Анализ результатов исследования влияния базовой основы моторных масел на процессы окисления и триботехнические характеристики

УДК 621.43-4

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ БАЗОВОЙ ОСНОВЫ МОТОРНЫХ МАСЕЛ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

© А.В. Берко1, Б.И. Ковальский2, А.Н. Сокольников3, Д.В. Агровиченко4

Сибирский федеральный университет,

660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 82/6.

Представлены результаты исследования влияния базовой основы моторных масел на процессы окисления и триботехнические характеристики окисленных масел. Разработана методика контроля состояния товарных и окисленных моторных масел, позволяющая определить температурную область их работоспособности, увеличить потенциальный ресурс и получить дополнительную информацию по триботехническим характеристикам с учетом влияния продуктов окисления на противоизносные свойства. Предложен эмпирический критерий для оценки влияния базовой основы моторных масел при окислении на противоизносные свойства, учитывающий концентрацию продуктов окисления и определяющий скорость изменения противоизносных свойств. Проведен сравнительный анализ показателей термоокислительной стабильности моторных масел и триботехнических характеристик окисленных.

Ключевые слова: потенциальный ресурс; испаряемость; скорость образования первичных продуктов окисления; вторичные продукты окисления; критерий противоизносных свойств; диаметр пятна износа.

ANALYSIS OF THE RESULTS OF STUDYING MOTOR OIL BASE INFLUENCE ON OXIDATION PROCESSES

AND TRIBOTECHNICAL CHARACTERISTICS

A.V. Berko, B.I. Kowalski, A.N. Sokolnikov, D.V. Agrovichenko

Siberian Federal University,

82/6, Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.

The article introduces the results of studying the influence of motor oil base on oxidation processes and tribotechnical characteristics of oxidized oils. It develops the methods for monitoring the condition of the market grade and oxidized motor oils that allow to determine the temperature range of their efficiency, increase the potential resource and obtain additional information on tribotechnical characteristics considering the effect of the oxidation products on the antiwear properties. An empirical criterion is proposed to assess the influence of motor oil base under oxidation on antiwear properties. The criterion takes into account the concentration of the oxidation products and determines the rate of anti-wear property change. A comparative analysis of the indicators of thermo-oxidizing stability of motor oils and tribotechnical characteristics of the oxidized ones is carried out.

Keywords: potential resource; evaporation capacity; formation rate of primary oxidation products; secondary oxidation products; criterion of antiwear properties; diameter of a wear patch.

При выборе моторных масел потребитель ориентируется в основном по классам вязкости и принадлежности к группам эксплуатационных свойств, поскольку полная информация о качестве масла отсутствует как в торговой сети, так и справочной литературе. Поэтому целью настоящих исследований является оценка влияния базовой основы моторных масел на показатели термоокислительной стабильности и триботехнические характеристики.

Методика исследования предусматривала испытания масел в два этапа. На первом этапе масла ис-пытывались на термоокислительную стабильность при

температуре 180°С с перемешиванием стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об./мин в стеклянном стакане. Масса пробы составляла 100±0,1 г. После каждых 8-ми часов испытания проба окисленного масла взвешивалась, определялась масса испарившегося масла, отбирались часть пробы для прямого фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока и часть пробы для определения кинематической вязкости при температуре 100°С. Отобранные пробы сливались в стакан с испытуемым маслом, который повторно взвешивался. Испытания продолжались до достижения коэффици-

1Берко Александр Валентинович, соискатель, тел.: (391) 2479890, e-mail: BerkoA@rambler.ru Berko Alexander, Competitor for a scientific degree, tel.: (391) 2479890, e-mail: BerkoA@rambler.ru

2Ковальский Болеслав Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры топливообеспечения и горюче-смазочных материалов Института нефти и газа, тел.: (391) 2062926, e-mail: Labsm@mail.ru

Kowalski Boleslav, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Fuel Supply, Fuel and Lubrication Materials of the Institute of Oil and Gas, tel.: (391) 2062926, e-mail: Labsm@mail.ru

Сокольников Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов Института нефти и газа, тел.: 89233760395, e-mail: asokolnikov@bk.ru

Sokolnikov Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Petroleum and Natural Gas

Pipeline Design and Operation, tel.: 89233760395, e-mail: asokolnikov@bk.ru

"Агровиченко Дарья Валентиновна, аспирант, тел.: 89029475080, e-mail: dashuta2806@mail.ru

Agrovichenko Daria, Postgraduate, tel.: 89029475080, e-mail: dashuta2806@mail.ru

ента поглощения светового потока КП значений 0,750,8 ед.

Для удобства оценки влияния температуры на вязкость она представлена коэффициентом относительной вязкости Км, определяемым отношением:

ЕТОС = КП + ^ ,

где Кв - коэффициент испаряемости, в свою очередь рассчитываемый как

KG = m / М,

Kß=ß

ОК

/ ß

где уОК и - соответственно кинематические вязкости окисленного и товарного масел.

Второй этап исследования предусматривал применение той же технологии первого этапа с той лишь разницей, что после каждых 8-ми часов испытания дополнительно отбиралась проба окисленного масла массой 15 г для испытания на трехшариковой машине трения со схемой «шар-цилиндр», а проба масла в стакане доливалась товарным маслом до первоначальной массы 100±0,1 г. Параметры трения были приняты постоянными и составили: нагрузка осевая -13 Н; скорость скольжения - 0,68 м/с; температура масла в объеме - 80°С; время испытания - 2 часа.

В качестве показателей сравнения моторных масел различной базовой основы при их окислении приняты: потенциальный ресурс; коэффициент поглощения светового потока КП; коэффициент термоокислительной стабильности ЕТОС; испаряемость; коэффициент относительной вязкости; скорость образования первичных продуктов окисления; время начала образования вторичных продуктов окисления. Коэффициент термоокислительной стабильности определялся по формуле

где т и М - соответственно масса испарившегося масла за время I и масса пробы после окисления за время I.

Потенциальный ресурс исследованных масел определялся по времени достижения коэффициентов КП и ЕТОС значений, равных 0,8 ед., при этом коэффициент КП учитывает только процессы окисления, а коэффициент ЕТОС учитывает как процессы окисления, так и процессы испарения.

Показатели испарения и кинематической вязкости определялись после 40 часов термоокисления масел, что позволило оценить влияние температуры на процессы окисления, а также влияние продуктов окисления на эти показатели.

Скорость образования первичных продуктов окисления характеризует сопротивляемость масел температурным воздействиям, а время начала образования вторичных продуктов окисления - склонность масляной системы к загрязнению.

Применение предложенных показателей процессов окисления моторных масел расширяет информацию об их качестве и позволяет осуществлять обоснованный выбор для двигателей различной степени нагруженности. Результаты исследования представлены в табл. 1.

Таблица 1

Показатели моторных масел, полученные в результате исследования термоокислительной стабильности

Марка моторного масла Потенциальный ресурс, ч Испаряемость за 40 ч, г Коэффициент относительной вязкости за 40 ч Скорость образования первичных продуктов окисления, ед./ч Начало образования вторичных продуктов окисления, ч

по Kn по Етос

Минеральные масла

М-8Г2 75 66,9 6,3 1,1 0,009 10,0

М-10Г2К 67,1 61,3 4,2 1,44 0,01 10,0

Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC 57,5 48,1 9,6 0,91 0,01 17,5

U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD 44,5 36,3 9,6 0,85 0,016 4,5

Частично синтетические масла

Mobil Super 2000 10W-40 SJ/CF 54,3 49,4 8,9 1,0 0,01 19,5

Лукойл Люкс 5W-40 SJ/CF 33,3 33,8 8,9 0,92 0,016 7,3

ТНК Супер 5W-40 SL/CF 53,5 46,3 9,3 0,62 0,012 13,0

Ravenol TSI 10W-40 SM/CF 73 70 4,7 1,16 0,009 11,89

Синтетические масла

Agip TecSint 5W-30 SJ/CF 48,9 43,4 9,5 1,05 0,013 7,65

Mobil Super 3000 5W-40 SK/CF 50,5 44,9 8,5 0,95 0,01 3,1

Mobil Super Syn 0W-40 SJ/SL/CF New Life 53,4 51,3 5,2 0,93 0,003 23,9

Анализ полученных результатов показывает, что термоокислительная стабильность незначительно зависит от базовой основы моторных масел. Так, наибольший потенциальный ресурс по коэффициенту поглощения светового потока установлен для частично синтетического масла Ravenol TSI 10W-40 SM/CF -73 ч; минеральных дизельных масел М-8Г2 и М-10Г2К -75 и 67,1 ч соответственно, и универсального Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC - 57,5 ч. Наименьший потенциальный ресурс установлен: для частично синтетического масла Лукойл Люкс 5W-40 SJ/CF - 33,3 ч, минерального U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD - 44,5 ч и синтетического Agip TecSint 5W-30 SJ/CF - 48,9 ч. Отметим, что экспериментальные данные не соответствуют группе эксплуатационных свойств, установленных для этих масел. Так, минеральное масло Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC с потенциальным ресурсом 57,5 ч относится к более низкой группе эксплуатационных свойств, тогда как частично синтетическое масло Лукойл Люкс 5W-40 SJ/CF с потенциальным ресурсом 33,3 ч и минеральные U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD - 44,5 ч относятся к более высоким группам эксплуатационных свойств, что указывает на несовершенство системы классификации моторных масел.

Самый высокий потенциальный ресурс по коэффициенту термоокослительной стабильности установлен: для частично синтетического масла Ravenol TSI 10W-40 SM/CF - 70 ч, минеральных дизельных масел М-8Г2 - 66,9 ч и М-10Г2К - 61,3 ч, синтетического Mobil Super Syn 0W-40 SJ/SL/CF - 51,3 ч. Самый низкий потенциальный ресурс установлен: для минерального масла U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD - 36,3 ч, частично синтетического Лукойл Люкс 5W-40 SJ/CF -33,8 ч, синтетического Agip TecSint 5W-30 SJ/CF - 43,4 ч. Последние два масла хотя и относятся к одной группе эксплуатационных свойств SJ/CF, но отличаются потенциальным ресурсом в 1,28 раза.

Необходимо отметить, что понижение потенциального ресурса по коэффициенту термоокислительной стабильности по сравнению с потенциальным ресурсом определяемого по коэффициенту поглощения светового потока связано с учетом испаряемости масел, поэтому достижение коэффициента в 0,8 ед. дизельного масла наступает за более короткое время.

Наименьшая испаряемость установлена: для минерального масла М-10Г2К - 4,2 г, частично синтетического Ravenol TSI 10W-40 SM/CF - 4,7 г, синтетического Mobil Super Syn 0W-40 SJ/SL/CF - 5,2 г. На наибольшая летучесть установлена: для минеральных масел Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC и U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD - 9,6 г, а также синтетического масла Agip TecSint 5W-30 SJ/CF - 9,5 г.

Наибольшее увеличение кинематической вязкости при окислении моторных масел за 40 ч испытания установлено для дизельных моторных масел М-10Г2К (на 44%); М-8Г2 (на 10%) и частично синтетического Ravenol TSI 10W-40 SM/CF (на 16%), а наименьшее уменьшение по сравнению с товарным маслом установлено для частично синтетического масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF (на 38%), минеральных масел U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD (на 15%) и Лукойл

Стандарт 10W-40 SF/CC (на 9%).

Наименьшая скорость образования первичных продуктов окисления установлена: для синтетического масла Mobil Super Syn 0W-40 SJ/SL/CF - 0,003 ч-1, минерального М-8Г2 - 0,009 ч-1, частично синтетического Ravenol TSI 10W-40 SM/CF - 0,009 ч-1, а наибольшая - для минерального U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD - 0,016 ч-1, частично синтетического Лукойл Люкс 5W-40 SJ/CF - 0,016 ч-1 и Agip TecSint 5W-30 SJ/CF - 0,013 ч-1.

Наибольшее время начала образования вторичных продуктов окисления установлено для синтетического масла Mobil Super Syn 0W-40 SJ/SL/CF - 23,9 ч, частично синтетического Mobil Super 2000 10W-40 SJ/CF - 19,5 ч и минерального Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC - 17,5 ч, а наименьшее - для синтетического Mobil Super 3000 5W-40 SK/CF - 3,1 ч и минерального U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD - 4,5 ч.

Приведенная в табл. 1 информация позволяет объективно осуществлять выбор моторных масел в зависимости от температурного режима работы двигателей. Кроме того, для увеличения потенциального ресурса моторных масел необходимо понижать температурный режим двигателя.

Температура испытания 180°С допустима для минеральных масел М-8Г2, М-10Г2К, частично синтетического Ravenol TSI 10W-40 SM/CF, для остальных масел она является высокой.

Противоизносные свойства окисленных масел оценивались по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах из двух параллельных опытов. Установлено, что для минеральных масел износ колеблется от 0,2 до 0,4 мм, частично синтетических - от 0,21 до 0,39 мм, и синтетических -от 0,25 до 0,47 мм.

Для оценки влияния базовой основы моторных масел при окислении на противоизносные свойства предложен эмпирический критерий П, определяемый отношением концентрации продуктов окисления, выраженной коэффициентом поглощения светового потока КП, к среднеарифметическому значению диаметра пятна износа U:

П = Кп/и.

Зависимости критерия противоизносных свойств от концентрации продуктов окисления описываются линейным уравнением

П = а  Кп,

где a - коэффициент, характеризующий скорость изменения критерия противоизносных свойств.

В табл. 2 представлены экспериментальные данные о скорости изменения критерия противоизносных свойств исследуемых масел: чем выше скорость, тем выше противоизносные свойства.

Анализ результатов, представленных в табл. 2., показал, что наилучшими противоизносными свойствами по критерию П характеризуются минеральные масла М-8Г2, М-10Г2К, Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC, а также частично синтетические Mobil Super 2000 10W-40 SJ/CF и Ravenol TSI 10W-40 SM/CF.

Таблица 2

Противоизносные свойства товарных масел_

Марка моторного масла Значение коэффициента а Диаметр пятна износа, мм

Минеральные масла

М-8Г2 3,79 0,293

М-10Г2К 3,87 0,253

Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC 3,86 0,28

U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD 2,54 0,287

Частично синтетические масла

Mobil Super 2000 10W-40 SJ/CF 4,73 0,273

Лукойл Люкс 5W-40 SJ/CF 2,79 0,293

ТНК Супер 5W-40 SL/CF 3,27 0,28

Ravenol TSI 10W-40 SM/CF 4,56 0,255

Синтетические масла

Agip TecSint 5W-30 SJ/CF 3,31 0,253

Mobil Super 3000 5W-40 SK/CF 2,61 0,287

Mobil Super Syn 0W-40 SJ/SL/CF New Life 3,23 0,275

Более низкими противоизносными свойствами характеризуются минеральное масло U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD, частично синтетическое Лукойл Люкс 5W-40 SJ/CF, синтетическое Mobil Super 3000 5W-40 SK/CF.

Противоизносные свойства товарных масел различаются незначительно - от 0,253 до 0,293 мм диаметра пятна износа независимо от базовой основы (см. табл. 2). Наименьшими противоизносными свойствами характеризуются минеральное М-8Г2 и частично синтетическое Лукойл Люкс 5W-40 SJ/CF - масла с диаметром пятна износа 0,293 мм. Более высокими противоизносными свойствами характеризуются следующие товарные масла: дизельное минеральное М-10Г2К - 0,253 мм, частично синтетическое Ravenol TSI

10W-40 БМ/ОР 0,255 мм, и синтетическое Дд1р ТесБШ 5W-30 Би/ОР - 0,253 мм. В процессе окисления противоизносные свойства большинства масел повышаются и превышают противоизносные свойства товарных масел, поэтому важно исследовать влияние на противоизносные свойства первичных и вторичных продуктов окисления.

Влияние продуктов окисления на противоизносные свойства моторных масел исследовано при значениях коэффициента поглощения светового потока равного 0,1 и 0,5 ед.

При коэффициенте 0,1 ед. в окисленных маслах присутствуют в основном первичные продукты, а при значении коэффициента 0,5 ед. - вторичные. Результаты исследования представлены в табл. 3.

Марка моторного масла

Диаметр пятна износа, мм, при влиянии продуктов окисления

первичных

вторичных

Минеральные масла

М-8Г2

0,33

0,24

М-10Г2К

0,2

0,25

Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC

0,36

0,25

U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD

0,3

0,23

Частично синтетические масла

Mobil Super 2000 10W-40 SJ/CF

0,32

0,29

Лукойл Люкс 5W-40 SJ/CF

0,36

0,35

ТНК Супер 5W-40 SL/CF

0,36

0,309

Ravenol TSI 10W-40 SM/CF

0,29

0,22

Синтетические масла

Agip TecSint 5W-30 SJ/CF

0,36

0,33

Mobil Super 3000 5W-40 SK/CF

0,35

0,39

Mobil Super Syn 0W-40 SJ/SL/CF New Life

0,26

0,46

Таблица 3

Влияние продуктов окисления на величину диаметра пятна износа_

Согласно данным, представленным в табл. 3, влияние первичных и вторичных продуктов окисления на износ различается максимально от 8 до 43%. Вместе с тем по сравнению с товарным маслом первичные продукты окисления повышают противоизносные свойства минерального масла М-10Г2К и синтетического Mobil Super Syn 0W-40 SJ/SL/CF, а вторичные продукты окисления повышают противоизносные свойства всех минеральных масел и частично синтетического Ravenol TSI 10W-40 SM/CF (см. табл. 2).

В результате проведенных исследований установлено, что применение предлагаемой методики контроля состояния товарных и окисленных моторных масел позволяет определить температурную область их работоспособности, увеличить потенциальный ресурс и получить дополнительную информацию по три-ботехническим характеристикам с учетом влияния продуктов окисления на противоизносные свойства.

Статья поступила 22.07.2015 г.

УДК 656.132:656.015

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ПЕРЕСЕЧЕНИЯ НА ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ ОСТАНОВОЧНОГО ПУНКТА

© А.В. Липенков1

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 603500, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

В статье приводится математическая модель расчета пропускной способности остановочного пункта городского пассажирского транспорта при воздействии на него светофорного регулирования. Рассматриваются особенности влияния одного и двух регулируемых пересечений, размещенных как до, так и после остановочного пункта. Определены границы и условия влияния регулируемых пересечений на пропускную способность. Полученные результаты будут использованы для разработки методики расчета пропускной способности остановочных пунктов.

Ключевые слова: остановочный пункт; пропускная способность; регулируемое пересечение; светофор; пассажирские перевозки; городской пассажирский транспорт.

STUDY OF THE CONTROLLED INTERSECTION EFFECT ON A BUS STOP CAPACITY A.V. Lipenkov

Nizhniy Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev, 24 Minin St., Nizhniy Novgorod, 603500, Russia.

The paper introduces a mathematical model for calculating a bus stop capacity of the municipal passenger transport under traffic signal. It discusses the peculiarities of the effect of one and two controlled intersections located both before and after the bus stop. The limits and conditions of the influence of controlled intersections on the capacity are determined. Obtained results will be used for the development of the methodology for bus stop capacity calculation. Keywords: bus stop; capacity; controlled intersection; traffic light; passenger traffic; municipal passenger transport.

Одной из целей Транспортной стратегии РФ до 2030 г. [1] является увеличение пропускной способности (ПС) и скоростных параметров транспортной инфраструктуры. Важным элементом транспортной инфраструктуры города являются остановочные пункты (ОП) городского пассажирского транспорта (ГПТ), которые наряду с регулируемыми пересечениями (РП) являются подчас фактором, ограничивающим ПС участков улично-дорожной сети. Поэтому исследования, направленные на поиск путей повышения ПС ОП и РП, являются актуальными.

Для определения ПС ОП используются различные методики, разработанные как отечественными, так и зарубежными специалистами [2]. В большинстве случаев в числителе расчетных формул этих методик можно встретить число 3600, которое означает число секунд в часе. При его вводе исследователь исходит из того, что ОП доступен для обслуживания в течение всего рассматриваемого часа. В реальности же улично-дорожная сеть любого города изобилует РП, которые, будучи установленными непосредственно вблизи ОП, оказывают существенное влияние на ПС последних. Оно выражается в отсутствии доступа автобусов к ОП во время горения запрещающего сигнала. Накапливающиеся во время красного сигнала светофора автобусы поступают на ОП так называемыми «пачками» [3-5], создавая циклическую неравномерность загрузки ОП, дополнительно снижающую ПС.

Единственным из известных способов расчета ПС ОП с учетом влияния РП является методика, описанная в американском руководстве HCM2000 [6], впоследствии адаптированная для российских условий А.В. Зедгенизо-вым [7]. Никаких других альтернативных моделей в литературе не представлено. Автором предлагается следующая модель расчета ПС ОП:

1Липенков Александр Владимирович, старший преподаватель кафедры автомобильного транспорта, тел.: 89040529289, e-mail: _alexl_@mail.ru

Lipenkov Alexander, Senior Lecturer of the Department of Automobile Transport, tel.: 89040529289, e-mail: _alexl_@mail.ru