Результаты контроля товарных минеральных трансмиссионных масел Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.892.2

РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ ТОВАРНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ТРАНСМИССИОННЫХ МАСЕЛ

В.С. Янович, Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, О.Н. Петров, В.Г. Шрам, Р.Н. Галиахметов

Представлены результаты исследования термоокислительной стабильности фотометрическим методом и триботехнических характеристик минеральных товарных трансмиссионных масел ТС3п-8, МС-20 и МТ-8п при статической температуре 150 °С и циклически изменяющейся в диапазоне температур от 120 до 150 °С. Предложены критерии термоокислительной стабильности трансмиссионных масел, учитывающие их оптические свойства и испаряемость при окислении, а также критерий противоизносных свойств, учитывающий концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта.

Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока, испаряемость, коэффициент относительной вязкости, коэффициент сопротивления окислению, критерий противоизносных свойств, потенциальный ресурс.

Надежность трансмиссий как триботехнических систем определяется прочностными характеристиками материалов, режимами смазки, качеством смазочного материала и условиями эксплуатации. Зависимость надежности триботехнических систем от качества смазочного масла, которое в процессе эксплуатации снижается из-за срабатывания противоизносных и противозадирных присадок, изучено недостаточно. Кроме того, долговечность трансмиссионного масла как элемента трибосистемы в разы уступает долговечности деталей агрегатов трансмиссии. Основные элементы трансмиссий работают в условиях граничной и эластогидродинамической смазки. Однако влияние продуктов окисления на свойства граничных и эластогидродинамических слоев также изучено недостаточно.

Целью настоящих исследований является обоснование применимости дополнительных показателей контроля термоокислительной стабильности и противоизносных свойств трансмиссионных масел, позволяющих на стадии проектирования осуществлять обоснованный выбор в зависимости от температурных и нагрузочных условий эксплуатации, а на стадии эксплуатации осуществлять контроль их состояния.

Методика исследования предусматривала применение следующих средств контроля: прибора для термостатирования масел; фотометрического устройства; малообъемного вискозиметра; трехшариковой машины трения со схемой трения «шар-цилиндр»; оптического микроскопа «Альтами МЕТ 1М» и электронных весов. Трансмиссионные масла испытывались при статической температуре 150 °С и циклически изменяющейся в диапа-

65

зоне от 120 до 150 °С с повышением температуры на 10 °С, а затем понижением. Через каждые 8 часов испытания окисленная проба масла взвешивалась, определялась масса испарившегося масла, отбиралась часть пробы для прямого фотометрирования при толщине фотометрируемого слоя 2 мм и часть пробы для измерения кинематической вязкости.

Противоизносные свойства определялись при постоянных параметрах трения: нагрузка 13 Н; скорость скольжения 0,68 м/с; температура масла в объеме 80 °С; время испытания 2 часа.

Испытанию подверглись минеральные трансмиссионные масла ТС3п-8, МС-20 и МТ-8п. На рис. 1 и 2 представлены зависимости коэффициента поглощения светового потока КП от времени окисления при статической температуре испытания 150 °С и циклически изменяющейся в диапазоне температур от 120 до 150 °С с повышением и понижением температуры на 10 °С. Для всех исследованных масел (рис. 1) зависимости КП = f (t) имеют изгиб, вызванный образованием двух видов продуктов окисления, различающихся оптическими свойствами, названными первичными (до изгиба) и вторичными (после изгиба). Начало образования вторичных продуктов окисления определяется продлением зависимости после точки изгиба до пересечения с осью абсцисс. Данные зависимости описываются кусочно-линейными функциями, общими для двух участков:

Кп = а • (t - tH), (1)

где а - коэффициент, характеризующий скорость образования первичных или вторичных продуктов окисления; t - время окисления, час; tH - время начала образования первичных или вторичных продуктов окисления.

КП

Рис. 1. Зависимости коэффициента поглощения светового потока при статической температуре 150 °С от времени окисления трансмиссионных масел: 1 - ТС3п-8; 2 - МС-20; 3 - МТ-8п

Регрессионные уравнения зависимостей Кп = /(/) для каждого участка и вида масел:

ТС3п-8

МС-20

МТ-8п

Первый участок КП = 0,0163 • t - 0,113, КП = 0,0047 • t - 0,024,

К

П

0,0142 • t - 0,013.

Второй участок

КП = 0,03 • t - 0,553, (2)

КП = 0,0078 • t - 0,321, (3)

КП = 0,0192 • t - 0,215. (4)

Согласно уравнениям (2) - (4) наименьшая скорость образования первичных и вторичных продуктов окисления установлена для масла МС-20 - 0,0047 ч-1, и 0,0078 ч-1. Коэффициент корреляции изменяется от 0,9946 до 0,9978.

При циклически изменяющихся температурах (рис. 2) зависимости КП = /(/) подвержены колебаниям, вызванным либо повышением, либо понижением температуры окисления.

Рис. 2. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от времени окисления трансмиссионных масел при циклическом изменении температуры в диапазоне температур от 120 до 150 °С:

1 - ТС3п-8; 2 - МС-20; 3 - МТ-8п

Для определения различий в механизме окисления введен показатель, названный потенциальным ресурсом, вычисляемый временем достижения коэффициента поглощения светового потока КП значений, равных 0,8. Установлено, что наибольший потенциальный ресурс при статической температуре испытания составляет для масла МС-20 144 часа, а наименьший, 45 часов, для масла ТС3п-8. Для увеличения потенциального ресурса масел ТС3п-8 и МТ-8п необходимо понижать температурную область их применения. Поэтому, согласно ГОСТ 17479.2-85, эти масла должны относиться к группе эксплуатационных свойств ТМ-2-9, которая применяется в температурном диапазоне работы масла в объеме до 130 °С.

Трансмиссионное масло МС-20 относится к группе эксплуатационных свойств ТМ-5-18 и может применяться в температурном диапазоне до 150 °С.

Наибольший потенциальный ресурс при циклическом изменении температуры (рис. 2) в диапазоне температур от 120 до 150 °С определялся по времени достижения значения коэффициента поглощения светового потока, равного 0,8, и установлен для масла МС-20 - 316 часов, а наименьший - для масла МТ-8п - 117 часов. Масло МТ-8п показало худшие результаты при циклическом изменении температуры испытания, чем при статической температуре 150 °С.

Одним из важных эксплуатационных показателей трансмиссионных масел является кинематическая вязкость, особенно ее изменение при окислении. Для оценки изменения вязкости в процессе окисления масла принят коэффициент относительной вязкости, определяемый отношением вязкости окисленного масла к вязкости товарного. На рис. 3 представлены зависимости коэффициента относительной вязкости от времени окисления трансмиссионных масел.

Рис. 3. Зависимости коэффициента относительной вязкости от времени окисления трансмиссионных масел: 1 - ТС3п-8; 2 - МС-20; 3 - МТ-8п

Зависимости коэффициента относительной вязкости для масел ТС3п-8 и МТ-8п описываются линейными уравнениями (рис. 3, кривые 1 и 3), а для масла МС-20 в начале окисления вязкость падает, а после 24 часов испытания она увеличивается. Представленные данные позволяют проектировщикам техники обоснованно выбирать масла с более стабильной вязкостью при окислении в процессе эксплуатации.

Регрессионные уравнения зависимостей К^ = / ^) для масел соста-

вили:

ТС3п-8 Кт= 0,0041 • t +1, (5)

МС-20 Кт= 7,112 • 10-5 • t2 - 0,0038 • t + 0,9908, (6)

МТ-8п Кт= 0,007 • t +1. (7)

Коэффициент корреляции изменяется от 0,9931 до 0,9999.

Как эксплуатационный показатель испаряемость трансмиссионных масел имеет важное значение при граничном трении скольжения, так как может привести к разрыву масляной пленки, разделяющей поверхности трения и вызвать схватывание. Информация об испаряемости масел имеет важное значение при назначении температурной области работоспособности трансмиссий и группы эксплуатационных свойств.

На рис. 4 представлены зависимости испаряемости исследованных трансмиссионных масел от времени окисления. Установлено, что наименьшей испаряемостью характеризуется масло МС-20, а наибольшей -масло ТС3п-8 (кривая 1). Кроме того, точки на ординате зависимостей О = / (г) показывают концентрацию в маслах легких фракций и воды, которая составляет для масел ТС3п-8 и МТ-8п 2 грамма, а для масла МС-20 - 1 грамм.

G;r

22

10

18

14

2

6

2

t, ч

20

60

100

140

Рис. 4. Зависимости испаряемости от времени окисления трансмиссионных масел при температуре 150 °С: 1 - ТС3п-8;

2 - МС-20; 3 - МТ-8п

ли:

Регрессионные уравнения зависимостей G = f (t) для масел состави-

МТ-8п

МС-20

ТС3п-8

О - -0,0042 • г2 + 0,607 • г +1,65, О - -1,6885 • 10-4 • г2 + 0,0869 • г +1,1, О - -0,0012 • г2 + 0,2457 • г + 2,24.

2

(8) (9) (10)

Коэффициент корреляции изменяется от 0,9982 до 0,9992.

Согласно уравнениям (8) - (10) наименьшая скорость испарения 0,0869 г/ч установлена для масла МС-20, а наибольшая 0,607 г/ч - для масла ТС3п-8. Эти данные подтверждают, что температура 150 °С для масел ТС3п-8 и МТ-8п высокая.

Анализ результатов испытания трансмиссионных масел (рис. 1 и 4) показал, что термоокислительная стабильность зависит от коэффициента Кд и испаряемости О. Вязкость окисленного масла зависит от концентрации продуктов окисления и не может характеризовать этот показатель. Поэтому в качестве критерия термоокислительной стабильности предложен показатель Етос, определяемый выражением [1, 2]

где т - масса испарившегося масла при окислении за время г; М - масса пробы масла после окисления за время г .

Критерий термоокислительной стабильности характеризует сопротивляемость трансмиссионных масел окислению и испарению, поэтому эти данные позволяют не только определять температурную область их работоспособности, но и потенциальный ресурс, и поведение масел в условиях эксплуатации. Из представленных данных на рис. 5 видно, что наиболее термостойким является масло МС-20 (кривая 2), а наименее термостойким - масло ТС3п-8. Поэтому температура окисления 150 °С для масел ТС3п-8 и МТ-8п является высокой. Предельной температурой их работоспособности является температура 130 °С, а классификация по группам эксплуатационных свойств по ГОСТ 17479.2-85 соответствует ТМ-2.

Согласно данным (рис. 5) зависимости ЕТОС - / (г) имеют изгиб, поэтому регрессионные уравнения для каждого участка до и после изгиба имеют вид

ТС3п-8 ЕТОС - 0,0220 • г - 0,1025, ЕТОС - 0,034 • г - 0,4847, (13) МС-20 ЕТОС - 0,0054 • г - 0,0099, ЕТОС - 0,0086 • г - 0,3150, (14) МТ-8п ЕТОС = 0,0163 • г + 0,0147, ЕТОС = 0,0222 • г - 0,22. (15) Коэффициент корреляции изменяется от 0,9965 до 0,9999. Согласно формулам (13) - (15) наименьшая скорость образования как первичных, так и вторичных продуктов установлена для масла МС-20 (0,0054 и 0,0086 ч-1).

ЕТОС - КП + КG,

(11) (12)

Первый участок

Второй участок

Используя зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени окисления, можно определить потенциальный ресурс, учитывающий оптические свойства и испаряемость масел, определяемый временем достижения, например, значения коэффициента ЕТОС, равного 0,8. Это позволяет количественно определить потенциальный ресурс, который составил для масел: ТС3п-8 - 38 часов; МС-20 - 130 часов; МТ-8п - 47 часов.

Рис. 5. Зависимости критерия термоокислительной стабильности от времени окисления трансмиссионных масел: 1 - ТС3п-8; 2 - МС-20;

3 - МТ-8п

Основным показателем, влияющим на долговечность трибосопря-жений трансмиссий, является показатель противоизносных свойств масел. Влияние процессов окисления на противоизносные свойства трансмиссионных масел оценивалось критерием П, определяемым отношениями коэффициента поглощения светового потока к среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах (рис. 6 [3]) и среднеарифметическому значению номинальной площади фрикционного контакта ns (рис. 7).

Рис. 6. Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при окислении трансмиссионных масел: 1 - ТС3п-8; 2 - МС-20; 3 - МТ-8п

71

Регрессионные уравнения зависимостей П = /(Кп) для масел имеют вид

ТС3п-8 П = 2,05 • КП, (16)

МС-20 П = 4,25 • КП, (17)

МТ-8п П = 4,55 \КП - 0,08). (18)

Коэффициент корреляции соответственно равен 0,9974, 0,9967 и

0,9925.

Зависимости критерия противоизносных (рис. 6) свойств описываются линейными уравнениями. Из числа исследованных масел наивысшими противоизносными свойствами характеризуются масла МС-20 (кривая 2) и МТ-8п (кривая 3). Аналогичная картина наблюдается при использовании вместо диаметра пятна износа площади фрикционного контакта (рис. 7). Отличительная особенность изменения критериев П и П5 установлена для масла МТ-8п (кривая 3), заключающаяся в том, что его зависимость от коэффициента поглощения светового потока начинается не с начала координат. Это объясняется тем, что данное масло хранилось 10 лет и подвергалось окислению.

Пх, 1/мм2

Рис. 7. Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при окислении трансмиссионных масел (по площади фрикционного контакта): 1 - ТС3п-8; 2 - МС-20; 3 - МТ-8п

Из представленных данных видно, что для определения критерия противоизносных свойств можно пользоваться как среднеарифметическим значением диаметра пятна износа, так и площадью фрикционного контакта.

Применение в качестве второго альтернативного критерия термоокислительной стабильности трансмиссионных масел [4] - коэффициента сопротивляемости окисления ЯО, учитывающего изменение оптических

свойств и испаряемости при статической (рис. 8) и циклически изменяющейся температурах (рис. 9), позволяет в динамике рассмотреть изменение сопротивляемости масел в процессе окисления. Зависимости коэффициен-

72

та сопротивляемости трансмиссионных масел от времени окисления при статической температуре 150 °С представлены на рис. 8. Установлено, что для всех исследованных масел данные зависимости описываются линейными уравнениями. Причем для масла ТС3п-8 (кривая 1) зависимость начинается с ординаты 1,02, для масла МС-20 (кривая 2) - 0,995 и масла МТ-8п (кривая 3) - 0,98. Это связано с начальным состоянием смазочного масла, так масло ТС3п-8 перед испытаниями имело значение коэффициента поглощения светового потока равное 0, масло МС-20 - 0,013, а масло МТ-8п - 0,027, т.е. последние два масла израсходовали часть потенциальной энергии на окисление, а масло ТС3п-8 имеет запас энергии, поэтому его сопротивляемость выше единицы.

Наибольшим сопротивлением окислению характеризуется масло МС-20 (кривая 2), а наименьшим - масло ТС3п-8. По скорости падения сопротивления окислению можно классифицировать масла по группам эксплуатационных свойств. Чем меньше скорость падения сопротивления окислению, тем выше группа эксплуатационных свойств и шире температурная область работоспособности масла.

Ro

1

0.9 ■ \ ^^

\ ■ 2 \ 3

0.8 ■ \

1

0.7 -1-1-1-1-1-1-1-1 U Ч

20 60 100 140

Рис. 8. Зависимость коэффициента сопротивления окислению при статической температуре 150 °С от времени испытания трансмиссионных масел: 1 - ТС3п-8; 2 - МС-20; 3 - МТ-8п

Зависимости коэффициента сопротивления окислению от времени окисления при циклическом изменении температуры испытания, представ-леные на рис. 9, показывают, как изменяется коэффициент сопротивления окислению в циклах повышения и понижения температуры. Например, для масла МС-20 (кривая 2) независимо от циклов изменения температуры сопротивляемость масла плавно понижается. Для масла ТС3п-8 (кривая 1) независимо от циклов изменения температуры наблюдается постоянное снижение коэффициента сопротивления окислению, а для масла МТ-8п

73

(кривая 3) в циклах понижения температуры испытания скорость уменьшения коэффициента сопротивления окислению замедляется. Поэтому масло, при испытании которого сопротивляемость окислению стабилизируется в циклах понижения температуры, может работать при более высоких температурах по сравнению с маслом ТС3п-8, где сопротивляемость окислению уменьшается независимо от циклов изменения температуры испытания.

До

Рис. 9. Зависимость коэффициента сопротивления окислению при циклическом изменении температуры от времени испытания трансмиссионных масел: 1 - ТС3п-8; 2 - МС-20; 3 - МТ-8п; нечетные цифры - циклы повышения температуры от 120 до 150 °С; четные цифры - циклы повышения температуры от 150 до 120 °С

Результаты испытания минеральных трансмиссионных масел сведены в таблицу.

Экспериментальные данные испытания минеральных трансмиссионных масел

Показатели масел ТС3п-8 МС-20 МТ-8п

Потенциальный ресурс при температуре 150 °С и коэффициенте КП =0,8, час 45,0 144,0 53,0

Потенциальный ресурс при циклическом изменении температуры окисления и коэффициенте КП =0,8, час 128,0 316,0 117,0

Количество циклов изменения температуры испытания в диапазоне от 120 до 150 °С 5 13 5

Коэффициент относительной кинематической вязкости в конце испытания, мм2/с 1,2 1,32 1,39

Испаряемость после 40 часов испытания, г 19,1 4,3 10,0

Критерий термоокислительной стабильности после 40 часов испытания 0,909 0,212 0,664

Окончание

Показатели масел ТС3п-8 МС-20 МТ-8п

Критерий противоизносных свойств П при коэффициенте КП =0,8 (диаметр пятна износа) 1,6 3,51 3,28

Критерий противоизносных свойств П5 при коэффициенте К П =0,8 (площадь контакта) 4,27 17,78 18,0

Коэффициент сопротивляемости окислению при статической температуре 150 °С после 40 часов испытания 0,825 0,965 0,907

Коэффициент сопротивляемости окислению при циклической температуре испытания после 120 часов испытания 0,787 0,961 0,880

Согласно этим результатам лучшие показатели по термоокислительной стабильности и противоизносным свойствам показало масло МС-20, поэтому температурный диапазон его применения определяется температурой 150 °С. Для улучшения показателей масел МТ-8п и ТС3п-8 температурный диапазон их применения должен определяться соответственно температурами 140 и 130 °С.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Термостатирование трансмиссионных минеральных масел при статической температуре 150 °С показало, что процесс окисления характеризуется образованием двух видов продуктов, различающихся оптическими свойствами, что вызывает изгиб зависимостей коэффициента поглощения светового потока от времени окисления.

2. Термостатирование масел при циклически изменяющейся температуре в диапазоне от 120 до 150 °С увеличивает потенциальный ресурс по сравнению со статической температурой более чем в два раза, что позволяет сравнивать масла по количеству циклов повышения и понижения температуры испытания.

3. Установлено, что кинематическая вязкость при окислении трансмиссионных масел, выраженная коэффициентом относительной вязкости, определяемым отношением вязкости окисленного масла к вязкости товарного, увеличивается на 20...40 %.

4. Испаряемость трансмиссионных масел при термостатировании в течение 20 часов изменяется от 4,3 до 19,1 граммов.

5. Предложены критерий термоокислительной стабильности и коэффициент сопротивляемости окислению, учитывающие изменение оптических свойств и испаряемости масел при окислении, позволяющие сравнивать масла по температурной стойкости.

6. Предложен критерий противоизносных свойств, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока либо к среднеарифметическому значению диаметра пятна износа, либо к площади пятна износа, характеризующий концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта, зависимость которого от коэффициента поглощения светового потока имеет линейный характер.

Список литературы

1. Патент РФ №2366945 МПК G01N 33/30. Способ определения температурной стойкости смазочных масел / Б. И. Ковальский, Н.Н. Малышева. Опубл. 10.09.2009. Бюл. №25.

2. Патент РФ №2371706 МПК G01N 25/00. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Б.И. Ковальский, Е. А. Вишневская, Ю. Н. Безбородов, Н. Н. Малышева. Опубл. 27.10.2009. Бюл. №30.

3. Патент РФ №2454654 МПК G01N 3/56, G01N 33/30. Способ определения качества смазочных масел / Б. И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, Н. Н. Малышева и др. Опубл. 27.06.2012. Бюл. №18.

4. Патент РФ № 2406087 МПК G01N 33/30. Способ определения температурной стойкости смазочных масел / Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, Н. Н. Малышева и др. Опубл. 10.12.2010. Бюл. №34.

Янович Валерий Станиславович, соискатель, Labsm@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Безбородов Юрий Николаевич, д-р техн. наук, проф., Labsm@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Петров Олег Николаевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Шрам Вячеслав Геннадьевич, канд. техн. наук, доц., Shram18rus@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Галиахметов Равиль Нургаянович, канд. филос. наук, доц., [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа

RESULTS OF CONTROL OF COMMODITY MINERAL TRANSMISSION OILS

V.S. YAnovich, B.I. Kowalski, U.N. Bezborodov, O.N. Petrov, V.G. Shram, R. N. Galiakhmetov

Results of research of thermo oxidizing stability by method of photometry and tribo-technical characteristics of mineral commodity transmission oils TC3n-8, MC-20 and MT-8n are presented at a static temperature of 150 °C and cyclically changing in the range of temperatures from 120 to 150 °C. Criteria of thermo oxidizing stability of the transmission oils considering their optical properties and an evaporability at oxidation, and also the criterion of antiwear properties considering concentration of products of oxidation on the nominal square of frictional contact are offered.

Key words: coefficient of absorption of a light stream, evaporability, coefficient of relative viscosity, coefficient of resistance to oxidation, criterion of antiwear properties, potential resource.

Yanovich Valery Stanislavovich, postgraduate, Labsm@,mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

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

Bezborodov Yuri Nikolayevich, doctor of technical sciences, professor, Labsm@,mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Petrov Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, pe-trov oleq@,mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Shram Vyacheslav Gennadevich, candidate of technical sciences, docent, Shram18rus@,mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Galiakhmetov Ravil Nurgayanovich, candidate of philosophy sciences, docent, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas