CC BY
43
ТРИБОТЕХНИКА
УДК 621.892.1
Б. И. Ковальский, В. С. Янович, М. М. Рунда, В. Г. Шрам, Н. А. Лебедева
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОДУКТОВ ОКИСЛЕНИЯ НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛЬНОГО ТРАНСМИССИОННОГО МАСЛА ТС3П-8
Введение. В агрегатах трансмиссий смазочное масло является неотъемлемым элементом конструкции. Трансмиссионное масло работает в режимах высоких скоростей скольжения, давлений и широком диапазоне температур. Их пусковые свойства и длительная работоспособность должны обеспечиваться в интервале температур от -60 до +150 °С [1]. Важнейшими свойствами трансмиссионных масел являются: смазывающая способность, вязкостно-температурная характеристика, термоокислительная стабильность, антикоррозионные и защитные свойства, стойкость к пенооб-разованию [1].
В данной работе исследована термоокислительная стабильность, как основной показатель, т.к. в процессе окисления образуются продукты, влияющие на вязкость масла, его смазывающую способность, антикоррозионные и защитные свойства. Целью исследований является определение количественных показателей при окислении трансмиссионного масла ТС3п-8 и влияние продуктов окисления на его вязкостные и триботехнические параметры.
Методика исследования предусматривала три этапа исследований. На первом этапе исследовалась кинетика процесса окисления при термо-статировании масла при температуре 150 °С, предусматривающая определение сопротивляемости окислению и влияния продуктов окисления на вязкость масла.
Таблица 1. Техническая характеристика прибора для определения термоокислительной стабильности
Наименования Единицы измерения Значения параметров
параметров
Напряжение питания В ~220 ±10%
Потребляемая мощность ВА 400±10%
Частота вращения мешалки (регулируемая) об/мин 300±2%
Температурный диапазон °С от 50 до 200
Масса испытуемого масла г 100±0.1
Датчик температуры хромель - капель
Габариты: - высота мм 450±5.0
- длина 170±5.0
- ширина 740±5.0
Масса кг 8.5±0.5
На втором этапе проводились исследования по выявлению влияния температуры на интенсивность механохимических процессов, протекающих на фрикционном контакте.
На третьем этапе проводились исследования по выявлению влияния температуры на интенсивность процессов окисления с целью определения температурной области применения смазочного масла и объективности существующих методов классификации по группам согласно ГОСТу
17479.2-85.
Рис.1. Прибор для определения термоокислительной стабильности смазочных масел
Термоокислительная стабильность трансмиссионного масла исследовалась на приборе (рис. 1), техническая характеристика которого приведена в табл. 1.
На первом этапе исследования проба масла массой 100 г заливалась в термостойкий стеклянный стакан и термостатировалась при 150 °С с перемешиванием стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин в течение 8 часов. После каждых 8-ми часов испытания проба окисленного масла взвешивалась, для определения массы испарившегося масла, а затем отбирались пробы для фотометрирования и измерения вязкости, после чего отобранные пробы сливались в стакан, который повторно взвешивался и устанавливался в прибор для дальнейшего термостатирования. Испытания масла останавливались по достижению значений коэффициента поглощения светового потока равного -0,8 ед. По значениям коэффициента поглощения светового потока, вязкости и летучести строились графические зависимости этих показателей от времени испытания, по которым определялась термоокислительная стабильность исследуемого масла.
Рис. 2. Трехшариковая машина трения
Второй этап исследований также проводился на приборе для определения термоокислительной стабильности по той же технологии только при достижении значений коэффициента поглощения светового потока 0,1; 0,2...0,8 ед. отбиралась дополнительная проба окисленного масла для испытания на трехшариковой машине трения (рис. 2) со схемой трения “шар-цилиндр”. Параметры трения составляли: нагрузка 13 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура масла в объеме 80 °С и время испытания 2 часа. В качестве образцов использовались шары диаметром 9,5 мм от шарикоподшипника №204 (ГОСТ8338) и обойма роликоподшипника №42416 (ГОСТ8328) диаметром 80 мм. Особенностью трехшариковой машины трения является взаимодействие трех шаров по индивидуальным дорожкам трения. Через один из шаров пропускался постоянный ток 100 мкА от внешнего стабилизированного источника питания (3В) для исследования влияния продуктов окисле-
ния на электрическое сопротивление фрикционного контакта при его формировании. Величина тока, протекающего через фрикционный контакт при граничном трении скольжении, через преобразователь записывалась в виде диаграммы на компьютере, по которой определялась продолжительность пластической и упругопластической деформаций и коэффициент электропроводности фрикционного контакта как отношение
К э _ 1 фк /1 з , (1)
где IФК и 1З - соответственно токи, протекающие через фрикционный контакт при трении и заданная величина тока 100 мкА при статическом положении образцов.
Техническая характеристика трехшариковой машины трения приведена в табл. 2.
Таблица 2. Техническая характеристика трехшариковой машины трения
Наименование параметров Единицы измере- ния Значение параметров
Напряжения питания В -380±10%
Потребляемая мощ- ВА 650±5
Тип пары трения - шар-
Диаметр шарика мм 9,5
Диаметр цилиндра мм 80,0
Скорость скольжения м/с 0,68
Нагрузка на шарики Н 0-40
Ток фрикционного мкА 0-100
Объем пробы масла мл 20,0±1,0
Температура масла °С 0-120
Габариты прибора мм 500x460x400
Масса прибора кг 72
На третьем этапе трансмиссионное масло испытывалось по той же технологии, что и на первом этапе только температура испытания изменялась через 10 °С от 120 до 150 °С каждых 8-мь часов. Изменение температуры от 120 до 150 °С названо циклом повышения температуры испытания, а от 150 до 120 °С - циклом понижения температуры. Это позволило определить скорости окислительного процесса и летучести масла при увеличении и уменьшении температуры испытания, а также температуры начала этих процессов.
Результаты исследований и их обсуждение. Для исследования выбрано минеральное трансмиссионное масло ТС3п-8 (ТУ 38.1011280-89). Это маловязкое, низкозастывающее, загущенное стойкой против деструкции вязкостной присадкой, содержит противозадирную, противоизнос-ную, антиокислительную и антипенную присадки. Масло предназначено для смазывания агрегатов трансмиссий, имеющих планетарные редукторы
коробок передач и некоторых систем гидроуправления мобильных транспортных средств.
По классификации трансмиссионных масел (ГОСТ 17479.2-85) масло ТС3п-8 относится к группе ТМ-3-9, рекомендуемая область применения: цилиндрические, конические, спиральноконические и гипоидные передачи, работающие при контактных напряжениях до 2500 МПа и температуре масла в объеме до 150 °С [1].
На рис. 3 представлена зависимость коэффициента поглощения светового потока КП от времени испытания трансмиссионного масла ТС3п-8. Данная зависимость имеет изгиб после 32 ч испытания, что свидетельствует о том, что в процессе окисления образуются два вида продуктов различной оптической плотности. Начало образования более оптически непрозрачных продуктов определяется продлением участка зависимости К П = / (/) после изгиба до пересечения с осью абсцисс. Образование этих продуктов начинается от 20 часов.
Рис. 3. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от времени окисления минерального трансмиссионного масла ТС3п-8 при температуре 150 °С
Установлено (см. рис. 3), что в течение 8-ми часов окислительные процессы практически отсутствуют т.е. существует область сопротивляемости исследуемого масла температурным воздействиям.
Вязкость окисленного масла оценивалась коэффициентом относительной вязкости
К1и=Мок / ^тов , (2)
где /иок и ^тов - вязкости окисленного и товарного масел соответственно, сСт.
Установлено (рис. 4а), что вязкость при окислении масла увеличивается по линейной зависимости и за 48 часов испытания она увеличилась на 20%. Известно [2], что вязкость масел в процессе эксплуатации не должна увеличиваться более чем на 20-30%, т.к. это увеличивает потери
на трение и снижает КПД трансмиссии.
Летучесть масла (рис. 4б) увеличивается по
экспоненте и за 48 часов испытания составила 21 г, а за первые 8 часов - 6,1 г.
б) 10 30 50
Рис. 4. Зависимости коэффициента относительной вязкости К (а) и летучести О (б) от времени окисления минерального трансмиссионного масла ТС3п-8
Полученные результаты исследования показали, что термоокислительная стабильность масла зависит от скоростей изменения коэффициента поглощения светового потока и летучести, т.к. вязкость окисляемого масла определяется концентрацией продуктов окисления и их составом, а также массой испарившихся легких фракций. В этой связи для оценки термоокислительной стабильности смазочных масел предложен коэффициент ЕТОС, учитывающий эти два параметра
ЕТОС = КП + КО , (3)
где КП - коэффициент поглощения светового потока; КО - коэффициент летучести масла:
КО = т / М, (4)
где т - масса испарившегося масла за определенный период времени, г; М - масса пробы
масла после окисления за тот же окисления, г.
Коэффициент ЕТОС является безразмерным.
Зависимость данного коэффициента от времени испытания представлена на рис. 5. Тенденция изменения коэффициента термоокислительной ста-
бильности аналогична зависимости К П = / (/) (рис. 3). Различия заключаются в том, что область сопротивляемости окислению сократилась с 8 до 5 часов, а начало образования продуктов окисления с большей оптической плотностью сократилось с 20 до 14 часов за счет влияния летучести масла при окислении.
и 6б). Установлено, что скорость окисления и испарения непостоянны, и объясняется это процессами самоорганизации [3], согласно которым избыточная тепловая энергия поглощается продуктами окисления и испарения, а в процессе окисления происходит ее перераспределение между этими продуктами. Так, при увеличении скорости
окисления
происходит уменьшение скорости
Рис. 5. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от времени окисления минерального трансмиссионного масла ТС3п-8
Процессы окисления и испарения оценивались скоростью их изменения во времени (рис. 6а
испарения Уа. Перераспределение избыточной
энергии наблюдается при переходе начальных продуктов окисления в более энергоемкие (с большей оптической плотностью) при этом скорость окисления уменьшается (рис. 6а, время 2432 часа). Поэтому можно утверждать, что процесс окисления является периодическим. В начале образуются низкоэнергоемкие продукты при достижении определенной их концентрации часть их переходит в более энергоемкие. Этот процесс характеризуется колебанием концентрации начальных продуктов окисления и периодическим увеличением концентрации энергоемких продуктов. Интенсивность процесса самоорганизации предложено оценивать коэффициент
Кс = ^ / Уа, (5)
где ¥Кп и Га - скорости окисления и летучести
соответственно.
Зависимости коэффициента интенсивности процессов самоорганизации (рис. 7а) представляет ломаную кривую подтверждающую наличие пе-
П
рераспределение тепловой энергии. Так, в период времени испытания от 8 до 16 ч соотношение скоростей окисления и летучести одинаково, в период от 16 до 32 ч скорость окисления преобладает над скоростью испарения, от 32 до 40 ч в момент образования более энергоемких продуктов окисления скорость окисления резко увеличивается, а в период времени от 40 до 48 ч соотношение стабильно.
Динамика окисления трансмиссионного масла при циклическом изменении температуры испытания представлена зависимостями коэффициента поглощения светового потока от температуры и времени испытания (рис. 8). Масло выдержало 5 циклов: 3 цикла повышения температуры от 120 до 150 °С и два цикла понижения температуры от 150 до 120 °С в течение 138 часов, при этом коэффициент КП составил 0,8 ед. Установлено, что
процесс окисления начинается при температуре 140 °С или после 24 часов испытания.
Влияние температуры на процессы окисления и испарения оценивалось их скоростями (рис. 9) Показано, что во 2-м цикле понижения температуры до 120 °С окислительные процессы продолжаются, однако в 4-м цикле понижения температуры скорость окисления приобретает отрицательное значение (время 104 ч). Летучесть масла в циклах понижения температуры до 120 °С не прекращается, поэтому температура работоспособности масла ТС3п-8 должна быть ниже 150 °С, что несоответствует требованиям ГОСТа 17479.2-85.
Противоизносные свойства трансмиссионного масла ТС3п-8 оценивались по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех
шарах, коэффициенту электропроводности КЭ
фрикционного контакта и продолжительности
формирования номинальной площади контакта IФПК, определяемых по диаграммам записи тока согласно методики описанной в работе [4]. Регистрация коэффициента КЭ и время IФПК производилась при наступлении установившегося изнашивания. В этом случае коэффициент К Э приобретал минимальное значение, а время IФПК соответствовало упругим деформациям в контакте.
Рис. 10. Зависимости диаметра пятна износа и (а), коэффициента электропроводности фрикционного контакта КЭ (б) и времени формирования номинальной площади контакта ЇФПК (в) от коэффициента поглощения светового потока при окислении минерального трансмиссионного масла ТС3п-8
Зависимости этих параметров от коэффициента поглощения светового потока КП представлены на рис. 10. Установлено, что противоизносные свойства масла при малых значениях КП (-0,13 ед.) понижаются на 11%, после они повышаются до значения коэффициента КП = 0,45 ед. и становятся выше, чем товарного масла (точка на ординате) на 6%, затем наступает повторное понижение до значения К П = 0,6 ед. с последующей стабилизацией. Такое изменение противоизнос-ных свойств объясняется различием в составе и
свойствах продуктов окисления и их склонностью к формированию на поверхностях трения адсорбционных или хемосорбционных граничных слоев. Показано, что при окислении масла уменьшается
коэффициент КЭ (рис. 10б) за счет разделения
поверхностей трения граничным слоем высокого электрического сопротивления и низким значением времени формирования номинальной площади фрикционного контакта не превышающим 10 мин (рис. 10б).
На основании полученных результатов исследования противоизносных свойств при окислении трансмиссионного масла предложен критерий противоизносных свойств
П = КП / и, (6)
где КП - коэффициент поглощения светового
потока; и - параметр износа, мм.
Зависимость критерия противоизносных свойств от КП представлена на рис. 11, которая описывается линейным уравнением
П = 2К п , (7)
Рис. 11. Зависимость критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при окислении минерального трансмиссионного масла ТС3п-8
Механохимические процессы, протекающие на фрикционном контакте предложено оценивать коэффициентом интенсивности этих процессов КМХП (рис. 12), определяемого произведением
К МХП = и ■ К Э '
(8)
где и - параметр износа, мм; КЭ - коэффициент электропроводности фрикционного контакта, ед.
Рис. 12. Зависимость коэффициента интенсивности механохимических процессов, протекающих на фрикционном контакте от коэффициента поглощения светового потока при окислении минерального трансмиссионного масла ТС3п-8
Согласно полученным данным установлены две области различной интенсивности механохи-мических процессов. Первая область при значениях коэффициента КП до 0,32 ед. где механохими-ческие процессы ускоряются и вторая область при КП > 0,32 ед. где эти процессы замедляются и переходят к стабилизации. Поэтому можно утверждать, что с увеличением концентрации продуктов окисления до значения коэффициента КП = 0,32 ед. на поверхностях трения формируются адсорбционные слои, а при КП > 0,32 ед. изнашивание протекает при формировании на поверхностях трения хемосорбционных граничных слоев.
Выводы
1. Термостатирование минерального трансмиссионного масла ТС3п-8 при температуре 150 °С показало, что оно выдержало 48 часов, при этом коэффициент поглощения светового потока составил 0,8 ед., вязкость увеличилась на 20%, а летучесть составила 21,2 г. Установлено, что при окислении масла образуются два вида продуктов различной энергоемкости.
2. Предложен коэффициент интенсивности процессов самоорганизации при окислении масел, определяемый отношением скорости окисления к скорости испарения, подтверждающий наличие явления перераспределения избыточной тепловой энергии между продуктами окисления и испаре-
ния.
3. При циклическом изменении температуры испытания в диапазоне от 120 до 150 °С масло выдержало пять циклов или 128 часов испытания, однако при температуре 120 °С окислительные процессы прекращаются только в 4-м цикле понижения температуры , скорость летучести при этой температуре составляет 0,06 г/ч, поэтому температура 150 °С является высокой для данного масла, что несоответствует стандарту.
4. Предложен критерий противоизносных свойств трансмиссионного масла ТС3п-8, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа. Установлена линейная зависимость данного критерия от коэффициента поглощения светового потока, позволяющего определять противоизносные свойства масла в зависимости от степени их окисления.
5. Предложен коэффициент определения интенсивности механохимических процессов, протекающих на фрикционном контакте, определяемый произведением параметра износа на коэффициент электропроводности фрикционного контакта. Установлено две области изменения механохимиче-ских процессов различной интенсивности, характеризующие области формирования адсорбционных граничных слоев, при коэффициенте поглощения светового потока КП < 0,32 ед. и хемо-сорбционных слоев при КП > 0,32 ед.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочник / И. Г. Анисимов [и др.].: под. ред. В. М. Школьникова. Изд. 2-е перераб. И доп. - М.: Издательский центр “Техиформ”, 1999. - 596 с.
2. Маркова, Л. В. Современные требования к контролю работоспособности масла дизельного ДВС / Л. В. Маркова [и др.]. // Трение и износ. - 2002. Т. 23. №4. С. 425-435.
3. Кужаров А. С. Молекулярные механизмы самоорганизации при трении / А. С. Кужаров, С. Б. Булгаревич, А. А. Кужаров, А. Кравчик // Трение и износ. - 2002. Т. 23. №6. С. 645-651.
4. Ковальский Б. И. Методика исследования противоизносных свойств товарных масел при граничном трении скольжения / Б. И. Ковальский [и др.]. // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т.316 (№ 2). - С. 42-46.
□Авторы статьи:
Ковальский Болеслав Иванович, докт. техн. наук, профессор каф. «Топливное обеспечение и горюче-смазочные материалы» Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск).
E-mail:
Янович Валерий Станиславович, соискатель каф. «Топливное обеспечение и горюче-смазочные материалы» Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск).
E-mail:
Рунда Михаил Михайлович, соискатель каф. «Топливное обеспечение и горюче-смазочные материалы» Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск).
E-mail:
Шрам Вячеслав Геннадьевич, аспирант каф. «Топливное обеспечение и горюче-смазочные материалы» Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск).
E-mail:
Лебедева Надежда Александровна, аспирант каф. «Топливное обеспечение и горюче-смазочные материалы» Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск).
E-mail:
