Определение смазывающей способности моторных масел по параметру суммарной продолжительности деформации

УДК 621.892

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СМАЗЫВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ ПО ПАРАМЕТРУ СУММАРНОЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ДЕФОРМАЦИИ

Ю.Н.Безбородов1, А.Н.Сокольников2, О.Н.Петров3, В.Г.Шрам4

Сибирский федеральный университет,

Институт нефти и газа,

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

Представлены результаты испытания смазочных масел на температурную стойкость и смазывающую способность, определено влияние продуктов температурной деструкции на смазывающую способность и продолжительность суммарной деформации, определена связь между параметрами износа и суммарной продолжительностью деформаций, между параметрами суммарной продолжительности деформаций и коэффициентом поглощения светового потока. Ил. 5. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: температурная стойкость; смазывающая способность масел; коэффициент поглощения светового потока; продолжительность суммарной деформации; диаметр пятна износа.

DETERMINING ENGINE OIL LUBRICITY BY TOTAL STRAIN DURATION PARAMETER Yu.N. Bezborodov, A.N. Sokolnikov, O.N .Petrov, V.G. Shram

Siberian Federal University,

Institute of Oil and Gas,

82/6 Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041.

The paper presents test results of lubricants for thermal resistance and lubricity. The authors determined the influence of thermal degradation products on lubricity and total strain duration; identified the relationship between the parameters of wear and the total strain duration, between the parameters of total strain duration and the absorption coefficient of luminous flux.

5 figures. 3 sources.

Key words: thermal resistance; lubricity of oils; absorption coefficient of luminous flux; duration of total strain; wear spot diameter.

При трении в режиме граничной смазки на трущихся поверхностях могут формироваться слои физически адсорбированных молекул смазочного материала, относительно слабо связанные с поверхностью (А-слои); хемосорбционный слой прочно связанных с поверхностью органических отложений, образуемый преимущественно продуктами окисления и деструкции смазочного материала ф-слои); химически модифицированный слой на базовом металле, образующийся в результате прямых химических реакций металла с молекулами присадок (М-слой) [1]. В значительно меньшей степени изучены свойства D-слоев, значение которых в процессе граничной смазки многими исследователями вообще не рассматривается, однако их формирование зафиксировано в условиях как повышенных, так и невысоких температур [2, 3] при трении обычных металлов.

Испытанию подвергались: минеральное масло Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC; частично синтетическое ТНК Супер 5W-40 SL/CF и синтетическое Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF. Данные масла термостатировались в специальном приборе в диапазоне температур от 140 до 300°С с увеличением температуры на 20°С без перемешивания. Проба масла массой 80 г заливалась в термостойкий стеклянный стакан и термостатировалась в течение 8 часов при атмосферном давлении. В процессе испытания температура поддерживалась автоматически с точностью ±0,5 °С. После каждых 8-ми часов испытания проба термостатированного масла взвешивалась, определялась масса испарившегося масла, часть пробы фо-тометрировалась при толщине фотометрируемого слоя 2 мм, а часть пробы испытывалась на трехшари-

1Безбородов Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: 89029820488, e-mail: Labsm@mail.ru

Bezborodov Yuri, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Fuel and Lubricants Supply, tel.: 89029820488, e-mail: Labsm@mail.ru

2Сокольников Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования и эксплуатации газонефтепроводов, тел.: 89233760395, e-mail: Labsm@mail.ru

Sokolnikov Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Pipelines Design and Operation, tel.: 89233760395, e-mail: Labsm@mail.ru

3Петров Олег Николаевич, аспирант кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: 89607526235, e-mail: Petrov_Oleq@mail.ru

Petrov Oleg, Postgraduate of the Department of Fuel and Lubricants Supply, tel.: 89607526235, e-mail: Petrov_Oleq@mail.ru

4Шрам Вячеслав Геннадьевич, аспирант кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: 89504014163, e-mail: Shram18rus@mail.ru

Shram Vyacheslav, Postgraduate of the Department of Fuel and Lubricants Supply, tel.: 89504014163, e-mail: Shram18rus@mail.ru

ковой машине трения со схемой трения "шар-цилиндр" с параметрами: нагрузка 13 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура масла в объеме 80°С, время испытания 2 ч. Оптические свойства определялись по коэффициенту поглощения светового потока Кп,

противоизносные свойства - по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех ша-

рах. При испытании пробы масла на машине трения через пару трения пропускался постоянный ток величиной 100 мкА от внешнего стабилизированного источника постоянного напряжения 3В. В процессе трения изменения тока через преобразователь записывались на компьютер в виде диаграмм.

а)

11:00 11:05 11:10 11:15 11:20 11:25

11:35 11:40 11:45 11:50 11:55 12:00 12:05 12:10 12:15 12:20 12:25 12:30 12:35 12:40 12:45

е)

Рис. 1. Диаграммы записи тока при испытании на трехшариковой машине трения минерального масла Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC при температурах термостатирования 140,160,180, 200, 220, 240 и 260°С

На рис.1 представлены диаграммы записи тока, по которым определялась продолжительность суммарной деформации, включающей пластическую, упруго-пластическую и упругую деформации, которая зависит от концентрации продуктов температурной деструкции, выраженной коэффициентом поглощения светового потока. Поскольку параметры трения приняты постоянными, то параметр износа будет зависеть от концентрации продуктов температурной деструкции и их влияния на сорбционные процессы, формирующие на поверхности трения защитные слои. Продолжительность пластической и упругопластической деформаций гПУ определяется временем уменьшения тока, протекающего через пару трения, от максимального (100 мкА) до его стабилизации.

Интенсивность упругой деформации зависит от механической прочности слоев, образующихся на поверхности трения, скорости их образования и разрушения, поэтому ее продолжительность определяется с учетом величины тока, протекающего через пару трения. При этом величина тока, протекающего через пару трения, определяется как сумма среднеарифметических его значений на отдельных участках стабилизации. Полученные значения тока суммируются и делятся на количество участков стабилизации, определяемых из диаграммы записи тока. Фактическая продолжительность упругой деформации ^ д , которая влияет на параметр износа, определяется как произведение продолжительности упругой деформации, вычисленной по диаграмме ^сп , на среднее арифметическое значение коэффициента электропроводности пары трения Кэ:

*исп • кЭ ,

где

ty .д. - ti

K -

ток, протекающий через пару трения

(фрикционный контакт), мкА; !3 - заданная величина тока при неподвижной паре трения, мкА (100 мкА).

Далее определяется суммарная продолжительность пластической, упругопластической и упругой деформаций:

*2 = гп.у. + 1У.Д. ,

где гПу - продолжительность пластической и упругопластической деформаций, мин; уд - продолжительность упругой деформации, взятой из диаграммы, мин.

По данным рис.1 видно, что с увеличением температуры испытания изменяются продолжительность пластической и упругопластической деформаций и значение тока при упругой деформации. Чем больше величина тока, протекающего через пару трения, тем менее прочная связь хемосорбционного слоя с материалом твердого тела, в результате чего увеличивается изнашивание, и соответственно наоборот, чем меньше величина тока - тем прочнее связь хемосорб-ционного слоя и тем меньше скорость изнашиванияПо полученным экспериментальным данным построены графические зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры испытания (рис.2) для всех трех масел. По этим зависимостям определяется температурная стойкость исследуемых масел.

По данным рис.2 видно, что с увеличением температуры испытания зависимости КП = /(Т) претерпевают изгиб для минерального масла (а) при температуре 220оС, для частично синтетического - при 195оС (б) и для синтетического - при 218оС (в). Это говорит о том, что температурная стойкость масел различна.

Влияние продуктов деструкции на смазывающую способность исследуемых масел оценивалась зависимостью и = /(КП) (рис.3).

Рис. 2. Графическая зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от температуры термоста-тирования: а - минеральное масло Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC; б - частично синтетическое ТНК Супер 5W-40 SL/CF; в - синтетическое Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF

3

Рис. 3. Зависимости параметра износа и от коэффициента поглощения светового потока КП

Установлено, что для минерального (а) и частично синтетического масел (б) смазывающая способность понижается при значениях КП < 0,15 ед. и < 0,2 ед. соответственно. Для синтетического масла (в) смазывающая способность практически стабильна до значения КП = 0,7 ед. С увеличением коэффициента КП выше этих значений смазывающая способность всех масел повышается.

Связь между параметрами износа и суммарной продолжительностью деформаций представлена на рис. 4, где показано, что для всех исследуемых масел с увеличением суммарной продолжительности деформаций смазывающая способность понижается, причем для минерального масла она понижается более интенсивно.

На рис. 5 представлены графические зависимости суммарной продолжительности деформаций от коэффициента поглощения светового потока КП , по которым устанавливается связь между этими параметрами и влияние продуктов температурной деструкции на продолжительность суммарной деформации. Здесь показано, что для минерального масла (а) суммарная продолжительность деформаций увеличивается в диапазоне значений коэффициента КП от 0,1 до 0,15 ед., а для частично синтетического масла (б) - в диа-

пазоне до КП =0,2 ед., что соответствует снижению противоизносных свойств масел (см. рис. 3).

По результатам испытания наилучшими смазывающими свойствами в диапазоне температур испытания от 140 до 260°С характеризуется синтетическое масло Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF, так как у него наименьшее значение величины износа, и как видно из рис. 3 с ростом концентрации продуктов температурной деструкции параметр износ практически стабилен, а при КП =0,7 ед. - износ снижается, в отличие от минерального и полусинтетического масел. Синтетическое масло имеет наименьшую продолжительность суммарной деформации на фрикционном контакте за счет более интенсивного формирования на поверхностях трения хемосорбционных защитных слоев и большей их прочности (рис. 4), независимо от концентрации продуктов температурной деструкции (рис.5).

10 30 50 70 90

Рис. 4. Зависимости параметра износа и от продолжительности суммарной деформации

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Предложенная методика позволяет получить дополнительную информацию при выборе смазочных материалов, включающую: определение влияния продуктов деструкции на смазывающую способность масел, оценку их влияния на скорость образования и разрушения хемосорбционных защитных слоев на поверхностях трения и прочность связи этих слоев с основой твердого тела.

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9

Рис. 5. Графическая зависимость продолжительности суммарной деформации tz от коэффициента поглощения

светового потока КП: а - минеральное масло Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC; б - частично синтетическое ТНК Супер 5W-40 SL/CF; в - синтетическое Mobil Super 3000 5W-40 SJ/SL/SK/CF

2. Получены количественные показатели изменения смазывающей способности масел в зависимости от химических свойств продуктов деструкции и их способности образовывать на поверхностях трения за-

щитные хемосорбционные слои, что может быть использовано при обосновании ресурса моторных масел и температурной области работоспособности.

Библиографический список

1. Кончиц В.В., Коротневич С.В., Саутин С.Д. Смазочные свойства органических отложений на поверхности трения при повышенной температуре // Трение и износ. 2002. № 2. С. 170-175.

2. Матвеевский Р.М. Температурный метод оценки предель-

ной смазочной способности машинных масел. М.: Изд-зо АН СССР, 1956.

3. Особенности формирования и физические свойства смазочных слоев на стали при повышенных температурах / В.В. Кончиц [и др.] // Трение и износ. 2000. №2 (21). С. 513-526.