Метод контроля противоизносных свойств при окислении трансмиссионных масел

УДК 621.892.1

МЕТОД КОНТРОЛЯ ПРОТИВОИЗНОСНЫХ СВОЙСТВ ПРИ ОКИСЛЕНИИ ТРАНСМИССИОННЫХ МАСЕЛ

Б.И. Ковальский, В.С. Янович, В.Г. Шрам

Представлены результаты триботехнических испытаний трансмиссионных масел различной базовой основы. Предложен критерий противоизносных свойств, учитывающий концентрацию продуктов окисления.

Ключевые слова: диаметр пятна износа, коэффициент поглощения светового потока, критерий противоизносных свойств, скорость формирования площади фрикционного контакта.

При эксплуатации агрегатов трансмиссий к основным факторам влияющим на надежность, относятся нагрузка, температура и скорость скольжения. Температурные условия эксплуатации трансмиссий зависят не только от внешних условий, но главным образом от нагрузки и скорости скольжения.

Под действием температуры происходят процессы окисления, деструкции и химические реакции их продуктов с металлическими поверхностями.

Основными элементами трансмиссий являются зубчатые передачи и подшипники качения, поэтому в них реализуется граничная и эластогид-родинамическая смазка и основным видом изнашивания является - усталостное, а опасным повреждением - заедание, приводящее к необратимым разрушениям поверхностей контактирующих деталей.

По данным [1], заедание является трехстадийным процессом. На первой стадии происходит разрушение эластогидродинамической пленки, разделяющей трущиеся поверхности, а при дальнейшем ужесточении режимов эксплуатации - разрушение граничных смазочных слоев. Второй стадией заедания является схватывание и разрушение обнажившихся вершин микронеровностей на отдельных участках поверхностей контактирующих тел. Третьей стадией является необратимое схватывание и повреждение активных участков поверхностей деталей.

На первой стадии заедания [2] переход к нему осуществляется быч-но при невысоких скоростях от эластогидродинамической смазки к граничной, а затем к режиму заедания. На трехстадийную модель заедания смазанных тяжелонагруженных трибосопряжений существенное влияние оказывает температура и качество смазного материала и подтверждается исследованиями Г.В. Виноградова [3], Б.И. Костецкого [4], В.Н. Калуева [5], и И.В. Крагельсного [6]. Целью настоящих исследований является определение влияния продуктов окисления трансмиссионных масел на их противоизносные свойства.

Для исследования выбраны трансмиссионные масла различной базовой основы: минеральное Б12о1 80’^900Ь4; частично синтетическое Б12о1 Нуро1ё 75’^900Ь4, ОЬ5 и синтетическое Б12о1 Нуро1ё 75W-90GL5.

Масла предварительно окислялись при температуре 150 0С, с перемешиванием мешалкой с частотой вращения 300 ± 2 об/мин. Степень окисления определялась фотометрическим методом по коэффициенту поглощения светового потока. Окисленные масла массой 15 г испытывались на трехшариковой машине трения [7] со схемой “шар-цилиндр”. Параметры трения составляли: нагрузка - 13Н; скорость скольжения - 0,68 м/с; температура масла в объеме - 80 0С; время испытания - 2 часа.

На рис.1, а представлены зависимости диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока, характеризующего концентрацию продуктов окисления. Установлено, что для минерального масла (кривая 1) противоизносные свойства повышаются с увеличением коэффициента поглощения светового потока и превышают противоизносные свойства товарного масла (точка на ординате) на 21%. Для частично синтетического масла (кривая 2) при значениях коэффициента Кп<0,2 ед. противоизносные свойства понижаются, а при значениях Кп>0,2 ед. - повышаются и превосходят товарное масло (точка на ординате) на 13,8 %.

Для синтетического масла (кривая 3) при значениях Кп<0,2 ед. про-тивоизносные свойства соответствуют товарному маслу (точка на ординате), а при значениях Кп от 0,3 до 0,6 ед. они понижаются и повышаются при значениях Кп>0,6 ед. Повышение противоизносных свойств масел вызвано образованием при окислении смолистых веществ, которые адсорбируются во впадинах микронеровностей поверхностей, образуя гидравлическую “подушку”, разделяющую поверхности трения и уменьшающую износ. Этот механизм характерен для минерального и частично синтетического масел. Для синтетического масла смолистые вещества, за данное время испытания, не обнаружены при их центрифугировании, поэтому при значениях коэффициента Кп>0,3 износ повышается. При центрифугировании окисленных минеральных и частично синтетических масел осадок принимает гелеобразное состояние, что объясняет повышение противоиз-носных свойств.

Для оценки противоизносных свойств трансмиссионных масел предложен критерий П, определяемый эмпирическим отношением

П=Кп/и,

где Кп - коэффициент поглощения светового потока; и - среднеарифметическое значение диаметров пятен износа на трех шарах, мм.

Данный критерий характеризует концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта, зависимость которого (рис.1, б) описывается линейным уравнением

П = аКп,

где а - коэффициент, характеризующий скорость изменения критерия П от концентрации продуктов окисления.

Рис. 1. Зависимости диаметра пятна износа U(a) и критерия противоизносных свойств П(б) от коэффициента поглощения светового потока Кп при испытании окисленных трансмиссионных масел: 1 - минерального ВЬо180Ж-90СЬ4;

2 - частично синтетического ВЬо1 Иуро1й 75Ж-90СЬ4, СЬ5;

3 - синтетического ВЬо1 Иуро1й 75Ж-90СЬ5

Регрессионные уравнения для исследованных масел имеют вид: Минерального

П = 5Кп

Частично синтетического

П = 3, 857Кп

Синтетического

П = 2,571 Кп

Коэффициент корреляции 0,92.

Согласно уравнений 3-5 наибольшая скорость изменения критерия противоизносных свойств установлена для минерального масла, а наименьшая - синтетического, т.е концентрация продуктов окисления на но-

285

минальной площади фрикционного контакта, при одинаковом значении коэффициента Кп, больше у первого масла, чем у второго за счет меньшей площади пятна износа, поэтому чем больше скорость изменения критерия П, тем выше противоизносные свойства исследуемого масла.

Применение схемы трения “шар-цилиндр” в трехшариковой машине трения, причем каждый из трех шаров контактирует с поверхностью цилиндра по индивидуальной дорожке, обеспечивает изучение падения давления с увеличением площади контакта. В этом случае продукты окисления трансмиссионных масел оказывают влияние на время формирования площади фрикционного контакта, поскольку при малых площадях (в начале испытания) давление в контакте вызывает пластическую деформацию, переходящую в упругопластическую, а затем в упругую с увеличением площади контакта шаров с цилиндром.

Для определения времени формирования площади контакта (наступления упругих деформаций) через пары трения пропускался постоянный ток (100 мкА) от внешнего стабилизированного источника питания 3В, задаваемого при статическом положении пар трения [8]. Поэтому в процессе трения в зависимости от давления в контакте и влиянии смазочного материала, электрическое сопротивление контакта изменяется, что влияет на величину тока. При пластических деформациях в контакте сопротивление минимально и ток равен заданному. С увеличением площади контакта пластические деформации переходят в упругопластические при этом образуется граничный слой, увеличивающий электрические сопротивления контакта, а значит уменьшение тока, протекающего через этот слой. С переходом к упругим деформациям величина тока стабилизируется и зависит от свойств смазочного материала (концентрации продуктов окисления, температурной деструкции, активации присадок, кислотного числа, влаги, коррозионных свойств). Поэтому при наступлении упругих деформаций в контакте происходит медленное окислительное изнашивание, характеризующееся формированием и разрушением защитных пленок на поверхностях трения. Таким образом время формирования фрикционного контакта определяется суммарной продолжительностью пластической и упругопластической деформациями которое определяется из диаграмм записи изменения тока, протекающего через фрикционный контакт.

На рис. 2 приведены зависимости времени формирования площади фрикционного контакта в зависимости от концентрации продуктов окисления, выраженных коэффициентом поглощения светового потока Кп. Независимо от базовой основы наблюдаются общие закономерности изменения времени формирования фрикционного контакта ¿ФПК.

Так, в начале окисления время увеличивается по сравнению с товарным маслом (точки на ординате). Увеличение времени зависит от базовой основы масла и концентрации продуктов окисления (Кп). Так, для минерального масла время ¿ФПК составило 33 минуты при Кп = 0,21 ед;

частично синтетического 29 мин при Кп = 0,15 ед. и синтетического 6 мин при Кп = 0,12 ед. Дальнейшее увеличение концентрации продуктов окисления вызывает уменьшение времени для минерального масла за весь период испытания, причем в диапазоне значений коэффициента Кп от 0,3 до 0,78 ед., время tФПК составляет меньше 10 минут. Для частично синтетического и синтетического масел характерно циклическое изменение времени ¿ФПК уменьшение-увеличение и повторное уменьшение, причем для синтетического масла время ¿ФПК минимально от 2 до 11 минут, то есть это масло масло наиболее быстро формирует площадь контакта, но судя по рис.1, а вызывает наибольший износ.

¿АПК

Кж

с,] 0.3 0.7 0.9

Рис.2. Зависимости времени формирования площади фрикционного контакта от коэффициента поглощения светового потока при окислении трансмиссионных масел:

1 - минерального ВЬо180Ж-90 СЬ4; 2 - частично синтетического ВЬо1 Иуро1й 75Ж-90 СЬ4, СЬ5; 3 - синтетического Вко1 ШроЬй 75W-90 Ы5

Для более объективной оценки смазывающих свойств окисленных трансмиссионных масел введен показатель скорости формирования площади фрикционного контакта КФПК, определяемой выражением

Ифпк= и/ ¿ФПК, мм/мин.

где и - среднеарифметическое значение диаметра пятна износа на трех шарах, мм; tФПК - время формирования номинальной площади фрикционного контакта.

Согласно данных (рис. 3) установлена общая закономерность изменения скорости формирования площади фрикционного контакта, характеризующаяся циклическим её изменением: уменьшение-увеличение, причем для минерального масла (кривая 1) установлен один цикл, а для частично синтетического и синтетического масел два цикла (кривые 2 и 3). Кроме того, для минерального и частично синтетического масел скорость формирования площади фрикционного контакта находится в диапазоне от 0,03 до

0,006 мм/мин, а синтетического — от 0,03 до 0,09 мм/мин.

0,1 03 си 0,7 0,9

Рис.3. Зависимости скорости формирования площади фрикционного контакта от коэффициента поглощения светового потока при окислении трансмиссионных масел: 1 - минерального Ы1о180Ж-90 СЬ4;

2 - частично синтетического Bizol Hypoid 75Ж-90 СЬ4, СЬ5;

3 - синтетического Bizol Hipoid 75Ж-90 СЬ5

Циклическое изменение скорости УФПК объясняется изменением состава продуктов окисления (первичные, вторичные) и их влиянием на смазывающие свойства масел.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Испытаниями окисленных трансмиссионных масел различной базовой основы установленно, что лучшими противоизносными свойствами характеризуется минеральное масло, а синтетическое масло уступает ему почти в два раза.

2. Предложен критерий противоизносных свойств трансмиссионных масел, характеризующий условную концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта, зависимость которого от концентрации продуктов окисления описывается линейным уравнением, что позволяет сравнивать различные масла и совершенствовать систему классификации.

3. Установлено, что время и скорость формирования площади фрикционного контакта зависят от концентрации продуктов окисления, их состава и изменяются циклически.

Список литературы

1. Чичинадзе А.В. Диаграмма переходов и экранирующее действие смазочного слоя / А.В. Чичинадзе, И. А. Буяновский, Б.Э. Гурский // Трение и износ. 2002. №3. (23). С. 334-340.

2. Семенов А.П. О теории схватывания металлов / А.П. Семёнов //

Теория трения и изнашивания: сб. тр. М.: Наука, 1965. С.164-170.

3. Виноградов В.Г. Условия и виды заедания при трении закаленной стали в углеродных смазочных средах / Г.В. Виноградов, Ю.Я. Подполь-ский, Н.В. Карелова. Машиностроение. 1965. №5. С.109-114.

4. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах / Б.И. Костец-кий, Киев: Техника, 1970.

5. Кащеев В.Н. К вопросу об изнашивании стали в условиях интенсивного схватывания / В.Н. Кащеев // ФХММ. 1969. №4. С. 21-30.

6. Крагельский И.В. О природе заедания при сухом и граничном трении / И.В. Крагельский, Н.М. Алексеев, Л.Е. Фисун // Трение и износ, 1980. №2. С. 197-208.

7. Патент 2428677 РФ МПК GOIN 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.

8. А.С. 1054732 СССР МПК GOIN 3156 Способ определения смазывающей способности масел / Б.И. Ковальский, Г.М. Сорокин, А.П. Ефремов, Опубл. 15.11.1983. Бюл.№ 42.

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

Янович Валерий Станиславович, соискатель, Labsm@,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Шрам Вячеслав Геннадьевич, аспирант, Labsm@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа

THE ANTIWEAR PROPERTIES CONTROL METHOD DURING GEAR OILS

DECOMPOSITION

B.I. Kowalski, V.S. Yanovich, V.G. Shram

The results of tribological testing of gear oils of various basic framework were set out. The criterion of anti-wear properties, taking into account the concentration of the oxidation products were proposed.

Key words: wear scar diameter, the luminous flux absorption coefficient, the antiwear properties criterion, the rate of formation of frictional contact area.

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

Yanovich Valery Stanislavovic, postgraduate, Labsm@,mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Shram Vyacheslav Gennadevic, postgraduate, Shram 18rus@mail.ru. Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas