CC BY
54
УДК 621.43-4
В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, О. Н. Петров,
Ю. Н. Безбородов, А. Н. Сокольников
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ И ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ
НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛЬНЫХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ. ЧАСТЬ 2
Ключевые слова: диаметр пятна износа, критерий противоизносных свойств, коэффициент электропроводности фрикционного контакта, время формирования номинальной площади контакта.
Представлены результаты испытания минеральных моторных масел в температурном диапазоне от 140 до 280 °С и оценено влияние концентрации продуктов температурной деструкции на их противоизносные свойства и процессы, протекающие на фрикционном контакте при граничном трении скольжения.
Keywords: spot diameter of wear, the criterion of anti-wear properties, electrical conductivity coefficient of friction contact, the time of
formation of the nominal contact area.
The results of tests of mineral motor oils in the temperature range from 140 to 280 ° C and evaluated the influence of the concentration of thermal degradation products of their anti-wear properties and processes occurring in frictional contact with the boundary sliding.
Введение
В первой части работы представлены результаты исследования температурной стойкости частично синтетических моторных масел в диапазоне температур от 140 до 300 °С. Поэтому целью настоящей настоящих исследований является определение влияние продуктов температурной деструкции этих процессов на противоизносные свойства минеральных моторных масел.
Методика исследования
Методика исследования предусматривала отбор проб термостатированных масел, исследованных в первой части работы, массой 20 г для определения противоизносных свойств на трехшариковой машине трения со схемой трения “шар-цилиндр”. Шар диаметром 9,5 мм применялся от шарикоподшипника №204 (ГОСТ 8338-75) и обойма роликоподшипника №7208 (ГОСТ 8328-75) диаметром 80 мм. Материал образцов - сталь ШХ15. Параметры трения составляли: нагрузка 13 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура масла в объеме 80 °С и время испытания 2 часа. Во время испытания температура поддерживалась автоматически с помощью терморегулятора ТР101.
Для исследования процессов, протекающих на фрикционном контакте, через один из шаров пропускался постоянный ток (100 мкА) от внешнего стабилизированного источника питания (3В). Особенностью трехшариковой машины трения является взаимодействие трех шаров по индивидуальным дорожкам трения, что позволяло исследовать рельеф изношенных поверхностей.
Диаграмма изменения тока в процессе трения записывалась на компьютере, что позволяло определить продолжительность пластической, упругопластической и упругой деформаций.
Результаты исследований и их обсуждение
Влияние механической деструкции и продуктов температурной деструкции на противоиз-
носные свойства минеральных моторных масел оценивалось по диаметру пятна износа, продолжительности пластической и упругопластической деформаций, а также величине тока, протекающего через фрикционный контакт. Зависимости диаметра пятна износа от температуры термостатирования минеральных масел представлены на рис. 1. Установлено, что противоизносные свойства масел понижаются с увеличением температуры термостатирования. Причем наблюдается линейная зависимость понижения противоизносных свойств при увеличении температуры испытания до определенных значений. Так, для масла 8рес1го1 (кривая 1) она составила 200°С, а масла И4есИ (кривая 2) 180 °С. С увеличением температуры термостатирования выше этих пределов противоизносные свойства масла 8рейго1 колеблются от 0,26 до 0,7 мм, а для масла И4есИ наступает период колебания противоизносных свойств от 0,3 до 0,38 мм.
U, мм
0.8
140 180 220 260
Рис. 1 - Зависимости диаметра пятна износа от температуры термостатирования минеральных масел: 1 - Spectrol Super Universal 15W-40 SF/CC; 2 - U-tech navigator 15W-40 CD/SF
Исходя из того, что большинство узлов механических систем работают в условиях граничной смазки, при которой металлический контакт трущихся тел предотвращается образованием на по-
верхностях трения граничных смазочных слоев различного происхождения за счет взаимодействия активируемых процессом трения рабочих поверхностей с активными компонентами смазочного материала. Автором [1, 2] рассмотрена кинетическая модель образования и разрушения граничных слоев, позволяющая описать взаимосвязь термодинамических и кинетических параметров процессов от степени нагружения узлов трения.
Кинетические модели граничной смазки условно разбиты на модели разрушения граничных слоев вследствие потери смазочной средой своих активных компонентов (группа 1), модели образования граничных слоев за время, предоставленное трибологическим процессом (группа 2), модели перехода к заеданию при превышении скорости разрушения граничных слоев над скоростью их образования (группа 3) и модели изнашивания при граничной смазке (группа 4).
Исходя из этих представлений и полученных результатов испытания минеральных масел (рис. 1) можно утверждать, что снижение противо-износных свойств происходит за счет понижения свойств граничных слоев, представляющих собой адсорбционные слои. Так, для масла Spectrol Super Universal (кривая 1) температурный диапазон составляет до 220 °С, а масла U-tech navigator (кривая 2) - 180 °С. С повышением температуры в диапазоне от 220 до 260 °С противоизносные свойства масла Spectrol повышаются за счет образования хемосорб-ционных слоев при деструкции присадок и повышения их химической активности. При температуре выше 260 °С резко увеличивается износ за счет потери смазочным материалом активных компонентов, создающих на поверхностях трения защитные граничные слои.
Для масла U-tech navigator (кривая 2) активные компоненты создаются при температурах в диапазоне от 180 до 280 °С, поэтому износ колеблется от 0,3 до 0,35 мм.
На противоизносные свойства минеральных масел должны оказывать влияние продукты деструкции, концентрация которых определяется коэффициентом поглощения светового потока. На рис. 2 представлены зависимости диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока, из которых видно, что с увеличением коэффициента КП зависимости и = дкп ) имеют два участка возрастающий и убывающий для масла Spectrol (кривая 1), а для масла U-tech (кривая 2) диаметр пятна износа не превышает 0,4 мм. Причем, противоизносные свойства масла Spectrol понижаются до значения коэффициента КП = 0,13 ед, что соответствует изменению температуры термостатирования от 140 до 220 °С, а в диапазоне температур от 220 до 260 °С противоизносные свойства повышаются.
Для масла U-tech (кривая 2) наблюдается иная картина: до значения КП = 0,2 ед, противоиз-носные свойства колеблются, что соответствует изменению температуры термостатирования от 140 до 200 °С, а выше этих температур они повышаются. Такую особенность изменения противоизносных
свойств необходимо учитывать при выборе масел для определенных типов двигателей.
U, мм
Рис. 2 - Зависимости диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании минеральных моторных масел (усл. обозн. см. на рис. 1)
В качестве критерия противоизносных свойств термостатированных масел предложен критерий П, определяемый выражением
П = КП, (1)
и
где КП - коэффициент поглощения светового потока; и - параметр износа, мм
Данный критерий характеризует условную концентрацию продуктов деструкции на площади фрикционного контакта (рис. 3).
П
Рис. 3 - Зависимости критерия противоизносных свойств минеральных масел от коэффициента поглощения светового потока (усл. обозн. см. на рис. 1)
Регрессионное уравнение зависимости П = /(КП) имеет вид
П = аК П (2)
где а - коэффициент, характеризующий скорость изменения условной концентрации продуктов деструкции на фрикционном контакте: а =3,274.
Критерий П можно использовать для прогнозирования противоизносных свойств масел, зависимости п = /(КП) которых совпадают, при этом применяется формула
и = КП (3)
П
Процессы, протекающие на фрикционном контакте, исследовались электрометрическим методом, путем пропускания постоянного тока от внеш-
него стабилизированного источника питания (3В) величиной 100 мкА, устанавливаемого при статическом положении образцов.
Применение электрометрического метода позволяло определить процессы формирования и разрушения граничных слоев по изменению электрического сопротивления. На рис. 4 представлены зависимости коэффициента электропроводности фрикционного контакта от температуры испытания. Установлено, что для обоих минеральных масел значения коэффициента КЭ до температуры испытания 200 °С изменяются незначительно. Для масла Spectrol Universal (кривая 1) большие значения коэффициента КЭ установлены при температурах испытания 220 °С и 280 °С, причем при этих температурах и максимальный износ, соответственно 0,54 и
0,62 мм. Высокие значения коэффициента КЭ свидетельствуют о наличии металлического контакта поверхностей трения.
140 180 220 2Є0
Рис. 4 - Зависимости коэффициента электропроводности фрикционного контакта от температуры при испытании минеральных моторных масел (усл. обозн. см. на рис. 1)
Для масла U-tech navigator (кривая 2) в температурном интервале от 140 до 2S0 °С значения коэффициента электропроводности находятся в пределах от 0,06 до 0,1 ед, т.е. данное масло незави-
симо от температуры испытания формирует устойчивые защитные слои, разделяющие поверхности трения. Поэтому износ колеблется в пределах от
0.24.до 0,38 мм.
Выводы
1. Установлено, что противоизносные свойства минеральных масел определяются свойствами граничных слоев, так в области адсорбционных слоев износ увеличивается, а в области хемосорбцион-ных слоев он уменьшается, но его значения подвержены колебаниям, причем при концентрации продуктов деструкции от 0,1 до 0,2 ед. износ увеличивается, а при больших значениях он стабилизируется на более низком значении.
2. Предложен критерий противоизносных свойств термостатированных минеральных масел, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа и характеризующий условную концентрацию продуктов температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта. Установлена линейная зависимость критерия при концентрации продуктов температурной деструкции от 0 до 0,9 ед.
3. Предложенный коэффициент электропроводности фрикционного контакта позволяет определить склонность масел при термостатировании формировать на поверхностях трения устойчивые защитные граничные слои и температурную область их эффективности.
Литература
1. Буяновский И. А. Граничная смазка: Этапы развития трибологии / И. А. Буяновский, И.Г. Фукс, Т.Н. Шабалина. - М.: Нефть и газ, 2002.
2. Буяновский И.А. К применению кинетического подхода для описания процесса граничной смазки / И.А. Буяновский // Трение и износ. - 2003. Т.24, №3. С. 313-321.
© В. Г. Шрам - асп. каф. топливного обеспечения горючесмазочными материалами Сибирского фед. ун-та, [email protected]; Б. И. Ковальский - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, [email protected]; О. Н. Петров - асп. той же кафедры, [email protected]; Ю. Н. Безбородов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; А. Н. Сокольников - канд. техн. наук, зав. каф. проектирования и эксплуатации газонефтепроводов Сибирского фед. ун-та.
