Czym jest lepkość środka smarnego i dlaczego jest tak ważna? 

Lepkość to wewnętrzny opór cieczy wobec przepływu. Brzmi to niezbyt skomplikowanie, prawda? Niestety, wraz z upływem lat wymagania dotyczące temperatury, prędkości i ciśnienia wobec płynów smarujących ulegały zmianom, co doprowadziło do powstania wielu różnych metod pomiarowych i klasyfikacji opisujących lepkość środka smarnego. Przykładami są SUS, cSt, cP, ISO, SAE (oleje silnikowe), SAE (oleje przekładniowe) oraz AGMA. Niniejszy artykuł podsumowuje najczęściej stosowane standardy lepkości. Zapraszamy do lektury lub kontaktu z Działem Techniczno-Handlowym Bamex! 

• Artykuł opracowany na podstawie treści: John Sander, Putting the Simple Back into Viscosity, Wiceprezes ds. Badań i Rozwoju, Lubrication Engineers, Inc.

Znaczenie lepkości w doborze oleju i smaru

W ostatnich latach duzi producenci środków smarnych prowadzili kampanie reklamowe nawet w telewizji w Stanach Zjednoczonych, podkreślając istotę lepkość w kontekście jakości olejów i innego rodzaju smarów. Reklamy sugerują często, że lepkość to złożona właściwość chemiczna cieczy, podczas gdy w rzeczywistości jest to miara właściwości fizycznej! Najprościej rzecz ujmując, lepkość to opór wewnętrzny cieczy względem przepływu. To właśnie takie jej ujęcie zmienia sposób, w jaki należy przyglądać się parametrom dobrej klasy smarów i olejów. 

Dobrym przykładem jest jedna z reklam, w której pokazano dwa oleje schłodzone do niskich temperatur: jeden nadal swobodnie wypływał z butelki, podczas gdy drugi wypadał w formie grudek. Opór wobec przepływu — czyli lepkość tego drugiego oleju — gwałtownie wzrosła wraz ze spadkiem temperatury. Taka reklama dobrze ilustruje, jak istotne jest uwzględnienie lepkości przy wyborze odpowiedniego środka smarnego do konkretnego zastosowania. 

Standardy i klasy lepkości środków smarnych

Informacje o lepkości pojawiają się niemal w każdym materiale technicznym producentów smarów, co świadczy o jej znaczeniu także w marketingu. Producenci urządzeń często określają wymagany środek smarny poprzez wskazanie jego rodzaju i właśnie klasy lepkości. Z kolei sprzedawcy oferują smary według konkretnych klas, takich jak między innymi SAE 15W40, ISO 46 czy AGMA 3. Dlaczego jednak właściwa lepkość środka smarnego jest tak ważna dla urządzeń przemysłowych i maszyn? 

Dlaczego właściwa lepkość jest tak ważna dla maszyn?

Dla większości podmiotów w branży smarowniczej właściwa lepkość jest bardzo ważną cechą dobrego smarowania. Powodów jest kilka, a oto najważniejsze z nich: 

1. Lepkość wpływa na grubość filmu smarnego w określonych warunkach temperatury i obciążenia.
2. Lepkość oddziałuje na powstawanie i odprowadzanie ciepła w łożyskach, cylindrach i przekładniach.
3. Lepkość decyduje o łatwości rozruchu maszyn w niskich temperaturach oraz ich pracy w wysokich temperaturach.
4. Lepkość może kontrolować zdolność uszczelniającą środka smarnego, tym samym zmniejszając jego zużycie.

Czym tak naprawdę jest lepkość? Definicja lepkości oleju i smaru! 

Jak już wspomniano, lepkość to fizyczna miara wewnętrznego oporu cieczy wobec przepływu. Wyobraźmy sobie, że środek smarny znajduje się pomiędzy dwiema płaskimi płytami, tworząc film smarny. Aby poruszyć te płyty, niezbędna jest siła pokonująca tarcie filmu smarnego, nazywana lepkością dynamiczną. To ona stanowi miarę wewnętrznego tarcia środka smarnego i wyrażana jest najczęściej w jednostkach poise (P) lub centipoise — warto pamiętać, że 1 P = 100 cP. 

Najpopularniejszym narzędziem do pomiaru lepkości dynamicznej jest wiskozymetr Brookfielda, gdzie obracające się wrzeciono doświadcza momentu obrotowego wskutek oporu cieczy. Lepkość kinematyczna jest równie istotnym parametrem; uwzględnia gęstość cieczy i stanowi iloraz lepkości dynamicznej, wyrażany w stokesach (St) lub centistokesach, czyli 1 St = 100 cSt. Pomiar przeprowadza się przy użyciu wiskozymetru kapilarnego — wyznaczona objętość cieczy przepływa przez mały otwór w kontrolowanej temperaturze pod wpływem grawitacji.

Warto wiedzieć! 

Lepkość smaru (inaczej konsystencja smaru) jest parametrem, który nie podlega typowym testom lepkości dla cieczy, ale ma kluczowe znaczenie dla doboru właściwego produktu. Smary to środki smarne w formie półstałej, powstające poprzez dodatek zagęszczacza do oleju bazowego — stosowane wszędzie tam, gdzie ciecz mogłaby wyciekać. Konsystencję smaru mierzy się testem penetracji stożka, a klasyfikacja NLGI stała się branżowym standardem dla właściwości przepływowych tych produktów.

Czynniki decydujące o wyborze lepkości środka smarnego

Dobierając odpowiednią lepkość środka smarnego do konkretnej aplikacji, trzeba uwzględnić wiele warunków eksploatacyjnych, takich jak temperatura pracy, prędkość ruchu oraz obciążenie, któremu poddany jest element wymagający smarowania. Ważnym aspektem jest również zdolność środka smarnego do utrzymywania się w miejscu pracy i zapewniania ochrony współpracujących części.

Wpływ temperatury na lepkość oleju i smaru

Lepkość środka smarnego istotnie zmienia się wraz z temperaturą — rosnąca temperatura powoduje spadek lepkości, natomiast jej obniżenie prowadzi do wzrostu lepkości. Właściwy wybór produktu polega na znalezieniu takiej lepkości, która zapewni odpowiedni film smarny, nie zwiększając jednocześnie tarcia i nie powodując nadmiernego zużycia energii.

Znaczenie prędkości pracy dla lepkości

Wysoka lepkość nie będzie odpowiednia dla urządzeń pracujących z dużą prędkością, gdyż olej nie zostanie właściwie rozprowadzony w strefach tarcia i wyparty przez ruchome elementy. Z kolei zbyt niska lepkość nie wystarczy do smarowania w urządzeniach wolno pracujących, ponieważ środek zbyt łatwo będzie wypływał z punktów smarowania.

Dobór lepkości pod względem obciążenia

Przy dużych obciążeniach warstwa filmu smarnego jest mocno ściskana, a do zachowania ochrony wymagana jest wyższa lepkość środka smarnego. Obciążenia mogą mieć charakter ciągły lub udarowy — przy pracy w warunkach udarowych (EP), tylko produkt o wysokiej lepkości jest w stanie utrzymać się w strefie tarcia i zapewnić trwałość oraz ochronę powierzchni współpracujących.

Zdolność środka smarnego do utrzymania się w miejscu 

W niektórych aplikacjach, gdzie środek ciekły mógłby wyciekać, najlepiej sprawdzają się smary. Warto jednak zwrócić uwagę zarówno na lepkość bazowego płynu, jak i klasę NLGI. Zarówno zbyt wysoka, jak i zbyt niska lepkość lub konsystencja prowadzą do problemów ze smarowaniem — niedobór smaru (tzw. głodzenie smarowe), kontakt metal–metal oraz przedwczesne zużycie elementów.

Klasyfikacje lepkości olejów i smarów. Poznaj ważne normy! 

Dla ułatwienia wyboru odpowiedniego produktu, różne organizacje techniczne opracowały systemy klasyfikacji lepkości, z których korzystają producenci środków smarnych na całym świecie. Takie standardy są powszechnie stosowane zarówno w przemyśle, jak i motoryzacji — służą do etykietowania, marketingu, specyfikacji i odpowiedniego stosowania środków smarnych przez formulatorów, producentów sprzętu oraz użytkowników końcowych.

Klasyfikacje lepkości płynnych środków smarnych SAE

Society of Automotive Engineers (SAE) stworzyło dwie ważne klasyfikacje lepkości używane w motoryzacji:

• SAE J300 (dla olejów silnikowych), 
• SAE J306 (dla olejów do przekładni i osi). 

Oznaczenia z literą „W” (od ang. winter) są stosowane do produktów przeznaczonych do niskich temperatur; dziś nazywa się je wielosezonowymi (multigrade), a produkty bez „W” określane są jako jednosezonowe (monograde). 

Najważniejsze normy ASTM dotyczące lepkości

Aby standaryzować badania lepkości, wprowadzono również szereg norm ASTM, opisujących różne typy testów laboratoryjnych smarów i olejów.

1. ASTM D445 – Pomiar kinematycznej lepkości środków smarnych

Norma ASTM D445 pozwala określić kinematyczną lepkość cieczy, zarówno przezroczystych, jak i nieprzezroczystych, za pomocą wiskozymetru kapilarnego w kontrolowanych temperaturach (najczęściej 40°C i 100°C). Wyniki wyraża się w centystoksach (cSt).

2. ASTM D2270 – Wyznaczanie wskaźnika lepkości (VI)

ASTM D2270 opisuje sposób obliczania wskaźnika lepkości (VI – Viscosity Index) na podstawie wyników kinematycznej lepkości w 40°C i 100°C. Wyższy wskaźnik VI oznacza mniejsze zmiany lepkości wraz ze wzrostem temperatury, dzięki czemu olej lepiej chroni silnik w szerokim zakresie warunków pracy.

3. ASTM D2983 – Test lepkości dynamicznej w niskiej temperaturze – wiskozymetr Brookfielda

ASTM D2983 służy do oceny lepkości dynamicznej oleju w niskiej temperaturze przy użyciu wiskozymetru rotacyjnego Brookfielda. Olej jest schładzany, a następnie mierzony jest moment obrotowy potrzebny do obracania wrzeciona zanurzonego w próbce. Wyniki podaje się w centipoise (cP), co pozwala przewidzieć zachowanie oleju przy niskich temperaturach rozruchu.

4. ASTM D4684 – Lepkość olejów silnikowych w niskich temperaturach – Cold Cranking Simulator (CCS)

Norma ASTM D4684 wykorzystuje urządzenie symulujące warunki rozruchu zimnego silnika (Cold Cranking Simulator). Olej silnikowy poddany jest niskiej temperaturze, a następnie mierzony jest moment oporu symulujący rozruch pompy olejowej. Wynik to wartość lepkości dynamicznej w cP przy danej temperaturze, pozwalająca określić przydatność do pracy na zimno.

5. ASTM D5293 – Lepkość dynamiczna przy rozruchu – klasyfikacja SAE J300

ASTM D5293 podobnie bada lepkość dynamiczną olejów silnikowych przy niskiej temperaturze, także z użyciem symulatora CCS. Wyniki tego testu stanowią podstawę klasyfikacji SAE J300 i określają zdolność oleju do prawidłowego smarowania podczas zimnego rozruchu silnika.

6. ASTM D3829 – Minimalna pompowalność oleju silnikowego (MRV)

Norma ASTM D3829 dotyczy oceny najniższej temperatury, w której olej silnikowy zachowuje zdolność do przepływu w systemie smarowania. Próbkę ochładza się i poddaje testowi mini-wiskozymetrem rotacyjnym (MRV), symulując sytuację zimnego rozruchu i sprawdzając, czy olej nie powoduje niedoboru smarowania przy niskich temperaturach.

Najnowsze trendy w środkach smarnych – analiza rynku

Rynek olejów silnikowych ze względu na swój ogromny wolumen i znaczenie dla szerokiego grona odbiorców wyznacza nowe kierunki rozwoju w branży smarowniczej. Obecnie coraz częściej mówi się o odchodzeniu od olejów jednosezonowych (monograde engine oils) — przed laty klasy SAE 30 i SAE 40 były najpopularniejsze wśród użytkowników.

Wpływ efektywności energetycznej na rozwój środków smarnych

Rosnąca presja ze strony rządów na poprawę wydajności energetycznej oraz redukcję zużycia paliwa przekłada się na innowacje w sektorze smarów i olejów. Producenci pojazdów oraz maszyn przemysłowych są zachęcani do stosowania rozwiązań podnoszących sprawność, a środki smarne stały się jednym z czynników wpływających na efektywność energetyczną. Obniżenie lepkości zmniejsza opory przepływu, co prowadzi do mniejszego zużycia energii oraz niższej emisji zanieczyszczeń.

Stosowanie olejów silnikowych wielosezonowych udowodniło potencjał dla oszczędności, a podobne korzyści obserwuje się przy użyciu wielosezonowych lub syntetycznych środków smarnych przemysłowych — szczególnie płynów hydraulicznych, które są drugą pod względem wolumenu kategorią produktów smarowych. Nowe terminy, takie jak „płyny hydrauliczne o maksymalnej sprawności” (Maximum Efficiency Hydraulic Fluids), zdobyły uznanie branży, czego przykładem jest nagroda American Institute of Chemical Engineers za innowacyjność w zakresie efektywności energetycznej.

Testy nowoczesnych smarów

W zakresie smarów badania nad efektywnością energetyczną są bardziej złożone i wymagające specjalistycznych narzędzi. Wiele innowacji skupia się obecnie na reologii, czyli nauce o odkształcaniu i płynięciu materiałów, co bezpośrednio wiąże się z lepkością. ASTM – podkomisja D02.G prowadzi liczne projekty badawcze z użyciem reometrów, które zapewniają wyższą czułość pomiarów niż tradycyjne penetrometry. Wyniki testów reologicznych pozwalają lepiej przewidywać zachowanie smaru w trudnych warunkach pracy i praktycznych zastosowaniach.

Lepkość olejów zużytych – badania i monitorowanie eksploatacyjne

Nowym obszarem zainteresowania jest monitorowanie lepkości olejów eksploatacyjnych, zużytych w różnych warunkach. Kluczowe staje się badanie zmian lepkości w funkcji temperatury, utleniania, zanieczyszczeń czy zjawiska ścinania podczas eksploatacji. ASTM powołało specjalną grupę roboczą, a planowane sympozjum ma na celu przedstawienie najnowszych wyników analiz reologii środków smarnych w trakcie użytkowania, co będzie miało istotny wpływ na wytyczne dla utrzymania ruchu i diagnostyki.

Lepkość środka smarnego – najważniejsze wnioski! 

• Lepkość lub konsystencja środka smarnego jest fizyczną miarą jego wewnętrznego oporu wobec przepływu. Może ona istotnie wpływać na sposób działania środka smarnego w danym urządzeniu. Na szczęście organizacje takie jak ASTM, SAE, AGMA, ISO i inne stworzyły standardy lepkości i konsystencji, które stanowią wytyczne przy wyborze odpowiedniego środka smarnego.
• Jeżeli do danego zastosowania zostanie wybrany środek o niewłaściwej lepkości, ryzyko awarii urządzenia dramatycznie wzrasta. To właśnie dlatego najlepszą zasadą jest zawsze sprawdzanie zaleceń producenta oryginalnego sprzętu (OEM) dotyczących lepkości środka smarnego.
• Jeśli OEM nie podaje żadnych zaleceń, kolejnym krokiem jest uwzględnienie prędkości pracy, temperatury oraz obciążenia elementu, który ma być smarowany. Wreszcie, po dokonaniu wyboru środka smarnego, niezwykle istotne jest stałe monitorowanie pracy urządzenia, aby upewnić się, że dokonano właściwego wyboru. Jeśli to możliwe, należy wizualnie sprawdzać elementy ruchome, aby potwierdzić, że znajduje się na nich wystarczający film smarny chroniący je przed zużyciem. W przeciwnym razie należy nasłuchiwać wszelkich nietypowych odgłosów, takich jak szuranie, stukot czy pisk, które często wskazują na kontakt metal–metal.
• Na koniec, warto również korzystać z pomocy producentów środków smarnych – często oferują oni wsparcie techniczne przy doborze odpowiedniego oleju lub smaru. Zapraszamy do kontaktu z ekspertami Bamex!