Logo
Metrikon
Kako promjena temperature utječe na viskoznost ulja?
Preporuke

Kako promjena temperature utječe na viskoznost ulja?

  • Katarina Knafelj Jakovac

    5. prosinca 2023.

Osnovne fizikalne karakteristike svakog maziva su bazno ulje, viskoznost ulja, indeks viskoznosti i točka tečenja na koje utječe promjena temperature.

Karateristike baznog ulja

Svako ulje za podmazivanje strojeva i opreme se sastoji iz baznog ulja i određene količine odgovarajućih aditiva, ovisno o specifičnoj namjeni.

Mineralna ili nesintetička bazna ulja imaju specifičan kemijski sastav u osnovi nastao iz pročišćene nafte uklanjanjem teških parafinskih spojeva, uz doradu vodikom.

U kasnijim koracima proizvodnog procesa se namješavaju aditivi potrebni za postizanje ciljanih karakteristika maziva poput aditiva za poboljšanje viskoznosti i stabilnosti, protiv kristalizacije parafina ili za zaštitu od korozije.

Osim naftenskog podrijetla, mineralna bazna ulja mogu biti parafinskog ili aromatskog podrijetla, pri čemu druge dvije skupine imaju veći indeks viskoznosti. S druge strane, bazna ulja naftenskog podrijetla su podložnija promjenama u odnosu na ulja parafinskog podrijetla.

Ulja parafinskog podrijetla su zbog svoje stabilnosti poželjnija sirovina za namješavanje sa ostalim komponentama prilikom proizvodnje maziva i za primjenu u strojevima koji rade pri većim temperaturama.

 Bazna ulja različitog podrijetla, s lijeva na desno: mineralno, sintetičko, hidrokrekirano, sintetičko sa visokim indeksom viskoznosti, sintetičko polyalphaolefin

Slika: Bazna ulja različitog podrijetla, s lijeva na desno: mineralno, sintetičko, hidrokrekirano, sintetičko sa visokim indeksom viskoznosti, sintetičko polyalphaolefin (Izvor)

Aditivi u baznom ulju reagiraju na promjenu temperature i pomažu održavati svojstva maziva na zahtijevanoj razini.

Što je viskoznost?

Najvažnija karakteristika svakog ulja za podmazivanje i glavna odrednica klasifikacije, predstavlja sposobnost tečenja ili unutarnjeg trenja nastalog prilikom strujanja maziva zbog različite brzine gibanja njegovih slojeva.

Određuje se u centistoksima (cSt, 1 cSt = 0.01 St = 1 mm²/s= 10⁻⁶ m²/s) pri 40°C i pri 100°C.

Viskoznost ulja je glavni kriterij za način rukovanja, skladištenja i radne uvjete prilikom primjene zbog čega je i obavezan podatak u tehničkim specifikacijama proizvođača maziva, u katalozima maziva i u korisničkim priručnicima proizvođača strojarske opreme.

Standard ASTM D445 propisuje metode ispitivanja kinematičke viskoznosti za prozirne i neprozirne tekućine te definira način izračuna dinamičke viskoznosti.

Kinematička viskoznost ulja se određuje tako da se mjeri vrijeme potrebno za protjecanje određene količine ulja pod djelovanjem gravitacije kroz kalibrirani stakleni kapilarni viskozimetar.

Dinamička viskoznost (mPa·s ) se dobije množenjem vrijednosti kinematičke viskoznosti i gustoće.

Npr. kada nastane uljni film između ležaja i vratila, neke od molekula ulja se zalijepe za metalnu površinu vratila, dok se druge natalože na površini ležaja i stvaraju otpor naprezanju.

Na ovakvo ponašanje ulja utječe temperatura. Multigradna ulja manje viskoznosti imaju veći otpor naprezanja dok jednogradna ulja imaju manji otpor naprezanju.

Ulja za podmazivanje niže viskoznosti i potencijalno većeg otpora naprezanju moraju održavati dovoljnu debljinu uljnog filma, inače će porastom temperature doći do smanjenja ili nestanka uljnog filma i trenja između dviju metalnih površina, što obavezno nastojimo izbjeći.

Ako ipak dođe do kontakta dviju metalnih površina, tada kažemo da je došlo do zaribavanja.

Na slici 1. vidimo kako se ponaša viskoznost ulja ovisno o rastu ili padu radne temperature za određenu VG gradaciju.

Promjena viskoznosti ovisno o temperaturi
Slika: Promjena viskoznosti ovisno o temperaturi (Izvor)

Ako je viskoznost ulja previsoka uz potencijalno nizak otpor naprezanju, otpor unutarnjeg trenja će drastično povećati temperaturu samog ulja i dovesti će do pregrijavanja te oksidiranja ulja.

Iz tog razloga obavezno treba voditi računa o radnoj temperaturi kroz čitav radni vijek stroja prilikom izbora odgovarajućeg maziva.

Što je točka tečenja ulja?

Točka tečenja se definira kao najniža temperatura pri kojoj ulje za podmazivanje ima sposobnost tečenja.

Često se u praksi pogrešno smatra kriterijem za odabir gradacije viskoznosti VG.

Npr. ako ulje ima točku tečenja na -30°C, većina ljudi će automatski pretpostaviti da će se ulje razmazivati po površini strojnog dijela čak i kada je vanjska temperatura -30°C.

I bit će u krivu.

Naime, u najboljem slučaju, kad ulje koje ima točku tečenja na temperaturi -30°C podmazuje stroj koji se nalazi u okolini gdje je temperatura -30°C, doći će do bućkanja koje posljedično uzrokuje porast temperature ulja zbog unutarnjeg gibanja slojeva.

Porast temperature omogućava snižavanje viskoznosti taman onoliko koliko je potrebno da bi ulje krenulo polagano teći preko strojnih dijelova i utora.

Često ovaj proces traje 5 do 10 minuta (ponekad i više), pri čemu stroj radi s nepodmazanim komponentama, što može uzrokovati zaribavanje jer je ulje postalo previše gusto da bi pravilno podmazivalo.

Poanta opisane situacije je: nemojte se pouzdati u točku tečenja kao glavni kriterij prilikom izbora gradacije viskoznosti ulja za podmazivanje.

Što je indeks viskoznosti?

Indeks viskoznosti (oznaka VI ili IV prema engleskom nazivu viscosity index) opisuje otpornost promjene viskoznosti ovisno o promjeni temperature.

Slika pokazuje promjenu kinematske viskoznosti ovisno o temperaturi za motorno, sintetičko i mineralno ulje, pri čemu mineralno ulje ima niski indeks viskoznosti.

Promjena indeksa viskoznosti ovisno o temperaturi i vrsti ulja.png
Slika : Promjena indeksa viskoznosti ovisno o temperaturi i vrsti ulja

Da bi se poboljšala otpornost viskoznosti na promjene temperature, potrebno je poboljšati proces proizvodnje ili u motorno ulje dodavati aditive.

Ako promatramo uljni film čija se debljina smanjuje kada dođe do povećanja temperature, tada kažemo da ulje ima nizak indeks viskoznosti.

Ako se viskoznost ulja ne mijenja značajno kada se zagrijava ima viši indeks viskoznosti i za njega kažemo da je stabilnije.

Opisana ovisnost temperature i viskoznosti je bitna kada biramo ulje koje će podmazivati stroj čiji se radna temperatura drastično mijenja, pogotovo kada takav stroj treba raditi u sjevernim zemljopisnim širinama ili arktičkom području.

Sve do sada navedene karakteristike proizvođači ulja za podmazivanje dužni su navesti u tehničkim specifikacijama svakog maziva prema zahtjevima standarda ISO 2909:2002 ili ASTM D2270.

U tablici preuzetoj iz jedne takve tehničke specifikacije navedene karakteristike označene su žutom bojom, pri čemu je u prvom stupcu navedena karakteristika, u drugom stupcu stoji po kojem standardu je u laboratorijskim uvjetima ispitana svaka karakteristika.

U trećem stupcu izražene su mjerne jedinice i u četvrtom stupcu se navodi izmjerena vrijednost.

Tablica
(Izvor)

Npr. indeks viskoznosti motornog ulja ispitan je prema standardu ASTM D2270, nema mjernu jedinicu i iznosi 164.

Proizvođači strojeva u priručnicima za upotrebu i održavanje često ne navode indeks viskoznosti u poglavlju o mazivima i podmazivanju pa se preporučuje provjeriti kompatibilnost prije upotrebe određenog maziva.

Održavatelji strojarske opreme i svi ostali korisnici motornih ulja se rijetko kad obraćaju proizvođačima ulja za podmazivanje da im pruže stručnu pomoć pri izboru maziva prema definiranim potrebama, tehničkim specifikacijama ili u situaciji kada imaju specifične radne uvjete.

Iz mog iskustva, proizvođači maziva vrlo rado odgovaraju na konkretna pitanja i voljni su dati tehničke podatke o uljima, dati smjernice za postupanje s otpadnim uljima, sudjelovati u izradama planova podmazivanja te pružiti upute i preporuke za primjenu maziva.

Pojedini proizvođači su čak voljni organizirati kraće edukacije i radionice o mazivima i na temu osnova podmazivanja.

Preporučujem vam da se raspitate kod svog dobavljača ili kod proizvođača ulja za podmazivanje strojeva i opreme koju koristite da vama i vašem stručnom timu održi edukaciju te ga obavezno pitajte sve što vas zanima o njegovim mazivima ako vam do tada to nije bila praksa.

Također, ako ste imali problema sa određenom vrstom maziva i dogodio vam se kvar stroja, obavezno javite povratne informacije dobavljaču ili proizvođaču.

Na taj način proizvođač će dobiti uvid u ponašanje svog proizvoda u stvarnim uvjetima a vi ćete dobiti pomoć oko istrage zašto je nastao kvar.

Kako računamo indeks viskoznosti ulja?

Indeks viskoznosti za neko odabrano ulje računamo prema normi ASTM D2270 za izmjerenu viskoznost na temperaturama 40°C i 100°C.

Standardno ulje parafinskog podrijetla ima indeks viskoznosti VI=100, dok standardno ulje naftenskog podrijetla ima indeks VI=0.

Prvo se izmjeri viskoznost ulja na 100°C, potom se iz grafikona u normi ASTM D2270 očitaju parametri:
L – viskoznost ulja naftensko-aromatske strukture pri 40°C
H – viskoznost ulja parafinske strukture pri 40°C
U – viskoznost ispitivanog ulja pri temp. 40°C
Svi navedeni parametri su povezani formulom:

IV=LULH×100IV = \frac{L-U}{L-H}\times 100

Odnosi navedenih parametara se grafički prikazuju preko omjera na dijagramu na slici, pri čemu se promatra raspon temperature između 20°C i 100°C.

Slika: Odnos viskoznosti ulja naftensko-aromatske i parafinske strukture

Slika: Odnos viskoznosti ulja naftensko-aromatske i parafinske strukture (Izvor)
Brži način izračuna viskoznosti ulja pomoću opisane formule je online korištenjem dostupnog kalkulatora ili upotrebom mobilne aplikacije.

Viskoznost ulja u praktičnim primjerima

Nove pumpe se isporučuju sa praznim ležajnim kućištem i prije prvog pokretanja pumpe u rad obavezno treba napuniti ležajno kućište količinom ulja za podmazivanje i gradacije viskoznosti koje je propisao proizvođač pumpe.

Nije dozvoljeno miješati ulja različitih gradacija viskoznosti jer ćete tako imati više štete nego koristi.

Npr. za običnu centrifugalnu jednostupanjsku pumpu snage 50 kW definirane su osnovne karakteristike koje treba ispunjavati ulje za podmazivanje u radnim uvjetima okoline između -10 °C do 40 °C. Maksimalna radna temperatura ležajeva je 110 °C.

Ulje mora imati mineralnu ili sintetičku baza, minimalni indeks viskoznosti VI min: 95, viskoznost gradacije ISO VG 100, radna temperatura ulja je od -10 °C do + 170 °C, točka paljenja > 200 °C.

Interval kompletne zamjene ulja se kreće od 1000 do 1500 sati rada, pri čemu se zamjena mora izvršiti obavezno jednom godišnje.

presjek jednostupanjske centrifugalne pumpe

Slika: Presjek jednostupanjske centrifugalne pumpe (Izvor)

Osnovna procedura zamjene ulja na ležajnom kućištu jednostupanjske centrifugalne pumpe obuhvaća korake:

  1. uklanjanje čepa na poziciji 1 na ležajnom kućištu i ulijevanje propisanog ulja pomoću lijevka
  2. provjera na nivokaznom staklu je li količina ulivenog ulja u ležajno kućište došla do oznake na nivokaznom staklu označenom na poziciji 4 na slici. Količina ulja je dovoljna za kontinuirani rad pumpe.

Dopunjavanje ulja se vrši tako da se podigne i nagne uljna čašica na poziciji 2 kao što je prikazano na slici:

Presjek ležajnog kućišta i označeni koraci procedure za zamjenu ulja
Slika: Presjek ležajnog kućišta i označeni koraci procedure za zamjenu ulja (Izvor)

Potom se uljna čašica vrati na početni položaj, pri čemu razina ulja mora biti tolika da je kuglični ležaj na poziciji 3 uronjen do visine centralne linije.

Količina ulja u ležajnom kućištu se tijekom rada pumpe postepeno troši pa je potrebno redovito kontrolirati razinu na nivokaznom staklu i redovito vršiti nadopune ulja.

Treba zapamtiti da se viskoznost korištenog ulja i novog nadopunjenog ulja razlikuje kada se ulja pomiješaju u ležajnom kućištu.

Korišteno ulje je starije, može sadržavati tragove čestica prljavštine, biti oksidirano ili imati talog, što utječe na viskoznost.

Iz tog razloga, potrebno je redovito vršiti laboratorijske analize te pratiti stanje ulja, pogotovo kada se radi o strojevima velike snage poput turbokompesora, plinskih turbina ili dizel agregata.

Kada govorimo o automobilima, novija istraživanja omogućila su proizvodnju motornih ulja većeg indeksa viskoznosti koji se značajno ne mijenja prilikom zagrijavanja motora u radu te tako pridonosi ekonomičnoj potrošnji goriva.

Svaki automobilski motor je konstruiran tako da se podmazuje uljem čija viskoznost mora biti unutar određenih vrijednosti kako bi se smanjilo trenje i spriječilo trošenje dijelova.

Što se viskoznost određenog motornog ulja manje mijenja zbog promjene temperature, to je veća mogućnost upotrebe tog motornog ulja u uvjetima niskih i visokih temperatura okoline.

Kada je motorno ulje hladno (jer je vani zima ili zato što tek pokrećemo motor iz mirovanja), njegova viskoznost je niska, ne dolazi dovoljno brzo do mjesta gdje je potrebno podmazivanje dijelova i može doći do oštećenja površina zbog trenja.

ACEA (Association des Constructeurs Europeens de I’Automobile) je udruženje europskih proizvođača automobila koji su propisali kriterije za određivanje kvalitete motornog ulja. Članice udruge su sve europske kompanije proizvođači automobila.

U tehničkoj specifikaciji proizvođača motornog ulja navedene su marke automobila visokih performansi koje koriste ulje, sukladnost sa ACEA kriterijem C3 za ulje visoke torzijske stabilnosti (stay in grade, ostaje u gradaciji), kompatibilno sa filterom za krute čestice ispušnih plinova dizelskog goriva i kompatibilno sa katalizatorom.

 Ulijevanje ulja u automobilski motor

Slika: Ulijevanje ulja u autombilski motor (Izvor)

Navedeni su i testovi učinkovitosti kojem je ulje za podmazivanje bilo podvrgnuto kako bi proizvođač maziva dobio odobrenje za stavljanje na tržište. U ovom slučaju ulje je ispitivano na motoru Porschea i VWa.
 Izvadak iz tehničke specifikacije proizvođača motornog ulja

Slika: Izvadak iz tehničke specifikacije proizvođača motornog ulja (Izvor)

Još jedna zanimljivost je da određene marke automobila poput Porsche-a proizvode vlastito motorno ulje i preporučuju ga za korištenje u svojim modelima.

Porsche motorno ulje

Slika: Porsche motorno ulje (Izvor)

Katarina Knafelj Jakovac
Katarina Knafelj Jakovac social media icon
5. prosinca 2023.

Katarina Knafelj Jakovac je inženjerka strojarstva sa dugogodišnjim radnim iskustvom u naftnoj industriji. Certificirani lider za pouzdanost opreme specijalizirana za strojarsku opremu i operativnu izvrsnost. Autorica je bloga Strojarska Radionica gdje dijeli profesionalno znanje i osobno iskustvo u održavanju različitih rotacijskih strojeva, strojnih sustava i procesne opreme. Obožava mehaniku, nauku o toplini i motore sa unutarnjim izgaranjem. Posvećena je kontinuiranom unaprjeđenju održavanja strojeva i kvalitetnog gospodarenja fizičkom imovinom.