Результаты контроля термоокислительной стабильности минеральных трансмиссионных масел

УДК 621.892.1

РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ МИНЕРАЛЬНЫХ ТРАНСМИССИОННЫХ

МАСЕЛ

Б.И. Ковальский, В.С. Янович, О.Н. Петров,

Е.Г. Кравцова, Н.Н. Малышева

Представлены результаты испытания минеральных трансмиссионных масел на термоокислительную стабильность в диапазоне температур от 130 до 150 °С с применением прямого фотометрирования. Установлены зависимости влияния температуры на оптические свойства масел, изменение вязкости и летучести, определены температуры начала окисления и испарения. Эти показатели предложено применять для сравнения трансмиссионных масел и их идентификации на соответствие классификации.

Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока, относительная вязкость, летучесть, температуры начала процессов окисления и испарения, потенциальный ресурс.

Трансмиссионные масла предназначены для применения в агрегатах трансмиссий легковых и грузовых автомобилей, автобусов, тракторов, тепловозов, дорожно-строительных машин в различных редукторах, червячных передачах промышленного оборудования и представляют собой базовые масла, легированные различными функциональными присадками.

В качестве базовых компонентов используют минеральные, частично-синтетические и синтетические масла. Трансмиссионные масла работают в режимах высоких скоростей скольжения (качения), давлений и широком диапазоне температур - от минус 60 до плюс 150 °С. К ним предъявляют жесткие требования.

Для ориентации в правильном применении трансмиссионных масел используют их классификацию (ГОСТ 17479.2-85) по классам вязкости и группам по эксплуатационным свойствам. ГОСТом предусмотрены четыре класса вязкости: для зимних условий эксплуатации - 9; 12 и 18 мм /с, летних - 34 мм2/с и пять групп по эксплуатационным свойствам - ТМ-1 - ТМ-5.

Целью настоящих исследований является оценка влияния температуры на процессы окисления и испарения минеральных трансмиссионных масел и их соответствие группам эксплуатационных свойств.

Методика исследования предусматривала применение следующих средств испытания и измерения: прибора для термостатирования масел при температурах 130, 140 и 150 °С с перемешиванием пробы массой 100 г в стеклянном стакане стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин; малообъемного вискозиметра; фотометрического устройства и

электронных весов.

Методика предусматривала после каждых 8 часов термостатирова-ния взвешивание стакана с термостатированной пробой, для определения массы испарившегося масла, отбор проб для фотометрирования и измерения вязкости. После измерения отобранные пробы сливались в стеклянный стакан прибора для термостатирования, который взвешивался. Испытания продолжались до достижения значения коэффициента поглощения светового потока равного 0,75.. .0,8 ед.

Для оценки изменения вязкости масел при их окислении принят коэффициент относительной вязкости К^, определяемый отношением

где и цт - соответственно вязкость окисленного и товарного масел,

Для исследования выбраны следующие минеральные трансмиссионные масла: ТСП-10; ТСП-14гип; ТС3-9гип; ТНК Транс Ойл 85W-90 GL5; Лукойл ТМ-5-18 (85W-90 GL5); Consol Транс 85W-90 GL5; Teboil HYPOID 80W-90 GL5. Данные масла отличаются классом вязкости и группами эксплуатационных свойств, что позволяет определить их соответствие классификации.

На рис. 1, а представлены зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры окисления трансмиссионного масла ТС-10П (ТМ-3-9) по SAE 80W по API GL-3. Температура оказывает значительное влияние на процессы окисления. Так, значение коэффициента поглощения светового потока КП равного 0,6 ед, достигнуто при температурах:

150 °С - за 19 часов; 140 °С - за 35 часов; 130 °С - за 91 час, т.е. при понижении температуры испытания от 150 до 130 °С скорость окисления масла уменьшилась в 4,79 раза.

Увеличение кинематической вязкости

достигнуто при температурах 150 °С - за 10 часов; 140 °С - за 14 часов; 130 °С - за 39 часов.

Зависимости коэффициентов поглощения светового потока К П, относительной вязкости Км и летучести G использовались для построения

графических зависимостей этих показателей и потенциального ресурса P от температуры и времени испытания, причем время испытания выбрано равным 10 часам для всех исследуемых масел. Данные зависимости описываются полиномом второго порядка:

мм2/с.

Kп = ±aT2 ± bT ± с,

где а, Ь и с - коэффициенты, характеризующие сопротивляемость масел температурным воздействиям.

Рис. 1. Зависимости коэффициента поглощения светового потока К П (а) и относительной вязкости К. (б) от времени и температуры

испытания минерального трансмиссионного масла ТСП-10:1 -150 °С; 2 -140 °С; 3 -130 °С

При значениях коэффициентов Кп , К., О, Р, равных нулю, определялись температуры начала окисления, увеличения вязкости, летучести и минимального ресурса.

Зависимости коэффициента Кп от температуры испытания представлены на рис. 2, а и описываются уравнением второго порядка

КП = 2 -10-4 Т2 + 0,064Т - 4,84.

Температуры начала окисления составили 124,6 °С после 10 часов испытания.

Зависимости коэффициента относительной вязкости (рис. 2, б) также описываются полиномом второго порядка, а при К. = 1,0 определялась

температура начала изменения вязкости после 10 часов испытания:

К.. =-3,4 -10-4 Т2 + 0,109Т - 8,365.

Температура начала увеличения вязкости соответственно составила 124,4 °С. после 10 часов испытания.

На рис. 3 представлены зависимости потенциального ресурса от температуры испытания при значениях коэффициента поглощения светового потока равного 0,2 и 0,6 ед. Данные зависимости описываются полиномом второго порядка и позволяют определить критическую температуру работоспособности данного масла.

а б

Рис. 2. Зависимости коэффициента поглощения светового потока (а) и относительной вязкости (б) от температуры и времени испытания минерального трансмиссионного масла ТСП-10

Рис. 3. Зависимости потенциального ресурса от температуры

испытания и коэффициента поглощения светового потока при окислении минерального трансмиссионного масла ТСП-10:

1 - КП = 0,6 ед; 2 - КП = 0,2 ед

Уравнения регрессии для потенциального ресурса имеют вид:

- К П = 0,6 ед.

Р1 = 0,175 • Т2 - 52,5Т + 3965,

- К П = 0,2 ед.

Р2 = 0,085 • Т2 - 24,95Т +1837.

Минимальный ресурс исследуемого масла при КП = 0,2 ед. установлен при температуре 147 °С, а при Кп = 0,6 ед. - при температуре

150 °С.

На рис. 4 представлены зависимости летучести от температуры и времени окисления, которые описываются регрессионными уравнениями вида

О =-0,0041 • Т2 + 1,24Т - 89,5.

Время начала испарения соответственно составило 119 и 118,9 °С.

При термостатировании трансмиссионных масел изменяются оптические свойства, летучесть и вязкость. Однако изменение вязкости вызвано деструкцией вязкостных присадок и базовой основы, а также наличием продуктов окисления, поэтому в качестве критерия термоокислительной

стабильности Етос рекомендована сумма

ЕТОС = КП + Ко ,

где Кп - коэффициент поглощения светового потока термостатированно-

го масла, ед. Ко - коэффициент летучести, ед,

т

Ко = М,

где т и М - соответственно масса испарившегося масла и масса пробы

масла после термостатирования.

Коэффициент термоокислительной стабильности характеризует количество поглощенной тепловой энергии при образовании продуктов окисления и испарения. Поэтому, чем меньше значение коэффициента ЕтОС за данный промежуток времени термостатирования, тем выше сопротивление исследуемого масла температурным воздействиям.

Рис. 4. Зависимости летучести от температуры и времени окисления минерального трансмиссионного масла ТСП-10

На рис. 5 представлены зависимости коэффициента Етос от времени окисления минерального трансмиссионного масла ТСд-10.

^тос

Рис. 5. Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени и температуры испытания минерального трансмиссионного масла ТСП-10:1 -150 °С; 2 -140 °С; 3 -130 °С

Из представленных данных видно, что уменьшение температуры окисления от 150 до 130 °С при Етос = 0,6 ед. время окисления уменьшается в 5 раз.

Рассмотренный метод определения показателей термоокислительной стабильности в диапазоне температур от 130 до 150 °С применялся для исследования других трансмиссионных масел, результаты которых сведены в табл. 1 - 3.

Таблица 1

Экспериментальные данные потенциальных ресурсов минеральных трансмиссионных масел при температурах 130 и 150 °С

Марка масла Потенциальный ресурс при K П = 0,6 ед./час Потенциальный ресурс при ETOC = 0,6 ед./час

130 °С 150 °С 130 °С 150 °С

ТСп-10 (ТМ-3-9) 80W GL3 91 19 85 17

ТСп-14 гип (ТМ-3-18) 80W-90 GL3 51 18 46 17

ТС3-9 гип (ТМ-3-9) 75W-80 GL5 162 28 96 20

ТНК Транс Ойл 85W-90 GL5 116 13 110 13

Лукойл ТМ-5-18 (85W-90 GL5) 34 9,5 30 8,0

Consol транс 85W-90 GL5 104 16 95 14

Teboil HYPOID 80W-90 GL5 107 19 95 18

Согласно представленным данным (табл.1) наибольшим потенциальным ресурсом по коэффициентам К П = 0,6 ед. и ЕТос = 0,6 ед. при температуре испытания 130 °С характеризуется масло ТНК Транс Ойл 85’^90 ОЬ5 - 116 и 110 часов, а при температуре 150 °С - масло ТС3-9гип - 28 и 20 часов. Наименьший потенциальный ресурс при температурах 130 и 150 °С установлен для масла Лукойл ТМ-5-18 (85’^90 ОЬ5) -соответственно 34 и 30 часов, и 9,5 и 8,0 часов.

Для выбора более термостойких масел необходимо иметь информацию по температурам начала окисления и испарения, характеризующих область сопротивляемости окислению, а также температуру начала изменения кинематической вязкости. Согласно представленным данным (табл. 2), наибольшая температура начала окисления установлена для масел ТС3-9гип и ТНК Транс Ойл 85’^90 ОЬ5 - 130 °С, а наименьшая

97 °С - для масла ТСП-14гип (ТМ-3-18).

Таблица 2

Экспериментальные данные температур начала окисления, испарения и изменения вязкости при окислении минеральных трансмиссионных

масел

Марка масла Температура начала окисления, °С Температура начала испарения, °С Температура начала изменения вязкости, °С

ТСп-10 (ТМ-3-9) 80W GL3 124,6 118,9 124,4

ТСп-14 гип (ТМ-3-18) 80W-90 GL3 97 102,3 114,5

ТС3-9 гип (ТМ-3-9) 75W-80 GL5 130 111,26 125,0

ТНК Транс Ойл 85W-90 GL5 130 105,2 120

Лукойл ТМ-5-18 (85W-90 GL5) 115 65,5 110

Consol транс 85W-90 GL5 120 94,0 124

Teboil HYPOID 80W-90 GL5 128 130 118

Наибольшая температура начала испарения установлена для масла ТеЬоіІ НУРОГО 80’^90 ОЬ5 - 130 °С, а наименьшая 65,5 °С, - для масла Лукойл ТМ-5-18.

Температура начала изменения вязкости наибольшая, 125 °С, установлена для масла ТС3-9гип, а наименьшая, 110 °С, для масла Лукойл ТМ-5-18.

Важными показателями эксплуатационных свойств трансмиссионных масел являются летучесть и кинематическая вязкость, влияющие на триботехнические свойства и процессы, протекающие на фрикционном контакте. Согласно данным, приведенным в табл. 3, эти показатели представлены для температур 130 и 150 °С, что позволяет оценить влияние температуры.

Наибольшая летучесть при температурах 130 и 150 °С установлена для масла ТС3-9гип - соответственно 4,7 и 12,2 граммов, а наименьшая 1,2 г - для масла ТСП-14гип при температуре 130 °С и 3,2 г - для масла ТНК Транс Ойл 85’^90 ОЬ5 при температуре 150 °С.

Наименьшее изменение вязкости при температуре 130 °С установлено для масла ТНК Транс Ойл 85’^90 ОЬ5 с коэффициентом относительной вязкости 1,0 ед. Для масла ТеЬоіІ Нуроід 80’^90 ОЬ5 установлено

уменьшение вязкости (коэффициент относительной вязкости равен 0,95 ед.). Наибольшее увеличение вязкости установлено для масла ТСП-14гип -1,16 ед при температуре 130 °С.

Таблица 3

Экспериментальные данные изменения летучести и кинематической вязкости при температурах 130 и 150 °С за 10 часов испытания ______________минеральных' трансмиссионных масел______________

Марка масла Летучесть, г Коэффициент относительной вязкости, ед

130 °С 150 °С 130 °С 150 °С

ТСп-10 (ТМ-3-9) 80W GL3 3,0 6,2 1,13 1,38

ТСп-14 гип (ТМ-3-18) 80W-90 GL3 1,2 4,3 1,16 1,25

ТС3-9 гип (ТМ-3-9) 75W-80 GL5 4,7 12,2 1,1 1,84

ТНК Транс Ойл 85W-90 GL5 1,7 3,2 1,0 1,07

Лукойл ТМ-5-18 (85W-90 GL5) 3,6 4,6 1,09 1,23

Consol транс 85W-90 GL5 3,0 3,8 1,05 1,15

Teboil HYPOID 80W-90 GL5 2,2 3,8 0,95 1,07

При температуре 150 °С наибольшее увеличение вязкости установлено для масла ТС3-9гип - 1,84 ед., а наименьшее - для масел ТНК Транс Ойл 851№-90 ОЬ5 и ТеЬоП НУРОГО 801№-90 ОЬ5 - 1,07.

Анализ полученных данных показывает, что предложенные показатели качества трансмиссионных масел, относящиеся к группе эксплуатационных свойств ОЬ5, находятся в широких пределах, что указывает на несовершенство системы классификации. Наилучшие показатели установлены для масла ТНК Транс Ойл 85’^90 ОЬ5.

Вывод. Предложенный метод контроля термоокислительной стабильности минеральных трансмиссионных масел с применением прибора для термостатирования, фотометра, малообъемного вискозиметра и электронных весов позволяет определить дополнительные показатели, применение которых направлено на повышение информативности об их эксплуатационных свойствах и совершенствовании системы классификации.

Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., ¡лЬмп сипаИ.ги, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Янович Валерий Станиславович, соискатель, Labsm@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Петров Олег Николаевич, канд. техн. наук, ст. преподаватель, petrov oleQ@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Кравцова Екатерина Геннадьевна, канд. техн. наук, ст. преподаватель, rina_986 @,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Малышева Наталья Николаевна, канд. техн. наук, доц., nataly.nm@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа

THE RESULTS OF MONITORING THERMAL STABILITY MINERAL GEAR OILS

B.I. Kowalski, V.S. Janowich, O.N. Petrov, E.G. Kravtsovа, N.N. Malysheva

The results of testing mineral gear oils for thermal-oxidative stability at temperatures ranging from 130 to 150 ° C with the use of direct photometry are shown. The dependences of the effect of temperature on the optical properties of the oils, the change in viscosity and volatility , defined onset temperature oxidation and evaporation are obtained. These indicators are proposed to use for comparison of gear oils and their identification to meet classification.

Key words: absorption coefficient of luminous flux , the relative viscosity, volatility, the onset temperature of oxidation and evaporation potential resource.

Kowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, Labsm@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Janowich Valeri Stanislavovich, applicant, Labsm@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Petrov Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, lecturer, petrov oleq@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Kravtsova Ekaterina Gennadievna, candidate of technical sciences, lecturer, rina 986@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Malysheva Natalia Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, nata-ly.nm@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas