CC BY
5УДК 621.892:621.22
ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ПРЕСНОЙ И СОЛЕНОЙ ВОДЫ НА ВЯЗКОСТЬ МИНЕРАЛЬНЫХ МАСЕЛ И РАБОТОСПОСОБНОСТЬ НАСОСОВ
Р. В. Мельников, С. М. Стажков, В. С. Ельчинский, С С. Негашев
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Россия
Аннотация. Рассмотрено влияние содержания воды в гидравлических жидкостях на их вязкостно-температурные свойства. Обосновано, что изменение вязкости минеральных масел при изменении содержания воды может приводить как к увеличению вязкости, так и ее уменьшению. Приведены результаты экспериментального определения вязкости смеси минерального масла с имитатором морской воды. Указано, что для описания поведения рассматриваемых смесей могут быть использованы модели неньютоновских жидкостей.
Ключевые слова: вязкость, гидравлические жидкости, насосы, неньютоновские жидкости, эмульсия
Для цитирования: Мельников Р. В., Стажков С. М., Ельчинский В. С., Негашев C. С. Влияние содержания пресной и соленой воды на вязкость минеральных масел и работоспособность насосов // Аэрокосмическая техника и технологии. 2024. Т. 2, № 1. С. 180-189. DOI 10.52467/2949-401X^024-2-1-180-189. ЕРЫ WLCNKM
THE INFLUENCE OF FRESH AND SALT WATER CONTENT ON THE VISCOSITY OF MINERAL OILS AND PUMP PERFORMANCE
R. V. Melnikov, S. M. Stazhkov, V. S. Elchinsky, S. S. Negashev
Baltic State Technical University "VOENMEH", Saint Petersburg, Russia
Abstract. The influence of water content in hydraulic fluids on their viscosity and temperature properties is considered. It is substantiated that a change in the viscosity of mineral oils with a change in water content can lead to both an increase in viscosity and a decrease in it. The results of an experimental determination of the viscosity of mineral oil mixed with a seawater simulator are presented. It is indicated that models of non-Newtonian fluids can be used to describe the behavior of the mixtures under consideration.
Keywords: coating, viscosity, hydraulic fluids, pumps, non-Newtonian fluids, emulsion
For citation: Melnikov R. V., Stazhkov S. M., Elchinsky V. S., Negashev S. S. The influence of fresh and salt water content on the viscosity of mineral oils and pump performance. Aerospace Engineering and Technology. 2024. Vol. 2, no. 1, pp. 180-189. DOI 10.52467/2949-401X-2024-2-1-180-189. EDN WLCNKM (In Russian)
© Мельников Р. В., Стажков С. М., Ельчинский В. С., Негашев C. С., 2024 Aerospace Engineering and Technology. 2024. Vol. 2, no. 1
Введение
Одним из недостатков гидравлического привода является наличие утечек рабочей жидкости как внутри гидросистемы, так и во внешнюю среду. Внутренние утечки снижают объемный КПД гидропривода, а внешние приводят к загрязнению окружающей среды. Величина утечек определяется несколькими факторами, одним из которых является вязкость масла. С увеличением вязкости масла утечки снижаются, но при этом увеличиваются потери напора в гидрооборудовании. С другой стороны, слишком низкая вязкость может приводить к тому, что масляная пленка не будет создавать достаточной подъемной силы для разделения трущихся поверхностей деталей гидрооборудования, будет создаваться высокое контактное напряжение, следствием чего может стать возникновение режима полужидкостного и граничного трения между деталями. Поскольку вода обладает худшими смазывающими свойствами, чем масло, то микрообъемы (капли) воды в смазывающем слое масла могут отрицательно влиять на процесс трения между сопряженными поверхностями. Кроме того, как указано в исследовании [1], разрыв масляной пленки особенно ярко проявляется в теплонапряженных узлах, вода может переходить в газообразное агрегатное состояние, вызывая граничное трение между поверхностями деталей, резко ухудшая противоизносные свойства масел.
Производители объемных насосов, как правило, указывают максимально и минимально допустимую вязкость рабочей жидкости при эксплуатации данных насосов. Например, для насосов 313.4.55 производства АО «Пневмострой-машина» минимальная кинематическая вязкость составляет 10 мм2/с, а максимальная 1000 мм2/с (максимальная пусковая 1500 мм2/с) [9].
Вязкость гидравлических масел, применяемых в системах объемного гидропривода, изучена хорошо и приводится в их паспортных характеристиках. Однако часто бывает так, что в минеральные масла попадает вода. Такие ситуации могут происходить при использовании гидропривода на речных и морских судах: при попадании конденсата в рабочую жидкость в гидробаке, при нарушении правил хранения и использовании по назначению рабочих жидкостей. Изучение вязкости гидравлических жидкостей при наличии в них воды, а также влияния вязкости таких жидкостей на работоспособность и характеристики гидравлических систем является актуальной технической задачей.
Обзор источников
Авторы работы [2] исследовали влияние содержания воды (до 7 %) на вязкостные свойства масла МГ-15В (ВМГЗ) двух разных производителей данного типа гидравлических жидкостей при температуре 40 °С. В целом отмечается закономерность увеличения вязкости минерального масла при увеличении содержания воды. Однако у масла Лукойл-ВМГЗ при увеличении содержания воды от 0 до 3 % вязкость сначала немного снижается, а при дальнейшем увеличении степени обводнения возрастает. В то же время у жидкости SibTek-
ВМГЗ вязкость монотонно растет при увеличении содержания воды до 5 %, а потом стабилизируется. Авторы предполагают, что подобное различие в изменении вязкости масла разных марок может быть объяснено разными пакетами присадок, входящими в состав этих масел.
Однако вязкость водомаслянных эмульсий может зависеть не только от физических свойств самой эмульсии, но и от поля скоростей течения эмульсии. Это означает, что одна и та же эмульсия имеет разную вязкость в разных течениях, например, при перекачивании ее разными насосами [3].
В исследовании [6] рассматривается поведение эмульсий, состоящих из различных сортов сырой нефти и воды, содержание которой составляет 30, 50 и 70 %. Согласно полученным реологическим характеристикам, вязкость одного из типов эмульсий снижается при переходе от содержания воды 30-50-70 %, а другого типа эмульсии при переходе от 30 к 50 % содержанию воды вязкость сначала увеличивается, а при переходе от 50 к 70 % содержанию воды вязкость снижается. Авторы рассматривают подобные эмульсии как неньютоновские жидкости, применяя для описания их поведения модель бингамовской жидкости [7] или уравнение Гершеля - Балкли (Herschel - Bulkley equation [8]).
В работе [4] анализируется вязкость двух наборов проб моторного масла, отобранных экипажем теплохода «Санкт-Петербург» до фильтра тонкой очистки главного двигателя на различных временных отрезках от момента начала его работы (100 ч эксплуатации, 200 ч, 300 ч и др.). Вода в системе маслопитания двигателя, согласно примечанию автора, появляется вследствие конденсации ее из паров воздуха и газов. Указывается, что чем дольше эксплуатируется двигатель, тем больше процент содержания воды в масляно-водной эмульсии. Анализируя графики найденной зависимости, автор делает вывод, что корреляционная связь между значением кинематической вязкости масла и наличием воды имеется не всегда. Согласно приведенным в [4] экспериментальным данным, вязкость моторных масел имеет тенденцию к росту при увеличении содержания воды, однако в некоторых пробах при увеличении содержания воды вязкость снижалась.
Присутствие воды в рабочей жидкости гидропривода ухудшает ее смазывающую способность, что вызывает повышение энергетических затрат на передачу усилия и крутящего момента на исполнительные механизмы. В присутствии водной примеси усиливается коррозионная активность масел, активизируется окисление углеводородов, интенсивнее образуются в масле кислоты и щелочи, снижается действие присадок в масле [2].
Как указано в работе [5], интенсивность изнашивания трущихся поверхностей деталей в масляной среде повышается в присутствии эмульсионной воды. Такая примесь значительно снижает, например, долговечность шариков подшипников качения из стали ШХ-15, причем чем выше содержание воды, тем быстрее происходит износ. В публикации [5] также отмечается негативное влияние кристаллизованных капель влаги в машинном масле при его охлаждении на смазывающие свойства масла.
Теоретическая формула для расчета вязкости одной жидкости с включением малых капель другой жидкости выявлена в работе [10] и получила название формулы Тейлора. За основу при получении этой формулы взята аналогичная работа Эйнштейна, в которой исследована вязкость жидкости с включением небольших твердых частиц во взвешенном состоянии. Согласно формулам Эйнштейна и Тейлора, вязкость дисперсных сред всегда выше вязкости чистой жидкости.
Экспериментальные исследования
Авторы данного исследования измеряли вязкость смеси масла МГЕ-10А (изготовленная по ТУ 38.401-58-337-2003 с изм. 1-10 группой компаний «Ква-литет») с имитатором морской воды, который представлял собой пресную, питьевую негазированной воду с растворенной в ней поваренной пищевой солью. Вода и соль смешивались в стеклянной банке из расчета солености воды 40 %0. Смешивались 123,6 г масла и 4,3 г имитатора морской воды, таким образом, чтобы содержание имитатора в масле составляло 3 % по объему.
Вязкость измерялась вискозиметром ВПЖ-2 с диаметром капилляра 0,99 мм и постоянной вискозиметра 0,09505. Во время эксперимента измерялась вязкость чистого масла МГЕ-10А, не содержащего примесей морской воды, и вязкость смеси этого масла с описанным имитатором морской воды.
Рис. 1. Вискозиметр ВПЖ-2 (а) и вискозиметр с чистым маслом МГЕ-10А (б)
Измерение вязкости чистого масла. Вискозиметр с налитым в него маслом, полностью заполняющим емкость 6 (рис. 1), помещался в термостат, представляющий собой емкость с водой объемом 4 л, предварительно разогретой до 56-57 °С, и находился там в течение 20-23 мин, в течение которых вода охлаждалась до температуры 53 °С.
Вискозиметр удерживался в термостате, заполненном водой, вертикально открытыми отверстиями вверх. Отверстия 2, 3 и трубки 1 не покрывались водой. Измерялось время истечения, на основании которого вычислялась вязкость исследуемой жидкости. Вязкость чистого масла МГЕ-10А при температуре 50 °С составляет 11,87 мм2/с, а при температуре 53 °С - 11,41 мм2/с.
Измерение кинематической вязкости смеси масла МГЕ-10А с имитатором морской воды. Измерение производилось практически аналогично измерению вязкости чистого масла. Отличие заключалось в том, что в разогретый до 56 °С термостат помещалась банка со смесью масла и имитатора морской воды и выдерживалась там 20 мин, в течение которых температура воды в термостате опускалась до 52 °С. Вода из термостата не попадала в банку. Таким образом обеспечивалось равенство температуры воды в термостате и жидкости в банке. Далее в течение 10 с смесь масла и имитатора (рис. 2, а) активно перемешивались до получения однородной субстанции (рис. 2, б), после чего емкость 6 вискозиметра заполнялась этой смесью, что занимало около 6 с. Затем масло нагнеталось в расширение 4 вискозиметра. Общее время перемешивания смеси, заполнения вискозиметра маслом и нагнетания в расширение 4 составляло менее 30 с. После измерялось время истечения от отметки М1 до М2 (см. рис. 1). Проведено четыре измерения, в течение которых температура воды в термостате понизилась с 52 до 50 °С. Между измерениями жидкость в вискозиметре дополнительно перемешивалась встряхиванием. Время истечения данной смеси через капилляр составляло 116, 115, 115 и 114 с, что соответствует вязкости 10,78 мм2/с.
а б
Рис. 2. Масло МГЕ-10А с имитатором морской воды до перемешивания (а) и смесь масла МГЕ- 10А с имитатором морской воды сразу после перемешивания (б)
Аналогичным образом измерена кинематическая вязкость этой смеси при 42-43 и 18,5 °С. При этих же температурах измерена вязкость чистого масла МГЕ-10А (см. таблицу).
Результаты измерения кинематической вязкости
Вязкость, мм2/с Температу ра, °С
50-52 42-43 18,5
Чистое масло МГЕ-10А 11,87 13,31 22,06
Смесь масла МГЕ-10А с 3 % имитатора морской воды 10,78 12,74 21,39
Во всех проведенных экспериментах вязкости смеси масла МГЕ-10А с имитатором морской воды оказалась несколько меньше вязкости чистого масла. Это не соответствует теоретической формуле Тейлора, полученной для шарообразных капель одной жидкости, распределенных в другой жидкости, что предположительно может быть объяснено химическим влиянием соли и воды, содержащейся в имитаторе, на компоненты масла. Интенсивное перемешивание жидкости и быстрое заполнение ею емкости вискозиметра необходимо для того, чтобы взвеси имитатора морской воды в масле не осели на дно.
В процессе эксперимента также определено, что большая часть взвесей имитатора оседает на дно банки в течение 15 мин, а через 12 ч имитатор полностью оседает на дно емкости, и масло приобретает прежнюю прозрачность.
Направления дальнейших исследований
Разные экспериментальные исследования свидетельствуют, что вязкость гидравлических и смазочных масел при добавлении в них воды и увеличении ее концентрации имеет тенденцию к повышению, однако в некоторых случаях снижается. Это может быть объяснено наличием нескольких фаз в такой смеси (вода присутствует в смеси в виде мельчайших капелек) и тем, что данные жидкости являются неньютоновскими. Также установлено, что жидкости, произведенные разными компаниями на основе одного и того же стандарта, могут иметь разные свойства при добавлении в них воды. В силу разного характера изменения вязкости нельзя заранее предсказать произойдет ли увеличение или уменьшение вязкости при попадании в нее воды. Поэтому при оценке возможности работы насосов на подобных жидкостях целесообразно опираться на максимальное снижение вязкости и максимальное ее увеличение, установленное экспериментально. Из результатов экспериментов, проведенных авторами настоящего исследования, а также на основании работ других исследователей, установлено, что в диапазоне температур 40-53 °С вязкость жидкостей МГ-15В и МГЕ-10А не снижается более, чем на 9 %, и не увеличивается более, чем на 20 %, при попадании в рабочую жидкость менее 7 % воды. В практических случаях попадание в систему объемного гидропривода большего количества воды маловероятно.
В силу сложного характера изменения вязкости гидравлических жидкостей при попадании в них воды точно определить возможность работы гидронасосов и другого гидрооборудования на смеси минеральных масел и воды с сохранением паспортных технических характеристик возможно эксперимен-
тальным путем. Для более точного теоретического описания изменения вязкости минеральных масел при попадании в них воды целесообразно построение усовершенствованных моделей неньютоновских жидкостей, адекватно описывающих свойства таких смесей.
Вязкость смеси минерального масла и морской воды может зависеть от скорости сдвига слоев жидкости друг относительно друга, поскольку такую смесь можно рассматривать как неньютоновскую жидкость. Также вязкость может зависеть от размера микроскопических капель воды, содержащихся в масле. Поэтому вязкость жидкости, на которой работают насосы, может отличаться от значений, полученных в лабораторных условиях. Исходя из этого, в будущем целесообразно проведение экспериментов по определению вязкости смеси воды, находящейся в работающем насосе, и минерального масла. Дальнейшим развитием данных исследований могло бы стать проведение экспериментов по определению вязкости смеси воды, находящейся в работающем насосе, и минерального масла.
Выводы
1. Добавление имитатора морской воды к минеральному маслу МГЕ-10А существенно изменяет его вязкость.
2. Вода при перемешивании присутствует в масле в виде мельчайших капелек.
3. Большинство капелек оседает на дно емкости в течение 15 мин, а за 12 ч жидкости полностью разделяются.
4. Для описания поведения смеси воды и минеральных масел, а также смеси воды с чистой нефтью могут быть использованы модели неньютоновских жидкостей.
5. Измеренная вязкость чистого масла МГЕ-10А при температурах 50-52, 4243 и 18,5 оС несколько выше вязкости смеси данного масла и 3 % имитатора морской воды с соленостью 40 %0. Различие в вязкости не превышает 9 %.
6. Поскольку вопрос влияния содержания воды, в т. ч. морской, на вязкость масла и работоспособность гидрооборудования изучен недостаточно хорошо, то целесообразно проведение дальнейших исследований вязкости минеральных масел, содержащих воду, на насосном и другом гидравлическом работающем оборудовании.
Конфликт интересов / Conflict of interests
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов / The authors declare no conflict of interests.
Библиографический список
1. Рылякин Е. Г. Изменение надежности гидроагрегатов мобильных машин // Materialy X Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Kluczowe aspekty naukowej dzialalnosci -
2014», 7-15 января 2014 г., Перемышль, Польша. Przemysl: Nauka i studia, 2014. Т. 20. С. 57-60.
2. Корнеев С. В., Дорошенко Н. В., Кавыев А. М. Влияние содержания воды на вязкостные свойства гидравлического масла МГ-15в (ВМГЗ) // Вестник СибАДИ. 2009. № 1 (11). С. 27-32. EDN: PBOILF
3. Пещеренко С. Н., Лебедев Д. Н., Павлов Д. А. Влияние вязкости жидкости на рабочие характеристики насоса ЭЦН7А-1000 // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2018. Т. 4, № 4. С. 64-79. DOI: 10.21684/2411 -7978-2018-4-4-64-79
4. Игонин В. В., Жуков В. А. Корреляция изменения вязкости и содержания воды в моторном масле судового дизеля // Сборник материалов XIV Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «РОССИЯ МОЛОДАЯ», 19-22 апреля 2022 г., Кемерово, Россия. Кемерово: Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева, 2022. № 041804. 7 с.
5. Рылякин Е. Г. Влияние воды на свойства гидравлических рабочих жидкостей // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2014. № 2 (10). C. 195-198. EDN: SHWRDR
6. Papadimitriou M. K., Stephanou P. S. Modeling the rheological behavior of crude oil-water emulsions // Physics of Fluids. 2022. Vol. 34, no. 11. № 113107. DOI: 10.1063/5.0123274
7. Климов Д. М., Петров А. Г., Георгиевский Д. В. Вязкопластические течения: динамический хаос, устойчивость, перемешивание. М.: Наука, 2005. 394 с.
8. Tang H. S., Kalyon D. M. Estimation of the parameters of Herschel - Bulkley fluid under wall slip using a combination of capillary and squeeze flow viscometers // Rheologica Acta. 2004. Vol. 43. Iss. 1. Pp. 80-88. DOI: 10.1007/s00397-003-0322-y
9. 313.4.55.07Е.300.00В.У1: 313 серия, регулируемые насосы. URL: https://www.psm-hydraulics.ru/313-seriyareguliruemye-nasosy-313.4.55.07e.300.00b.u1.htm (дата обращения: 02.03.2024).
10. Taylor G. I. The viscosity of a fluid containing small drops of another fluid // Proceedings of The Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1932. Vol. 138. № 834. Pp. 41-48. DOI: 10.1098/rspa.1932.0169
Дата поступления: 31.03.2024 Решение о публикации: 02.04.2024
Контактная информация:
МЕЛЬНИКОВ Роман Вячеславович - канд. техн. наук, доцент (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Россия, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), [email protected]
СТАЖКОВ Сергей Михайлович - д-р техн. наук, профессор (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Россия, 190005, Санкт-Петербург, 1 -я Красноармейская ул., д. 1)
ЕЛЬЧИНСКИЙ Виктор Сергеевич - аспирант, ассистент (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Россия, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), [email protected]
НЕГАШЕВ Сергей Сергеевич - студент (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Россия, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), [email protected]
References
1. Rylyakin, E. G. Izmenenie nadezhnosti gidroagregatov mobil'nyh mashin [Changes in the reliability of hydraulic units of mobile machines]. Proceedings of the 10th International Scientific and Practical Conference "Kluczowe aspekty naukowej dzialalnosci - 2014" ["The main aspects of scientific activity - 2014"], 7-15 January 2014, Przemysl, Poland. Przemysl: Nauka i studia, 2014. Vol. 20, pp. 57-60. (In Russian)
2. Korneev S. V., Doroshenko N. V., Kavyev A. M. Effect of humidification for viscosity of hy-drolic fluids MG-15V (VMGZ). The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2009. No. 1 (11), pp. 27-32. EDN: PBOILF (In Russian)
3. Peshcherenko S. N., Lebedev D. N., Pavlov D. A. Effect of Fluid Viscosity on the Performance of the Pump ESP7A-1000. Tyumen State University Herald. Physical and Mathematical Modeling. Oil, Gas, Energy. 2018. Vol. 4, no 4, pp. 64-79. DOI: 10.21684/2411-7978-2018-4-464-79. EDN: YRQFVJ (In Russian)
4. Igonin V. V., Zhukov V. A. Korrelyaciya izmeneniya vyazkosti i soderzhaniya vody v motor-nom masle sudovogo dizelya [Correlation of changes in viscosity and water content in marine diesel engine oil]. Sbornik materialov XIV Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh "ROSSIYA MOLODAYA" [Collection of materials of the XIV All-Russian Scientific and Practical Conference of Young Scientists "YOUNG RUSSIA", Kemerovo, April 19-22, 2022] Kemerovo, T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 2022. No. 041804, 7 p.
5. Rylyakin E. G. Water influence on hydraulic working liquids properties. Models, systems, networks in economics, technology, nature and society. 2014. No. 2 (10), pp. 195-198. EDN: SHWRDR (In Russian)
6. Papadimitriou M. K., Stephanou P. S. Modeling the rheological behavior of crude oil-water emulsions. Physics of Fluids. 2022. Vol. 34, no. 11, no. 113107. DOI: 10.1063/5.0123274
7. Klimov D. M., Petrov A. G., Georgievskij D. V. Vyazkoplasticheskie techeniya: dinami-cheskij haos, ustojchivost', peremeshivanie [Viscoplastic flows: dynamic chaos, stability, mixing]. Moscow: Nauka, 2005, 394 p. (In Russian)
8. Tang H. S., Kalyon D. M. Estimation of the parameters of Herschel - Bulkley fluid under wall slip using a combination of capillary and squeeze flow viscometers. Rheologica Acta. 2004. Vol. 43. Iss. 1, pp. 80-88. DOI: 10.1007/s00397-003-0322-y
9. 313.4.55.07E.300.00B.Y1: 313 series, variable pumps. URL: https://www.psm-hydraulics.ru/313-seriyareguliruemye-nasosy-313.4.55.07e.300.00b.u1.htm (accessed: 02.03.2024). (In Russian)
10. Taylor G. I. The viscosity of a fluid containing small drops of another fluid. Proceedings of The Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1932. Vol. 138, no. 834, pp. 41-48. DOI: 10.1098/rspa.1932.0169
Date of receipt: March 31, 2024 Publication decision: April 2, 2024
Contact information:
Roman V. MELNIKOV - Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russia, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), [email protected]
Sergei M. STAZHKOV - Doctor of Engineering Sciences, Professor (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russia, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), [email protected]
Viktor S. YELCHINSKY - Postgraduate Student, Assistant (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russia, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), [email protected]
Sergey S. NEGASHEV - Student (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russia, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), [email protected]
