CC BY
39
УДК 621.892.1
В.Г. Шрам, асп., 89504014163, [email protected] (Россия, Красноярск, СФУ ИНиГ),
Б.И. Ковальский, д-р техн. наук, проф., (391)2062926, [email protected] (Россия, Красноярск, СФУ ИНиГ)
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРОДУКТОВ ОКИСЛЕНИЯ НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛЬНЫХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ
Представлены результаты испытания минеральных моторных масел на термоокислительную стабильность по параметрам изменения оптических свойств, вязкости, испаряемости и противоизносных свойств, предложены критерии термоокислительной стабильности и противоизносных свойств.
Ключевые слова: коэффициенты поглощения светового потока и относительной вязкости, летучесть, коэффициент термоокислительной стабильности, коэффициент самоорганизации, диаметр пятна износа, критерий противоизносных свойств.
Стандарты [1-3] предусматривают определение термоокислительной стабильности смазочных материалов по следующим показателям: изменение вязкости, отложение на поршне, количество осадка, кислотное число, летучесть, число омыления, содержание смол, коксуемость, содержание нерастворимых примесей, тангенс угла наклона диэлектрических потерь, удельное электрическое сопротивление, изменение массы катализатора. При этом температурный интервал испытаний составляет от 200 до 400 °С. Однако эти методы применяются для обоснования выбора смазочных материалов и конкретных конструкций двигателей их температурных условий и режимов эксплуатации. Для экспрессивного контроля масел при их идентификации на соответствие нормативной документации они трудоемки и требуют специального измерительного оборудования. Поэтому поиск новых методов и средств контроля смазочных материалов являются актуальной задачей.
Целью настоящих исследований являются апробация фотометрического метода определения изменений в смазочных материалах, при их термостатировании и оценки влияния продуктов окисления на противоиз-носные свойства.
Методика исследования предусматривала применение: прибора для определения термоокислительной стабильности; фотометра; малообъемного вискозиметра; трехшариковой машины трения и электронных весов. Проба масла испытывалась в два этапа [4]. На первом этапе проба масла массой 100±0,1г термостатировалась в приборе для определения термоокислительной стабильности при температуре 180 °С с перемешиванием с постоянной частотой вращения мешалки (300 об/мин) при атмосферном давлении. После каждых 8-и часов испытания проба взвешивалась для оп-
ределения массы испарившегося масла, затем отбирались пробы для определения вязкости фотометрировались для определения коэффициента поглощения светового потока. После измерения отобранные пробы сливались в прибор и измерялась масса, после чего повторно термостатировалась при температуре 180 °С в течение 8-и часов. Испытания прекращались по достижению коэффициента поглощения светового потока значений 07-08 ед. или изменению вязкости на 30%.
На втором этапе технология термостатирования аналогична, но при этом отбиралась дополнительная проба окисленного масла (20г) для испытания на машине трения, поэтому пробу масла в приборе для термостатирования доливали товарным маслом до первоначального значения (100г), причем пробы окисленного масла отбирали при достижении коэффициента поглощения светового потока приблизительно значений 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; и 0,8 ед.
Испытания на противоизносные свойства проводились на трехша-риковой машине трения со схемой «шар-цилиндр». Параметры трения: нагрузка 13 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура масла в объеме 80 С. Противоизносные свойства оценивались по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах [5].
Для исследования выбраны отечественные моторные масла М-10Г2К, М-8Г2, ЛУКОЙЛ стандарт 10w-40 SF/CC и Utech navigator 15w-40 S6/CD. Масла М-10Г2К являются летним, а М-8Г2 - зимним, и предназначенные для дизельных двигателей, масла ЛУКОЙЛ стандарт и Utech navigator - универсальные всесезонные, предназначенные как для бензиновых, так и дизельных двигателей. Группа эксплуатационных свойств СС для трех дизельных масел и CD -для масла Utech navigator, т.е. первые три масла относятся к более высокой группе.
По зависимостям коэффициента светового потока (рис. 1а) видно, что дизельные масла М-10Г2К и М-8Г2 незначительно различаются и потенциальный ресурс их равен 80 ч. Универсальное масло Utech navigator (кривая 4) уступает другим маслам и группа эксплуатационных свойств его CD т.е. ниже чем других масел (CC). Ресурс его составит 48 часов, а Лукойл стандарт - 56 ч.
Зависимости Кп = f (t) имеют изгибы, указывающие на более интенсивное увеличение коэффициента Кп, что вызвано образованием более оптически непрозрачных продуктов окисления.
Изменение вязкости при окислении минеральных масел оценивалось коэффициентом относительной вязкости К ц, определяемым отношением (рис. 1, б):
Кц=цо /цисх, (1)
где цо и цисх - вязкости окисленного и товарного масел соответственно.
а б
Рис. 1. Зависимость коэффициентов поглощения светового потока Кп (а) и относительной вязкости К^ (б) от времени окисления
минеральных моторных масел: 1 - М-10Г2К; 2 - М-8Г2; 3 - Лукойл стандарт 10w-40 SF/CC; 4 - Utech navigator 15w-40 S6/CD
Установлено, что вязкость минеральных масел при окислении колеблется, однако для масел М-10Г2К (кривая 1) и М-8Г2 (кривая 2) сохраняется тенденция увеличения вязкости, а у масла Лукойл стандарт (кривая 3) она уменьшается на 9% в течение 40 ч испытания, затем увеличивается. Для масла Utech navigator (кривая 4) сохраняется тенденция уменьшения вязкости и за 48 часов испытания она уменьшается на 25% по сравнению с товарным маслом.
Необходимо отметить, что вязкость масла М-8Г2 (кривая 2) за 80 ч испытания увеличилась на 39%, поэтому в процессе эксплуатации двигателей, работающих на этом масле необходимо контролировать показатель вязкости. Кроме того, по показателям вязкости пусковые свойства масел Лукойл стандарт и Utech navigator (кривые 3 и 4) выше, чем у масел 1 и 2.
Показатель летучести минеральных моторных масел (рис. 2а) самый низкий у масла М-10Г2К (кривая 1), а самый высокий у масел Лукойл стандарт (кривая 3) и Utech navigator (кривая 4). Данный показатель определяет температурную область работоспособности исследуемых масел.
На основе проверенных испытаний установлено, что при термоста-тировании минеральных масел изменяются оптические свойства и летучесть, а изменение вязкости вызвано изменением состава и свойств продуктов окисления, поэтому термоокислительную стабильность предложено оценивать коэффициентом Етос (рис. 2б) определяемым выражением:
ЕТОС = КП + KG , (2)
где Kп - коэффициент поглощения светового потока; KG - коэффициент летучести.
KG = m /M, (3)
где т и М - массы испрявшегося масла и оставшейся пробы масла после окисления соответственно.
а б
Рис. 2. Зависимость летучести минеральных масел (а) коэффициента термоокислительной стабильности Етос (б) от времени их окисления (усл. обозн. см. на рис. 1)
По данным рис. 2б наиболее термостойким является масло М-10Г2К (кривая 1), а наименее - Utech navigator (кривая 4). Потенциальный ресурс исследуемых масел при значении коэффициента ЕТОС = 0,8 ед. составил: масла М-10Г2К - 79ч; М-8Г2 - 68ч; Лукойл стандарт - 49ч и Utech navigator - 38ч. На основании полученных данных предельной температурой работоспособности масел №3 и 4 является температура ниже 180 °С.
Результаты противоизносных свойств минеральных масел при их окислении представлены на рис. 3а. Согласно данных наилучшими проти-воизносными свойствами характеризуется масло М-10Г2К (кривая 1). Диаметр пятна износа не превышает 0,3 мм. Наихудшими противоизносными свойствами характеризуется масло Utech navigator (кривая 4), при этом износ превышает 0,4 мм. Необходимо отметить, что противоизносные свойства масел 1-3 при значении коэффициента К ц равного от 0,6 до 0,7 ед. практически одинаковы.
Кроме того установлено, что в начальный период окисления масел противоизносные свойства нестабильны и это происходит до значения коэффициента Кц « 0,3 ед. Это значение коэффициента Кц наступает при изгибе зависимостей Кп = f (t) (см. рис. 1), т.е. доокисленные продукты окисления повышают противоизносные свойства минеральных масел.
Противоизносные свойства предложено оценивать критерием противоизносных свойств П. Определяемым отношением:
П = КП / U, (4)
где Кп - коэффициент поглощения светового потока; U - диаметр пятна износа, мм.
Данный критерий характеризует условную концентрацию продуктов окисления на номинальной площади контакта. На рис. 3, б представлены зависимости критерия противоизносных свойств исследованных минеральных масел от коэффициента Kп . Установлено, что критерий противоизносных свойств для масел 1-3 незначительно различается, а для масла 4 он принимает наименьшее значение. Согласно данных критерий П составил для масел: М-10Г2К - 4,0 ед., М-8Г2 - 3,5 ед., Лукойл стандарт - 3,6 ед., Utech navigator - 2,5 ед. Поэтому чем меньше значение критерия П, тем ниже противоизносные свойства исследуемого масла.
17, ИМ
Рис. 3. Зависимость параметра износа (а), критерия противоизносных свойств (б) от коэффициента поглощения светового потока при окислении минеральным масел (Усл. обозн. см. на рис. 1)
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Минеральные масла М-10Г2К, М-8Г2 и Лукойл стандарт относятся к одной группе (СС) эксплуатационных свойств, для дизельных двигателей, однако они различаются скоростью окисления и летучестью, что подтверждает необъективность существующей системы классификации.
2. Предложено термоокислительную стабильность оценивать по коэффициенту, определяемому суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести, что позволяет сравнивать различные масла и выбирать наиболее термостойкие для данных температурных условий испытания.
3. Установлено явление перераспределения избыточной тепловой энергии между продуктами окисления и испарения, что подтверждает образование в процессе окисления продуктов различного состава и энергоемкости и их последовательный переход из первоначального состояния в окисленное.
4. Предложен критерий противоизносных свойств, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующий условную концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта, позволяющий сравнивать
различные смазочные материалы.
Список литературы
1. ГОСТ 20457-75. Масла моторные. Метод оценки антиокислительных свойств на установке НКМ.
2. ГОСТ 11063-77. Масла моторные с присадками. Метод определения стабильности по индукционному периоду осадкообразования.
3. ГОСТ 981-75. Масла нефтяные. Метод определения стабильности против окисления.
4. А. С 983522 СССР МКИ3 GOIN 19/02. Устройство для испытания трущихся материалов / Б. И. Ковальский, М. Е. Грибанов. 1983. Бюл №47.
5. Ковальский Б.И. Исследование влияния продуктов окисления на противоизносные свойства минерального трансмиссионного масла ТС3п-8 / Б.И.Ковальский, В.С. Янович, М.М. Рунда, В.Г. Шрам, Н.А. Лебедева // Вестник Кузбасского государственного технического университета. «Вестник КузГТУ». Кузбасс. №6 (88). 2011. С 55-61.
V.G. Shram, B.I. Kowalski
EVALUATION OF PRODUCTS FOR RADICAL ANTI-WEAR PROPERTIES OF THE MINERAL MOTOR OIL
The results of the testing of mineral motor oil for thermal stability by changing the parameters of the optical properties, viscosity, volatility and anti-wear properties, proposed criteria for thermal oxidation stability and anti-wear properties.
Key words: absorption coefficients of light and the relative viscosity, volatility, oxi-dative stability index, the ratio of self-wear scar diameter, the criterion of anti-wear properties.
Получено 25.09.12
