CC BY
29
Международный технико-экономический журнал. 2012. № 2. С. 99-104.
6. Философский энциклопедический словарь / под ред. Л.Ф. Ильичева [и др.]. М.: Советская энциклопедия, 1983. 840 с.
7. Elvik R. Cost-benefit analysis of road safety measures: ap-
plicability and controversies // Accident Analysis and Prevention. 2001. V. 33. P. 9-17.
8. Kapskij D. Development of the system of road traffic safety improvement in accident seats of urban areas // Transport and Telecommunication. 2009. V. 10. № 1. P. 30-37.
УДК 621.892.1
ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ НА ОКИСЛЕНИЕ И ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА СИНТЕТИЧЕСКОГО МОТОРНОГО МАСЛА MOBIL SUPER 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF
© Б.И. Ковальский1, Н.Н. Малышева2, Е.Г. Кравцова3, А.А. Рябинин4
Сибирский федеральный университет,
660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 82/6.
Приведены результаты исследования влияния температуры на изменение оптических свойств, вязкости и проти-воизносных свойств синтетического моторного масла. Оценено влияние продуктов температурной деструкции на процессы окисления и противоизносные свойства окисленных масел. Ил. 11. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока; коэффициент относительной вязкости; продукты температурной деструкции и окисления; летучесть масел; критерий противоизносных свойств; потенциальный ресурс.
THERMAL DESTRUCTION PRODUCT EFFECT ON OXIDATION AND ANTIWEAR PROPERTIES OF SYNTHETIC
MOTOR OIL MOBIL SUPER 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF
B.I. fovalskiy, N.N. Malysheva, E.G. Kravtsova, А.А. Ryabinin
Siberian Federal University,
82/6, Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.
The article introduces the results of studying the effect of temperature on changes in optical properties, viscosity and anti-wear characteristics of the synthetic motor oil. The influence of thermal destruction products on oxidation and anti-wear properties of oxidized oils is evaluated. 11 figures. 2 sources.
Key words: light flux absorption factor; coefficient of relative viscosity; products of thermal destruction and oxidation; oil volatility; antiwear criterion; potential resource.
На поверхностях трения одновременно протекают процессы окисления, температурной, механической и химической деструкции смазочных масел, интенсивность которых зависит от базовой основы и легирующих присадок. Поэтому оценка долевого влияния каждого из процессов на состояние масел имеет научное и практическое значение.
Цель работы: определить влияние продуктов температурной деструкции на процессы окисления и противоизносные свойства синтетического моторного масла.
Методика исследования предусматривала приме-
нение средств измерения прибора для определения температурной стойкости: малообъемного вискозиметра; прибора для определения термоокислительной стабильности; трехшариковой машины трения и электронных весов.
Методика предусматривала на первом этапе тер-мостатирование проб масел постоянной массы в интервале температур от 160 до 300°С с увеличением на 20°С без перемешивания, что практически исключало их окисление. При каждой температуре время испытания составляло 8 часов. После термостатирования отбирались пробы масла для фотометрирования и
1Ковальский Болеслав Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры топливообеспечения и горюче -смазочных материалов Института нефти и газа, тел.: (391) 2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
Kovalskiy Boleslav, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Fuel Supply and Oil and Lubrication Materials of the Institute of Oil and Gas, tel.: (391) 2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
2Малышева Наталья Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры топливообеспечения и горюче -смазочных материалов Института нефти и газа, тел.: 89131905779, e-mail: nataly.nm@mail.ru
Malysheva Natalia, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Fuel Supply and Oil and Lubrication Materials of the Institute of Oil and Gas, tel.: 89131905779, e-mail: Nataly.nm@mail.ru
3Кравцова Екатерина Геннадьевна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры топливообеспечения и горюче-смазочных материалов Института нефти и газа, тел.: 89130333528, e-mail: rina_986@mail.ru
Kravtsova Ekaterina, Candidate of technical sciences, Senior Lecturer of the Department of Fuel Supply and Oil and Lubrication Materials of the Institute of Oil and Gas, tel.: 89130333528, e-mail: Rina_986@mail.ru
4Рябинин Александр Александрович, студент, тел.: 89293369536, e-mail: s-ryabinin@mail.ru Ryabinin Alexander, Student, tel.: 89293369536, e-mail: s-ryabinin@mail.ru
определения коэффициента поглощения светового потока, измерения кинематической вязкости и испытания на машине трения для определения противоиз-носных свойств.
На втором этапе термостатирования пробы масел подвергались окислению при температуре 180°С с перемешиванием стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об./мин. После каждых 8-ми часов окисления проба взвешивалась, определялась масса испарившегося масла, отбирались микрообъемы масла для фотометрирования, определения кинематической вязкости. Испытания прекращались при достижении коэффициента поглощения светового потока значений, равных 0,7-0,8 ед.
На третьем этапе термостатирования пробы масел в диапазоне от 160 до 260°С подвергались окислению по технологии второго этапа с той разницей, что при окислении масел до значений коэффициента поглощения светового потока приблизительно равных 0,1; 0,2 ... 0,8 отбиралась дополнительно проба окисленного масла (15-20 г) для испытания на трехшари-ковой машине трения [1], а проба окисленного масла в приборе доливалась термостатированным маслом до первоначального значения (100 г).
Параметры трения составляли: нагрузка 13 Н; скорость скольжения 0,68 м/с; температура масла в объеме 80°С; время испытания 2 часа.
По полученным экспериментальным данным строились графики зависимостей коэффициентов поглощения светового потока, вязкости, термоокислительной стабильности, летучести от времени окисления и температуры термостатирования, по которым производится поиск критериев оценки влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления и противоизностные свойства синтетического моторного масла Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF.
Рассмотрим результаты экспериментальных исследований и их обсуждение. На рис. 1 представлены результаты термостатирования синтетического масла в диапазоне температур от 160 до 260°С. Показано, что процессы температурной деструкции масла (рис. 1, а) начинаются при температуре 200°С и характеризуются линейной зависимостью до температуры 240°С. При температуре 260°С установлено разное увеличение коэффициента поглощения светового потока, что обусловлено образованием продуктов с большей оптической плотностью при деструкции.
в)
Рис. 1. Зависимости коэффициента: а - поглощения светового потока Кп; б - кинематической вязкости у; в - противоизносных свойств кинематической вязкости U от температуры термостатирования синтетического моторного масла Mobil Super 3000 SW-40 SJ/SL/SK/CF
Транспорт
Кинематическая вязкость масла (см. рис 1,6) в диапазоне температур от 160 до 180°С резко уменьшается до 9,3 сСт по сравнению с товарным маслом 12,6 сСт (точка на ординате). При температуре 220°С вязкость увеличивается от 9,6 сСт до 14,3 сСт. Такие изменения объясняются либо деструкцией вязкостной присадки, либо испарением легких фракций или влиянием продуктов температурной деструкции, а иногда совместным проявлением этих процессов.
Противоизносные свойства термостатированных масел оценивались по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах из двух опытов (см. рис 1,е). Установлено, что противоизнос-ные свойства синтетического моторного масла понижаются с увеличением температуры термостатирова-ния, по сравнению с товарным маслом (точка на ординате), причем зависимость и=А(Т имеет два характерных участка в диапазоне температур от 160 до 200°С и от 200 до 260°С, различающихся величиной износа. Поэтому температура выше 200°С является критической.
Результаты окисления термостатированных синтетических масел представлены на рис. 2. Показано, что зависимость коэффициента поглощения светового потока КП от времени окисления и температуры тер-мостатирования (кривые 2-7) имеют три характерных участка, различающиеся скоростью процессов окисления. Кроме того, процессы окисления термостатированных масел замедляются по сравнению с товарным маслом (кривая 1). После участка стабилизации коэффициента КП в процессе окисления образуются продукты с большей оптической плотностью, что вызывает изгиб зависимости КП=^1), т.е. в процессе окисления термостатированных масел образуются оба вида продуктов, начало образования которых зависит от температуры термостатирования.
Потенциальный ресурс при окислении термостатированных масел определяется временем достижения значения коэффициента КП, равного 0,4 (рис. 3). Показано, что ресурс термостатированного масла при температуре 160°С увеличился по сравнению с товар-
ов 4
40 SO 120 160 200 240 f,4
ным маслом в 7,61 раза, но с увеличением температуры термостатирования он уменьшался и при 260°С составил 86 ч. (2,77 раза).
Изменение вязкости при окислении термостатированных синтетических моторных масел оценивалось по коэффициенту относительной вязкости Кц, определяемому отношением
К, = Рок /Рт,
где рок и - кинематические вязкости окисленного и товарного масел соответственно, сСт.
Согласно данным рис. 4, характер изменения коэффициента относительной вязкости при окислении термостатированных масел от времени окисления одинаков и не зависит от температуры термостатиро-вания. Однако для товарного масла (кривая 1) и масел, термостатированных при температуре 160 и 180°С (кривые 2 и 3), вязкость колеблется незначительно и в начале испытания уменьшается максимум на 28%, а затем после 180 часов испытания увеличивается. В температурном диапазоне от 200 до 260°С вязкость колеблется в пределах от минус 56% до плюс 30% и более. Это вызвано процессами деструкции вязкостной присадки и изменениями состава продуктов окисления, причем увеличение вязкости вызвано образованием продуктов окисления с большей оптической плотностью.
Летучесть термостатированных масел (рис. 5) при окислении по сравнению с летучестью товарного масла (кривая 1) уменьшается, однако в температурном интервале термостатирования от 220 до 260°С (кривые 5-7) она отличается незначительно. В зависимости летучести от времени окисления описывается практически линейным уравнением.
Коэффициент термоокислительной стабильности ЕТОС, характеризует сопротивляемость масел окислению и испарению, определяется суммой:
Етос = Кп + Кв,
где Кс - коэффициент летучести, рассчитываемый, в свою очередь, через отношение массы испарившегося
40 80 120 160 200 240 f,4
Рис. 2. Зависимости коэффициента поглощения светового потока при окислении термостатированных масел от времени и температуры термостатирования синтетического моторного масла Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF: 1 - товарное масло; 2 - 160°С; 3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С
масла за время окисления m к оставшемуся М, г: Ко = m/М.
Согласно данным (рис. 6), зависимости коэффициента термоокислительной стабильности при окислении термостатированных синтетических масел значительно отличаются от окисления товарного масла
(кривая 1). Однако температура термостатирования в диапазоне температур от 220 до 260°С оказывает существенное влияние на характер зависимостей, что подтверждается зависимостью коэффициента £тос от температуры после 200 часов окисления (рис. 7). Поэтому температуры термостатирования выше 200°С для данного масла являются закритическими.
Рис. 3. Зависимость потенциального ресурса от температуры термостатирования синтетического моторного масла Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF при окислении коэффициента поглощения светового потока Кп=0,4
Рис. 4. Зависимости коэффициента относительной вязкости от времени окисления температуры
термостатирования синтетического моторного масла Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF: _1 - товарное масло; 2 - 160°С; 3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С_
Рис. 5. Зависимости летучести от времени окисления и температуры термостатирования синтетического моторного масла Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF: 1 - товарное масло; 2 - 160°С; 3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С;
6 - 240°С; 7 - 260°С
Рис. 6. Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени окисления и температуры термостатирования синтетического моторного масла Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF: 1 - товарное масло; 2 - 160°С; 3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С
Процессы самоорганизации, протекающие при окислении термостатированных масел, определялись коэффициентом интенсивности КС как отношение приращения скорости окисления к приращению скорости испарения, учитывающего перераспределение тепловой энергии, поглощенной продуктами окисления и испарения. Согласно данных рис. 8, при концентрации продуктов окисления КП<0,4 ед. в температурном ин-
тервале термостатирования от 160 до 200°С (кривые 1-3) коэффициент интенсивности процессов самоорганизации КС изменяется в пределах от минус 0,03 до плюс 0,6 ед. При значениях КП>0,4 ед. коэффициент КС колеблется в пределах от 0,16 до 0,6 ед. за счет увеличения скорости окисления и образования продуктов с большей оптической плотностью, вызванной резким увеличением коэффициента КС.
lui
Транспорт
Рис. 7. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от температуры термостатирования при окислении синтетического моторного масла Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/cF в течение 200 часов
Рис. 8. Зависимость коэффициента интенсивности процессов самоорганизации, протекающих в термостатированных синтетических моторных маслах Mobil Super 5W-40 SJ/SL/SK/CF при окислении: 1 - 160°С; 2 - 180°С; 3 - 200°С; 4 - 220°С; 5 - 240°С; 6 - 260°С
Аналогичное колебание коэффициента КС наблюдается для масел, термостатированных в температурном диапазоне от 220 до 260°С (кривые 4-6), но при коэффициенте КП>0,3 ед. Таким образом, анализируя зависимости КС=/(КП), можно утверждать, что в начале окисления термостатированных синтетических масел процессы самоорганизации протекают за счет перераспределения избыточной тепловой энергии между первичными продуктами окисления и испарения до значений коэффициента КП<0,3-0,4 ед. При дальнейшем окислении перераспределение избыточной энергии происходит в большей мере между первичными и вторичными продуктами окисления, а резкое увеличение амплитуды коэффициента КС вызвано превращением первичных продуктов во вторичные, характеризующиеся большей оптической плотностью. Причем такие преобразования происходят термически после достижения определенной концентрации первичных продуктов окисления. После образования вторичных
продуктов коэффициент интенсивности процессов самоорганизации резко уменьшается, так как в этот период происходит накопление первичных продуктов, а коэффициент КП увеличивается с меньшей скоростью.
Противоизносные свойства окисленных термостатированных масел оценивались по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах (рис. 9). Влияние продуктов температурной деструкции и окисления оценивалось в сравнении с зависимостью изменения параметра износа при окислении товарного масла от концентрации продуктов окисления, выраженной через коэффициент поглощения светового потока (кривая 1). Для товарного масла без термостатирования в начале окисления противо-износные свойства понижаются до значения коэффициента КП=0,57 ед., а затем повышаются, но не превышают противоизносные свойства товарного масла (точка на ординате).
Рис. 9. Зависимость диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока и температуры термостатирования синтетического моторного масла Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF при окислении: 1 - товарное масло; 2 - 160°С; 3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С
При окислении термостатированного масла при температуре (кривая 2) в начале окисления (Кп<0,3 ед.) противоизносные свойства повышаются, а при дальнейшем увеличении концентрации продуктов окисления противоизносные свойства понижаются. Для температур термостатирования 180-220°С наблюдается общая закономерность изменения про-тивоизносных свойств начальное их понижение (при Кп<0,15.), а затем повышение (кривые 3-5) и стабилизация. Для температур термостатирования 240 и 260°С (кривые 6 и 7) противоизносные свойства масел при окислении повышаются (при Кп<0,4), а затем стабилизируются.
Для оценки влияния продуктов температурной деструкции и окисления на противоизносные свойства предложен критерий П противоизносных свойств, определяемый отношением [2]: П = КМ
где Кп - коэффициент поглощения светового потока; и - диаметр пятна износа, мм.
Данный критерий характеризует условную концентрацию продуктов температурной деструкции и окисления на номинальной площади фрикционного контакта. Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока приведены на рис. 10. Установлена линейная зависимость критерия от коэффициента Кп, независимо от температуры термостатирования.
Регрессивные уравнения имеют вид для товарного масла:
П = 2,857 Кп,
для масел, термостатированных при температу-рах:160°С, П=2,857 Кп; 180°С, П=2,597 Кп; 200°С, П=2,817 Кп; 220°С, П=2,817 Кп; 240°С, П=2,914 Кп; 260°С, П=2,667 Кп.
Рис. 10. Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока синтетического моторного масла Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF при окислении: 1 - товарное масло; 2 - 160 при деструкции °С; 3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С
Коэффициент а при Кп характеризуют скорость изменения критерия П, и чем она выше, тем выше противоизносные свойства испытуемого масла. Исходя из полученных данных, лучшими противоизносны-ми свойствами характеризуется товарное масло и масла, термостатированные при температурах 160 и 240°С. Зависимость коэффициента а от температуры термостатирования представлена на рис. 11, из которого видно, что при температуре 160°С скорость изменения критерия противоизносных свойств соответствует товарному маслу, а при температуре 180°С она уменьшается, т.е. противоизносные свойства при окислении масла понижаются. В диапазоне температур от 200 до 240°С коэффициент а стабилизируется и равен коэффициенту товарного масла. При температуре 250°С коэффициент а уменьшается, а противоизносные свойства при окислении масла понижаются на 11%.
Рис. 11. Зависимость скорости изменения критерия
противоизносных свойств окисленного синтетического моторного масла Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF от температуры термостатирования
На основе проведенных исследований установлено, что при термостатировании синтетического моторного масла Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF в диапазоне температур от 160 до 260°С процесс температурной деструкции начинается при температуре 200°С и коэффициент поглощения светового потока изменяется по линейной зависимости в температурной области от 200 до 240°С, а при температуре 260°С коэффициент резко увеличивается за счет образования продуктов деструкции с большей оптической плотностью. Вязкость синтетического масла при термостатировании подвержена изменениям в пределах от 9,3 до 14,3 сСт, а противоизносные свойства понижаются во всем температурном интервале в 2,28 раза
по сравнению с товарным маслом.
Потенциальный ресурс при окислении термостатированных масел при температуре 160°С увеличивается от 40 часов для товарного масла до 235 часов окисленного, но с увеличением температуры термостатирования уменьшается и при температуре 260°С составляет 85 часов.
Коэффициент относительной вязкости, определяемый отношением вязкости окисленного масла к вязкости товарного, наиболее стабильный для масел термостатированных в диапазоне температур от 160 до 180°С, однако при увеличении времени окисления больше 200 часов вязкость резко увеличивается. Дальнейшее увеличение температуры термостатиро-вания вызывает большие колебания значений коэффициента относительной вязкости от 0,44 до 1,6, а при увеличении времени окисления больше 200 часов также наблюдается резкое увеличение вязкости.
Летучесть термостатированных масел при окислении уменьшается по сравнению с товарным маслом, однако четкой зависимости от температуры не установлено.
В качестве критерия термоокислительной стабильности термостатированных масел предложен коэффициент, определяемый суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести, позволяющий определить предельную температуру работоспособности исследуемого масла.
В качестве показателя интенсивности процессов самоорганизации, протекающих при окислении термостатированных масел, предложен коэффициент отношения приращений скорости окисления к скорости испарения. Установлено, что при образовании вторичных продуктов окисления коэффициент интенсивности процессов самоорганизации резко возрастает за счет перераспределения избыточной тепловой энергии между первичными и вторичными продуктами окисления.
В качестве критерия противоизносных свойств термостатированных масел при окислении предложено отношение коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующего условную концентрацию продуктов температурной деструкции и окисления на номинальной площади фрикционного контакта. Установлена линейная зависимость критерия от коэффициента поглощения светового потока, причем при температурах 180 и 260°С противоизносные свойства окисленных масел понижаются.
Статья поступила 26.05.2014 г.
Библиографический список
1. Пат. № 2428677, РФ, МПК G 01 № 19/02. Устройство для Способ определения качества смазочных масел / Б.И. Ко-испытания трущихся материалов и масел / Б.И. Ковальский, вальский, Ю.Н. Безбородова, Н.Н. Малышева [и др.] 2012. Ю.Н. Безбородов, О.Н. Петров [и др.]. 2010. Бюл. № 25. Бюл. № 18.
2. Пат. № 2454654, РФ, МПК G 01 № 3/56, G 01 № 33/30.
