Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузи на противоизносные свойства товарного и отработанного моторного масла М-8Г2к Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.43-4

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

И. В. Надейкин

ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ И НАГРУЗКИ НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА ТОВАРНОГО И ОТРАБОТАННОГО

МОТОРНОГО МАСЛА М-8Г2К

Введение. Ресурс смазочных материалов определяется температурным режимом эксплуатации. Влияние температуры, в основном, проявляется на поверхностях трения и оценивается параметрами термоокислительной стабильности и температурной стойкостью. Если термоокислительная стабильность нормируется для большинства масел, то температурная стойкость в характеристике масел не приводится. В основном температурная стойкость определяется при граничном трении [1-6] и характеризует нагрузку схватывания. В настоящее время достаточно изучены процессы, протекающие при высоких температурах на поверхностях трения [7-9], а в самом смазочном материале изучены недостаточно, особенно работающих масел.

Цель исследования. Провести сопоставительные исследования температурной стойкости товарного и отработанного минерального моторного масла М-8Г 2К.

Методика исследования. Для исследования выбрано зимнее минеральное масло М-8Г2К товарное и отработанное (пробег 14000 км). Данные

масла термостатировались в специальном приборе в диапазоне температур от 140 до 300 °С с увеличением температуры на 10 °С без перемешивания. Проба масла массой 80 г заливалась в термостойкий стеклянный стакан и термостатировалась в течение 8 часов при атмосферном давлении. В процессе испытания температура поддерживалась автоматически с точностью ±0,5 °С. После каждых 8-ми часов испытания проба термостатированного масла взвешивалась, определялась масса испарившегося масла, часть пробы фотометриро-валась при толщине фотометрируемого слоя 8 мм для товарного масла и 0,15 мм для отработанного, определялась вязкость, а часть пробы испытывалась на трехшариковой машине трения со схемой трения “шар-цилиндр” с параметрами: нагрузка 13, 23 и 33 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура масла в объеме 80 °С, время испытания 2 ч. Оптические свойства определялись по коэффициенту поглощения светового потока КП , противоизносные свойства по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех

140 160 180 200 220 240 260 280 300

Рис. 3. Зависимость летучести от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2К: 1 - товарное масло; 2 - отработанное

шарах.

Результаты исследований и их обсуждение. На рис. 1 представлены зависимости коэффициента К П от температуры испытания. Сравнивая полученные данные товарного и отработанного масел видно, что зависимости коэффициента КП от температуры термостатирования имеют одинаковую тенденцию изменения до температуры 240 °С, после которой наблюдается резкое увеличение коэффициента поглощения светового потока

КП , как для товарного, так и для отработанного масел. Это происходит в результате образования более оптически плотных продуктов деструкции, причем их концентрация для отработанного масла (кривая 2) увеличивается по линейной зависимости, а для товарного масла она стремится к стабилизации.

Вязкость термостатированных масел оценивалась коэффициентом относительной вязкости, определяемым отношением вязкости термостатированного масла к вязкости товарного, причем вязкость отработанного масла как и коэффициент поглощения светового потока имеет кусочнолинейную зависимость (рис. 2), в отличие от товарного масла, у которого зависимость К^ = /(Т) после температуры 240 °С носит

скачкообразный характер. До температуры 240 °С у отработанного масла вязкость растет незначительно - на 4%, у товарного - на 34%. Однако при температуре 280 °С у отработанного масла вязкость увеличивается на 54%, а у товарного при температуре 300 °С она увеличилась на 67%. Учитывая, что допустимое увеличение вязкости не должно превышать 30-40%, то предельной температурой работоспособности для этих масел является температура 270 °С.

Установлено, что для отработанного масла вязкость увеличивается когда образуются оптически плотные продукты деструкции (см. рис. 1), поэтому можно полагать, что при температуре 250 °С происходит переход первичных продуктов деструкции в оптически более плотные из-за малой

концентрации начальных продуктов деструкции в связи с их переходом в более оптически плотные, т.е. существует перераспределение избыточной тепловой энергии.

Летучесть исследованных масел до температуры 210 °С практически не отличается (рис. 3). В дальнейшем летучесть отработанного масла превышает летучесть товарного, кроме того при 250 °С летучесть обоих масел резко увеличивается: у отработанного с 7,4 до 12,9 г, у товарного с 6,2 до 10,8 г. Летучесть товарного масла после 240 °С колеблется с тенденцией к увеличению, что может объясняться перераспределением тепловой энергии между первичными продуктами деструкции и более оптически плотными, причем первые - являются основой для образования вторых - более энергоемких, поэтому с уменьшением концентрации первичных продуктов процесс образования более энергоемких продуктов замедляется и избыточная тепловая энергия поглощается первичными продуктами деструкции при этом рост летучести и вязкости товарного масла замедляются.

Сравнивая зависимости К П = / (Т), к, = / (Т) и О = / (Т) видна связь между параметрами КП, К, и О . Допустимо, что с

увеличением летучести коэффициенты КП и К,

увеличиваются.

Например, для товарного масла (кривая 1) в диапазоне температур от 250 до 270 °С летучесть уменьшается (рис. 3) при этом коэффициент КП (рис. 1) также уменьшается, а вязкость стабилизируется (рис. 2). В диапазоне температур от 280300 °С летучесть колеблется и вызывает адекватное изменение коэффициентов КП и К,. Поэтому процессы перераспределения тепловой энергии между первичными и более энергоемкими продуктами деструкции влияют на скорость испарения масла, которая влияет на коэффициенты КП и К, . Для отработанного масла увеличение

Рис. 4. Зависимости износа от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2К и нагрузки: а - 13Н; б - 23Н; в - 33Н: 1 - товарное масло; 2 - отработанное

летучести после 240 °С вызывает аналогичное увеличение оптических свойств и вязкости.

Для оценки триботехнических свойств термостатированных масел, они испытывались на трехшариковой машине трения с нагрузками 13, 23 и 33 Н. Результаты испытания представлены на рис.

4.

Установлено, что независимо от нагрузки износ отработанного масла (кривая 2) имеет линейные зависимости и = / (Т), различающиеся величиной. Причем износ уменьшается при всех

нагрузках. При нагрузке 13Н он уменьшился на ~

0,035 мм; 23Н ~ 0,055 мм; 33Н ~ 0,02 мм.

Зависимости диаметра пятна износа от коэффициента КП, характеризующего концентрацию продуктов деструкции, и нагрузки представлены на рис. 5. Показано, что с ростом концентрации продуктов температурной деструкции противоиз-носные свойства отработанных термостатированных масел (кривая 2) незначительно повышаются. Для товарного масла при увеличении коэффициента КП до значения ~ 0,02 ед. противоизносные

свойства понижаются боле^ чем в чет^1ре раза по критерий П, определяемый выражением сравнению с товарным маслом. Дальнейшее увеличение коэффициента КП вызывает незначительное повышение противоизносных свойств,

П =

и

(8)

где Кп - коэффициент поглощения светового по-

которые зависят от нагрузки.

В качестве критерия противоизносных тока,и - параметр износа,

свойств термостатированных масел предложен

мм.

Данный критерий (рис. 6) характеризует условную концентрацию продуктов деструкции на номинальной площади фрикционного контакта. Показано, что зависимости критерия противоиз-носных свойств от температуры испытания претерпевает изгиб при температуре 240 °С, а его зависимость от коэффициента поглощения светового потока имеет линейный характер. Причем, чем выше величина нагрузки, тем ниже противо-износные свойства, при одном и том же КП.

Регрессионные уравнения зависимостей про-тивоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при нагрузках имеют вид а) для отработанного масла (кривые 2)

Р=13Н П = 4,4КП, (9)

Р=23Н П = 3,9КП , (10)

Р=33Н П = 3,5КП, (11)

а) для товарного масла (кривые 1)

Р=13Н П = 1,32КП, (12)

Р=23Н П = 1,22КП , (13)

Р=33Н П = 1,15КП , (14)

Рис. 7. Зависимость скорости изменения критерия противоизносных свойств от нагрузки: 1 -товарное масло; 2 - отработанное

Коэффициенты 4,4; 3,9; 3,5; 1,32; 1,22; 1,15 характеризуют скорость УП изменения критерия

противоизносных свойств П , зависимость которой от нагрузки представлена на рис. 7. Установлено, что скорость изменения критерия противо-износных свойств у обоих масел уменьшается с увеличением нагрузки за счет увеличения площади контакта, т. е. понижения противоизносных свойств. Причем скорость у отработанного масла более, чем в 3 раза выше, чем у товарного.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. При термостатировании отработанного минерального моторного масла М-8Г2К выявлены характерные кусочно-линейные зависимости

Кп = /(Т), КМ= / (Т) и а = / (Т), для

которых установлены две критические температу-ры:1) 240 °С, при которой наблюдается резкое увеличение данных коэффициентов; 2) 270 °С, при которой наступает предел работоспособности масел по вязкости, в отличие от товарного масла у которого данные зависимости при носят скачкообразный характер температурах выше 240 °С.

2. Параметр износа термостатированных отработанных масел ниже, чем у товарного, независимо от нагрузки. Предложен критерий оценки про-тивоизносных свойств термостатированных масел, зависимость которого от коэффициента поглощения светового потока имеет линейный характер, и характеризует условную концентрацию продуктов температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, причем противоиз-носные свойства понижаются с увеличением нагрузки испытания.

3. Установлено, что скорость изменения критерия противоизносных свойств у обоих масел уменьшается с увеличением нагрузки, причем эта скорость у отработанного масла примерно в 3 раза выше, чем у товарного.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 23.221-84 Метод экспериментальной оценки температурной стойкости смазочных материалов при трении.

2. Матвеевский Р. Н. Оценка энергии активации процесса химического модифицирования поверхности трения в условиях граничной смазки / Р. М. Матвеевский, И. А. Буяновский и др. // Химия и технология топлив и масел. - 1976. №3. С. 50-52.

3. Патент 2240558 РФ. Способ определения термической стабильности смазочного масла / Б. И. Ковальский, С. И. Васильев, С. Б. Ковальский. - 2004, Бюл. № 32.

4. Мышкин Н. К. К определению температурной стойкости граничных слоев / Н. К. Мышкин, В. В. Кончиц // Трение и износ. - 1981. Т. II. №4, С. 725-728.

5. Матвеевский Р. Н. Температуная стойкость граничных смазочных слоев твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов / Р. Н. Матвеевский. - М.: Наука, 1971. - 227 с.

6. Климов К. И. Противозадирные свойства масел- функция скорости их разложения в зоне трения / К. И. Климов // доклады АН СССР. - 1960. №1. С. 45-48.

7. Буяновский И. А. К оценке нижних температурных пределов действия химически активных присадок / И. А. Буяновский // Трение и износ. -1981. Т.2. №4. С. 702-706.

8. Гершман И. С. Самоорганизация вторичных структур при трении / И. С. Гершман, Н. А. Буше, А. Е. Мироновв, В. А. Никифоров // Трение и износ. - 2003. Т.24. №3. С. 329-334.

9. Гершман И. С. Реализация диссипативной самоорганизации поверхностей трения в трибосисте-мах / И. С. Гершман, Н. А. Буше // Трение и износ. - 1995. Т.16. №1. С. 61-70.

□Авторы статьи

Шрам Вячеслав Геннадьевич, аспирант каф. «Топливное обеспечение и горюче-смазочные материалы» Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск).

E-mail:

shram18rus@mail.ru

Ковальский Болеслав Иванович, докт. техн. наук, профессор каф. «Топливное обеспечение и горючесмазочные материалы» Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г.

Красноярск).

E-mail:

Labsm@mail.ru

Безбородов Юрий Николаевич .• докт. техн. наук профессор каф. «То-пливообеспечение и горючесмазочные материалы» Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск).

E-mail:

Labsm@mail.ru

Сокольников Александр Николаевич . канд. техн. наук . зав. каф. «Проектирование и эксплуатация газо-нефтепроводов» Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск).

E-mail:

Labsm@mail.ru

Надейкин Иван Викторович, канд.. техн. наук, доцент каф. «Топливное обеспечение и горюче-смазочные материалы» (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск) E-mail:

ivan_777_kray@mail.ru