CC BY
24
УДК 621.892.8-721
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА МОТОРНЫХ МАСЕЛ
Е.А. Ермилов, Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, В.З. Олейник
Представлены результаты исследования влияния процессов окисления и температурной деструкции на оптические и противоизносные свойства моторных масел различной базовой основы. Установлено, что процессы температурной деструкции протекают менее интенсивно в начале процесса термостатирования, чем процессы окисления. Причем доминирующее влияние продуктов окисления или температурной деструкции на противоизносные свойства зависит от температуры и базовой основы моторных масел. Предложен обобщенный показатель противоизносных свойств, определяемый отношением средней скорости процессов температурной деструкции к средней скорости процессов окисления.
Ключевые слова: моторное масло, оптическая плотность, показатели проти-воизносных свойств при окислении и температурной деструкции, обобщенный показатель противоизносных свойств.
При эксплуатации двигателя внутреннего сгорания на поверхностях трения одновременно протекают процессы окисления, температурной деструкции и химические реакции металлов с их продуктами и присадками. Однако доминирующее влияние одного из процессов на противоизносные свойства масел изучены недостаточно. Поэтому целью настоящих исследований является определение доминирующего влияния продуктов окисления или температурной деструкции на противоизносные свойства моторных масел различной базовой основы при температурах испытания 170 и 180 0С.
Методика исследования предусматривала применение следующих средств контроля и испытания: прибора для оценки термоокислительной стабильности, прибора для оценки температурной стойкости, фотометра, трехшариковой машины трения, оптического микроскопа «Альтами МЕТ 1М» и электронных весов. Технические характеристики приборов приведены в работах [1-3]. В качестве объектов исследования выбраны моторные масла различной базовой основы, а именно минеральное моторное масло Zic HIFLO 10W-40 SL, частично-синтетическое моторное масло Ca-strol Magnatec 10W-40 R SL/CF и синтетическое моторное масло ALPHA'S 5W-40 SN.
Методика определения термоокислительной стабильности предусматривала два этапа исследования. На первом этапе проба масла массой 100±0,1 г заливалась в стеклянный стакан прибора для оценки термоокислительной стабильности и термостатировалась последовательно при температурах 180 и 170 ос с перемешиванием стеклянной мешалкой с часто-
214
той вращения 300 об/мин. После каждых 8 часов испытания отбиралась часть пробы (2 г) для прямого фотометрирования и определения оптической плотности Б при толщине фотометрируемого слоя 2 мм:
(1)
где 300 - задаваемый ток фотометра при пустой кювете, мкА; П - показатель фотометра при фотометрировании термостатированных масел, мкА.
Испытания продолжались до достижения оптической плотностью Б значений 0,5...0,6.
На втором этапе исследуемые масла испытывались по той же технологии с той лишь разницей, что при достижении оптической плотностью Б значений, приблизительно равных 0,1; 0,2; 0,3...0,6, отбиралась проба окисленного масла 20 г для испытания на машине трения, а проба масла в стакане прибора доливалась до первоначального значения 100±0,1 г.
Оценка противоизносных свойств окисленных масел проводилась на трехшариковой машине трения по схеме «шар-цилиндр» [4]. В качестве образцов пары трения использовались шары диаметром 9,5 мм от шарикоподшипников №204 ГОСТ 8338 и обойма роликового подшипника №42416 ГОСТ 8328 диаметром 80 мм, изготовленные из стали ШХ15. Параметры трения составляли: нагрузка 13 Н; скорость скольжения 0,68 м/с; температура масла в объеме 80 0С; время испытания 1,5 часа. Противоизносные свойства оценивались по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах с двух опытов.
Методика определения температурной стойкости предусматривала два этапа исследования. На первом этапе проба масла массой 100±0,1 г заливалась в стеклянный стакан прибора для оценки температурной стойкости и термостатировалось при температурах 180 и 170 ос без перемешивания при атмосферном давлении с конденсацией паров и отводом конденсата. После каждых 8 часов испытания отбиралась часть пробы для прямого фотометрирования и определения оптической плотности Б по формуле (1). Испытания продолжались до достижения оптической плотности Б значений, равных 0,5.0,6.
На втором этапе проводилась оценка влияния продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства по вышеописанной технологии.
На рис. 1 представлены зависимости оптической плотности от времени и температуры испытания исследуемых моторных масел различной базовой основы. Согласно данным (рис. 1, а-в) процессы старения моторных масел можно разделить на три этапа независимо от базовой основы и температуры испытания. Установлено, что на первом этапе интенсивность процессов окисления и температурной деструкции практически одинакова. На втором этапе идет понижение интенсивности процессов температурной деструкции (кривые 1, 3) над процессами окисления (кривые 2, 4), что объ-
ясняется отсутствием перемешивания масла при термостатировании. На третьем этапе испытаний интенсивность процессов температурной деструкции превышает процессы окисления.
Зависимости оптической плотности от времени испытания (рис. 1) имеют изгиб, что свидетельствует об образовании двух видов продуктов старения различной энергоемкости. Регрессионные уравнения зависимостей первых участков В = /(?) для моторных масел представлены в табл. 1.
Таблица 1
Регрессионные уравнения зависимостей оптической плотности от времени моторных масел (условные обозначения см. на рис. 1)
Моторное масло Температура испытания, С Регрессионное уравнение Коэффициент корреляции
Минеральное масло ZIC HIFLO 10w-40 SL 180 D1 = 3,103 10-4 • t2 -0,004• t + 0,01 0,992
180 D2 = 2,497 • 10-4 • t2 +1,27 • 10-4 • t + 3,137 • 10-4 0,999
170 D3 = 1,068• 10-4 • t2 -0,003• t + 0,012 0,976
170 -4 2 D4 = 1,125• 10 4 • t -0,002• t + 0,009 0,991
Частично-синтетическое моторное масло Castrol Magnatec 10w-40 SL/CF 180 Dj = 1,7 • 10-4 • t2 -0,003 • t + 0,02 0,971
180 D2 = 1,354• 10-4 • t2 -0,002• t + 0,014 0,981
170 -5 2 D3 = 5,294• 10 5 • t -0,002• t + 0,019 0,964
170 D4 = 5,569 10-5 • t2 -0,001-1 + 0,012 0,977
Синтетическое моторное масло ALPHA'S 5w-40 SN 180 Dj = 1,648 10-4 • t2 - 0,002 • t + 0,006 0,998
180 -4 2 -4 -4 D2 = 1,745 • 10 4 • t + 8,75 • 10 4 • t + 8,333 40 4 0,999
170 D3 = 9,823 •Ю-5 • t2 -0,003• t + 0,02 0,987
170 -5 2 D4 = 6,678• 10 5 • t -0,00bt + 0,005 0,973
Для сравнения интенсивности процессов окисления и деструкции определим производные функций В = /(?) (табл. 1), характеризующие средние скорости процессов и описываемые линейными уравнениями
В = а? ±Ь, (2)
216
где а - ускорение изменения оптической плотности Б. Данные зависимости сведены в табл. 2.
Рис. 1. Зависимости оптической плотности от времени и температуры испытания моторных масел: 1 - при температурной деструкции 180 0С; 2 - при окислении 180 С; 3 - при температурной деструкции 170 С; 4 - при окислении 170 0С; а - Zic HIFLO10W-40 SL; б - Castrol Magnatec 10W-40 R SL/CF; в - ALPHA'S 5W-40 SN
Таблица 2
Регрессионные уравнения скоростей изменения оптической плотности при окислении и температурной деструкции
Моторное масло Температура испытания, С Скорость изменения оптической плотности Значение скорости при времени ис- -1 пытания, ч Увеличение скорости, разы
16 ч 48 ч
Минеральное масло ZIC HIFLO 10w-40 SL 180 ¥ц = 6,206 10-4 • t - 0,004 0,0059 0,0258 4,35
VD = 4,994 10-4 • t +1,27 10-4 0,0081 0,0241 2,97
170 VD = 2,136 10-4 • t - 0,003 0,0004 0,0073 17,37
VD = 2,25 10-4 • t-0,002 0,0016 0,0088 5,50
Частично-синтетическое моторное масло Castrol Magnatec 10w-40 SL/CF 180 VD = 3,4 10-4 • t -0,003 0,0024 0,0133 5,46
VD = 2,708 10-4 • t - 0,002 0,0023 0,0110 4,71
170 VD = 10,588 10-5 • t - 0,002 0,0003 0,0031 10,27
VD = 11,138 10-5 • t - 0,001 0,0008 0,0043 5,56
Синтетическое моторное масло ALPHA'S 5w-40 SN 180 V^ = 3,296 10-4 • t - 0,002 0,0033 0,0138 4,22
VD = 3,49 10-4 • t + 8,75 10-4 0,0065 0,0176 2,73
170 VD = 19,646 10-5 • t - 0,003 0,0001 0,0064 44,85
VD = 13,356 10-5 • t - 0,001 d4 0,0011 0,0054 4,76
Примечание: - скорость при деструкции 180 0С; V0 - скорость при окислении 180 0С; V0 - скорость при деструкции 170 0С; VD - скорость при окислении 170 ос
Установлено, что в первый период испытания (16 ч) средняя скорость процессов окисления выше, чем у процессов температурной деструкции независимо от температуры испытания и базовой основы моторных масел. Во второй период испытания (48 ч) средняя скорость процессов окисления становится ниже, чем у процессов температурной деструкции при температурах испытания 180 0С у минеральных и частично-синтетических масел и при 170 ос у синтетических. Согласно данным табл. 2 с учетом времени испытания независимо от температуры испытания или базовой основы моторных масел средняя скорость процессов температурной деструкции растет интенсивней, чем у процессов окисления
Важным показателем эксплуатационных свойств моторных масел являются их противоизносные свойства, обеспечивающие надежность двигателей. В этой связи важно установить количественный показатель влия-
ния продуктов окисления или температурной деструкции на противоиз-носные свойства. В данной работе предложен критерий противоизносных свойств Ппс, определяемый выражением
Ппс = В И, (3)
где И - среднеарифметическое значение диаметра пятна износа на трех шарах, мм.
Данный критерий характеризует концентрацию продуктов окисления или температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта.
На рис. 2 представлены зависимости критерия противоизносных свойств от оптической плотности. Установлено, что данные зависимости описываются линейными уравнениями
ППС =аВ, (4)
где а - скорость изменения критерия Ппс.
Регрессионные уравнения зависимостей представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты регрессионного анализа противоизносных свойств
исследуемых масел
Моторное масло Температура испытания, °С Процесс термоста-тирования Регрессионное уравнение Коэффициент корреляции
Минеральное масло ZIC HIFLO 10w-40 SL 170 Окисление П=3,368D 0,998
Температурная деструкция П=3,628D 0,989
180 Окисление П=3,177D 0,993
Температурная деструкция П=3,77-D 0,999
Частично-синтетическое моторное масло Castrol Magnatec 10w-40 SL/CF 170 Окисление П=3,922D 0,967
Температурная деструкция П=4,377D 0,999
180 Окисление П=3,074D 0,984
Температурная деструкция П=3,728-D 0,931
Синтетическое моторное масло ALPHA'S 5w-40 SN 170 Окисление П=3,461D 0,976
Температурная деструкция П=4,01D 0,976
180 Окисление П=3,737 D 0,989
Температурная деструкция П=3,478D 0,993
Для определения доминирующего влияния процессов окисления или температурной деструкции на противоизносные свойства предложен обобщенный показатель противоизносных свойств (ОППС), определяемый отношением
ОППС■
аТС аТОС
(5)
где аТС и аТОС - параметры, характеризующие средние скорости изменения критериев противоизносных свойств термостатированных и окисленных масел.
а
б
в
д
е
г
Рис. 2. Зависимости критерия противоизносных свойств от оптической плотности и температуры испытания моторных масел: 1 - при температурной деструкции; 2 - при окислении; а - Zic HIFLO10W-40 SL при 180 С; б - Zic HIFLO10W-40 SL при 170 С;
в - Castrol Magnatec 10W-40 R SL/CF при 180 С; г - Castrol Magnatec 10W-40 R SL/CF при 170 С; д - ALPHA'S 5W-40 SN при 180 С; е - ALPHA'S 5 W-40 SN при 170 С
Данные обобщенного показателя противоизносных свойств представлены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты вычисления обобщенного показателя противоизносных
свойств
Моторное масло Температура испытания, °С Значение ОППС
Минеральное масло ZIC HIFLO 10w-40 SL 170 1,076
180 1,187
Частично-синтетическое моторное масло Castrol Magnatec 10w-40 SL/CF 170 1,116
180 1,213
Синтетическое моторное масло ALPHA'S 5w-40 SN 170 1,159
180 0,931
Согласно данным табл. 4 с повышением температуры испытания обобщенный показатель противоизносных свойств увеличивается для минерального и частично-синтетического моторных масел, а для синтетического масла он понижается при температуре испытания 180 0С. Кроме того, установлено, что продукты температурной деструкции повышают про-тивоизносные свойства масел, кроме синтетического масла при температуре 180 ос, поэтому эти особенности моторных масел следует учитывать при их выборе для двигателей.
На основании проведенных исследований установлено:
1) процессы температурной деструкции оказывают меньшее влияние на оптические свойства в начале термостатирования моторных масел независимо от базовой основы;
2) предложен обобщенный показатель противоизносных свойств термостатированных масел, определяемый отношением средней скорости процессов деструкции к средний скорости процессов окисления, характеризующий доминирующие влияния продуктов старения процессов температурной деструкции или окисления на триботехнические характеристики моторных масел.
Список литературы
1. Ковальский Б.И. Методы и средства повышения эффективности использования смазочных материалов. Новосибирск: Наука, 2005. 341 с.
2. Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных материалов по параметрам термоокислительной стабильности и температурной стойкости: монография / Ю.Н. Безбородов, Б.И. Ковальский, Н.Н. Малышева, А.Н. Сокольников, Е.Г. Мальцева. Красноярск: СФУ, 2011. 366 с.
3. Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел: монография / Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, О.Н. Петров, В.Г. Шрам. Красноярск: СФУ, 2015. 154 с.
221
4. Пат. №2428677 Рос. Федерация: МПК G01 N19/02. Устройство для испытания трущихся материалов и масел/ Б.И. Ковальский, Ю.Н. Без-бародов, О.Н. Петров, В.И. Тихонов; опубл. 10.09.2011. Бюл.№25.
Ермилов Евгений Александрович, асп., evermilov@mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., Labsm@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Безбородов Юрий Николаевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, Labsm@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Олейник Виктор Зиновьевич, асп., oleynikvictor@,gmail. com. Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
THE ASSESSMENT OF INFL UENCE OF PROCESSES OF OXIDA TION AND THERMAL DESTRUCTION ON ANTI-WEAR PROPERTIES OF MOTOR OIL
Е.А. Ermilov, B.I. Kovalsky, Y.N. Bezborodov,V.Z. Oleynik
The results of the study of influence of the processes of oxidation and thermal destruction on the optical properties and anti-wear properties of motor oil of different base are presented. It was found, that the processes of thermal destruction have flowed less than intensive in first time of process of thermostatting, than process of oxidation. The influence of dominate of processes of oxidation and thermal destruction depend on temperature and motor oil of base. Totally index of anti-wear properties is proposed determining how ratio of average rate of processes of oxidation to average rate of processes of thermal destruction.
Key words: motor oil, optical density, index of thermooxidation stability and thermal withstandability, increment velocity of processes of oxidation and thermal destruction, index of anti-wear properties of oxidation and thermal destruction, totally index of anti-wear properties.
Yermilov Evgeny Aleksandrovich, postgraduate, evermilovamail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Kovalsky Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Labsm@,mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Bezborodov Yury Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, Labsm@,mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Oleynik Victor Zinovyevich, postgraduate, oleynikvictor@,gmail. com, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
