Основные характеристики вакуумных масел

Выбор вакуумного масла во многом определяет как ресурс насоса, так и соответствие его рабочих характеристик техническим данным, заявленным производителем. Для оптимального выбора вакуумного масла, особенно в сложных ситуациях, когда необходимо удовлетворить нескольким требованиям, понимание основных характеристик масел и умение в них ориентироваться является очень важным условием. Во многих случаях выбор вакуумного масла может оказаться известным компромиссом, т.к. улучшение одной из характеристик вакуумного масла может сопровождаться ухудшением других. Краткая справка, приведенная ниже, содержит информацию по основным характеристикам вакуумных масел и поможет облегчить решение задач по выбору рабочих жидкостей для различных вакуумных насосов.

Любая жидкость, помещенная в замкнутый объем, спустя некоторое время придет в динамическое равновесие со своим паром, т.е. количество молекул, испарившихся с поверхности, будет равно количеству молекул, вернувшихся в жидкость. Такой пар называют насыщенным, а его равновесное давление и есть давление насыщенного пара. Масла состоят из сложной смеси компонентов (в случае минеральных масел – смеси углеводородов), поэтому для масел корректно говорить о давлении насыщенных паров. Давление насыщенных паров сильно зависит от температуры – увеличение температуры ведет к повышению давления насыщенных паров.

Из определения, приведенного выше, следует, что при определенной температуре предельное остаточное давление в вакуумной системе не может быть ниже, чем давление насыщенных паров масла, даже если конструкция насоса позволяет получать более низкие по давлению показатели. Иначе говоря, если в двухступенчатый механический насос залить масло с высоким давление паров, предельное остаточное давления, указанное производителем для такого насоса, достигнуть вряд ли удастся. И, наоборот, из экономических соображений нет большого смысла использовать в одноступенчатых насосах более дорогие масла, предназначенные для двух ступенчатых.

Отметим, что давление насыщенных паров вакуумных массе, предназначенных для паромасляных насосов, должно быть значительно ниже, чем у масел, предназначенных для механических насосов – это определяется областями применения паромасляных насосов.

Таким образом, давление насыщенных паров - важнейшая характеристика вакуумного масла, определяющая его применимость для того или иного типа насосов. При выборе вакуумного масла необходимо, прежде всего, смотреть на давление насыщенных паров, причем при сравнении этого показателя для разных масел необходимо обращать внимание на температуру, к которой относится значение давления насыщенного пара. Чем меньше давление насыщенных паров, тем меньше масло содержит летучих компонентов (компонентов с низкой температурой кипения), т.е имеет более высокую степень очистки.

Кинематическая вязкость является физической величиной, характеризующих «внутреннее трение» - свойство текучих тел (жидкостей или газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Чем выше величина вязкости, тем более «густым» или «вязким» является масло.

Чем меньше величина вязкости, тем оно более «жидкое» или более «текучее». Классическим методом измерения кинематической вязкости является измерение времени полного вытекания заданного объёма масла через калиброванное отверстие под действием силы тяжести.

С точки зрения использования масла в механических вакуумных насосах необходимо учитывать следующие особенности, напрямую связанные с величиной вязкости:

1. Чем меньше вязкость вакуумного масла, тем меньше должны быть зазоры в механизме насоса (это накладывает дополнительные требования к точности изготовления механизма). Если зазоры будут достаточно велики, масло с низкой вязкостью не сможет эффективно уплотнять зазоры, и насос не будет обеспечивать низкое остаточное давление;

2. Конструкция насосов может отличаться – поэтому для насосов разных производителей, сходных по производительности, могут потребоваться масла с разной вязкостью. Кроме того, чем большую производительность имеет насос, тем больше объем его камеры (камер). Поэтому, как правило, зазоры механизма насосов больше. Соответственно для насосов большой производительности используются масла с большей величиной кинематической вязкости.

3. Любое трение сопровождается выделением теплоты. Поэтому силы вязкого трения в совокупности с трением деталей насоса, находящихся в физическом контакте друг с другом, будут определять тепловой режим работы насоса.

4. Различные масла имеют разную количественную зависимость величины вязкости от температуры. Важно то, что если вязкость двух масел одинакова при одной температуре (например, при 40°C, при которой устанавливаются классы вязкости ISO VG), то при одной и той же, но более высокой температуре эти масла могут иметь разную кинематическую вязкость. Это означает, что тепловые режимы при работе насоса с этими маслами при рабочей температуре могут различаться.

Поэтому важно понимать, что конструкция конкретного механического насоса, в том числе зазоры в его механизме, рассчитывается под использование конкретных масел и температурных режимов. Отсюда следует, что использование любых других масел режимы работы насоса будут отличаться от оптимальных, рассчитанных производителем. Важным выводом является вывод о том, что лучшим маслом для насоса является именно то масло, которое производитель рекомендует. Конечно, во многих случаях не избежать замены масла на другое. Основное задачей при подборе эквивалента является минимизация отклонений работы насоса от оптимального режима.

Индекс вязкости (Viscosity index) – безразмерная (относительная) величина, характеризующая то, насколько сильно вязкость масла зависит от температуры. Чем выше индекс вязкости – тем меньше вязкость масла зависит от температуры (кривая зависимости вязкости от температуры более пологая).

На практике индекс вязкости определяется сравнением исследуемого масла с эталонными маслами – вязкость одного из которых очень сильно зависит от температуры, а второго – очень слабо. Сравнивая температурную зависимость вязкости исследуемого масла с аналогичной зависимостью эталонных масел, по специальным формулам рассчитывают индекс вязкости масла.

Масла с более низким индексом вязкости (т.е. более сильной зависимостью вязкости от температуры) имеют более узкий диапазон температур, при которых может работать насос. Чем выше индекс вязкости масла, тем в более широком температурном диапазоне вакуумный насос будет демонстрировать стабильность характеристик, и сохранять способность к уплотнению зазоров в механизме насоса. Оставаясь в пределах одного класса вязкости, масла с более высоким индексом вязкости разумно использовать для применений, в которых насос вынужден работать при относительно высоких температурах.

Современные вакуумные масла имеют, как правило, индекс вязкости 100 и более. Для увеличения индекса вязкости производители добавляют в масла присадки – полимерные загустители.

Температура застывания вакуумного масла - минимальная температура, при которой масло сохраняет текучесть. Для нефтепродуктов температура застывания зависит, прежде всего, от количества тяжелых углеводородов. Поэтому, помимо практической ценности (характеристика определяет нижний температурный предел использования масла), этот параметр косвенно определяет степень очистки вакуумного масла от примесей, некоторые из которых могут негативно влиять на стабильность работы вакуумного насоса и его ресурс. Более дешевые масла, как правило, имеют более высокую температуру застывания. При прочих равных условиях предпочтение разумно отдавать маслам, имеющим меньшее значение температуры застывания.

На практике температуру застывания часто определяют на основе температуры затвердевания. Температура затвердевания (solidification temperature) – это температура при которой масло в течение 5 сек находится в неподвижном состоянии (т.е. полностью утратило текучесть). За температуру застывания (pourpoint) принимается температура, которая превышает температуру затвердевания на 3°.

За температуру вспышки принимают минимальную температуру, при которой над поверхностью нагреваемого масла возникает смесь паров масла и воздуха, способная воспламеняться / взрываться при поднесении к ней пламени или иного источника зажигания, но скорость образования таких паров еще недостаточна для поддержания устойчивого горения (горение не происходит или продолжается менее 5 секунд).

Температура вспышки косвенно характеризует наличие в масле легколетучих примесей – чем выше температура вспышки масла, тем, с большей вероятностью оно имеет высокую степень очистки. Наличие в вакуумных маслах для механических насосов (и тем более для паромасляных насосов) легколетучих примесей – фактор, отрицательно сказывающийся на рабочих характеристиках насосов.

При выборе масел необходимо выбирать масла у которых с температура вспышки превышает максимальную рабочая температура насоса/масла, особенно для насосов в которых происходит принудительный нагрев масла (например, паромасляных).

Эмульгируемость — способность масла к образованию эмульсии, т.е. устойчивой смеси масла и мелких воздушных пузырьков. Образование эмульсии - негативный для насоса фактор, который приводит к резкому ухудшению условий смазки трущихся поверхностей и, соответственно, к существенному увеличению износа пар трения или выходу насоса из строя.

Деэмульгируемость (anti-emulsification) – способность масла к разделению эмульсии обратно на масло и воду. Экспериментальное определение деэмульгирующих свойств производится по методикам, определяемым стандартами ASTM D1401, GB/T7305 и аналогичными. По этим методикам оценивается время полного разрушения эмульсии, изначально состоявшей из 40 мл масла и 40 мл воды. Для приготовления эмульсии указанные количества масла и дистиллированной воды помещают в мерную емкость и перемешивают. Количественно деэмульгируемость представляет собой период времени, который требуется для полного разрушения полученной водно-масляной эмульсии. Эксперименты проводятся последовательно при двух температурах – 54°C и 82°C.

Деэмульгируемость записывается в следующем виде: 40-40-0 – 10 мин (40 - объем масла в исходной эмульсии в мл; 40 - объем воды в исходной эмульсии в мл; 0 - эмульсия полностью разделилась на масло и воду; 10 мин – полное разделение эмульсии произошло за 10 мин).

При обычных условиях эксплуатации вероятность образования эмульсии не слишком велика (хотя и существует - например, при резком изменении температуры в условиях высокой влажности происходит конденсация). Чаще всего эмульсия в механических насосах образуется при откачке сред, содержащих водяной пар. При работе с водяным паром лучше использовать минеральные масла высокой степени очистки. Они обладают неплохой деэмульгируемостью и высокой стойкостью к гидролизу.

При прочих равных условиях лучше выбирать масло с самым малым временем разделения эмульсии.

Пена представляет собой дисперсную газовую среду (мелкие газовые пузырьки), распределенную в объеме масла. При определении характеристик пенообразования чаще всего определяют склонность к пенообразованию (foaming tendency) и стабильность пены (foam stability). Большие значения склонности к пенообразованию и стабильности пены отрицательно сказываются на работе механизмов из-за ухудшения условий смазки пар трения. Кроме того, пенообразование стимулирует процессы окисления масла, особенно в условиях его интенсивного перемешивания.

Количественное определение склонности масел к пенообразованию («foaming tendency») и стабильность пены («foam stability») описано в международных или локальных стандартах (в том числе условия измерения – температуры, времена, потоки и другие физические параметры). Во многих случаях используемые локальные стандарты гармонизированы с международными. Примером стандарта, часто используемого для определения характеристик пенообразования, является ASTM D892 “Standard Test Method for Foaming Characteristics of Lubricating Oils».

Для определения характеристик пенообразования используется установка, состоящая из градуированной мерной емкости и устройства диспергирования газа в жидкость (масло), обеспечивающего продувку газа через диффузор с мелкими порами, выполненный, например, из спеченной нержавеющей стали. Для определения характеристик пенообразования осушенный газ (воздух) подается через диффузор в мерный стакан, заполненный маслом.

Склонность к пенообразованию определяется как объем статической пены (в мл), образующейся в масле при температуре 24оС после продувки воздухом (аэрации) в течение 5 мин. Определяется непосредственно перед окончанием подачи воздуха (продувки).

Стабильность пены определяется как объем статической пены, оставшейся в мерной емкости после отстаивания через установленное время (чаще всего через 10 мин после прекращения подачи воздуха через диффузор).

Параметры пенообразования часто указывают через «/»: Склонность к пенообразованию / Стабильность пены (foaming tendency/ foam stability).

Воздухоотделение из масел («air releae value» или «ARV») – параметр, который показывает, насколько быстро воздух, вовлеченный в масло продувкой потоком воздуха, будет высвобожден (выведен) из масла после прекращения продувки.

Для определения воздухоотделения из масел используется установка, функционально аналогичная установке, использующейся для определения пенообразования. Однако, есть особенности, накладываемые процедурами, описанными в соответствующих стандартах. Для определения воздухоотделения масло прогревается до 25°C, 50°C или 75°C. Затем воздух продувается через масло в течение времени, определенного методикой.

Минеральные углеводородные вакуумные масла при откачке сред, содержащих компоненты, агрессивные по отношению к маслу, могут интенсивно разлагаться, ухудшая как стабильность работы насоса, так и его ресурс. В этом случае рекомендуется использование вакуумных насосов в химически-стойком исполнении, в качестве рабочей жидкости выбирать перфторполиэфирные (PFPE) вакуумные масла или переходить на насосы, конструкция которых не подразумевает использование вакуумных масел в качестве рабочих жидкостей (например, винтовых).

В качестве количественных характеристик используются данные косвенных измерений - по времени образования осадка или увеличению вязкости.