CC BY
43
УДК 621.43-4
МЕТОД КОНТРОЛЯ ВЛИЯНИЯ ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧАСТИЧНО СИНТЕТИЧЕСКОГО МОТОРНОГО МАСЛА MOBIL SUPER 2000
10W-40SL/CF
Б.И. Ковальский, О.Н. Петров, В.Г. Шрам, Н.Н. Малышева,
А.Н. Сокольников
Приведены экспериментальные данные влияния продуктов температурной деструкции, образующихся в температурном интервале от 160 до 300°С, на процессы окисления и триботехнические характеристики, включающие противоизносные свойства, электропроводность фрикционного контакта и время его формирования. Обоснован критерий противоизносных свойств, характеризующий условную концентрацию продуктов окисления и температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта и время его формирования.
Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока, диаметр пятна износа, критерий противоизносных свойств, коэффициент электропроводности фрикционного контакта, коэффициент, характеризующий электрические свойства граничного слоя при упругих деформациях.
При эксплуатации двигателей внутреннего сгорания свойства моторных масел изменяются в результате действия высоких температур на поверхностях трения деталей. Одновременно протекают процессы окисления, температурной и механической деструкций, ускоряются химические реакции продуктов этих процессов и сгорания топлива с металлическими поверхностями деталей.
В работах [1, 2] рассмотрены имитационные модели исследования процессов окисления и влияния продуктов окисления на противоизносные свойства товарных масел, а также работавших [3]. Авторами [4, 5] исследованы процессы температурной деструкции и влияние продуктов этих процессов, а также нагрузки на противоизносные свойства масел. Однако остается открытым вопрос оценки влияния процессов окисления на процессы температурной деструкции и процессов температурной деструкции на процессы окисления.
Целью настоящих исследований является разработка метода контроля влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления частично синтетического моторного масла Mobil Super 2000 10W-40SL/CF.
Методика исследования предусматривала испытание моторного масла в два этапа. На первом этапе оно термостатировалось без перемешивания и доступа воздуха при атмосферном давлении и температурах, изменяющихся в диапазоне от 160 до 280 °С с увеличением на 20 °С. При каж-
дой температуре испытывалась новая партия масла. Температура испытания поддерживалась автоматически с помощью терморегулятора ТР200, а время составляло 8 часов.
Второй этап испытаний заключался в окислении термостатированных масел в специальном приборе при температуре 180 °С, которая также поддерживалась автоматически, при этом масло испытывалось в стеклянном стакане постоянной массы (100±0,1 г) с перемешиванием стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин. Время испытания составляло 8 часов, после чего отбиралась часть пробы для фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока, и часть пробы (15 г) для триботехнических испытаний на трехшариковой машине трения со схемой «шар - цилиндр» [6]. Параметры трения составляли: нагрузка 13 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура испытания в объеме 80 °С, время испытания 8 часов.
После отбора проб проба окисленного масла в стакане доливалась термостатированным маслом до первоначальной массы (100±0,1 г). Окисление масла продолжалось до достижения коэффициента поглощения светового потока значений равных 0,75-0,8 ед.
Особенностью трехшариковой машины трения являлось взаимодействий трехшаров с цилиндром по индивидуальным дорожкам трения, а через одну из пар трения пропускался постоянный ток величиной 100 мкА от внешнего стабилизированного источника напряжения 3 В, устанавливаемого при неподвижной паре трения. Во время трения величина тока, протекающего через фрикционный контакт, с помощью преобразователя записывалась в виде диаграммы на дисплее компьютера, что позволяло контра-лировать изменения электропроводности фрикционного контакта.
Триботехнические характеристики окисленных масел, предварительно термостатированных в диапазоне температур от 160 до 280 °С, оценивались по: среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах и измеренных с помощью оптического микроскопа «Альтами 1 мет»; коэффициенту электропроводности фрикционного контакта КЭ, определяемому отношением, тока протекающего через фрикционный контакт и заданному (100 мкА); критерию противоизносных свойств П, определяемому отношение коэффициента поглощения светового потока КП к диаметру пятна износа; коэффициенту характеризующему электрические свойства граничного слоя КЭГС, определяемому произведением критерия П на коэффициент электропроводности фрикционного контакта, вычисляемого по диаграммам записи тока в области упругих деформаций и времени формирования номинальной площади фрикционного контакта гФПК, определяемого по окончанию пластических и упругопластических деформаций по диаграммам записи тока (рис. 1).
1
Ä L Ji.iiL.^iJ -1 \iU S- »ill * ..ih.iA
^ _____.. -If. ГЛ ,Л At Iii
lOOSOC 10-10-00 '015 00 10.2000
1025 00 10X00 1^« 10-000 .045« 105*00 105500 1 TOO 00 11 05 00 11 ifrOO .11:1*00 11 2000 II 25 00 11 ЭООО 11 35 00 11*000 1145 00 11 »CO
2
07-40-00 07-45:00 07 50 00 07 55 00 08 00 00 05 05 00 08 10 00 081500 08:20 00 08 25 00 08 30 00 08"3S00 06 40 00 08 4500 0*50 00 08 55 00 09 00-00 09 0500 09 10 00 (№15:00
3
4
07 50:00 07:55:00 08:00 00 03 05 00 0810 00 0815 00 OS'20 00 0*25 00 OS 30 00 '18 55 00 OfldilOO OS 45 00 08:50 00 0355:00 0900-00 09 05 00 09ЮОО 09 15 00 09 20 00 09 25:00 09 30 00 09 5500
5
07 35 CO 07:40.00 07 45 00 07 50.00 07:55:00 08:0000 08 05 00 08 10:00 08 15:00 08 20 00 08 25:00 08 30 00 08 35 00 08:40 00 03:45 00 08:50 00 08:5500 09 00 00 09:05:00 OS 10ОО 09:15-00 09:2000
6
1;2 05'00 1110(0 121500 12:20 00 12:25:» 1 23™ 123500 1140 00 114500 12:5000 1255 00 1100 m 1KSOO 13-1000 1ИМ 13 20 00 13 25 00 1S30 00 1 3 35:00 13:40 00 1145:00
Рис. 1 Диаграммы тока, протекающего через фрикционный контакт при испытании окисленного частично синтетического моторного
масла Mobil Super 200010W-40SL/CF, предварительно термостатированного при температуре 200 °С: 1 - КП =0,013 ед.; 2 - КП =0,147 ед.; 3 - КП =0,297 ед.; 4 - КП =0,54 ед.; 5 - КП =0,013 ед.;
6 - КП =0,88 ед
Результаты электропроводности фрикционного контакта при окислении термостатированного масла при температуре 200°С представлены в виде диаграммы изменения тока, протекающего через фрикционный кон-
такт на рис. 1. Из каждой диаграммы видны три характерных участка. Первый участок в начале диаграммы, где ток равен заданному (100 м^), характеризует продолжительность пластической деформации, протекающей на фрикционном контакте. Второй участок, где ток уменьшается до стабильной величины, характеризует продолжительность упругопластической деформации и третий участок характеризует продолжительность упругих деформаций.
Поэтому изменения свойств смазочного масла вызывает изменения продолжительности каждой из деформаций и величины тока при упругих деформациях.
Зависимости изменения коэффициента электропроводности фрикционного контакта КЭ от коэффициента поглощения светового потока и температуры предварительного термостатирования в диапазоне температур от 160 до 300°С представлены на рис. 2. Установлено, что электропроводность фрикционного контакта при окислении предварительно термостатированных масел при температурах 160°С (кривая 2), 180°С (кривая 3) и 200°С (кривая 4) выше, чем при окислении товарного масла без термо-статирования (кривая 1), особенно при значениях коэффициента КП >0,3 ед., т. е. оптическое сопротивление фрикционного контакта при этих температурах ниже, чем у товарного масла. Значительные изменения коэффициента КЭ установлены для температура термостатирования 200°С соответствующие упругопластическим деформациям в контакте.
Наименьшее изменение коэффициента КЭ установлено при окислении масел, термостатированных при температурах от 260 до 300°С (кривые 7-9), т. е. сопротивление фрикционного контакта при этих температурах максимально.
Представленные данные (рис. 2) показывают, что продукты температурной деструкции оказывают существенное влияние на электропроводность фрикционного контакта при окислении частично синтетического масла.
Зависимости противоизносных свойств при окислении частично синтетического моторного масла, предварительно термостатированного в диапазоне температур от 160 до 300°С от коэффициента поглощения светового поттока представлены на рис. 3. Для товарного масла (кривая 1) и термостатированного при температуре 160°С (кривая 2) установлено начальное понижение противоизносных свойств при коэффициенте КП <0,3 ед.
Для масел термостатированных при температурах 180 и 200 °С (кривые 3 и 4) в начале окисления противоизносные свойства стабильны, а с повышением температуры противоизносные свойства в этот период времени медленно повышаются. При больших значениях коэффициента К П =
0,7-0,9 ед. противоизносные свойства стабилизируются за исключением
232
температуры 180 °С (кривая 3).
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
Рис. 2. Зависимости коэффициента электропроводности фрикционного контакта от коэффициента поглощения светового потока при окислении частично синтетического моторного масла Mobil Super 200010W-40SL/CF предварительно термостатированного при температурах: 1 - товарное масло окисленное при температуре 180 °С; 2 -160 °С; 3 -180 °С; 4 - 200 °С; 5 - 220 °С; 6 - 240 °С; 7 - 260 °С; 8 - 280 °С; 9 - 300 °С
U. мм
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
U. мм
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
U. мм
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
Рис. 3. Зависимости диаметра пятна износа U от коэффициента
поглощения светового потока при окислении предварительно термостатированного частично синтетического моторного масла Mobil Super 200010W-40SL/CF при температурах: 1 - товарное масло; 2 -160 °С; 3 -180 °С; 4 - 200 °С; 5 - 220 °С; 6 - 240 °С; 7 - 260 °С;
8 - 280 °С; 9 - 300 °С
Данный критерий характеризует условную концентрацию продуктов окисления и температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, зависимости которого (рис. 4) от коэффициента КП имеют линейный характер и описываются уравнениями вида
233
П = а • КП , (2)
где а - коэффициент, характеризующий скорость изменения критерия п . Регрессионные уравнения для температур термостатирования имеют
вид:
товарного масла П = 3,14 • КП (3)
160 °С П = 2,86 • KП (4)
180 °С П = 3,0 • K П (5)
200-240 °С П = 2.93 • KП (6)
260-300 °С П = 3.14 • KП (7)
Коэффициент регрессии составил 0,935.
Согласно представленных данных наилучшими противоизносными свойствами характеризуются: товарное масло и масла окисленные при предварительном термостатировании в диапазоне температур от 260 до 300 °С, т. к. при одном значении коэффициента КП скорость изменения критерия наибольшая.
На основании полученных результатов установлено, что продукты температурной деструкции оказывают влияние на противоизносные свойства окисленных масел в диапазоне температур от 160 до 240 °С.
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
Рис. 4. Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при окислении частично синтетического моторного масла Mobil Super 2000
10W-40SL/CF, предварительно термостатированного при температурах: 1 - товарное масло; 2 -160 °С; 3 -180 °С; 4 - 200 °С; 5 - 220 °С; 6 - 240 °С; 7 - 260 °С; 8 - 280 °С; 9 - 300 °С
Противоизносные свойства окисленных масел зависят от концентрации продуктов окисления и температурной деструкции на площади фрикционного контакта, поэтому их влияние на изнашивание можно оценить электропроводностью, поскольку если они полностью разделяют поверхности трения, то ток протекающий через контакта будет минимальным, что подтверждается диаграммами (рис. 1). В этой связи можно утверждать, что критерий противоизносных свойств П не только характеризует условную концентрацию продуктов окисления и температурной деструкции на площади фрикционного контакта, но и его электрическое сопротивление. Согласно закона Ома если критерий противоизносных свойств умножить на коэффициент электропроводности фрикционного контакта, при упругих деформаций, то данное произведение характеризует падение напряжения на контакте, которое названо коэффициентом КЭГС, характеризующим электрические свойства граничного слоя смазочного масла, разделяющего поверхности трения и описывается эмпирическим уравнением:
КЭГС = —Ц- • КЭ = П • КЭ (8)
Зависимости данного коэффициента от коэффициента КП и температуры термостатирования представлены на рис. 5.
Рис. 5. Зависимости коэффициента, характеризующего электрические свойства граничного слоя от коэффициента поглощения светового потока при окислении частично синтетического моторного масла Mobil Super 200010W-40SL/CF, предварительно термостатированного при температурах: 1 - товарное масло; 2 -160 °С; 3 -180 °С; 4 - 200 °С; 5 - 220 °С; 6 - 240 °С; 7 - 260 °С; 8 - 280 °С; 9 - 300 °С
Наибольшее значение коэффициента КЭГС установлено для окисленных масел термостатированных при температурах 160 °С (кривая 2), 180 °С (кривая 3) и 200 °С (кривая 3), т. е. в диапазоне температур термо-статирования от 160 до 200 °С продукты температурной деструкции оказывают наибольшее влияние на электрические свойства граничного слоя при значениях коэффициента КП >0,5 ед. Наименьшее влияние продуктов температурной деструкции установлено для температур 220 и 240 °С (кривые 5 и 6) и товарного масла окисленного без предварительного термоста-тирования (кривая 1).
Анализируя зависимости К ЭГС = f (К П) можно утверждать что существуют две температурные области термостатирования частично синтетического моторного масла в области упругих деформаций на фрикционном контакте где электрическое сопротивление граничного слоя минимально (100-200 °С) и максимально (220-300 °С).
Важным показателем смазывающих свойств окисленных и термостатированных масел в диапазоне температур от 160 до 300 °С является время формирования номинальной площади фрикционного контакта tФПК, которое определяется суммарной продолжительностью пластических и уп-ругопластических деформаций в контакте по диаграммам тока, протекающего через него. В работе принято, что при наступлении упругих деформаций в контакте износ практически отсутствует. Зависимости время формирования фрикционного контакта от коэффициента КП и температуры термостатирования частично синтетического моторного масла представлены на рис. 6. Установлено, что для товарного масла (кривая 1) максимальное время формирования контакта составило 23 мин. при КП = 0,32 ед., причем при значениях К П > 0,32 ед время t ФПК уменьшается до 10 мин. С увеличением температуры термостатирования масла время формирования контакта по отношению к товарному маслу увеличивается, т.е. продукты температурной деструкции увеличивают время t ФПК.
Значительное увеличение времени t ФПК установлено для температур термостатирования 200°С (кривая 4) до 90 мин. и температур в диапазоне от 260 до 300°С (кривые 7-9) при определенных значениях коэффициента КП. Колебания времени формирования фрикционного контакта вызваны изменениями соотношения между продуктами температурной деструкции и окисления, причем продукты окисления по данным [1, 2] образуются двух видов с различной энергоемкостью и оптическими свойствами, что вызывает изменение соотношения их концентраций в масле и влияет на его свойства. Однако первые точки зависимостей характеризуют время формирования площади фрикционного контакта масел после термостатирова-ния и окисления в течении 8 часов (рис. 6).
Как видно время tФПК значительно меньше чем при дальнейшем
окислении масел при всех температурах термостатирования (кривые 2-9). В этой связи можно утверждать, что продукты температурной деструкции обладают пониженными противоизносными свойствами. В тех случаях когда время гФПК большое масло характеризуется высокими противоизносными свойствами.
t$nK> шш
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
tfcnX: М1ГН 50 г
0.1 0.3 0,5 0.7 0.9
Рис. 6. Зависимости времени формирования номинальной площади
фрикционного контакта при окислении предварительно термостатированных частично синтетических моторных масел Mobil Super 200010W-40SL/CF, при температурах: 1 - товарное масло при окислении при температуре 180 °С; 2 -160 °С; 3 -180 °С;
4 - 200 °С; 5 - 220 °С; 6 - 240 °С; 7 - 260 °С; 8 - 280 °С;
9 - 300 °С
Выводы.
1. Разработанный метод контроля влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления и триботехнические характеристики частично синтетического моторного масла позволяет определить проти-воизносные свойства, процессы, протекающие на фрикционном контакте, его электропроводность и время формирования.
2. Предложены критерий противоизносных свойств окисленных масел, характеризующий условную концентрацию продуктов окисления и
температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, зависимость которого от коэффициента поглощения светового потока описывается линейным уравнением и коэффициент, характеризующий электрические свойства граничного слоя, разделяющего поверхности трения, определяемый произведение критерия противоизносных свойств на коэффициент электропроводности фрикционного контакта.
3. Время формирования площади фрикционного контакта зависит от температуры термостатирования, степени окисления масла и состава продуктов, причем в начале процесса окисления время формирования контакта минимально (менее 10 минут), что подтверждает низкие противоиз-носные свойства масел после предварительного термостатирования в диапазоне температур от 160 до 300 °С.
Список литературы
1. Термоокислительная стабильность трансмиссионных масел: монография / Б.И. Ковальский [и др.]. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. 150 с.
2. Исследование влияния продуктов окисления на противоизносные свойства минерального трансмиссионного масла ТС3п-8 / Б.И. Ковальский [и др.] // Вестн. Кузбасского гос. техн. ун-та. 2011. №6 (88). С. 55-61.
3. В.И. Верещагин, Б.И. Ковальский, М.М. Рунда. Результаты исследования состояния моторного масла при эксплуатации двигателя // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т.322. №2. С. 157-159.
4. Исследование процессов температурной деструкции моторных масел различной базовой основы / В.Г. Шрам [и др.] / Вестник Иркутского гос. техн. ун-та. 2013. , №1 (72). С. 117-120.
5. Исследование влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5Ш-40 8Ь/СБ (часть 2) / В.Г. Шрам [и др.] // Вестник Кузбасского гос. техн. ун-та.2012. №6 (86). С. 67-74.
6. Пат. 2428677 РФ МПК в0Ш 19/02 Устройство для испытания трущихся материалов и масел / Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, О.Н. Петров, В.И. Тихонов. Опубл. 10.09.2011. Бюл. №25.
Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., Labsm@mail.т, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Петров Олег Николаевич, канд. техн. наук, ст. преподаватель, pe-trov_oleq@mail.т, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Шрам Вячеслав Геннадьевич, ст. преподаватель, Shram18rus@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Малышева Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доц., nataly.nmamail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Сокольников Александр Николаевич, канд. техн. наук, доц., asokolnikov a hk.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
METHOD OF CONTROLLING THERMAL DEGRADATION PRODUCTS OF THE OXIDATION PROCESSES AND TRIBO TECHNICAL CHARACTERISTICS PARTLY SYNTHETIC MOTOR OIL MOBIL SUPER 2000 10W-40SL/CF
B.I. Kowalski, O.N. Petrov, V.G. Shram, N.N. Malysheva, A.N. Sokolnikov
Experimental data of influence temperature and degradation products formed in the temperature range from 160 to 300° c, the processes of oxidation and trihotechnical characteristics including anti-wear properties, electrical conductivity of frictional contact and the time of its formation. Based on the criterion of antiwear properties characterising conditional concentration and thermal oxidation degradation products on the face area of frictional contact and the time of its formation.
Key words: light absorption coefficient, DIA wear test of antiwear properties of elek-tropro-water coefficient of frictional contact, coefficient characterizing the electrical properties of the boundary layer with elastic deformations.
Kowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Lahsma mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Petrov Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, senior teacher, pe-trov oleqa,mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Shram Vyacheslav Gennadevich, senior teacher, Shram IHrusa mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Malysheva NataVya Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, nata-ly.nm@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Sokolnikov Aleksandr Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, asokolni-kov@bk.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
