CC BY
90
УДК 621.895(075) С.А. Кораблев, Б.И. Ковальский,
Ю.Н. Безбородов, Н.Н. Малышева
ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ ЧАСТИЧНО СИНТЕТИЧЕСКОГО ТРАНСМИССИОННОГО МАСЛА CONSOL ТРАНС. ЛЮКС 75W-90 GL-5
Приведены результаты испытания трансмиссионного масла Consol транс. люкс 75W-90 GL-5 на термоокислительную стабильность. Оценено влияние температуры испытания на окислительные процессы.
Трансмиссионное масло Consol транс. люкс 75W-90 GL-5 является всесезонным и представляет смесь минеральной и синтетической основ. По ГОСТ 17479.2-85 данное масло относится к группе эксплуатационных свойств ТМ-5, применяется в гипоидных передачах, работающих с ударными нагрузками при контактных напряжениях выше 3000 МПа до 150°С.
Температурная стабильность трансмиссионных масел является важным эксплуатационным показателем, так как при повышенных температурах в сочетании с активным действием кислорода воздуха и каталитическим действием металлических поверхностей происходит окисление масла, образуются нерастворимые вещества, выпадающие в осадок. В результате окисления масла увеличиваются вязкость и коррозионная активность, ухудшаются противозадирные свойства.
При работе агрегатов трансмиссии окисляются все компоненты, в том числе и присадки, поэтому особенно опасно уменьшение в масле концентрации противозадирных присадок, что может привести к выходу из строя механизма. Для замедления процесса окисления трансмиссионные масла легируют антиокисли-тельными присадками, которые вступают в реакцию со свободными радикалами и гидроперекисями, образуя неактивные вещества, растворимые в масле, или разлагают их в менее активные продукты.
Целью настоящих исследований является определение качественных и количественных показателей процесса окисления и зависимости его от температуры.
Испытания проводились на приборе для определения термоокислительной стабильности [1], обеспечивающим термостатирование и перемешивание масла. Термоокислительная стабильность оценивалась по коэффициенту поглощения светового потока, вязкости, летучести и коэффициенту термоокислительной стабильности, определяемого из выражения [2-4]
Ктос _ Кп Цо / Ц исх ,
где Кп - коэффициент поглощения светового потока;
Цо и Цисх - соответственно вязкость окисленного и исходного смазочного масел, сСт.
Кинетика изменения процессов окисления трансмиссионного масла Consol транс. люкс 75W-90 GL-5 представлена зависимостью коэффициента поглощения светового потока от времени испытания (рис. 1). С понижением температуры испытания от 150 до 130°С наблюдается увеличение количества линейных участков зависимости Кп = /(t). Так, при температуре 150°С (кривая 1) выделяется два участка, причем переход от первого на второй характеризуется изгибом зависимости, что объясняется различиями в оптических свойствах образующихся при окислении продуктов. Если продлить второй участок зависимости до пересечения с осью абсцисс, то точка пересечения определяет время образования продуктов, оказывающих большее влияние на оптические свойства масла. Угол наклона участков зависимости к оси абсцисс определяет скорость образование продуктов окисления, влияющих на оптические свойства масла. Можно полагать, что второй участок характеризует процесс образование конечных продуктов окисления, так как после центрифугирования проб масел в кюветах образуется гелеобразный осадок от светло-коричневого до темнокоричневого цвета.
С понижением температуры до 140 и 130°С зависимости характеризуются четырьмя прямолинейными участками, а переход от одного участка к другому характеризуется изгибом, причем при температуре 130°С продолжительность этих участков увеличивается, а угол наклона уменьшается. Кроме того, следует отметить, что если продлить конечные (четвертые) участки зависимостей Кп = /(t) для температур испытания 130 и 140°С до пересечения с осью абсцисс (штриховые линии), то они параллельны вторым участкам, а время начала конечного участка (точки на оси абсцисс) соответствует времени окончания второго участка. На основании изложенного можно предположить, что первый участок характеризует процесс образования начальных продуктов и при достижении определенной их концентрации они переходят в промежуточные, а интенсивность их образования характеризуется скоростью (угол наклона участка к оси абсцисс) и продолжитель-
ностью второго участка. При достижении определенной концентрации промежуточных продуктов они переходят в конечные продукты. Этим объясняется совпадением времени окончания второго участка и началом четвертого участка. Наличие третьего участка, замедляющего окисление масла, вызвано наличием синтетической базовой основы, которая образует свои промежуточные продукты, израсходовав при этом часть кислорода и замедлив общий процесс окисления минеральной основы. Однако при температуре 150°С интенсивность образования начальных и промежуточных продуктов возрастает, уменьшается время их образования и на графике (кривая 1) их не видно.
Влияние процесса окисления и образующихся при этом продуктов на вязкость (рис. 1,б) оценивалось относительной вязкостью Ар, определяемой отношением вязкости окисленного масла к вязкости исходного. Интенсивность изменения относительной вязкости сильно зависит от температуры испытания. Например, значение Ар = 1,25 достигается при испытании масла в течение 45 ч для температуры 150°С, 90 ч при температуре 140°С и 220 ч при температуре испытания 130°С. Таким образом, температура является основным фактором, снижающим ресурс трансмиссионного масла, поэтому при разработке агрегатов трансмиссии необходимо этот фактор учитывать и предусматривать технические решения по снижению температурных условий эксплуатации.
20 60 100 140 180 220
а
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп (а) и относительной вязкости Ац(б) от времени и температуры испытания частично синтетического трансмиссионного масла и синтетического масла Consol транс. люкс 75W-90 GL-5: 1 - 150°С; 2 - 140°С; 3 - 130°С
Связь между относительной вязкостью и образующимися продуктами при окислении трансмиссионного масла можно представить зависимостью от коэффициента поглощения светового потока Кп (рис. 2,а). В начале испытания образующиеся в процессе окисления продукты оказывают влияние на вязкость до значения Кп=0,3, причем с понижением температуры испытания наблюдается снижение вязкости. При значениях коэффициента Кп от 0,3 до 0,65 продукты окисления оказывают одинаковое влияние на вязкость независимо от температуры испытания. Имеющиеся различия зависимости Ар = f( Кп) характерны для температуры испытания 130°С при Кп > 0,65, что объясняется значительным увеличением времени испытания.
Рис. 2. Зависимость относительной вязкости Aj (а) и коэффициента термоокислительной стабильности Ктос (б) от коэффициента поглощения светового потока и температуры испытания частично синтетического трансмиссионного масла Consol транс. люкс 75W-90 GL-5:
1 - 150°С; 2 - 140°С; 3 - 130°С
Механизм окисления можно оценить зависимостью коэффициента термоокислительной стабильности Ктос от коэффициента поглощения светового потока Кп (рис. 2,б), который рассматривает влияние продуктов окисления на оптические свойства и вязкость масла при его испытании. Если продукты окисления оказывают одинаковое влияние на вязкость и оптические свойства масла, то зависимость Ктос = /( Кп) будет наклонена к оси абсцисс под углом 45°С (штриховая линия), а если они оказывают большее влияние на вязкость, то зависимость наклонена под углом больше 45°С. По данным рисунка 2,б можно сделать вывод, что образующиеся продукты окисления в исследуемом диапазоне температур имеют одинаковый состав, но разную концентрацию. Для температуры 130°С, при значениях Кп > 0,5 наблюдается более интенсивное влияние продуктов на вязкость масла, что объясняется значительным увеличением времени испытания.
Важным эксплуатационным показателем трансмиссионных масел является летучесть, которая определяет температурную область работоспособности (рис. 3) и зависит от температуры испытания. Так, 10 г масла испаряется при температурах: 150°С за 33 ч, 140°С - 70 ч и 130°С за 182 ч, поэтому снижение температуры от 150 до 140°С уменьшает летучесть в 2,1 раза, а снижение температуры испытания от 150 до 130°С - летучесть в 5,5 раза. Высокие температурные условия эксплуатации вызывают дополнительное увеличение вязкости, а значит, сокращают ресурс и увеличивают механические потери агрегатов трансмиссий.
Рис. 3. Зависимость летучести от времени и температуры испытания частично синтетического трансмиссионного масла Consol транс. люкс 75W-90 GL-5: 1 - 150°С; 2 - 140°С; 3 - 130°С
Зависимости скорости окисления от температуры и времени испытания представлены на рисунке 4. Согласно приведенным данным скорость окислительных процессов сильно зависит от температуры испытания, так после 40 ч испытания скорость окисления составила для температуры испытания 150°С 0,0215 ч, температуры 140°С - 0,0055 ч, а температуры 130°С окислительные процессы протекают со скоростью, которую аппаратура не регистрирует, т.е. для масла Consol транс. люкс существует область сопротивляемости окислению, продолжительность которой также зависит от температуры. Так, для температуры испытания 150°С она составляет 4 ч, температуры 140°С - 11 ч и температуры 130°С - 44 ч. Кроме того, для температуры испытания 130°С скорость окисления в диапазоне времени от 70 до 240 ч остается постоянной.
0,03
0.02
0.01
Рис. 4. Зависимость скорости окисления Укп от времени и температуры испытания частично синтетического трансмиссионного масла Consol транс. люкс 75W-90 GL-5:
1 - 150°С; 2 - 140°С; 3 - 130°С
Сложность окислительных процессов, протекающих при окислении смазочного материала, можно рассмотреть по характеру изменения приращения скорости окисления AVkr от времени испытания (рис. 5).
Общей закономерностью изменения приращения скорости окисления является его начальное увеличение, что характерно для периода образования начальных и промежуточных продуктов окисления и перехода этой зависимости в колебательный режим, амплитуда колебаний сильно зависит от температуры испытания.
0,001
Рис. 5. Зависимость приращения скорости окисления ЛУкп от времени и температуры испытания частично синтетического трансмиссионного масла Consol транс. люкс 75W-90 GL-5:
1 - 150°С; 2 - 140°С; 3 - 130°С
Процесс окисления при температуре испытания 150°С можно описать следующим образом. В течение 10 часов испытания скорость окисления возрастает, что обусловлено образованием начальных и промежуточных продуктов окисления. В период от 10 до 20 ч происходит уменьшение скорости окисления вследствие образования конечных продуктов окисления, что подтверждается зависимостью Кп = /(t) (рис. 1,а), где штриховая линия начинается от времени равного 10 часам.
Падение скорости окисления вызвано поглощением основной части кислорода промежуточными продуктами, так как энергия активации при образовании начальных и промежуточных продуктов выше, чем энергия активации при образовании конечных продуктов. После 20 часов испытания колебания приращения скорости окисления обусловлено поочередным и изменениями концентрации промежуточных и конечных продуктов окисления. Так, для примера при окислении масла при температуре 150°С после 20 часов испытания происходит накопление промежуточных продуктов до 25 часов, а затем их концентрация подает за счет превращения в конечные продукты. Этот процесс превращения длится от 250 до 32 часов, после чего он повторяется. Такой механизм окисления присущ окислению масла при температурах испытания 140 и 130°С, однако амплитуда приращения скорости окисления и продолжительность периодов образования и превращения промежуточных продуктов в конечные изменяется.
Таким образом, применение таких показателей окислительного процесса, как коэффициент поглощения светового потока, вязкость, летучесть, коэффициент термоокислительной стабильности и скорость окисления позволяет создать физическую модель этого процесса и ее зависимость от температурных условий испытания.
Литература
Пат. 2199114 РФ, МКИ3 G01 N33/28. Прибор для оценки эксплуатационных свойств моторных масел / Ковальский Б.И., Барков Д.Г., Ерашов Р.А., Васильев С.И. Опубл. 20.02.03, Бюл. № 5.
Пат. 2057326 РФ, МКИ3 G01 N33/30. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Ковальский Б.И., Деревягина Л.Н., Кириченко И.А. Опубл. 27.03.96, Бюл. № 9.
Пат. 2219530 РФ, МКИ3 G01 N25/100. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Ковальский Б.И., Васильев С.И., Янаев Е.Ю. Опубл. 20.12.03, Бюл. № 35.
Пат. 2247971 РФ, МКИ3 В01 D29/11. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Ковальский Б.И., Безбородов Ю.Н., Васильев С.И., Бадьина АА Опубл. 10.03.05, Бюл. № 7.
