Разработка методики прогнозирования срока службы моторных масел

университета. Физика. - 2009. - Выпуск 5. -№24(162). - С. 34-39.

2. Попов И. П. Построение абстрактной модели силового поля типа электромагнитного. Часть 1 // «Наука. Инновации. Технологии» Научный журнал Северо-Кавказского федерального университета. - 2015. - №2. -С. 41-54.

3. Попов И. П. О мерах механического движения // Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика. - 2014. -№ 3(26). - С. 13-15.

4. Попов И. П. Дуально-инверсный аналог силы Ампера для магнитопровода с изменяющимся магнитным потоком, находящегося в электрическом поле // Вестник Курганского государственного университета. Естественные науки. - 2009. - Вып. 2. - №1(15). - С. 51, 52.

5. Попов И. П. Два подхода классиков электромагнетизма к взаимодействию проводников с токами // Вестник Курганского государственного университета. Естественные науки. -2015. - Вып. 7. - №1(35). - С. 55, 56.

6. Попов И. П. О некоторых операциях над векторами // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1: Математика. Физика. - 2014. - №5 (24). - С. 55-61.

7. Попов И. П. Поверхностные градиент, дивергенция и ротор // Вестник Псковского государственного университета. Естественные и физико-математические науки. - 2014. - Вып. 5. - С. 159-172.

8. Попов И. П. Разновидности оператора набла // Вестник Амурского государственного университета. Естественные и экономические науки. - 2015. - Выпуск 71. - С. 20-32.

9. Попов И.П. Элементы поверхностного векторного анализа // Зауральский научный вестник. - 2015. - №1(7). - С. 77-84.

10. Богданов Ю. С. Лекции по математическому анализу. - Ч. 2. - Мн. : Изд-во БГУ, 1978.

11. Пискунов Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисления. - Т. 2. - М. : Наука, 1876.

Попов Игорь Павлович, старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты» Курганского государственного университета.

Поступила 29.03.2016 г.

УДК 621.43.019.25

Д. В. МУХИН, Д. Г. ВОЛЬСКОВ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

На основе анализа влияния асфальтенов на эксплуатационные свойства моторных масел предложена методика прогнозирования срока их службы.

Ключевые слова: асфальтен, анализ, математика, моторное масло, методика прогнозирования, срок службы

В процессе применения масла любого функционального назначения ухудшают свои эксплуатационные свойства (стареют), что, по истечению определённого срока, приводит к необходимости смены масла и утилизации отработанных продуктов.

© Мухин Д. В., Вольсков Д. Г., 2016

В условиях роста цен на смазочные масла особенно актуальными являются вопросы экономного и рационального их применения, прежде всего за счёт возможности увеличения срока их смены в технике с целью повышения продолжительности использования масел по прямому функциональному назначению. Поскольку чрезмерная продолжительность использования работы масла в узле трения снижает его

надёжность, а излишне частая смена может привести к его значительному перерасходу, то приходится находить оптимальное решение для двух прямо противоположных технических задач.

Старение масла происходит вследствие различного рода воздействий. Степень и характер этих воздействий определяются условиями применения масла, связанными с режимом работы смазываемого объекта и особенностями эксплуатации. Вместе с тем, вне зависимости от функционального назначения смазочных масел, в подавляющем большинстве случаев к числу основных процессов, оказывающих существенное влияние на снижение эксплуатационных свойств, относятся термоокислительные превращения масел. Интенсификация процессов старения возможна также вследствие особенностей эксплуатации и специфики конструкции смазываемых объектов. Например, резкое снижение уровня качества моторных масел наблюдается из-за попадания в них охлаждающей жидкости и продуктов неполного сгорания топлива, а трансмиссионных масел - из-за попадания в них воды и продуктов износа. Возможно выпадение функциональных присадок различного назначения из авиационных масел [1].

Снижение эксплуатационных свойств масел, в свою очередь, отражается на надёжности смазываемого объекта и поэтому приводит к необходимости их смены. В настоящее время не всегда смена масла сопряжена с потерей их качества до уровня, ниже которого применение масел по прямому функциональному назначению становится технически невозможным или экономи-кически нецелесообразным. Срок смены масел в машинах и механизмах регламентируется эксплуатационно-технической или конструкторской документацией. При этом часто меняется масло, которое не выработало полностью свой ресурс, что приводит к неоправданным затратам на техническое обслуживание и резкому повышению расхода масла в условиях эксплуатации [2].

Одним из эффективных путей повышения экономичности применения масел является их смена в технике по фактическому состоянию, непосредственно контролируемому в условиях эксплуатации. В этом направлении постоянно проводится значительное количество исследований [2, 3, 4, 6]. Для решения этой задачи на практике существует большое число показателей, определение которых в той или иной мере позволяет судить о качествах работающего масла. Так, применительно к моторным маслам наиболее информативными показателями следует считать изменение вязкости, диспергирующей

способности, щелочного и кислотного чисел, водородного показателя, содержания воды, температуры вспышки [2]. При этом считается, что при достижении предельного значения хотя бы одного из указанных показателей масло должно быть слито из системы и заменено свежим или регенерированным.

Исходя из изложенного следует, что для обеспечения экономного применения масел в технике целесообразно продолжить накопление фактических данных по оценке их работоспособности с учётом функционального значения масел и особенностей эксплуатации. Вместе с тем для повышения эффективности указанных исследований необходимы разработка и совершенствование научно обоснованных подходов, базирующихся на общей теории состояния масел. Сочетание практического и теоретического начал позволит упростить выбор наиболее информативных показателей состояния масел разного уровня эксплуатационных свойств и регламентировать их предельные значения для различных условий применения. Как известно, при работе в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) моторные масла претерпевают различные термохимические превращения, вследствие которых их эксплуатационные свойства ухудшаются. В общем виде процесс старения масла в двигателе можно охарактеризовать исходя из основных положений неравновесной термодинамики, согласно которым изменения в любой системе определяются производством энтропии. Это явление, в свою очередь, обусловлено изменением теплопроводности, диффузии, появлением вязкого потока и химическими реакциями в данной системе [1].

Для упрощения допустим, что первые три составляющие очень малы по сравнению с протекающими химическими реакциями. Тогда основной вклад в изменение свойств моторных масел вносят термохимические процессы, протекающие в различных зонах двигателя. Следовательно, по скорости химических превращении можно охарактеризовать состояние работавших моторных масел.

В этом случае производство энтропии 3, определяемое скоростью её изменения во времени выражается соотношением

УЛ

т

где V — скорость химической реакции; А — химическое сходство; Т — абсолютная температура.

Скорость химической реакции связана со степенью её развития или с полнотой значения

которой изменяются от 0 до 1. Значит, можно предположить, что £ = 0 соответствует исходному состоянию масла, а £ = 1 — состоянию, к моменту реализации которого в масле произошли все возможные изменения. При этом не исключено, что потеря работоспособности масла в ДВС наблюдается при достижении некоторого критического значения £кр, меньшего единицы, т. е. 0 < £ < 1.

С другой стороны, понятие «старение масел» тесно переплетено с понятием «срабатываемость присадок», под которым понимают снижение уровня их исходной концентрации в свежем масле в процессе его применения [5]. Тогда можно предположить, что величина параметра £ также связана с наличием присадок в масле и их свойствами. Установлено, что в присутствии щелочного алкилсалицилата высокодисперсные продукты сгорания топлива, лишённые сольват-ной оболочки, обладают достаточной поверхностью, чтобы выделиться на металле и защитить поверхности трения износа.

Таким образом, сложный характер зависимостей смазывающей способности масел от длительности их работы в двигателе обусловлен концентрацией, степенью дисперсности и лио-фильностью накапливающихся в них продуктов сгорания. Кроме того, по имеющимся сведениям, на некотором этапе эксплуатации масла после того как присадки (в т. ч. антифрикционные) выработали свой ресурс, а в масле накопились высокомолекулярные соединения типа асфаль-тенов, происходит частичное замещение ими антифрикционных присадок, т. е. они начинают играть роль противоизносных компонентов, что позволяет пересмотреть сроки эксплуатации масел до их смены и регенерации.

С целью изучения влияния смолисто-асфальтеновых веществ в масле на срок его эксплуатации планируется проведение следующего эксперимента: в лабораторных условиях моделируется процесс старения масла. Для этого масло окисляется при каталитическом воздействии металла и интенсивном перемешивании вращающимся цилиндрическим медным стержнем со скоростью 5 об./с в стальном стакане. Через равные интервалы времени оцениваются смазочные свойства масла на машине трения. Параллельно с этим происходит отбор проб масла из картера эксплуатирующегося автомобиля, которые затем также испытываются на машине трения. Ожидается, что на некотором этапе эксплуатации произойдёт замедление ухудшения смазочных свойств масла из-за включения в работу асфальтенов, накапливающихся в масле. После получения результатов испытания проб на

машине трения по методике, изложенной в [7], будет построена математическая модель изменения эксплуатационных свойств масел с учётом влияния асфальтеновых соединений и разработан лабораторный метод оценки реальной продолжительности срока эксплуатации масла (учитывая влияние асфальтенов как противоизнос-ной присадки).

Подтверждением этому служат результаты работы, проделанной ранее и подтверждающей высокую адсорбционную способность асфальте-новых соединений. Изучению активности различных смазочных сред на поверхности раздела фаз «смазочная среда - металл» посвящён ряд работ [1, 2, 3], однако в известных нам публикациях вопрос исследования адсорбционной активности работавших моторных масел, характеризующей запас их моющих свойств в зависимости от степени наработки в двигателе с использованием электрофизических методов, в достаточной мере не освещался.

С целью изучения закономерностей изменения моющих свойств моторных масел от их наработки проведена экспериментальная работа. Исследовались масла с периодом наработки в пределах от 50 до 450 ч. Для удобства проведения эксперимента масла разделили на группы, соответствующие определённым периодам их наработки в дизеле.

Адсорбционную активность масла изучали путём измерения разности электродных потенциалов (РЭП) на границе раздела фаз «масло -металл» в условиях термостатирования с помощью высокоомного милливольтметра И-130. В качестве объекта исследования использовали моторное масло М-16 ИХП-3, электродами служили медная и алюминиевая пластинки, составляющие электрохимическую ячейку и обладающие большой разностью электродных потенциалов относительно стандартного электрода. Выбор указанных электродов обусловил высокую точность результатов эксперимента, полученных на стандартном оборудовании. Данные результаты показали существенные различия РЭП у масел, отработавших короткий промежуток времени, и масел, длительно работавших в двигателе. Дальнейшее увеличение количества опытов показало, что это различие наблюдается в пределах погрешности измерения.

Для устранения влияния незначимых факторов был поставлен дополнительный эксперимент, сущность которого заключалась в одновременном измерении РЭП и длительности проведения эксперимента. С помощью дисперсионного анализа была доказана незначительность влияния фактора длительности проведения эксперимента.

Статистические характеристики исследованных масел

Таблица 1

Показатели Время наработки, ч

50 100 200 300 450

РЭП, мВ 466,5 452,62 439,75 430,62 436,75

Дисперсия 6,27 9,96 6,83 7,83 7,26

470 РЭП, мВ

460

455

450

445

440

435

430

\ N

\ \ \ \ \ V \ \

\ \ \ ( \ 1

^ Измс 1 л,. / ннне Р'ЗИ

х \ У \ х, \ \

ч \ X \ \ \ X \ с

__——----

Квадратичная аппрокснмаци Лг—--3---

-р—•-

О

100

200

300

500

Рис.1. Динамика изменения средних значений разности электродного потенциала РЭП с изменением периода наработки масла

Методами дисперсионного анализа установлена значимость для данного эксперимента такого фактора, как период наработки масла. При доверительной вероятности Р = 95% критерий Фишера составил F=6,24, что отвергает гипотезу о преобладании фактора ошибки. Средние значения РЭП и дисперсии, характеризующие экспериментальные данные, приведены в таблице 1.

Аппроксимирующие зависимости РЭП от периода наработки масла в двигателе с указанием относительной ошибки аппроксимации Б рассчитываются по следующим формулам:

при S = 0,21%

РЭП = 4,37 • 10-4 • Т2 - 0,291 • Т + 479,07;

при S = 0,84%

РЭП = -15,441 • 1п Т + 524,24 .

На рисунке 1 показана динамика изменения средних значений РЭП в зависимости от периода наработки масла т. Так, на участке а-Ъ-с-й заметно уменьшение адсорбционной активности масла, что предположительно связано с расходо-

ванием детергентов при взаимодействии их с поверхностями углеродистых частиц, накапливающихся в объёме масла, что в конечном счёте сказывается на снижении моющих свойств масла. Можно также предположить, что увеличение РЭП на участке й-е происходит вследствие образования в процессе работы масла большего количества молекул, содержащих сопряжённые двойные связи (типа конденсированных ароматических соединений), что косвенно свидетельствует о стабилизации процесса снижения моющих свойств масла. Адсорбция активных молекул в этом случае образует двойной электрический слой, который обладает экранирующим действием и зависит от концентрации активированных комплексов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сафиева Р. З. Химия нефти и газа. Нефтяные дисперсные системы: состав и свойства: учебное пособие. - М. : РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2004. - 112 с.

2. Чудиновских А. Л., Лашхи В. Л., Спиркин

B. Г. Выбор информативных характеристик моторного масла для оценки его работоспособности // Химия и технология топлив и масел. — 2013. — №1. — С. 10—12.

3. Чудиновских А. Л. Химмотологический принцип оценки склонности автомобильных моторных масел к образованию отложений// Химия и технология топлив и масел. — 2015. — №3. — С. 3—5.

4. Сидельников А. В., Бикмеев Д. М., Куда-шева Ф. Х., Вольтамперометрический подход к определению качества моторных масел // Химия и технология топлив и масел. — 2015. — №4. —

C. 41—45.

5. Галкин В. Б., Ельмешкин О. Ю., Золотов

B.А., Соломин Б.А. Использование методов электрофизики для оценки адсорбционной активности работавших моторных масел // Нефтепереработка и нефтехимия. — 1998. — №6. -

C. 41—43.

6. Чудиновских А. Л. Универсальный подход к прогнозированию эксплуатационных свойств моторных масел // Химия и технология топлив и масел. — 2014. —№4. —С. 12—14.

7. Вольсков Д. Г., Мухин Д. В. Основы научных исследований. — Ульяновск : УлГТУ, 2013. -131 с.

Мухин Дмитрий Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Самолётостроение», Имеет научные статьи в журналах ВАК, методические пособия. Вольсков Дмитрий Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Самолётостроение», Имеет монографию, научные статьи в журналах ВАК, методические пособия.

Поступила 28.03.2016 г.