Применение фотометрии при контроле термоокислительной стабильности смазочных масел

УДК 621.892.2

ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОМЕТРИИ ПРИ КОНТРОЛЕ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ СМАЗОЧНЫХ

МАСЕЛ

Б.И. Ковальский, Д.Д. Абазин, О.Н. Петров, В.Г. Шрам, А Н. Сокольников

Представлены результаты исследования термоокислительной стабильности моторных масел различной базовой основы. Предложены показатели оценки термоокислительной стабильности, учитывающие изменения коэффициентов поглощения светового потока, испаряемости и кинематической вязкости при термостатирова-нии смазочных масел при различных температурах. Установлено, что предложенные показатели термоокислительной стабильности зависят от базовой основы масла, испаряемости, кинематической вязкости и в меньшей степени зависят от состава продуктов окисления при изменении температуры.

Ключевые слова: показатель термоокислительной стабильности, коэффициент испаряемости, коэффициент относительной вязкости, коэффициент поглощения светового потока, поглощенная тепловая энергия.

Метод фотометрии широко применяется при контроле процессов окисления смазочных масел. В этой связи применяются различные показатели термоокислительной стабильности, учитывающие, в основном, изменение оптических свойств, испаряемости и кинематической вязкости [1 -4] при термостатировании масел. Поэтому целью настоящих исследований является обоснование наиболее эффективного показателя термоокислительной стабильности.

Для исследования выбраны моторные масла различной базовой основы: минеральное Роснефть М10-Г2к (SAE 30); частично синтетическое Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF и синтетическое Kixx Gold 10W-40 SJ/CF.

Методика исследования заключалась в следующем. Проба масла массой 100 г помещалась в стеклянный стакан и термостатировалась с перемешиванием стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин. Температура термостатирования и частота вращения мешалки поддерживались автоматически в процессе окисления. Минеральное и частично синтетическое масла испытывались при температурах 180, 170 и 160 °C, синтетическое при 200 и 190 °C. Через каждые восемь часов окисления стеклянный стакан с пробой взвешивался, определялась масса испарившегося масла, отбирались пробы окисленного масла для фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока и кинематической вязкости, измеряемой при температуре 100 °C. Затем отобранные пробы сливались в стеклянный стакан, который взвешивался повторно.

Испытания продолжались до достижения коэффициента поглощения светового потока величины равной 0,75 - 0,8. Зачем строились графические зависимости показателя термоокислительной стабильности исследуемых масел от времени окисления и коэффициента поглощения светового потока для принятых температур термостатирования.

Для обоснования показателя (критерия) термоокислительной стабильности моторных масел использованы различные сочетания коэффициента поглощения светового потока Кп, характеризующего концентрацию продуктов окисления, коэффициента испаряемости Kg, определяемого отношением массы испарившегося масла за время t к массе оставшейся пробы окисленного масла и коэффициента относительной кинематической вязкости К^, определяемого отношением вязкости окисленного масла к

вязкости товарного (неокисленного).

При термостатировании смазочного масла избыточная тепловая энергия поглощается продуктами окисления испарения, в результате чего оно темнеет, поэтому сумма коэффициентов К п + Kg будет характеризовать количество тепловой энергии, превращенной в продукты окисления и испарения. Данная сумма характеризует термоокислительную стабильность смазочного масла, т.к. чем меньше величина, тем выше его сопротивляемость температурным воздействиям.

На рис. 1, а, б, в представлены зависимости показателя термоокислительной стабильности П от времени и температуры термостатирования моторных масел различной базовой основой. Для определения более термостойкого смазочного масла определим время достижения величины показателя термоокислительной стабильности равной 0,8, которая составила для минерального масла при температурах термостатирования: 180 °C -40 ч; 170 °C - 77 ч; 160 °C - 146 ч; частично синтетического: 180 °C - 30 ч; 170 °C - 46 ч; 160 °C - 110 ч; синтетического: 200 °C - 52 ч; 190 °C - 83 ч. Наиболее термостойким маслом является синтетическое, время окисления которого при 190 °C составило 83 ч, а наименее термостойким является частично синтетическое масло Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF.

Регрессионное уравнение зависимостей показателя термоокислительной стабильности от времени и температуры окисления для исследуемых масел описывается полиномом второго порядка

П1 = at2 + bt + с,

где a, b и с - коэффициенты, характеризующие сопротивляемость исследуемых масел окислению и испарению.

Данные уравнения имеют вид для масел:

- минерального Роснефть M10Г2к:

180 °C П1 =-1,289 • 10-412 + 0,02514t + 0,0247;

233

170 °C П1 = 1,5625 • 10-412 + 0,00725t + 0,0615;

160 °C П1 =-2,34375 • 10-512 + 0,00786t - 5 • t-4,

коэффициент корреляции соответственно: 0,9994; 0,998; 0,997

- частично синтетическое Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF:

180 °C П1 = 5,859 • 10-412 + 0,0099t + 0,053;

170 °C П1 = 6,875 • 10-412 + 0,0077t + 0,102;

160 °C П1 = 8,984 • 10-512 + 0,0035t - 0,01175,

коэффициент корреляции соответственно: 0,9946; 0,9997; 0,9976.

- синтетическое Kixx Gold 10W-40 SJ/CF:

200 °C П1 =-5,8594 • 10-412 + 0,03556t - 0,122;

190 °C П1 =-3,905 • 10-612 + 0,001107t - 0,0427,

коэффициент корреляции соответственно: 0,9934; 0,9998.

Для оценки влияния температуры окисления моторных масел на состав продуктов построены зависимости показателя термоокислительной стабильности от коэффициента Кп (рис. 2, а, б, в), согласно которым установлено, что независимо от температуры окисления состав продуктов окисления практически не изменяется, т.е. при одном и том же значении коэффициента Кп независимо от температуры окисления величина показателя Щ будет одинакова.

Регрессионное уравнение зависимостей П{ = f (Кп) имеет линейный характер для масел:

- Роснефть М10Г2к:

Щ = 1,127• Кп -0,02;

- Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF:

Щ = 1,0714 • К п;

- Kixx Gold 10W-40 SJ/CF для линейного участка Кп > 0,2:

Щ = 1,192 • Кп + 0,18.

Согласно уравнений 10 - 12 установлено, что независимо от базовой основы масла, образующиеся продукты окисления оказывает равноценное влияние на показатель термоокислительной стабильности независимо от температуры окисления при одинаковых величинах коэффициент

К п.

В этой связи для сравнения различных смазочных масел можно пользоваться показателем термоокислительной стабильности определяемым по формуле

П = Кп + Kg.

234

Рассмотрим второй показатель термоокислительной стабильности учитывающий коэффициенты поглощения светового потока Кп, и испаряемость К^ и коэффициент относительной вязкости К^, выраженный

эмпирической зависимостью

П 2 =

Зависимости показателя термоокислительной стабильности П2 от времени и температуры окисления исследуемых масел представлены на рис. 3, а, б, в.

Рис. 1. Зависимости показателей термоокислительной стабильности от времени и температуры окисления моторных масел

с учетом коэффициента Кп и испаряемости: а - минеральное Роснефть М10-Г2к; б - частично синтетическое Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF; в - синтетическое Kixx Gold 10W-40 SJ/CF

Регрессионные уравнения зависимостей показателя термоокислительной стабильности П2 от времени и температуры окисления описываются полиномом второго порядка (1) для масел: - минерального Роснефть М10Г2к:

180 °C П2 =-1,015625 • 10-412 + 0,02724t + 0,035;

170 °C П2 = 2,22656 • 10-412 + 0,00603t + 0,07075;

235

160 °C

П2 = -1,5625 • 10-512 + 0,0079t -1 • 10-3:

коэффициент корреляции соответственно: 0,9986; 0,9972; 0,9961; - частично синтетическое Роснефть Maximum 10W-40 SJ/CF

42

П2 = 4,1406 • 10"^Г + 0,01t - 0,049;

180 °C 170 °C

160 °C П2 = 5,859 • 10_J t2 + 0,0034t - 0,00975, коэффициент корреляции соответственно: 0,9996; 0,9932; 0,9994;

П2 = -1,26 • 10-412 + 0,0224t - 0,142;

ч-5 ,2

синтетическое Kixx Gold 10W-40 SJ/CF

42

200 °C П2 = -7,0703 • 10"^Г + 0,0373t - 0,1362;

190 °C П2 = -3,906 • 10-612 + 0,01214t - 0,051, коэффициент корреляции соответственно: 0,9973; 0,9952.

Рис. 2. Зависимости показателя термоокислительной стабильности от коэффициента поглощения светового потока и температуры окисления моторных масел с учетом коэффициента Кп

и испаряемости: а - минеральное Роснефть М10-Г2к; б - частично синтетическое Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF; в - синтетическое

Kixx Gold 10W-40 SJ/CF

Рис. 3. Зависимости показателя термоокислительной стабильности от времени и температуры окисления моторных масел с учетом кинематической вязкости: а - минеральное Роснефть М10-Г2к; б - частично синтетическое Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF; в - синтетическое Kixx Gold 10W-40 SJ/CF

Для оценки влияния температуры окисления и кинематической вязкости на состав продуктов окисления исследована связь между этими параметрами. На рис. 4, а, б и в представлены зависимости показателя термоокислительной стабильности П2 от коэффициента поглощения светового потока. Согласно данных вязкость окисленных масел оказывает влияние на показатель термоокислительной стабильности, причем для минерального масла (рис. 4, а) она его увеличивает при температуре 160 °C (кривая 3) при значении коэффициента Кп > 0,5. Для частично синтетического масла (рис. 4, б) вязкость уменьшает значение показателя П^ с уменьшением температуры окисления (кривая 3), а для синтетического масла вязкость увеличивает величину показателя П2 при уменьшении температуры окисления (кривая 2) при значениях коэффициента Кп > 0,6.

Регрессионные уравнения зависимостей П2 = f (Кп) для исследуемых масел и температур окисления имеют вид:

237

- минерального Роснефть M10Г2к

180 °C П2 = 1,38756• Кп - 0,06582;

170 °C П2 = 1,35336• Кп - 0,04544;

160 °C

П2 = 1,36712 • Кп - 0,04661;

коэффициент корреляции соответственно: 0,9967; 0,9957; 0,9921;

- частично синтетическое Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF: 180 °C П2 = 0,84879 • Кп + 0,03578;

170 °C П2 = 0,85596 • Кп + 0,01629;

160 °C

П2 = 0,8582 • К п + 0,01144,

коэффициент корреляции соответственно: 0,9997; 0,9998; 0,9990; - синтетическое Kixx Gold 10W-40 SJ/CF: 200 °C П2 = 1,1551 • Кп + 0,06427;

190 °C П2 = 1,2696 • Кп + 0,04675,

коэффициент корреляции соответственно составил: 0,9981; 0,9934.

Рис. 4. Зависимости показателя термоокислительной стабильности от коэффициента поглощения светового потока и температуры окисления моторных масел с учетом кинематической вязкости: а - Роснефть М10-Г2к; б - Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF; 1 -180 °C; 2 -170 °C; 3 -160 °C

Рассмотрим третий вариант определения показателя термоокислительной стабильности, учитывающий изменение оптических свойств (Кп), испаряемости К^ и кинематической вязкости К^ при окислении исследуемых масел и выраженный зависимостью

Пз =

В этом случае показатель термоокислительной стабильности учитывает отношение в изменениях между продуктами окисления и кинематической вязкостью.

Рис. 5. Зависимости показателя термоокислительной стабильности от коэффициента поглощения светового потока и температуры окисления моторного масла Kixx Gold 10W-40 SJ/CF: 1 - 200 °C; 2 -190 °C

На рис. 6, а, б, в представлены зависимости показателя термоокислительной стабильности П3 от времени и температуры окисления. Установлено, что температура оказывает существенное влияние на показатель термоокислительной стабильности.

Регрессионные уравнения зависимостей показателя термоокислительной стабильности П3 от времени и температуры окисления для исследуемых масел имеют вид

- минерального Роснефть M10-Г2к:

180 °C П3 = 8,1641 • 10-412 + 0,0085t - 0,0537;

170 °C П3 = 8,5156 • 10-412 + 0,0098t + 01136;

160 °C П3 = 1,328 • 10-412 + 0,0034t + 0,013,

коэффициент корреляции соответственно составил: 0,9982; 0,9984; 0,9996;

- частично синтетическое Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF:

180 °C П3 = 8,164 • 10-412 + 0,0085t - 0,0537;

170 °C П3 = 8,515 • 10-412 - 0,0098t + 0,1135;

239

160 °C П3 = 1,328 • 10-412 + 0,0034t - 0,013,

коэффициент корреляции соответственно составил: 0,9977; 0,9993; 0,9990;

- синтетическое Kixx Gold 10W-40 SJ/CF:

200 °C П3 =-4,1016 • 10-412 + 0,0324t - 0,0995;

190 °C П3 = 3,125 • 10-512 + 0,01t - 0,0345,

коэффициент корреляции соответственно составил: 0,9981; 0,9946.

Для оценки влияния продуктов окисления на вязкость, исследована связь между этими показателями по отношению к коэффициенту Кп и ее

влияние на показатель термоокислительной стабильности П3 (рис. 7, а, б,

в). Согласно данных, для минерального масла вязкость и температура окисления незначительно влияет на показатель термоокислительной стабильности (рис. 7, а) при значении коэффициента Кп = 0,8.

Для частично синтетического масла (рис. 7, б) вязкость увеличивает величину показателя термоокислительной стабильности с уменьшением температуры окисления.

Иная картина установлена для синтетического масла (рис. 7, в). Вязкость и температура окисления оказывают влияние на показатель П3 в диапазоне изменения коэффициента Кп от 0,15 до 0,25 и больше 0,55, причем с уменьшением температуры окисления вязкость уменьшает значение показателя термоокислительной стабильности (кривая 2).

Регрессионные уравнения зависимостей П3 = f (К п) для исследуемых масел и температур окисления имеют вид:

- минерального масла Роснефть М10Г2к:

180 °C П3 = 0,896 • Кп + 0,0619;

170 °C П3 = 0,87307 • Кп -+0,0421;

160 °C П3 = 0,9631 • Кп + 0,01873, (42) коэффициент корреляции соответственно: 0,9966; 0,9993; 0,9974;

- частично синтетического масла Роснефть Maximum 10W-40

SL/CF:

180 °C П3 = 1,2997 • Кп + 0,01234;

170 °C П3 = 1,3681 • Кп - 0,01141;

160 °C П3 = 1,4265 • Кп - 0,0047,

коэффициент корреляции соответственно: 0,9998; 0,9999; 0,9990;

- синтетического Kixx Gold 10W-40 SJ/CF:

200 °C П3 =-1,126 • К2 + 2,594Кп - 0,012;

190 °C П3 =-1,242 • К2 + 2,533Кп - 0,012,

коэффициент корреляции соответственно составил: 0,9933; 0,9433.

240

Рис. 6. Зависимости показателя термоокислительной стабильности от времени и температуры окисления моторных масел с учетом кинематической вязкости: а - минеральное Роснефть М10Г2к; б - частично синтетическое Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF; в - синтетическое Kixx Gold 10W-40 SJ/CF

241

Пъ

0.1 0.3 0.5 0.7 0.Э

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9

о

Щ

0.1 0.3 0.5 0.7 0.Э

Рис. 7. Зависимости показателя термоокислительной стабильности от коэффициента поглощения светового потока и температуры окисления моторных масел с учетом кинематической вязкости: а - минеральное Роснефть М10-Г2к; б - частично синтетическое Роснефть Maximum 10W-40 SL/CF; в - синтетическое Kixx Gold 10W-40 SJ/CF 242

На основе проведенных исследований установлено:

1. В качестве показателя термоокислительной стабильности смазочных масел различной базовой основы рекомендуется сумма двух коэффициентов: поглощения светового потока Кп и испаряемости Кg, учитывающая количество поглощенной тепловой энергии в процессе окисления. При этом кинематическая вязкость принимается как отдельный показатель эксплуатационных свойств, изменяющийся при окислении в пределах от плюс 35 % до минус 20 % по отношению к товарному маслу.

2. Вторым показателем термоокислительной стабильности смазочных масел различной базовой основы, учитывающим влияние продуктов окисления на кинематическую вязкость предлагается отношение [(Кп + Kg)/К^] суммы коэффициентов поглощения светового потока и

испаряемости, деленной на коэффициент относительной вязкости, определяемый отношением вязкости окисленного масла к вязкости товарного.

Список литературы

1. Пат. № 2408886 РФ, МПК 00Ш 33/30. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, А. В. Юдин, Н. Н. Ананьин, Е. Г. Мальцева; опубл.

10.01.2011. Бюл. № 1.

2. Пат. № 2453832 РФ, МПК 00Ш 25/02. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Б. И. Ковальский, Е. Г. Мальцев, Ю. Н. Безбородов, В. С. Янович, А. А. Игнатьев; опубл.

20.06.2012. Бюл. № 17.

3. Пат. № 2485486 РФ, МПК 00Ш 25/00. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Б. И. Ковальский, А. В. Юдин, В. Г. Шрам, В. С. Янович, М. М. Рунда; опубл. 20.06.2013. Бюл. № 17.

4. Ковальский Б.И., Янович В.С., Шрам В.Г., Петров О.Н. Оптический метод контроля термоокислительной стабильности трансмиссионных масел // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: изд-во ТулГУ, 2013, Вып. 11. С. 302 - 311.

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

Абазин Дмитрий Дмитриевич, канд. техн. наук, проф. 1лЬмтатаИ.ги, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Петров Олег Николаевич, канд. техн. наук, доц., Ре&оу_о1ед@таИ.ги, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Шрам Вячеслав Геннадьевич, канд. техн. наук, доц., Shram IHriis a mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Сокольников Александр Николаевич, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, aso-kolnikov a hk.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа

APPLICATION OF PHOTOMETRY IN CONTROLLING THE THERMAL AND OXIDATIVE

STABILITY OF L UBRICA TING OILS

B.I. Xowalski, D.D. Ahazin, O.N. Petrov, V.G. Shram, A.N. Sokolnikov

Application of photometry in the control of thermal and oxidative stability. The results of the study of the thermal oxidative stability of motor oils of various hase hases are presented. The indices of the evaluation of the thermooxidative stability are proposed taking into account the changes in the absorption coefficients of the light flux, evaporation and kinematic viscosity during the thermostating of lubricating oils at different temperatures. It is found that the proposed parameters of thermooxidative stability depend on the base basis of oil, volatility, kinematic viscosity and to a lesser extent depend on the composition of the oxidation products when the temperature changes.

Xey words: the index of thermal-oxidative stability, the coefficient of volatility, the coefficient of relative viscosity, the absorption coefficient of the light flux, and the absorbed thermal energy.

Xowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Labsma mail. ru, Russia, Xrasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Abazin Dmitry Dmitrievich, candidate of technical sciences, professor, Labsma mail. ru, Russia, Xrasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Petrov Oleg Nikolayevich, candidate of technical sciences, docent, Petrov_oleq@mail. ru, Russia, Xrasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Shram Vyacheslav Gennadevich, candidate of technical sciences, docent, Shram IHrusa mail. ru, Russia, Xrasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and

Gas,

Sokolnikov Alexander Nikolayevich, candidate of technical sciences, docent, head of the department, asokolnikov@bk. ru, Russia, Xrasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas