CC BY
43
ТРИБОТЕХНИКА
УДК 621.43-4
В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский Ю. Н. , Безбородов,
А. Н. Сокольников, И. В. Надейкин
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ И НАГРУЗКИ НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА СИНТЕТИЧЕСКОГО МОТОРНОГО МАСЛА ESSO ULTRON 5W-40. ЧАСТЬ 3
Введение. Механизм деструкции смазочных материалов различных базовых основ изучен недостаточно. Исследование связи между процессами деструкции базовой основы, происходящими в смазочных материалах, и присадками является важным моментом в обосновании их ресурса.
Главным фактором, влияющим на срок службы любого масла, следует считать температуру на поверхностях трения. Тепловой режим работы в процессе эксплуатации имеет для долговечности масла такое же значение, как для долговечности деталей машин их напряженное состояние под действием эксплуатационных нагрузок [1].
Наиболее тяжелым для работы механических узлов является режим граничного трения. В этих условиях способность слоев смазочного материала нести нагрузку в контакте поверхностей трения зависит от взаимодействия смазочного материала
с рабочими деталями механизмов (физическая адсорбция, хемосорбция). Решающее влияние на указанные процессы оказывает развивающаяся при трении температура, вызывающая нагревание тонких поверхностных слоев сопряженных тел и разделяющего их слоя смазочного материала.
Механизм температурной стойкости граничных слоев смазочного материала рассмотрен в работах Боудена и Тейбора. Причинами изменения коэффициента трения и характера скольжения, наблюдаемых при критической или переходной температурах для данного сочетания металлов и смазочного материала в условиях объемного нагрева, являются дезориентация и десорбция граничных смазочных слоев. При высоких температурах эти процессы ускоряются, что вызывает окисление поверхностей и смазочного материала, т.е. изменяются свойства граничных слоев.
Рассматривая явления, происходящие в поверхностных слоях, с позиций теорий структурной приспосабливаемости и самоорганизации в трибо-системах [2,3], необходимо отметить, что в процессе взаимодействия деталей в цилиндре двигателя, работающих в жестких условиях граничного трения, происходит формирование квазиравно-весных защитных слоев и установившейся шероховатости, способных стабилизировать темп разрушения и восстановления вторичных структур.
Влияние температуры на долговечность три-босопряжений определяется самоорганизацией такой системы, и параметрами внешних воздействий. Самоорганизация любой трибосистемы определяется скоростью образования защитных граничных слоев, параметрами трения, обеспечивающими существование адсорбционных, хемо-сорбционных и модифицированных слоев, и температурой их разрушения. Поэтому термостойкость этих слоев является основой, определяющей надежность трибосистемы.
Методика исследования описана в работах [4-7] и предусматривает применение таких измерительных средств как прибор для определения температурной стойкости, малообъемный вискозиметр, фотометрическое устройство для прямого фотометрирования масел, трехшариковая машина трения со схемой “шар-цилиндр”.
Результаты исследований и их обсуждение.
Моторное масло Esso Ultron SAE 5W-40 SL/CF является всесезонным, универсальным полностью синтетическое, обладающим хорошими антифрикционными свойствами и предназначено для тяжелых условий работы, класс вязкости SAE 5W-40, группа эксплуатационных свойств SL для бензиновых двигателей, CF - для дизельных. Замечательная текучесть обеспечивает очень быструю смазку двигателя и тем самым существенно снижает износ при холодном пуске. Данное масло термостатировалось в диапазоне температур от 140 до 290 °С с ростом температуры на 10 °С. Время испытания составило 8 часов, после чего определялась вязкость, испаряемость (летучесть), оптические свойства, по коэффициенту поглощения светового потока, противоизносные свойства на трехшариковой машине трения.
Прямое фотометрирование термостатированных масел проводилось при толщинах фотометри-руемого слоя 8 и 2 мм, т.к. при температурах выше 240 °С наступает низкая чувствительность фотометра при толщине 8 мм (рис. 1).
Согласно полученным данным зависимости коэффициента поглощения светового потока при толщинах фотометрируемого слоя 8 и 2 мм имеют линейные участки в диапазоне температур до 220 °С, от 220 до 240 °С и от 240 до 270 °С различающиеся скоростью изменения коэффициента поглощения светового потока Кп , в результате об-
Рис. 3. Зависимость летучести от температуры термостатирования минерального моторного масла
ESSO Ultron 5W-40 SL/CF
Рис. 4. Зависимости коэффициента относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока при термостатирования синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF при толщине фотометрируемого слоя 2 мм
Рис. 5. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от летучести при термоста-тирования синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF при толщине фотометрируе-мого слоя 2 мм
разования более оптически плотных продуктов деструкции, т.е. в процессе деструкции образуются несколько видов продуктов различной оптической плотностью. При дальнейшем увеличении температуры до 290 °С коэффициент Кп стабилизируется. В этом случае можно утверждать, что процесс деструкции остановился. Температуры, при которых происходит изгиб зависимости К П = / (Т) названы критическими, т.к. при этом происходит сброс избыточной тепловой энергии, поглощаемой продуктами деструкции резко изменяющие величину коэффициента КП.
Вязкость термостатированных масел оценивалась коэффициентом относительной вязкости, определяемым отношением вязкости термостатированного масла к вязкости товарного масла. Зависимость относительной вязкости масла от температуры термостатирования имеет линейный характер (рис. 2). На всем промежутке термоста-тирования масла происходит уменьшение вязкости и при температуре 290 °С она уменьшается на
21% по отношению к товарному маслу, что обусловлено испарением легких фракций масла.
Летучесть масла в диапазоне температур от 140 до 270 °С имеет экспоненциальную зависимость (рис. 3). Начиная с температуры термостатирования 250 °С, летучесть резко увеличивается и составляет: при 250 °С - 3,8 г; при 260 °С - 8 г; при 270 °С - 5 г, а при температуре 290 °С летучесть замедляется, и она составила 20 г.
Влияние продуктов деструкции на вязкость исследовалось зависимостью от коэффициента КП (рис. 4). Установлено, что до значения коэффициента Кп =0.16 ед. (температура испытания 230 °С) зависимость Кц = / (К П ) линейно стабильна т.е. продукты деструкции не оказывают влияние на вязкость. При значении Кп =0.193 ед. (температура испытания 240 °С) вязкость уменьшается на 11%, т.е продукты деструкции начинают оказывать влияние на вязкость, однако при температурах 250 и 260 °С Кп =0.32 и Кп =0.5 ед. вяз-
кость стабилизируется, что указывает на окончание деструкции вязкостной присадки. Дальнейшее увеличение температуры (270 °С) вызывает незначительное увеличение вязкости, а затем ее снижение на 21% за счет деструкции базовой основы.
Влияние летучести масла на значения коэффициента Кп. исследовано зависимостью
КП = /(О) (рис. 5). Показано, что зависимость
К П = / (О) имеет линейный характер.
В результате полученных данных предложен коэффициент температурной стойкости ЕТС моторных масел, определяемый суммой
ЕТС = КП + Ко, (2)
где КП - коэффициент поглощения светового потока; Ка - коэффициент летучести масла.
Ко = т /М, (3)
где т - масса испарившегося масла при термоста-тировании, г; М- масса пробы масла после термо-
статирования, г.
Коэффициент температурной стойкости моторного масла является безразмерным, а зависимость его от температуры термостатирования представлена на рис. 6.
Показано, что независимо от толщины фото-
метрируемого слоя зависимость ЕТС = / (Т)
претерпевает изгиб при температурах 220, 240 и 270 °С
Влияние продуктов температурной деструкции на изменение противоизносных свойств исследовалось на трехшариковой машине трения. Параметры трения составили: нагрузки 13, 23 и 33Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура испытания 80 °С, время испытания 2 ч.
Противоизносные свойства термостатированных масел оценивались по средне арифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах. Зависимости диаметра пятна износа от температуры и нагрузки представлены на рис. 7. Установлено, что независимо от нагрузки зависи-
Рис. 6. Зависимости критерия температурной стойкости от температуры термостатирования синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF при толщине фотометрируемого слоя 2 мм
0.6
0.4
0.2
1 9 * * *
" а
" I п Ш
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
140 160 180 200 220 240 260 280 300
Рис. 7. Зависимости износа от температуры термостатирования синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF и нагрузки: а - 13Н; б - 23Н; в - 33Н
мости и = / (Т) имеют 3 участка различной интенсивностью изнашивания. Причем характер изменения этих участков идентичен для всех нагрузок. На первом участке износ незначительно изменяется, поскольку при этих температурах деструкции масла еще нет, и составляет при нагрузках: 13Н ~ 0,270 мм (диапазон температур от 140 до 170 °С); 23Н ~ 0,310 мм (диапазон температур от 140 до 160 °С); 33Н ~ 0,330 мм (диапазон температур от 140 до 170 °С). На втором участке износ увеличивается, но скорость износа и диапазон температур для каждой нагрузки различен, что объясняется наличием продуктов деструкцией и влиянием нагрузки на процессы, протекающие фрикционном контакте. Так, износ увеличился для нагрузок: 13Н (рис. 7а) (диапазон температур от 170 до 250 °С), на 0,340 мм; 23Н (рис. 7б) (диапазон температур от 160 до 180 °С) на 0,230 мм; 33Н (рис. 7в) (диапазон температур от 170 до 200 °С) на 0,370 мм. На третьем участке при нагрузках: 13Н износ незначительно уменьшается, 23Н - износ увеличивается, а при 33Н он стабилизируется, однако при 290 °С износ составляет при нагрузках: 13Н -0,59 мм; 23Н - 0,66 мм; 33Н - 0,705.
На основе полученных данных можно предпо-
ложить, что на каждом из трех участках происходят различные процессы, которые определяются концентрацией и составом продуктов деструкции, т.е. свойствами, образующихся граничных слоев. Поэтому первый участок может определять температурные границы, адсорбционных граничных слоев, второй участок - определяет температурные границы хемосорбционных граничных слоев, а третий участок - температурные границы модифицированных слоев.
Зависимости диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока, характеризующего концентрацию продуктов деструкции, и нагрузки представлены на рис. 8. Показано, что независимо от нагрузки при малых концентрациях продуктов температурной деструкции противоиз-носные свойства термостатированных масел понижаются. Однако максимальное увеличение износа при нагрузке 13Н наступает при коэффициенте К П = 0,193 ед. (температура 240 °С). Для нагрузок 23 и 33Н максимальный износ наступает при коэффициентах КП = 0,027 и КП = 0,01 ед. (температуры 200 и 190 °С) соответственно. Дальнейшее увеличение концентрации продуктов
температурной деструкции (Кп) не оказывает влияние на изменение противоизносных свойств и приводит к их стабилизации.
В качестве критерия противоизносных свойств термостатированных масел предложен критерий П, определяемый выражением
П = ^, (8)
где Кп - коэффициент поглощения светового потока; и - параметр износа, мм.
Данный критерий характеризует условную концентрацию продуктов деструкции на номинальной площади фрикционного контакта (рис. 9, 10).
Показано, что зависимости критерия противо-износных свойств от нагрузки претерпевает изгиб
при температурах 220, 240 и 270 °С, а его зависимости от коэффициента поглощения светового потока имеет линейный характер независимо от толщины фотометрируемого слоя. Причем чем, выше величина нагрузки, тем ниже противоизнос-ные свойства при одном и том же значении КП.
температуре 160 °С и 23Н при температуре 150 °С, 33Н - 170 °С.
Рис. 10. Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 при толщине фотометрируемого слоя 2 мм и нагрузки: а -13Н; б - 23Н; в - 33Н
Регрессионные уравнения зависимостей противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при нагрузках имеют вид
Р=13Н П = 2,14Кп , (9)
Р=23Н П = 1,74К п, (10)
Р=33Н П = 1,44Кп , (11)
Коэффициенты 2,14; 1,74; 1,44 характеризуют скорость изменения критерия противоизносных свойств зависимость которой от нагрузки
представлена на рис. 11. Установлено, что скорость изменения критерия противоизносных
свойств уменьшается с увеличением нагрузки за счет увеличения площади контакта т.е. понижения противоизносных свойств.
Влияние процессов температурной деструкции и нагрузки на изменение противоизносных свойств исследовалось зависимостью давления в контакте (рис. 12) от температуры термостатиро-вания.
Установлено, что давление в контакте имеет максимум в начальный период термостатирования масла Esso Ultron 5W-40, для нагрузок: 13Н при
Рис. 11. Зависимость скорости изменения критерия противоизносных свойств от нагрузки
Дальнейшее увеличение температуры независимо от нагрузки приводит сначала к резкому уменьшению давления в контакте, а затем и к его стабилизации, но на разных уровнях: для нагрузки 13Н q * 55 Н/мм2, 23Н - q * 75 Н/мм2, 33Н -
q * 85 Н/мм2.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. При термостатировании синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF в диапазоне температур от 140 до 290 °С установлены три критические температуры (220, 220 и 270 °С), при которых наблюдается резкое увеличение коэффициента поглощения светового потока и летучести, что обусловлено сбросом избыточной тепловой энергии.
2. Параметр износа термостатированных масел независимо от нагрузки характеризуется тремя температурными областями, различающихся величиной износа. Предложен критерий оценки про-тивоизносных свойств термостатированных масел, зависимость которого от коэффициента поглощения светового потока имеет линейный характер, и характеризует условную концентрацию продуктов температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, причем противоиз-носные свойства понижаются с увеличением нагрузки испытания, а давление в контакте возрастает.
3. Противоизносные свойства термостатированных масел понижаются в температурной области до ТкрЬ а затем стабилизируются, что объясняется образованием на поверхностях трения хемосорбционных граничных слоев.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Розенберг, Ю.А. Влияние смазочных материалов на долговечность и надежность деталей машин / Ю.А. Розенберг. - М.: Машиностроение, 1970 - 315 с.
2. Канарчук, В.Е. Адаптация материалов к динамическим воздействиям / В.Е. Канарчук. - Киев.: Наукова думка, 1986.
3. Костецкий, Б.И. Надежность и долговечность машин / Б.И. Костецкий, Н.Г. Носовский, Л.И. Бершадский, А.К. Караулов. - Киев.: Наукова думка, 1976.
4. Ковальский Б. И. Температурная стойкость моторных и трансмиссионных масел / Б. И. Ковальский, Н. Н. Малышева. - Вестник КрасГАУ : Вып. 12. - Красноярск, 2006. - С. 237-240.
5. Ковальский Б. И. Температурная стойкость моторных отработанных масел / Б. И. Ковальский, Н. Н. Малышева. - Вестник КГТУ : Машиностроение. Вып. 41. - Красноярск: НПУ КГТУ, 2006. - С. 31-
36.
6. Патент 2366945 РФ, МПК вОШ 33/30. Способ определения температурной стойкости смазочных масел / Б. И. Ковальский, Н. Н. Малышева. - 2009, Бюл. № 25.
7. Ковальский Б. И. Результаты испытания минерального моторного масла на температурную стойкость / Б. И. Ковальский, С. Б. Ковальский, А. В. Берко, Н. Н. Малышева. - Известия Томского Политехнического Университета, 2009. Т. 316, № 2. - С. 46-50.
□Авторы статьи
Шрам Вячеслав Геннадьевич, аспирант Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г.
Красноярск). E-mail: [email protected]
Ковальский Болеслав Иванович, докт. техн. наук, проф. каф. «Топливное обеспечение и горюче-смазочные материалы» Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск).
E-mail:
Безбородов Юрий Николаевич докт. техн. наук, проф. каф. «Топли-вообеспечение и горючесмазочные материалы» Института нефти и газа (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск).
E-mail:
Сокольников Александр Николаевич канд. техн. наук, зав. каф. «Проектирование и эксплуатация газо-нефтепроводов» (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск) E-mail: [email protected]
Надейкин Иван Викторович, канд. техн. наук, доцент каф. «Топливное обеспечение и горюче-смазочные материалы» (Сибирский федеральный университет, г. Красноярск) E-mail:
