Процессы, протекающие в смазочном масле при термостатировании, и их влияние на противоизносные свойства

УДК 621.892.004.6

ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В СМАЗОЧНОМ МАСЛЕ ПРИ ТЕРМОСТАТИРОВАНИИ, И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА

Б.И. Ковальский, В.И. Верещагин, В.Г. Шрам, М.М. Рунда

Представлены результаты исследования термоокислительной стабильности и противоизносных свойств минерального моторного масла М-16Г2ЦС, предложены критерии оценки процессов, протекающих в смазочном масле при термостатировании и на поверхностях трения при граничной смазке в зависимости от степени окисления.

Ключевые слова: смазочные масла, термоокислительная стабильность, процессы самоорганизации, противоизносные свойства.

Выбор смазочного масла при его замене другим в эксплуатации оказывает значительное влияние на срок службы оборудования. Наиболее просто выбор осуществляется по данным справочной литературы, однако в ней часто отсутствуют необходимые данные о работоспособности узлов трения в определённых условиях и влиянии изменения свойств смазочного материала, в процессе их эксплуатации.

В данной работе рассматриваются процессы, протекающие в смазочном масле при его термостатировании, и влияние их на противоизносные свойства и процессы, протекающие на фрикционном контакте при граничном трении скольжения. Ранее проведены исследования термоокислительной стабильности смазочных масел различного назначения и базовой основы при статических и циклически изменяющихся температурах [14]. Они показали, что при термостатировании масел изменяются их оптические свойства, вязкость и летучесть, продукты окисления оказывают влияние на противоизносные свойства и процессы, протекающие на фрикционном контакте. Поэтому накопление информации в этой области позволит установить физико-химическую связь между термокислительными и триботехническими процессами.

Объектом исследования является моторное масло М-16Г2ЦС. Методика исследования предусматривала испытание масла в три этапа: на первом определялась его термоокислительная стабильность; на втором - противоизносные свойства в зависимости от концентрации продуктов окисления; на третьем этапе испытания проводились при циклическом изменении температуры от 140 до 170 оС с интервалом 10 оС. Методики испытания на каждом этапе изложены в работах [2-4].

На (рис.1, а) представлены результаты исследования термоокислительной стабильности моторного масла М-16Г2ЦС.

Установлено, что оптические свойства масла при окислении, оцениваемого коэффициентом поглощения светового потока Кп, изменяются с

226

различной скоростью, что указывает на образование двух разных продуктов с различной оптической плотностью. Показано, что зависимость Кп =/(1) имеет изгиб после окисления масла в течение 48 часов. По данной зависимости определяется время начала образования продуктов с большей оптической плотностью, которое составило 15 часов.

К П

10 30 50 10 30 50

10 30 50 10 30 50

Рис. 1. Зависимости коэффициентов поглощения светового потока (а), относительной вязкости (б), летучести (в) и коэффициента термоокислительной стабильности (г) от времени окисления минерального моторного масла М-16Г2ЦС

Вязкость масла при окислении (рис. 1, б) увеличивается по линейной зависимости и после 56 часов испытания увеличивается на 23,5 %.

Летучесть масла (рис. 1, в) за 64 ч испытания составила 5,5 г.

Термоокислительная стабильность оценивалась коэффициентом Етс (рис. 1, г), определяемым суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести. Показано, что зависимость Етос =/(1) имеет изгиб, что также подтверждает образование при окислении двух видов продуктов.

Процессы окисления и летучести при термостатировании масла оценивались скоростями изменения коэффициента поглощения светового потока и летучести (рис. 2). Установлено, что скорость окисления (рис. 2, а) в первые 24 ч испытания уменьшается от 0,014 до 0,007 ед./ч, затем увеличивается (до 56 ч) до значения 0,018 ед./ч и в дальнейшем повторно уменьшается. Такие колебания скорости вызваны процессами самоорганизации, предусматривающими перераспределения избыточной тепловой энергии между продуктами окисления и испарения, а также обра-

227

зованием различных по энергоёмкости продуктов окисления с различной оптической плотностью.

Рис. 2. Зависимости скорости окисления УКп (а) и летучести Ус (б) от времени окисления минерального моторного масла М-16Г2ЦС

Скорость летучести масла М-16Г2ЦС (рис. 2, б) в течение 32 ч испытания уменьшается, а в дальнейшем стабилизируется на уровне

0,063 г/ч. В этой связи интенсивность процессов самоорганизации, протекающих в масле при термостатировании, предложено оценивать коэффициентом Кс, зависимость которого представлена на рис. 3. Данная зависимость представляет ломаную линию, что вызвано процессами перераспределения избыточной тепловой энергии, поглощённой продуктами окисления различной энергоёмкости. В связи с этим можно утверждать, что более энергоёмкие продукты образуются из менее энергоёмких при их определённой концентрации в масле. В этом случае скорость окисления замедляется, т.к. часть избыточной энергии расходуется на образование более энергоёмких продуктов, однако её недостаточно ввиду расхода части энергии на испарение, поэтому процесс перехода одних продуктов окисления в другие замедляется, вызывая изменение коэффициента Кс.

Рис. 3. Зависимость коэффициента интенсивности процессов самоорганизации Кс от времени окисления минерального моторного

масла М-16Г2ЦС

Противоизносные свойства масла М-16Г2ЦС (рис. 4, а) при окислении изменяются в пределах от 0,217 для товарного масла до 0,29 мм в диапазоне изменения коэффициента поглощения светового потока от 0 до

0,83 ед., т.е. продукты окисления незначительно влияют на параметр износа.

10 30 50

10 30 50

10 30 50

Для оценки противоизносных свойств при окислении масла предложен критерий П, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующий условную концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта. Зависимость критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока (рис. 4, б) имеет линейный характер П=3,75Кп. Данная зависимость позволяет контролировать противоизнос-ные свойства масел при производстве без проведения триботехнических испытаний, используя методику испытания масел на термоокислительную стабильность и применяя формулу

и=Кп /П.

Причём, чем больше угол наклона зависимости П=/(КЦ) к оси абсцисс, тем выше противоизносные свойства исследуемого масла.

Рис. 4. Зависимость диаметра пятна износа (а) и критерия противоизносных свойств (б) от коэффициента поглощения светового потока при окисления минерального моторного масла

М-16Г2ЦС

Испытание масла М-16Г2ЦС при циклическом изменении температуры (рис. 5) в диапазоне от 140 до 170 °С показали, что окислительные процессы в циклах понижения температуры стабилизируются, а окисление масла в основном происходит при температурах 160 и 170 °С.

Рис. 5. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от времени окисления моторного масла М-16Г2ЦС при циклическом изменении температуры: 1,3,5,7 - циклы повышения температуры от 140 до 170 °С; 2,4,6 - циклы понижения температуры

от 170 до 140 °С

Для определения температур начала окисления исследованы зависимости скоростей окисления и испарения при циклическом изменении температуры (рис. 6, а). Установлено, что скорость окисления масла при температурах 150 и 140 °С равна 0, а в цикле 4 понижение температуры приобретает отрицательное значение при температуре 140 °С, т.е. температурой начала окисления является 140 °С.

Рис. 6. Зависимости скорости окисления Ут

Отрицательное значение скорости окисления вызвано дифракцией светового потока при фотометрировании зарождающимися центрами коагуляции продуктов окисления, которые абсорбируют на свои поверхности смолистые соединения, очищая масло. При этом световой поток огибает их микроскопические размеры и не поглощается ими, при этом уменьшается коэффициент поглощения светового потока.

Скорость испарения масла (рис. 6, б) минимальна при температуре 140 °С и составляет 0,013 г/ч. В связи с этим можно считать, что нормальной температурой на поверхностях трения с учётом процессов окисления и испарения необходимо считать 140 °С. Эта температура обеспечит максимальный ресурс моторного масла.

Процессы самоорганизации, протекающие в масле при его термо-статировании при температуре 140 °С, практически прекращаются (рис. 7), а в 4-м цикле понижения температуры интенсивность их становится отрицательной.

0.4 А'с

-0.4

- _

" 1 2 3 4 \і/ 5 6 7 і

1 LJ J и LJ —1— _1

ІГЧ

40 S0 120 160

Рис. 7. Зависимость коэффициента интенсивности процессов самоорганизации от времени окисления моторного масла М-16Г2ЦС при циклическом изменении температуры

230

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Результаты испытания моторного масла М-16Г2ЦС на термоокислительную стабильность при температуре 170 °С показали, что при термостатировании образуются два вида продуктов различной оптической плотности, вызывающих изгиб зависимостей Кп = f(t) Етос = f(t), кроме того, вязкость за 56 ч испытания увеличилась на 25 %, а летучесть за 64 ч испытания составила 5,4 граммов.

2. При окислении масла протекают процессы самоорганизации и перераспределение избыточной тепловой энергии между продуктами окисления разной энергоёмкости и испарения, что подтверждается скоростями процессов окисления и испарения. В этой связи предложен коэффициент интенсивности процессов самоорганизации.

3. Противоизносные свойства термостатированых масел оцениваются диаметром пятна износа (изменяются от 0,22 до 0,29 мм) и критерием противоизносных свойств, определяемым отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующего условную концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта. Установлена линейная зависимость критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока.

Список литературы

1. Термоокислительная стабильность частично синтетического трансмиссионного масла Consol транс люкс 75W-90 GL5 / Б.И. Ковальский [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2007. Вып.3. С. 200 - 204.

2. Метод определения термоокислительной стабильности смазочных масел / Б.И. Ковальский [и др.] // Вестник СибГАУ. 2009. Вып. 1(22). Ч. 2. С. 93 - 96.

3. Метод исследования термоокислительной стабильности моторных масел при циклическом изменении температуры испытания / Б.И. Ковальский [и др.] // Вестник СибГАУ. 2009. Вып. 1(22). Ч. 2. С. 97 - 99.

4. Методика исследования противоизносных свойств товарных моторных масел и механохимических процессов при граничном трении скольжения / Б.И. Ковальский [и др.] // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т 316. № 2. С. 42 - 46.

Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., Labsm@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Верещагин Валерий Иванович, соискатель, valeri-2502@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Шрам Вячеслав Геннадьевич, старший преподаватель, Shram 18rus@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Рунда Михаил Михайлович, соискатель, Labsm@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа

PROCESSES OCCURRING IN THE LUBRICA TION OIL IN TEMPERING AND THEIR INFLUENCE ON ANTI-WEAR PROPERTIES

B.I. Kowalski, V.I. Vereshchagin, V.G. Shram, M.M. Runda

The results of studies of thermal oxidative stability and anti-wear properties of mineral engine oil M-16G2TSS are given. The criteria for evaluating the processes occurring in the lubricating oil During incubation and on the friction surfaces under boundary lubrication depending on the degree of oxidation is proposed.

Key words: Lubricants, thermal stability, self-organization, anti-wear properties.

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

Vereshchagin Valery Ivanovich, postgraduate, valeri-2502@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Shram Vyacheslav Gennadevich, Senior Teacher, Shram18rus@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Runda Michail Michailovich, postgraduate, Labsm@mail. ru, (Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas