Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1 Анализ современных методов контроля эксплуатационных свойств смазочных материалов 14
1.1 Классификация и основные требования к смазочным материалам 14
1.2 Порядок допуска к производству и применению смазочных материалов 28
1.3 Методы оценки эксплуатационных свойств моторных масел 31
1.4 Методы оценки ресурса смазочных материалов 40
1.5 Предложения по оптимизации методов контроля 47
Раздел 2 Факторы, влияющие на окислительные процессы в смазочных материалов 50
2.1 Современные методы исследования термоокислительной стабильности 50
2.2 Ускоренный метод испытания смазочных материалов на термоокислительную стабильность 65
2.3 Влияние воды на термоокислительную стабильность 68
2.4 Результаты исследования каталитического действия металлов на окислительные процессы 71
2.5 Влияние ультрадисперсных наполнителей на окислительные процессы 82
2.6 Результаты испытания масел без присадок 91
2.7 Влияние доливов на окисление масел 97
2.8 Влияние перемешивания масел на интенсивность окислительных процессов 100
2.9 Влияние смесей масел на их окисление 105
Раздел 3 Теоретические и экспериментальные исследования механизма старения смазочных материалов 113
3.1 Теоретические аспекты механизма старения смазочных материалов 113
3.2 Техническая характеристика средств контроля 119
3.3 Термоокислительная стабильность индустриальных масел 127
3.4 Результаты исследования термоокислительной стабильности гидравлического масла МГ-15-В 143
3.5 Особенности механизма окисления минеральных трансмиссионных масел группы ТМ-3 147
3.6 Особенности механизма окисления минеральных масел группы ТМ-5 164
3.7 Термоокислительная стабильность частично синтетических трансмиссионных масел 184
3.8 Термоокислительная стабильность синтетических трансмиссионных масел 191
Раздел 4 Результаты испытания моторных масел на термоокислительную стабильность 203
4.1 Исследование связи между окислительными процессами и эксплуатационными свойствами моторных масел 203
4.2 Особенности механизма окисления товарных минеральных масел 210
4.3 Результаты испытания частично синтетических масел 220
4.4 Результаты испытания синтетических масел 239
4.5 Термическая стойкость смазочных материалов 252
Раздел 5 Процессы происходящие в смазочных материалах при эксплуатации механических систем , 265
5.1 Механизм образования эксплуатационных примесей в смазочных материалах 265
5.2 Результаты исследования старения моторных масел при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания 271
5.3 Особенности окисления отработанных моторных масел 277
Раздел 6 Результаты испытания смазочных масел на противоизносныс свойства 288
6.1 Качественная картина и основные виды трения и изнашивания узлов механических систем 288
6.2 Устройства для испытания фрикционных свойств смазочных материалов 302
6.3 Метод оценки механохимических процессов при граничном трении скольжения 306
6.4 Влияние параметров трения на приспосабливаемость и совместимость материалов пары трения 317
Раздел 7 Методы и устройства повышения эффективности использования смазочных материалов 336
7.1 Смазочный материал как элемент механической системы 336
7.2 Технология оценки эксплуатационных свойств смазочных материалов 337
7.3 Методы эффективного использования гидравлических и индустриальных масел 349
7.3.1 Методы диагностики гидроприводов 349
7.3.2 Перспективные технологии очистки гидравлических, индустриальных и трансмиссионных масел 360
7.4 Современные методы регенерации отработанных смазочных материалов 373
Основные научные результаты и выводы 382
Библиографический список 385
Приложение
- Порядок допуска к производству и применению смазочных материалов
- Ускоренный метод испытания смазочных материалов на термоокислительную стабильность
- Техническая характеристика средств контроля
- Особенности механизма окисления товарных минеральных масел
Введение к работе
Безотказность и долговечность современных машин, механизмов и различного технологического оборудования определяется процессами, протекающими в трибологических системах "материалы пары трения - смазочный материал" (МПТ-СМ). Данную систему можно характеризовать такими определениями как совместимость, приспосабливаемость и износостойкость. Поэтому разработка средств и методов контроля состояния элементов системы и процессов, происходящих в ней, является актуальной проблемой.
Повышение надежности механических систем решается путем выбора износостойких материалов пары трения и подбора к ним смазочных материалов. Если вопросы применения износостойких материалов с целью повышения надежности узлов трения изучались более интенсивно и в этой области достигнуты определенные успехи при проектировании механических систем, то выбор смазочного материала для различных машин и механизмов, работающих в большом интервале нагрузок, скоростей и температур относится к наиболее сложным задачам. Это вызвано тем, что в одном механизме применяется один смазочный материал, а узлы трения выполнены из материалов с широким диапазоном механических свойств. Кроме того, на рынке существует большое количество масел, применение которых для тех или иных механизмов практически необоснованно. Ресурс работы масел на частично синтетической и минеральной основах и полностью синтетических принят постоянным и регламентируется заводами-изготовителями по наработке или километрам пробега для автотранспорта.
Процессы, происходящие в системе "МПТ-СМ" в большей мере зависят от свойств смазочного материала, которые задаются с помощью их легирования комплектом присадок. Однако при эксплуатации техники, свойства смазочного материала (окислительные, фрикционные, диспергирующие, моющие и др.) изменяются вследствие протекания окислительных процессов, деструкции и хе-мосорбции, что вызывает изменение вязкости и его потемнение. Кроме того,
наработка или пробег как показатели ресурса работоспособности смазочных материалов не учитывают режимы и условия эксплуатации, техническое состояние узлов трения механической системы и состояние фильтрующих элементов, которые в значительной степени оказывают влияние на долговечность узлов трения и свойства смазочного материала.
Износостойкость системы "МПТ-СМ" в процессе эксплуатации непостоянна ввиду изменения структуры поверхностного слоя, свойств и процесса старения смазочного материала. Действующие на трибосистему внешние воздействия характеризуются механическими, тепловыми и электромагнитными полями, которые вызывают изменения в поверхностном слое контактирующих тел и энергетическом состоянии смазочного материала. Поэтому износостойкость системы определяется приспосабливаемостью ее элементов к внешним воздействиям и их совместимостью или самоорганизацией системы. Сущность самоорганизации системы заключается в том, что взаимодействие трущихся тел и смазочной среды локализуется в тонких слоях вторичных структур трения, которые защищают ее от внешних воздействий.
Процессы, происходящие в системе "МПТ-СМ", в большей мере зависят от степени окисления смазочного материала. Если учесть, что окислительные процессы более интенсивно протекают на поверхностях трения, за счет более высоких температур и каталитического влияния материалов пары трения, то становится понятным, насколько весома связь и взаимовлияние элементов системы "МПТ-СМ" на ее надежность.
Окислительные процессы, протекающие в смазочном материале, оцениваются по кислотному числу и для некоторых сортов масел стандартизированы. Однако анализ патентной и научно-технической литературы показал, что существует большое разнообразие инженерных методов и устройств для оценки термоокислительной стабильности. В качестве показателей предлагаются: величина изменения вязкости, период осадкообразования, склонность к лако- и нагарообразованию, электропроводность, количество отложений на деталях, содержание растворенного кислорода, удельная мощность диэлектрических
потерь в присутствии катализатора и без него, коэффициент поглощения светового потока, плотность нерастворимых в масле загрязнений, массовые доли рабочей фракции и лака, количество осадка при окислении, испаряемость и коррозионные свойства. Большинство из перечисленных показателей не нашло практического применения ввиду отсутствия промышленных стандартизированных средств контроля. Другая часть показателей требует использования дорогостоящего оборудования и использования только в лабораторных условиях.
Важное значение для оценки качества смазочных материалов имеет их температурная стойкость - показатель, характеризующий критическую температуру, при которой происходит деструкция легирующих присадок. Этот показатель имеет большое значение при трении сопряжений, так как влияет на коэффициент трения и интенсивность изнашивания. Методика оценки температурной стойкости при граничном трении, разработанная P.M. Матвеевским и его учениками, широко применяется при оценке смазочных материалов.
В качестве критериев оценки температурной стойкости смазочных материалов как показателей индивидуальных свойств используются методы, в основу которых положены такие показатели, как коксуемость и лако- и нагаро-образование. Температурная стойкость имеет важное значение для узлов, работающих при высоких температурах. Однако необходимо отметить, что температурная стойкость и термоокислительная стабильность как основные индивидуальные (объемные) свойства смазочного материала недостаточно изучены в области их влияния на противоизносные свойства.
Решение данной проблемы возможно на основе разработки критериев, оценивающих изменение энергетического состояния смазочного материала. В этой связи практическое и научное значение представляют исследования: механизма окисления смазочных материалов и влияния его на ресурс их работы; температурной стойкости работающих смазочных материалов; изменения про-тивоизносных свойств в зависимости от продолжительности применения сма-
зочного материала; механизма формирования адсорбционных, хемосорбцион-ных и модифицированных защитных слоев при трении.
При проектировании новых машин и агрегатов вопросы выбора смазочных материалов являются проблематичными. Существующая система классификации смазочных материалов по группам эксплуатационных свойств не дает полной информации о поведении их при номинальных режимах эксплуатации, кроме того, отсутствуют критерии оценки ресурса их работоспособности.
Порядок допуска к производству и применению товарных нефтепродуктов решает проблему их стандартизации и сертификации и поэтому результаты испытания используются на стадии проектирования техники. Вместе с тем, практически отсутствуют исследования, содержащие рекомендации по теории и практике диагностирования смазочных материалов как элемента механической системы в условиях эксплуатации. В связи с чем, вопросы теории старения, методологии контроля и обоснования критериев оценки качества смазочных материалов различного назначения в условиях эксплуатации техники являются актуальными и новыми.
Актуальность диссертационной работы определяется тем, что информативность системы контроля смазочных материалов на стадии проектирования и эксплуатации техники может быть расширена с применением оптимального количества методов испытания, включающих термоокислительную стабильность, температурную стойкость и противоизносные свойства с определением параметров процессов, протекающих при термостатировании и изнашивании.
Предметом исследования являются смазочные материалы (моторные, трансмиссионные, гидравлические и индустриальные масла) как элементы механических систем.
Цель диссертационной работы. Разработка системы контроля и диагностирования смазочных материалов на стадиях проектирования и эксплуатации техники.
Задачи исследований. Разработать комплексную методику испытания смазочных материалов, которая позволит на стадии проектирования техники осуществлять обоснованный их выбор, а в эксплуатации контроль за параметрами состояния.
Исследовать термоокислительную стабильность и температурную стойкость смазочных материалов различных классов вязкости, групп эксплуатационных свойств и базовых основ и оценить влияние материалов пар трения, воды, присадок, эксплуатационных примесей и ультрадисперсных добавок на окислительные процессы.
Исследовать механизм старения смазочных материалов в процессе эксплуатации машин и оценить влияние продуктов старения на механизм изнашивания материалов и механохимические процессы, протекающие на фрикционном контакте в условиях граничного трения скольжения.
Разработать эффективные методы и средства диагностирования смазочных материалов в условиях эксплуатации техники, а также средства, обеспечивающие эффективное их использование.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с применением теоретического анализа механизмов окисления и деструкции углеводородов и присадок к ним, теории экспериментов, теории трения, износа и смазки, теории износостойкости, методов расчета ресурса смазочных материалов, электрооптических методов исследования.
При выполнении работы применялись стандартные и специально разработанные приборы, а для обработки результатов экспериментальных исследований использовались методы математической статистики и регрессионного анализа.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных автором, подтверждается теоретически и экспериментально. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы и выводы подтверждены проведенными экспериментальными исследованиями и их корректной математической обработкой, использованием положений теории окисления
углеводородов, триботехники, теории размерностей и подобия, а также использованием стандартных программ для обработки экспериментальных данных в соответствии с постановкой и планированием экспериментальных исследований.
На защиту выносятся:
Комплексная методика испытаний смазочных материалов различных классов вязкости, групп эксплуатационных свойств, базовой основы и назначения.
Методика испытания смазочных материалов на термоокислительную стабильность и критерии ее оценки.
Методика испытания смазочных материалов на температурную стойкость и критерии ее оценки.
Электрометрический метод определения интенсивности формирования защитных слоев в условиях граничной смазки.
Методика оценки вида изнашивания в зависимости от концентрации нерастворимых продуктов старения масел.
Результаты комплексных исследований моторных, трансмиссионных, гидравлических и индустриальных масел на термоокислительную стабильность и температурную стойкость.
Результаты исследований влияния металлов, воды, присадок, ультрадисперсных добавок на окислительные процессы в смазочных материалах.
Методика выбора материалов для трибосистем на основе приспосабливаемое и совместимости ее элементов к режимам и условиям эксплуатации.
Результаты обоснования дополнительных квалификационных показателей, применяемых при идентификации смазочных материалов и определении их потенциального ресурса.
Технология диагностирования работавших смазочных материалов и рекомендации по повышению эффективности их использования.
Научная новизна работы состоит в том, что:
разработана методология контроля товарных и диагностирования работавших смазочных масел, включающая оценку их качества по термоокислительной стабильности, температурной стойкости и противоизносным свойствам, что позволило учесть влияние условий и режимов эксплуатации техники, а также оптимизировать количество методов испытаний;
разработанный комплексный метод ускоренной оценки механизма окисления смазочных материалов, учитывает влияние температурных условий эксплуатации техники на изменение вязкости и коэффициента поглощения монохроматического светового потока, что позволило получить регрессионные уравнения процесса окисления и идентифицировать масла по группам эксплуатационных свойств с учетом базовой основы;
получены функциональные зависимости механизма окисления смазочных материалов, дающие возможность их идентифицировать при оптимальных температурных условиях испытания с учетом качества присадок и базовой основы. Установлены двухстадийность процесса окисления и отличительные особенности окисления синтетических и частично синтетических масел;
разработана методика определения константы скорости химической реакции окисления смазочных материалов и ее зависимости от температуры и базовой основы, дающая возможность прогнозировать их ресурс;
предложены дополнительные квалификационные показатели качества смазочных материалов, включающие: температуры начала окисления и испарения, критическую температуру работоспособности и потенциальный ресурс, дающие возможность на стадии проектирования принимать обоснованные решения по выбору смазочных материалов, обеспечивающих максимальную надежность трибосистемы;
разработан метод испытания смазочных материалов на температурную стойкость, позволяющий определять температурную область их работоспособности и производить классификацию по группам эксплуатационных свойств с учетом параметров деструкции присадок и базовой основы;
исследован механизм окисления отработанных моторных масел, характеризующийся скачкообразным изменением коэффициентов поглощения светового потока, вязкости и летучести. Предложено применение этих показателей в качестве диагностических параметров при оценке состояния смазочного материала, технического состояния цилиндропоршневой группы и концентрации антиокислительных присадок;
исследован механизм старения моторных масел в двигателях внутреннего сгорания, основанный на определении их оптической плотности при прямом фотометрировании, что позволило с применением центрифугирования оценить диспергирующие и моющие свойства работающих масел, состояние системы фильтрации и корректировать их ресурс с учетом режимов и условий эксплуатации двигателей;
предложен электрометрический метод оценки кинетики формирования защитных граничных слоев на поверхностях трения по изменению электропроводности фрикционного контакта, что позволяет определить параметры трения, где совместимость элементов трибосистемы и их приспосабливаемость к внешним воздействиям максимальны;
предложен метод оценки механизма изнашивания при граничном трении с учетом концентрации нерастворимых в масле эксплуатационных примесей, позволяющий установить области проявления окислительного, смешанного и абразивного видов изнашивания, и сформулировать предложения по обоснованию предельной концентрации;
установлена функциональная связь между противоизносными свойствами смазочных материалов и коэффициентом электропроводности фрикционного контакта в условиях граничного трения, дающая возможность обосновать ресурс смазочных материалов с учетом концентрации продуктов старения;
исследован механизм действия воды, присадок, металлов, перемешивания и ультрадисперсных добавок на окислительные процессы в смазочных материалах. Полученные результаты испытания подтвердили эффективность применения комплексной методики.
Новизна работы подтверждена 8 патентами и 19 авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическая значимость работы. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика определения константы скорости химической реакции окисления смазочных материалов и ее зависимость от температуры и базовой основы, что позволяет значительно упростить расчетный метод определения ресурса их работоспособности. Разработана и внедрена в производство методическая и экспериментальная база испытания смазочных материалов различных классов вязкости, групп эксплуатационных свойств и базовой основы, которые позволяют на стадии проектирования принять правильное решение по выбору смазочного материала, а на стадии эксплуатации осуществлять контроль их состояния и обеспечивать максимальный ресурс. Разработанная технология оценки термоокислителыюй стабильности смазочных материалов на стадии эксплуатации позволяет косвенно оценить состояние системы фильтрации, износ цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, диспергирующие и моющие свойства, а также остаточный ресурс. Разработаны оригинальные методики и оборудование по повышению эффективности использования смазочных материалов в условиях эксплуатации техники, включающие контроль, очистку и регенерацию отработанных масел.
Автор выражает признательность за помощь и поддержку научному консультанту докт. техн. наук СП. Ереско, сотрудникам кафедры «Подъемно-транспортных машин и роботов» Красноярского государственного технического университета, лично доц. канд. техн. наук СИ. Васильеву, доц. канд. техн. наук Д.Д. Абазину.
Порядок допуска к производству и применению смазочных материалов
Порядок допуска к производству и применению новых и модернизированных топливно-горючесмазочных материалов (ГСМ), утвержден Госстандартом РФ и обеспечивает принятие согласованного межведомственного решения об использовании в народном хозяйстве и для нужд обороны материалов, соответствующих требованиям эффективной и безопасной эксплуатации техники.
Порядок распространяется на все виды топлив (кроме ракетных, твердых, газообразных, топлив для бытовых нужд и осветительных керосинов, котель но-печных топлив): авиационные, моторные, турбинные, компрессорные, трансмиссионные и холодильные смазочные масла, пластичные смазки, антифрикционные, консервационные и специального назначения, твердые смазочные материалы.
Для получения допуска к производству и применению ГСМ проводят их испытания, которые подразделяют на приемочные и квалификационные. Цель приемочных испытаний - подтверждение соответствия качества разработанного нефтепродукта требованиям технического задания по указанной в нем программе испытаний, которая включает следующие этапы:- лабораторно-стендовые, предназначенные для оценки компонентного состава продукта и его соответствия заданным показателям;- стендовые, предназначенные для оценки надежности и ресурса работы изделия на опытном продукте;- полигонные, предназначенные для оценки работы изделия на опытном продукте в заданных условиях эксплуатации;- эксплуатационные (эксплуатация под наблюдением), предназначенные для проверки особенностей работы техники с применением данного вида ГСМ в ожидаемых условиях эксплуатации.
Квалификационные испытания проводятся при модернизации продукции: - для подтверждения соответствия качества ГСМ требованиям нормативной документации (ГОСТ, ТУ и др.) и комплекса методов квалификационной оценки свойствам образца, прошедшего приемочные испытания при изменении качества сырья, или изменении технологии производства базовых компонентов, или корректировке состава пакета присадок;- для оценки качества образца ГСМ, ранее прошедшего и допущенного кпроизводству на других предприятиях в соответствии с нормативной документацией и комплексом методов квалификационной оценки при организациипроизводства этого ГСМ.
Квалификационные испытания проводятся в объеме требований норма тивного документа и норм комплекса методов квалификационной оценки (КМКО) на данный вид материала. При испытаниях могут быть использованы методы, не входящие в КМКО, при условии, что они прошли метрологическую аттестацию в установленном порядке.
Методы, включенные в КМКО, утвержденные. и введенные в действие МВК, прошли метрологическую аттестацию и являются обязательными для всех ведомств, организаций и предприятий, проводящих испытания ГСМ.
Общими свойствами моторных, трансмиссионных и гидравлических масел являются вязкость, коррозионность и трибологические свойства. Дополнительными общими показателями качества моторных масел, для бензиновых и дизельных двигателей являются щелочное число, стабильность по индукционному периоду осадкообразования, зольность сульфатная и антиокислительные свойства.
Комплексные методы квалификационной оценки смазочных материалов для различных машин и агрегатов даны в приложении П2.
Объем квалификационных испытаний смазочных материалов (количество методов от 13 до 20) требует унификации методов с целью снижения себестоимости анализа. Кроме того, унификация необходима для разработки средств и методов контроля смазочных материалов в процессе эксплуатации техники, так как увеличение ресурса их работы обеспечивает снижение эксплуатационных затрат.
Комплексным показателем унификации смазочных материалов может служить их термоокислительная стабильность, так как она оказывает влияние на вязкость, коррозионные свойства, летучесть, температуру вспышки, мою-ще-диспергирующие и противоизносные свойства. Исследование связи термоокислительной стабильности с вышеперечисленными показателями позволит решить задачи по обоснованию ресурса смазочных материалов и их классификации по группам эксплуатационных свойств.
Основное внимание при подборе смазочных масел для двигателей, трансмиссий, гидроприводов и другого технологического оборудования уделяется противоизносным, противозадирным и антикоррозийным свойствам. Улучшение этих свойств повышает долговечность узлов трения.
Смазочные свойства масел зависят от содержания полярно-активных и химически-активных веществ, способствующих образованию на поверхностях трения устойчивых защитных слоев. Они снижают износ, коэффициент трения и характеризуют приспосабливаемость данной пары материалов к условиям эксплуатации. Кроме того, вследствие окисления масла образуются низкомолекулярные кислоты, которые способны улучшать смазочный эффект. Этим объясняется превосходство отработанных масел перед чистыми [12-16].
Антикоррозионные свойства масел определяют коррозионно-механическое изнашивание. Этот вид изнашивания является главной причиной затрудняющей увеличение ресурса работы двигателя вследствие непрерывного действия. Более того, коррозионные свойства изменяются в процессе работы механизмов и могут быть неудовлетворительными при удовлетворительных противоизносных свойствах данного масла. Поэтому при разработке критериев оценки эксплуатационных свойств работающих масел необходимо учитывать его коррозионные свойства.
Ю.А. Розенберг [14] классифицирует эксплуатационные свойства смазочных масел, выделяя смазочные и служебные. Износные и фрикционные характеристики масел определяют их смазочные свойства, все другие свойства являются служебными. Такая классификация определяет необходимость комплексного подхода к разработке критериев оценки качества масла.
Ресурс работы масел определяют исходя из системы «масло-пара трения», так как качество масла и скорость его загрязнения зависит от технического состояния трибосопряжения. Качество масел в основном изменяется за счет об
Ускоренный метод испытания смазочных материалов на термоокислительную стабильность
Ускоренные испытания смазочных материалов проводились при повышенных температурах по методике разработанной автором [61]. Метод предусматривал нагрев и перемешивание стеклянной мешалкой испытуемого масла постоянной массы (100г) в стеклянном стакане в диапазоне температур до 200С. Оценка степени окисления производилась прямым фотометрированием по коэффициенту поглощения светового потока, изменению вязкости и летучести. Исследованию подвергались индустриальные, гидравлические, трансмиссионные и моторные масла различной базовой основы. Выбор температуры испытания сделан на основе литературных данных по.условиям эксплуатации техники. Например, средние значения максимальных температур деталей двигателей и масла в картере по данным [3, 56] приведены в таблице 2.1
В таблице 2.2 приведены расчетные контактные температуры на поверхностях зубьев шестерен трансмиссий автомобилей и тракторов.
Экспериментальные данные по замеру температуры подшипников главной передачи с гипоидными шестернями показывают, что она может быть около 200С, а температура масла в объеме - около 150С. Тогда температура в контакте на поверхностях зубьев гипоидных шестерен может достигать расчетных значений, приведенных в таблице 2.2.
Выбор смазочных масел для промышленного оборудования производится главным образом по вязкости [3], при этом учитывается три критических ее значения: оптимальное при нормальной рабочей температуре; минимальное при максимальной рабочей температуре; максимальное при самой низкой температуре, обеспечивающей запуск системы.
Изменение вязкости отрицательно сказывается на эксплуатационных показателях оборудования. Например, гидравлические масла, применяемые в гид роприводах станков с программным управлением, подлежат смене при изменении вязкости на ±10%. В обычных гидравлических системах увеличение вязкости масла не должно превышать 25-30% [77-79].
На величину вязкости масел значительное влияние оказывает давление [80]. Это свойство необходимо учитывать, так как оно положительно сказывается на смазывающих свойствах масла, обеспечивая прочный смазочный слой между трущимися поверхностями.
В качестве основного критерия оценки работоспособности масла используют кислотное число, которое для большинства индустриальных масел без присадок не должно превышать 0,05-0,5 мг КОН/г. Легированные масла могут иметь высокие кислотные числа, поэтому критерием оценки работоспособности таких масел считается увеличение кислотного числа на 0,5 мг КОН/г по сравнению с первоначальной величиной.
Процесс окисления смазочных масел ускоряется под действием высоких температур или в присутствии катализаторов: металлов и металлических солей органических кислот, образующихся при взаимодействии продуктов окисления с металлом, которые создают мономолекулярный слой металлических мыл. Кроме того, в процессе окисления масел образуются асфальтены, смолы и другие полимерные соединения, которые увеличивают вязкость масла. Интенсивность окисления масла с повышением температуры на 10С практически удваивается [3].
Устойчивость масла против окисления обеспечивается подбором соответствующего сырья, способа получения базовой основы, глубины очистки, а в некоторых случаях введением специальных антиокислительных присадок.
Достоверность результатов испытания на термоокислительную стабильность оценивалась после трехкратных испытаний одних и тех же масел при одинаковых условиях (рисунок 2.8). Наибольшая относительная погрешность составила: при определении коэффициента поглощения светового потока моторного масла ±5%, трансмиссионного ±7,6%; при определении вязкости мо торного масла ±4,2%, трансмиссионного ±2,2%; при определении летучести моторного масла ±5,25%, трансмиссионного ±5,2%
Методика ускоренных испытаний применялась при оценке влияния различных факторов, на процесс окисления масел.
Присутствие воды в смазочных материалах оказывает влияние на их эксплуатационные свойства. Некоторое количество воды может быть растворено в масле, причем растворимость меняется в зависимости от внешних условий. Она может находится в масле в состоянии эмульсии и переходить в растворенную и обратно при изменении давления и температуры. Часть эмульгированной воды может отстаиваться и образовывать подтоварную воду. Кроме того, вода может быть в химически связанном состоянии в результате реакций гидратации с компонентами масла с образованием кислот, щелочей и других веществ, способных существенно ухудшать свойства масла. В тяжелонагруженных узлах вода может испаряться и вызывать разрыв масляной пленки, разделяющей поверхности трения. При добавлении в масла с присадками до 3 % (масс.) воды их эксплуатационные свойства резко ухудшаются [81]. Наличие воды усиливает коррозионное воздействие масел на металлы, более активно протекают процессы окисления углеводородов. Кроме того, присутствие воды способствует микробиологическому заражению масел [82].
Вода попадает в картер двигателей внутреннего сгорания в результате конденсации паров при их прорыве через сопряжение «поршневое кольцо -гильза цилиндра», запуске двигателя в зимний период и «дыхании» картера, а также при транспортировании, хранении и технологических операциях с нефтепродуктами. Она повышает коксуемость моторных масел, омыление присадок, снижает производительность системы фильтрации и ее ресурс. В этой связи важное значение имеют вопросы исследования влияния малых концентраций воды (0,05-0,3 масс. %) и омыления присадок на окислительные процессы, протекающие в масле.
Влияние малых концентраций воды на термоокислительные процессы исследовалось на моторном масле М-8-Ви при температуре 170С. Термоокислительная стабильность оценивалась по коэффициенту поглощения светового потока Кп (рисунок 2.9) в сравнении с товарным маслом. Скорость окислительных процессов при наличии в масле воды увеличивается, причем при концентрации 0,05 и 0,1 масс. % зависимости практически параллельны товарному маслу. Для концентраций воды 0,3 масс. % интенсивность окислительных процессов уменьшается. Данные показывают, что скорость окислительных процессов увеличивается в пределах 40 % при наличии в масле М-8-Ви воды до 0,2 масс. % поэтому при прогнозировании ресурса необходимо учитывать влияние воды на свойства смазочных материалов.
Летучесть масла (рисунок 2.10) не имеет четкой зависимости от концентрации воды в масле, однако наблюдается тенденция к ее уменьшению по отношению к товарному маслу. Таким образом, растворенная в масле вода ускоряет окислительные процессы и замедляет летучесть.
Техническая характеристика средств контроля
Для определения склонности товарных и работающих масел к окислению и образованию продуктов окисления разработан комплект приборов, включающий прибор для определения термоокислительной стабильности, вискозиметр, прибор для определения температуры вспышки, фотометр, магнитный сепаратор, стандартные центрифугу (8000 об/мин) и электронные весы.
При разработке приборов учитывалась возможность их использования при оценке эксплуатационных свойств работающих масел в различных механизмах, при этом к ним выдвигались следующие основные требования:- малый объем испытуемой пробы, для исключения влияния отбора масел на доливы;- автоматизация процессов измерения;- имитация процессов, протекающих при эксплуатации механизма;- универсальность, обеспечивающая контроль моторных, трансмиссионных, гидравлических и индустриальных масел;- возможность оценки состава продуктов окисления смазочных материалов.
Прибор для определения термоокислительной стабильности состоит из механического и измерительного блоков. Механический блок (рисунок 3.1)включает цилиндрическую печь 1 на наружной поверхности которой намотан нагреватель 2, изолированный от внешней среды теплоизоляцией 3. Печь 1 крепится к передней панели 4 измерительного блока с помощью винтов через пластину 5 из термоизоляции.
Стакан 6 для испытуемого масла устанавливается в печь 1 с нижнего торца с помощью ручки 7, соединённой со стаканом 6 с помощью стеклопластико-вой пластины 8, и фиксируется упором.
Над верхним торцом печи 1 находится подшипниковый узел 9, в котором на подшипниках 10 установлен вал 11 мешалки 12. Подшипники 10 закрыты с двух сторон крышками 13. Подшипниковый узел 9 зафиксирован в кронштейне с помощью винта 15, который крепится к лицевой панели измерительного блока через пластину 5. Выходной торец вала 11 через упругую муфту 16 соединён с электродвигателем 17, зафиксированным винтом 18 в кронштейне 19, который крепится через пластину 5 к передней панели 4 измерительного блока.
Температура испытуемого масла измеряется с помощью термопары хро-мель-копель. Необходимая температура задается дискретно и поддерживается автоматически.
Техническая характеристика прибора представлена в таблице 3.1
Фотометр (рисунок 3.2, таблица 3.2) предназначен для оценки степени окисления гидравлических, индустриальных, моторных и трансмиссионных масел прямым фотометрированием. Критерием оценки масел является коэффициент поглощения светового потока, предельное значение которого для каждого сорта масла устанавливается экспериментально с применением методов математической статистики.
Фотометрическая кювета (рисунок 3.4) предназначена для создания фо-тометрируемого слоя масла заданной толщины. Кювета состоит из корпуса 1 и крышки 4 со стеклами 3 и 6, для создания фотометрируемого слоя смазочного материала и оптических каналов 2 и 5 для пропускания монохроматического светового потока от источника света на фотоприемник.
Прибор снабжен четырьмя кюветами с толщиной фотометрического слоя 0,03; 0,15; 2 и 8 мм, что обеспечивает прямое фотометрирование любых масел.
Фотометрический блок закреплен на корпусе измерительного блока. Органы управления и индикации прибора расположены на передней панели (рисунок 3.2).
Принцип работы прибора основан на пропускании стабилизированного монохроматического светового потока через слой исследуемого масла на фотоприемник. В зависимости от концентрации механических примесей и окисления масла на фотоприемник падают различные световые потоки, пропорциональные концентрации. Чем больше примесей, тем ниже показания прибора. Браковочные показатели по механическим примесям устанавливаются экспериментально для каждого сорта масла и типа двигателя или механизма.
Ферромагнитный сепаратор предназначен для отделения ферромагнитных примесей от исследуемой пробы трансмиссионного масла и состоит (рисунок 3.5, таблица 3.3) из направляющей 1, установленной на основании 2, выполненном с пазом для фиксации стакана 3.На направляющей установлен кронштейн 4, с закрепленным на нем постоянным магнитом 5 и полый патрубок 6 с фланцем, на котором установлена наливная емкость 7.
Особенности механизма окисления товарных минеральных масел
Для исследования выбраны минеральные моторные масла: 1 - Neste turbo LXC 15W-40 CH4/SJ, 2 - Mobil 10W-40 SC/CC - универсальные всесезонные масла; 3 - Sibi Motor М-10-Г2С - летнее масло для дизельных двигателей (по API СС). Судя по классификации API моторное масло Neste turbo LXC 15W-40 CH4/SJ относится к более высокой группе эксплуатационных свойств. Данные масла испытывались на термоокислительную стабильность при температуре 180С по комплексной методике [55,61,108] и фотометрировались при толщине фотометрируемого слоя 2мм.
Склонность масел к окислению представлена зависимостями коэффициента поглощения светового потока от времени испытания (рисунок 4.6а), из которых видно, что для масла Neste turbo LXC 15W-40 CH4/SJ (кривая 1), относящегося к более высокой группе эксплуатационных свойств, склонность к окислению выше. Общей закономерностью окисления минеральных масел является наличие изгиба зависимостей. Окислительные процессы при испытании моторных масел Mobil 10W-40 SC/CC и Sibi Motor М-10-Г2к протекают с одинаковой интенсивностью в течение 35 часов испытания, поэтому их можно от нести к одной группе эксплуатационных свойств СС, т.е. они для дизельных двигателей могут быть взаимозаменяемыми. - Neste turbo LXC 15W-40 CH4/SJ; 2 - Mobil 10W-40 SC/CC; 3 - Sibi Motor М-10-Г2к Рисунок 4.6 - Зависимость коэффициента поглощения светового потока Кп (а) и относительной вязкости Ад (б) от времени испытания минеральных моторных масел
Относительная вязкость (рисунок 4.66) масел 1 и 3 при окислении постоянно увеличивается, а для масла Mobil 10W-40 в начале испытания происходит снижение вязкости в течение 25 часов на 10 %, затем стабилизация до 45 часов испытания и дальнейшее повышение. Таким образом, моторное масло 2 обладает наилучшими вязкостно-температурными свойствами, обеспечивает меньшие потери на трение, а значит, уменьшает расход топлива.
Летучести исследуемых масел (рисунок 4.7) значительно различаются. Наибольшей летучестью характеризуется масло Mobil 10W-40, а наименьшей -М-10-Г2к. Летучесть масла зависит от изменения вязкости при их окислении. Так, при окислении масла Mobil 10W-40 вязкость уменьшается, поэтому летучесть увеличивается. Для масла М-10-Г2К при окислении вязкость увеличивается, а летучесть уменьшается.
Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени испытания (рисунок 4.8а) имеют общую тенденцию к изменению, характеризующуюся наличием изгиба. Это объясняется переходом промежуточных продуктов окисления в конечные, причем последние более активно влияют на оптические свойства масла. По данному показателю масла Mobil 10W-40 и М-10-Ггк можно отнести к одной группе эксплуатационных свойств.
Влияние продуктов окисления на коэффициенты термоокислительной стабильности и поглощения светового потока учитывалось зависимостью КТ0С=Г(КП) (рисунок 4.86). Для масла Mobil 10W-40 за счет снижения вязкости при его окислении угол наклона зависимости к оси абсцисс меньше 45, поэтому продукты окисления главным образом влияют на оптические свойства масла. Углы наклона зависимостей KT0C=f(K„) для масел 1 и 3 больше 45, поэтому продукты окисления оказывают большее влияние на вязкость масла при его окислении. Кроме того, зависимости KT0C=f(Kn) для масел 1 и 2 претерпевают изгиб, который вызван изменением состава продуктов окисления, оказывающих большее влияние на вязкость.
Скорость окислительных процессов (рисунок 4.9) оценивалась скоростями изменения коэффициентов поглощения светового потока и термоокислительной стабильности. Результаты испытания показали (рисунок 4.9а,б), что скорости окислительных процессов для масел 2 и 3 практически одинаковы. Скорость окисления масла Neste turbo 15W-40 в два раза выше. Кроме того, с увеличением времени испытания скорости изменения коэффициентов К„ и Ктос увеличиваются.
Рисунок 4.9 - Зависимость скорости изменения коэффициентов поглощениясветового потока (а) и коэффициента термоокислителыюй стабильности (б) отвремени испытания минеральных моторных масел. Усл. обозн. см. на рис. 4.6
Влияние температуры на окислительные процессы исследовалось на масле Mobil 10W-40 SC/CC в диапазоне температур от 170С до 200С и фотомет-рировании окисленных масел при толщине фотометрируемого слоя 2 мм. С увеличением температуры скорость окислительных процессов увеличивается (рисунок 4.10а). Так, значение коэффициента поглощения светового потока К„=0,2 достигается при температуре 170С за 52 часа, 180С за 27 часов, 190С за 9,5 часов, а при температуре 200С за 6 часов, т.е. с увеличением температуры от 170 до 200С время окисления сокращается в 8,7 раза. Кроме того, изгиб зависимостей Kn=f(t) наблюдается для всего интервала температур, и с уменьшением температуры он более очевиден.
Время образования конечных продуктов окисления (пунктирные линии) с уменьшением температуры увеличивается. Для температур 200 и 190С (кривые 3 и 4) периоды образования конечных продуктов окисления совпадают, что указывает на наличие критической температуры для ускоренных испытаний [101], поэтому эти температуры могут быть закритическими.
Константы скоростей химической реакции окисления для температур составили: 170С - 0,00369"4, 180С - 0,007Г", 190С - 0,022"4 и 200С - 0,0257"4, а их зависимости от температуры испытания описываются аналитическим выра
