Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ факторов, влияющих на ресурс мотор ных масел в период эксплуатации техники . 11
1.1. Основные эксплуатационные свойства моторных масел 11
1.2. Теоретические аспекты механизма старения моторных масел 16
1.3. Анализ современных методов оценки эксплуатационных свойств моторных масел . 22
1.4. Методы определения ресурса моторных масел . 29
1.5. Анализ современных методов определения термоокислительной стабильности и температурной стойкости . 35
Выводы по первой главе 45
2. Методика контроля влияния продуктов окисления и температурной деструкции на проти-воизносные свойства моторных масел . 47
2.1. Обоснование выбора смазочных материалов для исследования 47
2.2. Средства контроля термоокислительной стабильности и температурной стойкости 48
2.2.1. Прибор для определения термоокислительной стабильности смазочных масел . 49
2.2.2.. Прибор для определения температурной стойкости 50
2.2.3. Фотометрическое устройство . 55
2.2.4. Малообъемный вискозиметр . 57
2.2.5. Трехшариковая машина трения . 59
2.3. Методика контроля термоокислительной стабильности смазочных масел 62
2.4. Методика контроля температурной стойкости смазочных масел. 63
2.5. Методика контроля отработанных моторных масел 64
2.6. Методика контроля противоизносных свойств смазочных масел. 67
Выводы по второй главе 69
3. Результаты исследования моторных масел различных базовых основ на термоокислительную стабильность и температурную стойкость 70
3.1. Результаты исследования минеральных моторных масел . 70
3.2. Результаты исследования частично синтетических моторных масел 85
3.3. Результаты исследования синтетических моторных масел . 98
3.4. Анализ результатов испытания моторных масел различных базовых основ 109
3.5. Результаты анализа отработанных моторных масел 114
Выводы по третьей главе 124
4. Практические рекомендации по контролю состояния товарных и работающих масел . 128
4.1. Технология определения влияния продуктов окисления на про-тивоизносные свойства смазочных масел . 128
4.2. Технология определения потенциального ресурса и температурной области работоспособности смазочных масел 129
4.3. Технология определения влияния продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства смазочных масел 130
4.4. Технология определения предельной температуры испытания смазочных масел на термоокислительную стабильность 132
4.5. Технология определения доминирующего влияния продуктов окисления или температурной деструкции на противоизносные свойства моторных масел 133
4.6. Рекомендации по идентификации моторных масел по группам эксплуатационных свойств 135
4.7. Технология определения состояния работающих моторных масел 136
4.7.1 Технология определения предельных параметров состояния отработанных моторных масел 136
4.7.2 Технология контроля текущего состояния моторных масел в процессе эксплуатации двигателей 139
Выводы по четвертой главе 140
Основные научные результаты и выводы 141
Библиографический список 143
Приложение А. Акты внедрения 157
- Анализ современных методов определения термоокислительной стабильности и температурной стойкости
- Прибор для определения термоокислительной стабильности смазочных масел
- Результаты анализа отработанных моторных масел
- Технология определения влияния продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства смазочных масел
Введение к работе
Актуальность работы. Процессы, протекающие в трибосистемах двигателей внутреннего сгорания, определяются механическими, термоокислительными, температурными и химическими воздействиями, а смазочный материал как элемент этой системы оказывает влияние на её надежность. Ему присущи такие свойства надежности, как безотказность, долговечность, сохраняемость и восстанавливаемость, т. е. для него существует предельное состояние, по достижении которого его необходимо заменять на новое.
В связи с тем, что эти процессы протекают одновременно, то исследование раздельного влияния продуктов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства является актуальной задачей, решение которой позволит разработать мероприятия по уменьшению скорости окисления и повышению температуры начала деструкции базовой основы и присадок.
Степень научной проработанности темы. Научное и практическое значение представляет контроль влияния продуктов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства масел. Исследования данных процессов проводились в два этапа. На первом этапе моторные масла различной базовой основы подвергались окислению при температуре 180 С с перемешиванием, а затем испытанию на противоизносные свойства. На втором этапе те же масла подвергались термостатированию без перемешивания в температурном диапазоне от 140 до 300 С с повышением температуры на 20 С и последующими триботехническими испытаниями.
Существенный вклад в изучение процессов окисления смазочных материалов внесли М.А. Григорьев, Л.А. Кондаков, С.Е. Крейн, А.В. Непогодьев, К.К. Папок, Н.И. Черножуков, Г.И. Шор, Н.М. Эмануэль и др. В результате анализа работ в этой области для оценки интенсивности процессов окисления обосновано применение средств контроля, позволяющих определять при окислении изменения вязкости, летучести, оптических и противоизносных свойств. Это позволило определить критерий термоокислительной стабильности, учитывающий сброс избыточной тепловой энергии по двум параметрам – изменению коэффициента поглощения светового потока Kп и летучести G. Методом фотометрии установлено два вида продуктов различной оптической плотности и явление перераспределения тепловой энергии между продуктами окисления и летучестью, вызывающее изменение скоростей окисления и испарения.
Изучению механизма температурной деструкции посвящены работы Г.И. Фукса, И.А. Буяновского, Р.М. Матвеевского, Г.И. Шора, Н.К. Мышкина и др. В них явлияние температурной деструкции на параметры износа оценивалось при триботехнических испытаниях, а влияние температуры на свойства масел не учитывалось. Поэтому в настоящей работе воздействие темпе-
ратуры на процессы температурной деструкции, протекающие в смазочном материале, исследовалось фотометрическим методом по изменению коэффициента поглощения светового потока Kп, вязкости и летучести G, а влияние продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства – на трехшариковой машине трения со схемой шар–цилиндр.
Применение фотометрического метода позволило установить, что сброс избыточной тепловой энергии происходит по двум параметрам – изменению коэффициента поглощения светового потока Kп и летучести G. Однако большая часть тепловой энергии поглощается продуктами испарения. В этой связи предложен критерий температурной стойкости смазочных масел, учитывающий изменение оптических свойств и летучести.
Для оценки доминирующего влияния продуктов окисления или температурной деструкции на противоизносные свойства масел проведен анализ работ в этой области. Существенный вклад в изучение процессов, протекающих на фрикционном контакте, внесли И.В. Крагельский, Б.И. Костецкий, В.Г. Виноградов, Р.М. Матвеевский, И.А. Буяновский, Ю.С. Заславский, И.С. Гершман, А.С. Кужаров, И.А. Буше, Г.И. Шор, А.С. Ахматов и другие. Однако в их работах при оценке противоизносных свойств учитывались все процессы, протекающие на фрикционном контакте, одновременно. В данной работе противоизносные свойства оценивались при постоянных параметрах трения окисленных и термостатированных масел в диапазоне температур от 140 до 300 С, что позволило установить различия во влиянии продуктов окисления и температурной деструкции на их противоизносные свойства, обосновать общий критерий противоизносных свойств П, учитывающий концентрацию продуктов окисления и температурой деструкции на номинальной площади фрикционного контакта. Предложен обобщенный показатель противоизносных свойств (ОПП), учитывающий скорости изменения критериев противоизносных свойств окисленных и термостатированных масел, позволяющий определить доминирующее влияние продуктов окисления или температурной деструкции на механизм изнашивания.
Цель диссертационной работы. Повысить эффективность использования моторных масел за счет организации контроля раздельного влияния процессов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства.
Задачи исследования.
-
Разработать комплексную методику контроля термоокислительной стабильности, температурной стойкости и противоизносных свойств товарных и отработанных моторных масел.
-
Исследовать процессы окисления и температурной деструкции моторных масел различных классов вязкости, групп эксплуатационных свойств и базовых основ, оценить влияние их продуктов на противоизносные свойства и обосновать критерии.
-
Выполнить анализ состояния отработанных моторных масел парка машин с применением диагностических средств контроля и комплексной методики.
-
Разработать практические рекомендации по применению комплексной методики при выборе моторных масел в зависимости от степени нагру-женности двигателей, их идентификации и классификации по группам эксплуатационных свойств и контроля текущего состояния при эксплуатации.
Объект исследования. Товарные и отработанные моторные масла различных базовых основ и классов вязкости.
Предмет исследования. Процессы окисления и температурной деструкции и их влияние на противоизносные свойства.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с применением методов анализа контроля процессов окисления и температурной деструкции углеводородов и присадок к ним, теории экспериментов, теории трения, износа и смазки, методов расчета ресурса смазочных материалов, методов контроля оптических, физических и теплотехнических свойств.
При выполнении работы применялись стандартные и специально разработанные средства испытания и контроля, а для обработки результатов экспериментальных исследований – методы математической статистики и регрессионного анализа.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных автором, подтверждается теоретически и экспериментально. Научные положения аргументированы. Теоретические результаты и выводы подтверждены проведенными экспериментальными исследованиями и их математической обработкой, непротиворечивостью данным других авторов, использованием экспериментального оборудования, позволяющего с достаточной точностью осуществлять измерения требуемых параметров, а также стандартных программ для обработки экспериментальных данных с применением современных средств вычислительной техники в соответствии с поставленными задачами.
На защиту выносятся.
-
Комплексная методика контроля процессов окисления, температурной деструкции и влияние их продуктов на противоизносные свойства моторных масел различных базовых основ, классов вязкости и групп эксплуатационных свойств.
-
Результаты контроля термоокислительной стабильности, температурной стойкости и влияния их продуктов на противоизносные свойства моторных масел и критерии оценки.
-
Результаты апробации комплексной методики по контролю состояния отработанных моторных масел парка машин.
-
Результаты регрессионного анализа процессов окисления, температурной деструкции и противоизносных свойств моторных масел.
-
Обобщенный показатель противоизносных свойств моторных масел, учитывающий доминирующее влияние продуктов окисления и температурной деструкции на изнашивание.
-
Практические рекомендации по технологиям контроля товарных и работающих моторных масел.
Научная новизна работы.
-
Разработанная комплексная методика контроля процессов окисления и температурной деструкции в отличие от известных позволяет оценивать противоизносные свойства моторных масел, предварительно окисленных при температуре 180 С и термостатированных в диапазоне температур от 140 до 300 С.
-
Впервые установлен и обоснован общий критерий противоизнос-ных свойств окисленных и термостатированных масел, позволяющий определить доминирующее влияние процессов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства масел и совершенствовать систему их идентификации и классификации по группам эксплуатационных свойств.
-
Разработанная методика контроля процессов температурной деструкции позволяет определить критическую температуру работоспособности моторных масел и обосновать оптимальную температуру для их испытания на термоокислительную стабильность.
-
Методика контроля отработанных моторных масел с применением фотометра, вискозиметра, центрифуги, машины трения, прибора для термо-статирования и весов позволяет по составу продуктов старения, концентрации воды, противоизносным свойствам и вязкости обосновать предельное состояние работающих масел, техническое состояние системы фильтрации и цилиндропоршневой группы, а при эксплуатации двигателей диагностировать их состояние и корректировать сроки замены.
Практическая значимость работы. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации, включающие технологии контроля: влияния продуктов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства моторных масел; потенциального ресурса и температурной области работоспособности; предельной температуры испытания на термоокислительную стабильность; доминирующего влияния продуктов окисления и температурной деструкции на противоиз-носные свойства; предельных параметров состояния работающих масел, а также рекомендации по идентификации и классификации по группам эксплуатационных свойств.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на предприятиях ООО АТП «Терминалнефтегаз» и ИП АТП В.М. Сидоров и учебном процессе Института нефти и газа Сибирского федерального университета.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
10-й международной конференции «Трибология и надежность» (Санкт-Петербург, 2010 г.); научно-технической конференции с участием иностранных специалистов, посвященной 120-летию выдающегося триболога М.М. Хрущова «Трибология машиностроению» (Москва, 2010 г.); научных семинарах и конференциях Института нефти и газа Сибирского федерального университета (Красноярск, 2010–2012 гг).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе три работы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, получено шесть патентов, написана монография. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Автором лично разработаны методы контроля влияния процессов окисления и температурной деструкции на противоизнос-ные свойства моторных масел, проведены исследования раздельного влияния процессов окисления и температурой деструкции на противоизносные свойства моторных масел с различной базовой основой, обоснованы критерии изменения состояния масел в зависимости от условий их эксплуатации.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 156 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 14 таблиц. Состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка из 137 наименований и приложения.
Анализ современных методов определения термоокислительной стабильности и температурной стойкости
Термоокислительная стабильность и температурная стойкость смазочных масел являются основными показателями, которые используются при классификации их по группам эксплуатационных свойств. Повышение этих показателей достигается путем выбора базовой основы и введением термостойких присадок. Для определения термоокислительной стабильности и температурной стойкости разработаны стандарты [5, 6, 37, 51–54]. Весьма разнообразны инструментальные методы определения этих показателей, предусматривающие в основном термостатирование масел в объеме либо в тонкой пленке в среде атмосферного воздуха или кислорода. Так, с помощью метода [91] термическая стабильность оценивается по лакообразующим свойствам масел и действию на них присадок. Метод реализуется с помощью стандартного лакообразователя.
Способ определения стабильности растворов присадок к маслам [92] заключается в измерении их электропроводности, изменяющийся в зависимости от состояния присадок (высаживание присадки, превращение раствора в коллоидный, изменение химического состояния присадки).
Способ определения свойств моторного масла, предложенный в [93], заключается в отборе пробы масла из двигателя, выдерживании ее в присутствии 1–5 мас. % воды или водном растворе электролита при 70–150 С. Количество выпавшего сухого осадка является показателем стойкости масла к шлакообразованию, а прирост вязкости отобранной пробы масла из двигателя характеризует его термоокислительную стабильность.
Прибор для оценки термоокислительной стабильности масел [94] имеет узел предварительного окисления масла в объеме и узел окисления в тонком слое. Стабильность масла оценивается по изменению его физико-химических и эксплуатационных свойств, летучести, а также количеству отложений.
Устройство [40] для определения термической стабильности смазочных масел предусматривает испытание в тонкой пленке путем прокачивания через жиклер. Термическая стабильность определяется по времени закоксо-вывания жиклера за счет снижения прокачки. Для ускорения процесса окисления в приборе для оценки эксплуатационных свойств моторных масел [95] предусматривается превращения масла в аэрозоль.
Стабильность масел по приросту вязкости и индукционному периоду осадкообразования и испаряемости можно определить на приборе [96].
Для оценки эксплуатационных свойств масел по таким показателям, как температурная область работоспособности, скорость окисления, коррозионная активность, лако-и нагарообразование, разработан прибор [97].
Согласно способу [98] пробу масла нагревают при атмосферном давлении с перемешиванием, затем определяют термоокислительную стабильность по температуре начала окислительных процессов и скоростям образования растворимых и нерастворимых продуктов окисления, рассчитанных по оптической плотности термостатированного масла.
Способ [99] позволяет найти степень загрязнённости работавшего мас 37 ла измерением плотности исходного и нерастворимых в масле загрязнений: CT + Kм-CT,V (115) / хсм (сг1 - т2) где егсм, oiu о2 - соответственно плотность работающего, исходного масла и нерастворимых в масле загрязнений.
Многие исследования направлены на поиск критериев термоокислительной стабильности и температурной стойкости, которые устанавливают связь между продуктами, образующимися в процессе термостатирования масел. Так, в работе [41] предложен метод определения температурной стойкости работающих моторных масел с применением фотометрии. Испытания проводят при температуре от 140 до 300 С, увеличивая её на 20 С. При каждой температуре испытания работающего масла в течение 3 ч измеряют коэффициент поглощения светового потока Кп и вязкость , затем термостатированную пробу центрифугируют и повторно фотометрируют для определении концентрации растворимых продуктов старения масла Кпц, вычисляют коэффициент энергетического состояния где Кп - коэффициент поглощения светового потока термостатированного масла; т - вязкость работавшего масла после термостатирования, сСт; исх -вязкость исходного товарного масла, сСт.
Данный показатель характеризует процесс деструкции присадок в зависимости от температуры испытания. Далее определяют разность значений коэффициентов поглощения светового потока до и после термостатирования работавшего масла, характеризующую концентрацию нерастворимых продуктов старения масла. Термическую стабильность определяют по зависимостям изменения вязкости, коэффициента энергетического состояния, коэффициента поглощения светового потока, температуры начала нагарообразо-вания, разности коэффициентов поглощения светового потока до и после термостатирования от температуры испытания.
Вязкость изменяется в результате увеличения концентрации продуктов деструкции, а коэффициент энергетического состояния работавшего масла уменьшается с увеличением температуры испытания из-за снижения концентрации присадок. Температура начала нагарообразования зависит от наработки (отработанного ресурса), с увеличением которой она уменьшается.
Разность между значениями коэффициентов поглощения светового потока до и после центрифугирования характеризует изменение концентрации нерастворимых продуктов деструкции после термостатирования.
Предложенный метод позволяет получить дополнительную информацию о состоянии работавшего моторного масла. Так, характер изменения вязкости позволяет установить температуру начала резкого увеличения, что свидетельствует об отсутствии в масле моющих присадок.
Изменение коэффициента энергетического состояния позволяет определить температуру, при которой наступает резкое его уменьшение в результате деструкции присадок.
Температура нагарообразования определяет ресурс, который отработало масло. Чем больший ресурс отработало масло, тем при меньшей температуре наступает нагар.
Способ определения термоокислительной стабильности товарных смазочных материалов [100] заключается в том, что пробу масла постоянного объема нагревают до температуры в зависимости от базовой основы и перемешивают с воздухом с помощью механического устройства. Температура масла в процессе испытания поддерживается постоянной (± 1 С). Через равные промежутки времени отбирают пробу термостатированного масла для фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока Кп и вязкости . Испытание прекращают по достижению коэффициентом Кп значений, приблизительно равных 0,75-0,8 ед. По полученным результатам анализа определяют коэффициент термоокислительной стабильности КТОС=К /\Іисх , (1.17) где Кп - коэффициент поглощения светового потока окисленного масла за время испытания; о и исх. - соответственно вязкость окислительного и исходного смазочного масла, сСт.
Прибор для определения термоокислительной стабильности смазочных масел
Надежность механической системы во многом определяется правильным выбором моторного масла как её элемента (детали). Основным функциональным назначением смазочного материала является уменьшение износа, снижение температуры, трения, унос частиц износа с поверхностей трения, формирование на них трения граничных защитных адсорбционных, хемо-сорбционных и модифицированных слоев, повышение нагрузки схватывания. Необходимо отметить, что долговечность смазочного материала как элемента трибосистемы в разы уступает долговечности деталей агрегатов и машин. Кроме того, на любую трибосистему действуют механические, термоокислительные, температурные и химические воздействия, изменяющие свойства смазочного материала за счет образования продуктов окисления и деструкции. Известно [106], что повышение температуры в зоне фрикционного контакта вызывает десорбцию молекул смазочного материала на поверхности трения, температурную деструкцию, вследствие чего изменяются свойства граничных слоев и структура материалов пар трения. В этой связи очевидна необходимость исследования влияния продуктов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства масел различной базовой основы. Поэтому разработка методов и средств контроля за превращениями, происходящими в смазочном материале при изменении температуры, имеет важное значение в изучении процессов окисления и температурной деструкции.
В качестве объекта исследования выбраны моторные масла различной базовой основы (минеральные, частично синтетические и синтетические), от которых зависит надежность двигателей внутреннего сгорания. Как элемент конструкции двигателя моторное масло может длительно и надежно выполнять свои функции, обеспечивая заданный ресурс двигателя, при точном соответствии его свойств термическим, механическим и химическим воздействиям, которым оно подвергается в смазочной системе двигателя на поверхностях трения [1]. Поэтому для исследования механизмов окисления и температурной деструкции выбраны моторные масла отечественных и зарубежных производителей: минеральные – М-8Г2 (СС), Utech navigator 15W-40 SG/CD, ТНК Супер 10W-40 SL/CF; частично синтетические – Mobil Super 2000 10W-40 SJ/SL/CF, ТНК Супер 5W-40 SL/CF, Shell Rimula R5E 10W-40; синтетические – Mobil Super 3000 5W-40SJ/SL/CF, Aqip Tecsint 5W-30 A3, B3. Масла М-8Г2 (СС) и Shell Rimula R5E 10W-40 предназначены для дизельных двигателей, первое из которых применяется в зимних условиях эксплуатации, а второе – всесезонно. Остальные моторные масла являются универсальными, всесезонными, применяются как в дизельных, так и бензиновых двигателях. Масла различаются по классам вязкости и группам эксплуатационных свойств. Для бензиновых двигателей самая низкая группа эксплуатационных свойств SG, а самая высокая – SL, для дизельных двигателей низкая группа СС, а самая высокая – CF. Такой выбор моторных масел позволяет при испытаниях определить объективность системы классификации по группам эксплуатационных свойств.
Основными эксплуатационными свойствами моторных масел являются: моюще-диспергирующие, характеризующие способность масел обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя, поддерживать продукты окисления и деструкции во взвешенном состоянии; антиокислительные, определяющие стойкость масел к старению; противоизносные, влияющие на долговечность деталей двигателя; антикоррозионные, определяющие коррозионно-механическое изнашивание; вязкостно-температурные, определяющие диапазон температур, обеспечивающий пуск двигателя в холодный период эксплуатации.
В работе в соответствии с поставленными задачами исследования выбраны два основных показателя эксплуатационных свойств – термоокислительная стабильность и температурная стойкость, так как продукты окисления и температурной деструкции влияют на все свойства, описанные выше. Для оценки механизма окисления и температурной деструкции применены специальные приборы, разработанные в Институте нефти и газа Сибирского федерального университета. Автор принимал участие в определении достоверности показаний приборов в исследованиях и статистической обработке экспериментальных данных.
Прибор для определения термоокислительной стабильности смазочных масел
Для исследования термоокислительной стабильности моторных масел разработан прибор (рис. 2.1), включающий измерительный блок 1 с органами управления процессом окисления и механический блок 2, обеспечивающий нагрев и перемешивание пробы масла.
Прибор для определения термоокислительной стабильности смазочных масел: 1 – блок измерения и управления; 2 – механический блок
Техническая характеристика прибора для определения термоокислительной стабильности приведена в табл. 2.1.
Температура испытуемого масла регистрируется цифровым индикатором, задается дискретно и в процессе испытания поддерживается автоматически с точностью ±0,5 С с помощью терморегулятора ТР-202.
Частота вращения мешалки устанавливается дискретно, регистрируется цифровым индикатором и в процессе испытания поддерживается автоматически с точностью ±2 об/мин за счет счетчика оборотов и наличия обратной связи с электродвигателем. Прибор позволяет осуществлять испытания двумя методами. В первом методе испытания проводят при постоянной температуре и её циклическом повышении или понижении в диапазоне от 50 до 250 С. При втором методе – термоокислительная стабильность определяется дополнительно по числу циклов изменения температуры до заданного значения коэффициента поглощения светового потока.
Метод определения температурной стойкости предусматривает нагрев испытуемого масла в объеме при помощи прибора (рис. 2.2), который состоит из электронного блока 1, холодильника 2 и съемного стакана 3, выполненного из термостойкого стекла и установленного в корпусе нагревательной печи, которая с блоком 1 соединена штепсельным разъемом. Нагревательная печь подсоединяется вместе со стаканом к холодильнику с помощью зажимов.
Результаты анализа отработанных моторных масел
В данном параграфе приведены результаты исследования отработанных моторных масел. Цель этих исследований заключалась в проверке возможности применения разработанной методики и предложенных критериев оценки состояния моторных масел, сливаемых из двигателей при техническом обслуживании. Было выбрано частично синтетическое масло Shell Rim-ula R5E 10W-40, применяемое в дизельных двигателях автобусов Higer KLQ и МАЗ-103, а также минеральное дизельное масло М-8Г2, применяемое в двигателях автобусов ПАЗ 32054, работающих на сжиженном газе. Количество обследованных машин – 20 ед., пробег автомобилей до смены масел – от 10 до 35 тыс. км. На рис. 3.29 представлены кривые распределения парка машин по пробегу. Наибольшее количество машин 10 ед. (50 %) производили смену масла Shell Rimula (рис. 3.29 кривая 1) после пробега 25 тыс. км, а масла М-8Г2 (рис. 3.29 кривая 2) после пробега 15 тыс. км – 5 ед. (25 %) и 25 тыс. км – 5 ед. (25 %). Эти данные указывают на то, что техническая служба предприятия не обеспечивала надежного контроля за состоянием работающих масел автобусного парка.
Состояние отработанных моторных масел оценивалось по концентрации общих Kп, растворимых Kпр и нерастворимых Kпн продуктов старения (рис. 3.30–3.32). Для этого отработанные масла фотометрировались, а затем центрифугировались при частоте вращения ротора 8000 об/мин в течение часа, после чего повторно фотометрировались для определения концентрации растворимых продуктов старения. Разность между коэффициентами поглощения светового потока до и после центрифугирования определяла концентрацию нерастворимых продуктов старения.
Кривые распределения парка машин по пробегу: 1 – двигатели, работавшие на масле Shell Rimula R5E; 2 – двигатели, работавшие на масле М-8Г2
Моторное масло Shell Rimula R5E 10W-40 фотометрировалось при толщине фотометрируемого слоя 0,03 мм, а М-8Г2 – при толщине 0,15 мм, что вызвано различиями в применении топлив, так так на сжиженном газе моторное масло стареет медленнее, чем на дизельном топливе.
Согласно представленным данным (рис. 3.30) наибольшая концентрация общих продуктов старения (Kп=0,7 ед.) в отработанных маслах Shell Rimula установлена в шести пробах (30%), а наименьшая (Kп=0,2 ед.) – в одной пробе (5 %) (рис. 3.30 кривая 1). Концентрация растворимых продуктов старения в диапазоне изменения Kпр от 0,2 до 0,3 ед. и 0,3 до 0,4 ед. установлена в пяти пробах (25 %) (рис. 3.30 кривая 2).
Рис. 3.30. Распределение концентрации общих Kп и растворимых Kпр продуктов старения в отработанных моторных маслах Shell Rimula R5E 10W-40: 1 – общая концентрация продуктов старения; 2 – концентрация растворимых продуктов
Концентрация нерастворимых продуктов старения в отработанных моторных маслах Shell Rimula (рис. 3.31) в диапазоне изменения коэффициента Кпн от 0,04 до 0,06 ед. (28 %) установлена в пяти пробах, в диапазоне от 0,02 до 0,04 ед. (22 %) – в четырех пробах, а в диапазоне от 0,06 до 0,12 ед. (44 %) – в восьми пробах.
Для минерального масла М-8Г2 (рис. 3.32) распределение концентраций общих, растворимых и нерастворимых продуктов старения в диапазоне значений коэффициента Kп, от 0,1 до 0,15 ед. установлено в 9 пробах (45 %), растворимых в диапазоне Kпр от 0 до 0,05 ед. – в 12 пробах (60 %) и нерастворимых в диапазоне от 0,05 до 0,1 ед. – в 13 пробах (65 %), т. е. в данном масле концентрация нерастворимых продуктов старения для большинства проб в 1,66 раза больше, чем для частично синтетического Shell Rimula R5E, и причиной тому является топливо (газ).
Распределение концентрации общих Kп, растворимых Kпр и нерастворимых Kпн
продуктов старения в маслах М-8Г2, слитых при техническом обслуживании бензиновых двигателей: 1 – концентрация общих продуктов старения; 2 – то же растворимых; 3 –то же нерастворимых Наибольшее количество проб масел Shell Rimula R5E 7 (36,8 %) при сливе имели вязкость 14 сСТ (рис. 3.33), а допустимое увеличение вязкости при эксплуатации двигателей на 30–35 % [57, 90, 130] от вязкости товарного масла. Поэтому для данного масла предельное значение вязкости должно составлять 16–17 сСТ.
Шесть проб минерального масла М-8Г2 имеют максимальную вязкость 14 сСт, (рис. 3.33, кривая 2), тогда как допустимое значение соответствует 10,4 – 10,8 сСт.
Распределение коэффициента кинематической вязкости отработанных моторных масел парка машин: 1 – частично синтетическое Shell Rimula R5E 10W-40; 2 – М-8Г2
Согласно представленным данным 15 проб отработанных масел из 20 (75 %) превысили этот показатель.
Для определения сопротивляемости отработанных моторных масел температурным воздействиям их подвергали термостатированию при температуре 180 С в течение 3 ч с перемешиванием. Испытания проводились на масле Shell Rimula R5E 10W-40 (рис. 3.34).
. Распределение оптических свойств отработанных моторных масел Shell Rimula R5E 10W-40 до и после окисления в течение 3 ч при температуре 180 С: 1 – до окисления; 2 – после окисления
Показано, что отработанные масла при значении Kп0,4 ед изменяют оптические свойства, а при значении Kп0,5 ед. не изменяют. Так, до термо 119
статирования проб масел при Kп=0,3 ед. было 5 ед., а после термостатирова-ния их стало 3 ед., а проб при Kп=0,4 ед. до термостатирования было 3 (рис. 3.34, кривая 1), то после термостатирования стало 5 (рис. 3.34, кривая 2). Таким образом, часть отработанных масел имеют резерв в применении, т. е. слиты досрочно.
Летучесть отработанных масел Shell Rimula при термостатировании определяет концентрацию легких фракций, топлива и воды (рис. 3.35). Показано, что для большинства проб 8 ед. (40 %) летучесть составила 1,6 г. Кроме того, этот параметр косвенно определяет техническое состояние цилиндро-поршневой группы. Чем больше изношена цилиндро-поршневая группа, тем больше продуктов неполного сгорания топлива и воды попадает в масло.
Распределение концентрации легких фракций и воды в отработанных моторных маслах Shell Rimula R5E 10W-40, слитых при техобслуживании дизельных двигателей
Противоизносные свойства отработанных масел (рис.3.36) Shell Rimula R5E 10W-40 (рис.3.36, кривая 1) и М-8Г2 (рис.3.36, кривая 2) исследовались на трехшариковой машине трения по методике, описанной в главе 2. Установлено, что большинство проб (7 ед.) частично синтетических масел Shell Rimula (35 %) имеют противоизносные свойства 0,55 мм, а минеральных масел М-8Г2 6 проб (30 %) – 0,3 мм. Кроме того, противоизносные свойства большего количества проб минерального масла 12 ед. (рис. 3.36, кривая 2) превышают противоизносные свойства частично синтетических масел. По представленным данным (рис. 3.36) можно установить предельные значения противоизносных свойств и по ним определить предельные значения коэффициентов поглощения светового потока.
Для этого рассмотрим связь между параметром износа U и коэффициентом поглощения светового потока Kп (рис. 3.37).
Показано, что в диапазоне изменения коэффициента поглощения светового потока для отработанных масел Shell Rimula (рис. 3.37, а) от 0,14 до 0,76 ед. противоизносные свойства изменяются в пределах от 0,28 до 0,6 мм.
Для отработанных минеральных масел при изменении коэффициента поглощения светового потока в пределах от 0,02 до 0,25 ед. противоизносные свойства колеблются от 0,24 до 0,46 мм. Причем при значениях коэффициента Kп 0,05 ед. противоизносные свойства понижаются, а при Kп 0,05 ед. они повышаются. Медленное понижение противоизносных свойств минеральных отработанных масел установлено в диапазоне изменения коэффициента Kп от 0,1 до 0,25 ед.
Из представленных данных видно, что для частично синтетических масел Shell Rimula можно установить предельное значение противоизносных свойств 0,55 мм, которому соответствуют 10 проб масел (50 %). Для отработанных минеральных масел предельное значение противоизносных свойств составляет 0,35 мм, которому соответствуют 9 проб (45 %).
На противоизносные свойства масел основное влияние оказывает концентрация продуктов старения, их состав и свойства. Поэтому в работе предложен критерий противоизносных свойств П, который подтвержден исследованиями товарных масел при их окислении и термостатировании в диапазоне температур от 140 до 300 С. Он характеризует условную концентрацию продуктов окисления и деструкции на номинальной площади фрикционного контакта. При исследовании работавших масел он определяется отношением коэффициента поглощения светового потока Kп к диаметру пятна износа U и характеризует концентрацию продуктов старения на номинальной площади фрикционного контакта. Так как при эксплуатации двигателей образуются продукты старения, в состав которых входят продукты окисления, температурной и механической деструкции, неполного сгорания топлива, то они будут определять противоизносные свойства.
Технология определения влияния продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства смазочных масел
Технология предусматривает применение следующих средств контроля: прибора для термостатирования масел в диапазоне температур от 140 до 300 С, фотометра, малообъемного вискозиметра, трехшариковой машины трения, микроскопа для измерения диаметра пятна износа и электронных весов, характеристика которых приведена в главе 2.
Проба масла массой 80 ± 0,1 г заливается в термостойкий стеклянный стакан, выполненный совместно с печью, устанавливается самая низкая температура, например 140 С для моторных масел. Далее проба термостатиру-ется в течение 8 ч без перемешивания, что до минимума снижает окислительные процессы. В процессе испытания температура поддерживается автоматически с точностью ±0,5 С. После 8 ч испытания стакан с термостатированной пробой взвешивается, определяется масса испарившегося масла и отбираются пробы для: прямого фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока Kпт при толщине фотометрируемого слоя 8 мм; определения кинематической вязкости при 100 С и испытания на трехшариковой машине трения со схемой трения шар–цилиндр. Параметры трения приняты постоянными: нагрузка – 13 Н; скорость скольжения – 0,68 м/с; температура масла в объеме – 80 С; время испытания – 8 ч. Затем стакан промывается и вытирается насухо, после чего заливается новая порция масла массой 80±0,1 г и устанавливается температура термостатирования на 20 С выше предыдущей. Испытания проводились до 300 С.
Необходимо отметить, что не все смазочные масла выдерживали температуру до 300 С. В некоторых повышалась вязкость более чем на 200 %, а у некоторых – оптические свойства превышали чувствительность фотометра, поэтому испытания прекращали досрочно.
Противоизносные свойства термостатированных масел определялись по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах. Строилась графическая зависимость диаметра пятна износа от температуры испытания коэффициента поглощения светового потока Kп, по которой определялась динамика изменения противоизносных свойств. Для определения зависимости критерия противоизносных свойств от концентрации продуктов деструкции принято эмпирическое соотношение где Пт – критерий противоизносных свойств термостатированных масел; Kпт – коэффициент поглощения светового потока при термостатировании масла при данной температуре; U – среднеарифметическое значение диаметра пятна износа при данной температуре испытания.
Строят графическую зависимость критерия противоизносных свойств Пт от коэффициента поглощения светового потока Kпт, по которой определяют скорость изменения критерия от концентрации продуктов температурной деструкции. Данная зависимость описывается линейным уравнением где ат – коэффициент, определяющий скорость изменения критерия противо-износных свойств; Kпт – коэффициент поглощения светового потока, характеризующий концентрацию продуктов температурной деструкции в масле.
Критерий противоизносных свойств Пт характеризует условную концентрацию продуктов температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта. Данный критерий позволяет сравнивать различные масла и выбирать масла с высокими противоизносными свойствами: чем больше значение коэффициента ат (скорость изменения критерия Пт), тем выше противоизносные свойства исследуемого масла. Кроме того, если зависимость Пт=f(Kп) совпадает, то исследуемые масла относятся к одной группе эксплуатационных свойств. В том случае, когда угол наклона зависимости к оси абсцисс у одного масла меньше, чем у другого, оно должно относиться к более низкой группе эксплуатационных свойств, а если угол наклона зависимости к оси абсцисс больше, то исследуемое масло должно относиться к более высокой группе эксплуатационных свойств.
Технология определения предельной температуры испытания смазочных масел на термоокислительную стабильность
Для сравнения различных масел по параметрам термоокислительной стабильности важно обосновать температуру испытания, так как при закри-тической температуре процессы окисления протекают по другим закономерностям. Для осуществления данной технологии применяются: прибор для термостатирования масел в диапазоне температур от 80 до 300 С; фотометр и электронные весы.
Проба испытуемого масла массой 50 г заливается в термостойкий стакан и термостатируется при температуре 140 С (для моторных масел) в течение 8 ч без перемешивания, что исключает его окисление. После 8 ч испытания стакан с термостатированным маслом взвешивается, определяется масса испарившегося масла и рассчитывается коэффициент летучести KG по формуле (4.3).
Отбирается проба масла для прямого фотометрирования при толщине фотометрируемого слоя 8 мм, определяется коэффициент поглощения светового потока термостатированного масла Кпт и рассчитывается коэффициент температурной стойкости: где Kпт – коэффициент поглощения светового потока при термостатировании масла при температуре Т; KG – коэффициент летучести масла при термоста-тировании масла при той же температуре.
Затем испытывается новая порция масла при температуре выше на 10–20 С. После испытания масла в диапазоне температур от 140 до 240 С по результатам параметра температурной стойкости Етс строится графическая зависимость данного параметра от температуры термостатирования, по которой определяется предельная температура. Зависимость Етс=f(T) имеет два участка, первый линейный, а второй характеризуется резким увеличением коэффициента температурной стойкости. Поэтому температура, после которой наступает резкое изменение коэффициента Етс, принимается за критическую. При ней допускаются исследования масел на термоокислительную стабильность.
Технология определения доминирующего влияния продуктов окисления или температурной деструкции на противоизносные свойства моторных масел
При осуществлении данной технологии применяются следующие средства измерения: прибор для определения температурной стойкости; прибор для определения термоокислительной стабильности; фотометр; малообъемный вискозиметр и трехшариковая машина трения.
Испытание масел проводят в два этапа. На первом этапе масла испыты-ваются при температуре 180 С с перемешиванием. Для этого проба масла постоянной массы (100 г) термостатируется в течение 8 ч, затем отбираются пробы для фотометрирования, определения коэффициента поглощения светового потока Кпо окисленного масла и испытания на трехшариковой машине. Далее проба масла доливается до первоначальной массы и испытания продолжаются до достижении коэффициентом поглощения светового потока значения, приблизительно равного 0,1; 0,2 …0,7; 0,8 ед. Если значения коэффициента Kпо не достигли указанных, то испытания на трехшариковой машине не проводятся.
Параметры выбраны постоянными: нагрузка – 13 Н; скорость скольжения – 0,68 м/с; температура масла в объеме – 80 С; время испытания 2 ч. Показатель износа определяется как среднеарифметическое значение диаметра пятна износа на трех шарах.
После завершения цикла испытаний вычисляются значения критерия противоизносных свойств окисленных масел По, по формуле (4.1) строится графическая зависимость критерия от коэффициента поглощения светового потока Kпо, по которой определяется скорость изменения критерия По.
