UNIVERZITET U ZENICI
MAŠINSKI FAKULTET KATEDRA ZA PROIZVODNE TEHNOLOGIJE PREDMET: INŽENJERSTVO POVRŠINA Akademska godina: 2017/18
VISKOZNOST -Seminarski rad-
Student: Andrea Misilo
Predmetni asistent:
Broj indeksa: T-467/16
doc.dr. sc.
Edin Begović, dipl.inž.maš.
Zenica, decembar 2017. 1
SAŽETAK
značajno mjesto jer da nije tako, ne bismo imali mašine i alate koji traju dugo i učinkovito. Kao bitan faktor u proizvodnji, potrebno ih je održavati i neprestano poboljšavati kako bi se omogućila što bolja i kvalitetnija proizvodnja i funkcija mašinskih dijelova i sklopova. Jedan od faktora koji utječu na proces podmazivanja je viskoznost maznog sredstva koja pri djelovanju određenih faktora može a i ne mora varirati te tako dovesti do određenih promjena u ovakvim sistemima. U daljem tekstu su opisani ti faktori te načini na koji se oni mogu kontrolisati te konačno i izmjeriti viskoznost Sistemi podmazivanja u suvremenoj tehnici zauzimaju
samog fluida.
Ključne riječi: dinamička viskoznost, kinematska viskoznost, Reynoldsov broj, njutnovski i nenjutnovski fluidi, indeks viskoznosti, viskozimetri, SAE klasifikacija.
2
SADRŽAJ Contents
1. UVOD .................................................................................................................................... 4 2. POJAM VISKOZNOSTI ..................................................................................................... 5 2.1. Newtonov zakon viskoznosti ......................................................................................... 5 2.2. Reynoldsov broj ............................................................................................................. 7 2.3. Njutnovski i nenjutnovski fluidi ...................................................................................7 2.4. Ovisnost viskoznosti o pritisku i temperaturi ..............................................................9 2.4.1. Viskoznost i pritisak ........................................................................................... 9 2.4.2. Viskoznost i temperatura .................................................................................10
3. ODREĐIVANJE VISKOZNOSTI I METODE MJERENJA ....................................... 12 3.1. Kapilarni viskozimetri ................................................................................................ 12 3.2. Viskozimetar zasnovan na padanju kuglice ...............................................................13 3.3. Rotacijski viskozimetri ............................................................................................... 14 4. KLASIFIKACIJA MOTORNIH ULJA PREMA VISKOZNOSTI (SAE) .................. 15
5. ZAKLJUČAK ..................................................................................................................... 16 7. POPIS LITERATURE ....................................................................................................... 17
3
1. UVOD
U ovom seminarskom radu razmatrat će se pojava viskoznosti kao fizikalne pojave i obilježja svih fluida koja značajnu ulogu igra u funkciji djelatne tvari u sistemima podmazivanja. Ukratko će se pojasniti i metode mjerenja viskoznosti te opisati postupak rada pri istim. Viskoznost utječe na samo tečenje fluida te iz ovoga proizilazi sama definicija ove pojave te se u ovome također očituje njen utjecaj u sistemima podmazivanja što će u daljem tekstu biti i dodatno pojašnjeno. Viskoznost je fizikalno opisao engleski fizičar Isaac Newton te dao matematičku formulaciju po kojoj se ona može odrediti što je dakako našl o veliku primjenu u raznim naukama te je uveliko unaprijedilo praktičan rad u industriji. Sam naziv potječe od latinske riječi viscum što označava imelu od čijih se bobica pravi viskozno ljepilo. Ovo svojstvo ovisi i o promjeni temperature i pritiska što znači dodatne mjere opreza pri primjenjivanju fluida u sistemima podmazivanja. Viskoznost se određenim metodama može i precizno mjeriti a sama je i faktor prema kojem se i dijele motorna ulja prema SAE klasifikaciji.
4
2. POJAM VISKOZNOSTI Viskoznost se definira kao pojava otpora kretanju fluida , tačnije ona djeluje kao otpor promjeni položaja fluidnih djelića usljed strujanja kada se oni nalaze pod djelovanjem tangencijalih napona. Drugi nazivi su također i koeficijent unutrašnjeg trenja, viskozitet i žilavost tekućine .
Ova pojava nastaje kao posljedica trenja između slojeva fluida od kojih se, kako znamo, fluid sastoji. Postavlja se pitanje zbog čega se javlja ovaj otpor. Odgovor nalazimo u činjenici da se f luidni slojevi kreću različitim brzinama a sam uzrok tog stanja su adhezijske sile fluida i čvrstog tijela s kojim je u kontaktu te kohezijske sile tj. sile između molekula fluida . Viskoznost ne ovisi o gustini kao što se misli jer ulje koje je viskoznije od vode ima manju gustinu od nje te pliva na njoj. Viskozniji fluid ne prska pri tečenju za razliku od manje viskoznih fluidnih materija. Naučna disciplina koja proučava načine mjerenja viskoznosti zove se viskometrija.
Slika 1. Pr ofil brzina u fluidu
2.1. Newtonov zakon viskoznosti Pri kontaktu fluid- stijenka
rezervoara/cijevi brzina fluida je jednaka nuli što znači da je tangencijalni napon koji djeluje u tom području beskonačno velik te je stoga i viskoznost beskonačno velika pa nema tečenja. Ovaj zaključak lako proizilazi iz formulacije koju je dao Isaac Newton te se prema njemu naziva Newtonov zakon viskoznosti a glasi:
= [] ⸱ ⸱
[] [] []
gdje je: F-sila koja dovodi do kretanja
,
,
A-veličina kontaktne površine
,
η-dinamički viskozitet
predstavlja gradijent brzine.
a
5
Izraz
označava se i kao τ odnosno napon smicanja.
Napon smicanja direktno ovisi o
gradijentu brzine u slojevima fluida. Ovom se zakonu podvrgavaju njutnovski fluidi dok se
nenjutnovski fluidi povrgavaju modificiranoj Newtonoj jednačini koja će biti spomenuta dalje u tekstu.
Dinamički viskozitet izražava se prema SI sistemu jedinica u [Pas] . Najčešće korištena jedinica mjere je 1 mPas što odgovara starijoj mjernoj jedinici 1 cP (centi poaz).
Kinematski viskozitet koji označavamo s ν ovisan je o gustini fluida i osim u navedenoj jedinici
izražava se i u Stocksima tj. 1 S= 10 5,9
-4
a nekada se koristila i jedinica engler gdje je 1 °E=
=
značajna je kod dinamike stišljivih njutnovih fluida kod efekata kao što su udarni valovi i širenje zvuka i za jednoatomne plinove jednaka je nuli.
Zapreminska viskoznost
Treba napomenuti da Newtonov zakon viskoznosti vrijedi samo u sredinama gdje se odvija tzv. laminarno strujanje te za njutnovske fluide. Ovakvo strujanje fluida karakterizira slojevito stanje fluida te niže brzine protjecanja, takoreći mirno i jednolično kretanje. Ovdje su slojevi
fluida paralelni te nema poremećaja u njihovom slijedu. Ukoliko dođe do porasta gradijenta brzine, laminarno strujanje postaje turbulentno koje se još naziva i „grubi režim“. Ovdje se sila otpora mijenja s povećanjem brzine, odnosno nj enim kvadratom. Sila otpora Fd uzrokuje pojavu otpora pri kr etanju čvrstim tijela u fluidu a data je tzv. Stokesovim zakonom koji za sferu poluprečnika r pri laminarnog strujanju glasi:
=6 v [] ⸱ ⸱ ⸱ ⸱
Slika 2 . Čvrsto tijelo u fluidu
6
2.2. Reynoldsov broj
Stanje laminarnog i turbulentnog protoka određuje Reynoldsov broj. On je važan podatak koji je potrebno znati prilikom proračuna određenih sistema, npr. cjevovoda kako bi se utvrdilo moguće nastajanje turbulentnog kretanja koje dovodi do kolapsa sistema. Reynoldsov broj manji od 2000 sugerira na pojavu laminarnog strujanja, a vrijednosti veće od 2000 na turbulentno strujanje. Izraz prema kojem se određuje Reynoldsov broj glasi:
= v , ⸱
gdje je: v-najveća brzina strujanja fluida, L-dužina elementa
kroz koji ili preko kojeg teče fluid,
ν-kinematska viskoznost.
Slika 4 . Reynoldsova zapažanja kod strujanja fluida
Slika 3. Ti povi strujanja
2.3. Njutnovski i nenjutnovski fluidi U prethodnom tekstu pokazano je kako se brzina mijenja pri kretanju fl uida. Moguće je također primijetiti linearnu ovisnost napona smicanja o brzini deformacije te uspostaviti vezu izrazom:
= [], ⸱
gdje τ predstavlja tangencijalni napon koji je direktno proporcionalan promjeni brzine i uzrokuje ugaonu deformaciju.
7
Slika 5. Ovisnost tangencij alnog napona o promjeni brzine
Fluidi čija je karakteristika linearna promjena tangencijalnog napona s promjenom brzine nazivaju se njutnovskim fluidima a u njih spadaju: voda, hidraulična ulja itd. Kod ovakvih fluida, viskoznost je konstantna veličina za razne vrijednosti brzina te je jedino ovisan o pritisku i temperaturi i podvrgava se Newtonovom zakonu viskoznosti.
Fluidi koji pokazuju nelinearnu zavisnost između ovih komponenti nazivaju se nenjutnovski fluidi. Kod ovih fluida, viskoznost je promjenljiva veličina i ne podvrgavaju se Newtonovom zakonu viskoznosti. Njihova viskoznost ovisi i o brzini smicanja-S pored navedene temperature i pritiska. Za određivanje viskoznosti ovakve materije mora se uzeti i obzir i dijagram τ = f(S) a on predstavlja krivu tečenja. Za proračun se koristi modificirana Newtonova jednačina koju su dali Ostvald i de Waele te glasi:
= 1 (,=. ), ⸱
⸱
gdje je: - prividna dinamička viskoznost,
- prividna dinamička viskoznost kad je S= 1 s -1 ,
n-eksponent strukture (n=1 za njutnovske fluide, n>1
za dilatantne fluide, n<1 za pseudoplastične fluide ).
Kod dilatantnih tečnosti /Ostvaldovih fluida uočavamo stanje koje karakterizira rast viskoznosti s povećanjem tangencijalnih napona a u njih spadaju: uljane boje, tiskarsko crnilo, vlažan pijesak. Pseudoplastičan/razrjeđujući fluid kojeg nazivamo još i strukturno-viskoznim pokazuje osobinu pada viskoznosti s eksponencijalnim povećanjem tangencijalnog napona. Takvi fluidi su: emulzije, sapuni, mlijeko, k rv, želatin, smole, proteini... Prividna dinamička viskoznost predstavlja viskoznost ovisnu o temperaturi, gradijentu brzine smicanja, naponu smicanja te o vrsti fluida. Ona se s povećanjem temperature i brzine smicanja smanjuje. Osim kod njutnovskih fluida, linearna ovisnost napona o brzini smicanja javlja se i kod tzv. Binghamovih fluida u koje spadaju mazive masti, majoneza, pasta za zube, puding... 8
2.4. Ovisnost viskoznosti o pritisku i temperaturi
2.4.1. Viskoznost i pritisak
Eksperimentalno je utvrđeno
da viskoznost raste s povišenjem pritiska koji djeluje na fluid. Viskoznost značajnije raste ukoliko su prisutni visoki pritisci. Ovdje se prvenstveno misli na kinematsku viskoznost gdje usljed djelovanja pritiska dolazi do promjene gustine fluida. Utjecaj pritiska na dinamičku viskoznost daje se izrazom:
= , ⸱
⸱
gdje je: - viskoznost kod željenog pritiska, - viskoznost pri atmosferskom pritisku,
predstavlja
koeficijent ovisan o pritisku i određuje se prema izrazu:
= 1 = (1+ ) ⸱
Promjena kinematskog viskoziteta s porastom pritiska
gdje je:
⸱
⸱
izražava se preko jednačine: ,
- viskoznost pri pritisku p,
p-pritisak koji djeluje na fluid, k-koeficijent ovisan o viskoznosti ulja Koeficijent k za niskoviskozne fluide iznosi 0,02 a za visokoviskozne je 0,03.
Slika 4. Di jagram napon-brzina smicanja
Slika 7. D ij agr am brzina-sila
9
Općenito vrijedi da postupak određivanja ovisnosti viskoznosti o pritisku nije jednostavan zadatak, posebno kod fluida koji predstavljaju smjese više različitih tvari kao što su mineralna ulja. Međutim, poznato je da se ovisnost viskoznosti o pritisku smanjuje ukoliko se povisi temperatura.
Slika 8. Ovisnost viskoznosti o pri tisku
2.4.2. Viskoznost i temperatura
Viskoznost s povišenjem temperature ubrzano opada što je od posebnog značaja u sistemima podmazivanja jer dolazi do narušavanja funkcionalnosti procesa gdje može doći do istjecanja ulja te do eventualnog kontakta dijelova između kojih je uljni medij što rezultira habanjem, odnosno trošenjem dijelova . Kod plinovitih fluida, viskoznost raste s porastom temperature. Manja viskoznost rezultira manjim trenjem u samom ulju no takva osobina utječe na snagu mašine, npr. motora te na razlijevanje ulja što vodi lošijem podmazivanju dok se visoka viskoznost karakterizira boljom zaštitom dijelova no i povećanom mogućnošću kavitacije. Indeks viskoznosti (IV) predstavlja karakteristiku koja govori kako se mijenja brzina promjene viskoznosti s promjenom temperature. Ovaj indeks je kod hidrauličnih sistema pri normalnim uslovima između 90 i 120 a pri niskim temperaturama iznosi preko 150.
100 , = ⸱
gdje je: L- kinematska viskoznost ulja na 40 °C gdje
je IV=0
H- kinematska viskoznost ulja na 40 °C gdje je IV=100, U- izmjerena kinematska viskoznost ulja na 40 °C čiji
IV trebamo odrediti 10
Slika 9 . Dinamička viskoznost vode i općenito fluida na različitim temperaturama
D.M. Sutherland dao je
izraz za izražavanje ovisnosti viskoznosti o temperaturi a on glasi:
1+ =√ , 1+ =273,15 =1,716 10− , ⸱
gdje je:
-viskoznost na temperaturi
i iznosi
⸱
S- konstantna temperatura koja za suhi zrak iznosi S= 110,4 K
Slika 10 . Dinamička i kinematska viskoznost na različitim temperaturama
11
3. ODREĐIVANJE VISKOZNOSTI I METODE MJERENJA
Postoje brojne metode kako se može odrediti viskoznost neke smjese. Neke metode su već zastarjele i koristile su se u ranijem dobu dok se danas koriste neke modernije verzije mjernih instrumenata. Kod mjernih metoda potrebno je voditi računa o utjecaju temperature i pritiska .
Zbog toga se ispitivanja vrše pri pritisku od 1 bara te je također potrebno i kod svakog podatka o viskoznosti uvrstiti i odgovarajuću temperaturu. Za određivanje koeficijenta viskoznosti koriste se specijalno konstruirani uređaji, tzv. viskozimetri. U zavisnosti da li se proučavaju njutnovski ili nenjutnovski fluidi, razlikujemo više vrsta viskozimetara. Viskozimetri za njutnovske fluide kao što su hidraulična ulja i drugo dijele se na: rotacijske viskozimetre, kapilarne viskozimetre te viskozimetre zasnovane na padanju kuglice. Za ispitivanje nenjutnovskih fluida koriste se rotacijski viskozimetar i viskozimetar sa kupom i pločom. Za mjerenje viskoznosti u uporabi su kapilarni viskozimetri po Vogel-Ossagu (DIN 51561), prema Ubbelohdeu (DIN 51562), Canon-Fenske viskozimetar i Ostwaldov viskozimetar. Pri niskim
temperaturama koriste se minirotacioni viskozimetri a na višim viskozimetri s većom brzinom smicanja nego što je u kapilarnom.
3.1. Kapilarni viskozimetri
određuju viskoznost njutnovskih fluida tako što mjere vrijeme za koje određeni fluid proteče između dvije oznake na kapilari pod utjecajem sile teže a ta se mjerenja Ovakvi viskozimetri
smatraju ispravnim ukoliko je to vrijeme manje od 200 s. Kapilarni viskozimetri dijele su na
one kod kojih postoje duže i kraće kapilare. Viskozimetri s dužim kapilarama dijele se na one pod utjecajem dodatnog pritiska i bez dodatnog pritiska. Viskozimetri s dodatnim pritiskom
mogu biti mehanički i pneumatski. Kinematsku i dinamičku viskoznost određujemo prema sljedećim izrazima:
=
= []
⸱
⸱
gdje su : ν- kinematska viskoznost
- dinamička viskoznost
, []
,
,
C- konstanta kapilare,
[ ] ,
t- vrijeme protjecanja
ρ- gustina fluida
,
ν- kinematska viskoznost
[]
. Slika 11. Kapilarni viskozimetri
12
3.2. Viskozimetar zasnovan na padanju kuglice
Drugi način određivanja viskoznosti njutnovskih fluida su viskozimetri zasnovani na padanju kuglice. Ova metoda sastoji se u tome da čelična ili staklena kuglica pada kroz skoro vertikalnu staklenu cjevčicu koja sadrži fluid koji se ispituje pri konstantnoj temperaturi. Brzina kojom će kuglica pasti obrnuto je proporcionalna viskoznosti fluida a poznati su parametri kuglice, tj. gustina i prečnik. Ovaj se viskozimetar još naziva i Höppler -ov viskozimetar. Promatrajući
kretanje kuglice, može se uočiti da su sila trenja između kuglice i fluida te sila gravitacije međusobno ekvivalentne te se putem jednačine Stocksovog zakona za čvrsto tijelo u fluidu i jednačine sile gravitacije usljed koje kuglica pada kroz fluid može dobiti vrijednost dinamičkog viskoziteta koji glasi:
( ) = = ( ) = ( ) [], ⸱ ⸱
⸱
⸱
⸱
⸱ ⸱ ⸱
⸱ ⸱
⸱ ⸱ ⸱
gdje su: - dinamička viskoznost
⸱
⸱
⸱
⸱
[],
, [ ] , , , [ ], .
K - konstanta kuglice
⸱ ⸱
t – vrijeme padanja kuglice k -
gustoća kuglice
t -
gustoća uzorka
R – radijus sferičnog predmeta v – brzina padanja kuglice
Slika 12. Viskozimetar zasnovan na padanju kuglice
13
3.3. Rotacijski viskozimetri
Rotacijski viskozimetar načelno određuje vrijednost dinamičkog viskoziteta. Princip rada ovog mjernog instrumenta koristi moment potreban da se zadrži konstantna brzina vrtnje cilindričnog viska. Visak se uroni u ispitivani fluid čija j e temperatura konstanta te se pritom određuje vrijednost relativne viskoznosti za rotaciju. Kada se dobiju potrebna brzina obrtanja i moment,
određuje se dinamička viskoznost. Temperatura se održava konstantnom putem posude s vodom u koju je uronjen grijač.
Slika 13. Rotacijski viskozimetar
Zanimljivo je spomenuti i da osim dinamičke odnosno apsolutne te kinematske viskoznosti, u inžinjerskoj praksi se koristi i treći tip viskoznosti poznatiji kao relativna viskoznost. Relativna viskoznost predstavlja omjer vremena istjecanja određene količine vode i fluida čiju viskoznost ispitujemo. Mjeri se Englerovim viskozimetrom a izražava u stepenima Englera (°E).
Tabela 1 . Dinamička viskoznost pojedinih tvari
14
4. KLASIFIKACIJA MOTORNIH ULJA PREMA VISKOZNOSTI (SAE) Ovakav sistem klasifikacije motornih ulja koristi se u automobilskoj industriji i predstavlja
najrašireniji sistem ovakve prirode. Kratica SAE označava Američko udruženje inžinjera koje se bavilo razvojem autoindustrije te je na njihov prijedlog uvedena podjela motornih ulja prema viskoznosti i to u dvije grupe.
Prva grupa su monogradna/sezonska ulja koja se mijenjaju prema godišnjim dobima, dok drugu grupu karakteriziraju multigradna ulja koja se koriste tijekom cijele godine. Za zimska ulja (W) propisana je maksimalna viskoznost kod niskih temperatura a minimalna
na 100 °C. Kod ljetnih ulja propisana je minimalna i maksimalna viskoznost na 100 °C. Ulja druge grupe-multigradna ulja koriste se i zimi i ljeti te su zimi od ređena propisima za zimska ulja, a ljeti za ljetna. Prema ovoj klasifikaciji postoje dvije kategorije viskoznosti motornih ulja.
1. gradacije se definiraju: maksimalnom dinamičkom viskoznošću na niskim temperaturama određenoj prema ASTM D 2602 procesu, najvećom graničnom temperaturom pumpabilnosti (ASTM D 3829) i minimalnom kinematičkom viskoznosti na 100 ºC (ASTM D Ulja
445).
koje ne sadrže slovo W se definiraju kinematskom viskoznošću na 100 ºC koja se određuje prema procesu ASTM D 445 . Ukoliko ulje zadovoljava zahtjeve više od 1 W gradacije, ono se označava najnižom gradacijom. Postoje situacije u kojima ulje odgovara i Ulja 2. gradacije
gradaciji bez slova W; takvo je ulje multigradno.
Tabela 2. K lasifi kacija motornih ulj a prema viskoznosti
15
5. ZAKLJUČAK Sada kada je dan pregled metoda ispitivanja viskoznosti, karakteristike ovog fizikalnog svojstva
te određena klasifikacija materije na njutnovske i nenjutnovske fluide, moguće je osvrnuti se i zaključiti da se materija ne ponaša isto s promjenom temperature, pritiska i brzine smicanja koje imaju značajan utjecaj na njenu viskoznost. Različito se ponašaju i tečni i plinoviti fluidi a uzrok ovakvom ponašanju leži u uzroku same pojave viskoznosti u ovim tipovima fluida. Ova teorijska znanja u praktičnoj su primjeni u sistemima podmazivanja gdje koeficijent viskoznosti utiče na samu funkcionalnost procesa. Ukoliko imamo sredstvo za podmazivanje niskog viskoziteta, moguća je pojava razlijevanja sredstva kroz zazore što vodi lošem podmazivanju i ostvarivanju kontakta između dijelova koji su u relativnom kretanju. Visoka viskoznost utječe na sistem tako što ga čini tromim, dolazi do smanjenja zapremine punjenja te je moguća i pojava kavitacije. Osim samog koeficijenta viskoznosti, potrebno je voditi računa i o indeksu viskoznosti koji treba biti što veći čime se osigurava stabilno stanje sredstva za podmazivanje na povišenim, odnosno sniženim temperaturama. Koeficijente viskoznosti je moguće odrediti pomoću raznih metoda, odnos no instrumenata kao što su kapilarni viskozimetri, rotacijski viskozimetri, viskozimetri zasnovani na padanju kuglice, koje su navedene kako bi se postupak podmazivanja doveo do optimuma te se spriječio nastanak gubitaka. Poznavanjem ovih parametara motorna su se ulja podijelila na monogradna i multigradna što omogućuje bolje prilagođavanje motornih vozila vremenskim uvjetima. Gubitke je moguće svesti na prihvatljivu razinu ukoliko se pažljivo pristupa proračunima i samoj izradi sistema za podmazivanje što je
i cilj samog postupka te ga na taj način ostvarujemo prema svojoj zamisli sa što većim procentom uspješnosti.
Slika 14. Motorno ulje
16
7. POPIS LITERATURE [1]
Demirdžić I.: Mehanika fluida I.dio (Osnove), Mašinski fakultet, Sarajevo , 1990.
[2] Savić V.: Hidraulična ulja i održavanje hidrauličnih sistema, Zavod za mašinstvo, Mašinski fakultet u Zenici , 1987. [3]
Savić V. , Kovač O. Podmazivanje mastima, Jugoma, Zagreb, 1988.
[4] Ekinović S.: Osnovi tribologije i sistema podmazivanja, Mašinski fakultet, Zenica, 2000. [5] Grupa autora , Maziva i podmazivanje, Jugoma, Zagreb, 1986. [6] http://repozitorij.fsb.hr/3214/1/Kekez_2015_zavrsni_preddiplomski.pdf [7] http://www.ffh.bg.ac.rs/OKFH/download/OKFH2-07.pdf
17