CC BY
20
The paper is considering a model for determining the stress-strain state of bodies with crack, taking into account the introduction of characteristic linear size. We proposed a procedure for finding the linear size by solving the elastoplastic problem of bodies fracturing with central crack by normal fracture using the known mechanical characteristics of quasi-brittle materials. The elastoplastic problem of determining the critical state of body with central crack for external asymmetric force application is being solved using the data obtained for the aluminum alloy JJ]16(T). The area of elastoplastic deformation is found in the pre-destruction state.
Key words: crack, linear size, elastoplastic deformations, finite element method.
Glagolev Leonid Vadimovich, graduate student, len4ic92@,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.892.8-721
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ СИНТЕТИЧЕСКОГО МОТОРНОГО МАСЛА ALPHA'S 5W-40 SN
Е.А. Ермилов, Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, В. А. Балясников
Представлены результаты исследования процессов окисления и температурной деструкции и их влияние на кинематическую вязкость, испаряемость и противоиз-носные свойства. Установлено, что процессы температурной деструкции увеличивают скорость изменения оптической плотности, замедляют испаряемость и снижение кинематической вязкости, но увеличивают противоизносные свойства термостатированных масел при значениях коэффициента поглощения светового потока больше 0,1.
Ключевые слова: оптическая плотность, испаряемость, коэффициент относительной вязкости, показатели термоокислительной стабильности и температурной стойкости, приращение скорости процессов окисления и температурной стойкости, 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 физико-химические и противоизносные свойства масел изучены недостаточно. Поэтому целью настоящих исследований является установление количественных показателей преимущественного влияния одного из процессов на физико-химические и противоизносные свойства термостатированных масел при постоянной температуре испытания.
67
Методика предусматривала применение следующих средств контроля и испытания: прибора для оценки термоокислительной стабильности, прибора для оценки температурной стойкости, малообъемного вискозиметра, фотометра, трехшариковой машины трения, оптического микроскопа «Альтами МЕТ 1М» и электронных весов.
Методика испытания синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-40 SN на термоокислительную стабильность предусматривала два этапа. На первом этапе проба масла массой 100±0,1г заливались в стеклянный стакан прибора для оценки термоокислительной стабильности и термоста-тировалось при температуре 170 0С с перемешиванием стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин в течение 8 часов. После чего стакан с окисленным маслом взвешивался для определения массы испарившегося масла, отбиралась часть пробы для прямого фотометрирования и определения оптической плотности D:
D = lgf, (1)
где 300 - задаваемый ток фотометра при пустой кювете, мкА; П - показатель фотометра при фотометрировании масел, мкА.
Часть пробы окисленного масла использовались для измерения кинематической вязкости.
После измерения указанных показателей окисленные масла сливались в стакан, который повторно взвешивался и испытания продолжались до достижения оптической плотности D значения 0,5...0,6.
Второй этап заключался в оценке противоизносных свойств окисленных масел на трехшариковой машине трения со схемой «шар - цилиндр». Проба окисленного масла отбиралась в момент достижения оптической плотности D приблизительно равных значений: 0,1; 0,2; 0,3 ... 0,6 массой 20 г, а проба масла в стакане доливалась товарным маслом до первоначального количества 100±0,1г.
Параметры трения составляли: нагрузка 10 Н, линейная частота вращения цилиндра 0,68 м/с, температура масла в объеме 80 ос, время испытания 1,5 часа. Противоизносные свойства оценивались по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах с двух опытов.
Методика испытания температурной стойкости предусматривала два этапа. На первом этапе проба масла массой 80±0,1г заливались в стеклянный стакан прибора для оценки температурной стойкости и термоста-тировалось при температуре 170 ос без перемешивания и доступа воздуха с конденсацией паров в течение 8 часов. После этого стакан с окисленным маслом взвешивался для определения массы испарившегося масла, отбиралась часть пробы для прямого фотометрирования и определения оптической плотности D по формуле (1). Часть пробы окисленного масла использовалась для измерения кинематической вязкости.
После измерения указанных показателей термостатированное масло сливалось в стакан, который повторно взвешивался, и испытания продолжались до достижения оптической плотности Б: 0,5...0,6.
Второй этап заключался в оценке противоизносных свойств термостатированных масел. Для этого масло испытывалось по вышеописанной технологии с определением тех же показателей, и дополнительно отбиралась проба для испытания на трехшариковой машине трения с теми же параметрами трения. Проба термостатированного масла отбиралась в момент достижения Б приблизительно равных значений: 0,1; 0,2; 0,3 ... 0,6 массой 20г, а проба масла в стакане доливалась товарным маслом до первоначального количества 100±0,1 г.
Результаты исследования и их обсуждения
На рис. 1 представлены зависимости оптической плотности (а), испаряемости (б) и коэффициента относительной вязкости (в) от времени испытания исследуемого синтетического моторного масла при окислении (кривая 1) и температурной деструкции (кривая 2). Согласно данным (рис. 1, а) изменение оптических свойств, выраженных оптической плотностью, за период времени до 58 часов различаются незначительно независимо от процессов окисления или температурной деструкции, и только после этого периода времени процессы температурной деструкции ускоряются (кривая 2). Так, значение оптической плотности 0,37 достигается за время 136 часов при окислении и 86 часов при температурной деструкции.
Испаряемость масла (рис. 1, б) значительно уменьшается при процессах температурной деструкции. Так, за 104 часа испытания испаряемость составила при окислении 10,2 г, а при температурной деструкции 5,12 г.
Изменение кинематической вязкости выражено коэффициентом относительной вязкости Кц, определяемым по выражению
К-=-^-, (3)
- исх
где ц Т - вязкость термостатированного масла, мм2/с; цИСХ - вязкость товарного масла, мм2/с.
Согласно данным (рис. 1, в) коэффициент Кц понижается медленнее при окислении (кривая 2) за период времени испытания 24 часа. При дальнейшем испытании вязкость более интенсивно увеличивается при температурной деструкции, а после 80 часов - при окислении и 96 часах - при температурной деструкции становится постоянным.
На рис. 2 представлены зависимости показателей П термоокислительной стабильности (кривая 1) и температурной деструкции (кривая 2), определяемые по выражению
п = 0+Ка, (4)
где Ке - коэффициент испаряемости,
69
Ко =
m M
(5)
где т - масса испарившегося масла при окислении или температурной деструкции, г; М - масса пробы масла перед испытаниями за определенное время термостатированния, г.
Рис. 1. Зависимость оптической плотности (а), испаряемости (б) и коэффициента относительной вязкости (в) от времени и температуры испытания (170 С) синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-40 SN: 1 - при окислении; 2 - при температурной
деструкции 70
Рис. 2. Зависимость показателей термоокислительной стабильности
(кривая 1) и температурной стойкости (кривая 2) от времени и температуры испытания 170 С синтетического моторного масла
ALPHA'S 5W-40 SN
Показатель П характеризует количество тепловой энергии, поглощенной смазочным маслом при термостатировании и образовании определенной концентрации продуктов окисления или температурной деструкции и испарения. Согласно данным (рис. 2) в течение всего времени испытания процессы температурной деструкции преобладают над процессами окисления (кривая 2).
Для сравнения интенсивности процессов окисления и температурной деструкции предложен параметр приращения скорости этих процессов AVd, определяемый выражением
dVd = (D - A)/1. (6)
На рис. 3 представлены зависимости приращения скоростей процессов окисления и температурной деструкции за определенные отрезки времени испытания. Согласно данным процессы температурной деструкции протекают более интенсивно после 56 часов испытания (кривая 2). Характерной особенностью представленных зависимостей является начальное увеличение приращения скорости как процессов окисления, так и температурной деструкции, а после 56 часов для процесса окисления и 72 часов для температурной деструкции испытания наступает период уменьшения приращения скорости процессов со значительным его колебаниями. Такое изменение приращения скорости процессов окисления и темпера-
71
турной деструкции вызвано образованием двух видов продуктов с различной энергоемкостью, поэтому с образованием этих продуктов приращение скорости процессов замедляется, т.к. требуется больше количества тепловой энергии для их образования.
Рис. 3. Зависимости приращения скоростей окисления (кривая 1) и температурной деструкции (кривая 2) от времени и температуры испытания 170 С синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-40 SN
Важным показателем эксплуатационных свойств моторных масел являются их противоизносные свойства, обеспечивающие надежность двигателей. В этой связи важно установить доминирующее влияние на проти-воизносные свойства продуктов окисления или температурной деструкции. В данной работе предложен показатель противоизносных свойств Ппс, определяемый выражением
ппс = »и, (7)
где И - среднеарифметическое значение диаметра пятна износа на трех шарах, мм.
Данный показатель характеризует концентрацию продуктов окисления или температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта.
На рис. 4 представлены зависимости показателя противоизносных свойств от оптической плотности.
Рис. 4. Зависимости показателя противоизносных свойств при окислении (кривая 1) и температурной деструкции (кривая 2) от оптической плотности и температуры испытания 170 С синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-40 SN
Установлено, что данные зависимости описываются линейными уравнениями:
Ппс = ad, (8)
где а - скорость изменения показателя Ппс.
Регрессионные уравнения зависимостей имеют вид для процессов окисления (кривая 1) ППС = 3,261D, процессов температурной деструкции (кривая 2) ППС = 4,037D.
Коэффициент корреляции составил 0,979 и 0,976 соответственно.
Согласно данным (рис. 4) противоизносные свойства при температурной деструкции превышают противоизносные свойства термостатированных масел в 1,2 раза, кроме того при окислении моторного масла значения показателя Ппс более стабильны.
Выводы. На основании проведенных исследований установлено:
1. Процессы температурной деструкции оказывают большее влияние на оптические свойства синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-40 SN, уменьшают скорость испарения, но увеличивают кинематическую вязкость.
2. Предложен показатель интенсивности процессов окисления и температурной деструкции, определяемый приращением скорости этих процессов за установленное время испытания, позволяющий утверждать образование двух видов продуктов различной энергоемкости.
3. Установлено, продукты температурной деструкции повышают противоизносные свойства в 1,2 раза по сравнению с продуктами окисления, причем, значительное различие установлено в период образования продуктов с большей энергоемкостью.
Ермилов Евгений Александрович, асп., evermilovamail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., Labsmamail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Безбородов Юрий Николаевич, д-р техн. наук, зав. каф., Labsma mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Балясников Валерий Александрович, асп., [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
THE ASSESSMENT OF INFLUENCE OF TEMPERATURE ON PROCESSES OF OXIDATION AND THERMAL DESTRUCTION OF PART SYNTHETIC MOTOR OIL
CASTROL MAGNATEC10W-40 R SL/CF
Е.А. Ermilov, B.I. Kovalsky, Y.N. Bezborodov, V.A. Balyasnikov
The results of the study of the processes of oxidation and thermal destruction, and their influence on the kinematic viscosity, volatility and anti-wear properties are presented. It was found, that the processes of thermal destruction have increased the rate of change of optical density, have reduced volatility and they have decreased kinematic viscosity as well, but they have increased anti-wear properties of thermostatted oils with coefficient of the luminous flux greater than 0,1.
Key words: coefficient of the luminous flux, volatility, coefficient of ratable viscosity, index of thermooxidation stability and thermal withstandability, increment velocity of processes of oxidation and thermal withstandability, index of anti-wear properties.
Ermilov Evgeny Alexsandrovich, postgraduate, evermilovamail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian federal university, Institute of oil and gas,
Kowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Labsmamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian federal university, Institute of oil and gas,
Bezborodov Yriy Nikolaevich, doctor of technical sciences, head of department, Labsmamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian federal university, Institute of oil and gas,
Balyasnikov Valery Alexsandrovich, postgraduate, kanzas29 a mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian federal university, Institute of oil and gas
