Метод контроля влияния продуктов деструкции смазочных масел и электрического потенциала на противоизносные свойства
На правах рукописи
Петров Олег Николаевич МЕТОД КОНТРОЛЯ ВЛИЯНИЯ ПРОДУКТОВ ДЕСТРУКЦИИ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Томск – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образователь ном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский феде ральный университет»
Научный консультант: Безбородов Юрий Николаевич доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Кулешов Валерий Константинович доктор технических наук, профессор кафед ры «Физические методы и приборы контроля качества», института неразрушающего кон троля ФГБОУ ВПО «Национальный иссле довательский Томский политехнический университет».
Еськов Александр Васильевич доктор технических наук, профессор кафедры «Экспериментальная физика» ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползуно ва» ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно Ведущая организация дорожный государственный технический университет (МАДИ)»
Защита состоится «18» июня 2013 г. в 15:00 часов на заседании диссертацион ного совета Д 212.269.09 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634028, г. Томск, ул. Сави ных, 7, ауд. 215.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке На ционального исследовательского Томского политехнического университета по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55.
Автореферат разослан «30» апреля 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Винокуров Б. Б.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Температурная стойкость является одним из основных эксплуатационных показателей, определяющим температурные области работоспособности масел, предельные температуры схватывания, сопротивление температурным воздейст виям и применяется при классификации смазочных масел. В настоящее время су ществуют методики определения температурной стойкости, разработанные шко лой Р.М. Матвеевского, позволяющие определить температуры начала деструк ции, критические температуры, оценить изменение фрикционных свойств смазоч ного материала при изменении температуры, однако механизм деструкции, меха низм защиты от схватывания не изучены, и данные методики не учитывают влия ние продуктов деструкции на процессы, протекающие на фрикционном контакте и изменяющие противоизносные свойства масел.
При работе в каком-либо механизме, масло подвергается воздействию элек трических полей, вызванных межфазными электрическими потенциалами, возни кающими на границах раздела металл-масло. В работах Г.И. Шора, А.С. Ахматова приведены методики, приборы и результаты оценки влияния электрического по тенциала на различные функциональные свойства масел, однако методов и при боров контроля влияния электрического потенциала на противоизносные свойст ва масел и процессы, протекающие на фрикционном контакте, не существует.
На основании вышесказанного можно сделать вывод, что разработка новых методов и средств контроля влияния продуктов температурной деструкции, вели чины и полярности тока на противоизносные свойства является актуальной зада чей, направленной на создание условий, повышающих противоизносные свойства смазочных материалов.
Цель диссертационной работы. Разработка методов и приборов исследо вания смазочных масел и оценки влияния продуктов температурной деструкции и электрического потенциала в зоне фрикционного контакта на противоизносные свойства смазочных масел.
Задачи исследования.
1. Разработать прибор и комплексный метод исследования смазочных ма сел, включающего испытания на температурную стойкость и противоизносные свойства.
2. Обосновать критерии контроля температурной стойкости и противоиз носных свойств смазочных масел.
3. Исследовать влияние концентрации продуктов температурной деструк ции на противоизносные свойства смазочных масел под воздействием электриче ского потенциала на фрикционном контакте.
4. Разработать практические рекомендации по контролю температурной стойкости моторных масел, противоизносных свойств, рациональному выбору смазочных материалов и управлению износом пар трения.
Объект исследования – смазочные материалы, как элементы систем при водов машин и агрегатов.
Предмет исследования – контроль влияния продуктов температурной де струкции смазочных материалов и электрического потенциала на фрикционном контакте на процессы формирования защитных граничных слоев.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с применением теории надежности, применительно к системам приводов и агрега тов, теории трения, износа и смазки, оптики и положений триботехники, электро метрических методов и теплотехники.
При выполнении работы применялись поверенные стандартные и специаль но разработанные сертифицированные приборы, теория планирования и обработ ки результатов экспериментальных исследований, методы математической стати стики и регрессионного анализа.
Степень разработанности темы.
Степень разработанности и рекомендации, выявленные в процессе исследо ваний, выполненных авторами Р.М. Матвеевским, Б.И. Костецким, Н.А. Буше, И.А. Буяновским, И.В. Крагельским, Ю.А. Розенбергом и др., по определению температурной стойкости смазочных масел не могут быть использованы для кон троля качества масел, поскольку этот показатель эксплуатационных свойств в ос новном исследовался применительно к граничному трению (ГОСТ 23.221-84). В области исследований граничного трения и процессов, протекающих на фрикци онном контакте, следует отметить работы А.С. Ахматова, Г.И. Шора, В.Е. Панина и др., однако процессы, протекающие в объеме смазочного материала при высо ких температурах и влияние продуктов температурной деструкции, величины и полярности тока на процессы, протекающие на фрикционном контакте и изме няющие противоизносные свойства, изучены недостаточно. Поэтому, разработка новых методов и средств контроля влияния продуктов температурной деструкции, величины и полярности тока на противоизносные свойства смазочных материа лов, является актуальной задачей, позволяющей создать условия снижения износа материалов пар трения, совершенствовать систему классификации и идентифика ции смазочных материалов группам эксплуатационных свойств, а также обосно ванно осуществлять выбор смазочного материала для эффективной работы в кон кретных условиях.
На защиту выносятся.
1. Трехшариковая машина и комплексный метод контроля температурной стойкости и противоизносных свойств термостатированных моторных масел.
2. Результаты исследования минеральных моторных масел на температур ную стойкость и регрессионный анализ процесса температурной деструкции в диапазоне температур испытания от 140 до 300 С и критерии оценки.
3. Метод и результаты испытания товарных и термостатированных мотор ных масел на противоизносные свойства и критерии оценки.
4. Метод и результаты исследования влияния электрического потенциала на фрикционном контакте на противоизносные свойства термостатированных масел и критерии оценки.
5. Практические рекомендации по определению влияния продуктов темпе ратурной деструкции и электрического потенциала на противоизносные свойства моторных масел.
Научная новизна работы.
1. Разработан комплексный метод исследования смазочных масел, вклю чающий испытания на температурную стойкость и противоизносные свойства термостатированных масел, и позволяющий оценить влияние продуктов деструк ции, полярности и величины тока, пропускаемого через фрикционный контакт на свойства граничных слоев и обосновать критерии оценки.
2. Разработана испытательная трехшариковая машина трения со схемой трения «шар-цилиндр», позволяющая определить противоизносные свойства как товарных, так и работавших масел различного назначения и базовых основ, полу чить дополнительную информацию о процессах, протекающих на фрикционном контакте.
3. Получены функциональные зависимости и регрессионные уравнения процесса деструкции минеральных моторных масел, позволяющие определить механизм деструкции, получить дополнительную информацию по изменению оп тических свойств, вязкости и летучести, обосновать критерий температурной стойкости, установить температурную область работоспособности и сравнивать масла различных групп эксплуатационных свойств.
4. Предложен критерий противоизносных свойств термостатированных ма сел, характеризующий условную концентрацию продуктов температурной дест рукции на номинальной площади фрикционного контакта, что позволяет сравни вать смазочные масла различных групп эксплуатационных свойств и оценить влияние величины и полярности тока, пропускаемого через фрикционный контакт на формирование и разрушение граничных слоев.
Практическая значимость работы. На базе теоретических и эксперимен тальных исследований разработаны практические рекомендации по технологиям определения температурной стойкости смазочных масел и оценки влияния про дуктов деструкции на противоизносные свойства, рекомендации по выбору сма зочных материалов их классификации и созданию системы повышения износо стойкости трибосистем.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на автотранспортном предприятии ООО АТП «Терминалнефтегаз», автотранспорт ном предприятии ИП АТП Сидоров В.М., и в учебный процесс кафедр «Топливо обеспечение и ГСМ» и «Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов» Ин ститута нефти и газа Сибирского федерального университета, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: XIII научно-технической конференции молодежи ОАО «Транссибнефть» (Омск г.);
II Международной научно-практической конференции «Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса» (Новокузнецк 2012 г);
10-ой меж дународной конференции "Трибология и Надёжность" (Санкт-Петербург, 2010 г.), научно-технической конференции "Трибология-Машино-строение", посвященная 120-летию М.М. Хрущева. (Москва, 2010), IV международном симпозиуме по транспортной триботехнике. (Санкт-Петербург. 2010) и научно-технических се минарах Сибирского федерального университета (Красноярск, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, вклю чая 7 работ в издании, рекомендованном перечнем ВАК, получено 4 патента РФ;
написана монография.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 134 страниц ма шинописного текста, включая 55 рисунков и 14 таблиц. Работа состоит из введе ния, 4 разделов, основных выводов, библиографического списка из 97 наименова ний и приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуаль ность, поставлены цель и задачи исследований, сформулированы основные поло жения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полу ченных результатов.
В первой главе приведен обзор методов и средств определения темпера турной стойкости смазочных масел, роль этого показателя в защите поверхностей трения от схватывания и определения температурной области работоспособности трибосистем.
Рассмотрены особенности механизма старения смазочных материалов. Ус тановлено, что общей тенденцией механизма старения моторных масел является изменение соотношения нерастворимых примесей к растворимым от времени ра боты двигателя. Кроме того, не существует единого мнения о влиянии образую щихся в маслах при работе двигателя нерастворимых примесей на противоизнос ные свойства, однако, с увеличением соотношения нерастворимых примесей к растворимым, противоизносные свойства масел повышаются.
Обзор методов контроля состояния смазочных материалов показал, что су ществующие методы и критерии оценки качества масел используются в основном при лабораторных и стендовых испытаниях и широкого применения на производ стве не нашли ввиду сложности определения критериев, а для решения проблемы оценки качества работающих масел необходим комплексный подход, учитываю щий связь между основными показателями качества масел и их триботехнически ми параметрами.
Температурная стойкость масел, как показатель качества масел, характери зующий способность масел создавать на поверхностях трения при интенсивном тепловом воздействии защитные граничные слои недостаточно изучена в области его влияния на противоизносные свойства. В этой области можно отметить работы Р.М. Матвеевского, Н.К. Мышкина, Б.И. Костецкого, И.В. Крагельского, Б.В. Де рягина.
Анализ методов поверхностного упрочнения, наиболее распространенными из которых являются цементация, поверхностная закалка с нагревом токами высо кой частоты, азотирование, нитроцементация, борирование, титанирование, на плавка, магнитоэлектрическое упрочнение, позволяет повысить износостойкость три босистем за счет повышения поверхностной энергии, однако влияние поверхностной энергии на процессы, протекающие на фрикционном контакте также мало изучены.
Решением этих вопросов занимались Г.И. Шор, Г.И. Фукс, В.Н. Виноградов, Г.М.
Сорокин, Н.А. Буше, И.А. Буяновский.
Исследованиями В.Е. Панина, А.В. Белого, А.В. Колубаева, С.Ю. Тарасова, В.М. Фомина, В.М. Титова, В.Л. Попова и др. установлено, что механохимиче ские процессы при изнашивании материалов твердых тел играют большую роль в снижении износа за счет химических реакций, в результате которых, на поверхно стях трения, создаются защитные пленки, а механизм их действия в зависимости от состава и концентрации продуктов температурной деструкции недостаточно изучен. Поэтому необходим поиск новых методов исследования механохимиче ских процессов при граничном трении с учетом изменения полярности и величи ны тока, пропускаемого через фрикционный контакт.
На основании проведенного анализа исследований в области температурной стойкости смазочных масел 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 масла при высоких температурах и влияние продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства и процессы протекающие на фрикцион ном контакте, а также методы управления ими недостаточно изучены. Решение этих задач позволило бы объяснить механизм формирования на поверхности тре ния защитных граничных слоев.
Вторая глава посвящена разработке метода исследования смазочных мате риалов, включающего испытания на температурную стойкость и противоизнос ные свойства, обоснованию средств измерения с кратким их описанием, проведе нию исследований и обработке результатов, включающей определение значений среднеарифметического, среднеквадратического отклонений, коэффициентов рег рессии и корреляции, абсолютную и относительную погрешность, аппроксима цию каждого опыта.
Для исследования выбраны минеральные моторные масла: М-8Г2 – зимнее дизельное;
U-tech navigator 15W-40 SG/CD и Лукойл стандарт 10W-40 SF/CC – универсальные всесезонные. Масла относятся к разным классам вязкости и груп пам эксплуатационных свойств.
Метод предусматривал испытание масел на температурную стойкость и противоизносные свойства. Средства испытания включали:
- прибор для определения оптических свойств – фотометр, для прямого фо тометрирования термостатированных масел при толщине фотометрируемого слоя 8 мм и определении коэффициента поглощения светового потока;
- прибор для термостатирования масел массой 80 г в течение 8-ми часов без перемешивания при атмосферном давлении в диапазоне температур от 140 до °С с повышением температуры испытания на 20 °С;
- малообъемный вискозиметр для определения вязкости термостатирован ных масел;
- электронные весы для контроля массы пробы масел подвергаемой термо статированию (80 г) и определения массы испарившегося масла после термоста тирования.
- микроскоп «Альтами МЕТ 1М» для измерения диаметров пятен износа с возможностью фотографирования пятен износа.
Для исследования противоизносных свойств смазочных масел разработана трехшариковая машина трения с парой «шар-цилиндр», преимущества которой заключались в контакте трех шаров с цидиндром по индивидуальным дорожкам трения, причем через одну пару трения пропускался постоянный ток величиной 100, 200 и 300 мкА положительной и отрицательной полярности, устанавливае мой при статическом положении пары трения, от внешнего стабилизированного источника питания 3В. Величина тока при трении через преобразователь RS- записывались в виде диаграммы на мониторе компьютера. В качестве материалов использовались - шарики от шарикоподшипника №204 ГОСТ 8338 диаметром 9, мм и обойма роликового подшипника №42416 ГОСТ 8328 диаметром 80 мм, изго товленные из стали ШХ-15. Параметры трения составляли: нагрузка 13Н;
ско рость скольжения 0,68 м/c;
время испытания – 2 часа;
температура масла в объеме – 80 °С поддерживалась автоматически с помощью терморегулятора ТР-101 с точностью ±1 °С;
противоизносные свойства оценивались по среднеарифметиче скому значению диаметра пятна износа на трех шарах, измеренному с помощью оптического микроскопа «Альтами МЕТ 1М»;
Результаты экспериментальных исследований обрабатывались методами математической статистики и регрессионного анализа с использованием лицензи онной программы ЭВМ «Advanced Grapher» и «Excel».
Комплексная оценка температурной стойкости товарных и термостатиро ванных масел проводилась по коэффициенту поглощения светового потока, вяз кости, летучести а влияние продуктов температурной деструкции, величины и по лярности тока пропускаемого через фрикционный контакт на противоизносные свойства термостатированных масел оценивались по параметру износа и времени формирования фрикционного контакта, по которым производился поиск критери ев температурной стойкости и противоизносных свойств.
Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований влияния электрического потенциала, продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства смазочных масел и механохимические процессы, про текающие на фрикционном контакте с использованием разработанной методики.
На рисунке 1 представлены зависимости коэффициента поглощения свето вого потока КП от температуры термостатирования минеральных масел. Установ лены две характерных температурных области с различной интенсивностью изме нения коэффициента К П, что указывает на образование при термостатировании двух видов продуктов деструкции различной оптической плотности. Переход первичных продуктов во вторичные вызывает изгиб зависимости К П f (T ), при чем температура начала образования вторичных продуктов определяется продле нием зависимости после точки изгиба до пересечения с осью абсцисс.
В целом процесс температурной деструкции для областей I и II описывается линейными уравнениями К П а(Т TН ), (1) где а – параметр, характеризующий скорость образования продуктов деструкции;
T – температура испытания, С, Т Н - температура начала образования первичных или вторичных продуктов деструкции, С.
Рисунок 1 – Зависимости коэффициента поглощения светового потока КП от тем пературы термостатирования минеральных масел: I –область первичных продук тов;
II – область вторичных продуктов;
1 - U-tech navigator 15W-40 SG/CD;
2 – М 8Г2;
3 - Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC Регрессионные уравнения процессов деструкции в температурных областях I и II для исследуемых масел имеют вид:
U-tech navigator: I - К П 0,0018 (Т 129) ;
II - К П 0,018 (T 204) (2) М-8Г2: I - К П 0,0028 (Т 140) ;
II - К П 0,011 (T 201) (3) Лукойл Стандарт: I - К П 0,0020 (Т 133) ;
II - К П 0,016 (T 198) (4) Коэффициенты корреляции 1.
Согласно уравнений 2 – 4, самая низкая температура начала деструкции 129 °С и скорость деструкции 0,0018 ч-1 установлены для масла 1 – U-tech naviga tor, а самые высокие, соответственно 140 °С и 0,0028 ч-1, для дизельного масла 3 – М-8Г2. Самая низкая температура начала образования вторичных продуктов дест рукции 198 °С установлена для масла 2 – Лукойл Стандарт, а самая высокая ско рость их образования 0,018 ч-1 для масла 1 – U-tech navigator.
Летучесть моторных масел косвенно характеризует температурный предел их работоспособности и поэтому является эксплуатационным показателем (рису нок 2).
Рисунок 2 – Зависимости летучести G от температуры термостатирования мине ральных масел (Усл. обозн. см. на рисунке 1) Показано, что предельной температурой работоспособности минеральных моторных масел является температура ниже 220 °С.
Изменение вязкости при термостатировании минерального масла оценива лось коэффициентом относительной вязкости К, определяемым выражением:
К Т / исх, (5) где Т и исх - соответственно кинематическая вязкость термостатированного мас ла и исходного товарного масла до испытания.
Поскольку, по справочным данным, допустимое увеличение вязкости при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания установлено 40 %, а уменьшение – 20 %, то предельной температурой испытания для исследуемых масел является 285 °С для масла U-tech navigator;
263 °С – М-8Г2;
235 °С – масла Лукойл Стан дарт (рисунок 3). Вязкость увеличивается в основном за счет вторичных продук тов деструкции.
При термостатировании масел происходит сброс избыточной тепловой энергии по двум каналам, вызывающий изменение оптических свойств и летуче сти, поэтому температурную стойкость предложено оценивать коэффициентом E ТС, определяемым суммой EТС K П K G, (6) где K П – коэффициент поглощения светового потока;
K G - коэффициент летуче сти масла.
KG m / M, (7) где m – масса испарившегося масла, г;
M – масса оставшегося масла после тер мостатирования, г.
Рисунок 3 – Зависимость коэффициента относительной вязкости от температуры термостатирования минеральных масел (Усл. обозн. см. на рисунке 1) Вязкость в данном случае не влияет на параметр температурной стойкости, т.к. она зависит от концентрации продуктов температурной деструкции и опреде ляет предельную температуру применения масел, при которой она либо увеличи вается на 40% либо уменьшается на 20%.
Зависимость коэффициента EТС от температуры термостатирования пред ставлена на рисунке 4.
Установлено две характерных температурных области с различной интен сивностью изменения коэффициента EТС, описываемых линейными уравнениями.
Регрессионные уравнения зависимостей в областях I и II имеют вид:
U-tech navigator: I - ЕТС 0,0022 (Т 120) ;
II - ЕТС 0,025 (T 205) (8) М-8Г2: I - ЕТС 0,0035 (Т 140) ;
II - ЕТС 0,020 (T 206) (9) Лукойл Стандарт: I - ЕТС 0,0026 (Т 133) ;
II - ЕТС 0,024 (T 203) (10) Коэффициенты корреляции 1.
Рисунок 4 – Зависимости коэффициента температурной стойкости EТС от темпе ратуры термостатирования минеральных масел (Усл. обозн. см. на рисунке 1) С учетом коэффициента EТС самые низкие температуры начала деструкции 120 °С и скорость деструкции 0,0022 ч-1 в первой температурной области, в кото рой образуются первичные продукты, установлены для масла U-tech navigator, а самые высокие 140 °С и 0,0035 ч-1 для масла М-8Г2.
Во второй температурной области температура начала образования вторич ных продуктов находится в пределах от 203 до 206 °С. Самая низкая скорость об разования этих продуктов 0,020 ч-1 установлена для масла М-8Г2, а самая высокая 0,025 ч-1 для масла U-tech navigator.
Процессы, протекающие на фрикционном контакте при триботехнических испытаниях термостатированных масел оценивались по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах и электрометрическим методом, путем пропускания тока (100, 200 и 300 мкА) разной полярности через фрикцион ный контакт, что позволило в динамике исследовать процесс формирования за щитных граничных слоев по диаграммам записи тока (рисунок 5).
a 9:35 9:40 9:45 9:50 9:55 10:00 10:05 10:10 10:15 10:20 10:25 10:30 10:35 10:40 10:45 10:50 10:55 11:00 11:05 11:10 11:15 11:20 11: б 7:00 7:05 7:10 7:15 7:20 7:25 7:30 7:35 7:40 7:45 7:50 7:55 8:00 8:05 8:11 8:16 8:21 8:26 8:31 8:36 8:41 8:46 8:51 8: в 9:24 9:29 9:34 9:39 9:44 9:49 9:54 9:59 10:04 10:09 10:14 10:19 10:24 10:29 10:34 10:39 10:44 10:50 10:55 11:00 11:05 11:10 11: г 7:07 7:12 7:17 7:22 7:27 7:32 7:37 7:42 7:47 7:52 7:57 8:02 8:07 8:12 8:17 8:22 8:27 8:32 8:37 8:42 8:47 8:52 8: Рисунок 5 – Диаграммы записи тока при испытании минерального моторного масла U-tech navigator 15W-40 SG/CF при токе 100 мкА положительной полярно сти на шаре: а – товарное масло;
б – Т = 140 °С (область первичных продуктов);
в – Т = 200 °С (начало области вторичных продуктов);
г – Т = 280 °С (конец области вторичных продуктов) Из представленных данных видно, что при контакте шаров с цилиндром в начале испытания ток соответствует заданному, т.е. происходит пластическая де формация, которая переходит в упругопластическую при этом величина тока, протекающего через фрикционный контакт уменьшается до определенной вели чины, характеризующей установившееся изнашивание. При этом на поверхностях трения формируются либо адсорбционные, либо хемосорбционные слои, сопро тивление которых определяет величину тока. Амплитуда колебания тока при ус тановившемся изнашивании характеризует соотношение между скоростями фор мирования и разрушения граничных слоев, разделяющих поверхности трения.
Сравнивая диаграммы записи тока, полученные при испытании масел с пер вичными продуктами (диаграмма б) и вторичными (диаграммы в и г) видно, что вторичные продукты образуют хемосорбционные слои, вызывающие уменьшение тока, протекающего через фрикционный контакт, за счет более высокого их элек трического сопротивления.
Чем дольше продолжительность пластической и упругопластической де формаций, тем больше значение параметра износа, что видно по фотографиям пя тен износа (центральный шар) (рисунок 6).
а б г в Рисунок 6 – Пятна износа при испытании минерального моторного масла М8-Г при токе 100 мкА положительной полярности на шаре: а – товарное масло;
б – Т = 140 °С (область первичных продуктов);
в – Т = 200 °С (начало области вторичных продуктов);
г – Т = 280 °С (конец области вторичных продуктов);
масштаб одина ковый Поскольку при термостатировании масел изменяются концентрации пер вичных и вторичных продуктов деструкции, то они должны определять противо износные свойства. В качестве критерия противоизносных свойств термостатиро ванных масел П предложено отношение коэффициента КП к параметру износа U, характеризующего условную концентрацию продуктов температурной деструк ции на номинальной площади фрикционного контакта.
Зависимости П f ( К П ) описываются линейными уравнениями (рисунок 7):
П аК П (11) где а - параметр, характеризующий скорость изменения критерия П.
Рисунок 7 – Зависимость критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощение светового потока при испытании минеральных моторных масел (Усл.
обозн. см. на рисунке 1) Регрессионные уравнения зависимостей П f ( К П ) имеют вид для масел:
П 2,62К П U-tech navigator 15W-40 SG/CD (12) М-8Г2 П 1,50К П (13) Лукойл Стандарт 10W-40 SF/CC П 2,64К П (14) Чем больше скорость изменения критерия П при одинаковом значении ко эффициента КП, тем выше противоизносные свойства исследуемых масел. Соглас но данных масла U-tech navigator и Лукойл Стандарт имеют практически одина ковые противоизносные свойства, хотя по классификации API первое масло SG выше, чем SF. Масло М-8Г2 уступает этим маслам.
Исследованиями влияния тока и его полярности на параметр износа (рису нок 8) установлено, что в первой температурной области для всех исследуемых масел при положительной полярности тока (рисунок 8, а) сохраняется тенденция повышения противоизносных свойств с увеличением концентрации первичных продуктов деструкции. С переходом во вторую температурную область противо износные свойства термостатированных масел понижаются.
В целом, противоизносные свойства испытанных минеральных моторных масел при положительном потенциале выше, чем при отрицательном. Это вызва но тем, что при отрицательной полярности на шарах граничные слои формируют ся на цилиндре, площадь поверхности трения которого значительно больше, чем на шарах и время их формирования также увеличивается, поэтому и параметр из носа при отрицательно потенциале превышает параметр износа при положитель ном потенциале на шарах.
Проведенными исследованиями показано, что для минеральных моторных масел положительная полярность и величина тока пропускаемого через фрикци онный контакт обуславливает более интенсивное формирование защитных гра ничных слоев на поверхности меньшей площади, причем в начале образования вторичных продуктов деструкции наблюдается резкое понижение противоизнос ных свойств независимо от полярности тока, исключением является ток 200 мкА, что объясняется соотношением полярности тока и поляризацией поверхностей при трении.
Рисунок 8 – Зависимости параметра износа от концентрации продуктов деструк ции при испытании минерального моторного масла U-tech navigator 15W- SG/CD: а – при положительном потенциале на шаре;
б - при отрицательном по тенциале на шаре;
1 – ток 100мкА;
2 – ток 200 мкА;
3 – 300 мкА;
I – область пер вичных продуктов деструкции;
II – область вторичных продуктов деструкции.
Для оценки влияния тока, пропускаемого через фрикционный контакт и его полярности на противоизносные свойства термостатированных масел предложен коэффициент влияния тока К ВТ, определяемый отношением:
П БТ К ВТ, (15) ПТ где П БТ - критерий противоизносных свойств, определенный при отсутствии тока через фрикционный контакт;
П Т - критерий противоизносных свойств при про пускании тока через фрикционный контакт.
На рисунке 9 представлены зависимости коэффициента влияния тока от ве личины и полярности тока, пропускаемого через фрикционный контакт.
Показано, что при положительной полярности на шарах противоизносные свойства термостатированных масел повышаются с увеличением тока.
Регрессионное уравнение зависимости К ВТ f ( I ) имеет линейный характер К ВТ 1 аI 1 0,001I, (16) где a 0,001 - значение параметра, характеризующего скорость изменения коэф фициента К ВТ.
Коэффициент корреляции 1.
Рисунок 9 – зависимости коэффициента влияния тока от величины тока и его по лярности: а – положительная полярность;
б – отрицательная полярность Зависимость коэффициента полярности при отрицательном потенциале на шаре К ВТ кусочно-линейная:
до 200 мкА К ВТ 1 0,0007 I (17) свыше 200 мкА К ВТ 0,74 0,0006I (18) При отрицательном потенциале на шарах противоизносные свойства термо статированных масел также повышаются, однако только для токов 100 и 200 мкА, а при токе 300 мкА их повышение уменьшается. Однако при положительном по тенциале противоизносные свойства значительно выше, чем при отрицательном потенциале, так при токах: 100 мкА они выше на 7,4%;
200 мкА – 8,5%;
а при мкА – на 32,6%. Превышение противоизносных свойств термостатированных ма сел при положительном потенциале на шарах над отрицательным потенциалом не только объясняется различиями в площадях контакта на шарах и цилиндре, но и суммированием или вычитанием токов, задаваемых от внешнего источника и по ляризации при трении. Этим объясняется увеличение коэффициента К ВТ при токе 300 мкА (рисунок 9, б) отрицательной полярности на шарах и линейное снижение коэффициента К ВТ при положительном потенциале.
На основании проведенных исследований минеральных моторных масел ус тановлены: механизм температурной деструкции, характеризующийся образова нием первичных и вторичных продуктов деструкции, различающихся оптически ми свойствами;
температуры начала образования первичных и вторичных продук тов деструкции;
температурная область работоспособности моторных масел;
тем пературы предельного изменения вязкости при термостатировании масел;
крите рии температурной стойкости и противоизносных свойств;
коэффициент влияния тока и его полярности на противоизносные свойства, что значительно расширило информацию для потребителей о температурной стойкости минеральных мотор ных масел.
Четвертый раздел посвящен разработке практических рекомендаций, включающих технологии определения: температурной стойкости смазочных ма сел;
влияния продуктов деструкции на противоизносные свойства;
и практиче ских рекомендаций по созданию системы повышения износостойкости твердых тел и совершенствованию существующей классификации смазочных масел. Раз работанные рекомендации внедрены на автотранспортном предприятии ООО АТП «Терминалнефтегаз», автотранспортном предприятии ИП АТП Сидоров В.М., и в учебный процесс кафедры «Топливообеспечение и ГСМ» Института нефти и газа Сибирского федерального университета.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработан комплексный метод исследования смазочных материалов, включающая испытания на температурную стойкость, противоизносные свойства и механохимические процессы, при изменении электрического потенциала в зоне фрикционного контакта. Патенты РФ №2409814, №2415422, №2419791.
2 Разработана трехшариковая машина трения со схемой трения «шар цилиндр», позволяющая определить противоизносные свойства как товарных, так и работавших масел различного назначения и базовых основ, получить дополни тельную информацию о процессах, протекающих на фрикционном контакте (па тент РФ №2428677).
3. Получены функциональные зависимости изменения оптических свойств, вязкости, летучести, коэффициента температурной стойкости и противоизносных свойств от температуры испытания минеральных моторных масел, что позволило установить механизм температурной деструкции и обосновать критерии противо износных свойств и влияние тока и его полярности на эти свойства и механизм формирования на поверхностях трения защитных граничных слоев.
4. Установлен механизм температурной деструкции моторных масел. за ключающийся в образовании двух видов продуктов деструкции, различающихся оптическими свойствами, что позволило определить температуры начала их обра зования, температуру предельно-допустимого значения вязкости и температур ную область работоспособности моторных масел.
5. Коэффициент температурной стойкости предложен в качестве интеграль ного показателя температурной стойкости, учитывающего изменение оптических свойств и летучести масел при термостатировании, что позволяет сравнивать раз личные масла и идентифицировать на соответствие группам эксплуатационных свойств.
6. Предложен критерий противоизносных свойств П, который позволяет прогнозировать противоизносные свойства масел и оценить влияние величины и полярности тока на противоизносные свойства масел.
7. Коэффициент влияния тока и его полярности предложен в качестве кри терия влияния тока на противоизносные свойства термостатированных моторных масел, определяемый отношением критериев противоизносных свойств масел ис пытанных без пропускания тока через фрикционный контакт и с током, позво ляющий определить значения коэффициента и его зависимость от величины и по лярности тока, пропускаемого через фрикционный контакт от внешнего источни ка питания. Установлена линейная зависимость коэффициента влияния тока от его величины и полярности.
8. Разработаны практические рекомендации, включающие технологии опре деления температурной стойкости моторных масел;
влияния продуктов деструк ции на противоизносные свойства и предложения по управлению износостойко стью материалов пар трения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТРАЖЕ НО В ПУБЛИКАЦИЯХ:
а) статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ:
1. Ганжа В. А. Лабораторный стенд для испытания рабочих органов земле ройных машин [текст] / В. А. Ганжа, П. В. Ковалевич, В. Г. Шрам, О. Н. Петров // Вестник Казанского технологического университета. Казань. №1. 2013. С229-232.
2. Ганжа В. А. Стенд для поверки тензометрических элементов [текст] / В. А. Ганжа, П. В. Ковалевич, В. Г. Шрам, О. Н. Петров // Вестник Казанского технологического университета. Казань. №1. 2013. С232-235.
3. Шрам В. Г. Исследование влияния продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства синтетических моторных масел [Текст] / В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, О. Н. Петров // Вестник КрасГАУ. Красноярск. № (76). 2013. С102-107.
4. Безбородов Ю. Н. Определение смазывающей способности моторных масел по параметру суммарной продолжительности деформаций [текст] / Ю. Н. Безбородов, О. Н. Петров, А. Н. Сокольников, В. Г. Шрам, А. А. Игнатьев // Вестник Иркутского государственного технического университета. Иркутск. № (67). 2012. С 125-129.
5. Шрам В. Г. Исследование термостойкости минеральных моторных ма сел. Часть 1 [текст] / В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, Ю. Н. Безборо дов, А. Н. Сокольников // Вестник Казанского технологического университета. 2012. - Т. 15. - № 13. - с. 143-147.
6. Шрам В. Г. Влияние механической деструкции и продуктов температур ной деструкции на противоизносные свойства минеральных моторных масел.
Часть 2 [текст] / В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, Ю. Н. Безбородов, А. Н. Сокольников // Вестник Казанского технологического университета. 2012. - Т. 15. - № 13. - с. 149-152.
7. Шрам В. Г. Исследование влияния продуктов температурной деструкции на проивоизносные свойства гидравлического масла HLP-10 [текст] / В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, Ю. Н. Безбородов, А. А. Игнатьев // Вестник Ка занского технологического университета. - 2012. - Т. 15. - № 13. - с. 137-140.
б) патенты:
8. Пат. № 2409814 Рос. Федерация: МПК7 G 01 N 33/30. Способ определе ния температурной стойкости смазочных масел / Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, А. В. Юдин, А. С. Ромащенко;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибир ский федеральный университет». – № 2009141423/15;
заявл. 09.11.2009;
опубл.20.01.2011. Бюл. №2.
9. Пат. № 2415422 Рос. Федерация: МПК7 G 01 N 33/30. Способ определе ния температурной стойкости смазочных масел / Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, Н. Н. Малышева;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский феде ральный университет». – № 2009143446/15;
заявл. 24.11.2009;
опубл. 27.03.2011.
Бюл. № 9.
10. Пат. № 2419791 Рос. Федерация: МПК G 01 N 33/30, G 01 N 3/56. Способ определения смазывающей способности масел / Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, А. В. Кузьменко, А. С. Ромащенко, А. В. Берко;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». – № 2010108896/15;
заявл.
09.03.2010;
опубл. 27.05.2011. Бюл. №15.
11. Пат. № 2428677 Рос. Федерация: МПК G 01 N 19/02. Устройство для ис пытания трущихся материалов и масел / Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, О. Н. Петров, В. И. Тихонов;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибир ский федеральный университет». – № 2010119754/28;
заявл. 17.05.2010;
опубл.10.09.2011. Бюл.№25.
в) монографии:
12. Ковальский Б. И. Современные методы очистки и регенерации отрабо танных смазочных масел / Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, Л. А. Фельдман, О. Н. Петров, А. В. Юдин // препринт.
г) материалы конференций:
13. Ковальский Б. И. Электрометрический метод контроля механохимиче ских процессов при граничном трении скольжения / Б. И. Ковальский, О. Н. Пет ров, А. В. Юдин // Сборник научных трудов 10-ой международной конференции "Трибология и Надёжность" - Санкт-Петербург, 2010 г.
14. Ковальский Б. И. Влияние степени окисления моторных масел на их противоизносные свойства / Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, А. В. Юдин // Сбор ник научных трудов научно-технической конференции "Трибология Машиностроение", посвященная 120-летию М.М. Хрущева. – Москва, 2010 г.
15. Ковальский Б. И. Технология определения параметров температурной стойкости смазочных материалов / Б. И. Ковальский, Н. Н. Малышева, Е. Г. Мальцева, О. Н. Петров // Энергетика в глобальном мире: сб. тезисов докла дов первого международного научно-технического конгресса.- Красноярск: ООО «Версо», 2010 г. С 311-312.
16. Ковальский Б.И. Исследование механохимических процессов моторных масел при граничном трении скольжения / Б. И. Ковальский, А. Н. Сокольников, О. Н. Петров, А. В. Кузьменко // Транстрибо. IV международный симпозиум по транспортной триботехнике. Сборник трудов. Санкт-Петербург. 2010. С. 86–91.
17. Ковальский Б. И. Метод определения противоизносных свойств смазоч ных масел / Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, О. Н. Петров, Н. Н. Малышева // Энергетика в глобальном мире: Тез. докл. первого международного научно технического конгресса. Красноярск: ООО «Версо», 2010.С. 210-448.
Подписано в печать «_»_2013 г. Печать – ризография. Заказ № _ Объем п.л. Тираж экз.
Отпечатано в _