužel nižší než u vody, což znamená, že se např. při provozu tepelně zatížených strojů (pístové motory) odvádí jen menší část tepla olejem, větší část chladícím médiem (voda či vzduch). V případě většího tepelného zatížení oleje je nutné použít chladičů. Ad 2) Tepelná vodivost má význam pro postup tepla tělesem, např. stěnou válce či chladiče. Ad 3) Pro technickou praxi stlačitelnost olejů nemá význam, i když v zahraničí byly konány pokusy s využitím stlačitelnosti speciálních kapalin pro pérující elementy vozidla (Vauxhall), avšak realizace narazila na nereálnost (těsnění) vzhledem k abnormálně vysokým tlakům (řádově 10 MPa).

19 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Mezná mazací vrstvička Tato mezná mazací vrstvička může vzniknout dvěma různými principy. 1) Princip fyzikální - resp. fyzikálně-chemický, spočívá v tom, že polární molekuly maziva se absorbují na povrchu a vytváří tak elastickou vrstvičku tvořenou z adsorbovaných či chemoadsorbovaných molekul maziva s mnohem větší odolností vůči vytlačení, tzn. s mnohem větší mechanickou únosností. V tom spočívá princip větší maznosti či „přilnavosti“, jak se dříve označovala, u olejů rostlinného či živočišného původu. Proto se např. ricinový olej používal pro letecké pístové motory ještě v I. světové válce. Pokud se únosnost olejů zvětšovala jen maštěním nebo i přidáváním tuhých maziv (grafit), pak pojem „přilnavost“ byl na místě. I u tuhých maziv dochází totiž k tvorbě mazací vrstvičky následkem fyzikální adsorpce. „Přilnavost“ mohla charakterizovat i odolnost mezné vrstvy takto vytvořené proti vytlačení. Ovšem po zjištění, že meznou mazací vrstvičku lze vytvořit i chemickým procesem v povrchové vrstvě kovu, ukázal se pojem „přilnavost“ k jednoznačnému vyjádření mazací schopnosti při mezném tření neudržitelný.

20 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 2) Princip chemický - tento způsob vzniku mazací vrstvičky spočívá v řízené chemické reakci povrchu kovu s mazivem, resp. s určitou složkou maziva, proto se také používal termín (ne dost vhodně) „řízené chemická koroze“. Vytváří se nikoli sama o sobě jen v přítomnosti aditivovaného maziva, avšak pod vlivem vyšších tlaků a teplot při vlastním zatížení vzájemně třených kovových povrchů v přítomnosti daného maziva. Jak probíhá mazání v přítomnosti maziva bez maznosti a s vysokou mazností ukazuje schématicky Stribeckova křivka. Čárkovaná část Stribeckovy křivky ukazuje chování maziva s vysokou mazností v oblasti vysokého zatížení a malých otáček, kde normální minerální mazivo je vytlačováno z mazaných ploch a dochází k náhlému a prudkému vzrůstu koeficientu tření až do havarijní oblasti (viz plná část křivky platná pro čisté minerální oleje). Výsledek při použití maziva s vysokou mazností je tedy evidentní - podstatné snížení tření se všemi jeho původními jevy (opotřebení či příp. havarií ložiska, zbytečným zahříváním součásti a tím zvětšení spotřeby energie atd.).

21 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Podmínky kapalinného tření 1)Mazivo musí na kluzné ploše dobře ulpívat a vykazovat potřebnou viskozitu, aby vznikl souvislý pevný mazací film. 2)Kluzné plochy ložiska musí navzájem vytvářet klínovitý prostor nutný pro vznik hydrodynamického klínu. Tlaky v kluzném ložisku začínají na periférii ložiska a jsou vyznačeny ve formě radiálních šipek v příslušné velikosti. Nejvyšší tlak leží ve směru nejužší vrstvičky maziva. Zde také dochází ke vzniku podtlaku - nasávání maziva.

22 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 3)Kluzná rychlost čepu v ložisku musí dosahovat alespoň min. rychlosti, aby do hydrodynamického klínu se dostalo dostatek maziva a aby vůbec mohl vzniknout mazací klín. Je možné užít příkladu vodního lyžaře. Je-li jeho rychlost malá, vodní film neunese jeho váhu, potopí se. Při startu musí nastavit lyže do vhodně velkého úhlu, aby se tak mohla vytvořit klínová mezní vrstva vody a teprve po dosažení dostatečné kluzné rychlosti lyžař zmenší úhel náběhu lyží, dostává se do stabilního stavu hydrodynamického skluzu - klouže po vodě. Podobně v kluzném ložisku přebírá tuto úlohu mazací klín. Proto hřídel nesmí nikdy úplně přesně lícovat s ložiskem, musí být uložen mírně excentricky. Je tedy nutná určitá ložisková vůle mezi hřídelem a ložiskem, která obvykle u běžných kluzných ložisek obnáší kolem 1 promile průměru hřídele. Musí se tedy volit mazivo takové viskozity, aby v ložisku došlo zaručeně k vytvoření zajištěného kapalinného mazání.

23 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Analogie mazacího klínu – vodní lyžař

24 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti VLASTNOSTI OLEJŮ Olej musí: 1)dobře lpět na mazaném povrchu při všech provozních podmínkách, což je určeno jeho hlavní komplexní vlastností - mazací schopností; musí odvádět teplo z horkých míst motoru, kde není možné chladit kapalinou (písty, kroužky, kluzná uložení), konzervovat motor při delším odstavení z provozu, při spalování vytvářet co nejmenší množství popela; 2)odolávat smykovým silovým polím, např. i u nejobtížněji mazatelné oblasti horní úvrati spalovacích motorů (rychlost pístu blízká nule, vysoké tlaky a teploty); 3)dobře odvádět třecí a provozní teplo; 4)chránit jak železné, tak barevné kovy (ložiska) před korozí;

25 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 5)odolávat co nejdéle i za nepříznivých pracovních podmínek stárnutí - oxidaci uhlovodíků, resp. základních složek oleje; 6)přispívat k těsnění pístů ve válci i za vysokých teplot, aby tak profukování plynu bylo co nejmenší; 7)nečistoty vznikající otěrem a opalem co nejjemněji rozptylovat, odplavovat a zabraňovat jejich usazování (aditivace olejů); 8)umožňovat provoz i při hlubokých mrazech (až -40 °C i více), ale při vysokých teplotách, jako např. jsou v oblasti 1. pístního kroužku (270 °C i více); 9)konzervovat motor při delším odstavení z provozu.

26 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Olej nesmí: 1)napadat těsnící materiály, zejména pryž simerinků; 2)pěnit při provozu v motoru, což je nebezpečné pro vysazení práce čerpadla oleje a má za následek vytavení ložisek (protipěnová aditiva); 3)vykazovat vysoké karbonizační číslo a rovněž nesmí být náchylný k tvorbě tzv. studených kalů.

27 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Olej má být: 1)málo odparný, což se příznivě odráží na malých ztrátách v provozu i za vysokých teplot a naopak (tato vlastnost souvisí s frakčním složením základového oleje); 2)skladovatelný alespoň 2 roky v temnu v přiměřené teplotě (bez extrémně vysokých i nízkých teplot); 3)ekonomický v provozu, což souvisí s jeho cenou a užitnými shora uvedenými vlastnostmi;

28 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 4)mísitelný s jinými oleji téže skupiny SAE (dle viskozity) a dle podmínek provozu bez ohledu na firemní původ (tyto podmínky většina výrobců olejů splňuje); 5)účelné balení i vzhledem k laickému používání (na obalu má být vytištěn návod k použití a případné upozornění); 6)účelně značen dle mezinárodních norem SAE, ACEA, API, tak, aby byla jasná jeho specifikace a podmínky použití.

29 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Stanovení dynamické viskozity Stanovení dynamické viskozity se provádí u olejů jen při nízkých teplotách např. (0°F) a to v Höpplerově přístroji. Údaje viskozity vyjádřené v jednotkách dynamické viskozity mPas se dále převádějí na jednotky viskozity kinematické mm 2.s -1, neboť další stanovení viskozity při tzv. smluvních teplotách (50 °C, 100 °C, resp. 100 °F a 200 °F) se již vyjadřuje jen v jednotkách kinematické viskozity mm 2.s -1. Pomůcky: Höpplerův viskozimetr, termostat, stopky, pryžové hadříky, pipety, benzin, ethylalkohol, vzorek zkoušeného minerálního oleje.

30 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Pracovní postup Vytemperujeme ultratermostat na 20 °C a pomocí stavěcích šroubů postavíme přístroj tak, aby libela namontovaná na poklopu přístroje byla v rovnováze. Trubice temperovací nádobky opatřené teploměrem, spojíme pryžovými hadičkami a ultratermostatem. Otevřeme šroubovou hadici, vytáhneme odvzdušňovací vložku a trubici naplníme mírně zahřátým a pak na 20 °C zchlazeným vzorkem (asi 2 cm pod horrní okraj). Případné ulpělé bubliny na stěnách odstraníme tyčinkou. Vypustíme do trubice viskozimetru vhodnou kuličku a ulpí-li na ni vzduchová bublinka, odstraníme ji pomocí skleněné tyčinky. Zasuneme odvzdušňovací vložku a zašroubujeme hlavici. Přesvědčíme se, zda voda v lázní má teplotu 20 °C, pak opatrně obrátíme viskozimetr. Necháme přejít kuličku až k odvzdušňovací zátce a viskozimetr opět postavíme do původní polohy. V okamžiku když se obvod kuličky dotkne horní rysky, spustíme stopky, změříme čas od okamžiku, kdy se obvod kuličky dotkne spodní rysky. Pokus opakujeme a znovu měříme dobu průchodu kuličky mezi ryskami.

31 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1. skleněná trubice naplněná vzorkem; 2. padající kulička; 3. temperovací nádobka; 4. teploměr; 5. skleněný plášť; 6. přívod a odvod temperovací kapaliny; 7. stavěcí šrouby; 8. libela; 9. šroubová hlavice; 10. odvzdušňovací vložka.

32 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Viskozitu vypočítáme ze vzorce: η = τ (h k – h 1 ). K [mPas] h k...hustota kuličky [kg.m -3 ]; h 1 …hustota látky [kg.m -3 ]; K…konstanta kuličky; τ…doba průchodu kuličky mezi ryskami [s]. Hustota kuliček a jejich konstanty jsou uvedeny ve zkušebním osvědčení, které je vydáno pro každý viskozimetr.

33 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti KuličkyHustota kuličkyKonstanta kuličky a2,4000,01836 b2,3990,1465 c8,1100,324 d8,1152,34 e7,7040,85 Po změření viskozity odšroubujeme hlavici a skleněnou trubici upevněnou na dřevěném kolíčku po vytření kotoučovou gumovou stěrkou opláchneme benzinem (nebo benzolem), pak ethylalkoholem a osušíme. Vyčistíme též odvzdušňovací zátku a šroubové hlavice. Obrátíme viskozimetr a odpojíme termostat.