Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ факторов, влияющих на качество моторных масел при длительном хранении техники
1.1 Виды и методы хранения техники 10
1.2 Загрязнения в нефтяных маслах и методы их определения 11
1.3 Влияние загрязненности моторных масел на работу двигателей
внутреннего сгорания 17
1.4 Защитные и коррозионные свойства моторных масел 18
1.5 Изменения свойств моторных масел при эксплуатации двигателей 24
1.6 Анализ современных методов контроля процессов старения моторных масел 27
1.7 Обоснование комплексного метода текущего контроля качества моторных масел при хранении и эксплуатации техники 33
1.8 Выводы по первой главе 36
2 Разработка комплексной методики исследования механизма старения моторных масел при длительном хранении бронетехники
2.1 Выбор моторных масел для исследования 37
2.2 Основные требования и краткая характеристика средств контроля эксплуатационных свойств моторных масел 38
2.2.1 Основные требования к средствам контроля 38
2.2.2 Фотометрическое устройство 40
2.2.3 Малообъемный вискозиметр 41
2.2.4 Прибор для термостатирования масел 43
2.2.5 Трехшариковая машина трения 44
2.3 Методика исследования состояния моторных масел при длительном хранении техники 48
2.4 Методика исследования термоокислительной стабильности, противоизносных свойств товарных моторных масел и масел с различным сроком хранения 52
2.5 Методика обработки эксперементальных данных 54
2.6 Выводы по второй главе 57
3 Результаты исследования процессов старения минеральных моторных масел при длительном хранении техники
3.1 Результаты анализа минеральных моторных масел МТ-16П при длительном хранении парка машин 59
3.2 Результаты анализа минеральных моторных масел М-16ИХП-3 при хранении парка машин 73
3.3 Результаты исследования термоокислительных процессов и противоизносных свойств товарного моторного масла МТ-16П 81
3.4 Результаты исследования термоокислительных процессов и противоизносных свойств товарного моторного масла М-16ИХП-3 91
3.5 Результаты исследования термоокислительных процессов и противоизносных свойств товарного моторного масла М-16Г2ЦС 102
3.6 Результаты исследования влияния сроков хранения минеральных моторных масел М-16ИХП-3 на физико-химические и противоизносные свойства 115
3.7 Исследование влияния сроков хранения минеральных моторных масел МТ-16П на физико-химические и противоизносные свойства 129
3.8 Выводы по третьей главе 143
4 Разработка практических рекомендаций по контролю состояния моторных масел
4.1 Технология диагностирования моторных масел при хранении парка машин 147
4.2 Технология определения концентрации влаги в моторных маслах 148
4.3 Технология оценки противоизносных свойств моторных масел 149
4.4 Технология определения снижения потенциального ресурса моторных масел при длительном хранении 152
4.5 Предложения по снижению скорости процессов старения моторных масел при длительном хранении 156
4.6 Выводы по четвертой главе 159
Основные научные результаты и выводы 160
Библиографический список 163
Приложения, акты внедрения 177
- Обоснование комплексного метода текущего контроля качества моторных масел при хранении и эксплуатации техники
- Методика исследования состояния моторных масел при длительном хранении техники
- Результаты исследования влияния сроков хранения минеральных моторных масел М-16ИХП-3 на физико-химические и противоизносные свойства
- Технология определения снижения потенциального ресурса моторных масел при длительном хранении
Введение к работе
Актуальность проблемы. Улучшение надежности двигателей внутреннего сгорания решается по трем направлениям: совершенствование конструкции двигателей, применение износостойких материалов и улучшение эксплуатационных свойств моторных масел. Моторные масла являются важным элементом конструкции двигателя, влияющим на его ресурс, и могут надежно выполнять свои функции только при соответствии их свойств термическим, химическим и механическим воздействиям, которым оно подвергается на поверхностях смазываемых деталей.
Важное внимание при подборе смазочных материалов для двигателей уделяется противоизносным, противозадирным и антикоррозийным свойствам, определяющим долговечность узлов трения. Смазочные свойства масел зависят от содержания полярно активных и химически активных веществ, способных образовывать на поверхностях трения устойчивые защитные слои, которые снижают износ деталей и уменьшают коэффициент трения. Однако процессы, протекающие на фрикционном контакте, изучены недостаточно, отсутствуют критерии оценки их влияния на параметры износа. Кроме того, вследствие окисления масла образуются низкомолекулярные кислоты, способные улучшить смазывающие свойства моторных масел.
В этой связи разработка новых методов контроля состояния моторных масел в процессе длительного их хранения в резервуарах парка или в технике является актуальной задачей. Решение данной проблемы должно быть комплексным, учитывающим основные физико-химические показатели и противоизносные свойства моторных масел, поэтому практическое и научное значение представляют исследования: механизма старения моторных масел; влияния сроков хранения масел на их термоокислительную стабильность, противоизносные свойства, состав продуктов старения, концентрацию воды, продолжительность формирования фрикционного контакта и потенциальный ресурс.
Степень разработанности проблемы.
Для оценки влияния климатических условий на состояние минеральных моторных масел при их хранении в бронетехнике и резервуарном парке применен комплекс приборов включающий: фотометр для прямого фотометрирования; прибор для термо-статирования при статических и циклически изменяющихся температурах испытания; малообъемный вискозиметр; центрифугу; электронные весы и трехшариковую машину трения, позволяющие определить состав продуктов старения масел по концентрации общих, растворимых и нерастворимых продуктов, концентрацию воды, кинематическую вязкость и противоизносные свойства. Применение данных средств контроля позволяет обосновать предельное состояние масел при их хранении и осуществлять их замену по фактическому состоянию.
Исследования проводились по следующим направлениям: изучение процессов окисления (старения) масел; оценка влияния продуктов старения на противо-износные свойства и процессы, протекающие на поверхностях трения.
Существенный вклад в изучение процессов окисления (старения) смазочных масел внесли: А. Б. Виппер, М. А. Григорьев, Л. А. Кондаков, С. Е. Крейн, А. В. Непо-годьев, К. К. Папок, А. И. Соколов, Н. И. Черножуков, Г. И. Шор, В. В. Чанкин и др. Данные исследования приняты за основу для разработки семи госстандартов по определению термоокислительной стабильности масел различной базовой основы, главными показателями которой приняты: кинематическая вязкость, кислотность (щелочность), период осадкообразования, диэлектрическая проницаемость, оптическая плотность, испаряемость, триботехнические свойства. На основании анализа данных исследований в настоящей работе предложен комплексный критерий оценки термоокислительной стабильности, учитывающий количество поглощенной тепловой энергии продуктами окисления и испарения, т. е. сброс избыточной тепловой энергии происходит по двум каналам, что вызывает перераспределение энергии и колебание скоростей окисления и испарения. Кроме того, применение прямого фотометрирова-ния окисленных масел позволило подтвердить образование при окислении двух видов продуктов различной оптической плотности.
Оценка противоизносных свойств окисленных масел и масел, находящихся на длительном хранении, проводилась на трехшариковой машине трения со схемой «шар – цилиндр», преимущество которой заключалось во взаимодействии каждого шара с индивидуальной дорожкой трения.
Изучением триботехнических свойств смазочных масел занимались: И. В. Кра-тельский, О. Б. Айнбиндер, И. А. Буяновский, В. Г. Виноградов, С. В. Венцель, А. С. Ахматов, А. Ю. Шилинский, В. Н. Лозовский, В. П. Лашхи, Р. М. Матвеевский, М. А. Григорьев, Ю. А. Розенберг и др. Их работы содержат фундаментальные основы молекулярно-механической теории трения, на основании которой в настоящей работе предложен интегральный критерий определения противоизносных свойств смазочных масел, зависимость которого от концентрации продуктов окисления (старения) имеет линейный характер, что позволяет сравнивать масла различных базовых основ и назначения, а также установить влияние сроков хранения на этот критерий.
Существенный вклад в изучение процессов, протекающих на фрикционном контакте, внесли Н. А. Буше, А. Б. Виппер, И. С. Гершман, Д. Н. Гаркунов, Б. И. Костецкий, А. С. Кужаров и др. В этих работах рассмотрены вопросы формирования на поверхностях трения защитных граничных слоев. На основе анализа результатов исследований разработан электрометрический метод оценки интенсивности процессов, протекающих на фрикционном контакте при пропускании постоянного тока через пару трения от внешнего стабилизированного источника питания. Это позволило определить продолжительности пластической, упругопла-стической и упругой деформаций, протекающих на фрикционном контакте, и оценить влияние продуктов окисления (старения) на их продолжительность, а также обосновать энергетический критерий, учитывающий количество поглощенной энергии при термостатировании масел и триботехнических испытаниях, зависимость которого от концентрации продуктов окисления (старения) имеет линейный характер.
Предметом исследования является метод контроля состояния моторных масел при длительном хранении техники.
Цель диссертационной работы: разработать методическую и приборную базы контроля состояния моторных масел, находящихся на длительном хранении, с применением оптических, термических и триботехнических методов испытания.
Задачи исследований.
-
Разработать комплексную методику контроля и средства измерения характеристик моторных масел, находящихся на длительном хранении, позволяющие осуществлять текущий контроль за их физико-химическим состоянием.
-
Исследовать состояние моторных масел парка машин, находящихся на длительном хранении, с применением комплексной методики и провести статистическую обработку экспериментальных данных.
-
Провести сравнительную оценку параметров термоокислительной стабильности и противоизносных свойств моторных масел, применяемых в современной бронетехнике, исследовать процессы окисления и влияние их на триботехнические параметры, обосновать критерии.
-
Исследовать влияние сроков хранения моторных масел на показатели термоокислительной стабильности и противоизносных свойств.
-
Разработать практические рекомендации по контролю состояния моторных масел, находящихся на длительном хранении, и техническое средство по уменьшению скорости их старения.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с применением теории надежности, теории экспериментов, теории трения и износа, оптических, электрометрических и триботехнических 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 аргументированны, теоретические результаты работы получены с использованием положений трибологии, оптики, теплотехники, выводы подтверждены экспериментальными исследованиями, сопоставимы с результатами других авторов и результатами математической обработки с использованием сертифицированных программ.
На защиту выносятся:
-
Комплексный метод контроля состояния минеральных моторных масел, включающий определение параметров термоокислительной стабильности, проти-воизносных свойств и процессов, протекающих на фрикционном контакте.
-
Результаты анализа состояния моторных масел парка машин по концентрации общих, растворимых и нерастворимых продуктов старения, воды, проти-воизносным свойствам интенсивности процессов, протекающих на фрикционном контакте, и кинематической вязкости.
-
Результаты исследования термокислительной стабильности при статической и циклически изменяющейся температурах и противоизносных свойств товарных моторных масел, применяемых в бронетехнике, и критерий противоиз-носных свойств.
4. Результаты исследования процессов самоорганизации, протекающих в
смазочном материале, и явления перераспределения избыточной тепловой энер
гии между продуктами окисления и испарения при термостатировании.
-
Результаты исследования ресурса и противоизносных свойств моторных масел различных сроков хранения.
-
Практические рекомендации по контролю состояния моторных масел при длительном хранении и снижению скорости их старения.
Научная новизна наиболее существенных результатов, полученных лично автором:
-
Разработанный комплексный метод контроля состояния и средства измерения, в отличие от известных, позволяет оценить состояние моторных масел парка машин, находящихся на длительном хранении, установить новые критерии процессов, протекающих в масле, при статических и циклически изменяющихся температурах и триботехнических испытаниях.
-
Предложены новые показатели качества моторных масел, находящихся на длительном хранении, определяющие концентрации общих, растворимых и нерастворимых продуктов старения, воды, состояние вязкости, противоизносные свойства и склонность масел к формированию защитных граничных слоев на поверхности трения, что позволяет совершенствовать систему технического обслуживания машин, повысить эффективность использования смазочных масел за счет организации текущего контроля.
-
Предложен критерий оценки противоизносных свойств моторных масел, характеризующий условную концентрацию продуктов старения на номинальной площади фрикционного контакта, позволяющий оценить противоизносные свойства без испытаний на износ, а применение электрометрического метода позволяет по коэффициенту электропроводности фрикционного контакта и времени его формирования определить склонность масел к формированию защитных граничных слоев на поверхности трения.
-
Установлены общие закономерности изменения оптических свойств товарных моторных масел при окислении, подтверждающие образование двух видов продуктов различной оптической плотности, вызывающих явление перераспределения избыточной тепловой энергии, поглощаемой этими продуктами, и характеризующие процессы самоорганизации, протекающие в смазочном масле при термостатировании, изменения противоизносных свойств товарных масел при их окислении, характеризующие их начальное понижение при значении коэффициента поглощения светового потока Кп < 0,15 ед. и повышение при увеличении коэффициента Кп > 0,15 ед.
-
Установлен энергетический критерий, характеризующий суммарную условную энергию, поглощенную смазочным маслом, при окислении и триботехни-ческих испытаниях, определяемый суммой коэффициента термоокислительной стабильности и параметра износа, зависимость которого от коэффициента поглощения светового потока описывается линейным уравнением, позволяющий сравнивать различные масла и выбирать наиболее термостойкие с лучшими противо-износными свойствами.
Практическая значимость работы. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации, включающие технологии: диагностирования моторных масел при длительном хранении техники; определения концентрации воды; оценки противоизносных свойств и потенциального ресурса, позволяющие установить влияние климатических условий на состояние масел, планировать сроки их замены по фактическому состоянию. Кроме того, доказано, что применение разработанной замкнутой системы компенсации давления в масляных баках и картере двигателя позволяет исключить попадание извне загрязнений и влаги и тем самым увеличить ресурс.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы в учебном процессе Института нефти и газа Сибирского федерального университета, в воинских частях Министерства обороны, на базе хранения танковых войск, (пос. Козулька, Красноярский край), войсковой части (пос. Топчиха, Алтайский край и г. Новосибирск) и в организациях МЧС (г. Красноярск).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на базе хранения танковых войск (пос. Козулька, Красноярский край), в организациях МЧС (г. Красноярск), войсковых частях (пос. Топчиха, Алтайский край и г. Новосибирск).
Публикации. По теме опубликовано 19 научных работ, включая 9 работ в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, получено три патента РФ №2451293, № 2454654, № 2485486.
Личный вклад автора. Автором лично разработаны методы контроля состояния моторных масел при длительном хранении техники, проведены исследования влияния окисления и старения масел с различным сроком хранения на термоокислительную стабильность и термоизносные свойства, обоснованы критерии изменения качества масел с различным сроком хранения от влияния климатических условий.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 179 страниц, включая 145 страниц машинописного текста, 88 рисунков, 11 таблиц. Работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы из 132 наименований и приложений.
Обоснование комплексного метода текущего контроля качества моторных масел при хранении и эксплуатации техники
Комплексный подход к решению проблемы контроля качества моторных масел обусловлен многофункциональным их назначением: медленным старением, минимальным коррозийным действием, высокими противоизносными свойствами, способностью формировать на поверхностях трения защитные граничные слои (адсорбционные, хемосорбционные, модифицированные в зависимости от степени нагруженности), удовлетворительными пусковыми свойствами в холодное время года.
Согласно проведенному анализу наиболее эффективными методами контроля являются применение фотометрии, центрифугирования, испытания на фрикционные свойства и определение вязкости. Эти методы наиболее просты в реализации, не требуют дорогостоящего оборудования и высококвалифицированных специалистов. Применение фотометрии позволяет определить концентрацию общих продуктов старения, а центрифугирование проб масел с последующим фо-тометрированием – концентрацию растворимых продуктов старения. Разность между концентрациями общих и растворимых продуктов характеризует наличие нерастворимых продуктов в работающих маслах.
Предлагаемый комплексный метод апробирован на трансмиссионных [47– 52], индустриальных [53, 54] и моторных маслах [55, 56]. В качестве комплексного показателя качества смазочных материалов предложен коэффициент термоокислительной стабильности [58–60], принятый за критерий оценки влияния: металлов [61, 62]; смесей масел различной базовой основы [63], циклично изменяющейся температуры [64] и ультрадисперсных порошков [65] на окислительные процессы смазочных масел.
Фотометрический метод позволяет оценить механизм старения масел [66], определить температуры начала окислительных процессов и время образования нерастворимых продуктов [67–75], а также изменение оптических свойств и вязкости работающих масел в двигателях внутреннего сгорания [76], установить влияние продуктов старения на противоизносные свойства [77, 78] и влияние до-ливов на механизм старения [79, 80, 82].
Применение электрометрического метода определения электрического сопротивления фрикционного контакта [81, 83] при оценке противоизносных свойств товарных и работающих масел позволяет исследовать динамику его изменения при трении в областях пластической, упрогопластической и упругой деформаций, установить границы формирования адсорбционных и хемосорбционных граничных слоев при трении скольжения [84, 85] и процессы самоорганизации [86].
Применение в качестве критерия качества масел коэффициента термоокислительной стабильности, характеризующего склонность товарных масел к окислению, а работающих к старению, является комплексной оценкой, так как определяет скорость окисления, испаряемость и изменение вязкости при термостатиро-вании. Кроме того, данный критерий позволяет оценивать динамику изменения этих показателей во времени и сравнивать масла различной базовой основы, классов вязкости и групп эксплуатационных свойств, что способствует их идентификации и контролю при производстве и в торговой сети, а также исследовать влияние климатических условий при длительном хранении масел в таре, резервуарах и технике, поставленной на длительное хранение.
Существуют стандартные и инструментальные методы определения термоокислительной стабильности различных масел.
Стандартные методы [11–17] предусматривают определение термоокислительной стабильности по следующим показателям: изменению вязкости, отложениям на поршне, образованию лака, количеству осадка, внешнему виду, изменению кислотного числа и коррозионной активности, содержанию смол, коксуемости, тангенсу угла диэлектрических потерь, массе конденсата и электрическому сопротивлению.
Инструментальные методы в основном направлены на совершенствование конструкций средств контроля, обеспечивающих снижение трудоемкости проведения испытаний [73, 87–90]. В этой связи следует отметить, что стандартные и инструментальные методы не предусматривают исследование связи процессов окисления и старения моторных масел с их противоизносными свойствами. Существует стандарт (ГОСТ 9490) определения фрикционных свойств масел на че-тырехшариковой машине трения, однако он применяется в основном при оценке противоизносных свойств товарных масел при их производстве. Исследований в области изменения противоизносных свойств смазочных материалов при их хранении на нефтебазах или в технике, поставленной на длительное хранение, недостаточно. Поэтому решение проблемы экспрессивного контроля является актуальным направлением повышения эффективности использования смазочных материалов.
1. На основе анализа факторов, влияющих на качество моторных масел при хранении техники, установлено влияние состава загрязнений, содержащихся в нефти, атмосферных загрязнений, попадающих в результате изменения температурных условий и вентиляции газового пространства резервуаров и заправочных емкостей, производства технологических операций слива, налива и транспортирования.
2. Современные методы контроля процесса старения моторных масел могут быть использованы при эксплуатации техники с учетом комплекса браковочных показателей для бензиновых и дизельных двигателей. Однако влияние сроков хранения масел на их ресурс требует дополнительных исследований и обоснованной его корректировки.
3. Предлагаемый автором комплексный метод контроля изменения качества моторных масел при длительном хранении техники, включающий применение фотометрии, термостатирования, центрифугирования, оценки изменения вязкости и оптических свойств при термостатировании, а также определение противоиз-носных свойств, позволяет повысить эффективность использования смазочных масел и достичь цели поставленной в настоящей работе.
Методика исследования состояния моторных масел при длительном хранении техники
Разработанная методика предусматривает проведение испытаний моторных масел, находящихся на длительном хранении, в технике в 5 этапов. Проба масла отбирается из прогретого двигателя массой 250 г. Технология определения состояния масел, находящихся на длительном хранении, представлена в виде блок-схемы на рисунке 2.8.
На первом этапе определялись оптические свойства масла, которые характеризуют степень его старения, состав продуктов, при этом применялись фотометр и центрифуга, техническая характеристика которых приведена в параграфах 2.2.2. и 2.2.5.
В зависимости от срока хранения масла могут фотометрироваться при толщине фотометрируемого слоя 2 или 0,15 мм. Степень старения масла определяется по коэффициенту поглощения светового потока, характеризующего концентрацию общих продуктов старения.
Центрифугирование пробы масла при частоте вращения ротора 8 000 об/мин в течение часа с последующим фотометрированием позволяет определить концентрацию растворимых продуктов старения, т. е. установить степень окисления масел. По разности коэффициентов поглощения светового потока до и после центрифугирования определялась концентрация нерастворимых продуктов старения масел. По плотности осадка на дне кюветы центрифуги устанавливалось наличие в масле моюще-диспергирующих присадок.
В случае плотного осадка и плохо смываемого бензином делается заключение об отсутствии моющих присадок. По концентрации нерастворимых продуктов старения делается заключение о состоянии фильтрующих элементов. Степень старения моторных масел по парку машин определялась на основе графических зависимостей распределения концентрации общих, растворимых и нерастворимых продуктов старения масел, что позволяло провести анализ состояния масел по парку машин и выявить механизмы, требующие замены масел или их очистки физическими методами.
Второй этап исследования заключался в определении вязкости масел. С этой целью использовался малообъемный вискозиметр, техническая характеристика которого представлена в параграфе 2.2.3. Вязкость измерялась пятикратно при температуре 100 оС. Перед испытаниями пробы масел тщательно перемешивались. По результатам измерения строилась кривая распределения вязкости по парку машин, позволяющая определить состояние масел по этому параметру.
Третий этап исследования состоял в определении концентрации воды. Для этого применялись прибор для термостатирования масел и электронные весы. Проба масел массой 100 г термостатировалась при температуре 120 оС в течение 20 мин. Температура и время установлены экспериментально и обеспечивали полное испарение воды. Во время испытания температура масла поддерживалась автоматически, а проба перемешивалась с частотой вращения мешалки 300 об/мин. После испытания проба масла взвешивалась и по изменению массы определялась концентрация С воды в процентах:
По результатам испытания строилась кривая распределения, по которой определялось состояние масел по парку машин.
Четвертый этап включал термостатирование масел и определение термоокислительной стабильности. С этой целью использовались прибор для термостатирования масел, фотометр и электронные весы. Проба масла массой 100 г заливалась в прибор для термостатирования, нагревалась до температуры 170 оС и в течение 3 ч перемешивалась стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин. При испытании температура масла поддерживалась автоматически с точностью ±0,5 оС.
Термоокислительная стабильность определялась по изменению коэффициента поглощения светового потока Кп и испаряемости масла. Фотометрирование окисленных масел проводилось при толщине фотометрируемого слоя 0,15 мм. Изменение оптических свойств масел оценивалось по разности коэффициентов поглощения светового потока масел до и после окисления.
По результатам испытания строились кривые распределения коэффициентов поглощения светового потока масел до и после окисления, по которым определялась их сопротивляемость температурным воздействиям.
Испаряемость масел парка машин определялась по кривой распределения испаряемости, по которой устанавливалось количество машин с наибольшим испарением масел для принятия мер по выявлению причин.
Пятый этап исследования заключался в испытании моторных масел на трехшариковой машине трения с целью определения их противоизносных свойств. Испытания масел проводились при постоянных параметрах трения: нагрузка 13H, скорость скольжения 0,68 м/с, температура масла в объеме 80 оС, время испытания 2 ч. Обоснование параметров трения приведено в работах [83, 85, 92]. Для исследования интенсивности механохимических процессов, протекающих на фрикционном контакте, через один из трех шаров пропускался постоянный ток (100 мкА) от внешнего стабилизированного источника питания 3 В [93]. Величина тока, протекающего через фрикционный контакт, зависит от вида деформации (пластическая, упругопластическая или упругая), а также от кислотности масла и его способности формировать на поверхностях контакта защитные граничные слои (асорбционные или хемосорбционные). Ток, протекающий через фрикционный контакт, через аналоговый преобразователь подавался на компьютер для записи в виде диаграммы, по которой определялась продолжительность пластической, упругопластической и упругой деформаций, причем при пластической деформации ток приобретает значение 100 мкА, задаваемый при статическом положении шара и цилиндра. Продолжительность упругопластической деформации определялась по времени уменьшения тока до определенной стабилизированной величины, которая зависит от кислотности масла и его способности к формированию защитных граничных слоев.
Результаты исследования влияния сроков хранения минеральных моторных масел М-16ИХП-3 на физико-химические и противоизносные свойства
Целью данных исследований является определение влияния сроков хранения товарных масел в резервуарном парке на термоокислительную стабильность и противоизносные свойства. Выбраны масла М-16ИХП-3 со сроком хранения 20, 12 и 1 год, вязкость которых соответственно составила 16,29; 16,06; 15,33 сСт. На рисунке 3.55, а представлены зависимости коэффициента поглощения светового потока, относительной вязкости (рисунок 3.55, б) и испаряемости (рисунок 3.55, в) от времени окисления. Установлено, что масла со сроком хранения 20 и 12 лет имеют начальную оптическую плотность 0,047 ед. (кривые 1, 2), а масло первого года хранения имеет область сопротивляемости окислению продолжительностью 5 ч (кривая 3). За 32 ч испытания коэффициент поглощения светового потока незначительно зависит от сроков хранения, однако при дальнейшем окислении зависимости Кп = f(t) для масел со сроком хранения 1 и 12 лет кривые 3 и 2 претерпевают изгиб при Кп = 0,38 ед., а для масла со сроком хранения 20 лет кривая 1 принимает линейный характер. Время достижения значения коэффициента Кп = 0,8 ед., характеризующего потенциальный ресурс масел в зависимости от сроков хранения масел, составило: 20 лет – 95 ч; 12 лет – 58 ч; 1 год – 52 ч, т. е. при увеличении сроков хранения сопротивляемость масел окислению возрастает.
Вязкость масел, определяемая коэффициентом относительной вязкости (рисунок 3.55, б), независимо от сроков хранения при их окислении, увеличивается, однако более стабильное увеличение установлено для масла со сроком хранения 1 год (кривая 3). Вязкость масла со сроком хранения 12 лет увеличивается по линейной зависимости и после 64 ч испытания возрастает в 2 раза. Вязкость масла со сроком хранения 20 лет после 48 ч испытания резко увеличилась в 2 раза, т. е. возрастание сроков хранения масел в резервуарном парке повышает их термоокислительную стабильность, но снижает вязкостные свойства.
Испаряемость масел при термостатировании (рисунок 3.55, в) не имеет четкой зависимости от сроков хранения, а зависит от условий хранения. Так, масло со сроком хранения 1 год (кривая 3) имеет наименьшую испаряемость, а наибольшая испаряемость установлена для масла со сроком хранения 12 лет (кривая 2).
Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности, учитывающего сопротивляемость масел окислению и их испаряемость, от времени окисления и срока хранения представлены на рисунке
Показано, что масла со сроком хранения 20 и 12 лет (кривые 1, 2) имеют практически идентичную зависимость коэффициента термоокислительной стабильности в течение 36 ч испытания, затем для масла со сроком хранения 12 лет зависимость претерпевает изгиб за счет увеличения скорости окисления, а зависимость для масла со сроком хранения 20 лет (кривая 1) имеет линейный характер.
Анализ зависимостей ( тос = f(t)) показал, что в период времени окисления от 25 до 32 ч коэффициент термоокислительной стабильности практически не зависит от сроков хранения масел.
При окислении масел протекают процессы самоорганизации [101–103] как защитная функция от температурных воздействий. В результате этих процессов избыточная тепловая энергия поглощается продуктами окисления и испарения, а в связи с тем, что при окислении образуются продукты различной оптической плотности и энергоемкости, происходит перераспределение избыточной тепловой энергии в сторону увеличения скорости образования тех или иных продуктов. Так, целесообразно исследовать скорости процессов окисления и испарения в течение времени испытания (рисунок 3.57), чтобы подтвердить это явление и оценить влияние сроков хранения масел на происходящие процессы.
На рисунке 3.57 представлены зависимости изменения скорости окисления и испарения от времени испытания и сроков хранения масел. Показано, что при увеличении сроков хранения скорость окисления подвержена бльшим колебаниям (кривая 1), а при сроке хранения масла 1 год (кривая 3) скорость окисления увеличивается в течение 48 ч за счет возрастания концентрации малоэнергоемких продуктов окисления. При переходе этих продуктов в более энергоемкие требуется бльшее количество тепловой энергии, а так как часть ее расходуется на испарения, то увеличивается время переходного процесса, а значит, скорость будет уменьшаться. Увеличение скорости окисления вызвано замедлением переходного процесса за счет уменьшения концентрации малоэнергоемких продуктов как исходного продукта для образования более энергоемких, а так как время образования малоэнергоемких продуктов сокращается, скорость окисления увеличивается.
Технология определения снижения потенциального ресурса моторных масел при длительном хранении
Данная технология предназначена для оценки влияния сроков хранения техники на изменение таких параметров масла, как оптические свойства (коэффициент поглощения светового потока), вязкость и испаряемость по сравнению с товарным маслом. Этому испытанию подвергаются товарное масло и масло после хранения.
Блок-схема технологии представлена на рисунке 4.4. Технология предусматривает применение следующих средств контроля: прибор для термоста-тирования масел, фотометр, малообъемный вискозиметр и электронные весы, техническая характеристика которых приведена в главе 2. Перед испытаниями проба масла, взятая из двигателя при хранении техники после зимних или летних условий, подвергается фотометрированию для определения коэффициента поглощения светового потока и измерению вязкости. Полученные данные сравниваются с данными товарного масла и предыдущими испытаниями и делается заключение о влиянии климатических условий на процесс старения. Однако для оценки влияния продуктов старения, образующихся при хранении техники, необходимо определить изменение сопротивляемости данного масла температурным воздействиям. Для этого испытания проводятся дважды: для товарного масла и масла, находящегося на хранении в технике.
Проба масла массой 100 г наливается в стакан прибора для термостатирова-ния, термостатируется при температуре 170 оС и перемешивается при частоте вращения мешалки 300 об/мин. Последовательно через 3, 5 и 8 ч испытания стакан с пробой окисленного масла взвешивается, определяется масса испарившегося масла, отбираются пробы для фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока и вязкости. Полученные данные термостатирования масел, находящихся на длительном хранении, сравниваются с данными окисления товарного масла. Наиболее удобно сравнивать полученные результаты по зависимостям коэффициента поглощения светового потока, летучести и коэффициента относительной вязкости от времени испытания (24 ч). Причем коэффициент относительной вязкости определяется отношением вязкости окисленного масла за время испытания 3, 5 и 8 ч к вязкости товарного масла без термостатирования. При этом сразу видно, на сколько процентов изменилась вязкость испытуемого масла за 24 ч испытания.
Уменьшение ресурса масла Р, находящегося на хранении, определяется отношением коэффициентов термоокислительной стабильности тос масла, находящегося на хранении и темостатированного при температуре 170 оС в течение 24 ч, и товарного масла, испытанного при тех же условиях:
где тос - коэффициент термоокислительной стабильности товарного масла; Eт x o p c -коэффициент термоокислительной стабильности масла, находящегося на хранении. Коэффициенты тос и Eт x o p c определяются по формуле тос = Kп + KG. (4.3) Здесь Kп и KG – соответственно коэффициенты поглощения светового потока и испаряемости, определенные после 24 ч испытания: KG = m/M, (4.4) где m и М - соответственно массы испарившегося масла за 24 ч испытания и оставшейся пробы после термостатирования. Изменение ресурса масла, находящегося на хранении, по испаряемости и вязкости определяется аналогично – отношениями испаряемости или вязкости масла, находящегося на хранении после 24 ч испытания, и товарного масла, испытанного при тех же условиях:
Gxp и Gтов – испаряемость масел, находящихся на длительном хранении, и товарного масла за 24 ч испытания; хр и тов – коэффициенты кинематической вязкости масел, находящихся на хранении, и товарного масла после их термоста-тирования в течение 24 ч.
Предложенные показатели отношений коэффициентов термоокислительной стабильности, испаряемости и вязкости масел, находящихся на длительном хранении, и товарного масла, срок хранения которого не более одного года, позволяют количественно установить изменения потенциального ресурса и учитывать эти особенности при вводе в эксплуатацию техники после консервации.
В качестве примера на рисунке 4.5 приведены данные изменения ресурса моторных масел М16-ИХП3 со сроками хранения 1, 10 и 20 лет по параметрам отношения коэффициентов термоокислительной стабильности Ртос; испаряемости РG и вязкости Р после 24 ч испытания.
Зависимости изменения потенциального ресурса от сроков хранения моторного масла М16-ИХП3: а – по коэффициенту термоокислительной стабильности; б – испаряемости; в – коэффициенту кинематической вязкости Установлено, что ресурс по коэффициенту термоокислительной стабильности уменьшился на 11 % при хранении масла 10 и 20 лет; испаряемость масла после 10 лет хранения увеличилась в 2,99 раза, а вязкость в 1,26 раза. После 20 лет хранения летучесть увеличилась в 2,00 раза, а вязкость в 1,02 раза по сравнению с товарным маслом. Из представленных данных видно, что сроки хранения основное влияние оказывают на испаряемость масла, а она влияет на вязкость, поэтому можно считать, что основное направление исследований должно заключаться в решении проблемы по предотвращению попадания влаги в резервуары или заправочные емкости машин.
