Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных представлений о процессах формирования граничных смазочных слоев 10
1.1 Состав моторных масел и современные представления процессов формирования граничных смазочных слоев 10
1.2 Влияние температуры на смазочные материалы 19
1.3 Исследование влияния нагрузки на температурную стойкость граничных смазочных слоев 28
1.4 Современные методы оценки температурной стойкости сма зочных материалов 36
Выводы по главе 52
Глава 2. Разработка комплексного метода контроля влияния процессов температурной де струкции моторных масел на противоизносные свойства 54
2.1 Исходные требования к техническим средствам измерения 54
2.2 Обоснование выбора масел 56
2.3 Конструктивные особенности прибора для оценки температурной стойкости смазочных масел 57
2.4 Характеристика вспомогательных приборов 66
2.5 Конструктивные особенности приборов для оценки противоизносных свойств смазочных масел 70
2.6 Методика исследования температурной стойкости и совместного влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства смазочных масел 77
Выводы по главе 79
3 Результаты испытания моторных масел на температурную стойкость и совместного влияния их продуктов и нагрузки на противоизносные свойства 81
3.1 Результаты испытания минерального моторного масла М-8Г2К 81
3.2 Результаты испытания частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF 94
3.3 Результаты испытания синтетического моторного масла Esso Ultron 5W-40 SL/CF 106
Выводы по главе 117
4 Разработка технологий диагностирования смазочных масел 119
4.1 Технология контроля влияния процессов температурной деструкции на состояние смазочных масел 119
4.2 Технология контроля противоизносных свойств термостатированных смазочных масел 121
4.4 Технология оценки влияния нагрузки на смазывающие свойства термостатированных масел 123
4.4 Предложения по совершенствованию системы классификации 124
Выводы по главе 126
Заключение 127
Библиографический список 129
Приложение
- Влияние температуры на смазочные материалы
- Конструктивные особенности прибора для оценки температурной стойкости смазочных масел
- Результаты испытания частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF
- Технология контроля противоизносных свойств термостатированных смазочных масел
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Работоспособность смазываемых деталей не может быть обеспечена в отрыве от рассмотрения условий смазки, ибо она зависит от поведения всей триады «металл-смазочный материал-металл». Смазочный материал должен рассматриваться как конструкционный материал, применение которого не может и не должно носить случайного характера. Выбор смазочного материала должен производиться конструктором столь же продуманно, как и выбор материала, термообработки, микрогеометрии и т.д. Определение критических температур важно для предварительного выбора смазочного материала при проектировании и эксплуатации соответствующего узла трения. Приближенным расчетом можно оценить возможную температуру в контакте сопряжения при наиболее тяжелых условиях его работы и подобрать смазочный материал с несколько большей критической температурой. В этой связи, разработка метода контроля интенсивности процессов температурной деструкции масел и влияние их продуктов и нагрузки на противоизносные свойства является актуальной задачей, решение которой позволит создать банк данных для современных масел, и обеспечит обоснованный их выбор на стадии проектирования техники.
Степень разработанности темы. Температурная стойкость как эксплуатационный показатель, характеризует температурную область работоспособности смазочных материалов и определяется непосредственно при граничном трении скольжении или в объеме по лаконагарообразованию. В этой области известны работы P.M. Матвеевского, И.А. Буяновского, Н.К. Мышкина, и др. Температурная стойкость смазочных масел при трении определяется по критическим температурам (ГОСТ 23.221-84), нагрузкам схватывания и обобщенным показателем износа. Все показатели определяются по величине износа или коэффициенту трения. При этом учитываются изменения свойств масел в результате температурной, механической и химической деструкции, протекающих на поверхностях трения в контакте.
Задачи исследования в диссертационной работе предусматривают предварительное термостатирование масел, в результате чего в объеме масла протекает процесс температурной деструкции базовой основы и легирующих присадок. Влияние температуры на процесс деструкции оценивалось оптическим методом по коэффициенту поглощения светового потока, вязкости, испаряемости, а продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства - по величине износа.
Объекты исследования: моторные масла различных базовых основ.
Предмет исследования: процессы температурной деструкции моторных масел и влияние продуктов этих процессов и нагрузки на противоизносные свойства
Цель диссертационной работы: разработать метод контроля процессов температурной деструкции моторных масел различных базовых основ и влияния их продуктов и нагрузки на противоизносные свойства. Задачи исследования:
-
Разработать комплексный метод контроля процессов температурной деструкции моторных масел различных базовых основ и влияния их продуктов и нагрузки на противоизносные свойства.
-
Исследовать влияние температуры в диапазоне от 140 до 300 С на интенсивность процессов деструкции моторных масел различной базовой основы и обосновать критерий оценки.
-
Исследовать влияние концентрации продуктов температурной деструкции и нагрузки на изнашивание и обосновать критерий оценки.
-
Разработать практические рекомендации по выбору смазочных масел в зависимости от степени нагруженности и температурного режима работы.
Научная новизна работы:
-
Разработан комплексный метод контроля процессов температурной деструкции моторных масел различной базовой основы, включающий оценку влияния температуры на процессы деструкции масел и их продуктов на противоизносные свойства, определяемого изменением оптических свойств, вязкости, испаряемости и смазывающей способности при увеличении нагрузки.
-
Получены функциональные зависимости и регрессионные уравнения процессов температурной деструкции моторных масел, позволяющие установить: температурные области образования двух видов продуктов деструкции, различающиеся оптическими свойствами и энергоемкостью их образования; явление перераспределения избыточной тепловой энергии на образование продуктов деструкции и испарение; критерий температурной стойкости, определяемый суммой коэффициентов поглощения светового потока и испаряемости, позволяющий сравнивать смазочные масла по стойкости к температурным воздействиям.
-
Получены функциональные зависимости и регрессионные уравнения изменения противоизносных свойств термостатированных моторных масел от концентрации продуктов температурной деструкции и нагрузки, что позволило установить: три характерных температурных области, независимо от базовой основы, различающиеся величиной износа и температурным диапазоном их формирования; температурный диапазон действия продуктов деструкции присадок, обеспечивающих предотвращение схватывания; критерий противоизносных свойств смазочных масел, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующий условную концентрацию продуктов температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, поз-
воляющнй сравнивать различные смазочные масла по противоизносным свойствам.
4. Разработаны практические рекомендации, включающие технологии определения: температурной стойкости и совместного влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства термостатированных масел; предложения по совершенствованию классификации моторных масел, позволяющие создать банк данных (справочник) по смазочным маслам с новыми показателями и обоснованно осуществлять их выбор при проектировании техники в зависимости от степени нагруженно-сти и температурного режима работы.
Практическая значимость. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации по технологиям определения: температурной стойкости смазочных масел, влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства, предложения по совершенствованию классификации моторных масел, позволяющие создать банк данных (справочник) по смазочным маслам с новыми показателями и обоснованно осуществлять их выбор.
Методы исследования: решение поставленных задач осуществлялось с применением теоретического анализа механизма температурной деструкции смазочных масел, теории трения, износа и смазки, оптики и теплотехники. При выполнении работы применялись поверенные стандартные и специально разработанные автором приборы, теория планирования,и обработки результатов экспериментальных исследований, методы математической статистики и регрессионного анализа.
На защиту выносятся:
-
Комплексный метод контроля процессов температурной деструкции моторных масел различных базовых основ и влияния их продуктов и нагрузки на противоизносные свойства.
-
Результаты экспериментальных исследований и регрессионного анализа процессов температурной деструкции моторных масел различной базовой основы в диапазоне температур от 140 до 300 С и критерий температурной стойкости.
-
Результаты исследований влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на изнашивание и критерий противоизносных свойств.
-
Практические рекомендации по выбору смазочных масел в зависимости от степени нагруженности и температурного режима работы.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных в работе научных положений, выводов и рекомендаций, подтверждается теоретически и экспериментально. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы получены с использованием положений трибологии, оптики, теплотехники, выводы подтверждены проведенными экспериментальными исследованиями, их воспроизводимостью и
результатами математической обработки с использованием сертифицированных программ.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований представлены, на Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», посвященной 55-летию Тюменского государственного нефтегазового университета (Тюмень, 2011), Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области технических наук (Санкт-Петербург, 2012), на XIII научно-технической конференции молодежи ОАО «Транссибнефть» (Омск, 2012), на II научно-практической конференции «Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса» (Новокузнецк, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных трудов, в том числе 7 статей в изданиях рекомендованных ВАК, 1 патент РФ.
Личный вклад автора. Автором лично разработаны методы контроля температурной стойкости и противоизносных свойств моторных масел, проведены исследования и их математическая обработка, оценено влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоиз-носные свойства масел различной базовой основы, обоснованы критерии температурной деструкции и противоизносных свойств, участие в подготовке научных статей и оформлении патента.
Объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, изложенных на 143 страниц машинописного текста, поясняется 60 рисунками, 9 таблицами. Список литературы включает 112 наименований.
Влияние температуры на смазочные материалы
Нефть и особенно ее высококипящие фракции и остатки характеризуются невысокой термической стабильностью. Для большинства нефтей температура термической стабильности соответствует температурной границе деления примерно между дизельным топливом и мазутом по кривой истинной температуры кипения, то есть = 350 - 360 С. Нагрев нефти до более высоких температур будет сопровождаться ее деструкцией и, следовательно, ухудшением качества отбираемых продуктов перегонки. В этой связи перегонку нефти и ее тяжелых фракций проводят с ограничением по температуре нагрева. В условиях такого ограничения для выделения дополнительных фракций нефти, выкипающих выше предельно допустимой температуры нагрева сырья, возможно использовать практически единственный способ повышения относительной летучести компонентов - перегонку под вакуумом [31]. Вакуумная перегонка применяется и для выделения из нефти керосино-газойлевых фракций 200-300 С; при этом желательно для полного предотвращения деструкции компонентов нефти, чтобы температура процесса не превышала 200 С [32]. Перегонка мазута при остаточных давлениях в зоне питания вакуумной колонны =100 и =20 мм рт. ст. (=133 и 30 гПа) позволяет отобрать газойлевые (масляные) фракции с температурой конца кипения соответственно до 500 и 600 С.
В термических процессах одновременно и совместно протекают как эндотермические реакции крекинга (распад, дегидрирование, деалкилирование, деполимеризация, дегидроциклизация), так и экзотермические реакции синтеза (гидрирование, алкилирование, полимеризация, конденсация) и частично реакции изомеризации с малым тепловым эффектом [33]. Термодинамическая стабильность всех углеводородов, за исключением ацетилена, понижается с повышением температуры. При высокой температуре алкены, алкадиены и арены значительно более устойчивы, чем алканы и цикло-алканы. Отсюда можно сделать вывод, что для переработки алканов в алкены достаточно простого нагревания до высокой температуры. Однако, алкены при любой температуре неустойчивы к вторичным реакциям, например, к полимеризации. Кроме того, даже при относительно низкой температуре термодинамически возможен распад углеводородов на элементы. Вследствие этого общее термодинамическое равновесие системы со временем сдвигается в сторону глубоких превращений (с образованием водорода, метана, смолы, кокса).
Термические реакции алканов приводят к низшим алкенам. Экспериментальные данные по составу продуктов тepмичecкoгo распада алканов хорошо объясняются радикально-цепным механизмом реакции. Начиная с бутана, распад алканов по связи -С-С- становится преобладающим. Относительная скорость крекинга алканов возрастает с увеличением молекулярной массы, что объясняется уменьшением энергии диссоциации С-С-связей посредине молекулы и увеличением числа С-С-связей с низкой энергией диссоциации: Число атомов углерода в молекуле 5 6 7 8 10 12 20 Относительная скорость крекинга 1 4 9 10 32 46 120 Если исходный алкан содержит менее шести атомов углерода в основной цепи, то ароматизации предшествует изомеризация алкана с удлинением основной цепи. Скорость ароматизации возрастает с увеличением длины цепи ал-кана. Алканы, содержащие десять и более атомов углерода, образуют арены с конденсированными кольцами. Арены с достаточно длинными боковыми цепями могут замыкать дополнительные циклы.
В результате дегидроциклизации алканов образуются гомологи бензола и нафталина с максимальным содержанием метильных заместителей в ядре, которое допускается строением исходного алкана. Продукты деструкции - твердые углеродистые соединения, которые представляют собой абразив. Несмотря на глубокие изменения качества при работе масла в двигателях, основной его углеводородный состав меняется незначительно, поскольку общее количество механических примесей и продуктов окисления не превышает 4-6% [34].
Процессы деструкции смазочных материалов различных базовых основ изучены недостаточно, особенно влияние продуктов деструкции на контактирующие поверхности металлов и процессы, происходящие при трении в режиме граничной смазки. Исследование связи между процессами деструкции базовой основы, происходящими в смазочных материалах, и присадками является важным моментом в обосновании их ресурса.
Главным фактором, влияющим на срок службы любого масла, следует считать температуру на поверхностях трения. Тепловой режим работы в процессе эксплуатации имеет для долговечности масла такое же значение, как для долговечности деталей машин их напряженное состояние под действием эксплуатационных нагрузок [35].
Дерягин Б.В. [36], исследуя состояние тонких смазочных слоев, показал, что тонкие граничные слои обладают особой способностью расклинивающего действия. Эффект расклинивания состоит в том, что в тонких граничных слоях развивается давление, препятствующее сближению поверхностей и стремящееся их раздвинуть, причем давление растет с уменьшением зазора. Расклинивающее действие не связано с объемными свойствами смазочного материала, а проявляется в присутствии поверхностно-активных веществ и зависит от их взаимодействия с твердой поверхностью.
Ахматовым А.С. [37] рассматривается формирование граничных смазочных слоев как одно из явлений кристаллизации. Рассматривая вопросы о свойствах граничных слоев смазочного материала, он приходит к выводу о влиянии на них твердой фазы (металлической поверхности). Основное свойство граничных слоев заключается в том, что чем больше давление, воздействию которого они подвергаются, тем больше их упругость, т.е. способность сопротивляться давлению. При исследовании граничных слоев смазочных материалов Ахматов А.С. показал критическую толщину граничного слоя, изменяющего в пределах от 0,1 до 0,05 мк. В определенных пределах температуры и давления граничные слои обладают упругостью формы и являются квазитвердыми.
Конструктивные особенности прибора для оценки температурной стойкости смазочных масел
Как правило, для любого испытания необходимо воспользоваться набором технических средств испытания и измерения. В данной работе для испытания на температурную стойкость и оценки совместного влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства смазочных масел были разработаны и применены следующие приборы: малообъемный вискозиметр, фотометр, электронные весы и трехшариковая машина трения со схемой “шар-цилиндр”. Существует необходимость задать минимальные исходные требования для получения объективной и полной информации о температурной стойкости и оценки совместного влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства смазочных масел.
Оценка температурной стойкости проводилась по следующим параметрам: коэффициенту поглощения светового потока, вязкости, испаряемости и комплексному критерию температурной стойкости, что позволило изучить динамику процессов деструкции и установить температуру начала деструкции и критические температуры работоспособности масел. Оценка совместного влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на триботехнические характеристики масел проводилась по следующим параметрам: износу, противо-износным свойствам, скорости изменения противоизносных свойств, что позволило исследовать влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на износ, установить температурную область работоспособности смазочных масел по параметру износа и температурную область исключающую схватывание поверхностей трения.
Продолжительность испытания зависит от группы масла. Для дизельных масел групп до Г2к включительно и универсального масла М-8В (по отечественной классификации согласно ГОСТ 17479.1-85) длительность испытания составляет 3 ч; обобщенный показатель - ОПМ3. Масла групп SF и выше (по классификации АРІ) для бензиновых двигателей, дизельные масла групп Д2 (по ГОСТ 17479.1- 85), групп CD и выше (по API) испытывают в течение 5 ч; обобщенный показатель - ОПМ5. Метод был использован при разработке новых составов дизельных и карбюраторных масел. С его использованием было допущено к производству и применению 23 масла нового состава. На основе проведенного анализа исследований в области температурной стойкости смазочных материалов установлено, что этот показатель эксплуатационных свойств в основном исследовался применительно к граничному трению (ГОСТ 23.221-84), а работ, направленных на изучение процессов, протекающих в объеме смазочного материала при высоких температурах, недостаточно, и они в основном сосредоточены на определении температур, при кото 52 рых появляются лаконагарообразования. Однако изучение процессов, протекающих в объеме смазочного материала, можно трансформировать на граничные слои и объяснить процессы деструкции базовых масел и присадок и влияние продуктов этих процессов на изнашивание. В этой связи разработаны основные направления и задачи комплексных исследований температурной стойкости смазочных материалов различных базовых основ, классов вязкости и групп эксплуатационных свойств, что позволило выявить особенности процессов деструкции присадок и базовых основ масел. Анализ исследований в области классификации смазочных материалов показал, что: 1. Информации, предоставляемой производителями нефтепродуктов по стандартным методам, для специалистов по разработке новой техники и эксплуатационникам недостаточно. Для принятия обоснованного решения о применении смазочных материалов для машин и механизмов, работающих в широких диапазонах нагрузочных режимов необходима дополнительная информация, включающая: температурный предел работоспособности; триботехниче-ские характеристики; температурную стойкость; изменения вязкости масел при температурной деструкции; обоснование предельного состояния при эксплуатации. 2. Отсутствуют экспресс-методы определения деструкции базовых масел и присадок, что в значительной мере затрудняет правильность подходов к объяснению процессов схватывания при трении и обоснованию предельного состояния смазочных масел. 3. Обзор работ, посвященных анализу процессов модифицирования поверхностных слоев, формирования защитных структур на контактных парах в условиях граничного режима смазки, подтверждает необходимость проведения дальнейших исследований в данном направлении. Очевидно, что продление ресурса агрегатов машин во многом определяется условиями формирования и свойствами граничных смазочных слоев на трущихся поверхностях, однако процессы их образования и деструкции, структурные изменения, приводящие к самоорганизации, требуют дальнейшего изучения. 4. Температурная стойкость смазочных масел, как показатель эксплуатационных свойств, в основном исследовалась применительно к граничному трению (ГОСТ 23.221-84), а работ в области изучения процессов, протекающих в объеме смазочного материала при высоких температурах и влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства масел и процессы, протекающие на фрикционном контакте изучены недостаточно, поэтому поиск новых методов оценки и обоснование критериев предельного состояния масел является актуальной задачей, решение которой позволит объяснить механизм формирования защитных граничных слоев на поверхностях трения при высоких температурах и повысить надежность объектов машиностроения.
Результаты испытания частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF
Параметры испытания при термостатировании составили: время испытания – 8 ч, температурный диапазон от 140 до 300 С, толщина фотометрируемо-го слоя 8 и 2 мм. Параметры трения составили: нагрузки 13, 23 и 33Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура испытания 80 С, время испытания 2 ч [112]. Фотометрирование термостатированных масел проводилось при толщинах фотометрируемого слоя 8 и 2 мм, т.к. при температурах выше 240 С наступает низкая чувствительность фотометра при толщине 8 мм (рисунок 3.12). (фотометрирование при толщине фотометрируемого слоя: 2 - 8 мм; 2 - 2 мм) Рисунок 3.12 - Зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования частично синтетического моторного масла ТНК 5W-40 SL/CF Влияние температуры на изменение оптических свойств масел оценивалось коэффициентом поглощения светового потока Кп. Установлено три характерных температурных области различающимися характером изменения коэффициента #п. Первая температурная область - до Ткр1 (210 С) характеризуется линейным изменением коэффициента и описывается уравнением: К а(Т-Тн) + Ь, (3.23) где а - коэффициент, характеризующий интенсивность процесса деструкции, С"1; Ъ коэффициент, характеризующий оптические свойства товарного масла; Т - температура испытания, С, Тн - температура начала деструкции, С. Температура начала деструкции для масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF составила 160 С. Регрессионное уравнение процессов деструкции в первой температурной области имеет вид: кП= 0,003 -(Т -160) + 0,031 (3.24) Во второй температурной области от Ткр1 до Ткр2 наблюдается резкое увеличение коэффициента Кп указывающее на образование новых (вторичных) продуктов деструкции с большей оптической плотностью, причем исходным материалом для их образования являются первичные продукты, образовавшиеся до температуры Ткр1. Изменения коэффициента Кп в этой области характеризуются увеличением его значений, вызванными перераспределением избыточной энергии между первичными и вторичными продуктами деструкции и испарением. Критическая температура Ткр2 составила 270 С.
Третья температурная область определяется температурой больше Ткр2 и характеризуется стабилизацией коэффициента К п, причем для масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF (кривая 2) толщина фотометрируемого слоя составляла 2 мм. Вязкость термостатированных масел оценивалась коэффициентом относительной вязкости Км, определяемым отношением вязкости термостатированного масла к вязкости товарного (рисунок 3.13). Вязкость частично синтетического масла сначала увеличивается на 5% до температуры Ткр1, а при температуре больше Ткр1 вязкость начинает падать и при температуре 300 С она уменьшается на 20% по отношению к товарному маслу. Рисунок 3.13 – Зависимость коэффициента относительной вязкости от температуры термостатирования частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF Испаряемость масла при термостатировании (рисунок 3.14) резко увеличивается при температуре выше Ткр1, поэтому температура Ткр1 является оптимально допустимой для моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF. Рисунок 3.14 - Зависимость испаряемости от температуры термостатиро-вания частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF Влияние продуктов деструкции на вязкость исследовалось зависимостью Км =/СКП) (рисунок 3.15). Установлено, что вязкость понижается во всем диапазоне изменения коэффициента поглощения светового потока. Рисунок 3.15 - Зависимость относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока при термостатирования частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF Влияние испаряемости масла на значения коэффициента КП исследовано зависимостью К П=f(G) (рис. 3.16). Установлена кусочно-линейная зависимость КП = /(G), имеющая изгиб при температуре Ткр2, что подтверждает наличие явления перераспределения избыточной тепловой энергии между продуктами деструкции и испарением т.е. процессы испарения преобладают над процессами деструкции. В этом случае продукты испарения поглощают большую часть энергии замедляя процесс деструкции. Регрессионное уравнение зависимости КП = /(G) имеет вид: КП= 0,031 -G- 0,033 (3.25) Коэффициент корреляции равен 0,985. Рисунок 3.16 - Зависимость коэффициента поглощения светового потока от испаряемости при термостатирования частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF Таким образом при термостатировании частично синтетического моторного масла сброс избыточной тепловой энергии происходит по двум каналам, изменяющих оптические свойства и испаряемость масла, поэтому процессы деструкции масла предложено оценивать критерием ЕТС, определяемым выражением EТС=KП+KG, (3.26) где КП - коэффициент поглощения светового потока; KG - коэффициент испаряемости масла. KG=m/M, (3.27) где m - масса испарившегося масла при термостатировании, г; М - масса пробы масла после термостатирования, г. Критерий температурной стойкости моторного масла является безразмерным, и позволяет сравнивать различные масла, а зависимость его от температуры термостатирования представлена на рисунке 3.17. Показано, что независимо от толщины фотометрируемого слоя зависимость ЕТС = f(T) претерпевает изгиб при температурах 210, 250 и 270 С.
При анализе зависимостей параметра износа от температуры термостати-рования (рисунок 3.18) и нагрузки учитывался фактор влияния на износ первичных продуктов деструкции (с малой оптической плотностью до 0,2 ед.), образующихся до температуры Ткр1 (210 С) и вторичных продуктов деструкции образующихся после температуры Ткр1 (см. рисунок 3.12), при этом концентрация продуктов деструкции с повышением температуры испытания увеличивается. Данные зависимости характеризуются тремя областями, различающихся величиной износа, температурным диапазоном и зависят от нагрузки на пару трения. Первая область определяется температурным диапазоном от 140 до 160 С, где износ возрастает, а его величина определяется нагрузкой. Так, износ составляет для нагрузок: 13Н - 0,275 мм; 23Н - 0,310 мм; 33Н - 0,345 мм. Зависимость износа от нагрузки носит линейный характер (рис. 3.19). Можно полагать, что в этой области практически отсутствуют продукты деструкции.
Вторая область определяется температурным диапазоном, зависящим от нагрузки, что подтверждает неоднозначное влияние нагрузки на параметр износа, который составляет для нагрузок: 13Н от 160 до 190 С, 23, 33Н от 160 до 200 С. Отсюда можно сделать вывод, что нагрузка в этой области (при первичных продуктах деструкции) в отличие от первой области оказывает влияние на формирование хемосорбционного граничного слоя на поверхностях трения.
Третья температурная область определяет величину износа, зависящую как от первичных, так и вторичных продуктов деструкции, а также нагрузки на пару трения. Согласно данным рисунка 3.12 вторичные продукты деструкции для частично синтетического масла ТНК Супер 5W-40 образуются после 210 С, а изменение параметра износа в данной области характеризуется двумя участками, и зависит от концентрации первичных и вторичных продуктов температурной деструкции, нагрузки и процессов, протекающих на фрикционном контакте, влияющих на свойства образующихся граничных слоев, и характеризует температурный диапазон действия продуктов деструкции присадок, направленных на предотвращение схватывания. Поэтому износ в этой области изменяется в небольших пределах.
Зависимости диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока, характеризующего концентрацию продуктов деструкции, и нагрузки представлены на рисунке 3.20. Показано, что независимо от нагрузки при малых концентрациях продуктов температурной деструкции противоизнос-ные свойства термостатированных масел понижаются. Однако максимальное увеличение износа наступает при значениях коэффициента KП , полученных при температурах термостатирования до Ткр1 (см. на рисунок 3.12), т.е. когда образуются первичные продукты температурной деструкции. Нагрузка в этой температурной области (до Ткр1) увеличивает износ. Дальнейшее увеличение концентрации вторичных продуктов деструкции приводит к стабилизации износа при всех нагрузках. Это может объясняться формированием на поверхностях трения модифицированных слоев за счет активации присадок.
Технология контроля противоизносных свойств термостатированных смазочных масел
Конструированию деталей машин и технологии машиностроения посвящено большое количество литературы, а вопросы смазки остаются практически в тени. В результате этого инженерно-технические работники машиностроения недостаточно осведомленными в научно-теоретических, практических вопросах смазки и о природе смазочного действия масел и особенностях их влияния на трение и износ деталей машин. Недостаточное знакомство с этими вопросами приводит к недооценке влияния масел на долговечность и работоспособность машин, неумению правильно назначать масло для конкретных случаев эксплуатации, а также формулировать требования на разработку нужного сорта масла. Схема реализации технологии определения противоизносных свойств термостатированных смазочных масел представлена на рисунке 4.2. Технология предусматривает использование следующих средств контроля: прибор для определения температурной стойкости, трехшариковая машина трения со схемой трения «шар-цилиндр» и микроскоп, техническая характеристика которых приведена во второй главе диссертации. После термостатирования пробу масла испытывают на трехшариковой машине трения со схемой трения «шар-цилиндр» в течение двух часов с параметрами трения: нагрузка – 13, 23 и 33 Н, скорость скольжения – 0,68 м/с, температура масла в объеме – 80 С, время испытания – 2 часа. Износ измерялся с помощью микроскопа. Противоизносные свойства масел определялись по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах из трех опытов. По полученным данным изменения износа определялся критерий противо-износных свойств П , характеризующий условную концентрацию продуктов деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, определяемый выражением U Затем строятся графические зависимости износа от температуры термоста-тирования и критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока, по которым определяются температурные области работоспособности по параметру износа, температурный диапазон действия противоизносных присадок; противоизносные свойства - по углу наклона графической зависимости П = /(КП). Полученные данные по противоизносным свойствам смазочных масел позволяют сравнивать масла одного назначения и создать банк данных, который позволит конструкторам техники обоснованно осуществлять выбор масел с наилучшими противоизносными свойствами в зависимости от температурных условий работы трибосопряжений. Недостатком известных способов при определении смазывающих свойств масел, является то, что они не обладают достаточной информативностью, так как не учитывают совместного влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на смазывающие свойства масел и не определяют температурную область действия присадок, исключающую схватывание поверхностей трения. Пробу термостатированного масла при каждой температуре испытывают на машине трения при трех нагрузках, измеряют диаметр пятна износа при каждой нагрузке, строят графические зависимости диаметров пятен износа от температуры термостатирования для каждой нагрузки, определяют температурные области формирования адсорбционных слоев на поверхностях пятен износа (где износ минимальный), хемосорбционных слоев (где износ увеличивается) и модифицированных слоев (где износ изменяется в небольших пределах, за счет действия продуктов деструкции присадок). Влияние нагрузки опре деляется температурным диапазоном формирования тех или иных слоев. Применение данной технологии позволяет обоснованно отбирать более термостойкие масла и совершенствовать систему классификации по группам эксплуатационных свойств. В настоящее время существует большой ассортимент моторных масел, и перед потребителем возникает сложность при выборе соответствующего качества, существует большой риск приобрести дорогостоящий смазочный материал не принадлежащий к рекомендованной группе эксплуатационных свойств. Применение этого материала может ухудшить состояние узлов механической системы, при этом срок ее службы сократится. Расходы на восстановления машин и механизмов ежегодно возрастают. Затраты на ремонт и техническое обслуживание в несколько раз превышают их стоимость: для тракторов в 4 раза, автомобилей в 6, для станков до 8 раз и более [113]. Поэтому возникает необходимость в совершенствовании системы классификации моторных масел, и создании банка данных (справочник) по смазочным материалам с новыми показателями для обоснованного их выбора при проектировании техники.
Технология разработана на основании проведенных исследований в третьей главе и предусматривают определение основных показателей: коэффициента относительной вязкости, критериев температурной стойкости и противоизнос-ных свойств, температуру термостатирования и нагрузку на пару трения.
При наличии банка данных по предлагаемым показателям температурной стойкости, противоизносных свойств, смазывающей способности смазочных масел значительно упрощает процедуру их выбора для конструкторов и технологов проектирующих новые машины и агрегаты.
