Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел по параметрам термоокислительной стабильности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ ПО ПАРАМЕТРАМ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Безбородов Юрий Николаевич

Красноярск - 2009

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Надежность механических систем закладывается на стадии проектирования, обеспечивается при изготовлении и подтверждается в период эксплуатации техники. Большое влияние на показатели надежности оказывают смазочные масла. Поэтому на стадии проектирования конструктора должны обеспечиваться методической базой по выбору и полной информацией не только по прочностным характеристикам материалов деталей машин, но и смазочным маслам, включающей: температурную область применения, совместимость с материалами пар трения, противоизносные свойства, термоокислительную стабильность, несущей способности граничного слоя, склонность к формированию защитных слоев на поверхностях трения и антикоррозионные свойства.

На стадии изготовления машин и механизмов, при разработке технологий упрочнения деталей не учитываются фактические температуры в зоне фрикционного контакта, процессы, протекающие на поверхностях трения и в самом смазочном материале, влияющие на коррозионно-механическое изнашивание.

В процессе эксплуатации не учитываются изменяющиеся свойства и качество смазочных масел. В существующей системе планово-предупредительных работ предусмотрен контроль ресурса смазочных масел по наработке в мото-часах и пробегу в километрах пройденного пути, что объективно не может учитывать фактическое состояние применяемых масел и техническое состояние узлов трения и системы фильтрации, режимы и условия эксплуатации техники. Поэтому эта система, наряду со своей простотой, не в полной мере направлена на повышение эффективного использования применяемых масел.

Вследствие этого, одной из основных задач, связанных с повышением технических и эксплуатационных показателей проектируемой и эксплуатируемой техники является подбор соответствующих смазочных масел, выбор оптимальных режимов эксплуатации и смазки.

Смазочные масла, оптимально подобранные для решения конкретной технической задачи, могут дать значительный эффект за счет экономии энергии, снижения износа, затрат на техническое обслуживание и ремонт, увеличение срока службы машин и оборудования, и, наконец, они могут быть рациональным средством решения актуальных проблем экологии и охраны окружающей среды.

На основании выше изложенного можно сделать вывод, что разработка средств и методов контроля состояния смазочных масел и процессов, протекающих на фрикционном контакте, а также обоснование критериев их оценки является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы. Разработка системы контроля и диагностирования смазочных масел на основе дополнительной информации по параметрам термоокислительной стабильности.

Задачи исследований. Разработать комплексную методику и средства контроля смазочных масел, которые позволяют получить дополнительную информацию для проведения классификационных испытаний, обоснованный выбора на этапах проектирования и контроля работоспособности в условиях эксплуатации.

Исследовать процессы и механизм термоокисления смазочных масел различных классов вязкости, групп эксплуатационных свойств, базовой основы и области применения при статических и циклических изменениях температуры.

Исследовать влияние эксплуатационных факторов на ресурс и противоизносные свойства смазочных масел.

Разработать эффективные методы и средства контроля смазочных масел в условиях эксплуатации техники, и предложения по расширению информации о эксплуатационных свойствах товарных смазочных масел, используемых на этапах проектирования новых машин и механизмов.

Разработать технологии по обоснованному и эффективному применению смазочных масел.

Объект исследований - товарные, моторные и трансмиссионные масла различных базовых основ и классов вязкости, и отработанные моторные масла.

Предмет исследований - термоокислительная стабильность смазочных масел, факторы влияющие на этот показатель и связь его с противоизносными свойствами.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с применением теоретического анализа механизма окисления углеводородов и присадок к ним, теории экспериментов, теории трения, износа и смазки, теории износостойкости, методов расчета ресурса смазочных масел, электрооптических методов, методов седиментации и хромотографии.

При выполнении работы применялись стандартные и специально разработанные приборы, а для обработки результатов экспериментальных исследований - методы математической статистики и регрессионного анализа.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных автором, подтверждается теоретически и экспериментально, а также обеспечивается: необходимым объемом экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментально полученных результатов исследований; непротиворечивостью исследованиям других авторов; использованием регистрирующего испытательного оборудования, позволяющего с достаточной точностью осуществлять измерения требуемых параметров; обоснованием критериев, характеризующих процессы окисления и формирования защитных граничных слоев для смазочных материалов различных базовых основ, а также использованием регрессионного анализа при обработке полученных результатов с применением современных средств вычислительной техники, программного обеспечения и методов математической статистики.

На защиту выносятся:

Комплексная методика исследования смазочных масел различных классов вязкости, групп эксплуатационных свойств, базовой основы и назначения на термоокислительную стабильность при статических и циклических изменениях температуры.

Рекомендуемые дополнительные показатели эксплуатационных свойств смазочных масел, применяемые при проведении классификационных испытаний, обоснованного выбора на этапах проектирования и контроля работоспособности в условиях эксплуатации.

Результаты исследования влияния доливов, смесей и минеральных и синтетических масел, углеродистых и подшипниковых сталей на окислительные процессы и критерии их оценки.

Метод испытания смазочных масел на противоизносные свойства, результаты исследования товарных масел и критерии оценки.

Результаты исследования связи между процессами окисления и противоизносными свойствами смазочных масел.

Результаты исследования противоизносных свойств отработанных масел и метод определения предельного состояния.

Метод исследования механохимических процессов при граничном трении скольжения.

Технологии контроля товарных и диагностирования работающих смазочных масел, направленных на эффективное их применение.

Научная новизна работы:

- разработана комплексная методика исследования товарных масел и диагностирования работающих смазочных масел, включающая оценку их состояния по термоокислительной стабильности и противоизносным свойствам, что позволяет обосновать и предложить дополнительные информационные показатели: температура начала окисления и испарения, коэффициент тепловых преобразований, количественные показатели процесса формирования защитных граничных слоев при трении скольжения;

- разработана методика исследования термоокислительной стабильности смазочных масел при циклическом изменении температуры испытания, позволяющая определить температурные параметры процесса окисления, интенсивность и скорость их протекания и применять их при классификации и идентификации, а также определение потенциального ресурса;

- получены функциональные зависимости и регрессионные уравнения процессов окисления смазочных масел различных базовых основ, классов вязкости и назначения, дающие возможность их идентифицировать и совершенствовать систему классификации;

- разработана методика исследования противоизносных свойств смазочных масел, позволившая установить связь между термоокислительной стабильностью и противоизносными свойствами и обосновать интегральный критерий, учитывающий время пластической и упругопластической деформаций и механохимические процессы на фрикционном контакте;

- предложен электрометрический метод определения интенсивности механохимических процессов при граничном трении скольжения, позволяющий определить влияние продуктов окисления на период формирования фрикционного контакта и защитных граничных слоев на поверхностях трения;

- исследован механизм влияния металлов, доливов и смесей масел различных базовых основ на термоокислительную стабильность моторных масел, что позволило установить количественные показатели влияния этих факторов на ресурс и подтвердить эффективность предложенной комплексной методики исследования;

- получены функциональные зависимости и регрессионные уравнения процессов формирования фрикционного контакта и интенсивности механохимических процессов при образовании хемосорбционных защитных слоев, что позволило создать физическую модель этих процессов и предложить критерий противоизносных свойств смазочных масел;

- предложен метод определения предельного состояния работавших моторных масел, предусматривающий определение концентрации нерастворимых продуктов старения, что позволило оценить техническое состояние системы фильтрации, корректировать сроки замены масел и снизить эксплуатационные затраты;

- разработаны практические рекомендации, включающие технологии контроля товарных масел и диагностирования работающих смазочных масел, применение которых на эксплуатационных предприятиях позволяет повысить эффективность их применения;

- предложены дополнительные показатели эксплуатационных свойств смазочных масел, позволяющие совершенствовать их классификацию по группам эксплуатационных свойств и обоснованно осуществлять выбор для машин и агрегатов в зависимости от степени их нагруженности.

Практическая значимость работы. Разработана комплексная методика исследования смазочных масел различных классов вязкости и групп эксплуатационных свойств, базовой основы и назначения на термоокислительную стабильность при статических циклических изменениях температуры.

Получены дополнительные показатели эксплуатационных свойств смазочных масел, применяемые при их классификации .

Разработаны методы испытания смазочных масел на противоизносные свойства, исследования механохимических процессов при граничном трении, определения предельного состояния работающих масел.

Предложены технологии контроля товарных масел и диагностирования работающих смазочных масел.

Внедрены в учебный процесс и производство методическая и экспериментальная базы испытания смазочных масел.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы в учебных процессах Института нефти и газа Сибирского федерального университета, на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» Курского государственного технического университета; на производстве: ОНО «Красноярский опытный завод ГОСНИТИ Россельхозакадемии» (г. Красноярск), ОАО «Красноярское автотранспортное предприятие №1» (г. Красноярск), ФГУП «СибНИИ Стройдормаш» (г. Красноярск), ФГУП «НИИ автоматической аппаратуры имени академика В. С. Семенихина» (г. Москва), ООО «Красноярский металлургический завод» Институт автоматизации проектирования Российской академии наук (г. Москва), ОАО «Ангарская нефтяная компания» (г. Ангарск).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на Международной конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий» (Москва, 2003 г.); Всероссийской IV научно - практической конференции «Энергоэффективность жизнеобеспечения города» (Красноярск, 2006 г.); межрегиональной научно-практической конференции «Инновационное развитие регионов Сибири» (Красноярск, 2006 г.); Всероссийской научной конференции «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Красноярск, 2006); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном комплексе Азиатско-тихоокеанского региона» (Хабаровск, 2008 г.); Гомельской IV региональной конференции молодых ученых «Новые функциональные материалы, современные технологии и методы исследования» (Беларусь, Гомель, 2008 г.); Международной IV конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2008 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 научных трудов, в том числе 1 монография, 1 авторское свидетельство и 6 патентов РФ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

2. Содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, поставлены цель и задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первый раздел посвящен обзору и анализу результатов исследований в области возможностей обоснованного и эффективного применения смазочных материалов, с целью повышения надежности и долговечности машин и агрегатов за счет оптимального выбора параметров, условий работы, функций и свойств применяемых масел. Рассмотрены современные взгляды ученых на механизм действия смазки, без учета которого не возможно их рациональное применение.

С этой целью выполнен анализ исследований в области классификации смазочных масел на основании которого установлено, что информация, представляемая разработчиком новой техники и эксплуатационникам по группам эксплуатационных свойств и классам вязкости, недостаточна для принятия правильного решения о их выборе для машин и механизмов работающих в различных условиях эксплуатации. Кроме того, отсутствуют экспресс-методы идентификации смазочных масел и процедура их контроля.

Утвержденный «Порядок допуска к производству и применению смазочных материалов в Российской Федерации» включает 15-20 методов контроля только товарных масел, а применение данных методов для контроля работающих масел ограничено ввиду отсутствия научно-обоснованных браковочных показателей.

Смазочные масла как элемент механической системы, в процессе эксплуатации изменяют свои свойства, поэтому установление для них ресурса и разработка средств контроля является важной проблемой. В этом направлении широко известны работы И.В. Крагельского, Ю.А. Розенберга, Г.И. Шора, М.А. Григорьева, О.П. Лопатко, А.А. Дерябина, А.С. Ахматова, С.Б. Айбиндера, Г.В. Виноградова, Г.И. Фукса и др.

Одной из важных проблем при определении ресурса смазочных масел является поиск и обоснование критерия оценки механизма их старения. До сих пор отсутствуют научно-обоснованные критерии оценки ресурса масел с учетом изменений технического состояния эксплуатируемых машин и механизмов. Снижение эксплуатационных свойств смазочных масел определяется многими факторами, к ним относятся: процессы окисления базовой основы, расход и деструкция функциональных присадок, влияние на эти процессы условий и режимов работы техники, ее техническое состояние, материалов пар трения, продуктов окисления и примесей, попадающих извне. Вследствие этого подход к решению этой проблемы должен быть комплексным. В этой области известны работы Ю.С. Заславского, В.Д. Резникова, А.И. Соколова, С.В. Венцеля, Ю.А. Розенберга, В.П. Лашхи, А.Б. Виппера, В.Н. Лозовского и др.

Основным требованием предъявляемым к смазочным маслам является обеспечение износостойкости материалов пар трения в широком диапазоне нагрузок, скоростей и температуры, поэтому решение этой проблемы должно быть направлено на определение связи между механизмами старения смазочных масел и изнашиванием материалов, склонностью их к формированию адсорбционных, хемосорбционных и модифицированных защитных слоев при трении, увеличению нагрузки схватывания. В этом направлении широко известны работы Н.А. Буше, Б.И. Костецкого, Р.М. Матвеевского, И.А. Буяновского, Д.Н. Гаркунова, К.И. Климова, И.С. Гершмана, А.С. Кужарова и др.

На основе проведенного анализа исследований установлено отсутствие научно-обоснованного критерия и метода оценки качественного состояния смазочных масел и их ресурса, учитывающего влияние продуктов старения на противоизносные свойства и механизм изнашивания. В этой связи разработаны основные направления и задачи комплексных исследований, включающие оценку термоокислительных процессов и противоизносных свойств как товарных, так и работающих смазочных масел.

Во втором разделе представлена комплексная методика исследования смазочных масел на термоокислительную стабильность, противоизносные свойства и механохимические процессы протекающие на фрикционном контакте. Блок-схема комплексной методики контроля смазочных материалов приведена на рис. 1.

Рис.1 Блок-схема комплексной методики контроля смазочных масел

На основе анализа разработаны методики ускоренных испытаний смазочных масел с применением прямого фотометрирования с целью оценки термоокислительных процессов при статическом и циклическом температурном нагружении в заданных температурных диапазонах, влияния эксплуатационных факторов на ресурс смазочных масел и исследования противоизносных свойств товарных и работающих масел.

В качестве показателей термоокислительной стабильности предложены: коэффициенты поглощения светового потока, относительной вязкости и летучести, температуры начала термоокисления и испарения, критическая температура работоспособности, диспергирующие свойства, интенсивность образования продуктов окисления и скорость термоокисления. Данные показатели являются дополнительной информацией при выборе смазочных масел для новой или модернизированной техники.

Применение предлагаемых методик и показателей позволяет усовершенствовать процедуры идентификации и назначение группы эксплуатационных свойств для вновь разрабатываемых смазочных масел. Эффективность применения метода испытаний масел на термоокислительную стабильность подтверждается количественной и качественной оценкой процесса термоокисления при статических и циклических температурных нагружениях моторных и трансмиссионных масел на минеральной, частично синтетической и синтетической базовых основах, проводимых в рамках исследований по теме диссертационной работы и подтвержденных охранными документами РФ (Патент РФ № 2247971, № 2298173, № 2274850, № 2318206, №2334976 и а. с. № 20005611135).

На рис. 2 представлена блок-схема ускоренных испытаний на термоокислительную стабильность товарных масел. Метод ускоренных испытаний на термоокислительную стабильность предусматривет нагрев и перемешивание стеклянной мешалкой образцов испытуемого масла постоянной массы (100 г.) в стеклянном стакане. Температура испытания составляла для моторных масел в диапазоне от 130 до 180 єС, для трансмиссионных от 110 до 150 єС. При циклическом испытании масел температурный интервал составлял 10 єС с цикличностью его изменения через 6 часов. В ходе испытаний циклы повышения и понижения температур чередовались. Выбор температур обосновывается анализом литературных данных по условиям эксплуатации силовых установок и трансмиссий.

Рис. 2. Блок-схема ускоренных испытаний на термоокислительную стабильность товарных масел

Цикличность температурных нагружений обосновывается режимами работы техники и диапазонами рабочих температур на основании экспериментальных и эксплуатационных исследований в зимних и летних условиях эксплуатации, автомобильной и тракторной техники.

Оценка степени окисления при статических и циклических изменениях температуры исследования проводилась прямым фотометрированием по коэффициенту поглощения светового потока, изменению вязкости и летучести. Испытания проводились до достижения значения коэффициента поглощения светового потока равного 0,8 при толщине фотометрированного слоя 0,15 мм. В процессе испытания отбирались промежуточные пробы масел через 2, 5, 8 и 12 часов, а последующие через 5 часов для анализа при статических температурах испытания и через 6 часов при циклических изменения температуры. Последняя проба масла дополнительно центрифугировалась, подвергалась повторному фотометрированию с целью определения диспергирующих свойств. Разность коэффициентов поглощения светового потока до и после центрифугирования определяет моюще-диспергируюшие свойства испытанного масла.

К_мд = К_по - К_пц, (1)

Где К_мд - коэффициент, характеризующий моюще-диспергирующие свойства; К_по - коэффициент поглощения светового потока окисленного масла; К_пц - коэффициент поглощения светового потока окисленного масла после центрифугирования.

Сравнивая полученные результаты ускоренных испытаний с результатами других масел одной групп эксплуатационных свойств, класса вязкости и назначения, можно делать выводы о качестве испытуемого масла и его соответствия назначенной группе эксплуатационных свойств и класса вязкости.

Исследованию подвергались моторные и трансмиссионные масла на минеральной, частично синтетической и синтетической базовых основах различных групп эксплуатационных свойств.

Принятые условия испытаний направлены на сокращение продолжительности и трудоемкости определения термоокислительной стабильности. Предложенные методики отвечают этим требованиям, при этом методика циклического температурного нагружения по отношению к методике статического температурного нагружения сокращает время исследования в 5 раз.

Триботехнические испытания смазочных масел проводились на лабораторных установках, с применением электрометрического метода для определения противоизносных свойств и механохимических процессов, протекающих на фрикционном контакте.

Исследования проводились на трехшариковой машине трения со схемой «шар-цилиндр» при постоянных материалах трения и режимах испытания: нагрузка 13 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура смазочного масла 80 єС, время испытания 2 часа. В качестве образцов пар трения выбраны шары диаметром 9,5 мм (подшипник № 208 ГОСТ 8338) и цилиндр диаметром 80 мм (подшипник № 7206 ГОСТ 333), выполненных из стали ШХ 15. Образцы использовались многократно. Шероховатость поверхности обоймы составляла R_а = 0,16-0,28 мкм. Поверхности шара и цилиндра перед испытанием промывались бензином и вытирались насухо. За показатель противоизносных свойств принималось среднее арифметическое значение диаметра пятна износа на трех шарах при двукратном испытании одного и того же масла.

Механохимические процессы на фрикционном контакте исследовались путем пропускания постоянного тока (100 мкА) от стабилизированного источника напряжения (3 В). Величина тока записывалась на компьютере с помощью преобразователя ТР 101 и определяла продолжительность формирования площади контакта и начало образования защитных граничных слоев.

На рис. 3. представлена модель записи тока, протекающего через фрикционный контакт, включающая три характерных области изменения тока.

Первая область, где ток равен заданному (100 мкА) характеризует наличие металлического контакта между трущимися образцами. В этот период происходит пластическая деформация материалов за счет адгезионного изнашивания. Продолжительность этой область зависит от механических свойств материалов пар трения и свойств смазочных масел к формированию защитных граничных слоев.

Рис. 3. Модель формирования фрикционного контакта и защитных граничных слоев при трении скольжения

Вторая область характеризуется уменьшением тока и его стабилизацией. В этот период на поверхности трения образуются защитные слои, как результат адсорбции молекул масла или химического взаимодействия металла с продуктами окисления. Продолжительность этой области зависит от противоизносных свойств смазочного масла. В этот период пластическая деформация переходит в упругую (упругопластическая деформация).

Третья область характеризует установившееся изнашивание, при котором происходит формирование и разрушение защитных граничных слоев, что подтверждается записями тока, протекающего через фрикционный контакт (рис. 4).



Рис. 4. Диаграмма оценки противоизносных свойств минерального моторного масла М-10-Г2к

Диаметр пятна износа зависит от продолжительности пластической, упругопластической и упругой деформаций, а также формирования защитного слоя на поверхностях трения и характеризует противоизносные свойства смазочных масел (рис. 5).

Рис.5. Зависимость диаметра пятна износа от продолжительности пластической и упругой деформаций моторного минерального масла М-10-Г₂к

Совместимость и приспосабливаемость элементов трибосистем к механическим, тепловым и химическим воздействиям исследовались активностью механохимических процессов, протекающих при граничном трении. С целью изучения этих параметров применен усовершенствованный способ определения смазывающий способности масел, предусматривающий пропускание стабилизированного постоянного тока через фрикционный контакт.

Смазочная способность масла оценивается отношением тока, протекающего через фрикционный контакт к току заданному при статическом положении испытуемых образцов. Отношение принято за коэффициент электропроводности фрикционного контакта К_э и выражается уравнением

К_э=, (2)

где J_ф.к - ток, протекающий через фрикционный контакт; J_о - заданный ток, при статическом контакте пар трения.

Коэффициент К_э принят за критерий оценки интенсивности протекания механохимических процессов. В данном случае величина коэффициента К_э зависит от склонности материалов пары трения совместно со смазочным маслом образовывать защитные граничные слои, электропроводимость которых зависит от структуры граничного слоя и степени окисления смазочного масла. По динамике изменения тока, протекающего через фрикционный контакт, можно судить о времени формирования защитных граничных слоев, их разрушении и восстановлении.

Характерной особенностью зависимостей К_э = ѓ(t) является наличие участков уменьшения коэффициента К_э и его стабилизации (рис. 3). Время снижения коэффициента К_э характеризует период, в течение которого образуется защитный граничный слой, а величина стабилизации коэффициента К_э характеризует уровень совместимости материалов пары трения между собой и со смазочным маслом.

Разработанные методики ускоренных испытаний на термоокислительную стабильность, противоизносных свойства и определение смазывающей способности смазочных масел позволяют обоснованно определять изменение их состава в условиях эксплуатации, прогнозировать потенциальный ресурс, температурную область применения и осуществлять выбор по параметрам нагруженности, приспосабливаемости и совместимости.

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных данных, проведенных по методикам ускоренных испытаний моторных и трансмиссионных масел различных базовых основ при статических и циклически изменяющихся температурах испытания.

При окислении масел, легированных антикоррозионными, противоизносными и противозадирными присадками, одновременно происходят процессы накапливания конечных продуктов за счет окисления базовых масел, расходования присадок на формирование граничных защитных пленок и участия в химических реакциях. Исследования проводились с использованием метода прямого фотометрирования, в качестве инструмента оценки термоокислительных процессов, учитывающего образование не только продуктов окисления, но и попадающих при эксплуатации механических систем извне примесей. Поэтому коэффициент поглощения светового потока К_п при фотометрировании предложен в качестве интегрального показателя старения смазочных масел, который можно выразить функционалом:

К_п = ѓ(Р, Т, V, К_ф, К_о, К_к, К_с, К_пр, К_р, К_G), (3)

где Р, Т, V - соответственно нагрузочный , температурный и скоростной параметры работы механизма; К_ф - коэффициент, учитывающий состояний системы фильтрации; К_о - коэффициент, учитывающий окислительные процессы; К_к - коэффициент, учитывающий каталитическое влияние металлов и других продуктов; К_с - коэффициент, учитывающий влияние внешней среды; К_пр - коэффициент, учитывающий влияние функциональных процессов при работе механических систем на старение смазочных масел; К_р - коэффициент, учитывающий влияние эксплуатационных процессов при работе механических систем на старение смазочных масел; К_G - коэффициент, учитывающий доливы масла в масляную систему.

Для выявления влияния вышеперечисленных факторов на старение смазочных масел исследования проводились по трем направлениям. На первом исследовались товарные моторные и трансмиссионные масла на минеральной, частично синтетической и синтетической базовых основах при статических и циклических температурных нагружениях с целью определения зависимости коэффициента поглощения светового потока К_п от времени испытания, температуры, базовой основы и комплекта присадок. Второе направление исследований предусматривало исследования влияния эксплуатационных факторов на ресурс смазочных масел. Третье - исследование влияния продуктов окисления и эксплуатационных примесей на противоизносные свойства смазочных масел.

Для исследования термоокислительной стабильности при статических температурах нагружения выбраны моторные масла: минеральное М-10-Г_2К; частично- синтетическое Havoline Texaco 10W-40 CL/CF; синтетическое Mobil Synts 5W-40 SL/CF и трансмиссионные : минеральное Лукойл 85W-90; частично синтетическое ROTRA FE 75W-80 и синтетическое SYNAX 75W-90 GL-5.

Термоокислительные процессы, протекающие в моторных и трансмиссионных маслах исследовались по зависимостям коэффициентов поглощения светового потока К_п, летучести G, относительной вязкости К_м от времени и температуры испытания при статических и циклически изменяющихся температурах. Типичные зависимости, характеризующие процессы термоокисления представлены на рис. 6, 7 (а, б), 8, 9, 10.

Полученные зависимости К_п = f(t), описываются уравнениями второго порядка

К_п = ±бt²+bt ±c, (4)

где б - коэффициент, характеризующий интенсивность образования продуктов окисления, b - скорость образования продуктов окисления; с - коэффициент, характеризующий начальное значение коэффициента К_п; t - время испытания, ч.

Рис. 6. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10-Г₂к: 1 - 190 ^оС; 2 - 180 ^оС; 3 - 170 ^оС; 4 - 160 ^оС; 5 - 150 ^оС; 6 - 140 ^оС; 7 - 130 ^оС

Летучесть масел оценивалась коэффициентом относительной летучести определяемым выражением

К_G= m_и/m_o (5)

где m_и и m_o - масса испарившейся и оставшейся пробы масла соответственно, г.

Зависимости К_G = f(t) (рис. 8) описывается уравнением вида



Рис. 7. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от времени и температуры испытания: 1 - 150 єС; 2 - 140 єС; 3 - 130 єС (а) и диаграмма изменения коэффициента светового потока при циклически изменяющихся температурах (б) частично синтетического трансмиссионного масла ROTRA FE 75W-80.

Рис. 8. Зависимость летучести G от времени и температуры испытания частично синтетического моторного масла Havoline Texaco 10W-40 SL/CF: 1 - 180 °С; 2 - 170 °С; 3 - 160 °С

К_G = at^b (6)

где а - коэффициент, зависящий от фракционного состава нефтепродукта; b - коэффициент зависящий от температуры испытания; t - время испытания, ч.

Влияние продуктов окисления на вязкостные свойства масел оценивалось коэффициентом относительной вязкости К_м, определяемым выражением

K_µ = µ₀/µ_исх, (7)

где µ₀ и µ_исх - соответственно вязкость окисленного и товарного масел.

Зависимость коэффициента относительной вязкости от температуры и времени испытания представлена на рис. 9.

Рис. 9. Зависимость коэффициента относительной вязкости К_м от температуры и времени испытания трансмиссионных масел: минерального Лукойл ТМ5-18 85W-90(а), частично синтетического ROTRA FE 75W-80 (б) и синтетического Spectrol Synax 75W-90 GL-5 (в) при температуре испытания 140 єС.

На рис. 10 представлена модель оценки термоокислительных процессов смазочных масел, позволяющая установить механизм образования продуктов окисления.

Продление участка зависимости после точки перегиба до пересечения с осью абсцисс определяет время начало образования конечных продуктов окисления и дает возможность оценить характер протекания термоокислительных процессов с образованием полного состава продуктов окисления. Установлено, что процесс термоокисления смазочных масел характеризуется трехстадийностью (рис. 10): на первой стадии образуются начальные (растворимые) продукты окисления (область I), на второй - промежуточные продукты окисления (область II) и на третьей - конечные продукты окисления (область III). Трехстадийность процесса подтверждается результатами дополнительных исследований с применением центрифугирования окисленных проб масел. Образование гелеобразного осадка происходит в незначительной степени во второй стадии и в значительно большей степени в третьей.

Рис.10. Модель оценки термоокислительных процессов смазочных масел

Установлено влияние температуры на термоокислительные процессы. С повышением температуры возрастают скорости термоокислительных реакций, в следствии этого сокращается время и возрастает интенсивность образования растворимых, промежуточных и конечных продуктов окисления.

Изучен процесс перераспределение поступающей к смазочному маслу теплоты между скоростью образования продуктов окисления и испарением части смазочного материала (летучестью). Процесс перераспределения поглощенной теплоты исследовался изменениями приращений коэффициента поглощения светового потока ? К_п, летучести ? К_G (рис. 11).

Рис. 11. Зависимость приращений коэффициента поглощения светового потока ? К_п (а), летучести К_G (б) и относительной вязкости Км (в) от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10-Г_2К: 1 - 180 єС; 2 - 170 єС; 3 - 160 єС; 4 - 150 єС; 5 - 140 єС; 6 - 130 єС

Сравнивая циклы изменений приращений коэффициентов ? К_п и ? К_G от времени испытания установлены периоды их синхронного и несинхронного изменения, что подтверждает наличие явления перераспределения теплоты на окислительные процессы, с образованием в большей степени продуктов окисления, либо увеличение показателей летучести. В качестве критерия оценки влияния поглощенной теплоты на термоокислительные процессы предложен коэффициент тепловых преобразований, учитывающий изменение коэффициентов поглощения светового потока К_п и летучести К_G, определяемый выражением

Е_п= K_п + К_G, (8)

где K_п и К_G - соответственно коэффициенты поглощения светового потока и летучести.

Однородность состава продуктов окисления определяется зависимостью коэффициента тепловых преобразований от коэффициента поглощения светового потока (рис. 12). Данная зависимость имеет линейный характер, однако для температуры испытания 180 єС (кривая 1) она имеет ответвление, что свидетельствует о высокой температуре испытания, тогда как для температур от 130 єС до 170 єС зависимости совпадают, указывая на однородность состава продуктов окисления. На образование однородной концентрации продуктов окисления в данном диапазоне температур требуется равное количество поглощенной теплоты, что подтверждается увеличением времени испытания с уменьшением температуры.

Ответвление зависимости Е_п = ѓ(К_п) при температуре 180 єС (кривая 1) объясняется тем, что образуются продукты иного состава, требующие для их образование большего количества теплоты. Практическое применение данной зависимости позволяет обосновать температурную область испытания и уточнить температурные параметры методики исследования и установить предельную температуры работоспособности масел.

На основании сравнительного анализа полученных результатов при статических и циклических температурах исследования моторных и трансмиссионных масел с различными базовыми основами общий характер изменения зависимостей коэффициента поглощения светового потока К_п от времени и температуры испытания идентичен. Полученные результаты при циклическом изменении температуры можно обрабатывать применяя методику обработки результатов при статическом температурном нагружении. Обработка полученных результатов проводилась с использованием сертифицированных программ «Eregre» и «Advanced Grapher».

Рис.12. Зависимость коэффициента превращения от коэффициента поглощения светового потока и температуры испытания минерального моторного масла М-10-Г_2К (Усл. обозн. см. на рис. 11).

Предложены модели (рис. 13, 14) определения дополнительных показателей качества моторных и трансмиссионных масел: температура начала термоокисления и испарения, потенциальный ресурс, скорость термоокисления и интенсивность образования продуктов термоокисления.



Рис.13. Модель определения температуры начала окисления (а), температуры начала испарения (б) и потенциального ресурса работоспособности (в) минерального масла Mobil 10W-40 SC/CC: 1 - 5 ч.; 2 - 8ч.; 3 - 12ч.; 4 - 18ч.; 5 - 24 ч.

Исследованиями установлено, что моторные и трансмиссионные масла одного производителя одной группы эксплуатационных свойств и одной базовой основы имеют большой разброс в скоростях окислительных процессов (до 7 раз) и потенциальном ресурсе (до 5 раз) при одинаковых условиях испытания. Это обстоятельство свидетельствует о качестве базовой основы применяемого комплекта присадок и, как следствие, является причиной необходимости совершенствования системы классификации. Полученные результаты и разработанные методики оценки термоокислительной стабильности предлагаются в качестве инструментария решения указанных вопросов.



Рис.14. Модель определения интенсивности образования продуктов окисления (а) и скорости (б) от температуры исследования: 1- минерального моторного масла М-10-Г_2К; 2- частично- синтетического моторного масла Лукойл Супер 10W-40; 3 - синтетического моторного масла Castrol GTX magnetic 5W-40; 4 - минерального трансмиссионного масла ТНК транс ойл 85W-90; 5 - частично-синтетического трансмиссионного масла Aqip ROTRA FE 75W-80 ; 6 - синтетического трансмиссионного масла Spectrol synax 75W-90.

В четвертом разделе диссертации рассматривается механизм влияния эксплуатационных факторов на ресурс смазочных масел. Основными из них являются: доливы смазочных масел, смеси минеральных с синтетическими маслами, влияние углеродистых и подшипниковых сталей на термоокислиетльные процессы.

В основе методики исследований масел сравнительный анализ результатов термоокислительных процессов полученных при проведении параллельных испытаний, проводимых с учетом влияния эксплуатационных факторов и без них. В качестве критерия оценки влияния эксплуатационных факторов на ресурс смазочных материалов предложен коэффициент каталитического влияния К_кв, учитывающий изменения в процессах термоокисления, деструкции и испарения и определяемый выражением

К_кв = Е_п - Е'_п, (9)

где Е_п и Е'_п - коэффициенты тепловых преобразований, полученные при проведении испытаний без учета влияния эксплуатационных факторов и с учетом их влияния (рис.15).

Рис. 15. Зависимость коэффициента тепловых преобразований от времени и температуры испытания минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC: 1 - 180 ^оС; 2 - 170 ^оС; 3 - 160 ^оС; 1; 2 и 3 - без доливов; 1'; 2'; 3' - с доливами.

В этой связи важное значение приобретают задачи определения ресурса смазочных материалов по количеству, составу и химической структуре примесей, образующихся в процессе эксплуатации механических систем. В работе исследованы особенности протекания термоокислительных процессов и влияние на них вышеперечисленных факторов, предложены рекомендации по их оценке.

На основе проведенных исследований влияния доливов на процессы тепловой энергии продуктами окисления и испарения при испытании моторных масел различных базовых основ установлено:

- доливы масел в процессе испытания минеральных и частично синтетических масел замедляют процессы окисления, а для синтетических они их ускоряют;

- величина доливов зависит от температуры испытания и не имеют четкой зависимости с ней.

Учитывая, что методика исследований предполагала доливы только на массу исправившейся части масел, установлено, что при температуре испытания 180 ?С увеличение ресурса возросло на 13 %, 170 ?С - на 26 %, и при 160?С на 8,5 % для моторных масел на минеральной базовой основе, для частично синтетических масел при 180 ?С на 30,7 %, 170 ?С на 5 % и при 160 ?С на 24 %.

Доливы для синтетических масел снижают ресурс в диапазоне исследуемых температур при 180?С - 13%, 170?С - 9% и при 160 - 3%. Доливы масел оказывают каталитическое влияние на минеральные масла при температурах 160?С и ниже, для частично-синтетических - они являются ингибиторами процесса превращения тепловой энергии, а для синтетических масел они являются катализаторами при температурах 180 и 170?С (рис. 16).

Рис. 16. Зависимость коэффициента тепловых преобразований от температуры испытания минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC после 104 испытания: 1 - без доливов; 2 - с доливами.

Влияние доливов оценивалось коэффициентом каталитического влияния, определяемого разностью коэффициентов тепловых преобразований масел испытанных без доливов и с доливами, представляемого в качестве критерия оценки влияния доливов на процессы термоокисления.

Масла на минеральной базовой основе имеют ряд преимуществ перед частично синтетическими и синтетическими маслами. К таким показателям относятся лучшая способность растворять вводимые присадки, совместимость материалов уплотнения, смазывающие свойства, низкая стоимость и т.д. Одним из недостатков - плохие низкотемпературные свойства, снижающие пусковые свойства двигателей. В связи с этими обстоятельствами проведены исследования, по возможности использования в эксплуатации минеральных масел с синтетической добавкой. Исследованию подвергались минеральные масла ТНК 20W-50SF/CC и М-10-Г_2К с 5% массы в качестве добавки синтетических масел Castrol 0W-30 SL/CF и Mannol Elite 5W-40 SL/CF.

Критериями качества смесей выбраны термоокислительная стабильность, вязкость, летучесть, критическая температура работоспособности и потенциальный ресурс (рис.17). Полные результаты исследований представлены в диссертационной работе, основными из которых являются:

- вязкостные свойства исследуемых масел при наличии синтетической добавки более стабильны и улучшают этот показатель на 11ч13%;

- синтетическая добавка не влияет на состав продуктов окисления в диапазоне исследуемых температур;

- летучесть смеси масел уменьшилась по сравнению с маслами без добавки при температурах испытания 170 и 180 єС;

- термоокислительная стабильность смесей масел выше, чем масел без синтетической добавки, что является показателем для использования смесей при повышенных эксплуатационных температурах;

- потенциальный ресурс смесей масел возрос в среднем на 8 -10%.

Рис.17. Зависимость коэффициента тепловых преобразований от времени и температуры испытания минерального моторного масла М-10-Г₂к (кривые 1,2,3,) и его смеси с 5% массы синтетического Mannol Elite 5W-40SL/CF (кривые 1?,2?,3?,: 1, 1?-180 °С; 2,2?-170°С; 3,3?-160 °С)

Таким образом, на основании проведенных исследований установлена возможность расширения эксплуатационных свойств минеральных масел с синтетической добавкой и обоснована методическая база по контролю эксплуатационных показателей.

Количественная и качественная оценка влияния сталей на термокислительные процессы имеет важное значение в исследовании процессов самоорганизации трибосистем в части понимание механизма схватывание поверхностей трения и формирование защитных граничных слоев. С этой целью проведены исследования влияния углеродистых и подшипниковых сталей на термоокислительные процессы моторных масел. В качестве исследуемых материалов выбраны стали: Ст3, Ст10, Ст35 с содержанием углерода 0,3; 1,0 и 3,5% соответственно и сталь ШХ15. Оценка термоокислительной стабильности проводилась по коэффициенту поглощения светового потока, летучести и коэффициенту относительной вязкости.

Влияние содержания углерода в стали на термоокислительные процессы представлено зависимостью коэффициента поглощения светового потока после 20 ч испытания (рис. 18а).

Рис. 18. Зависимость коэффициента поглощения светового потока К_п (а) и летучести G (б) от содержания углерода в стали и температуры испытания минерального моторного масла М-10-Г₂к: 1 - 180^оС; 2 - 170^оС; 3 - 160^оС; 4 - 150^оС; 5 - 140^оС. Время испытания 20 ч

Установлено, что при температурах испытания 140?С и 150?С (кривая 4,5) содержание углерода в сталях практически не оказывает влияния на окислительные процессы, при температурах 160?С и 170?С (кривые 2 и 3) замедляют окислительные процессы. При температуре испытания 180 ?С все стали оказывают каталитическое влияние на процессы окисления (кривая 1). Такое влияние сталей на окислительные процессы смазочного материала оказывает поверхностная энергия твердого тела, которая увеличивается с повышением содержания углерода.

Летучесть практически сохраняет ту же тенденцию изменения от температуры испытания, что и коэффициент поглощения светового потока. Это наглядно показывает зависимость летучести от содержания углерода в сталях (рис. 18б).

Исследованиями установлено, что для температуры испытания 180 єС стали являются катализаторами процессов окисления и испарения, для температур 160 и 170 єС ингибиторами, а для температур 140 и 150 єС они нейтральны. В связи с этим, ресурс смазочных масел при каталитическом влиянии сталей снижается до 15 %, при ингибиторном - увеличивается до 30%.

Исследование влияния стали ШХ15 на окислительные процессы моторных масел обусловлено использованием этой стали для изготовления подшипников качения широко применяемых в агрегатах и узлах машин и механизмов. Они смазываются как жидким маслом различного назначения, так и пластическими смазками. Влияние стали ШХ15 на процессы окисления оценивалось в сравнении результатов испытания на термоокислительную стабильность моторных масел без стали и со сталью (рис. 19). Испытаниям подвергались масла на минеральной, частично-синтетической и синтетической базовой основах.

На основании полученных экспериментальных данных установлено, что сталь ШХ15, при комплексной оценке термоокислительных процессов моторных масел, является ингибитором для минерального масла и катализатором для частично-синтетического и синтетического масел.

Полученные выводы подтверждаются результатами исследований и должны учитываться при выборе смазочного материала для подшипников качения при проектировании машин и агрегатов.

В пятом разделе диссертации представлен комплекс испытаний по оценке противоизносных свойств товарных и работавших моторных масел и механохимических процессов, протекающих на фрикционном контакте, исследуемых электрометрическим методом (рис. 20).

Рис. 19. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от времени испытания частично синтетического моторного масла Chevron Supreme 10W-40 SJ/CF при циклическом изменении температуры: 1 - товарное масло; 2 - тоже со сталью ШХ15; 1,3,5,7,9 - циклы повышения температуры; 2,4,6,8 - циклы понижения температуры.

Рис. 20. Диаграммы записи тока, протекающего через фрикционный контакт от стабилизированного источника постоянного напряжения при испытании товарных моторных масел: 1 - М-10-Г_2К; 2 - Лукойл Супер 10W-40 SG/CD; 3 - Лукойл Синтетик 5W-40 SL/CF.

Противоизносные свойства оценивались по диаметру пятна износа на шаре, а интенсивность механохимических процессов по коэффициенту электропроводности фрикционного контакта К_Э.

Электрометрический метод определения механохимических процессов, протекающий на фрикционном контакте, позволяет при испытании товарных, искусственно окисленных и отработанных масел установить продолжительность пластической, упругопластической и упругой деформаций, а так же склонность масел к образованию защитных граничных пленок и качественно определять влияние продуктов окисления и старения на эти процессы (рис. 21).

Рис 21. Диаграмма записи тока, протекающего через фрикционный контакт при испытания отработанных моторных масел

В качестве критерия оценки противоизносных свойств П предложено соотношение концентрации нерастворимых продуктов окисления к площади пятна износа.

П = К_пн/S_п, (10)

где К_пн - концентрация нерастворимых продуктов окисления; S_п - площадь пятна износа, мм², что позволяет обосновать предельное состояние смазочных масел, определить производительность системы фильтрации и остаточный ресурс.

Приведенная плотность нерастворимых продуктов старения на фактической площади контакта предложена в качестве показателя работоспособности смазочных масел, что позволяет обосновать предельную концентрацию нерастворимых продуктов старения и установить сроки смены масел.

Разработанная комплексная методика испытания позволяет обосновать критерий предельного состояния смазочного масла и определяемого выражением

U = f(t_g•К_Э) (11)

где t_g - суммарное время пластической и упругой деформации; К_Э - коэффициент электропроводности.

Применение данного критерия позволяет обоснованно определить потенциальный ресурс смазочных масел и с учетом степени их окисления и диагностировать смазочные масла в процессе эксплуатации техники.

В шестом разделе диссертации рассматривается применение разработанных методов и средств контроля при классификации, сертификации и идентификации товарных моторных и трансмиссионных масел, их выборе для узлов различной степени нагруженности на стадии проектирования, диагностирования работающих масел с целью повышения эффективности их использования смазочных масел и повышения надежности техники в период ее эксплуатации.