Метод контроля влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления и триботехнические характеристики минерального моторного масла м-10г 2к Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.43-4

МЕТОД КОНТРОЛЯ ВЛИЯНИЯ ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИНЕРАЛЬНОГО МОТОРНОГО МАСЛА М-10Г2К

Б.И. Ковальский, О.Н. Петров, В.Г. Шрам, Н.Н. Малышева,

И.С. Валиев

Приведены экспериментальные данные влияния продуктов температурной деструкции, образующихся в температурном интервале от 160 до 280 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 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, время формирования фрикционного контакта, коэффициент, характеризующий электрические свойства граничного слоя при упругих деформациях.

При эксплуатации двигателей внутреннего сгорания на свойства моторных масел оказывают влияние многие факторы. Под действием высоких температур на поверхностях трения протекают окислительные процессы, происходят температурная и механическая деструкции базовой основы масел и присадок, ускоряются химические реакции продуктов этих процессов и сгорания топлива с металлическими поверхностями деталей. Оценить влияние каждого из факторов на состояние моторных масел представляет определенные трудности, т.к. они действуют одновременно в тонких граничных слоях, разделяющих поверхности трения.

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 минерального моторного масла М-10Г2К и его триботехнические характеристики.

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 каждой температуре испытывалась новая партия масла. Температура испытания поддерживалась автоматически с помощью терморегулятора ТР200, а время составляло 8 часов.

Второй этап испытаний заключается 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 взаимодействие трех шаров с цилиндром по индивидуальным дорожкам трения, а через одну из пар трения пропускался постоянный ток величиной 100 мкА от внешнего стабилизированного источника напряжения 3В, 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 контролировать изменение электропроводности фрикционного контакта.

Триботехнические характеристики окисленных масел, предварительно термостатированных в диапазонах температур от 160 °С до 280 °С, оценивались по: среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах, измеренных с помощью оптического микроскопа «Альтами 1 МЕТ»; коэффициенту электропроводности фрикционного контакта КЭ, определяемому отношением тока, протекающего через фрикционный контакт к заданному (100 мкА); критерию противоизносных свойств П, определяемому отношением 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 вре-

мени формирования номинальной площади фрикционного контакта гФПК, определяемого по окончанию пластических и упругопластических деформаций по диаграммам записи тока.

Результаты электропроводности фрикционного контакта при окислении термостатированного масла при температуре 160 °С представлены в виде диаграммы изменения тока, протекающего через фрикционный контакт на рис. 1. Из каждой диаграммы видны три характерных участка.

Рис. 1. Диаграммы записи тока, протекающего через фрикционный контакт при испытании окисленных, предварительно термостатированных при температуре 180 С, минеральных моторных масел М-10Г2К: 1 - КП =0,063 ед; 2 - КП =0,08 ед;

3 - КП =0,307 ед; 4 - КП =0,757 ед; 5 - КП =0,867 ед

Первый участок, где ток, протекающий через фрикционный контакт равен заданному, характеризует продолжительность пластических деформаций. На втором участке ток уменьшается из-за перехода пластической деформации в упругопластическую, а на третьем участке амплитуда тока колеблется около стабильной величины, что указывает на наличие в кон-

242

такте упругих деформаций, которые наступают при определенной площади контакта, которая зависит от свойств смазочного масла и граничного слоя, разделяющего поверхности трения.

Зависимости коэффициента электропроводности фрикционного контакта от коэффициента поглощения светового потока представлены на рис. 2.

Необходимо отметить, что электропроводность фрикционного контакта зависит от соотношения между концентрациями продуктов температурной деструкции и окисления, а также их электропроводности (электрического сопротивления).

Из представленных данных видно, что зависимости коэффициента электропроводности КЭ от коэффициента КП имеют две характерные области, в которых его значения отличаются. Их можно различать по значению коэффициента КП: первая при КП <0,5 ед и вторая область при КП >0,5 ед. Эти области могут изменяться в зависимости от температуры тер-мостатирования. Так, в температурном диапазоне термостатирования от 160 до 240 °С при значениях КП<0,5 ед, коэффициент КЭ меньше 0,1 ед (кривые 1,2,4,5). Исключением является температура 200 °С (кривая 3), где коэффициент К Э =0,18 ед.

Рис. 2. Зависимости коэффициента электропроводности фрикционного контакта от коэффициента поглощения светового потока при окислении предварительно термостатированного минерального масла М-10Г2К при температурах: 1 -160 °С; 2 -180 С; 3 - 200 С; 4 - 220 С; 5 - 240 С; 6 - 260 С; 7 - 280 С

Из представленных данных видно, что зависимости коэффициента электропроводности КЭ от коэффициента КП имеют две характерные области, в которых его значения отличаются. Их можно различать по значению коэффициента КП: первая при КП <0,5 ед и вторая область при КП

>0,5 ед. Эти области могут изменяться в зависимости от температуры тер-мостатирования. Так, в температурном диапазоне термостатирования от 160 до 240 °С при значениях КП<0,5 ед, коэффициент КЭ меньше 0,1 ед (кривые 1,2,4,5). Исключением является температура 200 °С (кривая 3), где коэффициент К Э =0,18 ед.

Вторая область характеризуется колебаниями коэффициента КЭ (кривые 1, 2, 4, 5, кроме кривой 3 температура 200 °С). Это может объясняться изменениями механизма изнашивания за счет увеличения кислотности окисленного масла, вызывающей образование на поверхностях трения хемосорбционных слоев, которые в процессе трения в начале формируются, а затем разрушаются. Этот процесс влияет на электропроводность фрикционного контакта.

При температурах термостатирования 260 и 280 °С (кривая 6, 7) также установлены две области изменения коэффициента КЭ . В начале коэффициент КЭ увеличивается с увеличением коэффициента КП, а затем уменьшается, т.е. при увеличении температуры термостатирования (260, 280 °С) окисленные масла образуют на поверхностях трения прочные слои, которые понижают электропроводность контакта при больших значениях коэффициента К Э.

На рис. 3 представлены результаты исследования влияния продуктов окисления, предварительно термостатированных масел в диапазоне температур от 140 до 280 °С, на противоизносные свойства, определяемые по диаметру пятна износа и.

Рис. 3. Зависимость диаметра пятна износа U от коэффициента поглощения светового потока при окислении минерального масла М-10Г2К, предварительно термостатированного при температурах 1 -160 С; 2 -180 С; 3 - 200 С; 4 - 220 С; 5 - 240 С; 6 - 260 С;

7 - 280 С

Независимо от температуры термостатирования при окислении масел общей тенденцией изменения противоизносных свойств является их понижение в начале процесса окисления при коэффициенте К П -0,3 ед, за-

тем стабилизация или повышение, а для масел термостатированных при температурах 160 °С (кривая 1) и 180 °С (кривая 2) при больших значениях КП противоизносные свойства повторно понижаются. Кроме того, для температур термостатирования 220 и 240 °С (кривые 4 и 5) противоизносные свойства изменяются практически по одинаковой зависимости.

Для сравнения противоизносных свойств окисленных масел, предварительно термостатированных в диапазоне температур от 160 до 280 °С предложен критерий П, характеризующий условную концентрацию продуктов окисления и температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, определяемый отношением:

П = КП, (1)

и

где КП - коэффициент поглощения светового потока; и - среднеарифметическое значение диаметра пятна износа на трех шарах.

Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока описываются линейными уравнениями вида:

П = а ■ К П, (2)

где а - скорость изменения критерия П; КП - коэффициент поглощения светового потока.

Регрессионные уравнения критерия противоизносных свойств от температур термостатирования и коэффициента КП имеют вид (рис. 4):

160 и 180 °С П = 2,57 ■ К П, (3)

200 °С П = 3,29 ■ К П, (4)

220 и 240 °С П = 3,29 ■ К П, (5)

260 °С П = 3,57 ■ К П, (6)

280 °С П = 3,29 ■ К П (7)

Коэффициент корреляции составил 0,92.

Лучшими противоизносными свойствами характеризуются масла, термостатирования при температуре 260 °С, а для масел, термостатированных при температурах от 200 до 240 °С и температуре 280 °С установлены одинаковые противоизносные свойства.

Электропроводность фрикционного контакта зависит от электрических свойств продуктов окисления и температурной деструкции и их концентрации на площади фрикционного контакта, т.е. они определяют электрические свойства граничного слоя и величину износа.

В работе предложен коэффициент КЭГС, характеризующий электрические свойства граничного слоя, определяемый произведением:

К

КЭГС = ~иг ■КЭ = П ■КЭ, (8)

где П - критерий противоизносных свойств окисленного масла; КЭ - ко-

эффициент электропроводности фрикционного контакта в области упругих деформаций, определяемый по диаграммам записи тока.

Рис. 4. Зависимости критерия противоизносных свойств П от коэффициента поглощения светового потока при окислении минерального масла М-10Г2К, предварительно термостатированного при температурах 1 -160 С; 2 -180 С; 3 - 200 С; 4 - 220 С; 5 - 240 С; 6 - 260 С; 7 - 280 С

Зависимости коэффициента КЭГС от температуры термостатирова-ния и коэффициента КП представлены на рис. 5.

Рис. 5. Зависимости коэффициента характеризующего электрические свойства от коэффициента поглощения светового потока при окислении минерального масла М-10Г2К, предварительно термостатированного при температурах 1 -160 °С; 2 -180 °С; 3 - 200 С; 4 - 220 С; 5 - 240 С; 6 - 260 С; 7 - 280 С

Данные зависимости характеризуются двумя областями, различающимися величиной коэффициента КЭГС. Область увеличения коэффициента КЭГС вызвана повышением кислотности масла при окислении, в результате чего повышается электропроводность граничного слоя, разделяющего поверхности трения. Установлено, что при температурах предварительного термостатирования 160, 180 и 240 °С электропроводность граничного слоя значительно повышается за счет кислотности масла.

Анализируя формулу 8, критерий противоизносных свойств П характеризует электрическое сопротивление продуктов окисления и температурной деструкции в граничном слое, которое зависит от их концентрации, а умножение на коэффициент электропроводности фрикционного контакта, определяет падение на нем напряжения, т.е. чем больше сопротивление граничного слоя, тем меньше величина тока, протекающего через этот слой.

Важным показателем триботехнической характеристики масел является время формирования фрикционного контакта, которое определяется по диаграммам (рис. 1) по началу наступления упругих деформаций на фрикционном контакте (рис. 6).

--■-■-■-■-■-■-■-'ЛП

0.1 0.3 0.5 0.7 0.Э

Рис. 6. Зависимости времени формирования фрикционного контакта от коэффициента поглощения светового потока

при окислении предварительно термостатированных минеральных масел М-10Г2К при температурах: 1 - 160 °С; 2 -180 С; 3 - 200 С; 4 - 220 С; 5 - 240 С; 6 - 260 С; 7 - 280 С

Установлено, что в начале окисления предварительно термостатированных масел, независимо от температуры, время формирования площади контакта при схеме трения «шар-цилиндр» не превышает 10 мин., т.е. противоизносные свойства в этот момент низкие, что подтверждают зависимости диаметра пятна износа от коэффициента КП (рис. 2).

Дальнейшее окисление масел вызывает значительные колебания времени г ФПК из-за различий в концентрациях и составе продуктах окисления и температурной деструкции. Как показано в работах [1, 2, 4, 5] состав продуктов определяется концентрациями первичных и вторичных продуктов, причем первичные продукты являются исходным материалом для образования вторичных, что оказывает влияние на противоизносные свойства масел, электропроводность граничных слоев и время формирования площади фрикционного контакта.

Наибольшее влияние на время г ФПК оказывают температуры термо-статирования 180 °С (кривая 2), 200 °С (кривая 4) и 280 °С (кривая 7), а наиболее стабильное влияние - температура 240 °С (кривая 5).

Выводы.

1. Разработанный метод контроля влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления и триботехнические характеристики минерального моторного масла М-10Г2К позволяет определить проти-воизносные свойства, процессы, протекающие на фрикционном контакте, его электропроводность и время формирования.

2. Установлено, что электропроводность фрикционного контакта увеличивается с повышением кислотности масла, а противоизносные свойства понижаются в начале процесса окисления предварительно термостатированных масел, независимо от температуры.

3. Предложен 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 произведением критерия противоизносных свойств на коэффициент электропроводности фрикционного контакта.

4. Время формирования площади фрикционного контакта зависит от температуры термостатирования, степени окисления минерального масла и состава продуктов этих процессов, причем в начале процесса окисления время формирования контакта минимально (менее 10 минут), что подтверждает низкие противоизносные свойства масел после предварительного термостатирования в диапазоне температур от 160 до 280 °С.

Список литературы

1. Термоокислительная стабильность трансмиссионных масел / Б.И. Ковальский [и др.]: монография. 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.] // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2011. №6 (88). С. 55-61.

3. Верещагин В.И., Ковальский Б.И., Рунда М.М. Результаты исследования состояния моторного масла при эксплуатации двигателя // Вестник 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 государственного технического университета. 2013. №1 (72). С. 117-120.

5. Исследование влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF (Часть 2) / В.Г. Шрам [и др.]. // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2012. №6 (86). С. 67-74.

6. Пат.2428677 РФ МПК G01N 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.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Петров Олег Николаевич, канд. техн. наук, ст. преподаватель, pe-trov_oleq@mail.ru, 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.nm@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Валиев Ильдар Серверович, магистрант, ildar_valiev90@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа

METHOD FOR CONTROLLING THE TEMPERA TURE EFFECT OF FOOD FOR DESTRUCTION OXIDATION AND TRIBOLOGICAL CHARACTERISTICS OF MINERAL

MOTOR OIL M-10G2K

B.I. Kowalski, O.N. Petrov, V.G. Shram, N.N. Malysheva, I.S. Valiev

249

The experimental data on the effect of temperature degradation products formed in the temperature range from 160 C to 280 °C on oxidation and tribological characteristics comprising antiwear properties, electrical contact and friction during its formation. Justify a criterion antiwear properties characterizing conditional concentration of oxidation products on the nominal area offrictional contact and the time of its formation.

Key words: absorption coefficient of the light flux, wear scar diameter, the criterion of anti-wear properties, electrical conductivity coefficient of friction contact, the formation of frictional contact, the coefficient characterizing the electrical properties of the boundary layer in elastic deformations.

Kowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Labsmamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Petrov Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, senior teacher, pe-trov oleqamail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Shram Vyacheslav Gennadevich, senior teacher, Shram18rus@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Malysheva NataVya Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, nata-ly.nmamail.ru, (Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Valiev Ildar Serverovich, undergraduate, ildar valie v90a mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,