Фотометрический метод контроля процессов окисления частично синтетических моторных масел

OPTIMIZATION OF CUTTING TOOL'S SCHEDULED REPLACEMENT IN SELF-LEARNING MODE

N.I. Pasko, A. V. Antsev

The task of optimization of period of cutting tool's replacement caused by its wear in self-learning mode is solving. Convergence of the self-learning process to optimum is represented by the statistical modeling method. The approach is suggested to be used on CNC machines.

Key words: cutting tool, replacement period, wear rate, cost per unit, parameter estimation, self-learning, convergence, statistical modeling.

Pasko Nicolay Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Pasko3 7amail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Antsev Alexander Vitalyievich, candidate of technical sciences, docent, a. antsevayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.892.1

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ ЧАСТИЧНО СИНТЕТИЧЕСКИХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

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

Р.Н. Галиахметов

Приведены результаты исследования процессов окисления частично синтетических моторных масел в диапазоне температур от 170 до 200 °С. Установлены закономерности изменения оптических свойств, кинематической вязкости, испаряемости, сопротивляемости окислению и потенциального ресурса от времени и температуры испытания. Предложен критерий термоокислительной стабильности и физическая модель процессов старения.

Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока, коэффициент относительной вязкости, испаряемость масла, потенциальный ресурс, критерий термоокислительной стабильности.

Целью настоящих исследований является определение влияния температуры в диапазоне от 170 до 200 °С на процессы окисления частично синтетических моторных масел.

Методика исследования [1 - 5] предусматривала применение следующих средств контроля: прибора для термостатирования масел, фотометрического устройства, малообъемного вискозиметра и электронных весов.

Методика исследования предусматривала пробу товарного масла массой 100±0,1 г, которую заливали в стеклянный стакан прибора для тер-мостатирования и перемешивали стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин, что обеспечивало интенсивное окисление масла. После выбранного промежутка времени испытания, например 8 часов, стакан с пробой окисленного масла взвешивался, определялась масса испарившегося масла, отбиралась часть пробы для прямого фотометрирования монохроматическим световым потоком красного спектра и определения коэффициента поглощения светового потока при толщине фотометрируемого слоя 2 мм, характеризующего концентрацию в масле продуктов окисления. Часть пробы 9 г отбиралась для измерения кинематической вязкости при 100 °С. После измерения пробы сливались в стеклянный стакан, который повторно взвешивался для учета потерь, а испытания продолжались до достижения коэффициентом поглощения светового потока значений, равных приблизительно 0,75.. .0,8 ед.

Для исследования выбраны всесезонные универсальные частично синтетические масла Mobil 10W-40 SJ/СН, Zic 5000 10W-40 CG/SH и масло для бензиновых двигателей Zic A 10W-40 SL. Из числа перечисленных масел последнее принадлежит самой высокой группе эксплуатационных свойств SL.

На рис. 1 представлены зависимости коэффициента поглощения светового потока Кп от времени и температуры термостатирования частично синтетических моторных масел. Процесс окисления масла Mobil 10W-40 SJ/СН (рис. 1, а) описывается линейной зависимостью для температур 170 и 180 °С (кривая 1 и 2), а для температур 190 и 200 °С - кусочно-линейной, т.к. для этих температур установлен изгиб зависимостей, вызванный образованием двух видов продуктов окисления с различными оптическими свойствами, названными первичными и вторичными. Данные зависимости описываются линейным уравнением

кП = а-

где a - скорость образования первичных (или вторичных) продуктов окисления, ч- 1; t - время окисления, ч; tн - время начала образования первичных (или вторичных) продуктов окисления, ч.

Для частично синтетического моторного масла Zic A 10W-40 SL зависимости К п = f (t, Т) характеризуются двумя участками (рис. 1, б), подтверждающими наличие двух видов продуктов окисления с различной оптической плотностью.

Процесс окисления данного масла характеризуется тем, что независимо от температуры существует период времени, где окислительные процессы замедляются или, например, при температуре 180 °С масло осветляется. Это подтверждает наличие в масле двух видов продуктов окисления, причем при переходе первичных продуктов во вторичные происходит ста-

билизация или уменьшение значения коэффициента поглощения светового потока. В этот период при определенной концентрации первичных продуктов они коагулируют около центров коагуляции и осветляют масло за счет дифракции света. В дальнейшем с увеличением геометрических размеров центров коагуляции происходят поглощение светового потока и резкое увеличение коэффициента Кп . Процесс окисления частично синтетического моторного масла 5000 10Ш-40 СО/8И (рис. 1, в) также характеризуется наличием двух участков зависимости К п = / (/, Т).

Рис. 1. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от времени и температуры окисления частично синтетических моторных масел в диапазоне температур от 170 до 200 °С: а - Mobil 10W-40 SJ/СН; б - Zic A 10W-40 SL; в - Zic 500010W-40 CG/SH; 1 -170 °С; 2 -180 °С (а); 3 -190 °С;

4 - 200 °С

Для сравнения масел введен показатель потенциального ресурса, определяемый временем достижения коэффициента КП значений, равных 0,8 (рис. 2). Согласно данным наименьшим потенциальным ресурсом при всех температурах испытания характеризуется масло Mobil 10W-40 SJ/СН (кривая 1), а наибольшим - масло Zic A 10W-40 SL (кривая 2).

Изменение вязкости в процессе окисления частично синтетических моторных масел оценивалось коэффициентом относительной вязкости Кт

(рис. 3), определяемым отношением кинематической вязкости окисленного

масла к вязкости товарного. Предельное увеличение вязкости определяется ее увеличением на 40 % или уменьшением на 20 %, поэтому ресурс масла А 10Ш-40 8Ь определяется 140 часами, а масла 5000 10Ш-40 СО^Н - 100 часами. Для всех исследованных масел наблюдается в начале процесса окисления уменьшение вязкости с последующим увеличением.

Рис. 2. Зависимости потенциального ресурса при окислении частично синтетических моторных масел от температуры испытания при Кп = 0,8:1 - Mobil 10W-40 SJ/СН; 2 - Zic A 10W-40 SL;

3 - Zic 500010W-40

Рис. 3. Зависимости коэффициента относительной вязкости от времени и температуры окисления частично синтетических моторных масел в диапазоне температур от 170 до 200 °С: а - Mobil 10W-40 SJ/СН; б - Zic A 10W-40 SL; в - Zic 500010W-40 CG/SH; 1 -170 °С; 2 -180 °С (а); 3 -190 °С; 4 - 200 °С

Зависимости испаряемости частично синтетических масел от времени и температуры испытания представлены на рис. 4. Установлено, что 8 г масла Mobil 10W-40 SJ/СН испаряется при температурах: 170 °С - за 23 часа; 180 °С - за 14 часов; 190 °С - за 7,5 часов; 200 °С - за 4 часа. Для масла Zic A 10W-40 SL эти данные составили: 180 °С - за 58 часов; 190 °С

- за 28 часов; 200 °С - за 16 часов, а масла Zic 5000 10W-40 CG/SH: 180 °С

- за 41 час; 190 °С - за 20 часов; 200 °С - за 16 часов.

10 30 50 70 90 110

Рис. 4. Зависимости испаряемости частично синтетических моторных масел от времени и температуры окисления: а - Mobil 10W-40 SJ/СН; б - Zic A 10W-40 SL; в - Zic 500010W-40 CG/SH; 1 -170 °С; 2 -180 °С (а);

3 -190 °С; 4 - 200 °С

При термостатировании масел избыточная тепловая энергия поглощается продуктами окисления и испарения. Этот процесс происходит одновременно по двум направлениям. В этой связи предложена физическая имитационная модель процесса окисления, в которой смазочное масло при термостатировании является аккумулятором энергии, поток которой зависит от сопротивляемости масел окислению и испарению G [4]. Поэтому если принять сопротивляемость любого смазочного масла процессам окисления за единицу, то при термостатировании она будет уменьшаться из-за уменьшения концентрации активных присадок. Тогда сопротивление смазочного масла окислению R определится по формуле

Я0 = 1 _ КП • К°

0 Кп+кс'

где Кп - коэффициент поглощения светового потока; Ко - коэффициент испаряемости, определяемый по формуле

Ко = т / М,

где т - масса испарившегося масла за время I, г; М - масса оставшегося масла после термостатирования за время г.

Коэффициент сопротивления окислению смазочного масла Яо предложен в качестве альтернативного критерия термоокислительной стабильности, учитывающего влияние температуры на изменение оптических свойств и испаряемости масла (рис. 5).

Рис. 5. Зависимости коэффициента сопротивления окислению частично синтетических моторных масел от времени и температуры окисления: а - Mobil 10W-40 SJ/СН; б - Zic A 10W-40 SL; в - Zic 500010W-40 CG/SH; 1 -170 °С; 2 -180 °С (а); 3 -190 °С; 4 - 200 °С

Согласно данным установлено, что с повышением температуры испытания сопротивляемость масел окислению уменьшается. Для масел А 10Ш-40 8Ь и 5000 10Ш-40 СО/8И зависимости имеют два участка, в которых скорость изменения коэффициента сопротивления окислению различна.

Выводы

1. Применение фотометрического метода контроля процессов окисления частично синтетических моторных масел позволяет получить дополнительную информацию о сопротивляемости масел температурным воздействиям, обосновать критерий термоокислительной стабильности, вычисляемый коэффициентом сопротивления окислению, учитывающий склонность масел к окислению и испарению, а также сравнивать их по этому показателю.

2. В качестве показателей качества масел рекомендованы: коэффициент поглощения светового потока, коэффициент относительной вязкости, потенциальный ресурс, испаряемость и коэффициент сопротивляемости окислению.

Список литературы

1. Ковальский Б.И. Методы и средства повышения эффективности использования смазочных материалов. Новосибирск: Наука, 2005. 341 с.

2. Термоокислительная стабильность трансмиссионного масла ТСгап / Г.М. Сорокин, Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, Н.Н. Малышева // Вестник машиностроения. 2008. № 6. С. 37 - 38

3. Термоокислительная стабильность трансмиссионных масел / Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, Л.А. Фельдман, Н.Н. Малышева // Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. 150 с.

4. Патент РФ №2406087 МПК G01N 33/30. Способ определения температурной стойкости смазочных масел. Устройство для испытания трущихся материалов и масел / Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, Н.Н. Малышева и [др.] Опубл. 10.12.2010. Бюл. №34.

5. Оптический метод контроля термоокислительной стабильности трансмиссионных масел / Б.И. Ковальский, В.С. Янович, В.Г. Шрам, О.Н. Петров // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 11. С. 302 - 311.

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

Берко Александр Валентинович, соискатель, BerkoA arambler.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Шрам Вячеслав Геннадьевич, канд. техн. наук, доц., Shram18rus@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

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

Галиахметов Равиль Нургаянович, канд. филос. наук, доц., Rovia28@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа

PHOTOMETRIC METHODS OF PROCESS CONTROL OXIDATION PARTLY

SYNTHETIC MOTOR OILS

B.I. Kowalski, A.V. Berko, V.G. Shram, O.N. Petrov, R N. Galiakhmetov

The results of investigation of the oxidation of partially synthetic motor oils in the temperature range from 170 to 200 ° C. The regularities of change in the optical properties of the kinematic viscosity, volatility, resistance to oxidation and potential resource is time and temperature tested. The criterion of thermo-oxidative stability and physical model of the aging process.

Key words: absorption coefficient of luminous flux, the coefficient of relative viscosity, volatility of oil resource potential, the criterion of thermal oxidative stability.

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

Berko Alexander Valentinovich, postgraduate, BerkoA@rambler.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

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

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

Galiakhmetov Ravil Nurgayanovich, candidate of philosophy sciences, docent, Ro-via28@mail.ru, (Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas