Исследование процессов температурной деструкции моторных масел различных базовых основ

УДК 621.43-4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ РАЗЛИЧНЫХ БАЗОВЫХ ОСНОВ

1 л

© В.Г. Шрам1, Б.И. Ковальский2, Н.Н. Малышева3, Е.Г. Кравцова4

Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 82/6.

Представлены результаты испытания на температурную стойкость моторных масел различных базовых основ. Установлен общий механизм температурной деструкции моторных масел независимо от базовой основы. Исследована связь между концентрацией продуктов температурной деструкции, вязкостью и летучестью. Ил. 6. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: температурная стойкость; коэффициент поглощения светового потока; кинематическая вязкость; испаряемость.

STUDYING TEMPERATURE DEGRADATION OF MOTOR OILS OF VARIOUS BASE FOUNDATIONS V.G. Shram, B.I. Kovalski, N.N. Malysheva, E.G. Kravtsova

Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas, 82/6 Svobodny Av., Krasnoyarsk, Russia, 660041.

The paper presents the results of testing motor oils of different base foundations for temperature stability. A general mechanism of motor oil temperature degradation irrespective of the base foundation is determined. The correlation between the concentration of thermal degradation products, viscosity and volatility is studied. 6 figures. 4 sources.

Key words: temperature stability; light flux absorption coefficient; kinematic viscosity; volatility.

По данным, представленным в работе [1], смазочные материалы нефтяного происхождения работоспособны в атмосферных условиях до температур = 200°С. Критическая температура их работоспособности может быть повышена введением химически и поверхностно-активных присадок [2]. Показано, что для успешной работы смазочных масел в них необходимо присутствие кислорода, обеспечивающего формирование на поверхностях трения защитных граничных слоев, повышающих нагрузки схватывания [3]. Температурный метод испытания смазочных слоев позволяет получить данные о температурной стойкости при трении практически любых смазочных материалов. Сведения о величине критических температур масел и смазок, предназначенных для работы при высоких объемных температурах или в экстремальных условиях (нагрузка, скорость скольжения), необходимы конструкторам при выборе масел для узлов, работающих при высоких контактных температурах [4]. В этой связи научное и практическое значение представляют исследования температурной стойкости моторных масел. Поэтому целью настоящей работы яв-

ляется определение основных закономерностей процессов температурной деструкции моторных масел различных базовых основ.

Испытанию подвергались: товарные моторные масла на минеральной основе - М-8Г2К, частично синтетической - ТНК Супер 5W-40 SL/CF, и синтетической - ESSO Шгоп 5W-40 SL/CF. Данные масла термоста-тировались в специальном приборе в течение 8 часов в диапазоне температур от 140 до 300°С с увеличением температуры на 10°С при атмосферном давлении. После каждых восьми часов испытания проба термостатированного масла взвешивалась, определялась масса испарившегося масла, часть пробы фотометри-ровалась при толщинах фотометрируемого слоя 8 и 2 мм, и определялась вязкость.

Влияние температуры термостатирования моторных масел различной базовой основы в температурном интервале от 140 до 300°С оценивалось изменением оптических свойств, вязкости и летучести. Установлено, что существует температурная область, где деструкция масел любой базовой основы не происходит (рис. 1). Так, для минерального и частично синте

1Шрам Вячеслав Геннадьевич, аспирант, тел.: 89504014163, e-mail: Shram18rus@mail.ru Shram Vyacheslav, Postgraduate, tel.: 89504014163, e-mail: Shram18rus@mail.ru

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

Kovalski Boleslav, Doctor of technical sciences, Professor of the Department Fuel Supply, Fuel and Lubricants, tel.: (391) 2062926, e-mail: Labsm@mail.ru

3Малышева Наталья Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: 89131905779, e-mail: nataly.nm@mail.ru

Malysheva Natalya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department Fuel Supply, Fuel and Lubricants, tel.: 89131905779, e-mail: nataly.nm@mail.ru

4Кравцова Екатерина Геннадьевна, ассистент кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: 89130333528, e-mail: rina_986@mail.ru

Kravtsova Ekaterina, Assistant Professor of the Department Fuel Supply, Fuel and Lubricants, tel.: 89130333528, e-mail: rina_986@mail.ru

Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп от температуры термостатирования моторных масел: а - М-8Ггк; б - ТНК Супер 5М-40 БиОР; в - ЕББО иНгоп 5^-40 БиОР

тического масел она составляет до 160°С, синтетического - до 170°С. Кроме того, процесс температурной деструкции и его интенсивность характеризуется двумя критическими температурами - Ткр1 и Ткр2, которые для минерального масла составляют соответственно 240 и 280°С, частично синтетического - 210 и 270°С, синтетического - 220 и 270°С. В температурной области до Ткр1 коэффициент поглощения светового потока Кп увеличивается по линейной зависимости.

В температурной области от Ткр1 до Ткр2 наблюдается резкое увеличение коэффициента поглощения светового потока, что объясняется образованием продуктов деструкции с большей оптической плотностью, а колебание значений коэффициента К„ вызвано перераспределением тепловой энергии между первичными и вторичными продуктами деструкции. Более того, колебания значений коэффициента Кп подтверждает тот факт, что исходным продуктом для образования вторичных продуктов деструкции являются первичные продукты. При определённой их концентрации они переходят во вторичные, с образованием которых уменьшается концентрация в масле первичных продуктов, что вызывает в дальнейшем уменьшение скорости образования вторичных продуктов. Таким образом, процесс температурной деструкции в области от Ткр1 до Ткр2 имеет периодический характер с изменением концентрации первичных продуктов и увеличением концентрации вторичных.

В температурной области выше Ткр2 коэффициент

поглощения светового потока стабилизируется независимо от базовой основы моторного масла, что свидетельствует об окончании процесса деструкции.

Изменение кинематической вязкости при термо-статировании моторных масел оценивалось коэффициентом относительной вязкости К (рис. 2), определяемым отношением вязкости термостатированного масла к вязкости товарного. Вязкость минерального масла М-8Г2К (кривая 1) с увеличением температуры испытания увеличивается по экспоненте и при температуре 300°С она увеличилась на 57%. Поскольку допустимое увеличение вязкости по литературным данным не должно превышать 30-35%, то предельной температурой работоспособности минерального масла является 240°С (Ткр1). Для частично синтетического масла (кривая 2) вязкость сначала увеличивается на 5% до температуры Ткр1, а при температуре больше Ткр1 вязкость начинает падать и при температуре 290°С она уменьшается по отношению к товарному маслу на 20%. Для синтетического масла (кривая 3) вязкость сохраняет тенденцию уменьшения во всем температурном диапазоне и при температуре 290°С она уменьшилась на 20% по отношению к товарному маслу.

Летучесть минерального масла (рис. 3, кривая 1) при термостатировании изменяется по экспоненциальной зависимости до температуры Ткр1 (240°С), затем резко увеличивается с колебаниями её значений, вызванных перераспределением тепловой энергии

между продуктами температурной деструкции и испарения.

Рис. 2. Зависимость коэффициента относительной вязкости от температуры термостатирования моторных масел: 1 - М-8Ггк; 2 - ТНК Супер 5^-40 БиОР; 3 - ЕББО иНгоп 5^-40 БиОР

Рис. 3. Зависимость летучести G от температуры

термостатирования моторных масел: 1 - М-8Ггк; 2 - ТНК Супер 5^-40 Б1/ОР; 3 - ЕББО иНгоп 5^-40 Б1/ОР

Для частично синтетического (кривая 2) и синтетического (кривая 3) масел наблюдается аналогичная зависимость летучести от температуры термостатирования, что и минерального масла. До температуры Ткр1 летучесть увеличивается по экспоненте, а после неё резко возрастает до температуры Ткр2. Однако при температуре выше Ткр2 летучесть для частично синтетического масла замедляется, а для синтетического даже уменьшается.Влияние продуктов температурной деструкции на кинематическую вязкость исследовалось зависимостью К = /(Ки) (рис. 4). Установлено, что для минерального (кривая 1) и частично синтетического (кривая 2) масел вязкость увеличивается до температуры 7^, а при образовании вторичных продуктов деструкции её скорость либо замедляется до температуры Ткр2 (для масла 1), а при температуре больше Ткр2 повторно увеличивается, либо уменьшается для масла 2. Для синтетического масла (кривая 3) вязкость сохраняет тенденцию к уменьшению, и только при Кп = 0,7 ед. она резко падает.

Связь между параметрами Кп и О исследована зависимостью Кп = /(О) (рис. 5). Для минерального и частично синтетического масел (кривые 1 и 2) установлена кусочно-линейная зависимость Кп = / (О), имеющая изгиб при температуре больше Ткр2, после которой для минерального масла коэффициент Кп увеличивается с меньшей интенсивностью, для синтетического стабилизируется, т.е.

Рис. 4. Зависимость коэффициента относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании моторных масел: 1 - М-8Ггк; 2 - ТНК Супер 5 ИМ О БиСР; 3 - ЕББО Шгоп 5 ИМ О БиСЕ

Кп

0.6

0.2

8

Г

16

24

32

АГт

0.6

0.2

Рис. 5. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от летучести при термостатировании моторных масел: 1 - М-8Ггк; 2 - ТНК Супер 5^-40 Б1ЮЕ; 3 - ЕББО иНгоп 5^-40 БИОЕ

большая часть тепловой энергии расходуется на испарение масла, а не на процесс деструкции. Для синтетического масла (кривая 3) установлена линейная зависимость Кп = /(О)для всего температурного диапазона.

На основании результатов исследования температурной стойкости установлено, что сброс избыточной энергии при термостатировании моторных масел различной базовой основы происходит по двум каналам: изменению коэффициента Кп и летучестью О , поэтому в качестве критерия предложен коэффициент температурной стойкости Етс, определяемый суммой

ЕТС = Кп + Ко,

Ка = т /М,

где т - масса испарившегося масла, г; М - масса масла после термостатирования, г.

Зависимость коэффициента температурной стойкости от температуры испытания представлен на рис. 6.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Установлен общий механизм температурной деструкции моторных масел независимо от базовой основы, заключающийся в последовательном образовании первичных продуктов, переходящих во вторичные, различающиеся оптическими свойствами и влияющие на показатели вязкости и летучести, определены температурные области Ткр1 и Ткр2 их образования, что позволяет обосновать температурную область работоспособности масел и использовать этот показатель для совершенствования системы класси-

фикации.

Рис. 6. Зависимость критерия температурной стойкости от температуры термостатирования моторных масел: 1 - М-8Ггк; 2 - ТНК Супер 5^-40 БиОР;

3 - ЕББО иНгоп 5^-40 БИОР

2. Исследованиями связи между концентрацией продуктов температурной деструкции, вязкостью и летучестью установлено, что первичные продукты до температуры Ткр1 увеличивают вязкость минеральных и частично синтетических масел, а вторичные в диапазоне температур от Ткр1 до Ткр2 либо её стабилизируют, либо уменьшают. Летучесть масел при температурах больше Ткр2 резко увеличивается, замедляя скорость образования продуктов деструкции.

3. Предложен критерий температурной стойкости смазочных масел, определяемый суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести, характеризующий энергию поглощения продуктами температурной деструкции и испарения, что позволяет сравнивать масла и совершенствовать систему их классификации.

Библиографический список

1. Семенов А.П. Высокотемпературные твердые смазочные вещества // Трение и износ. 2007. Т. 28. № 5. С. 525-538.

2. Матвеевский Р.М., Буяновский И.А., Лазовская О.В.. Про-тивозадирная стойкость смазочных сред при трении в режиме граничной смазки. М.: Наука, 1978.

3. Виноградов Г.В. Опыт исследования противозадирных

свойств углеродистых смазочных сред // Методы оценки противозадирных и противоизносных свойств смазочных материалов. М.: Наука, 1969. С. 3-11. 4. Матвеевский Р.М. Температурная стойкость граничных смазочных слоев и твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов. М.: Наука, 1971.