IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шмельков М.С. 1Ворона Н.О. 1

---

1МБОУ Школа 129 г.о.Самара

Абрамова М.В. 1Бухарибекова м.м. 2

---

1МБОУ Школа № 129 г.о.Самара

2МБОУ Школа 129 г.о.Самара

Работа в формате PDF

4.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

IV Международный конкурснаучно-исследовательских и творческих работ учащихся

«СТАРТ В НАУКЕ»

СЕКЦИЯ «ФИЗИКА»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ

Работу выполнили: ученики 11 «А» кл.

Ворона Никита и

Шмельков Максим

МБОУ Школа № 129

г.о. Самара

Научный руководитель: Абрамова

Маргарита Валентиновна

учитель физики,

МБОУ Школа № 129

г.о. Самара

Москва, 2017г

Содержание: стр.

I Введение 3

1. Актуальность работы

2. Цели и задачи

3. Методы исследования

II Теоретическая часть 4

1. Вязкость жидкости. Внутреннее трение.

2. ГОСТ 33-2000 («Нефтепродукты. Прозрачные и 7

непрозрачные жидкости. Определение кинематической

вязкости и расчет динамической вязкости»)

3. ГОСТ 4333-87 («Определение температуры

вспышки и воспламенения масел в открытом тигле»)

4. ГОСТ 6370-83 («Метод определения механических

примесей в машинных маслах»)

III Практическая часть 8

1. Определение кинематической и динамической вязкости

смазочных масел с помощью Вискозиметра ВПЖ-4.

2. Определение температур вспышки и воспламенения 13

масел в открытом тигле.

3. Определения механических примесей в машинных маслах

IV Выводы 16

V Список использованной литературы 17

I Введение

Актуальность темы

Вот уже второй год мы обучаемся в классе «Роснефть» и усиленно занимаемся физикой, химией и математикой. Наша будущая профессия связана с нефтяной промышленностью, с заводом по переработки нефти (КНПЗ). Посещая лаборатории завода, знакомясь с продукцией, которую завод выпускает, нас заинтересовал такой продукт как смазочные материалы (масла), полученные в результате переработки нефти. Как известно, основными функциями смазочных масел, являются уменьшение трения между трущимися поверхностями, предотвращение износа материала этих частей и охлаждение узлов трения. Масла, применяемые в поршневых двигателях внутреннего сгорания, должны также препятствовать прорыву рабочей смеси и продуктов сгорания из цилиндра двигателя в его картер. Уменьшение трения достигается тем, что при наличии жидкой смазки сухое трение металлических поверхностей заменяется жидкостным трением слоев масла между собой, а коэффициент жидкостного трения в десятки и сотни раз меньше коэффициента сухого трения. Наличие жидкостного слоя между трущимися поверхностями позволяет также почти полностью избежать их механического истирания и разрушения. Наконец, третья функция смазочного масла — снятие выделяющегося при трении тепла. Для всей группы моторных масел важное эксплуатационное значение имеет вязкостно-температурная характеристика, т.к. при низких температурах вязкость масла не должна быть слишком высокой, чтобы не затруднялся запуск двигателя. Вязкость масла и наличие в нем механических примесей влияют на работу оборудования (двигателя ВС, насоса, …), на износ запчастей, что является определяющим фактором расчета стоимости работы и получения прибыли на практике. Но, кроме этого параметра масла, необходимо учитывать и температуру, при которой масло может в двигателе воспламениться. В этом, пожалуй, и состоит актуальность выбранной нами темы.

Гипотеза: Существуют оптимальные методы определения вязкости, температуры вспышки и доли механических примесей смазочных масел.

Объект исследования: внутреннее трение.

Предмет исследования: смазочные масла Mobil

Методика исследования

Для решения этих задач наша работа была организована в несколько этапов:

• подбор литературы и изучение её по данной теме; знакомство с экспериментальной установкой в лабораториях СамГУ и КНПЗ; составления плана практической части работы; составление таблиц для занесения результатов эксперимента;

• проведение исследования и обработка данных;

• анализ результатов и выводы по ним.

Цель работы - поиск оптимальных методов определения важных физических параметров смазочных масел.

Задачи исследования:

1. Изучить литературу по теме исследования.

2. Выделить методы определения вязкости жидкости.

3. Ознакомиться с техникой безопасности при работе в лаборатории КНПЗ и СамГУ.

3. Подготовить оборудование, необходимое для выполнения эксперимента и выполнить эксперимент.

4. Собрать и обработать данные, провести обработку результатов измерений. Сделать выводы.

5. Показать практическую значимость определения вязкости смазочных масел.

II Теоретическая часть.

Внутреннее трение. Вязкость жидкости.

Всем реальным жидкостям и газам присуща вязкость или внутреннее трение. Вязкость проявляется в том, что возникшее в жидкости или газе движение после прекращения действия причин, его вызвавших, постепенно прекращается. ВЯЗКОСТЬ — это свойство жидкости, определяющее ее текучесть и чем выше вязкость — тем гуще жидкость(чем меньше ее текучесть, тем больше в ней вязкость). Когда двигатель холодный, масло обладает тенденцией сгущаться. В этом случае важно, чтобы оно оставалось жидким даже при низких температурах, чтобы протекать через двигатель, защищать его детали и способствовать пуску. Чем меньше вязкость, тем в большей степени масло будет сохранять свою текучесть в холодную погоду или при пуске двигателя. Вязкость моторного масла, во-первых, является показателем его смазывающих свойств, так как от вязкости зависит качество смазывания, распределение масла на поверхностях трения и, тем самым износ двигателя. Во-вторых, от вязкости зависят потери энергии при работе двигателя. Чем выше вязкость, тем толще масляная пленка и надежнее смазывание, но тем больше потери мощности на преодоление жидкостного трения.

Что же такое внутреннее трение? Внутреннее трение (вязкость) – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. Выберем площадку ΔS, вдоль которой соприкасаются два соседних слоя L и M (рис.1).

Обозначими₁ ии₂ скорости слоев на расстояниях λ от площадки ∆S (λ – средняя длина свободного пробега молекул). Когда слои жидкости или газа движутся относительно друг друга с различными скоростями и₁ ии₂ (рис. 1), то частицы, переходя из одного слоя в другой, переносят и свой импульс. Следовательно, в слое Lпоявляются молекулы с большими скоростями, а в слое M – с меньшими. Каждая молекула, имеющая массу m при переходе из одного слоя в другой, изменяет свой импульс на m∆u . Если температура жидкости или газа постоянна, то все молекулы имеют одинаковую скорость теплового движения υ. За время Δt молекула пролетает расстояние υΔt. Число молекул в слоях М и L, прилегающих к площадке ∆S равно N₀=n₀(υ)∆SΔt, где n₀ – концентрация молекул.

В результате хаотического движения только N₀ перейдет из слоя в слой (перейдет в заданном направлении: снизу вверх рис.1), т.е.

N₀ = n₀(υ)∆SΔt,

где n₀ – концентрация частиц в слое, υ – средняя скорость теплового движения молекул, υ=.

Суммарное изменение импульса, происходящее в каждом слое:

Согласно второму закону Ньютона, ежесекундное изменение импульса слоя есть приложенная к нему внешняя сила:

Таким образом, перенос импульса от одного слоя к другому воспринимается как сила трения F, действующая на данный слой со стороны соседних слоев.

Закон внутреннего трения был установлен И. Ньютоном и имеет

вид: (1)

Сила трения пропорциональна площади ΔS, лежащей в плоскости соприкосновения двух слоев газа или жидкости, градиенту скорости и действует по касательной к поверхности раздела слоев.

η – динамическая вязкость или коэффициент внутреннего трения.

Из (1):

(2).

Физический смысл коэффициента внутреннего трения (или вязкости) из формулы (2): вязкость численно равна силе, действующей на единицу площади при градиенте скорости, равном единице. Вязкость вычисляется по формуле: (3)

Размерность коэффициента вязкости . В некоторых случаях принято пользоваться так называемой кинематической вязкостью, равной динамической вязкости жидкости, деленной на плотность жидкости = n (4), размерность этой величины - мм²/с.

Градиент скорости определяется в направлении, перпендикулярном площадке ΔS, сверху и снизу от которой движутся слои с различными скоростями и₁ и и₂. Знак минус в (1) показывает, что импульс переносится в направлении уменьшения скорости. – градиент скорости направленного движения слоев. Градиентом (grad) физической величины называют вектор, характеризующий быстроту изменения этой величины вдоль данной оси на единицу длины. Направлен градиент в сторону наибольшего возрастания этой величины.

Для определения динамической и кинематической вязкости жидкости (масел MOBIL) мы применили ГОСТ 33-2000(полный аутентичный текст международного стандарта ИСО 3104-94 «Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости»). Сущность этого метода заключается в измерении калиброванным стеклянным вискозиметром времени истечения, в секундах, определенного объема испытуемой жидкости под влиянием силы тяжести при постоянной температуре.

Для определения температуры вспышки, мы применили

ГОСТ 4333-87 («Определение температуры вспышки и воспламенения масел в открытом тигле»). Суть этого метода заключается в последовательном контролируемом нагревании масла и фиксации вспышки (возгорания) паров машинного масла над его поверхностью) с помощью специального фитиля.

Для определения наличия механических примесей в смазочных маслах, мы применили ГОСТ 6370-83 («Метод определения механических примесей в машинных маслах»). Сущность метода заключается в фильтровании испытуемых продуктов с предварительным растворением медленно фильтрующихся продуктов в бензине или толуоле, промывании осадка на фильтре растворителем с последующим высушиванием и взвешиванием.

III Практическая часть

Вискозиметр ВПЖ-4

В лаборатории КНПЗ (Куйбышевского нефтеперерабатывающего завода), я познакомилась со способом определения вязкости жидкости при помощи капиллярного стеклянного вискозиметра ВПЖ-4 (рис.1). Вискозиметр типа ВПЖ может быть использован для определения кинематической вязкости непрозрачных жидкостей (какими чаще всего являются нефть и масла). Вискозиметры ВПЖ-4 измеряют вязкость при положительных температурах. Это наиболее точные из вискозиметров, время течения жидкости в них не зависит от гидростатического давления и количества жидкости, налитой в вискозиметр. Измерение вязкости основано на определении времени истечения через капилляр объема жидкости из измерительного резервуара.

Динамическую вязкость ŋ вычисляют как произведение кинематической вязкости n жидкости на ее плотность ρ. Кинематическая вязкость характеризует текучесть моторного масла в условиях нормальных и высоких температурах. По общепринятому стандарту ее измеряют при 40 и 100 градусах по Цельсию. Измеряется кинематическая вязкость в сантистоксах (cST или сСт), либо в капилляр-визкозиметрах – в этом случае кинематическая вязкость отражает время вытекания определенного количества масла из сосуда с калиброванным отверстием на дне (капиллярный вискозиметр) под действием силы тяжести. В зависимости от плотности смазочного материала кинематическая и динамическая вязкость численно отличаются друг от друга. Динамическая вязкость — это физическая величина, характеризующая силу сопротивления, возникающую при перемещении со скоростью 1 см/с двух слоев жидкости площадью в 1см², находящихся на расстоянии в 1 сантиметр друг от друга. В отличие от кинематической, динамическая вязкость не зависит от плотности самой смазки. Определяется динамическая вязкость при помощи вискозиметров, которые имитируют реальные условия работы моторных масел.

1. При движении жидкости под действием силы тяжести при данном гидростатическом давлении, давление жидкости пропорционально ее плотности ρ. Для всех вискозиметров время истечения определенного объема жидкости прямо пропорционально ее кинематической вязкости n, где n=ŋ/ρ, ŋ-динамическая вязкость.

2. Наполненный маслом вискозиметр выдерживаем в водяной бане до тех пор, пока он не прогреется до температуры испытания (40⁰С). После того, как образец достиг температурного равновесия, доводим объем образца (масла) до требуемого уровня. Используя подсос, устанавливаем высоту столбика образца в капилляре вискозиметра до уровня, находящегося приблизительно на 7 мм выше первой (верхней) временной метки. При свободном истечении образца определяем с точностью до 0,1с время, необходимое для перемещения мениска от первой до второй метки. Если время истечения окажется меньше установленного минимального (200с), подбираем вискозиметр с меньшим диаметром капилляра и повторяем определение.

Повторяем определение, ещё раз, для получения второго значения и записываем результат. Так как два измерения, полученные нами, согласуются с установленной величиной определяемости, то рассчитываем среднее арифметическое значение двух измерений времени истечения. (Если же два измерения не согласуются, следует повторить определение после тщательной очистки и сушки вискозиметра и фильтрации образца)

За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов кинематической вязкости в двух вискозиметрах, если расхождение между ними не превышает значений ±1,2

Диаметр вискозиметра 0,99 мм

Постоянная вискозиметра 0,09087 мм²/с²

Постоянная вискозиметра С зависит от гравитационного ускорения в месте калибровки и, следовательно, указывается лабораторией по стандартизации.

Если ускорение силы тяжести отличается более чем на 0,1%, постоянную калибровки корректируют по формуле C=(g₁/g₂)C₀

Формула для расчета гравитационного ускорения:

Географическая широта места эксперимента:

φ=53°12′00″ С.Ш.

Высота над уровнем моря: h=117 м

Получен результат: g=9,813522 м/с² (территория КНПЗ, Самара)

Кинематическую вязкость n, мм²/с, рассчитала по формуле:

n= (g/9,807)·C₀ ·t = C·t

Предварительно выполнила расчеты, определив значение С-калибровочной постоянной вискозиметра:

С= (g/9,807)·C₀ =0,09087 мм²/с².

Кинематическую вязкость n, мм²/с, рассчитывают по формуле n=Ct,

где С- калибровочная постоянная вискозиметра, мм²/с²;

t- среднее арифметическое значение времени истечения, с.

Динамическую вязкость ŋ(МПа·с), рассчитываем на основании кинематической вязкости по формуле

ŋ = n·ρ 10^-3,

где ρ - плотность при той же температуре, при которой определялась кинематическая вязкость, кг/м³;

n - кинематическая вязкость, мм²/с.

Записываем результаты испытания кинематической и динамической вязкости до четырех значащих цифр и температуру испытания. Результаты определения кинематической и динамической вязкости округляем до 0,01 % измеренной или расчетной величины соответственно.

1cSt=10^-6 м²/с

1мм²/с = 10^-6 м²/с

Из таблицы видно, что зависимость кинематической вязкости от температуры – обратнопропорциональная.

Для расчетов зависимости кинематической вязкости масла от температуры использовала калькулятор CASIO. Перевела его в режим

«Статистические вычисления» (STAT)

«Статистические вычисления» (STAT)

Получив математическую формулу зависимости кинематической вязкости от температуры, вводим данные в программу компьютера для построения графика и получаем:

В своей работе я так же определила температуру вспышки и воспламенения масла в открытом тигле, поскольку этот параметр очень важен при эксплуатации смазочных масел.

Сущность методов заключается в нагревании пробы нефтепродукта (масла) в открытом тигле с установленной скоростью до тех пор, пока не произойдет вспышка паров (температура вспышки) нефтепродукта над его поверхностью от зажигательного устройства и пока при дальнейшем нагревании не произойдет загорание продукта (температура воспламенения) с продолжительностью горения не менее 5с. Температура пробы после нагревания должна быть ниже предполагаемой температуры вспышки не менее чем на 56°С. Аппарат устанавливают на горизонтальном столе в таком месте, где нет заметного движения воздуха и вспышка хорошо видна. Для защиты от движения воздуха аппарат с трех сторон окружают экраном или щитом. Перед проведением каждого испытания аппарат охлаждают. При работе с токсичными продуктами или продуктами, содержащими ароматические углеводороды (продукты пиролиза), пары которых являются токсичными, аппарат помещают вместе с экраном или со щитом в вытяжной шкаф. При температуре на 56°С ниже предполагаемой температуры вспышки движение воздуха в вытяжном шкафу следует поддерживать без создания сильных потоков над тиглем, для чего необходимо работать при закрытой верхней заслонке вентиляционного устройства вытяжного шкафа. В тигель помещают термометр в строго вертикальном положении так, чтобы нижний конец термометра находился на расстоянии 6 мм от дна тигля и на равном расстоянии от центра и от стенок тигля. Тигель заполняют нефтепродуктом (маслом MOBIL) так, чтобы верхний мениск точно совпадал с меткой. При наполнении тигля выше метки избыток нефтепродукта удаляют пипеткой или другим соответствующим приспособлением. Удаляют пузырьки воздуха с поверхности пробы.

Не допускается смачивание стенок тигля выше уровня жидкости.Тигель с пробой нагревают пламенем газовой горелки или при помощи электрообогрева сначала со скоростью 14-17°С в минуту. Когда температура пробы будет приблизительно на 56°С ниже предполагаемой температуры вспышки, скорость подогрева регулируют так, чтобы последние 28°С перед температурой вспышки нефтепродукт нагревался со скоростью 5⁰-6⁰С в минуту. Зажигают пламя зажигательного устройства и регулируют его таким образом, чтобы размер диаметра пламени был примерно 4 мм. Его сравнивают с лекалом (шариком-шаблоном). Начиная с температуры не менее чем на 28°С ниже температуры вспышки, каждый раз применяют зажигательное устройство при повышении температуры пробы на 2°С.

Пламя зажигательного устройства перемещают в горизонтальном направлении, не останавливаясь над краем тигля, и проводят им над центром тигля в одном направлении в течение 1с.При последующем повышении температуры перемещают пламя зажигания в обратном направлении. За температуру вспышки принимают температуру, показываемую термометром при появлении первого синего пламени над частью или над всей поверхностью испытуемого нефтепродукта. В случае появления неясной вспышки она должна быть подтверждена последующей вспышкой через 2⁰С.

Для определения температуры воспламенения продолжают нагрев пробы со скоростью 5-6°С в минуту, повторяя испытание пламенем зажигательного приспособления через каждые 2°С подъема температуры нефтепродукта. За температуру воспламенения принимают температуру, показываемую термометром в тот момент, в который испытуемый нефтепродукт при поднесении к нему пламени зажигательного приспособления загорается и продолжает гореть не менее5с.

За результат испытания принимают среднеарифметическое значение результатов двух определений, округленное до целого числа и выраженное в градусах Цельсия.

Среднее значение температура воспламенения масла 216,25⁰С.

∆t = 216,25 - 215,5 = 0,75⁰С

∆t = 216,25 – 217 = 0,75⁰С

Два результата испытаний, полученные одним исполнителем, признаются достоверными (с 95%-ной доверительной вероятностью), если расхождение между ними не превышает значений, указанных в табл.1.Таблица 1

Определения механических примесей

в машинных маслах

1. ПОДГОТОВКА

1. Бумажный фильтр промываем тем же растворителем , который применим при испытании(бензином).

Бумажный фильтр поместили в чистый сухой стаканчик для взвешивания.

2. Стаканчик с фильтром с открытой крышкой посушили в сушильном шкафу при температуре (105 ± 2) °С в течение 45 мин, после чего стаканчик закрываем крышкой. Стаканчик с фильтром охладили в эксикаторе в течение 30 мин и взвесили с погрешностью не более 0,0002 г.

3. Стаканчик с фильтром высушиваем и взвешиваем до получения расхождения между двумя последовательными взвешиваниями не более 0,0004 г. Повторные высушивания фильтра производим в течение 30 мин.

2. ИСПЫТАНИЯ

1. В стакан поместили подготовленную пробу испытуемого продукта (машинного масла) и разбавили подогретым растворителем (бензином). Перед испытанием предварительно определили минимальный объем пробы и растворителя, необходимого для ее растворения (использовали специальную таблицу соотношений объема пробы и растворителя).

2. Бензин для растворения пробы подогрели на водяной бане до температуры 40^оС . Не допускаем кипение растворителя при подогреве. Содержимое стакана фильтруем через подготовленный бумажный фильтр, помещенный в стеклянную воронку. Раствор налили на фильтр по стеклянной палочке, воронку с фильтром наполнили раствором не более чем на ³/₄ высоты фильтра. Остаток на стакане смыли на фильтр чистым бензином до тех пор, пока капля фильтрата, помещенная на фильтровальную бумагу, не будет оставлять масляного пятна после испарения. Остатки масла, приставшие к стенкам стакана, снимаем стеклянной палочкой и смываем на фильтр горячим чистым бензином, нагретым до 40 °С .

3. После фильтрации фильтр с осадком при помощи промывалки с резиновой грушей промыли подогретым до 40°С бензином до тех пор, пока на фильтре не будет следов нефтепродукта и растворитель не будет стекать совершенно прозрачным и бесцветным.

4. По окончании промывки фильтр с осадком перенесли в стаканчик для взвешивания с открытой крышкой, в котором сушился чистый фильтр. Стаканчик с фильтром с открытой крышкой сушим в сушильном шкафу при температуре (105 ± 2) °С не менее 45 мин. Затем стаканчик закрываем крышкой, стаканчик с фильтром охлаждаем в эксикаторе в течение 30 мин и взвешиваем, с погрешностью не более 0,0002 г.

5. Стаканчик с фильтром высушиваем и взвешиваем до получения расхождения между двумя последовательными взвешиваниями не более 0,0004 грамм. Повторные высушивания фильтра так же, как и последующие охлаждения, проводят в течение 30 мин.

3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Массовую долю механических примесей (X) в процентах вычисляют по формуле

где m₁ - масса стаканчика для взвешивания с бумажным фильтром и механическими примесями , г;

m₂- масса стаканчика для взвешивания с чистым подготовленным бумажным фильтром , г;

m₃ -масса пробы, г.

За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных определений.

Массовая доля механических примесей до 0,005 % включительно оценивается как их отсутствие.

Выводы:

1. Мы познакомились с оптимальным методом определения вязкости смазочных масел.

2. В результате проведенных опытов мы выяснили, что коэффициент внутреннего трения зависит от плотности масла.

3. Коэффициент вязкости масла весьма сильно зависит от температуры.

С увеличением температуры вязкость жидкостей резко падает.

4. Вязкость – характеристика внутреннего трения жидкости. Это трение возникает между слоями жидкости при ее движении. Чем больше трение, тем больше силы необходимо приложить, чтобы вызвать движение («сдвиг»). Сдвиг имеет место при физическом перемещении или разрушении жидкости: разливе, растекании, разбрызгивании, перемешивании и т.п. Для сдвига жидкостей с высокой вязкостью необходимо приложить больше силы, чем для маловязких материалов.

Список используемой литературы

1. Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Курс физики. М.: «Высшая школа», 1984 г., стр 486.

2. Ильин В.И./Механика Ньютона – основа единой физики – М.: Т – Око, 1992

3. Зисман Г.А., О.М.Тодес. Курс общей физики/К.:Днипро, 1994.Т.1

4. Орлов В.А., Никифоров Г.Г/Физика: Школьный курс – М.: АСТ – ПРЕСС, 2000. – 668с.

5. Прокофьев В.Л., Дмитриев В.Д. Физика (учебное пособие для техникумов) М.: «Высшая школа», 1983, стр 543.

6. Савельев И.В.. Курс общей физики/М.:Наука,1970.Т.1,параграф 51-60, 112.

7. Селезнев Ю.Л. Основы элементарной физики. Издательство «Наука», 1974 г. 543.

http://vsegost.com/Catalog/33/3341.shtml

9. ГОСТ 4333-48: Методы определения температур вспышки и воспламенения в открытом тигле. http://standartgost.ru/

10. ГОСТ 6370-83 («Метод определения механических примесей в машинных маслах»).

20