CC BY
40
Yelagin Mikhail Yurievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Lunin Ivan Yurievich , postgraduate, ivanlunin89@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yakovlev M.N., postgraduate, ivanlunin89@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.892.1
МЕТОД КОНТРОЛЯ ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОКИСЛЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ
Б.И. Ковальский, Д.В. Агровиченко, В.Г. Шрам, О.Н. Петров
Представлены результаты исследования влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления и триботехнические характеристики минерального моторного масла. Предложена физическая модель процессов, протекающих на фрикционном контакте, учитывающая его электропроводность, время формирования и смазывающие свойства масла.
Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока, температурная деструкция, коэффициент электропроводности, время формирования фрикционного контакта, коэффициент смазывающих свойств, диаметр пятна износа, трехшарико-вая машина трения.
Целью настоящих исследований является апробация метода контроля влияния продуктов температурной деструкции, образующихся в температурном интервале от 140 до 240 °С при термостатировании минерального моторного масла без перемешивания на процессы окисления и триботехнические характеристики.
Процесс окисления производился при температуре 180 °С с перемешиванием масла в течение 8 часов. После каждых 8-ми часов окисления отбиралась проба масла для прямого фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока. Триботехнические испытания проводились на трехшариковой машине трения со схемой «шар-цилиндр»^]. Параметры трения составляли: нагрузка - 13 Н; скорость скольжения - 0,68 м/с; температура масла в объеме - 80 °С; время испытания - 2 ч.
Отличительной особенностью машины трения являлось то, что каждый их трех шаров контактировал с поверхностью цилиндра по индивидуальной дорожке трения, а через центральный шар пропускался постоянный ток, величиной в 100 мкА, от стабилизированного источника напряжения 3 В [2]. Величина тока, протекающего через фрикционный контакт через преобразователь Я8-485, записывалась на мониторе компьютера в виде диаграммы. Противоизносные свойства оценивались по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трёх шарах, измеренному на оптическом микроскопе« Альтами 1 МЕТ».
Методика контроля предусматривала окисление и проведение три-ботехнических испытаний пробы масла после его термостатирования в течение 8 часов.
Для испытания выбрано минеральное универсальное всесезонное моторное масло «Лукойл Стандарт 10Ш-40 8Б/СС».
Результаты окисления предварительно термостатированных масел представлены на рис. 1, из которого видно, что все зависимости имеют изгиб при всех температурах, что свидетельствует об образовании двух видов продуктов окисления с различной оптической плотностью, названные первичными (до точки изгиба) и вторичными (после точки изгиба).
Данные зависимости описываются кусочно-линейными функциями
вида:
Кщ = а-(г - г н ), (1)
где а - скорость образования первичных (или вторичных) продуктов окисления, ч- 1; г - время окисления, ч; гн - время начала образования первичных (или вторичных) продуктов окисления.
Рис. 1. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от времени и температуры предварительного термостатирования минерального моторного масла «Лукойл Стандарт 10W-40 SF/СС»: 1 - товарное; 2 -140 °С; 3 -160 °С (а); 4 -180 °С; 5 - 200 °С (б);
6 - 220 °С; 7 - 240 °С (в)
Время начала образования вторичных продуктов окисления определялось продлением участка зависимости после точки изгиба до пересечения с осью абсцисс. Кроме того, зависимости кП = f (t) имеют область со-
217
противления окислению, в которой процесс окисления практически отсутствует независимо от температуры предварительного термостатирования. Анализ полученных зависимостей показал, что при температуре термоста-тирования 140 °С (кривая 2) процесс окисления соответствует товарному маслу (кривая 1).
Для оценки влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления предложен потенциальный ресурс, определяемый временем достижения коэффициента KП значения, равного 0,8 ед. (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость потенциального ресурса при окислении
предварительно термостатированного минерального масла
от температуры
Установлено, что потенциальный ресурс масел, термостатированных при температурах 140 и 160 °С, равен ресурсу товарного масла, окисленного без предварительного термостатирования. Потенциальный ресурс увеличивается при термостатировании масел при температуре 180-220 °С. Дальнейшее повышение температуры стабилизирует потенциальный ресурс, т.е. предварительное термостатирование замедляет процессы окисления за счет активации антиокислительных присадок в масле.
Противоизносные свойства окисленных масел, термостатированных в диапазоне температур от 140 до 240 °С, оценивались по диаметру пятна износа на шаре, через который пропускался постоянный ток, величиной 100 мкА, от внешнего стабилизированного источника напряжения (рис. 3.).
Установлено, что наилучшими противоизносными свойствами характеризуются окисленные масла, термостатированные при температурах 200°С (кривая 5) и 220 °С (кривая 6).
Чёткой зависимости величины износа, выраженной диаметром пятна износа от концентрации продуктов окисления, не установлено. Это объясняется тем, что с увеличением коэффициента KПизн изменяются свойства
граничных слоев и структура защитных плёнок на поверхностях трения.
Это подтверждается величиной тока, протекающего через фрикционный контакт (рис. 4) при испытании термостатированных масел в диапазоне температур от 140 до 240 °С. Из представленных диаграмм записи тока, протекающего через фрикционный контакт, наблюдаются три участка, различающиеся величиной тока.
Первый участок, где тока максимальный (100 мкА) и равен заданному, характеризует пластическую деформацию, при которой происходит металлический контакт поверхностей трения. Второй участок, где ток уменьшается до стабильной величины, характеризует упруго-пластические деформации, и третий участок, где ток колеблется около стабильной величины, характеризует упругие деформации или установившееся изнашивание, где происходит износ и восстановление защитных пленок на поверхностях трения.
а
б
в
Рис. 3. Зависимости диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока и температуры предварительного термостатирования минерального моторного масла «Лукойл Стандарт 10W-40 SF/СС»: 1 - товарное; 2 -140 °С; 3 -160 °С (а); 4 -180 °С; 5 - 200 °С (б);
6 - 220 °С; 7 - 240 °С (в)
Анализ полученных диаграмм подтверждает, что наименьшая величина тока, протекающего через фрикционный контакт, установлена для температур от 200 до 240°С в области упругих деформаций, при которых увеличивается потенциальный ресурс (рис. 2). Уменьшение тока, протекающего через фрикционный контакт, вызвано увеличением электрического сопротивления за счет свойств граничного слоя смазочного масла, разделяющего поверхности трения, и образующихся на них окисных пленок в результате химических реакций.
Диаграммы тока характеризуют процессы, протекающие на фрикционном контакте под действием продуктов температурной деструкции, влияющих на величину износа. Интенсивность этих процессов должна определяться концентрацией продуктов температурной деструкции, которые влияют на процессы окисления, выраженные коэффициентом поглощения светового потока К п,„, .
^ изн
Концентрацию продуктов П на номинальной площади фрикционного контакта предложено определять отношением:
П
К
Пизн
U
(2)
где KПизн - коэффициент поглощения светового потока (усл. ед.); U - диаметр пятна износа, мм.
Рис. 4. Диаграмма тока, протекающего через фрикционный контакт в зависимости от температуры термостатирования моторного масла «Лукойл Стандарт 10W-40 SF/СС»: 1 -140 °С; 2 -160 °С; 3 -180 °С (а); 4 - 200 °С; 5 - 220 °С (б); 6 - 240 °С (в)
Параметр П предложен в качестве критерия противоизносных свойств смазочного масла или комплексного показателя электрического сопротивления фрикционного контакта. Чем больше значение критерия П (рис. 5) при одних и тех же значенияхKnum, тем выше противоизносные
свойства испытуемого масла и выше электрическое сопротивление фрикционного контакта.
Из представленных данных (рис. 5) видно, что для товарного масла (кривая 1) и предварительно термостатированного при температуре 140 °С
(кривая 2) зависимости п = / (КПизн) имеют линейный характер, однако для
товарного масла (кривая 1) и термостатированного при температуре 160 °С (кривая 3) при значениях КПизн<0,1 ед. значения П приобретают очень малые значения, вызывая изгиб зависимостей. Для температур термостатиро-вания в диапазоне температур от 180 до 240 °С зависимости п = /(кПизн)
представляют ломаные линии ввиду влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления.
а б в
Рис. 5. Зависимости критерия противоизносных свойств при окислении минерального моторного масла «Лукойл Стандарт» 10W-40 SF/СС от коэффициента поглощения светового потока
и температуры термостатирования: 1 - товарное; 2 -140 °С; 3 -160 °С (а); 4 -180 °С; 5 - 200 °С (б);
6 - 220 °С; 7 - 240 °С (в)
Важным показателем триботехнической характеристики смазочного масла при схеме трения «шар-цилиндр» является время формирования номинальной площади контакта tФПК, определяемого по диаграммам тока по продолжительности пластической и упруго-пластической деформациям (рис. 6). Увеличение времени t^K указывает на удовлетворительные смазывающие свойства.
Рис. 6. Зависимости времени формирования номинальной площади фрикционного контакта от коэффициента поглощения светового потока при окислении минерального моторного масла «Лукойл Стандарт» 10Ж-40 8Е/СС термостатированного при температурах: 1 - товарное; 2 -140 °С; 3 -160 °С (а); 4 -180 °С; 5 - 200 °С (б); 6 - 220 °С; 7 - 240 °С (в)
Из представленных данных видно, что время 1ФПК наибольшее установлено для масел, термостатированных при температурах 180 и 200°С
(кривые 4 и 5). Для масел, термостатированных при температурах 220 и 240°С (кривые 6 и 7), увеличение времени 1ФПК установлено при значениях Кпизн=0,18 ед. и Кппзн>0,7 ед.
Вторым важным показателем триботехнической характеристики смазочного масла при окислении является коэффициент электропроводности фрикционного контакта КЭ, определяемый из диаграмм тока (рис. 4) в начале наступления упругих деформаций в контакте, отношением:
1ФК
Кэ =
IЗ
(3)
где 1ФК - величина тока, протекающего через фрикционный контакт, мкА; Iз - величина заданного тока при статическом положении шара и цилиндра, мкА.
Зависимости коэффициента электропроводности КЭ от коэффициента КПизн представлены на рис. 7, из которых следует, что чёткой зависимости между этими показателями не наблюдается, т.к. при одинаковых значениях коэффициента КПизн электрические свойства граничного слоя различны из-за различий в скорости химических реакций продуктов окисления с металлической поверхностью.
а
б
в
Рис. 7. Зависимости коэффициента электропроводности фрикционного контакта от коэффициента поглощения светового потока при окислении термостатированного минерального моторного масла «Лукойл Стандарт» 10W-40 SF/СС при температурах: 1 - товарное; 2 -140 °С; 3 -160 °С (а); 4 -180 °С; 5 - 200 °С (б);
6 - 220 °С; 7 - 240 °С (в)
Кроме того, в период упругих деформаций на фрикционном контакте происходят процессы формирования и разрушения защитных плёнок на поверхностях трения, вызывающие колебания тока. Однако если сравнивать зависимости времени формирования номинальной площади контакта и коэффициента электропроводности от коэффициента поглощения светового потока, то видно, что существует определенная связь между этими параметрами. Так, с увеличением коэффициента КЭ время формирования контакта уменьшается или наоборот. Кроме того, коэффициент электропроводности зависит от сопротивления фрикционного контакта, т.е. от концентрации продуктов окисления на номинальной площади фрикцион-
ного контакта П и их электропроводности.
Если учесть, что концентрация продуктов окисления определяет электрическое сопротивление фрикционного контакта, от которого зависит коэффициент электропроводности, то произведение этих показателей определяет падение напряжения на фрикционном контакте.
Зависимости этого показателя П ■ Кпизн от коэффициента поглощения светового потока представлены на рис. 8. Согласно данным, зависимости падения напряжения от коэффициента КПизн имеют два участка независимо от температуры термостатирования, различающиеся величиной падения напряжения на фрикционном контакте. При значениях коэффициента КПизн<0,5 ед. участок зависимости имеет возрастающий характер, а при КПизн>0,5 ед. он убывает.
а б в
Рис. 8. Зависимости коэффициента смазывающих свойств окисленных минеральных моторных масел «Лукойл Стандарт» 10W-40 SF/СС термостатированных при температурах: 1 - товарное; 2 -140 °С; 3 -160 °С (а); 4 -180 °С; 5 - 200 °С (б);
6 - 220 °С; 7 - 240 °С (в)
Так как показатель П определяет концентрацию продуктов окисления и температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, а коэффициент электропроводности - его электрические свойства, то произведение П ■ КПизн, характеризующее падение напряжения, должно определять смазывающие свойства масел, обозначенные символом КСС.
Для подтверждения этой гипотезы построены зависимости диаметра пятна износа от коэффициента смазывающих свойств окисленных масел, предварительно термостатированных в температурном интервале от 140 до 240 °С (рис. 9). Согласно данным, для товарного масла (кривая 1) с увеличением коэффициента КСС до значения 0,025 ед. износ увеличивается, а затем уменьшается. Для масла, термостатированного при температуре 140 °С (кривая 2), с увеличением коэффициента КСС износ уменьшается.
Аналогичная картина установлена для масла, термостатированного при температуре 160 °С (кривая 3). Лучшие показатели по износу получены для масел, термостатированных при температурах 200 и 220 °С (кривые 5, 6). Кроме того, при этих температурах установлен максимальный потенциальный ресурс (рис. 2.)
0,4 г U, мм в
7
0.2
0.4
тт ....
Ксс 0.2
Ксс 0.2
J Ксс 1
б
1
2
3
i
2
3
о
Рис. 9. Зависимости диаметра пятна износа от коэффициента смазывающих свойств и температуры термостатирования при окислении минерального товарного масла «Лукойл Стандарт»
10W-40 SF/СС термостатированных при температурах: 1 - товарное; 2 -140 °С; 3 -160 °С (а); 4 -180 °С; 5 - 200 °С (б);
6 - 220 °С; 7 - 240 °С (в)
На основании приведенных исследований установлено:
1. Предварительное термостатирование минерального моторного масла «Лукойл Стандарт 10W-40 SF/СС» в диапазоне температур от 180 до 220 °С увеличивает потенциальный ресурс при его окислении до 38 %.
2. Предложен критерий противоизносных свойств окисленных масел, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к величине износа за установленное время испытания, характеризующий концентрацию продуктов температурной деструкции и окисления на номинальной площади фрикционного контакта, а также его электрическое сопротивление.
3. Применение электрометрического метода контроля процессов, протекающих на фрикционном контакте, позволяет определить время формирования номинальной площади контакта, виды деформации и его электропроводность.
Предложена физическая модель определения смазывающих свойств при окислении предварительно термостатированных масел, учитывающая критерий противоизносных свойств и электропроводность фрикционного контакта и характеризующая падение напряжения в контакте. Установлены связь между износом и коэффициентом смазывающих свойств окисленных масел, а также влияние температуры термостатирования на эти показатели.
1. Патент РФ №2428677 МПК G01N 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.
2. А.С. 1054732 СССР МКН^0Ш3156 Способ определения смазывающей способности масел / Б.И. Ковальский, Г.М. Сорокин, А.П. Ефремов. Опубл. 15.11.83. Бюл. № 42.
Список литературы
Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Агровиченко Дарья Валентиновна, асп., [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Шрам Вячеслав Геннадьевич, канд. техн. наук, старший преподаватель, [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Петров Олег Николаевич, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
CONTROL METHOD OF INFLUENCE OF PROCESSES OF TEMPERATURE DESTRUCTION ON PROCESSES OF OXIDATION AND TRIBOTECHNICAL CHARACTERISTICS OF THE OXIDIZED MINERAL ENGINE OIL
B.I. Kowalski, D.V. Agrovichenko, V.G. Shram, O.N. Petrov
Results of research of influence of products of temperature destruction on processes of oxidation and tribotechnical characteristics of mineral engine oil are presented. The physical model of the processes proceeding on frictional contact, the conductivity considering it, time of formation and the greasing properties of oil is offered.
Key words: coefficient of absorption of a light stream, temperature destruction, conductivity coefficient, time of formation of frictional contact, coefficient of the greasing properties, diameter of a spot of wear, the three-ball car of friction.
Kowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Iathsmamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Agrovichenko Darya Valentinovna, postgraduate, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Shram Vyacheslav Gennadevich, candidate of technical sciences, senior teacher, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Petrov Oleg Nicolaevich, candidate of technical sciences, docent, Pe-trov_oleq@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
