Исследование влияния продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства гидравлического масла hlp-10

В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, О. Н. Петров,

Ю. Н. Безбородов, А. А. Игнатьев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ

НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО МАСЛА HLP-10

Ключевые слова: температурная стойкость, оптические свойства, летучесть вязкость, противоизносные свойства, электропроводность фрикционного контакта, интенсивность механохимических процессов.

Установлены параметры температурной стойкости, температурная область работоспособности, оценено влияние продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства, электропроводность фрикционного контакта и интенсивность механохимических процессов при граничном трении скольжения.

Key words: temperature resistance, optical properties, the volatility of the viscosity, anti-wear properties, electrical conductivity, frictional contact, the intensity of mechanochemicalprocesses.

The parameters of thermal resistance, temperature range of performance, assessed the influence of thermal degradation products in the anti-wear properties, electrical conductivity of frictional contact and the intensity of mechanochemical processes in the boundary sliding.

Введение

Температурный диапазон работоспособности моторных масел зависит от их термоокислительной стабильности и температурной стойкости на поверхностях трения. Под действием нагрузки и температуры на поверхностях трения одновременно протекают окислительные процессы и деструкция базовой основы масла и присадок. Существует механическая, температурная и химическая деструкция.

По данным [1] смазочные материалы на основе нефтяного происхождения работоспособны в атмосферных условиях до температур ~ 200 °С. Критическая температура их работоспособности может быть повышена введением поверхностноактивных и химически активных присадок [2]. Показано [3], что для успешной работы смазочных масел в них необходимо присутствие кислорода, обеспечивающего формирование на поверхностях трения защитных граничных слоев, повышающих нагрузки схватывания. В этой связи представляют научное и практическое значения исследования температурной стойкости моторных масел и влияние продуктов температурной деструкции на противо-износные свойства и процессы, протекающие на фрикционном контакте в условиях граничной смазки. Целью настоящих исследований является установление различий в процессе деструкции синтетического гидравлического масла и влияние продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства и механохимические процессы.

Методика исследования

Гидравлическое масло относится к сезонным маслам и применяется в гидравлике погрузчиков в зимний период эксплуатации. Масло представляет собой прозрачную жидкость. Термостати-рование масла начиналось от температуры 120 °С с последующим увеличением температуры на 10 °С, время испытания - 7 час, объем испытуемого масла составлял 80 г, фотометрирование проводилось при толщине фотометрируемого слоя 8 мм. Температур-

ная стойкость оценивалась по коэффициенту поглощения светового потока, вязкости, летучести и противоизносным свойствам на машине трения со схемой трения «шар-цилиндр». Параметры трения: нагрузка 13Н; скорость скольжения 0,68 м/с; температура испытуемого масла 80 °С. Противоизносные свойства оценивались по диаметру пятна износа и коэффициенту электропроводимости фрикционного контакта.

Результаты исследований и их обсуждение

На рис. 1 представлена зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры испытания, из которой следует, что температурная деструкция масла до температуры 150 °С не происходит. Начиная от 150 °С масло резко темнеет. Максимальный ресурс масла достигается при температурах меньше 150 °С.

Рис. 1 - Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры испытания синтетического гидравлического масла НЬР-10

Зависимость летучести гидравлического масла от температуры термостатирования представлена на рис. 2. Более резкое увеличение летучести наступает при температуре испытания более 140 °С. Процесс испарения описывается уравнением второго порядка

G = AT2 +BT

где Т - температура испытания, °С; А и В - коэффициенты, характеризующие летучесть масла.

Рис. 2 - Зависимость летучести от температуры испытания гидравлического масла НЬР-10

Температура начала испарения гидравлического масла составила ~ 100 °С, поэтому, при увеличении температуры на поверхностях трения выше данной температуры, ухудшается режим смазки.

Вязкость масла исследовалась зависимостью коэффициента относительной вязкости, определяемого отношением вязкости масла после термо-статирования к вязкости товарного масла (рис. 3). Из представленных данных видно, что с увеличением температуры испытания вязкость увеличивается только при температуре 170 °С на 10%.

Рис. 3 - Зависимость коэффициента относительной вязкости от температуры испытания гидравлического масла НЬР-10

На основе исследования изменение оптических свойств масла и летучести показано, что процессы самоорганизации при термостатировании до температуры 150 °С протекают за счет испарения, т.е. избыточная тепловая энергия поглощается продуктами испарения. Начиная от 160 °С часть избыточной тепловой энергии поглощается продуктами деструкции масла, вызывая изменение коэффициента поглощения светового потока. В этой связи количество поглощенной тепловой энергии продуктами деструкции и летучести можно определить суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести, названного коэффициентом температурной стойкости, который количественно оценивает процессы самоорганизации, протекающие в смазочном масле в результате его термостатирования. Установлено, что до температуры испытания 150 °С коэффициент ЕТС изменяется незначительно, а дальнейшее увеличение температуры вызывает резкое его увеличение, т.е. происходит более интенсивный сброс избыточной тепловой энергии, вследствие чего образуются продукты деструкции и летучести.

На рис. 4 представлены зависимости диаметра пятна износа от температуры испытания. Со-

гласно представленных данных при температурах испытания от 120 до 140 °С износ уменьшается по сравнению с товарным маслом (точка на ординате), т. е. противоизносные свойства термостатированных масел улучшаются. Дальнейшее повышение температуры вызывают снижение противоизносных свойств масла, а при температуре 170 °С износ увеличивается практически в два раза по сравнению с товарным маслом. Поэтому по параметру противо-износных свойств предельной температурой работоспособности синетического масла на поверхностях трения является температура 160 °С.

Рис. 4 - Зависимость диаметра пятна износа от температуры испытания гидравлического масла НЬР-10

Противоизносные свойства термостатированных масел определяют интенсивность механо-химических процессов, протекающих на фрикционном контакте. Эти процессы определяют продолжительность формирования номинальной площади фрикционного контакта, его электропроводность, формирование адсорбционных или хемосорбцион-ных граничных слоев на поверхностях терния.

Интенсивность механохимических процессов предложено оценивать коэффициентом -^мхп ,

определяемым произведением параметра износа на коэффициент электропроводности фрикционного контакта. При рассмотрении зависимости данного коэффициента от температуры испытания, установлено три характерных температурных области изменения коэффициента интенсивности механохимиче-ских процессов: первая температурная область от 80 °С до 130 °С, где коэффициент Кмхп увеличивается; вторая область от 130 до 160 °С, где коэффициент кмхп уменьшается и третья температурная область от 160 °С и выше, где коэффициент Кмхп резко увеличивается. Такие изменения коэффициента Кмхп вызваны изменениями свойств граничных слоев за счет адсорбционных и хемосорбционных процессов. В этой связи необходимо исследовать изменения коэффициента электропроводности от температуры испытания и параметра износа от коэффициента электропроводности фрикционного контакта.

При рассмотрении зависимости коэффициента электропроводности фрикционного контакта от температуры испытания, также установлено три характерных температурных области изменения коэффициента электропроводности по аналогии с коэффициентом интенсивности механохимических процессов.

Изменение параметра износа рассмотрено по трем температурным областям: до 130 °С; от 130 до 160 °С и от 160 до 170 °С. Установлено, что в первой области параметр износа уменьшается (отмечено стрелкой) с увеличением коэффициента электропроводности фрикционного контакта. Во второй температурной области параметр износа увеличивается, но коэффициент электропроводности уменьшается от 0,28 до 0,1 ед., а в третьей температурной области параметр износа резко возрастает до 0, 62 мм с увеличением коэффициента электропроводности от 0,1 до 0,17 ед. Можно полагать, что в температурной области до 130 °С на поверхностях трения формируются адсорбционные граничные слои, которые переходят в хемосорбционные в температурной области от 130 до 160 °С при этом коэффициенты электропроводности и интенсивности механохимических процессов уменьшаются. В третьей температурной области > 160 °С установлено увеличение параметра износа, коэффициентов электропроводности и интенсивности механохими-ческих процессов. Это подтверждает влияние концентрации продуктов температурной деструкции на свойства граничных слоев.

Установлено, что время формирования площади фрикционного контакта (продолжительность пластической и упругопластической деформаций) также изменяется в установленных температурных областях. Так, в первой температурной области от 80 до 130 °С время формирования площади контакта уменьшается и только при 130 °С незначительно увеличивается. Во второй температурной области от 130 до 160 °С оно колеблется от 7 до 14 мин, а в третьей (> 160 °С) время формирования площади контакта резко увеличивается ввиду отсутствия защитных граничных слоев на поверхностях трения т.е. продукты температурной деструкции не способствуют образованию защитных граничных слоев на поверхностях трения, поэтому параметр износа увеличивается до 0,62 мм.

Выводы

1. Температура начала изменения оптических свойств составила 150 °С, а температура начала испарения - 100 °С, поэтому температурную стой-

кость гидравлического масла предложено оценивать по коэффициенту, определяемому суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести, учитывающего два фактора, эта температура составила 150 °С. Установлено, что вязкость масла в температурном диапазоне до 160 °С практически стабильна.

2. Противоизносные свойства масла в диапазоне температур от 120 до 150 °С выше, чем товарного масла и понижаются при температурах выше 160 °С при значительной концентрации продуктов температурной деструкции.

3. Установлено три характерных температурных области (80 - 130 °С; 130 - 160 °С и 160 °С и выше), в которых коэффициенты электропроводности и интенсивности механохимических процессов изменяются по идентичным закономерностям, что обусловлено формированием на поверхностях трения последовательно адсорбционных, а затем хемо-сорбционных граничных слоев, причем в первой температурной области с увеличением коэффициента электропроводности противоизносные свойства повышаются, во второй области они понижаются с понижением коэффициента электропроводности, в третьей температурной области установлено резкое снижение противоизносных свойств с увеличением коэффициента электропроводности.

4. Установлена зависимость между параметром износа и временем формирования номинальной площади фрикционного контакта, показано, что минимальное значение параметра износа наблюдается в интервале времени от 5 до 15 мин.

Литература

1. Семенов А.П. Высокотемпературные твердые смазочные вещества / А.П. Семенов // Трение и износ Т.28, №5, 2007. С. 525-538.

2. Матвеевский Р.М. Противозадирная стойкость смазочных сред при трении в режиме граничной смазки / Р.М. Матвеевский, И. А. Буяновский, О.В. Лазовская. - М.: Наука. - 1978.

3. Виноградов Г.В. Опыт исследования противозадирных свойств углеродистых смазочных сред // В кн. «Методы оценки противозадирных и противоизносных свойств смазочных материалов» / Г.В. Виноградов. - М.: Наука. 1969. С. 3-11.

© В. Г. Шрам - асп. каф. топливного обеспечения горючесмазочными материалами Сибирского фед. ун-та, shram18rus@mail.ru; Б. И. Ковальский - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, Labsm@mail.ru; О. Н. Петров - асп. той же кафедры, Petrov_oleq@mail.ru; Ю. Н. Безбородов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; А. А. Игнатьев - асп. той же кафедры, JiCarrie@mail.ru.