CC BY
26
УДК 621.892.2
ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛЬНОГО МОТОРНОГО МАСЛА U-TECH NAVIGATOR 15W-40 SG/CD
© О.Н. Петров1, В.Г. Шрам2, М.А. Ковалева3, А.А. Метелица4
Сибирский федеральный университет,
660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 82/6.
Представлены результаты влияния продуктов температурной деструкции на оптические свойства, кинематическую вязкость, испаряемость и противоизносные свойства минерального моторного масла при его термостатиро-вании в диапазоне температур от 140 до 300°С. Установлено влияние величины и полярности тока, пропускаемого через фрикционный контакт, на противоизносные свойства термостатированного минерального моторного масла U-tech navigator 15W-40 SG/CD.
Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока; испаряемость; коэффициент относительной вязкости; коэффициент температурной стойкости; коэффициент сопротивления температурной деструкции; критерий противоизносных свойств.
THE EFFECT OF THERMAL DESTRUCTION PRODUCTS AND ELECTRIC POTENTIAL ON ANTIWEAR PROPERTIES OF U-TECH NAVIGATOR 15W-40 SG/CD MINERAL MOTOR OIL O.N. Petrov, V.G. Shram, M.A. Kovaleva, A.A. Metelitsa
Siberian Federal University,
82/6, Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.
The article describes the results of the influence of thermal degradation products on optical properties, kinematic viscosity, evaporation potential and antiwear properties of the mineral motor oil under its thermostating in a range of temperatures from 140 to 300°C. The effects of magnitude and polarity of the current passing through the frictional contact on antiwear properties of the U-tech navigator 15W-40 SG/CD thermostated mineral motor oil is determined. Keywords: light flux absorption coefficient; evaporation; relative viscosity ratio; coefficient of thermal resistance; coefficient of resistance to thermal degradation; criterion of antiwear properties.
В работе любых механических узлов присутствует смазка, назначение которой - снижение износа деталей и узлов и отвод от них тепла при трении, и именно качество смазки в основном определяет ресурс трущихся узлов. Задачей представленной научной работы является улучшение смазывающей способности смазочных масел и, как следствие, снижение износа трущихся поверхностей и повышение ресурса.
В работе А.С. Ахматова [1] говорится о явлении переориентации диполей молекул под воздействием электрического поля. Было высказано предположение о том, что при определенной полярности тока, пропускаемого через фрикционный контакт, на поверхностях трения может образовываться более прочная пленка
смазочного масла, защищающая трущиеся поверхности от износа.
Известно также, что в процессе работы смазочное масло подвергается деструкции, и не учитывать влияние ее продуктов на противоизносные свойства нельзя, поскольку эффект влияния электрического потенциала на смазывающую способность масла, только что вышедшего с завода и отработавшего в различных температурных и нагрузочных режимах, может оказаться различным.
Данная работа направлена на исследование смазочного масла в исходном и термостатированном в лабораторных условиях виде на противоизносные свойства при различных значениях величины и поляр-
1Петров Олег Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов Института нефти и газа, тел.: 89607526235, e-mail: petrov_oleq@mail.ru
Petrov Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Petroleum and Natural Gas Pipeline Design and Operation of the Institute of Oil and Gas, tel.: 89607526235, e-mail: petrov_oleq@mail.ru
2Шрам Вячеслав Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры топливообеспечения и горюче-смазочных материалов Института нефти и газа, тел.: 89504014163, e-mail: shram18rus@mail.ru
Shram Vyacheslav, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Fuel Supply, Fuel and Lubrication Materials of the Institute of Oil and Gas, tel.: 89504014163, e-mail: shram18rus@mail.ru
3Ковалева Мария Александровна, кандидат химических наук, доцент кафедры топливообеспечения и горюче-смазочных материалов Института нефти и газа, тел.: 89029100827, e-mail: lera0727@yandex.ru
Kovaleva Maria, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Fuel Supply, Fuel and Lubrication Materials of the Institute of Oil and Gas, tel.: 89029100827, e-mail: lera0727@yandex.ru
4Метелица Артем Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры топливообеспечения и горюче-смазочных материалов Института нефти и газа, тел.: 89135198908, e-mail: metelitsa_art@mail.ru
Metelitsa Artem, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Fuel Supply, Fuel and Lubrication Materials of the Institute of Oil and Gas, tel.: 89135198908, e-mail: metelitsa_art@mail.ru
ности электрического тока, пропускаемого через фрикционный контакт в режиме трения, с целью улучшения смазывающей способности масла, снижения износа трущихся поверхностей и увеличения ресурса.
В качестве образца для исследований было выбрано минеральное моторное масло U-tech navigator 15W-40 SG/CD. Следует отметить, что в данной работе предлагается методика исследований влияния величины и полярности тока на противоизносные свойства смазочных материалов, поэтому выбор образца не является определяющим.
Методика исследования предусматривает применение следующих средств контроля: прибора для термостатирования масел с целью создания условий процессов температурной деструкции; фотометрического устройства для контроля изменения оптических свойств масла; малообъемного вискозиметра для контроля изменения вязкости масла; трехшариковой машины трения со схемой трения «шар - цилиндр» для создания условий процесса изнашивания; оптического микроскопа «Альтами МЕТ 1М» для контроля проти-воизносных свойств масел, оцениваемых по диаметру пятна износа шаров, и электронных весов, с помощью которых оценивается испаряемость масла.
Испытания проводились в два этапа. На первом этапе исследовалась температурная стойкость масла в диапазоне температур от 140 до 300°С, на втором этапе - изменение противоизносных свойств термостатированных масел и интенсивность механохимиче-ских процессов, протекающих на фрикционном контакте, измеряемых электрометрическим методом, предусматривающим пропускание постоянного тока через пару трения от внешнего стабилизированного источника питания величиной 100, 200 и 300 мкА различной полярности. Параметры трения при этом составили: нагрузка - 13 Н, скорость скольжения - 0,68 м/с, тем-
пература масла в объеме - 80°С, время испытания - 2 часа.
На рис. 1 представлена зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры тер-мостатирования.
Установлены две характерные температурные области с различной интенсивностью увеличения коэффициента поглощения светового потока. Первая область ограничивается температурой 213°С. Вторая температурная область (выше 213°С) характеризуется более интенсивным увеличением коэффициента Кп и вызывает изгиб зависимости Кп = f (Т). Более интенсивное увеличение коэффициента Кп во второй области вызвано образованием продуктов деструкции с более высокой оптической плотностью, чем в первой области, то есть в температурном интервале термо-статирования минерального масла до 300°С образуются два вида продуктов деструкции - первичные и вторичные. Это подтверждается центрифугированием термостатированных масел при температурах выше 220°С, где установлен гелеобразный осадок, объем которого зависит от температуры [2].
В целом процесс деструкции минеральных масел описывается линейными уравнениями типа
Кп = а • (Т - Тн) + Ь,
где а - параметр, характеризующий скорость образования продуктов деструкции; Ь - параметр, характеризующий начальное значение коэффициента поглощения светового потока; Т - температура испытания, °С; Тн - температура начала деструкции, °С.
Масло начинает изменять оптические свойства от температуры 129°С.
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования минерального моторного масла U-tech navigator 15W-40 SG/CD: 1 - при толщине фотометрируемого слоя 8 мм; 1' - при толщине фотометрируемого слоя 2 мм
Регрессионные уравнения имеют вид: для первого участка - = 0,0018 • (Т-129), для второго участка - = 0,018 • (Т - 204). Коэффициенты корреляции составили 0,9998. Температура, при которой образуются вторичные продукты деструкции, составила Т =213°С, поэтому она является критической и соответствует коэффициенту поглощения светового потока =0,15.
Испаряемость моторных масел косвенно характеризует температурный предел их работоспособности и поэтому является эксплуатационным показателем (рис. 2). В температурном диапазоне от 140 до 180°С испаряемость постоянная и характеризует концентрацию легких фракций и воды в масле.
Рис. 2. Зависимость испаряемости от температуры термостатирования минерального моторного масла U-tech navigator 15W-40 SG/CD
По данному показателю предельной температурой работоспособности минерального масла можно принять температуру, равную 200°С.
Изменение вязкости при термостатировании минерального масла оценивалось коэффициентом относительной вязкости К , определяемым выражением
К^-Цт 1 ¡исх ,
где ¡т и ¡лисх - соответственно кинематическая вязкость термостатированного масла и исходного товарного масла до испытания.
Для исследованного минерального масла коэффициент относительной вязкости до температуры испытания 280°С практически не изменяется, однако, при дальнейшем увеличении температуры вязкость увеличивается на 70% в сравнении с товарным маслом, что превышает допустимое увеличение на 30% (рис. 3).
Вязкость в данном случае не влияет на параметр температурной стойкости, так как она зависит от концентрации продуктов температурной деструкции и определяет предельную температуру применения масел, при которой она либо увеличивается на 40%, либо уменьшается на 20%. Для минерального моторного масла U-tech navigator предельная температура применения составила 285°С.
В результате проведенных исследований показано, что процесс самоорганизации минеральных масел при термостатировании происходит по двум каналам, изменению оптических свойств и испаряемости, и может выражаться физической моделью (рис. 4).
Рис. 3. Зависимость коэффициента относительной вязкости от температуры термостатирования минерального масла U-tech navigator 15W-40 SG/CD
Рис. 4. Физическая модель процессов самоорганизации в смазочных материалах
при термостатировании
Применение в качестве критерия температурной стойкости масел коэффициента сопротивляемости температурной деструкции , учитывающего изменение оптических свойств и испаряемости, позволяет рассмотреть в динамике изменение сопротивляемости масел температурным воздействиям [3].
Если предположить, что каждый смазочный материал характеризуется своим сопротивлением температурной деструкции, которое можно принять за единицу, то изменение сопротивляемости температурным воздействиям можно определить из выражения
= ! __Кп1Ка_
Кп + KG
где Кв - коэффициент испаряемости масла, в свою очередь рассчитываемый по формуле
Ка = т / М,
где т - масса испарившегося масла, г; М - масса оставшегося масла после термостатирования, г.
Установлено, что для исследованного масла зависимость коэффициента сопротивляемости температурной деструкции от температуры термостатирования имеет монотонно убывающий характер, что свидетельствует о снижении сопротивляемости температурной деструкции с ростом температуры (рис. 5).
Применяемая схема трения «шар - цилиндр» реализует пластическую, упругопластическую и упругую деформации по мере увеличения фактической пло-
щади контакта, поэтому предоставляется возможность исследовать динамику изменения механохимических процессов в зависимости от вида деформации и их влияние на электропроводность фрикционного контакта. Чем больше величина тока, протекающего через пару трения, тем большее влияние он оказывает на процессы адсорбции и хемосорбции, а значит на свойства граничных слоев и износ. С увеличением времени испытания за счет увеличения площади контакта пластическая деформация переходит в упруго-пластическую деформацию, при которой ток, протекающий через фрикционный контакт, уменьшается до минимального значения (рис. 6) [4].
Рис. 5. Зависимость коэффициента сопротивления температурной деструкции от температуры испытания минерального моторного масла U-tech navigator 15W-40 SG/CD
в
Рис. 6. Диаграммы записи тока при испытании минерального моторного масла U-tech navigator 15W-40 SG/CF при токе 100 мкА положительной полярности на шаре: а - товарное масло; б - Т = 140°С (область первичных продуктов); в - Т = 200°С (начало области вторичных продуктов)
Хотя продолжительность упругопластической деформации менее 5 мин., она характеризует приспосабливаемое^ элементов трибосистемы к внешним воздействиям путем формирования граничной пленки, способной разделять поверхности трения. Уменьшение тока до минимального значения характеризует наступление установившегося изнашивания, при этом скорость изнашивания минимальна.
Сравнивая диаграммы записи тока, полученные при испытании товарного масла и масла с первичными продуктами (рис. 6, б) и вторичными (рис. 6, е), видно, что вторичные продукты образуют хемосорб-ционные слои, вызывающие уменьшение тока, протекающего через фрикционный контакт, за счет их более высокого электрического сопротивления. Чем дольше продолжительность пластической и упругопластической деформаций, тем больше значение параметра износа.
Изменение величины тока и его полярности влияет как на механохимические процессы, протекающие на фрикционном контакте, так и на поверхностную энергию твердого тела.
При граничном трении поверхности трения поляризуются, поэтому приложение внешнего потенциала к поверхностям усиливает или снижает общий электрический потенциал, что важно учитывать при исследованиях и в практике.
Влияние величины тока и положительной полярности на шаре исследовалось в диапазоне от +100 до +300 мкА. Величина тока задавалась при статическом положении шаров и цилиндра. Результаты исследования представлены на рис. 7.
Установлено, что при образовании первичных продуктов деструкции (область I), то есть до коэффициента поглощения светового потока Кп =0,133 (Т =200°С), диапазон изменения параметра износа составляет от 0,32 до 0,28 мм для тока 100 мкА, от 0,3 до 0,26 мм - для тока 200 мкА, и от 0,38 до 0,22 мм -для тока 300 мкА, причем при токе 300 мкА противоиз-носные свойства улучшаются.
При образовании вторичных продуктов деструкции в области II (после изгиба зависимости Кп = f(Т), см. рис. 1) при коэффициенте поглощения светового потока Кп от 0,27 и выше (Т >220°С) ток повышает
противоизносные свойства масла относительно зависимости без тока, что объясняется усилением адсорбционных процессов на шарах с положительным потенциалом. Вместе с тем при токах 100 мкА противоизносные свойства изменяются в пределах от 0,36 до 0,3 мм, при токах 200 мкА противоизносные свойства стабильны и параметр износа равен 0,3 мм, а при токе 300 мкА противоизносные свойства повышаются с уменьшением параметра износа от 0,3 до 0,26 мм. Такие изменения противоизносных свойств при положительном электрическом потенциале на шарах и величине тока объясняются различиями в структуре и свойствах граничных слоев, которые зависят от концентрации продуктов деструкции. В этой связи необходимо определить влияние величины тока при отрицательном потенциале на шарах (рис. 8).
При сравнении полученных результатов с данными, представленными на рис. 8, видны существенные различия в температурных диапазонах снижения и повышения противоизносных свойств термостатированных масел в зависимости от величины и полярности токов. Так, в области I для тока 100 мкА при отрицательном потенциале на шарах противоизносные свойства понижаются и параметр износа увеличивается от 0,26 до 0,38 мм, для тока 200 мкА противоизносные свойства повышаются от 0,42 до 0,26 мм, для тока 300 мкА противоизносные свойства колеблются в диапазоне от 0,26 до 0,42 мм с общей тенденцией понижения. При отрицательном потенциале на шарах наибольшее влияние на противоизносные свойства оказывает ток 200 мкА.
При образовании вторичных продуктов деструкции (область II) при токе 100 и 300 мкА противоизносные свойства повышаются и значение параметра износа уменьшается от 0,5 до 0,34 мм, а при токе 200 мкА противоизносные свойства колеблются в пределах 0,26-0,32 мм.
В качестве критерия противоизносных свойств термостатированных масел П используется отношение коэффициента Кп к параметру износа и , характеризующему условную концентрацию продуктов температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта [5].
Рис. 7. Зависимость параметра износа от температуры термостатирования минерального моторного масла U-tech navigator 15W-40 SG/CD при положительном потенциале на шаре: 1 - ток 100 мкА; 2 - ток 200 мкА; 3 - 300 мкА; I - низкотемпературная область; II - высокотемпературная область
ОД 0,3 0,5 0,7 0,9
Рис. 8. Зависимость параметра износа от температуры термостатирования минерального моторного масла U-tech navigator 15W-40 SG/CD при отрицательном потенциале на шаре: 1 - ток 100 мкА; 2 - ток 200 мкА; 3 - 300 мкА; I - низкотемпературная область; II - высокотемпературная область
Рис. 9. Зависимость критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощение светового потока при испытании минерального моторного масла U-tech navigator 15W-40 SG/CD: а - при положительном потенциале на шаре; б - при отрицательном потенциале на шаре:--ток 100 мкА;----ток 200 мкА;----ток 300 мкА
Зависимость критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока представлена на рис. 9.
Зависимости П = f(Кп) описываются линейными уравнениями типа
П = аКп,
где а - параметр, характеризующий скорость изменения условной концентрации продуктов деструкции на фрикционном контакте.
Регрессионное уравнение зависимости
П = f (Кп) имеет вид:
а) при положительном потенциале на шаре и токах:
100 мкА: П = 2,62КП ; 200 мкА: П = 3,38КП ; 300 мкА: П = 3,10КП;
б) при отрицательном потенциале на шаре и то-
ках:
100 мкА 200 мкА 300 мкА
П = 3,04КП ; П = 3,37КП ; П = 3,29Ктт.
В целом при положительном потенциале противоизносные свойства значительно выше, чем при отрицательном. Так, при токе 100 мкА они выше на 7,4%; при токе 200 мкА - на 8,5%; при токе 300 мкА - на 32,6%.
Таким образом, в ходе проведенных исследований установлены:
- процесс температурной деструкции, характеризующийся образованием первичных и вторичных продуктов деструкции, различающихся оптическими свойствами;
- температуры начала образования первичных и
вторичных продуктов деструкции;
- температурная область работоспособности моторных масел;
- температуры предельного изменения вязкости при термостатировании масел;
- критерии сопротивляемости температурной деструкции и противоизносных свойств.
В целом результаты исследования значительно расширяют информацию для потребителей о температурной стойкости минеральных моторных масел.
Статья поступила 06.07.2015 г.
Библиографический список
1. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматлит, 1963. 472 с.
2. Исследование термостойкости минеральных моторных масел. Часть 1 / В.Г. Шрам, Б.И. Ковальский, О.Н. Петров, Ю.Н. Безбородов, А.Н. Сокольников // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 13. С. 143-147.
3. Пат. 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.
4. Определение смазывающей способности моторных масел
по параметру суммарной продолжительности деформаций / Ю.Н. Безбородов, О.Н. Петров, А.Н. Сокольников,
B.Г. Шрам, А.А. Игнатьев // Вестник ИрГТУ. 2012. № 8 (67).
C. 125-129.
5. Пат. РФ № 2419791 МПК О 01 N 33/30, О 01 N 3/56. Способ определения смазывающей способности масел / Б.И. Ковальский, О.Н. Петров, А.В. Кузьменко, А.С. Ромащенко, А.В. Берко; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». № 2010108896/15; заявл. 09.03.2010; опубл. 27.05.2011. Бюл. № 15.
