CC BY
48
УДК 621.89
МЕТОДИКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ВЫБОРА МОТОРНЫХ МАСЕЛ
1 л 4 ^
М.М.Рунда1, Б.И.Ковальский2, Н.Н.Малышева3, И.А.Шумовский4
Сибирский федеральный университет,
Институт нефти и газа,
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82/6.
Представлены результаты исследования термоокислительной стабильности моторных масел при их термостати-ровании при температуре 170°С. На первом этапе исследовалась сопротивляемость масел температурным воздействиям и устанавливались оптические и моторные свойства масел. Второй этап заключался в испытании термостатированных масел на трехшариковой машине и исследовании влияния температуры и продуктов окисления на противоизносные свойства моторных масел. Предложены коэффициент термоокислительной стабильности и критерии противоизносных свойств, которые позволяют осуществлять выбор моторных масел на предварительном этапе их испытаний. Ил. 7. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока; летучесть; коэффициент относительной вязкости; термоокислительная стабильность; противоизносные свойства.
METHODS OF ENGINE OIL PRE-SELECTION
M.M. Runda, B.I. Kovalsky, N.N. Malysheva, I.A. Shumovsky
Siberian Federal University,
Institute of Oil and Gas,
82/6 Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041.
The article presents the study results of thermal-oxidative stability of engine oils under their thermostating at 170 °C. The first stage included the study of oil heat resistance and identified optical and motor properties of oils. The second stage involved testing of the thermostated oils on a three-ball machine and studying the effect of temperature and oxidation products on anti-wear properties of engine oils. The authors propose a coefficient of thermal-oxidative stability and criteria of anti-wear properties enabling to select engine oils at the preliminary stage of testing. 7 figures. 3 sources.
Key words: absorption coefficient of luminous flux; volatility; specific viscosity ratio; thermal-oxidative stability; anti-wear properties.
Моторное масло является важным элементом конструкции двигателя внутреннего сгорания, так как оказывает существенное влияние на его надежность. Точное соответствие его свойств термическим, механическим и химическим воздействиям, которым масло подвергается в смазочной системе двигателя, - залог максимального ресурса двигателя. Поэтому особые требования предъявляются к методам испытания масел на предварительном этапе их выбора. Моторные масла, показавшие лучшие результаты на предварительном этапе, рекомендуются для стендовых, моторных и полигонных испытаний, на основе которых устанавливается их ресурс. Основным фактором, влияю-
щим на ресурс моторного масла, является температура на поверхностях трения и нагретых деталях. В связи с этим стойкость масла к температурным воздействиям является основным показателем при их выборе для двигателей различной степени нагруженности. Однако температура оказывает влияние как на процессы окисления, так и на процессы деструкции присадок и базовой основы, поэтому необходимо установить раздельно влияние температуры на эти процессы. В данной работе исследовано влияние температуры на окислительные процессы и продуктов окисления на противоизносные свойства минеральных моторных масел.
1Рунда Михаил Михайлович, соискатель кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.:89233517355, e-mail: Labsm@mail.ru
Runda Mikhail, Applicant for a scientific degree of the Department of Fuel Supply and Lubricants, tel.: 89233517355, e-mail: Labsm@mail.ru
2Ковальский Болеслав Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: (391)2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
Kovalsky Boleslav, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Fuel Supply and Lubricants, tel.: (391) 2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
3Малышева Наталья Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: 89131905779, e-mail: Nataly.nm@mail.ru
Malysheva Natalya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Fuel Supply and Lubricants, tel.: 89131905779, e-mail: Nataly.nm @ mail.ru
4Шумовский Игорь Александрович, соискатель кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: (391)2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
Shumovsky Igor, Applicant for a scientific degree of the Department of Fuel Supply and Lubricants, tel.: (391) 2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
Методика исследования. Для исследования выбраны моторные минеральные масла М-16-В2 и М-16-Г2(цс). Масло М-16-В2 (ГОСТ 25770-83) производят из смеси остаточного и дистиллятного компонентов, вырабатываемых из сернистых нефтей. Содержит специфическую композицию присадок. Применяется для смазывания форсированных транспортных дизелей, включая и двигатели с надувом. Вязкость масла при температуре 100°С - 15,5-16,5 сСт, температура вспышки в открытом тигле - 225 °С [1].
Масло М-16-Г2(цс) (ГОСТ 12337-84) состоит из смесей дистиллятного и остаточного компонентов, вырабатываемых из сернистых или малосернистых нефтей и композиции эффективных присадок. Предназначено для смазывания главных и вспомогательных танковых дизелей, судов морского транспортного, промыслового и речного флотов. Отличительная особенность масла - это хорошая влагостойкость, малая эмульгируемость с водой и легкое отделение воды при сепарации. Вязкость масла при 100°С - 15,5-17,0 сСт, температура вспышки в открытом тигле - 210°С [1].
Методика исследования предусматривает испытание данных масел в два этапа. На первом этапе исследовалась сопротивляемость масел температурным воздействиям, определяемым коэффициентом термоокислительной стабильности, вязкостью и летучестью на соответствующих приборах для термоста-тирования масел (вискозиметр, фотометр и весы), техническая характеристика которых и принцип работы описаны в [2].
Технология испытания заключалась в следующем. Проба моторного минерального испытуемого масла массой 100± 0,1 г заливалась в прибор для термоста-тирования с перемешиванием стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин и исследовалась при температуре 170°С в течение восьми часов. Во время испытания температура поддерживалась постоянной. После каждых восьми часов испытания проба термостатированного масла взвешивалась для определения массы испарившегося масла и часть пробы отбиралась для прямого фотометрирования при толщине фотометрируемого слоя 2 мм, определения коэффициента поглощения светового потока и изменения вязкости окисленного масла. Затем отобранные пробы масла сливались в стакан прибора для термостатиро-вания, который повторно взвешивался. После этого испытания масел продолжались по той же технологии до достижения коэффициентом поглощения светового потока значения равного Кп = 0,8.
Второй этап исследования минеральных масел заключался в испытании термостатированных масел на трехшариковой машине трения со схемой трения «шар-цилиндр» [3], причем при отборе пробы термостатированного масла для триботехнических испытаний одновременно измерялись вязкость и коэффициент поглощения светового потока, а проба масла в приборе для термостатирования доливалась товарным маслом до первоначальной массы 100±0,1 г. Па-
раметры трения составляли: нагрузка 13 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, время испытания 2 часа, температура масла в объеме 80 °С поддерживалась постоянной.
Противоизносные свойства термостатированных масел оценивались по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах. Отличительной особенностью трехшариковой машины трения является контакт трех шаров с поверхностью цилиндра по индивидуальным дорожкам трения. Диаметры шаров составляют по 9,5 мм, обоймы - 80 мм и выполнены из стали ШХ 15.
Результаты исследования и их обсуждение. На рис. 1 представлены зависимости изменения оптических свойств масел, выраженных коэффициентом поглощения светового потока Кп от времени окисления. Установлено, что масло М-16-Г2(цс) (кривая 2) начинает окисляться сразу, а масло М-16-В2 (кривая 1) имеет область сопротивляемости окислению в течение 6 часов. Кроме того, зависимости Кп = /(О претерпевают изгиб, который происходит после 32 часов испытания для масла М-16-В2 (кривая 1) и 48 часов для масла М-16-Г2(цс) (кривая 2), причем на каждом из участков коэффициент Кп увеличивается по линейной зависимости. Поэтому на каждом из участков образуются продукты различной оптической плотности. В связи с этим можно утверждать, что в начале окисления масла образуются продукты одинакового состава, до определенной концентрации, затем они доокисля-ются и переходят в продукты с большей оптической плотностью, ввязывая изгиб зависимости Кп = /(0. Полученную зависимость можно применять для определения потенциального ресурса исследуемых масел. Так, значение коэффициента Кп = 0,8 достигается для масла М-16-В2 (кривая 1) после 52 ч окисления, а масла М-16-Г2(цс) (кривая 2) - после 64 ч, т.е. потенциальный ресурс масла М-16-Г2(цс) на 23% выше, что необходимо учитывать при назначении смены масел при эксплуатации двигателя.
Вязкость масла при окислении является единичным показателем, влияющим на ресурс, и определяется предельным значением ее увеличения на 30-35% или уменьшения на 20% [2]. На рис. 2 представлена зависимость коэффициента относительной вязкости Км, определяемого отношением вязкости окисленного масла к вязкости товарного. Показано, что вязкость масла М-16-В2 (кривая 1) более стабильна и за 56 часов окисления увеличилась в 1,23 раза, тогда как вязкость масла М-16-Г2(цс) (кривая 2) за то же время увеличилась в 1,5 раза. Поэтому ресурс масла М-16-В2 по предельному показателю вязкости (штриховая линия) составляет 74 ч, масла М-16-Г2(цс) - 42 ч и после 56 ч наблюдается резкое увеличение вязкости (в 2,38 раза), что подтверждает влияние продуктов окисления на вязкостные свойства масла.
Летучесть масла М-16-Г2(цс) (кривая 2) значительно превышает летучесть масла М-16-В2 (кривая 1) (рис. 3). Так, после 40 ч испытания летучесть масла М-16-В2 составила 2,5 г, а масла М-16-Г2(цс) - 4 г.
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от времени окисления моторных минеральных масел при температуре 170 °С: 1 - М-16-В2; 2 - М-16-Гг(цс)
Влияние продуктов окисления на вязкость масел исследовалось зависимостью коэффициента относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока (рис. 4). Показано, что с увеличением концентрации продуктов окисления вязкость увеличивается. Кроме того, при коэффициенте Кп ~ 0,7 наблюдается более интенсивное увеличение вязкости
для обоих масел. Однако нет основания утверждать, что на вязкость основное влияние оказывают продукты окисления, т.к. концентрация продуктов окисления при Кп = 0,4 (см. рис.1) практически одинакова, а скорость изменения вязкости масла 2 значительно выше, чем масла 1.
Рис. 2. Зависимость коэффициента относительной вязкости Ки от времени окисления моторных минеральных масел при температуре 170 °С (усл. обозначения см. на рис. 1)
в,Г
80 г,ч
Рис. 3. Зависимость летучести моторных минеральных масел от времени окисления при температуре испытания 170 °С (условные обозначения см. на рис. 1)
Рис. 4. Зависимость коэффициента относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока при окислении моторных минеральных масел (условные обозначения см. на рис. 1)
Рис. 5. Зависимость летучести от коэффициента поглощения светового потока при окислении моторных минеральных масел (условные обозначения см. на рис. 1)
Влияние летучести на коэффициент поглощения светового потока Кп исследовалось зависимостью в = /(Кп) (рис. 5). Показано, что процессы окисления и летучести протекают одновременно, однако летучесть масла 2 выше, чем масла 1 при одинаковых значениях коэффициента Кп.
В результате проведенных исследований установлено, что при термостатировании минеральных масел при температуре 170 °С изменяются оптические свойства и летучесть масел, поэтому термоокислительную стабильность предложено оценивать коэффициентом ЕТОС, определяемым выражением:
ЕТОС = Кп + Кв
(1)
где Кп - коэффициент поглощения светового потока; Ко - коэффициент летучести;
Ко = т/М.
(2)
Здесь т - масса испарившегося масла при термоста-тировании за определенное время; М - масса оставшейся пробы после испытания за то же время.
Зависимость коэффициента термоокислительной
стабильности ЕТОС от времени окисления представлена на рис. 6. Данный коэффициент комплексный, так как характеризует сопротивляемость масел окислению и испарению. Показано, что исследуемые масла незначительно различаются до значения коэффициента ЕТОС = 0,4 (хотя сильно различается летучесть масел), поэтому для выбора масел целесообразно использовать такие показатели масел при термостатировании, как коэффициент поглощения светового потока, вязкость и летучесть.
Влияние продуктов окисления на противоизнос-ные свойства исследуемых масел оценивались по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах из двух опытов (рис. 7, а). Зависимость и = /(К,) можно разделить на три участка, которые характеризуют изменение износа в зависимости от концентрации продуктов окисления. Ранее было установлено, что при окислении минеральных масел образуется два вида продуктов, которые должны влиять на механизм изнашивания (см. рис. 1). Эти участки разделены штриховыми линиями и проявляются для исследуемых масел при разных значениях коэффициента Кп, однако имеются общие тенденции изменения противоизносных свойств.
Рис. 6. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от времени окисления моторных минеральных масел (условные обозначения см. на рис. 1)
Рис. 7. Зависимость диаметра пятна износа (а) и критерия противоизносных свойств (б) от коэффициента поглощения светового потока при окислении моторных минеральных масел (условные обозначения см. на рис. 1)
Так, на первом участке, при значениях Кп < 0,15 противоизносные свойства масла 1 понижаются по сравнению с товарным маслом (точка на ординате). Это может объясняться приспосабливаемостью масла к температурным условиям испытания и низкой активацией присадок и базовой основы. Затем увеличением концентрации продуктов окисления (второй участок) противоизносные свойства повышаются и становятся лучше, чем товарного масла (при Кп = 0,32). Дальнейшее увеличение концентрации продуктов окисления (0,57>Кп>0,32) вызывает повторное понижение противоизносных свойств за счет образования продуктов с повышенными оптическими свойствами,
которые не обеспечивают формирование на площади фрикционного контакта прочных граничных слоев.
На третьем участке зависимости U = Я(К„), когда концентрация вторичных продуктов (с высокой оптической плотностью) составляет Кп>0,57, наблюдается повторное повышение противоизносных свойств.
Аналогичная картина наблюдается для масла М-16-Г2(цс), причем участок II для обоих масел изменяется одинаково, но при разных концентрациях продуктов окисления. Однако в целом противоизносные свойства масла М-16-В2 (кривая 1) выше, чем масла М-16-Г2(цс). Анализ зависимостей U = /(Кп) показывает, что на противоизносные свойства оказывают влия-
ние продукты окисления. В связи с этим предложен критерий противоизносных свойств П, определяемый отношением:
П = Кп/ и,
(3)
где Кп - коэффициент поглощения светового потока; и - диаметр пятна износа, мм.
Данный критерий характеризует условную концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта. Зависимости критерия П от коэффициента поглощения светового потока (рис. 7, б) имеют линейный характер и описываются регрессионными уравнениями: для М-16-В2
П = 4,286 Кп;
(4)
для М-16-Г2(цс)
П = 3,75-Кп
(5)
Коэффициенты 4,286 и 3,75 уравнений (4) и (5) характеризуют скорость изменения критерия П, поэтому, чем она больше, тем выше противоизносные свойства исследуемого масла. Кроме того, если установить зависимости П = /(Кп) для товарных масел и принять их за эталон, то можно прогнозировать проти-воизносные свойства масел при их производстве без триботехнических испытаний, используя формулу (3):
и = Кп/П.
(6)
На основании проведенных исследований минеральных масел установлено, что предложенные средства испытания и методическая база позволяют получить объективную информацию для их обоснованного выбора на стадии предварительных испытаний.
Библиографический список
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 «Техинформ», 1999. 596 с.
2. Термоокислительная стабильность трансмиссионных
масел: монография / Б.И. Ковальский [и др.] Красноярск: СФУ, 2011. 150 с.
3. Патент РФ 2428677 МПК О 01 N 19/02. Устройство для испытания трущихся материалов и масел / Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, О.Н. Петров [и др.] 2011. Бюл. № 25.
