Результаты исследования противоизносных свойств товарных моторных масел Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ

УДК 621.892.2

Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, Н.И. Селиванов, А.Н. Сокольников, О.Н. Петров, В.Г. Шрам

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОТИВОИЗНОСНЫХ СВОЙСТВ ТОВАРНЫХ

МОТОРНЫХ МАСЕЛ

Представлены результаты исследования моторных смазочных масел различных классов вязкости и базовой основы на противоизносные свойства. В качестве объекта исследования выбраны товарные синтетические, частично синтетические и минеральные масла, относящиеся к разным группам эксплуатационных свойств: группы от SF до SL - для бензиновых двигателей внутреннего сгорания и группы от СС до CF - для дизельных двигателей. Испытания смазочных масел проведены с использованием трехшариковой машины трения [1], реализующей схему трения «шар-цилиндр». Особенность машины - в контакте трех неподвижных шаров (диаметром 9,5 мм от подшипника № 1210) с вращающимся цилиндром (верхняя обойма роликового подшипника № 30208 диаметром 80 мм) по индивидуальным дорожкам трения. Шары и цилиндр изготовлены из стали ШХ15. Кроме того, испытательная трехшариковая машина осуществляет электрометрический метод оценки противоизносных свойств масел при пропускании через один из шаров электрического тока постоянной величины и полярности в режиме трения. Определены влияние времени формирования фрикционного контакта, электропроводности граничного слоя и коэффициента интенсивности механохимических процессов на износ, критерий оценки механических процессов, протекающих в граничных смазочных пленках.

Ключевые слова: механохимические процессы, коэффициент электропроводности, параметр износа, время формирования пятна контакта.

Введение

Моторные смазочные масла, согласно отечественной классификации (ГОСТ 17479.185) подразделяют на классы по вязкости и группы, определяющие их назначение и уровень эксплуатационных свойств. В международном масштабе принята классификация по классам вязкости - SAEJ 300 (Американское общество автомобильных инженеров), уровень эксплуатационных свойств и назначение масел указывают по классификации API (Американский институт нефти). Классификацию применяют и для бензиновых двигателей (группа S), и для дизельных (группа С).

Целью научно-исследовательской работы является определение различий в противоиз-носных свойствах моторных смазочных масел различной базовой основы и групп эксплуатационных свойств.

Объекты и методы

Для научного исследования использованы товарные синтетические, частично синтетические и минеральные масла различного уровня эксплуатационных свойств: для бензиновых двигателей от SF до SL и дизельных от СС до СF.

© Ковальский Б.И., Безбородов Ю.Н., Селиванов Н.И., Сокольников А.Н., Петров О.Н., В.Г. Шрам, 2016

Масла были испытаны на трехшариковой машине трения [1], реализующей схему трения «шар-цилиндр». Конструкция машины предусматривает контакт трех неподвижных шаров с вращающимся цилиндром по индивидуальным дорожкам трения и пропускание во время трения через один из шаров постоянного тока величиной 100 мкА от источника питания напряжением 3 В. В качестве шаров использованы шарики от подшипника № 1210 диаметром 9,5 мм, а в качестве цилиндра - верхняя обойма роликового подшипника № 30208 диаметром 80 мм, изготовленные из стали ШХ15. Режимы испытания выбраны постоянными: скорость вращения цилиндра - 0,68 м/с, нагрузка на шары - 13Н, температура масла в объеме 80°С, время испытания - 2 ч. Величина тока, проходящего через контакт шара с цилиндром, преобразуется в электронный вид и записывается в виде диаграммы изменения величины тока от времени испытания на вычислительном устройстве (персональном компьютере). Такие диаграммы, полученные при испытаниях масел, позволяют оценить скорость формирования граничного смазочного слоя и его прочность. Противоизносные свойства испытуемых масел характеризуются величиной диаметра пятна износа на шаре, коэффициентом электропроводности контакта трущихся поверхностей [2, 3].

Результаты исследований

В результате проведенных испытаний установлено, что противоизносные свойства моторных масел на минеральной основе колеблются в диапазоне от 0,267 до 0,287 мм, частично синтетической - от 0,26 до 0,357 мм и синтетической основе - от 0,24 до 0,353 мм.

На рис. 1 представлено распределение величины диаметра пятна износа от количества масел, показатель противоизносных свойств которых попадает в интервал 0,02 ед. в диапазоне от 0,24 до 0,36 мм. Показано, что для наибольшего количества масел характерны проти-воизносные свойства, независимо от базовой основы и группы эксплуатационных свойств в диапазоне от 0,28 до 0,3 мм.

0.24 0.28 0.32 0.36

Рис. 1. Распределение противоизносных свойств товарных моторных масел

Уравнение распределения имеет вид

N = а • и2 - Ь • и + с, (1)

где N - количество образцов масел с определенными противоизносными свойствами; и -величина диаметра пятна износа; а, Ь , с - коэффициенты, характеризующие тенденцию изменения распределения.

Механохимические процессы, которые протекают на фрикционном контакте во время трения, исследованы при пропускании электрического тока от источника питания через пару трения [4, 5]. На рис. 2 приведены диаграммы изменения величины тока, проходящего через контакт, от времени при испытании исследуемых масел.

Рис. 2. Диаграммы изменения величины тока, проходящего через контакт при испытании моторных масел

Из представленных диаграмм четко выделяются три типичные области, различающиеся по величине тока. Так, для первой области диаграммы характерен максимальный ток, приблизительно равный 100 мкА. В этой области поверхности трения контактируют в условиях еще не образовавшейся граничной смазочной пленки, наблюдается пластическая деформация. Продолжительность области обусловлена противоизносными свойствами испытуемого масла.

Для второй области диаграммы характерно снижение величины тока до определенной величины. В этот период пластические деформации в контакте переходят в упругие, а площадь контакта покрывается комплексными соединениями как результат взаимодействия металла с активированными присадками, изменяющими электрическое сопротивление граничного слоя.

В третьей области диаграммы - минимальное значение тока за счет наличия на поверхностях трения защитных пленок. В этот период происходит упругая деформация микронеровностей, при которой защитные пленки на отдельных участках контакта разрушаются и формируются, вызывая колебания тока от минимального до определенного значения.

Таким образом, по характеру изменения величины тока, проходящего через контакт, можно делать выводы об интенсивности механохимических процессов, протекающих в контакте, о суммарной продолжительности tg пластической и упругопластической деформаций и электропроводности граничного смазочного слоя, который разделяет поверхности трения [6]. Электропроводность граничного слоя К Э обусловлена отношением среднеарифметического значения тока за определенный период времени при упругих деформациях к току, заданному при статическом положении пар трения (100 мкА). Время, за которое формируется фрикционный контакт, и коэффициент электропроводности граничного слоя характеризуют интенсивность протекания механохимических процессов, ее предложено оценивать коэффициентом ПМХ

Пмх = ^ • КЭ. (2)

Время, за которое формируется фрикционный контакт ^ определяется по диаграммам

как сумма продолжительности пластической и упругопластической деформаций (рис. 2).

На рис. 3, а приведена зависимость значения диаметра пятна износа от времени, за которое формируется фрикционный контакт. Установлено, что зависимость между этими показателями линейная и описывается уравнением вида

U = А + b • tg, (3)

где А - коэффициент, характеризующий величину износа после 5 мин испытания; b - коэффициент, определяющий скорость износа.

Для частично синтетических и минеральных масел регрессионное уравнение (3) имеет

вид

U = 0,22 + 0,0039 • t g. (4)

Из уравнения (4) следует, что чем больше время, за которое формируется фрикционный контакт, т.е. продолжительность пластической и упругопластической деформаций, тем ниже противоизносные свойства испытуемых масел.

Зависимость значения диаметра пятна износа от коэффициента электропроводности К Э представлена на рис. 3, б, оформлена регрессионным уравнением вида

U = 0,22 + 0,417 • КЭ. (5)

Из представленной зависимости видно, что чем при большем значении коэффициента электропроводности наступает упругая деформация, тем ниже противоизносные свойства испытуемых масел. В этом случае на поверхностях трения образуются непрочные граничные пленки, которые разрушаются, вызывая увеличение коэффициента КЭ .

На рис. 3, в представлена зависимость значения диаметра пятна износа от коэффициента интенсивности протекания механохимических процессов, описываемая регрессионным уравнением вида

U = 0,27 + 0,007 • П

мх •

(6)

По уравнению (6) видно, что чем выше значение коэффициента механохимических процессов, тем ниже противоизносные свойства масел, изготовленных на минеральной и частично синтетической базовых основах.

U, мм

0.3

0.1

и,

ÏE

5 10 15

Рис. 3. Зависимости значения диаметра пятна износа от времени формирования фрикционного контакта tg (а), коэффициента электропроводности КЭ (б) и коэффициента интенсивности протекания механохимических процессов Пмх (в) при испытании масел на минеральной и частично синтетической основе

Поскольку коэффициент ПМХ определяется произведением времени формирования контакта и коэффициента электропроводности, то при одинаковом значении параметра износа противоизносные свойства выше у того масла, в котором коэффициент механохимических процессов приобретает меньшие значения. В этой связи коэффициент ПМХ может применяться в качестве более объективного критерия противоизносных свойств, т.к. он характеризует время, за которое формируются фрикционный контакт, его электропроводность и прочность граничных слоев, образующихся на поверхностях трения.

Результаты испытания синтетических масел представлены на рис. 4. Зависимость значения диаметра пятна износа от времени, за которое формируется фрикционный контакт (рис. 4, а), описывается линейным регрессионным уравнением вида

U = 0,25 + 0,0019 • tg . (7)

Причем скорость изменения износа для синтетических масел в два раза ниже, чем у частично синтетических и минеральных масел, а износ после 5 мин испытания выше.

Зависимость значения диаметра пятна износа от коэффициента электропроводности КЭ (рис. 4, б), оформлен линейным регрессионным уравнением вида

U = 0,25 + 0,192 • КЭ.

(8)

Коэффициент второго члена уравнения (8) характеризует скорость изменения параметра износа в зависимости от коэффициента электропроводности. Его значения в 2,7 раза меньше значения, полученного для минеральных и частично синтетических масел. Это означает, что с увеличением коэффициента К Э изменение износа синтетических масел происходит более медленно, чем у частично синтетических и минеральных масел, а это может объясняться более прочными граничными пленками, образующимися на поверхностях трения.

Зависимость значения диаметра пятна износа от коэффициента механохимических процессов (рис. 4, в) описывается линейным регрессионным уравнением вида

(9)

U = 0,27 + 0,0058 • П

ш ■ U, мм

G.1

0.3

[ , мм

0.3

0.1

iff,,

13 5 7

Рис. 4. Зависимости значения диаметра пятна износа от времени формирования фрикционного контакта tg (а), коэффициента электропроводности КЭ (б) и коэффициента интенсивности протекания механохимических процессов П МХ (в) при испытании масел на синтетической основе

Первый член уравнения (9) имеет одинаковое значение, что и у частично синтетических и минеральных масел, а коэффициент второго члена уравнения (9) в 1,2 раза меньше, т.е. механохимические процессы в синтетических маслах в меньшей степени влияют на износ. Это может объясняться прочностью граничных пленок и меньшей скоростью их разрушения.

Выводы

1. При испытании моторных смазочных масел на машине трения со схемой трения «шар-цилиндр» параметр износа имеет линейную зависимость от времени формирования

фрикционного контакта и коэффициента электропроводности, произведение этих параметров определяет механохимические процессы, протекающие на трущихся поверхностях.

2. Коэффициент механохимических процессов учитывает время формирования фрикционного контакта (прирабатываемость) и коэффициент электропроводности, характеризующие способность моторного масла формировать защитные пленки на поверхностях трения и их прочность.

Список литературы

1. А.с. № 983522 СССР МКИ3 G01N19/02. Устройство для испытания трущихся материалов и масел / Б.И. Ковальский, М.Е. Грибанов ; 1983, Бюл. № 47.

2. А.с. № 1054732 СССР МКИ3 G01N3/56. Способ определения смазывающей способности масел / Б.И. Ковальский, Г.М. Сорокин, А.П. Ефремов ; 1983, Бюл. № 42.

3. Пат. № 2186386 Российская Федерация МКИ3 G01N33/30, 3/56. Способ определения смазывающей способности масел / Б.И. Ковальский, С.И. Васильев, С.Б. Ковальский, Д.Г. Барков ; 2002, Бюл. № 21.

4. Электрометрический метод контроля механохимических процессов при граничном трении скольжения / Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, А.В. Юдин, О.Н. Петров // Трибология и надежность : сб. науч. тр. X Междунар. конф. (27-30 октября 2010 г.), Санкт-Петербург / под ред. проф. К.Н. Войнова. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - С. 92-98.

5. Исследование механохимических процессов моторных масел при граничном трении скольжения / Б.И. Ковальский, А.Н. Сокольников, О.Н. Петров, А.В. Кузьменко // Транстрибо. IV Междунар. симпозиум по транспортной триботехнике : сб. тр., Санкт-Петербург. - СПб., 2010. - С. 86-91.

6. Определение смазывающей способности моторных масел по параметру суммарной продолжительности деформаций / Ю.Н. Безбородов, А.Н. Сокольников, В.Г. Шрам, О.Н. Петров, А.А. Игнатьев // Вестн. Иркут. гос. техн. ун-та. - Иркутск. - № 8 (67), 2012. - С. 125-129.

Ковальский Болеслав Иванович, доктор техн. наук, профессор, Институт нефти и газа Сибирского федерального университета (ИНиГ СФУ), тел. (319) 206-28-98, e-mail: labs@mail.ru; Безбородов Юрий Николаевич, доктор техн. наук, профессор, ИНиГ СФУ; Селиванов Николай Иванович, доктор техн. наук, профессор, Красноярский гАу, тел. (391) 2-912-510, e-mail: zaprudskii@list.ru; Сокольников Александр Николаевич, кандидат техн. наук, доцент, ИНиГ СФУ, тел. (319) 206-29-08, e-mail: asokolnikov@bk.ru; Петров Олег Николаевич, кандидат техн. наук, доцент, ИНиГ СФУ, тел. (319) 206-29-10, e-mail: pet-rov_olegq@mail.ru; Шрам Вячеслав Геннадьевич, кандидат техн. наук, доцент, ИНиГ СФУ, e-mail: shram18rus@mail.ru.

SUMMARY

B.I. Kowalskiy, Y.N. Bezborodov, N.I. Selivanov, A.N. Sokolnikov, O.N. Petrov, V.G. Shram

Results anti-wear properties commodity motor oil

The results of the study of trade of motor oils of various basic framework on anti-wear properties. To investigate selected mineral commodities, partially-synthetic and synthetic oils of different groups of operating properties: for gasoline engines from SF to SL and diesel from SS to CF. Tests were conducted on trehsharikovoy friction machine [1] to Scheme friction "ball-cylinder", each of the three balls in contact with the surface of the cylinder on an individual path, and through one of the balls was passed a constant current (100 mA) of the external stabilized power source (3 AT). The samples were chosen: Balloon (bearing number 1210) with a diameter of 9.5 mm and the upper wing roller bearing number 30208 80 mm in diameter. Both samples made of steel SH 15. The influence of the time of formation of fric-tional contact, the electrical conductivity of the boundary layer and the intensity factor mechanochemical processes for wear, defined criterion for evaluating mechanical processes occurring in the frictional contact.

Keywords: mechano-chemical processes, the electrical conductivity, the diameter of the wear scar, the formation of the nominal area of frictional contact.

Kovalskiy Boleslav Ivanovich, Dr. Eng. Sci., Prof., Oil and Gas Institute of the Siberian Federal University (Oil&Gas Institute SibFU), ph. (319) 206-28-98, e-mail: labs@mail.ru; Bezborodov Yuriy Nikolaevich, Dr. Eng. Sci., Prof., Oil&Gas Institute SibFU; Selivanov Nikolay Ivanovich, Dr. Eng. Sci., Prof., Krasnoyarsk SAU, ph. (391) 2-912-510, e-mail: zaprudskii@list.ru; Sokolnikov Aleksandr Nikolaevich, Cand. Eng. Sci., Assoc. Prof., Oil&Gas Institute SibFU, ph. (319) 206-29-08, e-mail: asokolnikov@bk.ru; Petrov Oleg Nikolaevich, Cand. Eng. Sci., Assoc. Prof., Oil&Gas Institute SibFU, ph. (319) 206-29-10, e-mail: pet-rov_olegq@mail.ru; Shram Vyacheslav Gennadevich, Cand. Eng. Sci., Assoc. Prof., Oil&Gas Institute SibFU, e-mail: shram18rus@mail.ru.