Влияние процессов окисления на температурную стойкость и противоизносные свойства минерального масла

УДК 621.892.2

ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ НА ТЕМПЕРАТУРНУЮ СТОЙКОСТЬ И ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛЬНОГО МАСЛА

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

Представлены результаты исследования влияния продуктов окисления на температурную стойкость и продуктов температурной деструкции на противоиз-носные свойства. Установлено влияние продуктов окисления на оптические свойства, кинематическую вязкость, летучесть и противоизносные свойства минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10Ш-40 БЕ/СО при термостатировании в диапазоне температур от 160 до 280 С.

Ключевые слова: термоокислительная стабильность, температурная стойкость, относительная вязкость, летучесть, критерий противоизносных свойств.

На поверхностях трения одновременно протекают процессы окисления, механической и температурной деструкции, а также химические реакции материалов пар трения с продуктами окисления, температурной деструкции и сгорания топлива. Влияние продуктов окисления на процессы температурной деструкции и изменение противоизносных свойств практически не исследовано, поэтому целью настоящих исследований является изучение этой проблемы.

Для исследования выбрано минеральное всесезонное моторное масло Лукойл Стандарт 10Ш-40 8Б/СС. Исследования проводились на следующих средствах измерения: приборы для определения термоокислительной стабильности и температурной стойкости, малообъемный вискозиметр, фотометр, трехшариковая машина трения, оптический микроскоп и электронные весы.

Минеральное масло испытывалось в три этапа. На первом этапе масло подвергалось окислению, на втором этапе окисленное масло подвергалось термостатированию в диапазоне температур от 160 до 280 °С, а на третьем этапе термостатированные масла при каждой температуре испы-тывались на трехшариковой машине трения со схемой «шар-цилиндр». Параметры трения составляли: нагрузка - 13 Н; скорость скольжения -0,68 м/с; температура масла в объеме - 80 °С, время испытания - 2 часа. Материал шара и цилиндра сталь ШХ15, диаметр шара - 9,5 мм, а цилиндра - 80 мм.

Отличительной особенностью машины трения является контакт каждого из трех шаров с цилиндром по индивидуальной дорожке трения [1].

На рис. 1 представлены результаты окисления минерального масла. Процесс окисления оценивался по зависимости коэффициента поглощения

светового потока КПО от времени окисления (рис. 1,а).

Рис. 1. Зависимости коэффициента поглощения светового потока (а), относительной вязкости (б) и испаряемости (в) от времени окисления минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10Ш-40 БГ/СС

Данная зависимость имеет изгиб, что свидетельствует об образовании двух видов продуктов окисления различной оптической плотности, названные первичными (начальный участок) и вторичными (участок после изгиба зависимости) и описывается кусочно-линейной функции вида:

к ПО = а \г - 1Н ),

где а - коэффициент, характеризующий скорость образования первичных или вторичных продуктов, ч-1; гн - время начала образования первичных или вторичных продуктов окисления, ч; г - время испытания, ч.

Регрессионные уравнения для каждого участка имеют вид: первый участок КПО = 0,0053 • г

второй участок КПО = 0,014 •

Изменение кинематической вязкости при окислении масла оценивалось коэффициентом относительной вязкости К , определяемого отношением вязкости окисленного масла к вязкости товарного (рис. 1, б). Согласно данных вязкость при окислении масла уменьшается и за 64 часа термостатирования уменьшилась на 10 %. Суммарная летучесть масла (рис. 1, в) при окислении увеличивается по линейной зависимости и только после 72 часов испытания она стала уменьшаться. Точка на ординате зависимости указывает на концентрацию в товарном масле легких фракций (0,4 %).

Противоизносные свойства окисленных масел оценивались по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа и на трех шарах из двух параллельных опытов (рис. 2, а). Установлено, что противоизносные свойства в начале процесса окисления (КПО < 0,2 ед.) повышаются, а при КПО = 0,28 ед они понижаются, а в дальнейшем сохраняется тенденция их повышения, причем они превышают противоизносные свойства товарного масла (точка на ординате).

Рис. 2. Зависимости диаметра пятна износа (а) и критерия противоизносных свойств (б) от коэффициента поглощения светового потока при окислении минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10Ш-40 БГ/СС

Для оценки противоизносных свойств предложен эмпирический критерий П определяемый отношением:

П = КПО мм-1

U W

Данный критерий (рис. 2, б) характеризует условную концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта [2].

Регрессионное уравнение зависимости критерия П = f(КПО) имеет

вид:

П = 4,286 • КПО,

где коэффициент 4,286 характеризует скорость изменения критерия проти-воизносных свойств, и чем она выше, тем выше противоизносные свойства испытываемого масла.

В качестве критерия термоокислительной стабильности предложен коэффициент ЕТОС, определяемый суммой:

ЕТОС = КПО + KG,

где КG - коэффициент летучести, определяемый отношением.

m

К G = —,

G M W

где m и M - соответственно масса испарившегося масла, и масса оставшегося масла после термостатирования за установленное время.

Критерий термоокислительной стабильности характеризует количество поглощенной тепловой энергии продуктами окисления и испарения. Зависимость данного критерия от времени окисления представлена на рис. 3, из которой следует, что процесс окисления сопровождается образованием двух видов продуктов.

Регрессионное уравнение зависимости имеет вид для участков: первого Етос = 0,0072 • t

второй участок Етос = 0,0154 •

Сравнивая зависимости КПО = f(t) (рис. 1, а) и ЕТОС = f(t) (рис. 3) видно, что скорости образования первичных и вторичных продуктов окис-

ления с учетом летучести выше, если процесс окисления оценивать по критерию ЕТОС.

Процесс температурной деструкции минерального масла оценивался после их окисления до значений коэффициента КПО равного 0,18, 0,32 и 0,567 ед и термостатирования в диапазоне температур от 160 до 280 °С в течение 8 часов.

Рис. 3. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от времени окисления минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10Ш-40 БГ/СС

Данный процесс оценивался фотометрическим методом по изменению коэффициента КПТ (рис. 4, а). Установлено, что зависимости коэффициента КПТ от температуры термостатирования независимо от степени окисления масла имеют начальный линейный участок и второй участок с более интенсивным его изменением, что указывает на образование двух видов продуктов деструкции с различной оптической плотностью, вызывающих ее изгиб. Линейный участок зависимостей КПТ = / (Т) описывается уравнением:

Кпт = а -

где а - коэффициент, характеризующий скорость образования первичных продуктов деструкции; Т - температура испытания, °С; ТН - температура начала термостатирования (ТН = 140 °С); КПО - коэффициент поглощения

светового потока при окислении масла.

Регрессионного уравнения первого участка при термостатировании окисленных масел имеют вид:

при КПО = 0,18 ед КПТ = 0,00187-

при КПО = 0,32 ед КПТ = 0,00335-

при КПО = 0,567 ед КПТ = 0,00367-

Согласно уравнений 10 - 12 скорость образования первичных продуктов температурной деструкции увеличивается с увеличением степени окисления минерального масла, а температура термостатирования понижается. Линейность участков зависимостей КПТ = /(Т) объясняется тем, что образующиеся продукты температурной деструкции характеризуются одинаковыми оптическими свойствами, что и продукты окисления.

а б в

Рис. 4. Зависимости коэффициентов поглощения светового потока КПТ

от температуры термостатирования окисленных минеральных масел Лукойл Стандарт 10Ш-40 БГ/СС: 1 - КПО=0,18 ед;

2 -Кпо=0,32ед; 3 -Кпо=0,567ед.

Коэффициент относительной вязкости Кт при термостатировании

окисленных масел (рис. 4, б) практически не изменяется в диапазоне температур от 160 до 260 °С, т.е. вязкость равна вязкости окисленного масла при значениях коэффициентов КПО равных 0,18, 0,32 и 0,567 ед.

Летучесть окисленных масел (рис. 4, в) при термостатировании описывается полиномом второго порядка, причем летучесть масел окисленных до значений коэффициентов КПО равных 0,32 и 0,567 ед практически одинакова.

Оценку температурной стойкости окисленных масел ЕТС (рис. 5) предложено определять по формулам 5 и 6. Зависимости ЕТС от температуры термостатирования также имеют два участка с различной скоростью изменения коэффициента ЕТС, учитывающего процессы температурной деструкции и испаряемости окисленных масел.

Рис. 5. Зависимости коэффициента температурной стойкости ЕТС от температуры термостатирования окисленных масел Лукойл Стандарт 10Ш-40 БГ/СС: 1 - Кпо=0,18 ед; 2 - Кпо=0,32 ед;

3 - Кпо=0,567ед.

Изменение противоизносных свойств при термостатировании окисленных масел исследовано зависимостями среднеарифметического значения диаметров пятен износа от температуры термостатирования (рис. 6, а) и коэффициента поглощения светового потока КПТ (рис. 6, б). Установлено, что при термостатировании окисленных масел при температуре 160 °С противоизносные свойства окисленных масел повышаются по сравнению с противоизносными свойствами нетермостатированных масел (точки на ординате). В диапазоне температур от 160 до 200 °С противоизносные свойства термостатированных масел незначительно понижаются с минимальным различием независимо от степени окисления. Дальнейшее повышение температуры термостатирования до 220 °С вызывает повышение противоизносных свойств масел окисленных до значений коэффициента КПО равных 0,32 и 0,567 ед (кривые 2 и 3).

а б в

Рис. 6. Зависимости диаметра пятна износа от температуры термостатирования (а) и коэффициента поглощения светового потока (б) и критерия противоизносных свойств ПТ от коэффициента поглощения светового потока (в) при термостатировании окисленных минеральных масел Лукойл

Стандарт 10Ш-40 БГ/СС: 1 - Кпо=0,18 ед; 2 - Кпо=0,32 ед;

3 - Кпо=0,567ед.

Для масел окисленных до значения коэффициента КПО = 0,18 ед (кривая 1) при этой температуре наблюдается резкое повышение противо-износных свойств, однако дальнейшее повышение температуры от 240 до 280 °С вызывает понижение этих свойств. Таким образом, образующиеся при температурной деструкции продукты в целом повышают противоизносные свойства окисленных масел.

Анализ зависимостей и = / ( Кпт ) показывает, что при значениях коэффициента Кпт > 0,3 ед. противоизносные свойства окисленных масел приобретают значения, изменяющиеся в пределах от 0,28 до 0,19 мм независимо от степени окисления масла (рис. 6, б), которые ниже, чем в окисленных маслах (0,25 - 0,385 мм).

Для оценки изменения противоизносных свойств в зависимости от концентрации продуктов температурной деструкции в окисленных маслах

предложен критерий ПТ, определяемый отношением:

Пт = Kf,

Зависимости критерия ПТ от коэффициента КПТ при термостатиро-вании окисленных масел представлены на рис. 6, в.

Установлено, что зависимости Пт = f (Кпт) описываются линейными уравнениями.

Регрессионные уравнения зависимостей Пт = f (Кпт ) для окисленных масел имеют вид:

Кпо = 0,18 ед Пт = 4,0 • Кпт

КПО = 0,32 ед ПТ = 4,615 • КПТ

КПО = 0,567 ед ПТ = 7,895 •

Из представленных уравнений (14 - 16) видно, что с увеличением степени окисления минерального масла при его термостатировании проти-воизносные свойства его повышаются.

Сравнивая критерии противоизносных свойств товарного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC (рис. 2, б) и термостатированных, предварительно окисленных (рис. 6, б), видно, что противоизносные свойства масел, окисленных до значения КПО равного 0,32 и 0,567 ед, после термоста-тирования превышают противоизносные свойства товарных масел.

Полученными результатами исследования доказано, что термоста-тирование предварительно окисленных масел повышает их противоизносные свойства до 1,8 раза.

Список литературы

1. Патент РФ №2428677 МПК G01N 19/02. Устройство для испытания трущихся материалов и масел / Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, О. Н. Петров, В. И. Тихонов. Опубл. 10.09.2011. Бюл. №25.

2. Патент РФ №2454654 МПК G01N 3/56, G01N 33/30. Способ определения качества смазочных масел / Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, Н. Н. Малышева и др. Опубл. 27.06.2012. Бюл. №18.

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

Сокольников Александр Николаевич, канд. техн. наук, зав. каф, доцент, aso-kolnikov@bk.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Петров Олег Николаевич, канд. техн. наук, доц., e-mail: Petrov oleq@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Агровиченко Дарья Валентиновна, асп, dashuta2806@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

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

THE INFLUENCE OF OXIDATION ON THE TEMPERATURE RESISTANCE AND ANTI-WEAR PROPERTIES OF MINERAL OILS

B.I. Kowalski, A.N. Sokolnikov, O.N. Petrov, D. V. Agrovichenko, V. G. Shram

Presents research results of the influence of oxidation products on the temperature resistance and the products of thermal degradation on the antiwear properties. The influence of oxidation on the optical properties, kinematic viscosity, volatility and antiwear properties of mineral engine oils LUKOIL Standard 10W-40 SF/CC when the temperature control in the temperature range from 160 to 280 C.

Key words: thermal-oxidative stability, thermal stability, relative viscosity volatility criterion antiwear properties.

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

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

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

Agrovichenko Darya Valentinovna, postgraduate, dashuta2806@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

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