CC BY
28
УДК 621.892.1
ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ НА ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЧНО СИНТЕТИЧЕСКОГО МАСЛА MOBIL SUPER 2000 10W-40 SJ/SL/CF
1 л 4
© Б.И. Ковальский', Н.Н. Малышева2, М.С. Лысая3
Сибирский федеральный университет,
Институт нефти и газа,
660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 82/6.
Приведены результаты исследования влияния температуры на изменение оптических свойств, вязкости и проти-воизносных свойств частично синтетического моторного масла. Оценено влияние продуктов температурной деструкции на процессы окисления и противоизносные свойства окисленного масла. Исследовалась температурная стойкость, термоокислительная стабильность и оценивались противоизносные свойства частичносинтетического моторного масла. Для оценки влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления моторного масла предложены коэффициенты термоокислительной стабильности и интенсивности процессов самоорганизации, а также критерий противоизносных свойств.
Ил. 10. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока; коэффициент относительной вязкости; продукты температурной деструкции и окисления; летучесть масел; критерий противоизносных свойств; потенциальный ресурс.
TEMPERATURE DESTRUCTION PRODUCTS EFFECT ON OXIDATION PROCESSES AND ANTI-WEAR PROPERTIES OF SEMI SYNTHETIC MOTOR OIL MOBIL SUPER 2000 10W-40 SJ/SL/CF B.I. fovalsky, N.N. Malysheva, M.S. Lysaya
Siberian Federal University, Oil and Gas Institute,
82/6, Svobodny Ave., Krasnoyarsk, 660041, Russia.
The article presents the results of studying the effect of temperature on the change in optical properties, viscosity and anti-wear properties of semi-synthetic motor oil. The influence of temperature destruction products on oxidation processes and anti-wear properties of the oxidized oil is assessed. Thermal resistance and thermal oxidation stability have been examined; anti-wear properties of the semi-synthetic motor oil have been evaluated. To evaluate the influence of the products of temperature destruction on the processes of motor oil oxidation the authors propose to use the factors of thermal oxidation stability and intensity of self-organizing processes and the criterion anti-wear properties.
10 figures. 2 sources.
Key words: light flux absorption factor; coefficient of relative viscosity; products of thermal destruction and oxidation; oil volatility; anti-wear criterion; potential resource.
Раздельное исследование механизмов окисления, эти процессы позволит определить основные направ-
температурной, механической и химической деструк- ления улучшения их качества.
ции смазочных масел и влияние базовой основы на Цель работы: определить влияние продуктов
1Ковальский Болеслав Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры топливообеспечения и горюче -смазочных материалов, тел.: (391) 2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
fovalsky Boleslav, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Fuel Supply, Combustibles and Lubricants, tel.: (391) 2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
Малышева Наталья Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры топливообеспечения и горюче -смазочных материалов, тел.: 89131905779, e-mail: Nataly.nm@mail.ru
Malysheva Natalya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Fuel Supply, Combustibles and Lubricants, tel.: 89131905779, e-mail: Nataly.nm@mail.ru
3Лысая Мария Сергеевна, студент, тел.: 89233354735, e-mail: lysaya_maria@mail.ru Lysaya Maria, Student, tel.: 89233354735, e-mail: lysaya_maria@mail.ru
ВЕСТНИК ИрГТУ №7 (78) 2013
93
температурной деструкции на процессы окисления и противоизносные свойства частично синтетического моторного масла.
Методика исследования предусматривала испытания масла в три этапа. На первом этапе масла постоянной массы термостатировалисьв интервале температур от 160 до 300°С с увеличением на 20°С без перемешивания, что исключало их окисление. Время испытания составляло 8 часов при каждой температуре. После термостатирования пробы масла взвешивались, определялась масса испарившегося масла, отбирались пробы для фотометрирования, измерения вязкости и оценки противоизносных свойств на трехшариковой машине трения со схемой «шар - ци-линдр»[1]. Параметры трения составляли: нагрузка -13Н; скорость скольжения - 0,68 м/с; температура масла в объеме - 80°С; время испытания - 2 ч.
На втором этапе термостатированные пробы масла в диапазоне температур от 160 до 300°С постоянной массы подвергались окислению при перемешивании с частотой вращения мешалки 300 ± 1 об/мин и температуре 180°С.
После каждых 8-ми часов испытания проба окисленного масла взвешивалась для определения массы испарившегося масла, отбирались пробы для фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока Кп и измерения кинематической вязкости (при 100°С). Испытания продолжались до достижения коэффициента Кп значений приблизительно равных 0,7-0,8.
Третий этап испытаний термостатированных масел заключался в определении противоизносных свойств окисленных масел до значений коэффициента Кп, равных приблизительно 0,1; 0,2; 0,3 ... 0,7 и 0,8.
При этом отбирались пробы окисленного масла для фотометрирования, измерения вязкости и противоиз-носных свойств, затем проба окисленного масла доливалась термостатированным маслом до первоначальной массы и испытания продолжались до очередного значения коэффициента Кп.
По полученным данным строились графики зависимостей коэффициентов поглощения светового потока, вязкости, термоокислительной стабильности, летучести от времени окисления и температуры термостатирования, по которым производился поиск критерия оценки влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления.
Результаты исследования и их обсуждение. На рис. 1 представлена зависимость коэффициента Кп от времени окисления и температуры термостатирования частично синтетического моторного масла Mobil Super 2000 10W-40 SJ/SL/CF. Показано, что данная зависимость имеет изгиб, время образования которого уменьшается с увеличением температуры термостатирования, а для температур 250 и 300°С (кривые 8 и 9) он отсутствует. Наличие изгиба зависимости Кп= /(f) при окислении термостатированных проб масла вызвано образованием двух видов продуктов, различающихся оптическими свойствами, названные первичными, образующимися до точки изгиба зависимости, и вторичными - после точки изгиба. В целом процесс окисления термостатированных масел (кривые 2-7) и товарного (кривая 1) описывается кусочно-линейной функцией. Для температур термостатирования 280 и 300°С (кривые 8 и 9) процесс описывается линейным уравнением, т.е. в этот период одновременно образуются как первичные, так и вторичные продукты окисления.
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока при окислении частично синтетического моторного масла Mobil Super 2000 10W-40 SJ/SL/CF от времени и температуры термостатирования:
1 - товарное; 2 - 160°С; 3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С; 8 - 280°С; 9 - 300°С
Влияние продуктов температурной деструкции на процессы окисления предложено оценить потенциальным ресурсом,определяемым временем достижения значения коэффициента Кп, равного 0,7 (рис. 2).
Показано, что при термостатировании частично синтетического масла при температурах 160 и 180°С потенциальный ресурс увеличивается по сравнению с товарным маслом (точка на ординате) с 48 до 55 часов. Значительное снижение потенциального ресурса наблюдается при термостатировании масла в интервале температур от 240 до 300°С.
Вязкость термостатированных проб масла при окислении определялась коэффициентом относительной вязкости Км, рассчитанного как отношение вязкости окисленного масла к вязкости товарного масла (рис. 3). Согласно данным вязкость термостатированных масел при температурах от 160 до 200°С (кривые 1-3) и температуре 240°С (кривая 5) при окислении уменьшается по сравнению с товарным маслом, а для температур 260-300°С (кривые 6-8) она превышает
вязкость товарного масла.
Летучесть при окислении термостатированного масла увеличивается с увеличением времени окисления, но четкой зависимости от температуры термо-статирования не наблюдается (рис. 4). Так, по данным рис. 5, при окислении термостатированных проб масла в течение 24 часов летучесть термостатированных проб масла при температурах 160 и 180°С уменьшается, что вызвано испарением легких фракций и воды при термостатировании. Однако при температуре 200°С летучесть масла при окислении увеличивается за счет увеличения продуктов окисления (см. рис. 1 кривая 4). Дальнейшее повышение температуры тер-мостатирования от 200 до 300°С вызывает понижение летучести при окислении масел за счет испарения летучих фракций, образовавшихся при температурной деструкции, причем в диапазоне температур от 240 до 300°С летучесть уменьшается по линейной зависимости.
Рис. 2. Зависимость потенциального ресурса частично синтетического моторного масла Mobil Super 2000 10
W -40 SJ/SL/cF от температуры термостатирования
Рис. 3. Зависимость коэффициента относительной вязкости термостатированногочастично синтетического моторного масла Mobil Super 2000 10W-40 SJ/SL/CF от времени и температуры термостатирования:
1 - товарное; 2 - 160°С; 3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С; 8 - 280°С; 9 - 300°С
Рис. 4. Зависимость летучести частично синтетического моторного масла Mobil Super 2000 10W-40 SJ/SL/CF при окислении от времени и температуры термостатирования: 1 - товарное; 2 - 160°С; 3 - 180°С; 4 - 200°С;
5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С; 8 - 280°С; 9 - 300°С
Рис. 5. Зависимость летучести при окислении термостатированного частично синтетического моторного масла Mobil Super 2000 10W-40 SJ/SL/CF от температуры термостатирования (время окисления 24 часа)
При окислении масел происходит сброс избыточной тепловой энергии по двум каналам, вызывающий изменение оптических свойств и летучести, поэтому в качестве критерия термоокислительной стабильности предложен коэффициент £тос, определяемый как
Етос “ Кп + Кв>
где Ко - коэффициент летучести, рассчитываемый, в свою очередь, через отношение массы испарившегося масла за время окисления, т, к оставшемуся, М, г.
Ко = т/М.
Предложенный критерий позволяет сравнивать различные масла и определять их термоокислительную стабильность при различных температурах окисления.
Влияние продуктов температурной деструкции на показатель термоокислительной стабильности оценивалось его зависимостью от времени окисления
(рис. 6). Показано, что четкой зависимости коэффициента Етосот температуры термостатирования не наблюдается, однако, в диапазоне температур от 160 до 260°С (кривые 1-7) установлен изгиб зависимости, время наступления которого зависит от температуры термостатирования. Для температур 280 и 300°С изгиб зависимости не установлен.
Для оценки влияния продуктов температурной деструкции на коэффициент термоокислительной стабильности рассмотрена его зависимость от температуры термостатированияи времени окисления, составляющего 24 часа (рис. 7). Установлено, что процессы окисления замедляются в интервале температур от 160 до 180°С и от 220 до 240°С. Значительное ускорение процессов окисления термостатированных проб масел установлено для температуры 280 и 300°С, т.е. продукты температурной деструкции могут являться как катализаторами, так и ингибиторами процессов окисления, поэтому эти свойства необходимо учитывать при назначении ресурса.
Рис. 6. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности частично синтетического моторного масла МоЫ^ирег 200010№-40 SJ/SL/CF от времени окисления и температуры термостатирования: 1 - товарное; 2 - 160°С; 3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С; 8 - 280°С; 9 - 300°С
Рис. 7. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от температуры термостатирования при окислении частично синтетического моторного масла МоЫ^ирег 2000 10^-40 SJ/SUCF в течение 24 часов
Образование двух видов продуктов окисления с различными оптическими свойствами и энергоемкостью, а также наличие процесса испарения вызывает явление перераспределения тепловой энергии, которое предложено учитывать коэффициентом Кс интенсивности процессов самоорганизации, определяемого отношением
Кс =
гдебУКп и бУд- приращение средней скорости окисления и летучести за установленное время окисления.
Согласно графикам, представленным на рис. 8, интенсивность процессов самоорганизации независимо от температуры термостатирования масла не превышает значения коэффициента Кс=0,1 при значениях коэффициента Кп меньше 0,3-0,35. С увеличением
концентрации продуктов окисления интенсивность процессов самоорганизации увеличивается, однако температура термостатирования по-разному влияет на процессы перераспределения тепловой энергии. Так, при температурах 160 (кривая 2), 240-300°С (кривые 6-9) интенсивность процессов самоорганизации максимальна и обусловлена более интенсивным увеличением скорости процессов окисления над процессами испарения.
Противоизносные свойства термостатированного масла при окислении оценивались по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах(рис. 9). Показано, что противоизносные свойства термостатированного масла в температурном интервале от 160 от 220°С (кривые 2-5) значительно различаются, однако, в интервале температур от 240 до 280°С (кривые 6-8) они практически одинаковы.
Рис. 8. Зависимости коэффициента интенсивности процессов самоорганизации, протекающих в частично синтетическом моторном масле МоЫ^ирег 2000 10^-40 SJ/SL/CF от коэффициента поглощения светового потока при окислении термостатированных проб масла при температурах: 1 - товарное; 2 - 160°С;
3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С; 8 - 280°С; 9 - 300°С
Рис. 9. Зависимость диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока при окислении термостатированного частично синтетического моторного масла МоЫ^ирег 2000 10^-40 Эи/БиСЕ при температурах: 1 - товарное; 2 - 160°С; 3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С; 8 - 280°С; 9 - 300°С.
Для оценки влияния продуктов температурной деструкции и окисления предложен критерий Лпротиво-износных свойств, определяемый эмпирическим отношением [2]:
П = Кп/и,
где Кп - коэффициент поглощения светового потока; и - диаметр пятна износа, мм.
Данный критерий характеризует условную концентрацию продуктов окисления и температурной де-
струкции на номинальной площади фрикционного контакта. Если при одном значении коэффициента Кп диаметры пятен износа различны, то это объясняется различиями в противоизносных свойствах продуктов окисленияи температурной деструкции, неспособных формировать на поверхностях трения защитные гранитные слои, уменьшающие скорость изнашивания.
Зависимость критерия противоизносных свойств от концентрации продуктов окисления и деструкции имеют линейный характер, однако угол наклона зависимости к оси абсцисс (скорость изменения критерия
П) неоднозначно зависит от температуры термостати-рования частично синтетического масла(рис. 10).
Регрессионные уравнения критерия П для термостатированных масел имеют вид:
- для товарного масла без термостатирования:
П = 3,794 Кп,
- для окисленных масел термостатированных при температурах:
160°С,П=2,782Кп; 180°С,
П=3,109 Кп; 220°С, П=2,984 Кп,
240°С, П=2,937 Кп, 260°С,
П=3,195 Кп; 300°С, П=3,494 Кп.
Коэффициент корреляции изменяется от 0,981 до 0, 997.
На основании полученных уравнений самыми высокими противоизносными свойствами характеризует-
П=2,603Кп; 200°С,
П=3,194 Кп; 280°С,
ся масло, термостатированное при температуре 300°С и окисленные при температуре 180°С. Они превышают противоизносные свойства товарных масел на 4%. Однако в целом противоизносные свойства термостатированных масел при окислении понижаются.
Зависимость скорости изменения критерия проти-воизносных свойств а окисленных масел от температуры термостатирования частично синтетического моторного масла представлена на рис. 11. Из графика видно, что в температурном интервале от 160 до 180°С противоизносные свойства при окислении понижаются по сравнению с товарным маслом (точка на ординате), однако в диапазоне температур от 200 до 280°С они практически соответствуют товарному, а при температуре 300°С они их превосходят.
Рис. 10. Зависимость критерия противоизносных свойств частично синтетического моторного масла МоЬНЭирег 2000 10^-40 Эи/БиСЕ от коэффициента поглощения светового потока и температуры термостатирования: 1 - товарное; 2 - 160°С; 3 - 180°С; 4 - 200°С; 5 - 220°С; 6 - 240°С; 7 - 260°С; 8 - 280°С; 9 - 300°С
Рис. 11. Зависимость скорости изменения критерия противоизносных свойств окисленного частично синтетического моторного масла МоЫ^ирег 2000 10^-40 SJ/SL/CF от температуры термостатирования
Таким образом, на основе проведенных исследований установлено, что продукты температурной деструкции, образованные в температурном интервале до 180°С, оказывают ингибиторное влияние на процессы окисления частично синтетического масла, а продукты, образованные в интервале температур от 200 до 300°С, оказывают каталитическое действие на процессы окисления, при этом потенциальный ресурс понижается на 34% при температуре 300°С.
Летучесть термостатированных частично синтетических масел в диапазоне температур до 180°С при окислении в течение 24 часов уменьшается по сравнению с товарным маслом, однако при температуре 200°С она возрастает из-за деструкции вязкостной присадки и при дальнейшем повышении температуры термостатирования летучесть уменьшается при окислении за счет увеличения летучести масел при термо-статировании.
Для оценки влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления частично синтетического моторного масла предложен коэффициент термоокислительной стабильности, определяемый суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести, характеризующей количество тепловой
энергии, поглощенной продуктами окисления и испарения, зависимость которого от температуры позволяет сравнивать различные масла и совершенствовать систему классификации по группам эксплуатационных свойств.
Предложен коэффициент интенсивности процессов самоорганизации, протекающих в смазочном масле при описании, определяемого отношением приращений скорости окисления к приращению скорости испарения. Показано, что при увеличении коэффициента поглощения светового потока интенсивность процессов самоорганизации увеличивается.
Противоизносные свойства при окислении термостатированного масла понижаются за исключением масел, термостатированных при температурах 200 и 300°С. Предложен критерий противоизносных свойств, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующий условную концентрацию продуктов температурной деструкции и окисления на номинальной площади фрикционного контакта, зависимость которого от концентрации продуктов окисления имеет линейный характер, что позволяет сравнивать различные масла и совершенствовать систему классификации.
Библиографический список
1. Патент 2428677 РФ МПК G 01 N 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. Патент РФ 2454654 РФ МПК G 01 N 3/56, G 01 N 33/30.
