CC BY
33
УДК 621.892
С. А. Кораблев, И. С. Катрюк, Б. И. Ковальский
ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ СИНТЕТИЧЕСКОГО ТРАНСМИССИОННОГО МАСЛА SPECTROL SYNAX 75W-90 GL-5
Проведены результаты испытаний трансмиссионного масла 8рес1га1 8уиах 75W-90 вЬ-5 на термоокислительную стабильность. В процессе исследований определены качественные и количественные показатели процессов окисления названного трансмиссионного масла в зависимости от температуры.
Достаточно полная оценка характера изменения основных показателей окислительных процессов, включая коэффициент поглощения светового потока, вязкость, летучесть, коэффициент термоокислительной стабильности, скорость окисления предопределяет возможность последующей разработки соответствующих методов улучшения эксплуатационных качеств трансмиссионного масла 8рес1го1 8уиах 75W-90 вЬ-5, применяемого в гипоидных передачах, работающих с ударными нагрузками при контактных напряжениях выше 3000 МПа и изменяющихся температурах до 150 0С.
Синтетическое масло Spectrol Sy-nax 75W-90 GL-5 относится к всесезон-ному классу вязкости 75W-90, диапазон рабочих температур в зимнее время эксплуатации до минус 40 °С. Кинетическая вязкость при 100 °С находится в пределах 13,5-24 мм2/с. По эксплуатационным свойствам данное масло принадлежит к группе GL-5 (классификация API) и применяется в гипоидных пределах, работающих в условиях больших и малых крутящих моментов, при действии ударных нагрузок на зубьях шестерен. Содержит большую концентрацию серофосфоросодержащей противозадирной присадки.
Целью настоящей работы является определение термоокислительной стабильности в диапазоне температур 130-150 °С. Методика исследования заключалась в термостатировании постоянной массы (100 г) пробы, ее перемешивании в процессе испытания и отборе проб для анализа. Для исключения влияния металлов на окислительные процессы проба масла помещалась в стеклянный стакан и перемешивалась стеклянной мешалкой. Температура испытания устанавливалась дискретно и поддерживалась автоматически с точностью ±2 °С. Термоокислительная стабильность оценивалась по коэффициенту поглощения светового потока при фотометрировании пробы окисленного масла, вязкости и летучести.
Зависимости коэффициента поглощения светового потока от времени и температуры испытания приведены на рис. 1. Характерной особенностью приведенных зависимостей является наличие линейных участков с различной интенсивностью протекания окислительных процессов, причем с понижением температуры интенсивность окисления снижается, а продолжительность участков увеличивается.
С понижением температуры испытания количество участков увеличивается. При температуре 150 °С зависимость Кп = f(í) имеет три участка, при температуре 140 °С - четыре участка, а при 130 °С - шесть участков, что под-т верждает сложность окислительных процессов, протекающих в синтетических маслах. Однако следует отметить, что последний участок зависимостей Кп = f(\) начинается при значении коэффициента Кп = 0,35 независимо от температуры испытания и характеризуется наибольшей интенсивностью. Можно полагать, что при этом значении коэффициента Кп образуются конечные продукты окисления.
В начале испытания синтетического масла до значения коэффициента поглощения светового потока Кп = 0,05 образуются начальные продукты, скорость образования которых определяется уг-
лом наклона линейного участка зависимости. В дальнейшем происходят более сложные процессы, которые определяются температурой испытания, так для температуры 150 °С наступает более интенсивное увеличение коэффициента Кп после 5 ч испытания. Для температуры 140 °С интенсивное
увеличение коэффициента Кп наступает после 8 ч испытания, а для температуры в 130 °С - после 30 ч испытания, однако в промежутке времени от 15 до 30 ч наблюдается стабилизация значения коэффициента Кп = 0,05.
20 40 60 80 100 120 140 160 180
Время испытания, ч
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от времени и температуры испытания синтетического трансмиссионного масла Spectrol Synax 75W-90 GL-5: 1 - 150 °С; 2 - 140 °С;
3 - 130°С
Для температуры 150 °С характерен переход от второго участка к конечному с более интенсивным увеличением коэффициента Кп, тогда как для температуры в 140 °С второй участок зависимости Кп = /(1) переходит в третий с менее интенсивным изменением коэффициента Кп, который длится от 20 до 37 ч испытания. Для температуры в 130 °С этот участок длится от 55 до 125 ч и имеет два участка с различной интенсивностью изменения коэффициента Кп. Здесь можно предположить, что при окислении синтетического масла образуется три вида продуктов окисления: начальные, промежуточные и конечные. По данным рис. 1 начальные продукты окисления образуются до значения коэффициента Кп = 0,05, переход начальных
продуктов в промежуточные зависит от температуры испытания и имеет некоторые особенности их образования при снижении температуры испытания. Так, для температуры испытания 150 °С видны четкие границы перехода начальных продуктов окисления в промежуточные, а их - в конечные; при этом происходит изгиб зависимости Кп = /(1).
При температуре испытания 140 °С также наблюдается изгиб зависимости при переходе начальных продуктов окисления в промежуточные. Однако последние переходят в конечные с некоторым периодом времени их формирования (кривая 2, участок зависимости от 20 до 37 ч), причем, если продлить конечный участок зависимости до пересе-
чения с осью абсцисс (штриховая линия), то начало образования конечных продуктов совпадает с началом их формирования при значении Кп = 0,25.
При температуре испытания 130 °С образуется шесть участков зависимости Кп = /(1), вызывающих ее изгиб. Первый участок характеризует кинетику образования начальных продуктов окисления. Второй участок определяет период времени от 15 до 28 ч формирования промежуточных продуктов окисления. Третий участок зависимости от 28 до 55 ч характеризует кинетику образования промежуточных продуктов окисления и при достижении определенной их концентрации (Кп = 0,2) наступает период их стабилизации (время от 55 до 85 ч) и переход к участку формирования конечных продуктов окисления (время от 85 до 125 ч). Время формирования конеч-
а)
ных продуктов (85 ч) совпадает, если продлить последний участок зависимости Кп = /(1) (кривая 3) до пересечения с осью абсцисс (штриховая линия).
Таким образом, для синтетических масел при их окислении для образования промежуточных и конечных продуктов необходим переходный период времени их формирования, однако с увеличением температуры испытания эти периоды либо уменьшаются во времени, либо исчезают за счет ускорения окислительных процессов.
Изменение вязкости синтетического масла при его окислении оценивалось коэффициентом относительной вязкости Ац, определяемым отношением вязкости окисленного масла к вязкости товарного масла (рис. 2, а).
20 40 60 80 100 120 140 160 180
Время испытания, ч
б)
Рис. 2. Зависимость относительной вязкости Ац (а) и коэффициента термоокислительной стабильности Ктос (б) от времени и температуры испытания синтетического трансмиссионного масла 8реС:го1 8упах 75"^90 вЬ-5: 1 - 150 °С; 2 - 140 °С; 3 - 130 °С
Общей тенденцией при окислении является увеличение вязкости, однако температура испытания влияет на скорость изменения вязкости. Так, значение коэффициента Лц = 1,5 достигается при температуре 150 °С за 55 ч; при 140 °С -за 65 ч, а при 130 °С - за 140 ч.
Параметром, учитывающим при
окислении синтетического масла изменения его вязкости и оптических свойств, является коэффициент термоокислительной стабильности Ктос (рис. 2, б). Согласно приведенным данным вязкость окисленного масла вносит существенные изменения коэффициента термоокислительной стабильности.
Летучесть трансмиссионных масел является важным эксплуатационным показателем, т. к. определяет температурный режим работы агрегатов трансмиссии, влияет на увеличение вязкости и попадание извне загрязнений. Как видно из рис. 3, летучесть зависит от температуры, так 5 г масла испаряется при температуре испытания 150 °С за 13 ч, при 140 °С - за 18 ч, а при 130 °С -за 100 ч, поэтому температурный режим работы трансмиссий не должен превышать 130 °С, где летучесть уменьшается в 5,5 раза по сравнению с температурой испытания 140 °С.
Рис. 3. Зависимость летучести от времени и температуры испытания синтетического трансмиссионного масла 8реС:го1 8упах 75W-90 вЬ-5: 1 - 150 °С; 2 - 140 °С; 3 - 130 °с
Механизм окисления синтетического трансмиссионного масла можно оценить по кинетическим зависимостям коэффициента термоокислительной стабильности от коэффициента поглощения светового потока, которые определяют влияние продуктов окисления на оптические свойства и вязкость масла (рис. 4). Если продукты окисления оказывают одинаковое влияние на оптические свойства масла (коэффициент Кп) и его вязкость, 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 к оси абсцисс под углом больше 45°, что наблюдается в нашем случае. Однако при температуре испытания 150 °С (кривая 1) зависимость наклонена под меньшим углом, чем для температур испытания 140 и 130 °С, которые совпадают.
2, 3
Коэффициент поглощения светового потока
Рис. 4. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности Ктос от коэффициента поглощения светового потока Кп и температуры испытания синтетического трансмиссионного масла БреСЙо! 8уиах 75"^90 вЬ-5; 1 - 150 °С; 2 - 140 °С; 3 - 130 °С
Это подтверждает, что при температуре 150 °С процессы окисления протекают более интенсивно, а образующиеся продукты окисления большее влияние оказывают на оптические свойства масла, чем при более низких температурах испытания.
Кинетику процесса окисления можно представить зависимостью скорости окисления от времени и температуры испытания (рис. 5, а). Для температуры испытания 150 °С скорость окисления УКп от времени испытания увеличивается по параболической зависимости (кривая 1). Для температуры испытания 140 °С зависимость (кривая 2) имеет синусоидальную форму, причем начальный участок характеризует кинетику образования начальных и промежуточных продуктов окисления. Протяженность этого участка равна 20 ч.
В промежутке времени от 20 до 37 ч наблюдается уменьшение скорости окисле-
ния, что соответствует периоду формирования конечных продуктов окисления (см. рис. 1). В промежутке времени от 37 до 59 ч наблюдается увеличение скорости окисления за счет образования конечных продуктов.
Для температуры 130 °С скорость окисления изменяется незначительно, а ее абсолютная величина значительно меньше, чем при температурах 140 и 150 °С. При уменьшении температуры от 150 до 140 °С скорость окисления уменьшилась в 2,5 раза, а от 150 до 130 °С - в 12 раз.
Процессы окисления в трансмиссионном масле можно оценить приращением коэффициента поглощения светового потока ЛКп в зависимости от температуры и времени испытания (рис. 5, б). Так, для температуры 150 °С приращение скорости окисления (кривая 1) характеризуется экспонентой, поэтому процес-
сы образования и перехода начальных, промежуточных и конечных продуктов
протекают так быстро и одновременно, что они описываются экспонентой.
а)
Время испытания, ч
Время испытания, ч
Рис. 5. Зависимость скорости окисления УКп (а) и приращения коэффициента поглощения светового потока ДКп (б) от времени и температуры испытания синтетического трансмиссионного масла Зрес^о! Зупах 75W-90 вЬ-5: 1 - 150 °С; 2 - 140 °С; 3 - 130 °с
Для температуры испытания 140 °С характерны колебания приращения коэффициента Кп, которые определяются процессами образования соответствующих продуктов (кривая 2). Так, в течение 20 ч происходит увеличение приращения за счет образования конечных продуктов окисления, которые увеличивают приращение коэффициента Кп от 37 до 46 ч, а затем снижают его за счет снижения концентрации промежуточных продуктов.
При температуре 130 °С изменения приращения коэффициента Кп отражают механизм окисления и образования тех или иных продуктов окисления, описанных при анализе зависимостей Кп = f(í) (см. рис. 1).
Более чувствительным параметром, характеризующим процесс окисления синтетического масла, является приращение скорости окисления (рис. 6). Этот параметр является более чувствительным и зависит от температуры испытания и ха-растеризуется спектром затухающих колебаний. Так, при температуре испытания 150 и 140 °С спектр состоит из 2,5 колебаний, а для температуры 130 °С он состоит из трех колебаний, причем период колебаний увеличивается с уменьшением температуры испытания. Спектр колебаний приращения скорости окисления характеризует продолжительность цикла образования тех или иных продуктов окисления или сброс избыточной энер-
гии. Так, например, для температуры испытания 150 °С амплитуда колебания продолжительностью 5 ч характеризует увеличение концентрации начальных продуктов окисления, которая затем уменьшается за счет формирования промежуточных продуктов, концентрация которых формирует вторую амплитуду спектра приращения
скорости окисления. При достижении определенной концентрации промежуточных продуктов окисления она падает из-за формирования условий образования конечных продуктов, увеличение концентрации которых определяет третью амплитуду спектра приращения скорости окисления.
Рис. 6. Зависимость приращения скорости окисления ДУКп от времени и температуры испытания синтетического трансмиссионного масла Spectrol Synax 75W-90 GL-5: 1 - 150 °С; 2 - 140 °С; 3 - 130 °С
Аналогичная картина наблюдается при испытании синтетического масла при температуре 140 °С, однако амплитуда спектра ниже, а ее период по времени увеличивается по сравнению с данными испытания при температуре 150 °С. Для температуры испытания 130 °С эти параметры присущи также, однако амплитуда спектра меньше, а продолжительность периода колебания значительно увеличивается. Полученные данные по спектру колебаний приращения ско-
рости окисления выдвигают требования по обоснованию выбора оптимальной температуры испытания на термоокислительную стабильность. Это позволяет объяснить механизм образование продуктов окисления, распределение их концентрации и продолжительность по времени переходных процессов. Для синтетического масла 8рес1го1 Буиах 75W-90 ОЬ-5 оптимальной температурой является 140 °С.
Таким образом, проведенными ис- термоокислительной стабильности для
следованиями показана практическая зна- определения эксплуатационных свойств
чимость предложенных критериев оценки исследуемых масел.
Морская государственная академия им. Ф. Ф. Ушакова Сибирский Федеральный университет Материал поступил 30.06.2007
S. A. Korabljev, I. S. Katrjuk, B. I. Kovalsky Thermal and oxidizing stability of synthetic transmission oil Spectrol Synax 75W-90 GL-5
F. F. Ushakov Naval State Academy Siberian Federal University
Testing results of transmission oil Spectrol Synax 75W-90 GL-5 on thermal and oxidizing stability have been obtained. Qualitative and quantitative indicators of oxidizing processes of the mentioned transmission oil depending on temperature have been defined.
Full enough estimation of changing character of the main parameters of oxidizing processes including a light stream absorption factor, viscosity, volatility, thermal and oxidizing stability factor and oxidation speed gives opportunity for further development of corresponding methods of operation qualities of transmission oil Spectrol Synax 75W-90 GL-5 improvement , applied in transfers working with shock loadings at contact pressure above 3000 MPa and changing temperatures up to 150 0C.
