Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел Рассмотрены принципы классификации смазочных материалов. Систематизированы теоретические и экспериментальные данные о механизме температурной стойкости моторных масел различной базовой основы и  влиянии продуктов температурной деструкции, нагрузки и электрического потенциала различной полярности на их триботехнические характеристики. Предложены новые критерии оценки процессов температурной деструкции и противоизносных свойств термостатированных масел, а также технологии определения температур начала деструкции, испарения, критической температуры работоспособности и потенциального ресурса.

ISBN 978-5-7638-3261-7

9 785763 832617

Монография

Институт нефти и газа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

О. Н. Петров, В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ Монография

Красноярск СФУ 2015

УДК 665.765 ББК 30.82-3 М425

Р е ц е н з е н т ы: Н. И. Селиванов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедры «Тракторы и автомобили» КрасГАУ; Г. Я. Шайдуров, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ

М425

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел : монография / О. Н. Петров, В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015 – 154 с. ISBN 978-5-7638-3261-7 Рассмотрены принципы классификации смазочных материалов. Систематизированы теоретические и экспериментальные данные о механизме температурной стойкости моторных масел различной базовой основы и влиянии продуктов температурной деструкции, нагрузки и электрического потенциала различной полярности на их триботехнические характеристики. Предложены новые критерии оценки процессов температурной деструкции и противоизносных свойств термостатированных масел, а также технологии определения температур начала деструкции, испарения, критической температуры работоспособности и потенциального ресурса. Предназначена для научных сотрудников и аспирантов, а также инженерно-технических работников, занимающихся производством смазочных материалов, проектированием, конструированием и эксплуатацией машин и механизмов, работающих в условиях граничного трения.

Электронный вариант издания см.: http://catalog.sfu-kras.ru

ISBN 978-5-7638-3261-7

УДК 665.765 ББК 30.82-3

© Сибирский федеральный университет, 2015

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ........................................................................................................ 1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства смазочных масел ............................. 1.1. Классификация моторных масел ...................................................... 1.2. Особенности механизма старения смазочных масел ..................... 1.3. Анализ методов контроля качества смазочных масел ................... 1.4. Температурная стойкость смазочных масел ................................... 1.5. Влияние нагрузки на температурную стойкость граничных смазочных слоев ................................................................................. 1.6. Механохимические процессы при изнашивании материалов твердых тел ......................................................................................... 2. Методика исследования триботехнических свойств смазочных масел...................................................................................... 2.1. Требования к техническим средствам измерения .......................... 2.2. Конструктивные особенности средств контроля ............................ 2.2.1. Прибор для оценки температурной стойкости смазочных масел...................................................................... 2.2.2. Фотометрическое устройство ................................................. 2.2.3. Малообъемный вискозиметр .................................................. 2.2.4. Трехшариковая машина трения.............................................. 2.3. Метод исследования совместного влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства смазочных масел ................................................................ 2.4. Метод исследования совместного влияния продуктов температурной деструкции и электрического потенциала на противоизносные свойства смазочных масел ............................ 3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства моторных масел ............................... 3.1. Результаты испытаний минерального моторного масла М-8Г2К .................................................................................................. 3.2. Результаты испытаний частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF ....................................................... 3.3. Результаты испытаний синтетического моторного масла Esso Ultron 5W-40 SL/CF ...................................................................

5 8 8 12 17 20 33 39 46 46 47 47 54 55 60 63 65 68 68 77 86

3

Оглавление

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала на противоизносные свойства моторных масел ....................................................................................... 95 4.1. Результаты испытаний минерального моторного масла U-Tech Navigator 15W-40 SG/CD...................................................... 95 4.2. Результаты испытаний минерального моторного масла М-8Г2 .... 115 4.3. Результаты испытаний минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC ...................................................... 126 5. Разработка технологий диагностирования смазочных масел ....... 5.1. Технология определения предельной температуры работоспособности смазочных масел .............................................. 5.2. Технология контроля влияния продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства ...................................... 5.3. Технология оценки влияния нагрузки на смазывающие свойства термостатированных масел ............................................................... 5.4. Предложения по созданию системы повышения износостойкости твердых тел ........................................................... 5.5. Предложения по совершенствованию существующей системы классификации смазочных масел .....................................................

136 136 138 139 140 141

Список литературы..................................................................................... 144

4

Введение

ВВЕДЕНИЕ Надежность современных машин, механизмов и различного технологического оборудования определяется процессами, протекающими в трибологических системах. Эти системы характеризуются износостойкостью, прирабатываемостью и самоорганизованностью. Повышение надежности механических систем решается путем выбора износостойких материалов пар трения и смазочных материалов в соответствии с условиями эксплуатации. Вопросы разработки и применения износостойких материалов изучались более интенсивно, и в этой области достигнуты определенные успехи при проектировании механических систем, а разработка технологий выбора смазочных материалов для различных машин и механизмов, работающих в большом интервале нагрузок, скоростей и температур, относится к более сложным задачам. Это вызвано тем, что в одном механизме применяется один смазочный материал, а узлы трения выполнены из материалов с широким диапазоном механических свойств. Процессы, происходящие в трибосистемах, в большей мере зависят от свойств смазочного материала, которые задаются с помощью их легирования комплектом присадок. Однако при эксплуатации техники свойства смазочного материала (окислительные, фрикционные, диспергирующие, моющие и др.) изменяются вследствие протекания окислительных процессов, температурной и механической деструкции базовой основы и присадок, а также химических реакций продуктов этих процессов с конструкционными материалами деталей машин. Кроме того, наработка или пробег в показателях ресурса смазочных масел не учитывают режимы и условия эксплуатации, техническое состояние узлов трения, фильтрующих элементов, которые в значительной степени оказывают влияние на долговечность узлов трения и свойства смазочного материала. Износостойкость трибосистем в процессе эксплуатации непостоянна ввиду изменения структуры поверхностного слоя и формирования адсорбционных и хемосорбционных слоев, интенсивность формирования которых зависит от свойств смазочного материала, степени его старения и температурных условий. Действующие на трибосистему внешние воздействия характеризуются механическими, тепловыми и электромагнитными полями, которые вызывают изменения в поверхностном слое контактирующих тел и энергетическом состоянии смазочного материала. Поэтому износостойкость трибосистемы определяется приспосабливаемостью ее элементов к внешним воздействиям или самоорганизацией системы. Самоорганизация системы заключается в том, что взаимодействие трущихся тел и смазочной среды локализуется в тонких слоях вторичных структур трения, 5

Введение

разделяющих поверхности трения и защищающих систему от внешних воздействий. Процессы, происходящие в трибосистеме, зависят от температуры в зоне контакта поверхностей трения. Если учесть, что процессы окисления и температурной деструкции более интенсивно протекают на поверхностях трения за счет более высоких температур и каталитического влияния материалов пар трения, то становится понятным, насколько весома связь и взаимовлияние элементов трибосистемы на ее надежность. Процессы окисления, протекающие в смазочном материале, оцениваются по кислотному числу и для ряда масел стандартизованы. Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что существуют различные инженерные методы и устройства для оценки термоокислительной стабильности смазочных материалов. В качестве показателей предлагаются: величина изменения вязкости, период осадкообразования, склонность к лако- и нагарообразованию, электропроводность, количество отложений на деталях, содержание растворимого кислорода, удельная мощность диэлектрических потерь в присутствии катализатора и без него, оптические свойства, плотность нерастворимых в масле загрязнений, массовые доли рабочей фракции и лака, количество осадка при окислении, испаряемость и коррозионные свойства. Большинство из перечисленных показателей применялось для теоретического описания процессов окисления и не нашло практического применения ввиду отсутствия промышленных стандартизованных средств контроля. Другая часть показателей требует применения дорогостоящего оборудования и используется только в лабораторных условиях. Важное значение для оценки качества смазочных материалов и их классификации по группам эксплуатационных свойств имеет их температурная стойкость – показатель, характеризующий критическую температуру работоспособности, температуру начала процессов деструкции базовой основы и присадок. Этот показатель имеет большое значение при трении сопряжений, так как влияет на коэффициент трения и интенсивность изнашивания, поэтому его определяют при граничном трении скольжения с применением трехшариковой машины трения [1, 2]. Существует стандарт для экспериментальной оценки температурной стойкости [3], также предусматривающий триботехнические испытания. Однако проведение триботехнических испытаний на предприятиях транспорта ограничено, так как для этого требуются специалисты в области триботехники и возникает необходимость оснащения их специальным оборудованием. В качестве критериев температурной стойкости смазочных масел как показателей индивидуальных свойств используют методы, в основу которых положены такие показатели, как коксуемость, лако- и нагарообразование. Как показатель температурная стойкость имеет важное значение для 6

Введение

узлов, работающих при высоких температурах. Однако необходимо отметить, что температурная стойкость и термоокислительная стабильность как основные индивидуальные (объемные) свойства смазочного масла недостаточно изучены в области их влияния на противоизносные свойства в зависимости от степени их старения, изменения параметров трения и воздействия электрического потенциала. Решение данной проблемы возможно на основе разработки и обоснования критериев, оценивающих изменение энергетического состояния смазочного материала при эксплуатации техники и его влияние на триботехнические характеристики. В этой связи практическое и научное значение представляют исследования механизма окисления и температурной деструкции смазочных масел и влияния его на ресурс; изменения противоизносных свойств в зависимости от изменения термоокислительной стабильности и температурной стойкости, параметров трения и электрического потенциала и его полярности на фрикционном контакте; механизма формирования адсорбционных, хемосорбционных и модифицированных защитных граничных слоев, разделяющих поверхности трения. При проектировании новых машин и агрегатов вопросы выбора смазочных масел являются проблематичными. Существующая система классификации смазочных масел по группам эксплуатационных свойств не дает полной информации о поведении их при номинальных и экстремальных режимах эксплуатации; кроме того, отсутствуют критерии оценки ресурса масел при изменении режимов эксплуатации. Поэтому в настоящей монографии сделана попытка формализовать некоторые подходы в области температурной стойкости смазочных масел с применением фотометрического метода контроля и триботехнических испытаний, позволяющие учитывать процессы, протекающие как в самом смазочном масле, так и на поверхностях трения в широком диапазоне изменения параметров трения и электрического потенциала и его полярности на поверхностях трения.

7

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

1.

АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ

1.1. Классификация моторных масел В классификации моторных масел в соответствии с ГОСТ 17479.1–85 [4] моторные масла подразделяются на классы по показателю вязкости и группы по назначению и эксплуатационным свойствам. На рынке в настоящее время используются как отечественные, так и зарубежные моторные масла [5]. Приведем описание отечественной классификации моторных масел с учетом «Изменения № 3» к ГОСТ 17479.1–85, которое позволило увеличить число классов по вязкости и изменить границы температурного диапазона использования смазочного материала, ввести новые группы по назначению и эксплуатационным свойствам, а также изменить некоторые наименования. Например, масла для карбюраторных двигателей стали называться более точным термином – маслами для бензиновых двигателей. В указанном ГОСТе предусмотрено обозначение моторных масел, которое сообщает потребителю только самую основную информацию об их свойствах и области применения. Стандартная марка состоит из буквы М, что означает «моторное»; цифры или дроби, которая указывает класс или классы вязкости (последнее для всесезонных масел); одной или двух из первых шести букв алфавита, которые обозначают группу эксплуатационных свойств и область применения масла. Универсальные масла обозначаются буквой без индекса или двумя буквами с разными индексами. Индекс 1 присваивают маслам, пригодным для бензиновых двигателей, а индекс 2 – для дизельных двигателей. Классы вязкости моторных масел, установленные ГОСТом, представлены в табл. 1.1, а группы по назначению и эксплуатационным свойствам – в табл. 1.2. Так, марка М-63/10В сообщает потребителю следующую информацию: моторное всесезонное масло, универсальное для среднефорсированных дизельных двигателей и бензиновых двигателей (группа В) и т. д. Однако есть, к примеру, 14Г2(цс), маркировка которого обозначает моторное масло класса вязкости 14, предназначенное для высокофорсированных дизелей без наддува. В данном случае после основного обозначения в скобках указывается дополнительная информация об области применения, например цс, т. е. циркуляционное судовое. 8

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства … Таблица 1.1 Классы вязкости моторных масел по ГОСТ 17479.1–85

Класс вязкости 33 43 53 63 63 8 10 12 14 16 20 24 33/8 43/6 43/8 43/10 53/10 53/12 53/14 63/10 63/14 63/16

Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре 100 °С –18 °С, не более 3,8 1 250 4,1 2 600 5,6 600 5,6 10 400 5,6–7,0 (включительно) – 7,0–9,3 – 9,3–11,5 – 11,5–12,5 – 12,5–14,5 – 14,5–16,3 – 16,3–21,9 – 21,9–26,1 – 7,0–9,3 1 250 5,6–7,0 2 600 7,0–9,3 2 600 9,3–11,5 2 600 9,3–11,5 6 000 11,5–12,5 6 000 12,5–14,5 6 000 9,3–11,5 10 400 12,5–14,5 10 400 14,5–16,3 10 400

Таблица 1.2 Группы моторных масел по эксплуатационным свойствам и назначению по ГОСТ 17479.1–85

Группа масла по эксплуатационным свойствам А – Б

Б1 Б2 В1

В В2

Рекомендуемая область применения Нефорсированные бензиновые двигатели и дизели Малофорсированные бензиновые двигатели, работающие в условиях, которые способствуют образованию высокотемпературных отложений всех видов Малофорсированные дизели Среднефорсированные бензиновые двигатели, работающие в условиях, которые способствуют окислению масла и образованию отложений всех видов Среднефорсированные дизели с повышенными требованиями к антикоррозионным, противоизносным свойствам масел и способности предотвращать образование высокотемпературных отложений 9

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел Окончание табл. 1.2

Группа масла по эксплуатационным свойствам Г1 Г Г2

Д1 Д Д2

Е

Е1 Е2 

Рекомендуемая область применения Высокофорсированные бензиновые двигатели, работающие в тяжелых эксплуатационных условиях, способствующих окислению масла и образованию отложений всех видов и коррозии Высокофорсированные дизели без наддува или с умеренным наддувом, работающие в эксплуатационных условиях, способствующих образованию высокотемпературных отложений Высокофорсированные бензиновые двигатели, работающие в эксплуатационных условиях, более тяжелых, чем для масел группы Г Высокофорсированные дизели с наддувом, работающие в тяжелых эксплуатационных условиях или когда применяемое топливо требует использования масел с высокой нейтрализующей способностью, антикоррозионными и противоизносными свойствами, малой склонностью к образованию всех видов отложений Высокофорсированные бензиновые двигатели и дизели, работающие в эксплуатационных условиях, более тяжелых, чем для масел группы Д1 и Д2. Отличаются повышенной диспергирующей способностью, лучшими противоизносными свойствами

В прежних нормативных документах дополнительные сведения указывались без скобок, иное назначение моторного масла представляет группа Е, употреблялись и нестандартные марки (МТ-16п, М-16ИХП-3). Ввиду того что старые марки применяются в многочисленных инструкциях по эксплуатации техники, нормативных документах на моторные масла, картах смазки и т. д., возникает сложность в исключении ранее принятых обозначений. Для упрощения созданы таблицы соответствия обозначений марок моторных масел по ГОСТ 17479.1–85, используемых ранее в нормативных документах. Часто возникает вопрос о взаимозаменяемости отечественных и зарубежных моторных масел, например при необходимости выбрать отечественное масло для импортного механизма или же, наоборот, зарубежное масло для экспортной отечественной техники. В международном масштабе общепринятой классификацией по показателю вязкости моторных масел стала классификация Американского общества автомобильных инженеров – SAE J300. Эксплуатационные свойства и область применения зарубежных моторных масел чаще всего указывают по классификации АPI (Американский институт нефти).

10

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

ГОСТ 17479.1–85 дает примерное соотношение отечественных классов вязкости и групп эксплуатационных свойств классам вязкости по SAE и классам API в справочных приложениях. Здесь следует понимать, что приводится только примерное соответствие отечественных и зарубежных марок, а не указывается их идентичность. Данные табл. 1.3 и 1.4 позволяют выбрать зарубежный аналог отечественного масла, зная стандартную марку отечественного масла и его класс вязкости, или, наоборот, зная марку импортного масла и его класс вязкости по классификациям SAЕ и API, найти наиболее близкий ему аналог отечественного масла. Таблица 1.3 Соответствие классов вязкости моторных масел по ГОСТ 17479.1–85 и классификациям SAE

Нормативный документ ГОСТ 17479.1–85 SAE ГОСТ 17479.1–85 SAE

Класс вязкости 33

43

53

63

5W 10W 15W 20W 43/6

63

8

10

12

14

16

20

20

20

30

30

40

40

50

24

33/8

43/8 43/10 53/10 53/12 63/10 63/14 63/16

-

60

5W 10W 10W 10W 15W 15W 20W 20W 20W

-

Таблица 1.4 Соответствие групп эксплуатационных свойств моторных масел по ГОСТ 17479.1–85 и классификациям API

Нормативный документ ГОСТ 17479.1–85 API ГОСТ 17479.1–85 API

Класс вязкости А

Б

Б1

Б2

В

В1

В2

Г

Г1

SB

SC/CA

SC

CA

SD/CB

SD

CB

SE/CC

SE

Г2

Д1

Д2

Е1

CC

SF

CD

CG

Е2 CF-4

SH

– SJ

CG-4

–

Классы вязкости SAE часто имеют более широкие диапазоны предельного значения кинематической вязкости при 100 °С, нежели классы вязкости по ГОСТ 17479.1–85. По этой причине бывает, что одному классу SAE может соответствовать два смежных класса по ГОСТ 17479.1–85. В этом случае желательно указать аналог, имеющий самое близкое фактическое значение вязкости по нормативной документации на данный продукт. Классификация API подразделяет масла на две категории: S – service, масла для бензиновых двигателей, и С – сommercial, для дизельный двигателей. Универсальные масла обозначают классами и той и другой категории. 11

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Классы в категориях указывают буквами латинского алфавита, стоящими после буквы, обозначающей категорию, например, SF, SH, СС, CD или SF/CC, CG/CD, CF-4/SH для универсальных масел. Моторные масла, относящиеся к одному и тому же классу API, но производимые разными фирмами, могут значительно отличаться по составу базовой основы масел, типам присадок и, следовательно, иметь весьма специфические свойства, удовлетворять предъявляемым узким требованиям, быть ближе к предельным значениям или иметь запас качества. При выборе аналогичного масла по области применения и эксплуатационным свойствам обязательно должны быть приняты во внимание все специальные требования к моторному маслу со стороны изготовителя техники. Согласно классификациям ГОСТ 17479.1–85 и API группу эксплуатационных свойств устанавливают только по результатам специальных испытаний моторных масел в специальных установках и полноразмерных двигателях. Испытания проводят в стендовых условиях по стандартным методам. Чем выше присваиваемая маслу группа эксплуатационных свойств, тем проходная оценка результатов испытаний более строгая и тем жестче условия проведения этих испытаний. Для контролирования стабильности качества серийных моторных масел их классификационные испытания проводят в соответствии с требованиями ГОСТ 17479.1–85 не реже одного раза в два года. При этом определяют противоизносные, моющие, антикоррозионные, диспергирующие и антиокислительные свойства масел, а также их соответствие указанным в марках классам вязкости.

1.2. Особенности механизма старения смазочных масел Изменение свойств смазочных материалов в процессе эксплуатации носит название старения смазочных материалов. В результате старения изменяются оптические свойства, плотность, вязкость, температура вспышки и т. д., т. е. химический состав и физическое состояние. При эксплуатации смазочный материал подвергается воздействиям различных внешних факторов в присутствии контактирующих материалов (металл, воздух, вода, кислоты, полимеры); многие из них являются катализаторами химических реакций, которые ускоряют старение смазочного материала. Тепловая энергия относится к постоянно воздействующим факторам, а механическая энергия возникает при сжатии и разрежении, перемешивании и разделении поверхностей трения, вибрациях и дроселлировании. В результате таких внешних воздействий формируется комплекс физикохимических изменений, которые можно разделить на четыре группы [6]: 12

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

1) физический характер изменений – накопление продуктов изнашивания, испарение, растворение воды и газов, изменение количественного состава присадок за счет образования на поверхностях трения сорбционных пленок; 2) химический характер изменений – реакции гидролиза базового масла и присадок вследствие присутствия воды и водных растворов, окисление углеводородов базового масла, реакции присадок с металлами и другие процессы; 3) механохимический характер изменений – участие масла в трении, перемешивание, трибохимические процессы, протекающие на поверхностях трения, и стимулирующее влияние механического воздействия на химические реакции; 4) изменения, которые вызваны влиянием продуктов от неполного сгорания топлив при работе ДВС, оксидов углерода, азота и серы. Основной причиной старения смазочного материала является тепловое воздействие и окисление в базовом масле. Эти воздействия происходят в виде совокупности сложных химических реакций углеводородов с кислородом (атмосферным или растворенным в жидкости), усиленных действием температуры. Процесс окисления состоит из двух стадий [7, 8, 9]. Первая стадия – возбуждение тепловой энергией молекул, которое может усилиться радиационным и механическим воздействием и привести к разрыву химических связей. При этом образуются свободные радикалы R, представляющие собой части молекул, на концах которых находится неспаренный электрон. Вторая стадия [6] представляет собой взаимодействие активированных частей молекул как цепную реакцию автоокисления. В этом случае радикалы начинают интенсивно реагировать с кислородом и образовывать радикалы перекисей RO2. Радикалы перекисей начинают реагировать с исходными молекулами углеводородов и образовывать молекулы гидроперекисей ROOH и углеводородные радикалы R. В результате таких реакций образуются вода, кислоты, смолы, сложные эфиры, которые увеличивают кислотность масла. Чтобы повысить противоизносные и антикоррозионные свойства смазочных материалов, в них вводят присадки, которые содержат органические кислоты, и поэтому кислотное число масел с присадками становится больше кислотного числа базового масла. При старении масла происходит два процесса одновременно: расход кислых присадок на участие в химических реакциях и образование граничных защитных пленок, а также накопление кислых продуктов за счет окисления базового масла. 13

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Тогда процесс старения можно описать уравнением [6]:

у  у1е kt 

2 y2 , e mkt  e  mkt

(1.1)

где y1, y2 – начальная величина кислотного числа базового масла и присадок соответственно; mk – постоянная скорости расхода присадок; k – постоянная скорости окисления базового масла. Таким образом, в уравнении (1.1) учтены процессы старения базового масла и расход присадки при окислении. Процессы старения смазочных материалов имеют общую закономерность [10]. В первое время работы двигателя, еще на свежем масле, активно возрастает концентрация механических примесей неорганического и органического происхождения, снижается щелочность и возрастает кислотное число. Через некоторое время работы двигателя, в результате работы фильтров тонкой очистки масла и возможного долива части свежего масла в процессе эксплуатации, процесс стабилизируется [11]. Данное явление не означает, что процессы старения прекратились, а просто характеризует протекание их с меньшей скоростью. В работе Б. И. Ковальского [12] процессы старения смазочных материалов на примере моторных масел исследовались по оптической плотности D прямым фотометрированием. На рис. 1.1 приведены зависимости оптической плотности D моторного масла от продолжительности работы двигателя.

Рис. 1.1. Зависимости оптической плотности масла от продолжительности работы двигателя: 1, 3, 5, 6 – испытания зимой; 2, 4, 7 – испытания летом; 1, 2, 6, 7 – новые ДВС; 3, 4 – ДВС перед капитальным ремонтом; 5 – ДВС после капитального ремонта

14

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

Начальные точки характеризуют степень загрязнения масляной системы ДВС и качество технического обслуживания. Углы наклона зависимостей показывают интенсивность загрязнения масел и индивидуальные особенности и условия эксплуатации ДВС, а также состояние системы фильтрации и цилиндропоршневой группы. Таким образом, процесс окисления смазочного материала происходит в две стадии: сначала образуются растворимые продукты в масле, далее происходит их доокисление и переход в нерастворимые. Соотношение нерастворимых примесей к растворимым Дн / Др (рис. 1.2) является показателем, позволяющим оценить количественный состав примесей в ДВС.

а

б

в Рис. 1.2. Зависимости соотношения примесей в масле от времени работы двигателя (условные обозначения см. на рис. 1.1) 15

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

На новые двигатели или после их капитального ремонта при летних и зимних условиях эксплуатации практически не влияет характер изменения соотношения примесей (рис. 1.2, а). В первое время эксплуатации масла в ДВС соотношение примесей Дн / Др незначительно изменяется, но после 100–150 ч работы масла наблюдается увеличение соотношения примесей за счет уменьшения концентрации растворимых примесей. Для изношенных ДВС соотношение примесей подвержено большим колебаниям из-за долива свежего масла, но при этом сохраняется общая особенность зависимостей (рис. 1.2, б) – их рост за счет образования нерастворимых примесей, что увеличивает склонность моторного масла к образованию осадка и засорению маслоподводящих каналов, повышению температуры работы двигателя и нарушению режимов смазки. Влияние примесей, которые появляются при эксплуатации двигателя, на противоизносные свойства масел исследуется на машине трения [13] со схемой трения «шар – цилиндр» при постоянных режимах трения (нагрузка, скорость скольжения, температура масла). Противоизносные свойства смазочных материалов зависят от концентрации нерастворимых и растворимых примесей, причем соблюдается одна и та же тенденция к их изменению. Зависимости противоизносных свойств масел от содержания в них нерастворимых примесей представлены на рис. 1.3. Увеличение концентрации нерастворимых примесей приводит к снижению противоизносных свойства масел, поэтому при эксплуатации ДВС необходимо контролировать состояние фильтрующих элементов.

Рис. 1.3. Зависимость противоизносных свойств масел от концентрации нерастворимых примесей

Однако при увеличении соотношения Дн / Др противоизносные свойства масел улучшаются для новых ДВС и не зависят от него для работавших изношенных двигателей. При небольших значениях соотношения Дн / Др заметны колебания противоизносных свойств смазочных масел, что объясняется изменением концентрации растворимых примесей. Таким образом, анализ механизма старения показал, что необходим комплексный подход к контролю качества смазочных материалов. 16

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

1.3. Анализ методов контроля качества смазочных масел При выборе смазочных масел для различных механизмов и машин основное внимание уделяется антикоррозийным, противоизносным и противозадирным свойствам. Свойства смазочных масел зависят от содержания химически активных и полярно-активных веществ, которые способствуют образованию устойчивых защитных слоев на поверхностях трения. Защитные слои снижают коэффициент трения, износ и обуславливают приспосабливаемость пары конструкционных материалов к данным условиям эксплуатации. Кроме того, в результате деструкции масла формируются низкомолекулярные кислоты, способные улучшать смазочный эффект. Это объясняет превосходство отработанных смазочных масел над чистыми товарными маслами [14–18]. Коррозионно-механическое изнашивание зависит от антикоррозионных свойств смазочных масел. Такой вид изнашивания является одной из главных причин, которые затрудняют увеличение ресурса работы ДВС вследствие непрерывного действия. Кроме того, коррозионные свойства масел в процессе эксплуатации механизмов могут изменяться и стать неудовлетворяющими при удовлетворительных противоизносных свойствах масла. Поэтому коррозионные свойства работающих масел необходимо учитывать при разработке критериев оценки их эксплуатационных свойств. Ю. А. Розенберг [16] в своих работах классифицирует смазочные масла по эксплуатационным свойствам на служебные и смазочные. Противоизносные и фрикционные характеристики различных масел определяют их смазочные свойства, а все другие свойства относятся к служебным. Такое классифицирование свидетельствует о том, что необходим комплексный подход к разработке критериев оценки качества смазочных масел. Ресурс масел определяют при рассмотрении системы «смазочное масло – пара трения» по тому факту, как качество и скорость загрязнения масла зависят от технического состояния трибоузла. Качество смазочных масел в основном меняется вследствие образования эксплуатационных примесей, поэтому необходима разработка методов оценки количества, химической структуры и состава примесей, которые можно разделить на качественные и количественные. При использовании количественных методов можно определить массу твердых загрязнений в масле, что регламентируют ГОСТ 6370–83 и ГОСТ 12275–66. В случае когда в масле большое количество частиц, применяют объемные методы оценки. Гранулометрический состав загрязнений смазочных масел определяют микроскопическими и седиментационными методами. В основе 17

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

седиментационного метода заложено определение размера (диаметра) частиц по скорости их осаждения в объеме масла. В наше время применяют оптические методы седиментационного анализа, которые основаны на фотокалометрическом способе измерения количества частиц, оседающих в масле, соответствующих размеров. Оптические методы широко применяют при контролировании технологических процессов при производстве масел [18], а также при контролировании наличия частиц износа, находящихся в отработанном масле. При оценке дисперсного состава частиц используют электрометрический метод, который заключается в фотометрировании проб смазочных масел сперва в статическом электрическом поле, а потом при его снятии [19, 20]. Большое значение имеет оценка гранулометрического состава загрязнений [21], потому что он оказывает влияние на противоизносные свойства смазочных масел. При определении гранулометрического состава примесей, находящихся в масле, широко используют фильтрацию через беззольные бумажные фильтры и ультразвук, а также средства контроля, которые основаны на измерении скорости распространения ультразвуковых волн в жидкости в зависимости от примесей. Химический состав примесей в смазочном масле определяют лабораторными и инструментальными методами количественного анализа. К инструментальным методам относят эмиссионный спектральный, полярографический и другие. Эмиссионный спектральный анализ проводят непосредственно на загрязненном смазочном масле или исследуют золу после сжигания масла. В данном способе возможно применение инфракрасной спектроскопии [22], которая позволяет обнаружить продукты окисления, сульфаты и неорганические нитраты, соли карбоновых кислот. В основу полярографического анализа заложен электролиз зольного остатка, растворенного в кислоте, который образован после сжигания пробы смазочного масла. Анализ полярограмм, которые построены в координатах «напряжение – сила тока», характеризует количественное содержание веществ в смазочном масле. Кроме определения гранулометрического и химического составов, массы твердых загрязнений, которые содержатся в смазочном материале, большое значение имеют методы определения содержания влаги. В лабораториях с этой целью применяют методы, которые основаны на испарении воды с последующей конденсацией или на взаимодействии ее с веществами наподобие гидрида кальция, при котором по количеству выделившегося водорода при протекании реакции гидрида кальция с водой, содержащейся в смазочном масле, можно сделать вывод о ее количестве. Относительно 18

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

простым является метод определения наличия воды в смазочном масле с применением глицерина и фотометрии. Глицерин поглощает воду, а фотометрирование пробы смазочного масла до и после смешивания с глицерином влияет на показания фотометра. Существуют также и инструментальные методы определения содержания воды в смазочных маслах. В их числе находятся методы измерения диэлектрической проницаемости смазочного масла, электролитические, гидрометрические и другие. Качество масел также исследуется методами оценки смазочных свойств при помощи специальных лабораторных машин трения при условиях, которые максимально приближены к реальным эксплуатационным, например, исследования на четырехшариковой машине трения. Перспективным методом является применение трехшариковой машины трения [13], преимущество которой заключается в контакте трех шаров с цилиндром по индивидуальной дорожке трения, что позволяет более точно определять интенсивность протекания на контакте механохимических процессов. Для оценки вязкости смазочного масла в зоне трения используются акустические методы, при которых определяют коэффициент поглощения ультразвуковых волн масляной средой [23, 24]. При использовании метода определения динамической стабильности смазочных масел при одновременном воздействии температуры и нагрузки было установлено, что процесс старения смазочных масел в динамических условиях продолжается и в статических условиях [25]. Большое значение в увеличении долговечности пар трения приобретают методы оценки влияния смазочного материала на конструкционные материалы. Таким образом при исследовании работы выхода электрона [26] была обнаружена доменная структура граничных смазочных слоев, которая обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Поверхностная энергия позволяет также определить и такие свойства материалов, как коррозионная стойкость, износостойкость, микротвердость [27, 28]. Характер взаимодействия смазочных масел и присадок с металлами можно оценить при помощи электрокапиллярных кривых, которые получены в результате пропускания полярного тока заданной величины от внешнего источника через масляную пленку и поверхности трения. В работе И. А. Кравец [29] процесс изнашивания исследуется пропусканием переменного тока через контакт с измерением его постоянной составляющей. Подобные методы исследования процесса изнашивания на фрикционном контакте описаны в [30–34]. Существует также способ нагрева смазочного слоя в зоне трения электрическим током [35]. Такой способ позволяет повысить точность измерения температуры в зоне контакта. 19

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Для оценки эксплуатационных свойств масел используется гранулометрический, оптический, полярографический, микроскопический и спектральный методы определения массы частиц и их химического состава. Наряду с экспрессивными методами контроля смазочных масел имеются методы, которые основаны на оптимальном балансе поступления загрязнений в смазочное масло и удалении их из него [36]. На основании этого предлагается критерий физической стабильности, который определяется оптической плотностью смазочного масла, измеренной стандартными фотометрами, до и после центрифугирования без разбавления [37]. Известны также методы диагностирования машин с применением спектрального анализа смазочных масел [38], при котором определяется интенсивность изнашивания конкретной пары трения, причем нередко встречается применение радиоактивных вставок. В наше время существует значительное количество критериев оценки качества смазочного масла. Основное внимание уделяется степени их корреляции с темпом износа. Например, в работе А. И. Соколова [39] рекомендуется использовать количество отложений на деталях двигателя в качестве критерия. В целом эти критерии можно разделить на две группы. К первой группе относятся такие показатели, как давление, при котором происходит схватывание деталей; скорость скольжения, вызывающая повышение температуры; десорбция смазки; сила трения и скорость износа; температурная стойкость смазочного масла. Вторая группа – это комплексная оценка масел по браковочным показателям: температуре вспышки, кислотности, вязкости, диспергирующей способности, содержанию серы в топливе, наличие воды и т. д. [40]. В качестве критерия оценки предела работоспособности смазочного материала при граничном трении предложена критическая температура [41]. Таким образом, температурная стойкость характеризует способность смазки разделять поверхности трении при интенсивном тепловом воздействии в условиях граничного трения и может быть признана показателем качества масел [42, 43].

1.4. Температурная стойкость смазочных масел При испытании смазочных материалов на лабораторных машинах и приборах применяются различные критерии для сравнительной оценки смазочной способности масел, учитывая следующее [44]: 1. Характеристика сопротивления сдвигу в смазочной пленке при отсутствии влияния вязкости (сила трения, коэффициент трения). Смазочная способность проявляется или различием в трении при применении двух 20

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

масел одинаковой вязкости при одинаковой температуре слоя смазки и при вполне одинаковых прочих условиях испытания (кинетические испытания), или различием в трении при нулевой скорости и прочих равных условиях испытания, когда можно сравнивать масла различной вязкости, так как при нулевой скорости вязкость жидкого масла не сказывается на трении (статические испытания). 2. Нагрузка, при которой достигаются критические условия на поверхности трения (например, заедание) или достигается заданная величина силы трения или температуры. Нагрузка при начале заедания или нагрузка, при которой происходит повышенный износ и повреждение поверхностей трения (при данной смазке), применяется многими исследователями в качестве критерия оценки качества масел, особенно масел, предназначенных для работы при высоких контактных давлениях. Чем выше нагрузка, при которой начинается повышенный износ поверхностей, тем лучше смазочная пленка предохраняет поверхности. В некоторых случаях испытания проводят при ступенчатом повышении нагрузки до момента, при котором достигаются определенные величины силы трения (или коэффициента трения) или температуры на поверхности трения, являющиеся предельно допустимыми по условиям работы тех деталей или узла машины, для которых подбирается смазка. В подобных испытаниях смазок чем выше нагрузка, при которой получается предельно допустимое значение силы трения или температуры, тем выше качество смазки. 3. Величина износа поверхностей трения. Б. В. Дерягин и В. П. Лазарев [45] считают, что в большинстве случаев при применении смазки в деталях машин наиболее важным качеством смазки является ее способность исключать или уменьшать износ (а не понижать трение). Поэтому критерием смазочной способности является способность смазочного материала снижать износ при тонкослойной или граничной смазке. В этих испытаниях износ определяется при нормированных условиях опыта на конкретном металле. 4. Повышение температуры при трении (температурный критерий, гипотеза Блока). При трении смазанных поверхностей происходит нагрев смазки и соприкасающихся тел. Установлено, что при смазке разными маслами, незначительно отличающимися по вязкости, нагрев подвижного сочленения деталей при прочих равных условиях работы бывает неодинаков. Это говорит о том, что тепловой режим такого рабочего узла машины зависит от качества применяемого масла. Поэтому нередко при сравнительных испытаниях масел оценку их качества производят по величине нагрева масла на участке, где имеет место трение. Масло, при котором получается наименьшая температура в узле трения, считается лучшим [46]. 21

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Температурный критерий основывается на упомянутой выше гипотезе Блока, согласно которой разрушение смазочного слоя на поверхности контакта происходит при достижении критической температуры или «температуры заедания». Величина этой температуры может быть определена приближенно расчетным методом. Обычно за температуру заедания Tз принимается суммарная температура – температура вспышки (tвсп) + объемная температура поверхностей трения (tоб), т. е. Tз = tвсп + tоб. Объемная температура определяется непосредственно измерениями, а температура вспышки – по теоретическим формулам в соответствии с условиями, определяющими нагрев в контакте сопряженных поверхностей [47]. По мнению некоторых зарубежных исследователей, для ряда случаев, в частности для условий работы узлов трения при высоких контактных нагрузках (зубчатые передачи, кулачковые и фрикционные передачи и др.), температурный критерий, определяемый расчетным методом, в настоящее время в инженерной практике является единственным для расчета деталей на заедание. При этом не отрицается, что данный критерий не отражает всей сложности физических и химических процессов, имеющих место в зоне контакта [48]. Общепринятыми теориями трения являются адгезионно-деформационная теория Боудена – Тейбора и молекулярно-механическая теория трения, предложенная И. В. Крагельским [49]. В основе этих теорий лежит представление о сближении двух шероховатых поверхностей при контактном взаимодействии. Даже при очень малой нагрузке вследствие дискретности контакта давление на неровность очень велико. В результате деформирования материалов контактирующих тел поверхности контакта начинают сближаться, приводя в контакт все большее число неровностей. Этот процесс продолжается до тех пор, пока площадь контакта не станет достаточной, чтобы нести нагрузку. При фрикционном взаимодействии для расчета при сосредоточенной нагрузке полупространства существует ряд формул для точечного контакта (задача Буссинеска), для линейного контакта (задача Фламана), для распределенной нагрузки полупространства (комбинация этих задач). Оцениваются параметры контакта упругого герцевского, сферических и цилиндрических тел, пластического, а также упругопластического. Модель Дерягина – Муллера – Токарева позволяет рассматривать влияние упругих контактных деформаций на адгезию только для герцевского контакта. Равновесие достигается, когда деформация такова, что упругая реакция (сила упругого восстановления сферы, контактирующей с жестким полупространством) уравновешивает совместное действие приложенной внешней нагрузки и сил молекулярного притяжения. В модели Джонсона – Кендалла – Робертса взаимодействие упругой сферы и жесткого полупространства ограничено только пределами площадки контакта. 22

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

Для ее реализации используются расчетные давления по Герцу и Буссинеску. Модели Дерягина – Муллера – Токарева и Джонсона – Кендалла – Робертса располагаются на разных концах диапазона отношений упругой деформации к радиусу действия сил адгезии. Модель Демкина, предназначенная для расчета фактической площади контакта, предусматривает введение эквивалентной шероховатой поверхности, контактирующей с идеально гладкой. Эквивалентная шероховатая поверхность представляет комбинацию шероховатостей обеих соприкасающихся поверхностей. В результате получают основные соотношения для единичного пятна контакта и фактической площади для упругого и пластического контактов. В модели Гринвуда – Вильямсона в дополнение к предыдущей модели активно используются методы теории вероятности (распределения Раиса, Релея, Гаусса) для расчета контактного взаимодействия шероховатых поверхностей. Согласно этой модели пластическое течение отдельной неровности начинается тогда, когда максимальное герцевское давление Рmax достигает 0,6Н (Н – твердость наиболее мягкого из контактирующих материалов). При этом доля фактической площади касания ε, приходящейся на эти неровности, должна превысить ε ≥ 0,02. Как показывает литературный анализ, на первой стадии рационального цикла испытаний смазочных масел в лабораторных условиях предпочтение следует отдавать четырехшариковой машине трения ввиду простоты и высокой воспроизводимости эксперимента [50, 51]. Данная методика стандартизирована и имеет широкое применение (ГОСТ 9490–75, ASTM D 2783, DIN 51350). На рис. 1.4 представлена схема рабочего узла четырехшариковой машины трения. Ко дну кюветы 1 прикреплены три равнорасположенных по окружности шарика 2. Сверху на них опирается прикрепленный к пуансону 4 шарик 3, который прижат к шарикам 2 с заданным усилием. Кювета 6 заполняется испытуемым маслом. Шарик 3 через оправку 4 приводится во вращение и скользит по закрепленным шарикам. Рис. 1.4. Схема рабочего узла четырехКювета 6 расположена на подшипни- шариковой испытательной машины: 1, 6 – ковой опоре 7, но удерживается от по- кювета; 2, 3 – образцы шариков; 4 – пуворота тягой 8, соединенной с дина- ансон; 5 – динамометр; 7 – подшипниковая опора; 8 – удерживающая тяга мометром 5. 23

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Динамометр регистрирует момент трения, величина которого записывается на ленте самописца. В тот момент, когда исчерпывается смазывающая способность масла, происходит схватывание верхнего шарика с нижними, момент трения резко увеличивается, что видно по записываемой кривой, а испытание прекращается. Время испытания используется как мера оценки противоизносной способности масла. Одновременно измеряется диаметр пятна износа, образовавшегося на каждом из трех закрепленных шаров. На некоторые масла диаметр пятна износа указывается в ГОСТе или паспортных данных. Таким же образом определяется эффективность противоизносных присадок. С помощью четырехшариковой машины трения решаются следующие задачи [52]: 1. Предварительный отбор (ранжирование) опытных образцов при разработке новых смазочных материалов или их подборе к агрегату, где он эксплуатируется. 2. Контроль качества продукции и его соответствия установленным нормам по принятым показателям трибологических свойств. 3. Проверка стабильности исходных свойств в процессе эксплуатации и хранения. ГОСТ 9490–75 «Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологических характеристик на четырехшариковой машине» предусматривает определение следующих четырех характеристик: 1. Показатель износа dи (измеряется в мм), который является средним диаметром пятен износа неподвижных шаров и характеризует противоизносные свойства смазочного материала, т. е. наличие поверхностноактивных веществ. 2. Критическая нагрузка Pк характеризует предел несущей способности ПАВ в смазочном материале. Критической считают нагрузку, при которой средний диаметр пятна износа шаров находится в пределах значений предельного износа (dи ± 0,15) для данной нагрузки и рост которой до величины последующей нагрузки вызывает увеличение среднего диаметра пятен износа на величину больше 0,1 мм. Чем больше величина Pк, тем больше запас работы адсорбционной масляной пленки и больший рабочий диапазон противоизносных присадок. 3. Нагрузка сваривания Pс характеризует наличие в смазочном материале противозадирных присадок в виде химически активных веществ, предел работоспособности этих присадок. Чем больше величина Pс, тем шире диапазон работоспособности и выше противозадирные свойства смазочного материала. 4. Индекс задира Нз является характеристикой противозадирных свойств смазочного материла, но фактически это средняя интегральная ве24

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

личина, учитывающая противоизносные, противозадирные свойства и несущую способность. Он определяется по формуле n

Нз =

d

 Pi d i

i 196

r

n

,

(1.2)

где di – средний диаметр пятна износа неподвижных шаров при Pi, м; Pi – i-я нагрузка, значения которой берутся по первому нагрузочному ряду (ГОСТ 9490–75) от 196 Н до значения, соответствующего критической нагрузке; dr – диаметр зоны упругой деформации шаров по Герцу; n – число испытаний по нагрузочному ряду. В настоящее время широко используются методы, основанные на анализе частиц износа и частиц, попавших в масло [53]. Они позволяют понять физические процессы, происходящие в масле, но не дают возможности определить кинетику изменения процессов деструкции масел. В этой связи актуальной становится задача разработки методов и средств, позволяющих оценить состояние присадок и кинетику изменения структуры масла. Рассмотрим наиболее эффективные методы и средства оценки температурной стойкости смазочных материалов. Температурная стойкость как эксплуатационный показатель характеризует температурную область работоспособности смазочного материала и температуру деструкции присадок. Данный показатель может быть определен непосредственно при трении по изменению коэффициента трения от температуры испытания [54] или в объеме по лаконагарообразованию [55]. Разработан стандарт для определения температурной стойкости смазочных материалов при трении [56]. Для повышения информативности при оценке температурной стойкости смазочных материалов разработан способ [57], предусматривающий измерение таких параметров, как вязкость, коэффициент энергетического состояния, температура начала нагарообразования, разность коэффициентов поглощения светового потока до и после центрифугирования при фотометрировании термически испытанного масла [58]. Сущность метода определения температурной стойкости при трении [59] состоит в триботехническом испытании сопряжения с точечным или линейным контактом, образованным вращающимся с постоянной и малой скоростью образцом и тремя (или одним) неподвижными образцами, при постоянной нагрузке и ступенчатом повышении объемной температуры образцов и окружающего их смазочного материала от внешнего источника тепла, с регистрацией момента трения во время испытаний, по изменениям которого судят о температурной стойкости смазочных материалов. 25

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Устанавливаются шесть схем испытаний (рис. 1.5): А – испытания при контакте вращающегося шара с тремя неподвижными шарами; Б – испытания при контакте вращающегося шара со сферическим пояском на пересечении торцевой поверхности внутреннего отверстия нижнего образца, выполненного в виде кольца; В – испытания при контакте вращающегося шара с тремя образцами с плоскими рабочими поверхностями; Д – испытания при контакте вращающегося конического образца с тремя цилиндрическими образцами, равнорасположенными относительно оси вращения образца; Е – испытания при контакте вращающегося конического образца с коническим пояском на пересечении торцевой поверхности и внутреннего отверстия нижнего образца, выполненного в виде кольца. Испытания по схемам А, В, Г, Д могут быть распространены на испытания смазочных материалов для зубчатых колес, подшипников качения, сопряжений «кулачок – толкатель» и «поршневое кольцо – гильза цилиндра двигателя внутреннего сгорания».

Рис. 1.5. Схемы испытания смазочного масла на температурную стойкость при трении 26

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

Испытания по схемам Б и Е могут быть распространены на испытания смазочных материалов для подшипников скольжения и сопряжений «поршневое кольцо – гильза двигателя внутреннего сгорания». Испытания каждого смазочного материала состоят из серии испытаний при различных объемных температурах. Каждое испытание при заданной объемной температуре проводят с новой порцией смазочного материала и новыми образцами. Первое определение коэффициента трения на нижних шариках проводят при комнатной температуре (293 К). При следующих определениях объемную температуру узла трения и окружающего его смазочного материала ступенчато повышают с интервалами 10 К до температуры 573 К. Объемную температуру узла трения и окружающего его смазочного материала измеряют с помощью термопары, спай которой должен быть прижат к одному из нижних образцов на расстоянии 1–3 мм от зоны трения. Смазочный материал и узел трения перед каждым определением нагревают при собранном узле трения, но без приложения нагрузки. При достижении заданной температуры узел трения нагружают, включают самописец динамометра и привод шпинделя машины. В процессе испытания самописец на трибограмме регистрирует изменение момента трения. Продолжительность вращения шпинделя с верхним образцом 60 с. Затем привод шпинделя и самописец выключают, нагрузку снимают. По результатам трех испытаний строят график зависимости средних арифметических значений коэффициента трения от объемной температуры (рис. 1.6) [56]. Противоизносные свойства смазочных композиций с химически активными присадками при коррозионно-механическом изнашивании характеризуются условной энергией активации химической модификации поверхностей трения. Чем больше условная энергия активации химической модификации, тем выше противоизносные свойства композиции при коррозионно-механическом изнашивании. Условная энергия активации E, Дж/моль, рассчитывается по формуле Е

Т х.м1  Т х.м2 (ln C1  ln C2 ) R , Т х.м2  Т х.м1

(1.3)

где Tх.м1 и Tх.м2 – соответственно температура химической модификации, определенная экспериментально согласно настоящему стандарту и полученная при массовых долях химически активных присадок в масле, соответственно С1 = 0,01; С2 = 1 %; R = 8,314 – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·град. Известно устройство [55] для определения термической стабильности смазочного масла, которое содержит (рис. 1.7) термокамеру 1 с внутренней 27

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

цилиндрической полостью П, крышку 2, жиклер 3, снабженный термопарой 4, установленной соосно цилиндрической полости П термокамеры 1. Жиклер 3 термически взаимодействует с термокамерой 1, взаимодействующей с нагревателем 5. Оси жиклера 3 и цилиндрической полости П термокамеры 1 расположены горизонтально. С помощью канала К полость П соединена с системой подачи масла. Поверхность отверстия О жиклера 3 является коксообразователем. Жиклеры 3 могут быть сменными.

Рис. 1.6. Зависимости коэффициента трения от объемной температуры при испытании по схеме А трения шариков и смазке эталонным маслом (кривая 1) и маслом с химически активной присадкой (кривая 2)

Рис. 1.7. Устройство для определения термической стабильности смазочных масел: 1 – термокамера; 2 – крышка; 3 – жиклер; 4 – термопара; 5 – нагреватель; П – цилиндрическая полость; К – канал

28

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

При увеличении температуры корпуса термокамеры 1 происходит разогрев масла. Так как коэффициент термического объемного расширения смазочных масел в 10–12 раз выше, чем металлического корпуса термокамеры, уровень масла в полости П повышается и происходит медленное и равномерное истечение через отверстие О жиклера 3 в виде тонкой пленки, подвергающейся термическому нагружению под действием изменяющейся температуры термокамеры. По истечении времени τ, когда температура жиклера 3 достигает величины tж max = 300 ºС, включают прокачку масла, во время которой температура жиклера 3 снижается до величины tж max = 250 ºС, после чего цикл повторяют. В результате осуществления многократного теплового нагружения пленки масла, подаваемого в жиклер 3, уменьшается проходное сечение отверстия О жиклера 3 вследствие его закоксовывания и связанного с ним снижения прокачки масла через жиклер 3, по величине которого судят о термической стабильности масла. Термическая стабильность масел оценивается по уменьшению величины (%) их прокачки после 500 циклов (рис. 1.8). Устройство для сравнительной оценки термостабильности смазочных материалов [59] применяется для анализа эффективности их использования в процессах горячей штамповки, прессования и литья под давлением.

Рис. 1.8. Результаты определения термической стабильности: 1 – масло МС-8; 2 – масло МС-8П; 3 – масло МН-7,5у 29

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 1.9. Устройство для сравнительной оценки термостабильности смазочных материалов: 1 – нижнее и верхнее основания; 2 – крышки; 3 – валки; 4 – камера; 5 – уплотнители; 6 – металлическая полоса; 7, 8 – области; 9–12 – нагреваемые области

Оно состоит из нижнего и верхнего оснований 1 (рис. 1.9), двух боковых крышек 2, двух пар валков 3 и образуемой ими герметичной рабочей камеры 4. Для обеспечения возможности вращения валков 3 в основаниях 1 выполнены пазы, а в крышках 2 – отверстия, в которых для герметизации камеры установлены уплотнители 5. В основаниях выполнены отверстия для подсоединения к регистрирующим датчикам давления. Принцип работы установки следующий: устанавливают зазор между валками 3 меньше толщины исследуемой металлической полосы 6 на заданную величину упругой деформации и включают двигатели, вращающие валки. Полосу 6 подают в зазор. При этом в рабочей камере 4 образуются две не связанные между собой области 7 и 8. На полосе 6 нагревают участки 9 – 12 и 6 – 12 до 600–1 000 ºС. На верхний и нижний участки контакта полосы 6 с валками 3 одновременно подают две исследуемые смазки. В процессе контакта полосы 6 с валками 3 происходит термическое разложение смазок, в результате газообразные продукты изменяют давление в областях 7 и 8, что регистрируется соответствующими датчиками. По полученной с датчиков информации об изменении давления судят о сравнительной термостабильности исследуемых смазок. Для повышения точности определения термической стабильности смазочных масел [57] используется коксообразователь (рис. 1.10). В нем образуется кокс от разложения пленки масла и его паров. Технология работы заключается в следующем. Проводится прокачка масла через коксообразователь. При этом масло из маслопровода 8 через отверстие 6 поступает во внутреннюю полость соединительной трубы 5, 30

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

а из нее через отверстие в стенке корпуса 2 в жиклер 1. Во время прокачки сливной 18 и воздушный 17 краны закрыты. Из жиклера 1 масло через отверстие выливается наружу. После прекращения прокачки масла кран 16 закрывают, а кран 18 открывают, благодаря чему масло из соединительной трубы 5 и втулки 7 сливается до нижнего обреза отверстия.

Рис. 1.10. Коксообразователь для определения термической стабильности смазочных масел: 1 – жиклер; 2 – корпус; 3 – теплообменник; 4 – кольца; 5 – соединительная труба; 6 – отверстие; 7 – втулка; 8 – маслопровод; 9 – теплоэлектроизоляторы; 10 – термопары; 11 – электронагреватель; 12 – фланец; 13 – кольцо; 14, 15 – клеммы; 16–18 – краны; 19 – гайка

После слива масла кран 18 закрывают и включают электронагреватель. Выделяемое спицами 11 тепло подводится к фланцу 12, а от него к жиклеру 1 и корпусу 2. Производится нагрев жиклера 1 и воздуха до необходимых температур, контролируемых с помощью термопар 10. Величина теплового потока, отводимого от корпуса 2 в теплообменник 3, регулируется путем подбора теплопроводящих колец 4. Масло небольшими порциями, определяемыми скоростью повышения температуры корпуса 2, вытекает из отверстия жиклера 1, смазывая его стенки и разлагаясь на них под действием высоких температур в присутствии горячего воздуха. После достижения необходимой температуры жиклера 1 открывают кран 17 31

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

и пропускают воздух через жиклер 1, который смешивается в нем с парами испытуемого масла. При прохождении этой смеси на его стенках образуется кокс. Существует комплекс методов квалификационной оценки [60], применяющихся для сертификации нефтепродуктов, путем стендовых, эксплуатационных или полигонных испытаний. Такой комплекс включает лабораторные установки, моделирующие условия работы масла в двигателях. Оценка противонагарных и антиокислительных свойств по методу, входящему в комплекс методов квалификационной оценки, проводится на лабораторной установке высокотемпературного каталитического окисления [61]. Испытуемое масло (100 г) заливают в стальные стаканы и при температуре 230 °С в течение заданного времени перемешивают медными стержнями, вращающимися с частотой 6 000 об/мин. В условиях испытания происходят процессы термической деструкции и в меньшей степени – окисления. Образующаяся в результате этих процессов дисперсная фаза коагулирует, что приводит к росту оптической плотности и вязкости масла. Рост этих параметров свидетельствует о накоплении предшественников нагарообразования (оптическая плотность) и степени процессы окисления (вязкость). Для интегральной оценки противонагарных и антиокислительных свойств используют обобщенный показатель масла (ОПМ), вычисляемый по формуле ОПМ = ∆v40 · D, (1.4) где v40   v2  v1  / v1   100 – прирост вязкости, %; v2, v1 – вязкость масла при 40 °С соответственно до испытания и после него, мм2/с; D – оптическая плотность масла после испытания. Чем меньше абсолютное значение показателя ОПМ, тем лучше свойства масла. 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 API) 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, что позволило допустить к производству и применению 23 вида масла нового состава. На основе проведенных исследований в области температурной стойкости смазочных материалов установлено, что этот показатель экс32

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

плуатационных свойств в основном определялся 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 которых 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.

1.5. Влияние нагрузки на температурную стойкость граничных смазочных слоев В некоторых исследованиях, проведенных на машинах с точечным или линейным контактом поверхностей образцов, были получены данные об изменении критической или разрушающей температуры в зависимости от нагрузки [62–65]. К. В. Каули, К. Д. Улти, К. Б. Вест [63] изучали влияние температуры на смазывающую способность масел при возвратно-поступательном движении полусферического ползуна по плоскости под нагрузкой и при внешнем нагреве масла. Применялся ползун диаметром 5,5 мм из закаленной стали и плоский образец из незакаленной стали. В качестве смазки использовались: минеральное масло вязкостью 33 сСт, полигликолевый моноэфир вязкостью 62 cСт, ди-(2-этилгексилсебацинат) вязкостью 13 сСт и другие. Вязкость указана при температуре 38 °С. Средняя скорость скольжения 33 см/с. Измерялась объемная температура масла. В этих условиях для указанных масел было выявлено существенное снижение величин разрушающей температуры при повышении нагрузки (рис. 1.11 и 1.12) [66]. Увеличение скорости скольжения также приводило к некоторому снижению объемной разрушающей температуры. Р. С. Фейн, К. Н. Роу и К. Л. Крез [64] также исследовали влияние нагрузки на величину разрушающей температуры разных масел при трении полусферического ползуна или цилиндрического ползуна различных диаметров (0,3; 0,75 и 2,3 мм) по вращающемуся диску и при нагреве смазки в объеме. Испытания проводились при трении образцов из одноименных материалов: стальных (из аустенитной стали, закаленной и отпущенной до 33

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

твердости 270–290 кг/мм), медных и серебряных. Смазкой служил раствор 0,43%-ной стеариновой кислоты в цетане (вязкость 2,3 сСт при 38 °С). Для этого масла в данных опытах получено снижение температуры разрушения граничного слоя с увеличением нагрузки при всех трех указанных материалах поверхностей трения. На рис. 1.12 в качестве примера приведены результаты испытаний для трения стальных образцов низкой твердости в диапазоне удельных давлений от 0,074 до 68,1 кг/мм2 для цилиндрической формы ползунов и от 97 до 187 кг/мм2 для сферических ползунов и постоянной скорости скольжения 1 см/с [64]. Исследования, выполненные этими авторами на стальных образцах при скоростях от 0,1 до 10 см/с, показали тенденцию к повышению разрушающей температуры с увеличением скорости скольжения, в основном при скоростях, больших 1 см/с (рис. 1.13).

Рис. 1.11. Зависимость разрушающей температуры от нагрузки: 1 – минеральное масло; 2 – полигексилмоноэфир; 3 – полигликольмоноэфир; 4 – 2-этилгексилсебацинат

Рис. 1.12. Зависимость разрушающей температуры от нагрузки 34

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

Рис. 1.13. Зависимость разрушающей температуры от скорости скольжения

В указанных работах нет достаточно четкого объяснения полученному влиянию нагрузки на величину критической температуры. Так, К. В. Каули и др. [62] предполагали, что при низких нагрузках возможно влияние гидродинамического эффекта, а при высоких нагрузках проявляется влияние наклепа. Однако такое объяснение некорректно, так как упрочнение поверхности образцов при наклепе под слоем смазки в результате увеличения твердости образцов повысит температуру разрушения граничного смазочного слоя. Р. С. Фейн [62] попытался увязать величину разрушающей температуры с отношением нагрузки к скорости скольжения (p / v). Он предположил, что снижение этой температуры с увеличением отношения p / v не связано с проявлением гидродинамического эффекта, а должно зависеть от реологических свойств граничной смазки, кинетики образования граничного слоя и сваривания взаимодействующих неровностей поверхностей трения. Позднее Р. С. Фейн [62] отказался от параметра p / v. Им были обработаны результаты испытаний, выполненных на разных машинах (четырехшариковая и «вращающийся диск-ползун»), и построена зависимость расчетной температуры разрушения слоя смазки (раствора стеариновой кислоты в цетане) от отношения скорости скольжения к нагрузке v / p. В. Хопкинсом и Д. Р. Вильсоном [63] было выполнено экспериментальное исследование на четырехшариковой машине с внешним подогревом испытуемого масла и шариков. Авторы определили переходную температуру для серии масел при различных нагрузках. Опыты с нафтеновым маслом высокой очистки при различных скоростях вращения верхнего шарика (574, 1 225 и 1 875 об/мин) и разных нагрузках показали некоторое снижение переходной температуры при увеличении скорости скольжения. Применялись закаленные шарики из инструментальной стали М10. Температура измерялась при помощи трех термопар, помещенных: 1) в масляной ванне между тремя нижними шариками; 35

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

2) вблизи линии контакта верхнего шарика; 3) в масляной ванне на ~ 0,1 мм выше верхнего шарика (температуры масла и верхнего шарика были почти одинаковы). Р. М. Матвеевский считал, что в приведенных выше исследованиях влияние нагрузки на переходную или разрушающую температуру смазочных слоев в значительной степени не учитывалось возможными изменениями условий испытания в процессе опытов. Это объясняется нарушением граничных условий смазки при использовании повышенных скоростей скольжения, приводящих к возникновению (хотя бы частичному) гидродинамического эффекта [67]. Кроме того, оценка разрушающей температуры по измерению объемной температуры образцов и окружающего их масла в условиях повышенных скоростей скольжения (порядка 0,2–1 м/с) [68, 69] весьма приближенна. Более правильной будет оценка разрушающей температуры путем суммирования объемной температуры образцов и среднего подъема температуры поверхностей трения, возникающего в результате генерации тепла при трении на площадке контакта образцов. Средний подъем температуры рассчитывается по известным приближенным теоретическим формулам [70–72]. В этой связи полученное некоторыми авторами снижение разрушающей температуры с увеличением нагрузки и скорости скольжения при использовании образцов из закаленной стали, возможно, вызвано тем, что ими не учитывался подъем температуры в месте контакта, имеющий при принятых скоростях скольжения (0,2–1 м/с) существенную величину. В этих условиях возрастание нагрузки или скорости скольжения приводит к увеличению температуры, генерируемой трением на поверхности контакта образцов, и, следовательно, для достижения предельной разрушающей температуры смазочного слоя требуется меньшая величина объемной температуры образцов и масла, получаемая в данных опытах за счет внешнего нагрева. Изложенные экспериментальные данные разных авторов в связи с рядом недостатков эксперимента и обработки экспериментальных данных не дали четкого ответа на вопрос о влиянии нагрузки на температурную стойкость смазочных слоев при трении и наиболее целесообразного объяснения этого явления. ПоэтомуР. М. Матвеевским было предпринято специальное исследование на машине КТ-2 в условиях граничной смазки по методике, исключающей как влияние гидродинамического эффекта, так и влияние нагрева поверхностей генерацией тепла трения [54–56]. Для исследования применялась схема трения четырех шариков, материалами образцов служила закаленная и отпущенная сталь. В качестве смазки использовалось масло Д1 с присадкой 0,1 % стеариновой кислоты. Скорость скольжения в месте контакта образцов была принята равной 0,24 мм/с. Перед испытаниями образцы выдерживались в испытуемом масле в течение 60 мин (для обеспече36

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

ния образования ориентированного слоя масла на поверхности трения). Опыты проводились описанным выше температурным методом при двухтрехкратной повторяемости для каждой нагрузки. Предварительно для выявления критериев при определении критической температуры по величинам диаметра пятна контакта и коэффициентам трения были проведены испытания с закаленными шариками без смазки в широком диапазоне нагрузок (80–400 кг/см2). На рис. 1.14 приведены результаты этих испытаний в виде зависимости диаметра пятна износа от нагрузки.

Рис. 1.14. Зависимость величины диаметра пятна износа на нижних шариках от контактной нагрузки (результаты испытаний закаленных стальных шариков без смазки)

По этим данным критерием для определения критической температуры принята величина износа на шариках, близкая к величине износа в испытаниях без смазки (при соответствующей нагрузке). Результаты испытаний эталонного масла при трех различных нагрузках для случая трения закаленных шариков приведены на рис. 1.15. Во всех случаях получены одинаковые критические температуры (140 °С), при которых наблюдались резкий рост коэффициента трения до значений ~ 0,2 и выше, скачкообразное скольжение и увеличение износа на неподвижных шариках, весьма близкое к износу сухих шариков при соответствующих нагрузках. Аналогичным способом проведенные испытания того же масла на стальных шариках низкой твердости дали другие результаты. Даже при минимальной нагрузке величина критической температуры была несколько меньше, чем при трении закаленных шариков (~130 °С). С дальнейшим увеличением нагрузки критическая температура резко снижалась и при максимальной нагрузке составляла 60 °С (рис. 1.16). Обобщенные результаты двух серий испытаний при трении закаленной и отожженной стали для различных давлений (рассчитанных по Герцу) приведены на рис. 1.17 в координатах критическая температура – удельная контактная нагрузка. Таким образом, при трении закаленных стальных поверхностей величина критической температуры сохраняется постоянной до высоких значений контактных давлений порядка 30 000 кг/см2. 37

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

а

б

в Рис. 1.15. Зависимости коэффициента трения и диаметра пятна износа от температуры в опытах с закаленными шариками при различных давлениях (смазка эталонным маслом): а – 181 кг/мм2; б – 235 кг/мм2; в – 320 кг/мм2

Рис. 1.16. Зависимости коэффициента трения и диаметра пятна износа от температуры для отожженных стальных шариков при различных давлениях (смазка эталонным маслом): 1 – 125 кг/мм2; 2 – 150 кг/мм2; 3 – 200 кг/мм2; 4 – 250 кг/мм2 38

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

Рис. 1.17. Зависимости критической температуры от нагрузки при испытаниях эталонного масла: 1 – закаленные стальные шарики ( Н μ 200 = 1 000 кг/мм2); 2 – отожженные стальные шарики ( Н μ 200 = 200 кг/мм2)

Изложенные в этом параграфе результаты, полученные в ходе экспериментов, показывают, что разрушение граничного смазочного слоя при трении – достаточно сложный процесс. Так, температура разрушения слоя смазки при высоких контактных нагрузках, приводящих к значительной пластической деформации поверхностных слоев металла, будет уменьшаться, так как при этом смазочный слой будет находиться в более тяжелых условиях, а увеличение скорости скольжения может привести к повышению температуры разрушения слоя смазки в результате образования (хотя бы частичного) эластогидродинамической или гидродинамической смазки. Указанные явления имеют большое практическое значение. Однако они лишь несколько модифицируют, но не меняют основное представление о механизме разрушения граничных смазочных слоев. Данная точка зрения поддерживается в работах других исследователей [73, 74].

1.6. Механохимические процессы при изнашивании материалов твердых тел Безотказность и долговечность современных машин, механизмов и технологического оборудования определяются процессами, протекающими в трибологическнх системах, которые различаются такими параметрами, как совместимость, приспосабливаемость и износостойкость [75]. Практическое значение в изучении процессов, происходящих в трибосистемах, приобретают методы и средства диагностики трибосопряжений непосредственно при их работе, что позволяет повысить эксплуатационную 39

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

надежность механических систем. Поэтому разработка средств и методов контроля состояния элементов трибосистем и процессов, происходящих в ней, является актуальной задачей. Моторное масло непосредственно влияет на ресурс работоспособности двигателя. В ГОСТ 17479.1–85 моторные масла подразделяются на классы вязкости и группы по назначению и уровням эксплуатационных свойств [5]. Обозначение моторных масел является основной информацией для потребителей о свойствах и области применения моторных масел. Уровень эксплуатационных свойств моторных масел определяется моющедиспергирующими, антиокислительными и вязкостно-температурными свойствами. Противоизносные свойства моторных масел зависят от химического состава и полярности базового масла, состава композиции присадок и вязкостно-температурной характеристики масла, которая в основном определяет температурные пределы его работоспособности. При эксплуатации масла особенно важны его эффективная вязкость при температурах 130– 180 °С и градиенте скорости сдвига 105–107 с–1, зависимость вязкости от давления, свойства граничных слоев и способность химически модифицировать поверхностные слои трибосопряжений [5]. Трибологические характеристики, определяемые на четырехшариковой машине трения (ЧШМ), по ГОСТ 9490–75 нормированы стандартами и техническими условиями на многие моторные масла, включающими показатель износа при нагрузке 196 Н, критическую нагрузку и индекс задира. Данные показатели применяют для контроля процесса производства, а также при выборе их на стадии проектирования двигателей для моторных испытаний. Ресурс моторных масел устанавливается по результатам моторных испытаний, а их противоизносные свойства оценивают по потере массы поршневых колец, задиру или питтингу кулачков и толкателей, линейному износу этих деталей и цилиндров, состоянию поверхностей трения. По этой причине сроки замены масел устанавливаются заводами-изготовителями двигателей внутреннего сгорания по пробегу или моточасам. Однако такая система замены масел не направлена на эффективное использование моторных масел, так как при этой системе не учитываются режимы и условия эксплуатации, техническое состояние цилиндропоршневой группы и системы фильтрации, а также объем доливов. При трении скольжения имеют место два механизма, которые вносят вклад в силу трения (либо коэффициент трения): явления адгезии на контакте и процессы деформации [49, 76]. При трении по твердым шероховатым поверхностям вклад адгезии как составляющей становится незначительным ввиду уменьшения фактической площади контакта. В этом случае 40

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

возрастает роль составляющей деформации [77]. Помимо этого большое разнообразие сложных процессов, протекающих одновременно на поверхностях трения, приводит к затруднению в анализе механизмов деградации структуры материалов при их контакте. Поэтому общей классификации механизма формирования и отделения частиц износа не существует и исследования в области изнашивания оказываются ограниченными установлением факторов, замедляющих или ускоряющих изнашивание. В трудах В. Е. Панина [78–80] деградирование поверхностного слоя материала при трении рассмотрено с позиций пластической деформации и физической мезомеханики, которая основана на описании деформирования поверхностного слоя как движение макро- и мезообъемов материала при схеме «сдвиг + поворот» [81–83]. Приведенная схема позволяет осуществить деформацию материалов и представить частицы износа как результат формирования фрагментов структуры в поверхностном слое, поворачивание которых относительно друг друга приводит к возникновению микротрещин и локальных несплошностей в начале процесса и отделению от поверхности фрагментов материала в виде частиц износа при его завершении. При этом скорость изнашивания и размеры частиц контролируются за счет скорости образования поверхностного слоя с фрагментированной толщиной и структурой. В настоящее время обсуждается несколько вариантов образования модифицированного слоя [84, 85]: за счет перемешивания поверхностных слоев материалов контактирующих деталей, за счет адиабатического сдвига материалов, вытягивания вершин неровностей, взаимодействия со смазочным материалом и др. В борьбе с износом все большую роль приобретают химические реакции, под воздействием которых создаются защитные пленки на поверхностях трения. Получить защитные пленки на поверхности металла при граничном трении можно двумя способами: за счет активности смазочного материала или при соответствующей обработке деталей. В результате взаимодействия твердого тела с молекулами и атомами различных веществ [41] на поверхностях трения образуются граничные слои. В случае жидкостной смазки граничные слои возникают в результате адсорбции [86]. Адсорбция может быть двух видов: физическая – за счет сил Вандер-Ваальса и химическая – хемосорбция в случае химических реакций между молекулами твердого тела и адсорбента. Также возможно образование и химически модифицированных слоев, однако это уже за счет более глубоких химических реакций. Исследования химической реакции и адсорбционного эффекта, которые происходят на поверхностях трения, начаты в 30-х гг. ХХ в. В 1930 г. П. Финк привел факты о значительном влиянии окислов на поверхностях 41

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

трения на трение и износ металлов. Тем не менее П. А. Ребиндер считал, что при адсорбции происходит переход от ленгмюровской связи полярных групп в чистом виде с поверхностью металла к образованию химических соединений солеобразного характера. В то время как адсорбционный слой переходит в химическое взаимодействие с металлом, при трении не происходит механического разрушения основного материала и процесс сводится к непрерывному образованию пленки из нового химического соединения и его изнашиванию. При этом молекулы, обладающие полярностью, адсорбирующиеся к металлу своими активными концами СООН или ОН, дают наибольший эффект. Для создания химических соединений на поверхностях трения в смазочные материалы вводят присадки, содержащие фосфор, серу и хлор. Ранее действие этих химических элементов при контактировании поверхностей в динамике изучалось электрометрическим методом. Целью наших исследований является установление различий в механохимических процессах при испытании масел. Методика исследования механохимических процессов при испытании масел заключается в следующем. Противоизносные свойства товарных моторных масел исследовались на трехшариковой машине трения [87] со схемой трения «шар – цилиндр», причем каждый из трех шаров взаимодействовал по индивидуальной дорожке трения с цилиндром. В качестве образцов для определения противоизносных свойств выбраны шар (подшипник № 1210) диаметром 9,5 мм и верхняя обойма роликового подшипника № 30208 диаметром 80 мм из стали ШХ15. Режимы трения выбраны постоянными и составили: нагрузка 13 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура испытания 80 °С, время испытания 2 ч. Достоверность результатов экспериментальных исследований оценивалась по определению сопоставимости результатов четырехкратного испытания одного сорта моторного масла и средней относительной погрешности каждого измерения, не превышающей 15 %. Противоизносные свойства масел оценивались по величине диаметра пятна износа и коэффициенту электропроводности фрикционного контакта [88]. Ток, пропускаемый через фрикционный контакт образцов, задавался постоянным (100 мкА) с помощью потенциометра от стабилизированного источника питания напряжением 3В. При статическом положении образцов сигнал тока, пропускаемого через фрикционный контакт, после преобразования на преобразователе RS подавался на компьютер для записи информации. Температура испытания задавалась дискретно и автоматически поддерживалась с помощью терморегулятора ТР101, измерялась с использованием термопар хромель-копель. Величина тока при трении зависит от интенсивности механохимических процессов, протекающих на фрикцион42

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

ном контакте, характеризующих продолжительность формирования площади контакта и защитных граничных слоев (сорбционных или модифицированных) [89]. На рис. 1.18 представлена зависимость тока, протекающего через фрикционный контакт, от времени испытания масел, которая имеет четко выраженные три области. Область 1, где электропроводность фрикционного контакта максимальна (I = 100 мкА), характеризует металлический контакт. В этот период происходит формирование площади контакта за счет пластической деформации. Продолжительность пластической деформации зависит от механических свойств материалов пары трения и качества моторного масла.

Рис. 1.18. Изменение тока, протекающего через фрикционный контакт, в зависимости от времени испытания

Поскольку материалами пары трения принята сталь ШХ15, то на продолжительность пластической деформации (область 1) основное влияние оказывает качество масла и его противоизносные свойства. Область 2 характеризуется уменьшением тока, т. е. увеличением электрического сопротивления фрикционного контакта. В этот период, после формирования оптимальной площади контакта на шаре, за счет физической и химической адсорбции образуются защитные граничные слои, обладающие повышенным электрическим сопротивлением. Эти слои разделяют поверхности зрения и препятствуют их металлическому контакту, при этом пластическая деформация переходит в упругопластическую. Область 3, где ток принимает минимальные значения, характеризует установившееся изнашивание, при котором происходит формирование и разрушение защитных граничных слоев. В этот период в контакте реализуются упругие деформации. С помощью электрохимического метода можно установить продолжительность стадий пластической, упругопластической и упругой деформации. Наличие трех областей подтверждается записями значений тока, протекающего через фрикционный контакт (рис. 1.19). 43

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 1.19. Диаграммы записи тока, протекающего через фрикционный контакт, от стабилизированного источника постоянного напряжения при испытании моторных масел

Рис. 1.20. Зависимость диаметра пятна износа от продолжительности суммарной деформации

Диаметр пятна износа зависит от продолжительности пластической, упругопластической и упругой деформаций, а также интенсивности формирования защитного слоя на поверхностях трения. Характеристики противоизносных свойств исследуемых масел (зависимость диаметра пятна износа от продолжительности суммарной деформации) представлены на рис. 1.20. Наблюдается практически линейная зависимость диаметра пятна износа U от продолжительности суммарной деформации t: U = a · t + c, (1.5) где a и c – коэффициенты, характеризующие скорость изменения противоизносных свойств. Регрессионное уравнение U = f (t) имеет вид U = 0,00167 t + 0,025. Коэффициент корреляции составил 0,9961. Поскольку область 3 на рис. 1.19 – область установившегося изнашивания, при котором происходит формирование и разрушение защитных слоев, то величина тока, протекающего через фрикционный контакт, и амплитуда его колебаний будут также характеризовать противоизносные свойства. Взаимосвязь противоизносных свойств и величины тока, протекающего через фрикционный контакт, представлена на рис. 1.21. Показано, что до величины тока 20 мкА противоизносные свойства практически стабиль44

1. Анализ эксплуатационных факторов, влияющих на триботехнические свойства …

ны, а при его значении свыше 20 мкА износ заметно возрастает, т. е. ток характеризует интенсивность механохимических процессов, способствующих формированию защитных граничных слоев, при граничном трении.

Рис. 1.21. Взаимосвязь величины износа U и тока I, протекающего через фрикционный контакт, при испытании моторных масел на противоизносные свойства

Приведенная на рис. 1.19 зависимость изменения тока, протекающего через фрикционный контакт, от времени испытания позволяет определить влияние смазочного масла на продолжительность формирования площади контакта при пластической деформации и продолжительность образования защитных граничных слоев при упругопластической деформации, а также прочность этих слоев при установившемся изнашивании. Данная модель характеризует приспосабливаемость элементов трибосистемы к внешним воздействиям и применима при выборе как материалов пары трения, так и смазочного материала к ним. Таким образом, приведена методика испытания смазочных материалов на противоизносные свойства с учетом механохимических процессов, протекающих на фрикционном контакте при граничном трении скольжения, оцениваемых электрохимическим методом. Показано несовершенство существующей системы классификации смазочных материалов на противоизносные свойства. В этой связи при стандартизации предлагаемого метода оценки противоизносных свойств можно не только контролировать товарные масла на соответствие их группам эксплуатационных свойств и тем самым повышать качество выпускаемой продукции, но и устанавливать группы с учетом физико-химических показателей. На основании вышесказанного можно сделать вывод о том, что необходимо применять электрометрический метод для исследования механохимических процессов при граничном трении с изменением полярности и величины тока, пропускаемого через фрикционный контакт.

45

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

2.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ

2.1. Требования к техническим средствам измерения Как правило, для любого испытания необходимо воспользоваться набором технических средств. 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, противоизносным свойствам, скорости изменения противоизносных свойств, что позволило исследовать влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки на износ, установить температурную область работоспособности смазочных масел по параметру износа и температурную область, исключающую схватывание поверхностей трения. Изучение совместного влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства имеет важное значение в создании композиций масел с присадками, обладающих высокой работоспособностью. Комплексное применение всех параметров, характеризующих свойства масел, позволит обоснованно осуществлять выбор смазочных материалов на стадии проектирования машин и агрегатов, совершенствовать систему их классификации по группам эксплуатационных свойств. Поэтому при разработке прибора для оценки температурной стойкости и противоизносных свойств сформулированы следующие требования: 1. Обеспечить температурный диапазон испытания смазочных масел различных базовых основ и групп эксплуатационных свойств от 140 до 46

2. Методика исследования триботехнических свойств смазочных масел

300 С с возможностью изменения температуры испытания на 10 °С, без доступа воздуха (при атмосферном давлении). 2. Предусмотреть возможность испытания масел при дискретном изменении температуры испытания с автоматическим ее поддержанием в течение установленного времени. 3. Исследовать процессы, протекающие при термостатировании испытуемых масел, прямым фотометрированием и при обоснованной толщине фотометрируемого слоя. 4. Предусмотреть возможность измерения вязкости до 25 сСт при температурах 100 С и массой пробы до 9 ± 0,1 г. 5. Масса исследуемой пробы масла при термостатировании не должна превышать 80 ± 0,1 г. 6. Провести триботехнические испытания на трехшариковой машине трения со схемой трения «шар – цилиндр» с параметрами: нагрузками 13, 23 и 33 Н, скоростью скольжения 0,68 м/с, температурой испытуемого масла в объеме 80 °С, временем испытания 2 ч.

2.2. Конструктивные особенности средств контроля 2.2.1. Прибор для оценки температурной стойкости смазочных масел

Прибор для определения температурной стойкости представлен на рис. 2.1 и 2.2 [90]. Метод определения температурной стойкости предусматривает нагрев испытуемого масла без доступа воздуха (при атмосферном давлении). Данный прибор состоит из корпуса 1, в который впрессована втулка 2 с образованием полости для хладагента с входным 3 и выходным 4 штуцерами. В нижний торец корпуса 1 герметично установлен ниппель 5 с накидной гайкой 6, соединяющей стакан 7 для испытуемого смазочного материала. Герметичность соединения стакана 7 и ниппеля 5 обеспечивается конусной поверхностью ниппеля. Температура испытуемого масла измеряется с помощью термопары хромель-копель. Необходимая температура задается дискретно и поддерживается автоматически. В стакане 7 установлен съемный диффузор 8. Верхний торец корпуса 1 герметично соединен с корпусом холодильника 9, выполненного с конусной поверхностью и полостью для сбора конденсата и стока через патрубок 10. Корпус холодильника выполнен с входным 11 и выходным 12 штуцерами. Причем штуцер 11 соединен с выходным 4 штуцером с помощью шланга 13. Корпус холодильника 9 герметично закрыт крышкой 14 47

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

с помощью уплотнений 15 и 16 с образованием полости для хладагента и закреплен болтами 17. Прибор устанавливается в цилиндрическую печь, выполненную в виде корпуса 20 с нагревательным элементом 19 и теплоизоляцией 18. Для измерения температуры испытуемого масла с помощью керамической трубки 21 в стакан введена герметично термопара. Подвод и отвод хладагента производится с помощью шлангов 22. Достоверность показаний прибора для определения температурной стойкости (коэффициента поглощения светового потока, коэффициента относительной вязкости, испаряемости) оценивалась по сопоставимости результатов трехкратного испытания одного сорта моторного масла М-8Г2К и определению абсолютной, относительной погрешностей [101–103].

Рис. 2.1. Прибор для определения температурной стойкости смазочных масел: 1 – корпус; 2 – втулка; 3 – входной штуцер; 4 – выходной штуцер; 5 – ниппель; 6 – накидная гайка; 7 – стакан; 8 – диффузор; 9 – холодильник; 10 – патрубок; 11 – входной штуцер; 12 – выходной штуцер; 13 – шланг; 14 – крышка; 15, 16 – уплотнители; 17 – болты; 18 – теплоизоляция; 19 – нагревательный элемент; 20 – корпус; 21 – керамическая трубка; 22 – шланги

48

2. Методика исследования триботехнических свойств смазочных масел

Рис. 2.2. Общий вид прибора для определения температурной стойкости смазочных масел

Для определения среднего квадратичного отклонения, коэффициента корреляции, коэффициента регрессии и средней погрешности аппроксимации использовались программы ЭВМ «Advanced Grapher» и «Exсel». Технические характеристики прибора для определения температурной стойкости смазочных масел представлены в табл. 2.1. Для оценки величины случайной ошибки результата измерения при трех наблюдениях применим способ средней квадратичной ошибки по формуле n

Sn 

 ( x  xi )2 4

n 1

,

(2.1)

где n – число наблюдений; x – среднее арифметическое значение показателя; xi – результаты наблюдений. Среднее значение каждого из показателя определяли как среднее арифметическое из полученных результатов наблюдений: x

1 n  xi . n i 1

(2.2)

Абсолютную погрешность данного прибора определяли как разность между средним арифметическим значением каждого из показателей и значением, полученным при отдельном наблюдении: xi  x  xот.набл .

(2.3) 49

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел Таблица 2.1 Технические характеристики прибора для определения температурной стойкости смазочных масел

Параметры Напряжение питания, В Потребляемая мощность, ВА Температурный диапазон испытания, С Задание температуры Объем испытуемого масла, г Время испытания, ч Хладоагент Датчик температуры Габариты блока, мм: механического: высота диаметр измерительного: высота ширина длина Масса (общая), кг

Значение ≈220 ± 10 % 500 ± 50 От 140 до 300 Дискретное 80 ± 0,1 8 Вода Хромель-копель 228 ± 2,0 90 ± 1,0 150 ± 5,0 370 ± 5,0 300 ± 5,0 8,5 ± 0,1

Средняя относительная погрешность измерений определяется как отношение средней абсолютной погрешности к среднему арифметическому значению показателей:

1 n xi  100 %. ε=  n i 1 x

(2.4)

Для характеристики величины случайной ошибки необходимо знать доверительный интервал и величину доверительной вероятности, которая позволяет оценить степень надежности полученного результата. При измерениях можно ограничиться доверительной вероятностью α = 0,95 [91], которой соответствует доверительный интервал в долях ω = 2,0. Так, для измерений показателей каждого наблюдения при соответствующей температуре испытания доверительный интервал τ x определяется по формуле τ x = Sn · ω.

(2.5)

После статистической обработки результатов испытаний полученные данные заносились в табл. 2.2. Таким образом, в доверительные интервалы будет укладываться 95 % результатов всех измерений. 50

Уравнение регрессии Коэффициент корреляции

Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 Среднее арифметическое значение Кп( x ) Средняя квадратичная погрешность Sn Средняя относительная погрешность, % Доверительный интервал τ x

Показатель

0 0 0

0

0

0

0

0

0

0

0

150

0 0 0

140

170

0,13

0,16

0,197

0,23

270

280

290

300

0,89

0,86

0,685 0,692 0,864 0,889 0,854 0,703 0,68 0,852 0,897 0,862 0,703 0,691 0,855 0,883 0,864

260

0,247 0,267 0,627 0,697 0,687 0,857

0,62 0,63 0,63

250

5

4

3

2

2

2

2

2

3

1

1

1

1

1

0,999

Кп = 0,002 (Т – 160) + 0,073

±0,006 ±0,005 ±0,005 ±0,008 ±0,007 ±0,006 ±0,01 ±0,008 ±0,01 ±0,01 ±0,018 ±0,012 ±0,012 ±0,014 ±0,01

3

0,0035 0,0051 0,0044 0,0047 0,0036 0,0055 0,0057 0,0049 0,0054 0,0079 0,0114 0,0113 0,0057 0,0063 0,0061

0,073 0,077 0,107

180 190 200 210 220 230 240 Коэффициент поглощения светового потока Кп 0,069 0,08 0,105 0135 0,165 0,202 0,226 0,244 0,261 0,075 0,075 0,106 0,129 0,157 0,194 0,236 0,252 0,271 0,075 0,076 0,110 0,127 0,158 0,195 0,229 0,245 0,270

160

Температура испытания, С

Данные статистической обработки и регрессионного анализа результатов испытания моторного минерального масла М-8Г2К

Таблица 2.2

140

150

Уравнение регрессии Коэффициент корреляции Средняя погрешность аппроксимации

Опыт 1 1,01 0,97 Опыт 2 1,03 0,96 Опыт 3 1,02 0,97 Среднее арифметиче1,02 0,97 ское значение Кμ( x ) Средняя квадратичная по- 0,0183 0,0058 грешность Sn Средняя относительная по1 1 грешность, % Доверительный интервал ±0,037 ±0,012 τ x

Средняя погрешность аппроксимации

Показатель

1,12

1,02

5,38

190

1,14

1,07

1,08

1,14

1,17

1,22

1,34

Коэффициент относительной вязкости Кμ, сСт 1,12 1,07 1,09 1,11 1,19 1,19 1,33 1,13 1,08 1,06 1,15 1,15 1,22 1,35 1,15 1,06 1,9 1,16 1,16 1,24 1,33

180

1,41

1,39 1,41 1,42

250

1,36

1,36 1,35 1,35

260

1,41

1,4 1,43 1,41

270

1,50

1,52 1,51 1,48

280

1,67

1,66 1,69 1,66

290

1,57

1,55 1,58 1,57

300

2

2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0,4

0,945

Кμ = 1,889 · 10–5 · Т2 – 0,004 Т + 1,248

±0,028 ±0,052 ±0,037 ±0,028 ±0,037 ±0,043 ±0,037 ±0,043 ±0,043 ±0,052 ±0,037 ±0,028 ±0,037 ±0,028 ±0,052

1

0,0141 0,0258 0,0183 0,0141 0,0183 0,0216 0,0183 0,0216 0,0216 0,0258 0,0183 0,0141 0,0183 0,0141 0,0258

1,13 1,12 1,11

170

1,02 1,03 1,0

160

Температура испытания, С 200 210 220 230 240

Окончание табл. 2.2

Уравнение регрессии Коэффициент корреляции Средняя погрешность аппроксимации

2,2

2,9

3,7

5,2

5,3 5,2 5,1

2

1

1

1

10,8

10,5 10,9 11,0 11,3

11,4 11,5 11,1 12,2

12,3 12,0 12,2 22,0

22,2 21,9 21,8 24,0

24,1 23,8 24,2

22,4

22,3 22,2 22,6

1

0

1

1

1

1

1

0,05 0,0816 0,0957 0,1414 0,2062 0,1826 0,1708

6,2

6,4 6,0 6,3

±0,1 ±0,163 ±0,2 ±0,163 ±0,1 ±0,243 ±0,163 ±0,191 ±0,283 ±0,412 ±0,365 ±0,342

2

0,05 0,0816 0,05 0,0816 0,05

1,8

1,8 1,8 1,8

1,8

0,998

G = 8,681 · 10–4 · Т – 0,284 Т + 24,417

Опыт 1 0,9 0,89 0,9 1,4 1,5 Опыт 2 0,9 0,9 0,9 1,5 1,6 Опыт 3 0,89 0,9 0,91 1,5 1,5 Среднее арифметиче0,9 0,9 0,9 1,5 1,5 ское значение G( x ) Средняя квадратичная по0,005 0,005 0,005 0,0816 0,05 грешность Sn Средняя относительная по0 0 0 3 2 грешность, % Доверительный интервал, ±0,01 ±0,01 ±0,01 ±0,163 ±0,1 τ x

Испаряемость G, г 2,3 2,9 3,9 2,2 2,8 3,6 2,2 3,2 3,5

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 2.3. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2К

Построим среднюю кривую зависимостей коэффициента поглощения светового потока Кп от температуры испытания после статистической обработки результатов при трех наблюдениях (рис. 2.3) с указанием доверительного интервала. 2.2.2. Фотометрическое устройство

Фотометрическое устройство предназначено для оценки процесса деструкции моторных масел. Критерием оценки масел является коэффициент поглощения светового потока. Фотометрическое устройство состоит из оптического 1 и измерительного 2 блоков (рис. 2.4). Оптический блок позволяет осуществлять прямое фотометрирование масел различной прозрачности. Фотометрическая кювета предназначена для создания фотометрирующего слоя масла заданной толщины. В табл. 2.3 приведены технические характеристики фотометра. В приборе использован стабилизированный монохроматический световой поток красного спектра. В зависимости от концентрации продуктов деструкции масла на фотоприемник падают различные световые потоки, пропорциональные концентрации. Чем больше продуктов деструкции, тем ниже показания прибора.

Рис. 2.4. Фотометрическое устройство: 1 – блок измерения; 2 – кювета фотометрическая 54

2. Методика исследования триботехнических свойств смазочных масел Таблица 2.3 Технические характеристики фотометрического устройства

Параметры

Значение

Диапазон измерения, мкА Фотоэлемент Погрешность измерения, % Время измерения, с Напряжение питания, В Потребляемая мощность, ВА Время нагрева прибора для нормальной работы, мин Напряжение питания, В Толщина фотометрируемого слоя, мм, при фотометрировании: дизельных двигателей бензиновых двигателей трансмиссионных масел гидравлических и индустриальных масел Габариты, мм: высота ширина длина Масса, кг

0…300 Сф 2-1А ±2,0 5,0±0,1 9 0,2±0,01 3,0±0,5 9 0,03 0,15 0,15 (2,0) 8,0 (2,0) 105±1 225±1 40±1 1,2±0,1

2.2.3. Малообъемный вискозиметр

Вязкостно-температурные свойства – одна из важнейших характеристик смазочных материалов, определяющих температурную область работоспособности трибосистем. Характеристиками этих свойств является динамическая вязкость, определяемая в капиллярных вискозиметрах, аналитическая вязкость, измеряемая при различных градиентах скорости сдвига в ротационных вискозиметрах, и индекс вязкости – безразмерный показатель пологости вязкостной зависимости, рассчитываемый по значениям кинематической вязкости, измеренной при 40 и 100 °C (ГОСТ 25371–97, ИСО 2909–81). Точных методов прямого измерения коэффициентов абсолютной и кинематической вязкости не существует, поэтому в некоторых случаях для определения коэффициентов абсолютной вязкости пользуются тарированными приборами, позволяющими с достаточной точностью ее определить прямым методом, например, по времени падения шарика в калиброванной трубке, заполненной испытуемой жидкостью, или по характеру колебаний в жидкости маятника. 55

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

В некоторых случаях для исключения влияния отбора проб на изменение вязкости при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания или трансмиссий требуются приборы, позволяющие измерять вязкость малых объемов (например, 9 г) в широком температурном диапазоне, поэтому разработка таких приборов является актуальной задачей. Применение таких приборов позволит исследовать влияние продуктов окисления, температурной и механической деструкций, а также продуктов старения смазочных масел, применяемых в различной технике при ее эксплуатации на изменение вязкостно-температурных свойств. Конструкция малообъемного вискозиметра представлена в виде схемы (рис. 2.5) и содержит корпус 1, в котором установлен нагреватель 2, снабженный нагревательным элементом 3 и внешней теплоизоляцией 4. Нагреватель 2 выполнен с цилиндрической полостью 5, в которую устанавливается цилиндрический стакан 6 с исследуемой жидкостью.

Рис. 2.5. Схема малообъемного вискозиметра 56

2. Методика исследования триботехнических свойств смазочных масел

Стакан установлен на платформе 7, выполненной с возможностью возвратно-поступательного перемещения и фиксации в верхнем положении. При подъеме платформы 7 со стаканом с испытуемой жидкостью в нее погружается датчик температуры 9, установленный на стойке 8 для контроля температуры испытуемой жидкости и помещен чувствительный элемент 10, установленный на коромысле 11, снабженном электромагнитным приводом 12. При этом коромысло установлено на оси этого привода с возможностью поворота относительно оси, а чувствительный элемент 10 выполнен в виде шара из полимерного материала и закреплен на стержне 13, расположенном на рабочем плече коромысла, с возможностью перемещения в стакане с испытуемой жидкостью. На другом плече коромысла закреплен противовес 14, обеспечивающий свободное перемещение шара в испытуемой жидкости при заданных температурах. Поворот коромысла 11 ограничен верхним 15 и нижним 16 упорами, закрепленными на панели 17 и предотвращающими выход шара из жидкой среды и касание дна стакана 6. Со стороны рабочего плеча в средней части коромысла установлен экран 18, взаимодействующий с установленными на панели 17 светодиодом 19 и фотоприемником 20 с возможностью перекрытия светового потока от светодиода на фотоприемник при перемещении коромысла с экраном. Панель 17 закреплена на основании корпуса перпендикулярно плоскости экрана 18 и снабжена пазом 21. Светодиод и фотоприемник оптически связаны с экраном для обеспечения задания постоянной глубины перемещения шара 10 в испытуемой жидкости и регистрации времени его перемещения из верхнего положения, характеризующего вязкость испытуемой жидкости. Для управления процессом измерения вязкости при температуре в диапазоне от 40 до 140 °С датчик температуры 9 электрически связан с блоком задания и измерения температуры испытания 22, снабженным переключателем температуры: светодиод 19 и фотоприемник 20 связаны с блоком контроля перемещения чувствительного элемента, измерения вязкости и ее регистрации 23, а электромагнитный привод 12 связан с блоком его управления 24, первый вход блока управления электромагнитным приводом 24 соединен с блоком задания и измерения температуры испытания 22, а второй вход соединен с блоком контроля перемещения чувствительного элемента, измерения вязкости и ее регистрации 23. Указанные блоки 22, 23 и 24 связаны с блоком питания 25 и образуют систему автоматического управления процессом измерения вязкости. На передней панели вискозиметра расположены элементы управления, включающие кнопки: «Сеть» – для подачи напряжения на блок питания 25; «Пуск» – для подачи напряжения на нагревательный элемент с блока задания и измерения температуры 22; «Промывка» – для подачи импульсного напряжения на электромагнитный привод 12 с блока его управления 24 и промывки шара и стакана 6 (условно не показано). 57

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Для измерения вязкости в сСт (мм2/с) вискозиметр необходимо оттарировать при температуре 100 °С на жидкостях с известной вязкостью и построить тарировочный график зависимости вязкости от показаний вискозиметра, выраженных в импульсах, так как показания зависят от диаметра чувствительного элемента (шара) 10, глубины погружения шара в жидкость, зависящей от длины экрана 18, перекрывающего световой поток от светодиода 19, и массы противовеса 14, определяющего скорость перемещения шара 10. Тарировочный график (рис. 2.6) представляет зависимость, описываемую линейным уравнением μ

ПК , tg α

(2.6)

где П – показания вискозиметра при измерении вязкости жидкости с известной вязкостью, имп; К – коэффициент, определяемый точкой пересечения зависимости П = f (μ) с осью ординат, ордината которой зависит от конструктивных особенностей шара, глубины его погружения в жидкость, диаметра стакана для исследуемой жидкости, массы противовеса, имп; α – угол наклона зависимости П = f (μ) к оси абсцисс. Так как показатели К и tg α являются постоянными, то вязкость измеряемой жидкости зависит от значения показателя П, характеризующего время опускания шара в жидкость на постоянную глубину, выраженное в импульсах.

Рис. 2.6. Тарировочный график

Вискозиметр работает следующим образом. Стакан 6 заполняется испытуемой жидкостью массой 9 г и устанавливается в паз на платформу 7, которая поднимается и фиксируется в верхнем положении; при этом стакан устанавливается в полости 5 нагревателя 2. На блоке 22 с помощью установленного на передней панели переключателя устанавливается необходимая температура (от 40 до 140 °С) для измерения вязкости. При нажатии кнопки «Сеть» на передней панели прибора (условно не показано) подается напряжение на блок питания 25, от которого запитываются блоки 22, 23 58

2. Методика исследования триботехнических свойств смазочных масел

и 24. При нажатии кнопки «Пуск» напряжение с блока задания и измерения температуры 22 подается на нагреватель 2. Температуру нагревания испытуемой жидкости контролирует датчик температуры 9. При достижении установленной температуры нагреватель 2 обесточивается и с блока 22 подается сигнал на блок 24, с которого импульсное напряжение подается на электромагнитный привод 12. При этом коромысло 11 совместно с шаром 10 совершает колебания от верхнего 15 до нижнего 16 упоров, происходит перемешивание испытуемой жидкости и охлаждение ее до заданной температуры, так как при отключении нагревателя за счет градиента температуры нагревателя температура жидкости увеличивается. При точном достижении установленной температуры коромысло 11 фиксируется в верхнем положении и после подачи сигнала с блока 22 электромагнитный привод 12 обесточивается и шар 10 под собственным весом перемещается в жидкости вместе с коромыслом от верхнего 15 до нижнего 16 упоров. При этом также происходит перемещение экрана 18 и в момент перекрытия светового потока от светодиода 19 на фотоприемник 20 экраном подается импульсное напряжение на расположенный в блоке 23 счетчик импульсов (условно не показан). Время перемещения шара 10 в жидкости зависит от ее вязкости, а его значение измеряется и регистрируется цифровым индикатором. Значение вязкости определяется по среднеарифметическому значению показаний индикатора из пяти опытов. Для этого после индикации первого опыта нажимается кнопка «Пуск», и опыт повторяется. После пятикратного измерения вязкости платформа 7 со стаканом 6 опускается в нижнее положение, стакан вынимается из паза платформы 7, испытуемая жидкость сливается, а стакан 6 заполняется промывочной жидкостью, устанавливается на платформу 7 и поднимается в нагреватель 2. Далее нажимается кнопка «Промывка», при этом на электромагнитный привод 12 из блока 24 подается импульсное напряжение, что обеспечивает колебание коромысла 11 с шаром 10 от верхнего 15 до нижнего 16 упоров и промывку шара. После промывки шара 10 и стакана 6 вискозиметр готов к дальнейшей работе. По формуле (2.6) и результатам пятикратного измерения определяется вязкость испытуемой жидкости в сСт (мм2/с) при данной температуре. Для получения вязкостно-температурной зависимости в диапазоне температур от 40 до 140 °С стакан 6 заполняется испытуемой жидкостью один раз, и при каждой температуре производится пять измерений. Температура испытания задается с помощью переключателя, установленного на передней панели прибора. Применение малообъемного вискозиметра позволяет исключить человеческий фактор при измерении вязкости, не требовать высококвалифи59

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

цированных специалистов при работе на приборе, получить вязкостнотемпературные характеристики товарных и отработанных масел, оценить влияние процессов окисления и температурной деструкции на вязкостнотемпературную характеристику, определить индекс вязкости. 2.2.4. Трехшариковая машина трения

Трехшариковая машина трения (рис. 2.7) предназначена для исследования противоизносных свойств трущихся материалов и масел. Данная машина трения (рис. 2.8) состоит из станины 1 и установленной на ней плиты 2 [13]. На плите шарнирно закреплены три кронштейна 3, в которых установлены съемные держатели 4 контробразцов (шаров) 5 и узлы нагружения 6, выполненные с горизонтальными платформами для установки нагрузки. Центральный контробразец установлен вертикально, а боковые под углом 45° выполнены со смещением так, чтобы каждый контробразец контактировал с образцом (цилиндром) 10 по индивидуальной дорожке трения. Машина трения также снабжена ванночкой 7 для испытуемого масла, которая размещена в термостате 8, соединенном с блоком 9 установки для автоматического поддержания температуры испытания; приспособлением для подвода стабилизированного напряжения к испытуемому образцу 10, установленному на приводе вращения образца, соединенного через центральный контробразец с блоком питания; устройством регистрации тока, протекающего через испытуемый образец и граничный слой смазочного материала.

Рис. 2.7. Трехшариковая машина трения 60

2. Методика исследования триботехнических свойств смазочных масел

а

б

в

Рис. 2.8. Трехшариковая машина трения со схемой трения «шар – цилиндр»: а – общий вид; б – деталировка трибосопряжения; в – электрическая схема

Устройство работает следующим образом. На вал 11 электродвигателя в держатель 12 закрепляют образец 10 и с помощью микрометра 13 контролируют радиальное биение; в держатели 4 (рис. 2.8, б) устанавливают контробразцы 5; устанавливают величину тока, подаваемого через центральный кронштейн 3 на контробразец 5 с помощью регулятора величины тока 14 (рис. 2.8, в) и испытуемое масло заливают в ванночку 12. Включают привод вращения образца 10 и при наборе установленной температуры масла кронштейны 3 опускают на образец 10 и прикладывают нагрузку. Во время трения от блока питания 15 через потенциометры 16 61

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

(R1) и 17 (R2) и центральный кронштейн 3 с контробразцом 5 на образец 10 подается ток, величина которого через блок 18 регистрации (RS-202) преобразуется и записывается в виде диаграммы изменения тока на вычислительном устройстве 19 (ВУ). Известно, что увеличение температуры поверхности и граничного слоя оказывает значительное влияние на прочность слоя при трении [41]. Увеличение температуры смазки приводит к возрастанию силы трения и повреждению поверхностей, что свидетельствует о разрушении смазочного слоя. Таблица 2.4 Техническая характеристика трехшариковой машины трения

Параметры

Значение Шар – цилиндр 9,5 80 0,68 0–40 0–100 20 0–100 500 × 460 × 400 72

Тип пары трения Диаметр шарика, мм Диаметр цилиндра, мм Скорость вращения цилиндра, м/с Нагрузка на шарики, Н Ток фрикционного контакта, мкА Объем пробы масла, мл Температура масла, °С Габариты прибора, мм Масса прибора, кг

Таблица 2.5 Данные статистической обработки результатов испытания моторного минерального масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CD

Показатель Опыт № 1 Опыт № 2 Опыт № 3 Опыт № 4 Опыт № 5 Среднее значение Расхождение результатов 62

Износ U, мм Положительный потенциал на шаре Отрицательный потенциал на шаре среднее среднее центцентлевом правом значе- левом правом значеральном ральном ние ние 0,30 0,26 0,28 0,280 0,26 0,24 0,28 0,260 0,28 0,30 0,28 0,287 0,30 0,30 0,30 0,300 0,26 0,30 0,30 0,287 0,30 0,26 0,28 0,280 0,26 0,28 0,30 0,280 0,30 0,26 0,28 0,280 0,30 0,30 0,28 0,293 0,32 0,26 0,30 0,293 –

–

–

0,285 0,002

–

–

–

0,283

2. Методика исследования триботехнических свойств смазочных масел

Существующие машины трения делятся на следующие группы: 1) машины с контактом поверхностей трения по площади (например, вал и цилиндрический подшипник); 2) машины с «линейным» контактом трущихся поверхностей рабочих элементов (например, цилиндр и плоскость); 3) машины с «точечным» контактом (например, шар и шар, шар и цилиндр). При испытаниях смазок на машинах с «точечным» контактом можно более точно оценивать удельные давления на площадях контакта и получать высокие значения контактных давлений (до 50 000 кг/см2). Наряду с существующими машинами (ЧШМ ГОСТ 9490–75 [87]) представленная трехшариковая машина трения со схемой трения «шар– цилиндр» позволяет получить все необходимые показатели о качестве смазочных масел с большей точностью и информативностью при меньшей трудоемкости испытаний.

2.3. Метод исследования совместного влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства смазочных масел Методика разработана на основе применения специально разработанных приборов для определения температурной стойкости смазочных материалов и противоизносных свойств [92–94]. На рис. 2.9 изображена схема комплексной методики исследования температурной стойкости и совместного влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства смазочных масел. Стакан прибора для определения температурной стойкости заполняется испытуемым маслом массой 80 г, затем присоединяется к корпусу, устанавливается в цилиндрическую печь. Нагрев его с испытуемым маслом осуществляется при атмосферном давлении без доступа воздуха в течение 8 ч при выбранной температуре в диапазоне от 140 до 300 °С. Каждую последующую пробу масла испытывают при температуре на 10 °С выше предыдущей. После испытания каждой пробы масла используются вспомогательные измерительные приборы, такие как фотометр, вискозиметр, электронные весы. Каждую пробу масла подвергают фотометрированию (толщина фотометрического слоя 8 и 2 мм) и определяют коэффициент поглощения светового потока Кп, рассчитываемый по формуле [95]: Кп =

300  П Кп 300

,

(2.7) 63

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

где П Кп – показания фотометра при фотометрировании испытуемого масла, мкА; 300 – показания фотометра при отсутствии масла в фотометрической кювете, мкА. Одним из основных параметров при подборе масла является вязкость, которая играет исключительно важную роль при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания и других машин и механизмов. Испаряемость масел оценивалась взвешиванием пробы масла до и после испытания на электронных весах с точностью ± 0,1 г. Проба термостатированного масла испытывается в течение двух часов на трехшариковой машине трения со схемой трения «шар–цилиндр» с параметрами трения: нагрузка 13, 23 и 33 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура масла в объеме 80 °С. Противоизносные свойства масел определялись по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах. Проба смазочного масла Прибор для термостатирования смазочных масел  Фотометр

Фотометрирование

Вискозиметр

Измерение вязкости

Весы

Измерение испаряемости диаметра

Трехшариковая машина трения Измерение износа

Определение параметров  Коэффициента поглощения светового потока Кп

Коэффициента относительной вязкости Кμ

Коэффициента испаряемости Кg

Противоизносных свойств П

Построение графических зависимостей, регрессионный анализ Определение показателей температурной стойкости и противоизносных свойств исследуемых масел: температуры начала и окончания деструкции масла; критерий температурной стойкости Eт.с; температурные области работоспособности по параметру износа, температурный диапазон действия противоизносных и противозадирных присадок; критерий противоизносных свойств П Рис. 2.9. Схема комплексного метода оценки влияния процессов температурной деструкции смазочных масел на противоизносные свойства 64

2. Методика исследования триботехнических свойств смазочных масел

По полученным показателям вязкости, коэффициента поглощения светового потока, испаряемости, износа и противоизносным свойствам строились графические зависимости их от температуры испытания. Проводился регрессионный анализ данных результатов исследования с использованием программ ЭВМ «Advanced Grapher» и «Excel» и определялись среднее арифметическое и квадратическое отклонения, коэффициент регрессии, коэффициент корреляции и средняя погрешность аппроксимации. По полученным регрессионными зависимостям определялись следующие параметры: температурная стойкость и противоизносные свойства, температура начала деструкции масла, критическая температура образования вторичных продуктов деструкции, температура завершения процесса деструкции, критерий температурной стойкости, температурная область работоспособности по параметру износа и температурная область, исключающая схватывание поверхностей трения.

2.4. Метод исследования совместного влияния продуктов температурной деструкции и электрического потенциала на противоизносные свойства смазочных масел Надежность механических систем во многом определяется правильным выбором моторного масла как элемента этой системы. Основным функциональным назначением смазочного материала является уменьшение износа, снижение температуры поверхностей трения, унос частиц износа с поверхностей трения, формирование на поверхностях трения граничных защитных адсорбционных, хемосорбционных и модифицированных слоев, повышение нагрузки схватывания. В качестве объекта исследования выбраны моторные масла, как самые распространенные, от которых также зависит надежность двигателей внутреннего сгорания. Как элемент конструкции двигателя моторное масло может длительно и надежно выполнять свои функции, обеспечивая заданный ресурс двигателя, при точном соответствии его свойств термическим, механическим и химическим воздействиям, которым оно подвергается в смазочной системе и на поверхностях трения. Триботехнические испытания смазочных материалов проводятся с целью оценить их физико-химические, а также специфичные и триботехнические свойства, проявляющиеся в процессе эксплуатации трибоузлов. В предлагаемом методе особое внимание сконцентрировано на испытании жидких смазывающих материалов с целью оценки их смазывающей способности. 65

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

I

Исходное масло Трехшариковая машина трения (0, ±100, ±200, ±300 мкА)

Вискозиметр (определение вязкости)

Фотометр (определение коэффициента поглощения светового потока) II

Исходное масло Весы (замер веса пробы) 80 г Прибор для определения температурной стойкости (диапазон температур от 140 до 300 °С, интервал 20 °С) Весы (определение испаряемости)

Фотометр (определение коэффициента поглощения светового потока)

Вискозиметр (определение вязкости)

Определение диаметра пятна износа

Трехшариковая машина трения (0, ±100, ±200, ±300 мкА)

Определение суммарного времени деформаций Анализ

III

Новая проба

Обработка результатов эксперимента

Анализ

Оценка противоизносных свойств База данных результатов оценки противоизносных свойств Рис. 2.10. Схема метода исследования совместного влияния продуктов температурной деструкции и электрического потенциала на противоизносные свойства смазочных масел

Как известно, минеральные масла изготавливают на основе нефтяного сырья; синтетические, основой которых служат синтезированные путем целенаправленных химических реакций однородные органические соеди66

2. Методика исследования триботехнических свойств смазочных масел

нения и частично синтетические, изготовленные на основе смесей высококачественных минеральных с синтетическими компонентами. На рис. 2.10 представлена схема комплексного метода контроля противоизносных свойств товарных смазочных материалов. Метод представлен в виде схемы и состоит из трех основных этапов. На первом этапе исследовались товарные масла, определялись их начальные вязкость и противоизносные свойства (при токах 0, 100, 200 и 300 мкА различной полярности). На втором этапе пробы этих масел термостатировались в диапазоне температур от 140 до 300 °С с интервалом 20 °С, затем определялись летучесть, изменение оптических свойств, вязкости и противоизносных свойств при тех же значениях тока и полярности. На третьем этапе проводился сравнительный анализ товарных и термостатированных масел, определялись критерии оценки температурной стойкости, противоизносных свойств и влияние продуктов деструкции и электрического потенциала на противоизносные свойства. Предлагаемый метод исключает скачкообразное движение пар трения, схватывание при трении, заедание, задиры, выкрашивание и другие недопустимые явления и процессы. Параметром оценки противоизносных свойств в данном методе является величина диаметра пятна износа, а критерием – концентрация продуктов деструкции в пятне контакта, определяемая как отношение концентрации продуктов деструкции к величине диаметра пятна износа.

67

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

3.

ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ И НАГРУЗКИ НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА МОТОРНЫХ МАСЕЛ

3.1. Результаты испытаний минерального моторного масла М-8Г2К Испытания товарного минерального моторного масла М-8Г2К проводились по методу, описанному во второй главе. Параметры испытания при термостатировании составили: время испытания 8 ч, температурный диапазон – от 140 до 300 ºС, толщина фотометрируемого слоя 8 мм. Параметры трения составили: нагрузки 13, 23 и 33 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура испытания 80 °С, время испытания 2 ч. Результаты фотометрирования термостатированного масла представлены на рис. 3.1. Влияние температуры на изменение оптических свойств масел оценивалось коэффициентом поглощения светового потока Кп. Установлены три характерные температурные области, различающиеся характером изменения коэффициента Кп. Первая температурная область до Tкр1 (240 С) характеризуется линейным изменением коэффициента Кп и описывается уравнением Кп = a0 (T – Tн) + b0,

(3.1)

где a0 – коэффициент, характеризующий интенсивность процесса деструкции, С–1; b0 – коэффициент, характеризующий оптические свойства товарного масла; T – температура испытания, С; Tн – температура начала деструкции, С.

Рис. 3.1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2К 68

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

Во второй температурной области от Tкр1 до Tкр2 наблюдается резкое увеличение коэффициента Кп, что указывает на образование новых (вторичных) продуктов деструкции с большей оптической плотностью, причем исходным материалом для их образования являются первичные продукты, образовавшиеся до температуры Tкр1. Изменения коэффициента Кп в этой области характеризуются вызванным увеличением его значений, перераспределением избыточной энергии между первичными и вторичными продуктами деструкции. Критическая температура Tкр2 составила 280 °С. Третья температурная область определяется температурой больше Tкр2 и характеризуется стабилизацией коэффициента Кп. Регрессионные уравнения для участков имеют следующий вид: I участок Кп = 0,002 (T – 160) + 0,073,

(3.2)

II участок Кп = 0,003 (T – 250) + 0,627,

(3.3)

III участок Кп = 0,001 (T – 280) + 0,857,

(3.4)

где 0,073; 0,627 и 0,857 характеризуют соответственно наличие образования первичных продуктов деструкции, наличие образования вторичных продуктов деструкции и завершение процесса деструкции. Коэффициенты корреляции соответственно 0,999; 0,996 и 0,998. Вязкость термостатированных масел оценивалась коэффициентом относительной вязкости Кμ, определяемым выражением Кμ = μт / μисх,

(3.5)

где μт и μисх – соответственно кинематическая вязкость термостатированного масла и исходного товарного масла до испытания. Зависимость вязкости масла от температуры термостатирования описывается полиномом 2-го порядка (рис. 3.2) Кμ = а1 · Т2 ± b1 · Т ± с1,

(3.6)

где а1 – коэффициент, характеризующий влияние продуктов деструкции на вязкость испытуемого масла; b1 – коэффициент, характеризующий оптические свойства товарного масла; с1 – коэффициент, характеризующий значение вязкости при температуре начала деструкции; Т – температура испытания, С. Регрессионное уравнение Кμ = 1,886 · 10–5 · Т2 – 0,004 Т + 1.

(3.7)

Коэффициент корреляции составил 0,945. При температуре 300 °С вязкость увеличилась на 57 % по отношению к товарному маслу. Поскольку допустимое увеличение вязкости 69

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

не должно превышать 30–35 %, то предельной температурой термостатирования является температура 240 °С, при которой увеличение вязкости составило 34 %, что совпадает с температурой Tкр1 (см. рис. 3.1). Испаряемость масла до температуры 2401°С имеет экспоненциальную зависимость (рис. 3.3), однако при температуре 250 °С испаряемость резко увеличивается с 6,2 до 10,8 г. В интервале температур от 250 до 270 °С испаряемость масла незначительно возрастает. При температуре 280 °С испаряемость снова резко увеличивается с 12,2 до 22 г. В диапазоне температур от 280 до 300 °С испаряемость практически стабильна. Все эти колебания испаряемости вызваны явлением перераспределения между продуктами деструкции и испарения. Сравнивая зависимости Кп = f (T), Кμ = f (T) и G = f (T) (рис. 3.1 и 3.3), мы отмечаем резкое увеличение коэффициентов Кп, Кμ и G при критической температуре Tкр1, поэтому температура Tкр1 является оптимально допустимой для минерального масла М-8Г2К.

Рис. 3.2. Зависимость коэффициента вязкости от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2К

Рис. 3.3. Зависимость испаряемости от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2К 70

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

Исследованиями влияния продуктов деструкции на вязкость (рис. 3.4) установлено, что до температуры Tкр1 зависимость Кμ = f (Кп) описывается полиномом 2-го порядка Кμ = а2 · К п2 ± b2 · Кп ± c2,

(3.8)

где а2 и b2 – коэффициенты, характеризующие влияние концентрации продуктов деструкции на вязкость испытуемого масла; c2 – коэффициент, характеризующий значение вязкости при температуре начала деструкции; Кп – коэффициент светового потока. Регрессионное уравнение Кμ = 5,833 К п2 ± 0,476 Кп + 1.

(3.9)

Коэффициент корреляции составил 0,95. В период между температурами Tкр1 и Tкр2 рост вязкости замедляется, и при температуре больше Tкр2 вязкость повторно увеличивается. По зависимости Кμ = f (Kп) видно, что вязкость очень чувствительна при Кп < 0,267 и при Кп > 0,857. Связь между параметрами Кп и G исследована зависимостью Кп = f (G) (рис. 3.5). Установлена кусочно-линейная зависимость Кп = f (G), график которой имеет изгиб при температуре Tкр2, что подтверждает наличие явления перераспределения избыточной тепловой энергии между продуктами деструкции и испарением, т. е. при Кп > 0,7 процессы испарения преобладают над процессами деструкции. В этом случае продукты испарения поглощают большую часть энергии, замедляя процесс деструкции.

Рис. 3.4. Зависимость коэффициента относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании минерального моторного масла М-8Г2К

Рис. 3.5. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от испаряемости при термостатировании минерального моторного масла М-8Г2К

71

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Регрессионные уравнения зависимости Кп = f (G): I участок Кп = 0,056 G + 0,011,

(3.10)

II участок Кп = 0,017 G + 0,478.

(3.11)

Коэффициенты корреляции соответственно 0,98 и 0,999. На основании изложенного установлено, что сброс избыточной энергии происходит по двум каналам: изменению коэффициента Кп и испаряемости G, поэтому в качестве оценки процесса деструкции предложен критерий Eт.с, определяемый выражением Eт.с = Кп + Кg,

(3.12)

где Кп – коэффициент поглощения светового потока; Кg – коэффициент испаряемости масла. (3.13) Кg = m / M, где m – масса испарившегося масла при термостатировании, г; M – масса пробы масла после термостатирования, г. Критерий температурной стойкости Eт.с моторного масла является комплексным безразмерным показателем, а зависимость его от температуры термостатирования представлена на рис. 3.6. Показано, что график зависимости Eт.с = f (T) имеет изгибы при температуре 160, 240 и 270 °С, характеризующие поглощение избыточной энергии продуктами деструкции и испарения. Данная зависимость повторяет зависимость Кп = f (T), т. е. процессы деструкции влияют одновременно на показатели Кп, Кμ и G.

Рис. 3.6. Зависимость критерия температурной стойкости от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2К

При анализе зависимостей параметра износа от температуры термостатирования (рис. 3.7) и нагрузки учитывался фактор влияния на износ первичных продуктов деструкции (с малой оптической плотностью до 0,24 ед.), образующихся до температуры Tкр1 (240 °С) и вторичных продуктов деструкции, образующихся после температуры Tкр1 (см. рис. 3.1); при этом концентрация продуктов деструкции с повышением температуры испытания увеличивается. 72

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

а

б

в Рис. 3.7. Зависимости диаметра пятна износа от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2К и нагрузки: а – 13Н; б –23Н; в –33Н

Данные зависимости характеризуются тремя различающимися областями, величиной износа, температурным диапазоном и зависят от нагрузки на пару трения. Область I определяется температурным диапазоном от 140 до 160 °С, где износ практически постоянный, но его величина определяется нагрузкой. Так, износ составляет для нагрузок: 13 Н – 0,260 мм; 23 Н – 0,290 мм; 33 Н – 0,310 мм. Зависимость износа от нагрузки носит линейный характер (рис. 3.8). Можно полагать, что в этой области практически отсутствуют продукты деструкции. 73

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 3.8. Зависимость диаметра пятна износа от нагрузки в области отсутствия образования продуктов деструкции

Данная зависимость описывается регрессионным уравнением U = 0,003 Р + 0,221,

(3.14)

где 0,003 – скорость увеличения износа, мм/Н; Р – величина нагрузки, Н. Коэффициент корреляции 0,974. Область II определяется температурным диапазоном, зависящим от нагрузки, что объясняется неоднозначным влиянием нагрузки на параметр износа при образовании первичных продуктов температурной деструкции, образующих на поверхностях трения хемосорбционные слои. Температурный диапазон составляет для нагрузок: 13 Н – от 160 до 220 °С; 23 Н – от 160 до 180 °С; 33 Н – от 160 до 200 °С. Прочность этих слоев и скорость формирования зависят от концентрации первичных продуктов деструкции и от нагрузки. Параметр износа в зависимости от температуры термостатирования для всех нагрузок в области II описывается линейным уравнением U = a3 (T – Tн),

(3.15)

где a3 – интенсивность увеличения износа; T – температура испытания, С; Tн – температура начала влияния продуктов деструкции на износ, С. Регрессионные уравнения зависимости износа от температуры термостатирования имеют вид для нагрузок: 13Н U2 = 0,008 (T – 160) + 0,262,

(3.16)

23Н U2 = 0,023 (T – 160) + 0,294,

(3.17)

33Н U2 = 0,012 (T – 160) + 0,314.

(3.18)

Коэффициенты корреляции соответственно 0,99; 0,998 и 0,98. Температурная область III определяет величину износа, зависящую как от первичных, так и вторичных продуктов деструкции, а также от нагрузки на пару трения. Согласно числовым значениям, указанным на рис. 3.1, вторичные продукты деструкции для минерального масла М-8Г2К образуются после температуры 240 °С, поэтому изменение параметра износа в данной области характеризуется двумя участками, отличающимися температурным диапазоном, определяемым нагрузкой. Так, для нагрузки 74

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

13 Н первый участок области III характеризуется стабилизацией износа в температурном интервале от 220 до 280 °С, а второй – уменьшением износа в интервале температур от 280 до 300 °С. Уменьшение износа вызвано образованием на поверхностях трения прочных хемосорбционных слоев. Для нагрузок 23 и 33 Н первый участок характеризуется увеличением износа, но отличается температурным диапазоном, который для нагрузки 23 Н составил от 180 до 250 °С, а для нагрузки 33 Н – от 200 до 240 °С. На втором участке износ уменьшается, причем чем выше нагрузка, тем интенсивней уменьшается износ. Это объясняется тем, что при увеличении нагрузки на фрикционном контакте возрастает температура, повышающая скорость химической реакции инициированных присадок с металлическими поверхностями и образованием модифицированных слоев. Температура начала убывающего участка износа определяется нагрузкой и составляет: для 13 Н – 280 °С; 23 Н – 250 °С; 33 Н – 240 °С, т. е. нагрузка снижает температуру начала повышения противоизносных свойств. Максимальный износ при переходе первого участка во второй составляет для нагрузок: 13Н – 0,754 мм; 23Н – 0,836 мм; 33Н – 0,910 мм. Зависимости диаметра пятна износа от коэффициента Кп, характеризующего концентрацию продуктов деструкции, и от нагрузки представлены на рис. 3.9. Показано, что при малых концентрациях продуктов температурной деструкции противоизносные свойства термостатированных масел понижаются. Причем максимальное увеличение износа для всех нагрузок наступает при температуре до Tкр1. Дальнейшее увеличение концентрации продуктов температурной деструкции коэффициента Кп вызывает повышение противоизносных свойств при всех нагрузках. Причем ве- Рис. 3.9. Зависимости износа от коэфличина износа увеличивается с ростом фициента поглощения светового потока при термостатировании минерального нагрузки. Таким образом, установлено, что моторного масла М-8Г2К и от нагрузки: на параметр износа влияет концентра- 1 – 13 Н; 2 –23 Н; 3 – 33 Н ция продуктов деструкции, поэтому в качестве критерия противоизносных свойств термостатированных масел предложен критерий П, определяемый эмпирическим выражением К П п , (3.19) U где Кп – коэффициент поглощения светового потока; U – параметр износа, мм. 75

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 3.10. Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании минерального моторного масла М-8Г2К и от нагрузки: 1 – 13 Н; 2 – 23 Н; 3 – 33 Н

Рис. 3.11. Зависимость скорости изменения критерия противоизносных свойств от нагрузки

Данный критерий (рис. 3.10) характеризует условную концентрацию продуктов деструкции на номинальной площади фрикционного контакта. Показано, что зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока имеют линейный характер. Причем, чем выше величина нагрузки, тем ниже противоизносные свойства при одном и том же значении Кп. Регрессионные уравнения зависимостей критерия противоизносных свойств П от коэффициента поглощения светового потока при нагрузках имеют вид 13 Н П = 1,32 Кп, (3.20) 23 Н П = 1,22 Кп,

(3.21)

33 Н П = 1,15 Кп.

(3.22)

Коэффициенты 1,32; 1,22; 1,15 характеризуют скорость изменения критерия противоизносных свойств Vп, зависимость которой от нагрузки представлена на рис. 3.11. Установлено, что скорость изменения критерия противоизносных свойств уменьшается с ростом нагрузки за счет увеличения площади контакта, т. е. понижения противоизносных свойств. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. При термостатировании минерального моторного масла М-8Г2К в диапазоне температур от 140 до 300 °С установлена температура начала деструкции масла – 160 °С и две критические температуры Tкр1 и Tкр2 (240 и 280 °С), при которых наблюдается резкое увеличение коэффициента поглощения светового потока, вязкости и испаряемости, что обусловлено сбросом избыточной тепловой энергии. При сравнении зависимостей Кп = f (T), Кμ = f (T)и G = f (T) (рис. 3.1 и 3.3) установлено резкое увеличе76

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

ние коэффициентов Кп, Кμ и G при критической температуре Tкр1, поэтому температура Tкр1 является оптимально допустимой для минерального масла М-8Г2К. 2. Исследованиями связи между концентрацией продуктов температурной деструкции, вязкостью и испаряемостью установлено, что первичные продукты до температуры Tкр1 увеличивают вязкость минерального масла М-8Г2К, а вторичные – в диапазоне температур от Tкр1 до Tкр2 ее стабилизируют, испаряемость масла при температурах больше Tкр2 резко увеличивается, замедляя скорость образования продуктов деструкции. 3. Установлено, что сброс избыточной энергии происходит по двум каналам: изменению коэффициента Кп и испаряемости G, поэтому параметром температурной стойкости предложен критерий Eт.с, определяемый суммой этих коэффициентов, характеризующий энергию поглощения продуктами температурной деструкции и испарения. 4. Установлены три характерные температурные области изменения параметра износа термостатированного минерального моторного масла М-8Г2К, различающиеся величиной износа и температурным диапазоном, причем первая температурная область до 160 °С, где процессы деструкции отсутствуют, параметр износа постоянный и зависит от нагрузки; во второй температурной области износ увеличивается по линейной зависимости и определяется концентрацией первичных продуктов деструкции и нагрузкой, в третьей температурной области величина износа зависит от суммарной концентрации первичных и вторичных продуктов деструкции и нагрузки и определяет температурный диапазон действия продуктов деструкции присадок, направленных на предотвращение схватывания. 5. Предложен критерий противоизносных свойств термостатированных масел, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующий условную концентрацию продуктов деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, зависимость которого от коэффициента поглощения светового потока имеет линейный характер.

3.2. Результаты испытаний 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 фотометрируемого слоя 8 и 2 мм. Параметры трения составили: нагрузки 13, 23 и 33 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура испытания 80 °С, время испытания 2 ч [96]. 77

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 3.12. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования частично синтетического моторного масла ТНК 5W-40 SL/CF: (фотометрирование при толщине фотометрируемого слоя: 2 – 8 мм; 2´ – 2 мм)

Фотометрирование термостатированных масел проводилось при толщине фотометрируемого слоя 8 и 2 мм, так как при температуре выше 240 °С наступает низкая чувствительность фотометра при толщине 8 мм (рис. 3.12). Влияние температуры на изменение оптических свойств масел оценивалось коэффициентом поглощения светового потока Кп. Установлены три характерные температурные области, различающиеся характером изменения коэффициента Кп. Первая температурная область – до Tкр1 (210 С) – характеризуется линейным изменением коэффициента Кп и описывается уравнением Кп = a0 (T – Tн) + b0,

(3.23)

где a0 – коэффициент, характеризующий интенсивность процесса деструкции, С–1; b0 – коэффициент, характеризующий оптические свойства товарного масла; T – температура испытания, С; Tн – 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 (T – 160) + 0,031.

(3.24)

Во второй температурной области от Tкр1 до Tкр2 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 Tкр1. Изменения коэффициента Кп в этой области характеризуются вызванным увеличением его значений, перераспределением избыточной энергии между первичными и вторичными про78

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

дуктами деструкции и испарением. Критическая температура Tкр2 составила 270 °С. Третья температурная область определяется температурой больше Tкр2 и характеризуется стабилизацией коэффициента Кп, причем для масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF (кривая 2′) толщина фотометрируемого слоя составляла 2 мм. Вязкость термостатированных масел оценивалась коэффициентом относительной вязкости Кμ, определяемым отношением вязкости термостатированного масла к вязкости товарного (рис. 3.13). Вязкость частично синтетического масла сначала увеличивается на 5 % до температуры Tкр1, а при температуре больше Tкр1 вязкость начинает падать, и при температуре 300 °С она уменьшается на 20 % по отношению к товарному маслу. Испаряемость масла при термостатировании (рис. 3.14) резко увеличивается при температуре выше Tкр1, поэтому температура Tкр1 является оптимально допустимой для моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF. Влияние продуктов деструкции на вязкость исследовалось зависимостью Кμ = f (Кп) (рис. 3.15). Установлено, что вязкость понижается во всем диапазоне изменения коэффициента поглощения светового потока.

Рис. 3.13. Зависимость коэффициента относительной вязкости от температуры термостатирования частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF

Рис. 3.14. Зависимость испаряемости от температуры термостатирования частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF 79

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 3.15. Зависимость относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF

Рис. 3.16. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от испаряемости при термостатирования частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF

Влияние испаряемости масла на значение коэффициента Кп исследовано зависимостью Кп = f (G) (рис. 3.16). Установлена кусочно-линейная зависимость Кп = f (G), график которой имеет изгиб при температуре Tкр2, 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 = f (G) имеет вид Кп = 0,031 G – 0,033.

(3.25)

Коэффициент корреляции равен 0,985. Таким образом, при термостатировании частично синтетического моторного масла сброс избыточной тепловой энергии происходит по двум каналам, изменяющим оптические свойства и испаряемость масла, поэтому процессы деструкции масла предложено оценивать критерием Eт.с, определяемым выражением (3.26) Eт.с = Кп + Кg, где Кп – коэффициент поглощения светового потока; Кg – коэффициент испаряемости масла. Кg = m / M, (3.27) где m – масса испарившегося масла при термостатировании, г; M – масса пробы масла после термостатирования, г. Критерий температурной стойкости моторного масла является безразмерным и позволяет сравнивать различные масла. Зависимость его от 80

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

температуры термостатирования представлена на рис. 3.17. Показано, что независимо от толщины фотометрируемого слоя зависимость Eт.с = f (Т), график которой имеет изгиб при температуре 210, 250 и 270 °С.

Рис. 3.17. Зависимость критерия температурной стойкости от температуры термостатирования частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF

При анализе зависимостей параметра износа от температуры термостатирования (рис. 3.18) и от нагрузки учитывался фактор влияния на износ первичных продуктов деструкции (с малой оптической плотностью до 0,2), образующихся до температуры Tкр1 (210 °С), и вторичных продуктов деструкции, образующихся после температуры Tкр1 (см. рис. 3.12), при этом концентрация продуктов деструкции с повышением температуры испытания увеличивается. Данные зависимости характеризуются тремя областями, различающимися величиной износа, температурным диапазоном, и зависят от нагрузки на пару трения. Область I определяется температурным диапазоном от 140 до 160 °С, где износ возрастает, а его величина определяется нагрузкой. Так, износ составляет для нагрузок: 13 Н – 0,275 мм; 23 Н – 0,310 мм; 33 Н – 0,345 мм. Область II определяется температурным диапазоном, зависящим от нагрузки, что подтверждает неоднозначное влияние нагрузки на параметр износа, который составляет для нагрузок: 13 Н – от 160 до 190 °С; 23 и 33 Н – 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. Увеличение параметра износа от температуры термостатирования и нагрузки в области II описывается линейным уравнением U = a3 (T – Tн),

(3.28) 81

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

где a3 – скорость увеличения износа; T – температура испытания, С; Tн – температура начала влияния продуктов деструкции на износ, С. Регрессионные уравнения зависимости износа от температуры термостатирования имеют вид для нагрузок: 13 Н U2 = 0,007 (T – 160) + 0,293,

(3.29)

23 Н U2 = 0,007 (T – 160) + 0,322,

(3.30)

33 Н U2 = 0,011 (T – 160) + 0,342.

(3.31)

Коэффициенты корреляции соответственно 0,99; 0,999 и 0,98.

а

б

в Рис. 3.18. Зависимости диаметра пятна износа от температуры термостатирования частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF и нагрузки: а – 13 Н; б – 23 Н; в –33 Н

Температурная область III определяет величину износа, зависящую как от первичных, так и вторичных продуктов деструкции, а также от нагрузки на пару трения. Согласно числовым значениям, указанным на рис. 3.12, вторичные продукты деструкции для частично синтетического масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF образуются после 210 °С, а изменение па82

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

раметра износа в данной области характеризуется двумя участками и зависит от концентрации первичных и вторичных продуктов температурной деструкции, от 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. Зависимость износа от нагрузки носит линейный характер (рис. 3.19). Можно полагать, что в этой области практически отсутствуют продукты деструкции. Данная зависимость описывается регрессионным уравнением U1 = 0,002 Р + 0,272,

(3.32)

где 0,002 – интенсивность увеличения износа; Р – величина нагрузки, Н. Коэффициент корреляции 0,974. Зависимости диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока, характеризующего концентрацию продуктов деструкции, и от нагрузки представлены на рис. 3.20. Показано, что независимо от нагрузки при малых концентрациях продуктов температурной деструкции про- Рис. 3.19. Зависимость диаметра пятна тивоизносные свойства термостатиро- износа от нагрузки в области отсутствия ванных масел понижаются. Однако образования продуктов деструкции максимальное увеличение износа наступает при значениях коэффициента Кп, полученных при температурах термостатирования до Tкр1 (см. рис. 3.12), т. е. когда образуются первичные продукты температурной деструкции. Нагрузка в этой температурной области (до Tкр1) 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. Таким образом, установлено, что на параметр износа влияет концентрация продуктов деструкции и их состав, поэтому в качестве показателя противоизносных свойств термостатированных масел предложен критерий П, определяемый эмпирическим выражением П

Кп , U

(3.33)

где Кп – коэффициент поглощения светового потока; U – параметр износа, мм. 83

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 3.20. Зависимости износа от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF: 1 – 13 Н; 2 – 23 Н; 3 – 33 Н

Рис. 3.21. Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF при нагрузке: 1 – 13 Н; 2 – 23 Н; 3 – 33 Н

Данный критерий (рис. 3.21) характеризует условную концентрацию продуктов температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта. Показано, что зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока имеют линейный характер. Заметим: чем выше величина нагрузки, тем ниже противоизносные свойства при одном и том же значении Кп. Регрессионные уравнения зависимостей противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при нагрузках имеют вид 84

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

13 Н П = 2,11 Кп,

(3.34)

23 Н П = 1,67 Кп,

(3.35)

33 Н П = 1,48 Кп.

(3.36)

Коэффициенты 2,11; 1,67; 1,48 характеризуют скорость изменения критерия противоизносных свойств Vп, зависимость которой представлена на рис. 3.22. Установлено, что скорость изменения критерия противоизносных свойств уменьшается с ростом нагрузки за счет увеличения площади контакта, т. е. понижения противоизносных свойств.

Рис. 3.22. Зависимость скорости изменения критерия противоизносных свойств от нагрузки

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. При термостатировании частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5w-40 SL/CF в диапазоне температур от 140 до 290 °С установлена температура начала деструкции масла – 160 °С и две критические температуры Tкр1 и Tкр2 (210 и 270 °С), при которых наблюдается резкое изменение коэффициента поглощения светового потока, вязкости и испаряемости, что обусловлено сбросом избыточной тепловой энергии. При сравнении зависимостей Кп = f (T), Кμ = f (T)и G = f (T) (рис. 3.13–3.15) установлено резкое увеличение коэффициентов Кп, Кμ и G при критической температуре Tкр1, поэтому температура Tкр1 является оптимально допустимой для частично синтетического масла ТНК Супер 5w-40 SL/CF. 2. Исследованиями связи между концентрацией продуктов температурной деструкции, вязкостью и испаряемостью установлено, что первичные продукты деструкции до температуры Tкр1 увеличивают вязкость частично синтетического масла ТНК Супер 5w-40 SL/CF, а вторичные – в диапазоне температур от Tкр1 до Tкр2 ее уменьшают, испаряемость масла при температурах больше Tкр2 резко увеличивается, замедляя скорость образования продуктов деструкции. 85

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

3. Установлено, что сброс избыточной энергии происходит по двум каналам: изменению коэффициента Кп и испаряемости G. В качестве показателя температурной стойкости предложен критерий Eт.с, определяемый суммой коэффициентов поглощения светового потока и испаряемости, характеризующий энергию поглощения продуктами температурной деструкции и испарения. 4. Установлены три характерные температурные области изменения износа термостатированного частично синтетического моторного масла ТНК Супер 5W-40 SL/CF, различающиеся величиной износа и температурным диапазоном, причем первая температурная область до 160 °С, где процессы деструкции отсутствуют, параметр износа постоянный и зависит от нагрузки, во второй температурной области износ увеличивается по линейной зависимости и определяется концентрацией первичных продуктов деструкции и от нагрузки, в третьей температурной области износ зависит от суммарной концентрации первичных и вторичных продуктов деструкции и от нагрузки и характеризует температурный диапазон действия продуктов деструкции присадок, обеспечивающих предотвращение от схватывания. 5. Предложен критерий противоизносных свойств термостатированного масла, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующий условную концентрацию продуктов деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, зависимость которого от коэффициента поглощения светового потока имеет линейный характер.

3.3. Результаты испытаний синтетического моторного масла Esso Ultron 5W-40 SL/CF Параметры испытания при термостатировании составили: время испытания 8 ч, температурный диапазон – от 140 до 300 ºС, толщина фотометрируемого слоя 8 и 2 мм. Параметры трения составили: нагрузки 13, 23 и 33 Н, скорость скольжения 0,68 м/с, температура испытания 80 °С, время испытания 2 ч. Прямое фотометрирование термостатированных масел проводилось при толщине фотометрируемого слоя 8 и 2 мм, так как при температурах выше 240 °С при толщине 8 мм наступает низкая чувствительность фотометра (рис. 3.23). Влияние температуры на изменение оптических свойств масел оценивалось коэффициентом поглощения светового потока Кп. Установлены три характерные температурные области, различающиеся характером изменения коэффициента Кп. 86

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

Рис. 3.23. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF: (толщина фотометрируемого слоя: 3–8 мм; 3´–2 мм)

Первая температурная область до Tкр1 (220 С) характеризуется линейным изменением коэффициента Кп и описывается уравнением Кп = a0 (T – Tн) + b0,

(3.37)

где a0 – коэффициент, характеризующий интенсивность процесса деструкции, С–1; b0 – коэффициент, характеризующий оптические свойства товарного масла; T – температура испытания, С; Tн – температура начала деструкции, С. Температура начала деструкции синтетического масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF составила 170 °С. Регрессионное уравнение процессов деструкции до температуры Tкр1 имеет вид Кп = 0,004 (T – 170) + 0,023.

(3.38)

Во второй температурной области от Tкр1 до Tкр2 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 Tкр1. Изменения коэффициента Кп в этой области характеризуются вызванным увеличением его значений, перераспределением избыточной энергии между первичными и вторичными продуктами деструкции и испарением. Критическая температура Tкр2 составила 270 °С. Третья температурная область определяется температурой больше Tкр2 и характеризуется стабилизацией коэффициента Кп, причем толщина фотометрируемого слоя составляла 2 мм. Изменение вязкости при термостатировании масел оценивалось коэффициентом относительной вязкости Кμ (рис. 3.24), определяемым отношением вязкости термостатированного масла к вязкости товарного. Установлено, что вязкость во всем температурном диапазоне (от 140 до 290 °С) сохраняет тенденцию уменьшения, а при температуре 300 °С она уменьшилась на 20 %. 87

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 3.24. Зависимость коэффициента относительной вязкости от температуры термостатирования синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF

Рис. 3.25. Зависимость летучести от температуры термостатирования минерального моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF

Колебания вязкости вызваны изменением в составе продуктов деструкции за счет перераспределения избыточной тепловой энергии. Испаряемость масла в диапазоне температур от 140 до 280 °С имеет экспоненциальную зависимость (рис. 3.25). Начиная с температуры термостатирования 220 °С, испаряемость резко увеличивается и составляет: при 220 °С – 4,2 г; 280 °С – 26,5 г, а при температуре 300 °С испаряемость замедлилась и составила 27 г. При сравнении зависимостей Кп = f (T), Кμ = f (T) и G = f (T) (рис. 3.23– 3.25) мы установили резкое увеличение коэффициентов Кп, Кμ и G при критической температуре Tкр1, поэтому температура Tкр1 является оптимально допустимой для синтетического масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF. Влияние продуктов деструкции на вязкость исследовалось ее зависимостью от коэффициента Кп (рис. 3.26). Установлено, что вязкость сохраняет тенденцию к уменьшению и только при Кп она резко падает при окончании процесса деструкции. Влияние испаряемости масла на значение коэффициента Кп исследовано зависимостью Кп = f (G) (рис. 3.27). Показано, что зависимость Кп = f (G) имеет линейный характер для всего температурного диапазона, т. е. испаряемость влияет на оптические свойства синтетического масла при термостатировании. 88

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

Рис. 3.26. Зависимость коэффициента относительной вязкости от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF

Рис. 3.27. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от испаряемости при термостатирования синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF

Регрессионное уравнение имеет вид Кп = 0,031 G – 0,046.

(3.39)

Коэффициент корреляции составил 0,995. На основании полученных результатов термостатирования синтетического масла установлено, что сброс избыточной энергии происходит по двум каналам: изменению коэффициента Кп и испаряемости G, поэтому в качестве оценки процесса деструкции предложен критерий температурной стойкости Eт.с, определяемый суммой коэффициентов Кп и Кg. Eт.с = Кп + Кg,

(3.40)

Кg = m / M,

(3.41)

где m – масса испарившегося масла, г; M – масса оставшегося масла после термостатирования, г. Зависимость критерия температурной стойкости от температуры испытания представлена на рис. 3.28, по которой можно сравнивать различные масла и выбирать более термостойкие. При анализе зависимостей параметра износа от температуры термостатирования (рис. 3.29) и от нагрузки учитывался фактор влияния на износ первичных продуктов деструкции (с малой оптической плотностью до 0,2 ед.), образующихся до температуры Tкр1 (220 °С), и вторичных продуктов деструкции, образующихся после температуры Tкр1 (см. рис. 3.23). При этом концентрация продуктов деструкции с повышением температуры испытания увеличивается. Данные зависимости характеризуются тремя областями, различающимися величиной износа, температурным диапазоном, и зависят от нагрузки на пару трения. Область I определяется температурным диапазоном от 140 до 170 °С, где износ уменьшается, но 89

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

его величина определяется нагрузкой. Среднее значение износа в этой области составляет для нагрузок: 13 Н – 0,270 мм; 23 Н – 0,300 мм; 33 Н – 0,320 мм.

Рис. 3.28. Зависимость критерия температурной стойкости от температуры термостатирования синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF

а

б

в Рис. 3.29. Зависимости износа от температуры термостатирования синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF и нагрузки: а – 13 Н; б – 23 Н; в – 33 Н 90

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

Область II определяется температурным диапазоном, зависящим от нагрузки и концентрации первичных продуктов деструкции, и составляет для нагрузок: 13 Н – от 170 до 240 °С, 23 Н – от 170 до 180 °С, 33 Н – от 170 до 200 °С. Увеличение параметра износа от температуры термостатирования и от нагрузки в температурной области II описывается линейным уравнением U = a3 (T – Tн),

(3.42)

где a3 – скорость увеличения износа; T – температура испытания, С; Tн – температура начала влияния продуктов деструкции на износ, С. Регрессионные уравнения зависимости износа от температуры термостатирования имеют вид для нагрузки: 13 Н U2 = 0,004 (T – 170) + 0,241,

(3.43)

23 Н U2 = 0,013 (T – 170) + 0,283,

(3.44)

33 Н U2 = 0,012 (T – 170) + 0,306.

(3.45)

Коэффициенты корреляции соответственно 0,99; 0,999 и 0,98. Область III характеризует температурный диапазон действия продуктов деструкции присадок, обеспечивающих предотвращение схватывания. Зависимость износа от нагрузки носит линейный характер (рис. 3.30). Можно полагать, что в этой области Рис. 3.30. Зависимость диаметра пятна практически отсутствуют продукты де- износа от нагрузки в области отсутствия образования продуктов деструкции струкции. Данная зависимость описывается регрессионным уравнением U1 = 0,003 Р + 0,245,

(3.46)

где 0,003 – интенсивность увеличения износа; Р – величина нагрузки, Н. Коэффициент корреляции 0,98. Зависимости диаметра пятна износа от коэффициента поглощения светового потока и от нагрузки представлены на рис. 3.31. Показано, что независимо от нагрузки при малых концентрациях продуктов температурной деструкции, т. е. когда образуются первичные продукты, противоизносные свойства термостатированных масел понижаются. Дальнейшее увеличение концентрации вторичных продуктов деструкции приводит либо к замедлению роста износа (при нагрузках 13 Н и 23 Н), либо к его стабилизации при нагрузке 33 Н. Это объясняется фор91

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

мированием на поверхностях трения модифицированных слоев за счет активации присадок. В качестве критерия противоизносных свойств термостатированных масел предложен критерий П, определяемый эмпирическим выражением П

Кп , U

(3.47)

где Кп – коэффициент поглощения светового потока; U – параметр износа, мм. Данный критерий (рис. 3.32) характеризует условную концентрацию продуктов деструкции на номинальной площади фрикционного контакта. Показано, что зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока имеют линейный характер. Заметим: чем выше величина нагрузки, тем ниже противоизносные свойства при одном и том же значении Кп.

Рис. 3.31. Зависимости износа от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF при нагрузках: 1 – 13 Н; 2 – 23 Н; 3 – 33 Н

Рис. 3.32. Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при термостатировании синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W40 при нагрузках: 1 – 13 Н; 2 – 23 Н; 3 – 33 Н

Регрессионные уравнения зависимостей противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при нагрузках имеют вид 13 Н П = 2,14 Кп,

(3.48)

23 Н П = 1,74 Кп,

(3.49)

33 Н П = 1,44 Кп.

(3.50)

Коэффициенты 2,14; 1,74; 1,44 характеризуют скорость изменения критерия противоизносных свойств Vп, зависимость которой от нагрузки представлена на рис. 3.33. Установлено, что скорость изменения критерия 92

3. Влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки…

противоизносных свойств уменьшается с ростом нагрузки за счет увеличения площади контакта, т. е. понижения противоизносных свойств. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. При термостатировании синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF в диапазоне температур от 140 до 300 °С установлена температура начала деструкции масла – 170 °С и две критические температуры Tкр1 и Tкр2 (220 и 270 °С), при которых наблюдается резкое увеличение коэффициента поглощения светового пото- Рис. 3.33. Зависимость скорости изменека, вязкости и испаряемости, что обу- ния критерия противоизносных свойств от нагрузки словлено сбросом избыточной тепловой энергии, поглощенной продуктами деструкции и испарения. При сравнении зависимостей Кп = f (T), Кμ = f (T)и G = f (T) (рис. 3.24–3.26) установлено резкое изменение коэффициентов Кп, Кμ и G при критической температуре Tкр1, поэтому температура Tкр1 является оптимально допустимой для синтетического масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF. 2. Исследованиями связи между концентрацией продуктов температурной деструкции, вязкостью и испаряемостью установлено, что продукты деструкции масла до температуры до Tкр2 плавно уменьшают вязкость синтетического масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF, а после Tкр2 ее резко уменьшают, испаряемость масла увеличивается на всем протяжении роста концентрации продуктов температурной деструкции. 3. Установлено, что сброс избыточной энергии происходит по двум каналам: изменению коэффициента Кп и испаряемости G, поэтому в качестве показателя температурной стойкости предложен критерий Eт.с, определяемый суммой коэффициентов поглощения светового потока и испаряемости, характеризующий энергию поглощения продуктами температурной деструкции и испарения. 4. Установлены три характерные температурные области изменения износа термостатированного синтетического моторного масла ESSO Ultron 5W-40 SL/CF, различающиеся величиной износа и температурным диапазоном, причем первая температурная область до 170 °С, где процессы деструкции отсутствуют, параметр износа уменьшается и зависит от нагрузки, во второй температурной области износ увеличивается по линейной зависимости и определяется концентрацией первичных продуктов деструкции и величиной нагрузки, в третьей температурной области из93

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

нос характеризует температурный диапазон действия продуктов деструкции присадок, обеспечивающих предотвращение схватывания. Предложен критерий противоизносных свойств термостатированных масел, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующий условную концентрацию продуктов деструкции на номинальной площади фрикционного контакта.

94

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

4.

ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА МОТОРНЫХ МАСЕЛ

4.1. Результаты испытаний минерального моторного масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CD Температурный диапазон работоспособности моторных масел во многом зависит от их температурной стойкости на поверхностях трения. Под действием нагрузки и температуры на поверхностях трения одновременно протекают окислительные процессы и деструкция базовой основы масла и присадок. Существует механическая, температурная и химическая деструкция. По данным [97], смазочные материалы на основе нефтяного происхождения работоспособны в атмосферных условиях до температур примерно 200 °С. Критическая температура их работоспособности может быть повышена введением поверхностно-активных и химически активных присадок [42]. Доказано [98], что для успешной работы смазочных масел в них необходимо присутствие кислорода, обеспечивающего формирование на поверхностях трения защитных граничных слоев, повышающих нагрузку схватывания. В этой связи представляют научное и практическое значение исследования температурной стойкости моторных масел и влияние продуктов температурной деструкции, полярности и величины тока, пропускаемого через фрикционный контакт от внешнего стабилизированного источника питания, на противоизносные свойства и процессы, протекающие на фрикционном контакте в условиях граничной смазки. Методика и параметры испытания описаны в главе 2, п. 2.4. На рис. 4.1 представлена зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования. Установлены две характерные температурные области с различной интенсивностью увеличения коэффициента поглощения светового потока. Область I ограничивается температурой 213 °С, где коэффициент Кп описывается линейным уравнением. Температурная область II (выше 213 °С) характеризуется более интенсивным увеличением коэффициента Кп и вызывает изгиб графика зависимости Кп = f (T) и также описывается линейным уравнением. Более интенсивное увеличение коэффициента Кп в области II вызвано образованием продуктов деструкции с более высокой оптической плотностью, чем в области I, т. е. в температурном интервале термостатирования минерального масла до 300 °С образуются два вида продуктов деструкции: первичные и вторичные. Это подтверждается центрифугированием термо95

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

статированных масел при температурах выше 220 °С, где установлен гелеобразный осадок, объем которого зависит от температуры [94, 100]. В целом процесс деструкции минеральных масел описывается линейным уравнением Кп = a0 (T – Tн) + b0, (4.1) где a0 – параметр, характеризующий скорость образования продуктов деструкции; b0 – параметр, характеризующий начальное значение коэффициента поглощения светового потока; T – температура испытания, С; Tн – температура начала деструкции, С. Масло начинает изменять оптические свойства от температуры 129 °С и выше. Регрессионные уравнения имеют вид для первого участка Кп = 0,0018 (T – 129),

(4.2)

для второго участка Кп = 0,0018 (T – 204).

(4.3)

Коэффициент корреляции составил 0,9998.

Рис. 4.1. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования минерального моторного масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CD: 1 – при толщине фотометрируемого слоя 8 мм; 1′ – при толщине фотометрируемого слоя 2 мм 96

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

Рис. 4.2. Зависимость летучести от температуры термостатирования минерального моторного масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CD

Температура, при которой образуются вторичные продукты деструкции, составила Т = 213 ºС, поэтому она является критической и соответствует коэффициенту поглощения светового потока Кп = 0,15. Процесс деструкции – это самоорганизация смазочного материала, определяющая его сопротивление тепловым воздействиям, в результате которого избыточная тепловая энергия поглощается продуктами различного состава и свойств, влияющими на физико-химические свойства самого масла, что подтверждает зависимость Кп = f (T). Испаряемость моторного масла (рис. 4.2) косвенно характеризует температурный предел их работоспособности и поэтому является эксплуатационным показателем. В температурном диапазоне от 140 до 180 °С летучесть постоянная и характеризует концентрацию легких фракций и воды в масле. По данному показателю предельной температурой работоспособности минерального масла можно принять температуру 200 °С. Изменение вязкости при термостатировании минерального масла оценивалось коэффициентом относительной вязкости Кμ, определяемым выражением (4.4) Кμ = μт / μисх, где μт и μисх – соответственно кинематическая вязкость термостатированного масла и исходного товарного масла до испытания. 97

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 4.3. Зависимость коэффициента относительной вязкости от температуры термостатирования минерального моторного масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CD

Для исследованного минерального масла (рис. 4.3) коэффициент относительной вязкости до температуры испытания 280 °С практически не изменяется, однако при дальнейшем увеличении температуры вязкость увеличивается в 1,7 раза, а это выше допустимой, которая выше в 1,4 раза (повышение на 40 %). Вязкость в данном случае не влияет на параметр температурной стойкости, так как она зависит от концентрации продуктов температурной деструкции и определяет предельную температуру применения масел, при которой она либо увеличивается на 40 %, либо уменьшается на 20 %. Для минерального моторного масла U-tech Navigator предельная температура применения составила 285 °С. Учитывая, что появление вторичных продуктов деструкции и оптимальная летучесть происходят при температуре примерно 200–205 °С, то ее можно принять для данного масла как критическую. Установление этой температуры для различных масел позволяет их сравнивать и осуществлять предварительный выбор, а также применять эти данные при классификации по группам эксплуатационных свойств. В результате проведенных исследований показано, что процесс самоорганизации минеральных масел при термостатировании происходит по двум каналам: изменению оптических свойств и летучести – и может выражаться физической моделью (рис. 4.4). Количество поглощенной избыточной тепловой энергии Eт.с [100] определяется суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести, которая названа коэффициентом температурной стойкости. Зависимость коэффициента температурной стойкости Eт.с от температуры термостатирования представлена на рис. 4.5. Eт.с = Кп + Кg,

(4.5)

где Кп – коэффициент поглощения светового потока; Кg – коэффициент летучести масла. 98

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

Кg = m / M,

(4.6)

где m – масса испарившегося масла, г; M – масса оставшегося масла после термостатирования, г. Установлены две характерные температурные области с различной интенсивностью изменения коэффициента температурной стойкости. В обеих областях изменение коэффициента Eт.с описывается линейными уравнениями. Первая область ограничивается температурой 213 °С, где коэффициент Eт.с = 0,2. Вторая температурная область (выше 213 °С) характеризуется более интенсивным увеличением коэффициента Eт.с и вызывает изгиб графика зависимости Eт.с = f (T). Изменение оптических свойств Кп Тепловое воздействие

Смазочный материал 

Сброс избыточной тепловой энергии 

Изменение испаряемости Кg

Рис. 4.4. Физическая модель процессов самоорганизации в смазочных материалах при термостатировании

Рис. 4.5. Зависимость коэффициента температурной стойкости от температуры термостатирования минерального моторного масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CD 99

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Регрессионные уравнения имеют вид для первого участка Eт.с = 0,0022 (T – 120),

(4.7)

для второго участка Eт.с = 0,025 (T – 205).

(4.8)

Коэффициент корреляции составил 0,9997. Формирование молекулярно-органических структур в смазочном материале и их влияние на формирование граничных слоев исследовалось различными авторами [86, 101, 102]. Установлено, что жидкость в граничных слоях на поверхностях трения приобретает упругость формы и свойства твердого тела [86]. Толщина граничных слоев составляет от десятых долей до десятков микрометров [86, 103–105]. При трении в условиях граничной смазки на трущихся поверхностях формируются слои [106] физически адсорбированных молекул смазочного масла, относительно слабо связанные с поверхностью твердого тела (А-слои), хемосорбционные – прочно связанные с поверхностью органическими отложениями, образуемыми продуктами окисления и деструкции смазочного масла (D-слои), а также химически модифицированные слои в случаях прямых химических реакций металла с молекулами присадок (М-слои) [107]. Процессы самоорганизации при граничном трении происходят путем обмена лигандов, образующихся на поверхности твердого тела и смазочного масла [108–110]. При этом свойства трибосистемы определяются не продуктами, которые идентифицируют на поверхностях трения различными физическими методами, а непрерывно в трибосистеме возбужденным состоянием вещества, генерируемым и постоянно реализующимся только в условиях фрикционного взаимодействия. Поэтому процесс граничного трения сопровождается непрерывной механической подкачкой возбужденных состояний в трибосистеме. Поскольку количество накапливающейся в системе энергии конечно, то необходим стационарный или периодический сброс избыточной энергии с верхних уровней на нижележащие, а так как процесс трения необратим, то существуют промежуточные энергетические уровни [110]. Применяемая схема трения «шар – цилиндр» [13] реализует пластическую, упругопластическую и упругую деформации по мере увеличения фактической площади контакта, поэтому предоставляется возможность исследовать динамику изменения механохимических процессов от вида деформации и влияние их на электропроводность фрикционного контакта. Чем больше величина тока, протекающего через пару трения, и его полярность, тем большее влияние он оказывает на процессы адсорбции и хемосорбции, а значит, и на свойства граничных слоев и износ. С увеличением времени испытания и за счет увеличения площади контакта пластическая деформация переходит в упругопластическую (рис. 4.6), при которой ток, 100

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

протекающий через фрикционный контакт, уменьшается до минимального значения [111, 112]. Продолжительность этой области менее 5 мин, но она характеризует приспосабливаемость элементов трибосистемы к внешним воздействиям путем формирования граничной пленки, способной разделять поверхности трения. Уменьшение тока до минимального значения характеризует наступление установившегося изнашивания, при этом скорость изнашивания минимальна. Сравнивая диаграммы записи тока, полученные при испытании масел с первичными продуктами (рис. 4.6, б) и вторичными (рис. 4.6, в, г), видим, что вторичные продукты образуют хемосорбционные слои, вызывающие уменьшение тока, протекающего через фрикционный контакт, за счет более высокого их электрического сопротивления. Чем дольше продолжительность пластической и упругопластической деформаций, тем больше значение параметра износа, что видно по фотографиям пятен износа (центральный шар) (рис. 4.7). 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 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 11:25

а 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 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

8:56

б 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 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 11:15

в 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 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

8:57

г Рис. 4.6. Диаграммы записи тока при испытании минерального моторного масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CF 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) 101

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

а

б

в

г

Рис. 4.7. Пятна износа при испытании минерального моторного масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CF 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)

Изменение величины тока и его полярности влияет как на механохимические процессы, протекающие на фрикционном контакте, так и на поверхностную энергию твердого тела. При граничном трении поверхности трения поляризуются, поэтому приложение внешнего потенциала к поверхностям усиливает или снижает общий электрический потенциал, что важно учитывать при исследовании. Поскольку при термостатировании масел изменяются концентрации первичных и вторичных продуктов деструкции, то они должны определять противоизносные свойства. В качестве критерия противоизносных свойств термостатированных масел П используется отношение коэффициента Кп к параметру износа U, характеризующего условную концентрацию продуктов температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта [113]. 102

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

а

б Рис. 4.8. Зависимость критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при испытании минерального моторного масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CD: а – при положительном потенциале на шаре; б – при отрицательном потенциале на шаре ( ток 100 мкА; ток 200 мкА; ток 300 мкА)

Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока представлены на рис. 4.8. Зависимость П = f (Кп) описывается линейным уравнением П = а4 Кп,

(4.9)

где а4 – параметр, характеризующий скорость изменения условной концентрации продуктов деструкции на фрикционном контакте. Регрессионные уравнения зависимости П = f (Кп) имеют вид  при положительном потенциале на шаре и токах 100 мкА П = 2,62 Кп,

(4.10)

200 мкА П = 3,38 Кп,

(4.11)

300 мкА П = 3,10 Кп,

(4.12)

 при отрицательном потенциале на шаре и токах

100 мкА П = 3,04 Кп,

(4.13)

200 мкА П = 3,37 Кп,

(4.14)

300 мкА П = 3,29 Кп.

(4.15) 103

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

На основании приведенных уравнений можно сделать вывод о влиянии тока на противоизносные свойства и скорость изменения условной концентрации продуктов деструкции на фрикционном контакте. Так, чем большее значение критерия противоизносных свойств, тем выше противоК износные свойства масла. Зная, что U  п , критерий П можно использоП вать для прогнозирования противоизносных свойств масел, а также оценить влияние изменения поверхностной энергии на противоизносные свойства масел. Влияние величины тока и положительной полярности на шаре исследовалось в диапазоне от +100 до +300 мкА. Величина тока задавалась при статическом положении шаров и цилиндра. Результаты исследования представлены на рис. 4.9.

а

б

в Рис. 4.9. Зависимость параметра износа от температуры термостатирования минерального моторного масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CD при положительном потенциале на шаре: а – ток 100 мкА; б – ток 200 мкА; в – 300 мкА (I – низкотемпературная область; II – высокотемпературная область) 104

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

Установлено, что при образовании первичных продуктов деструкции (область I), т. е. до коэффициента поглощения светового потока Кп = 0,133 ед (Т = 200 °С), диапазон изменения параметра износа составляет от 0,32 до 0,28 мм для тока 100 мкА, от 0,3 до 0,26 мм для тока 200 мкА и от 0,38 до 0,22 мм для тока 300 мкА, причем при токе 300 мкА противоизносные свойства улучшаются. При образовании вторичных продуктов деструкции (область II после изгиба на графике зависимости Кп = f (T), рис. 4.1) и при коэффициенте поглощения светового потока Кп от 0,27 и выше (Т > 220 °С) ток способствует повышению противоизносных свойств масла относительно зависимости без тока, что объясняется усилением адсорбционных процессов на шарах с положительном потенциалом. При токе 100 мкА противоизносные свойства изменяются в пределах от 0,36 до 0,3 мм; при 200 мкА противоизносные свойства стабильны и параметр износа равен 0,3 мм, а при токе 300 мкА противоизносные свойства повышаются при уменьшении параметра износа от 0,3 до 0,26 мм. Такие изменения противоизносных свойств при положительном электрическом потенциале на шарах и величине тока объясняются различиями в структуре и свойствах граничных слоев, которые зависят от концентрации продуктов деструкции [114–117]. В этой связи необходимо определить влияние величины тока при отрицательном потенциале на шарах (рис. 4.10). Сравнивая полученные результаты с данными рис. 3.9, видим существенные различия в температурных диапазонах снижения и повышения противоизносных свойств термостатированных масел в зависимости от величины и полярности токов. Так, в области I для тока 100 мкА при отрицательном потенциале на шарах противоизносные свойства понижаются и параметр износа увеличивается от 0,26 до 0,38 мм; для тока 200 мкА противоизносные свойства повышаются от 0,42 до 0,26 мм; для тока 300 мкА противоизносные свойства колеблются в диапазоне от 0,26 до 0,42 мм с общей тенденцией понижения. При отрицательном потенциале на шарах наибольшее влияние на противоизносные свойства оказывает ток 200 мкА. При образовании вторичных продуктов деструкции (область II) и токе 100 и 300 мкА противоизносные свойства повышаются и значение параметра износа уменьшается от 0,5 до 0,34 мм, а при токе 200 мкА противоизносные свойства колеблются в пределах от 0,26 до 0,32 мм. В целом противоизносные свойства масел при отрицательном потенциале ниже, чем при положительном. Это объясняется тем, что защитные граничные слои формируются на цилиндре, площадь которого значительно превышает площадь контакта на шарах, поэтому процесс покрытия дорожек трения защитными пленками замедляется и вызывает увеличение износа. 105

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

а

б

в Рис. 4.10. Зависимости параметра износа от температуры термостатирования минерального моторного масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CD при отрицательном потенциале на шаре: а – ток 100 мкА; б – ток 200 мкА; в – 300 мкА (I – низкотемпературная область; II – высокотемпературная область)

Известно, что большинство узлов механических систем работает в условиях граничной смазки, при которой металлический контакт трущихся тел предотвращается образованием на поверхностях трения гранич106

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

ных смазочных слоев различного происхождения, за счет взаимодействия активируемых процессом трения рабочих поверхностей с активными компонентами смазочного материала. Авторами [118, 119] рассмотрена кинетическая модель образования и разрушения граничных слоев, позволяющая описать взаимосвязь термодинамических и кинетических параметров процессов и степени нагружения узлов трения. Кинетические модели граничной смазки условно разбиты на модели разрушения граничных слоев вследствие потери смазочной средой своих активных компонентов (группа 1); модели образования граничных слоев за время, предоставленное трибологическим процессом (группа 2); модели перехода к заеданию при превышении скорости разрушения граничных слоев над скоростью их образования (группа 3) и модели изнашивания при граничной смазке (группа 4). Исходя из этих представлений и полученных результатов испытания минерального масла U-tech Navigator (рис. 4.9, а) можно утверждать, что при данной схеме испытания и параметрах трения реализуются модели групп 2 и 4. Для оценки влияния тока, пропускаемого через фрикционный контакт, и его полярности на противоизносные свойства термостатированных масел предложен коэффициент влияния тока Кв.т, определяемый отношением П (4.16) Кв.т = б.т , Пт где Пб.т – критерий противоизносных свойств, определенный при отсутствии тока через фрикционный контакт; Пт – критерий противоизносных свойств при пропускании тока через фрикционный контакт. На рис. 4.11 представлены зависимости коэффициента влияния тока от величины и полярности тока, пропускаемого через фрикционный контакт.

а

б

Рис. 4.11. Зависимости коэффициента влияния тока от величины тока и его полярности: а – положительной; б – отрицательной 107

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Показано, что при положительной полярности на шарах противоизносные свойства термостатированных масел повышаются с увеличением тока. Регрессионное уравнение зависимости Кв.т = f (I) имеет линейный характер.  = 1 – a5 I = 1 – 0,001 I, (4.17) К в.т где a5 = 0,001 – значение параметра, характеризующего скорость изменения коэффициента Кв.т. Коэффициент корреляции составил 0,9995. Зависимость коэффициента полярности при отрицательном потен циале на шаре К в.т кусочно-линейная:  до 200 мкА К в.т = 1 – 0,0007 I,

(4.18)

 свыше 200 мкА К в.т = 0,744 + 0,0006 I.

(4.19)

При отрицательном потенциале на шарах противоизносные свойства термостатированных масел также повышаются, но только для токов 100 и 200 мкА, а при токе 300 мкА их повышение уменьшается. Однако при положительном потенциале противоизносные свойства значительно выше, чем при отрицательном потенциале. Так, при токе 100 мкА они выше на 7,4 %; 200 мкА – 8,5 %; а при 300 мкА – на 32,6 %. Противоизносные свойства термостатированных масел при положительном потенциале на шарах лучше, чем при отрицательном потенциале, что объясняется не только различиями в площадях контакта на шарах и цилиндре, но и суммированием или вычитанием токов, задаваемых от внешнего источника, и от поляриза при тоции при трении. Этим объясняется увеличение коэффициента К в.т ке 300 мкА (рис. 4.11, б) отрицательной полярности на шарах и линейное  снижение коэффициента К в.т при положительном потенциале. Влияние величины и полярности тока на противоизносные свойства происходит за счет переориентации молекул при образовании граничного смазочного слоя. Согласно трудам А. С. Ахматова [86] адсорбционный слой, являющийся ближайшим к поверхности, построен так, что с поверхностью металла напрямую связаны полярные группы молекул. Тогда следует предполагать, что этот слой является мономолекулярным. Рассматривать вопрос о формировании первичного адсорбционного слоя можно при условии одного из трех допущений: 1. Смазочный материал содержит небольшое количество одиночных молекул, которые адсорбируются на поверхности металла, обладая их более высокой относительно димеров энергией, и взаимодействуют с твердой поверхностью. 108

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

2. Энергия взаимодействия поверхности металла с карбоксильной группой молекул почти в два раза выше энергии взаимодействия карбоксилов в димерах, поэтому допускается, что в адсорбционном поле часть димера, представляющая квадрупольную группу, деформируется, что приводит к разделению его на две молекулы. 3. Первичный адсорбционный слой формируется из димеров, которые, возможно, адсорбируются как квадруполи, при этом не разделяясь на молекулы, и таким образом деформируются так, что и та и другая углеродные цепи располагаются параллельно друг другу и практически по нормали к поверхности. Наиболее вероятны первые две гипотезы, причем они не исключают друг друга. На основании первой гипотезы поверхность в самом первом приближении моделируется в виде плоскости с закономерным расположением относительно правильно чередующихся центров электростатического притяжения положительного и отрицательного знака. Полярные молекулы, совершая тепловое движение в жидкой среде, встречаются с поверхностью металла. Эти удары могут быть как упругими, так и неупругими. Когда молекула обращена к поверхности металла полярным концом, она фиксируется центром притяжения и ориентируется почти вертикально к поверхности. Механизм этого процесса представлен на рис. 4.12. Рис. 4.12. Схема ориентации полярных молекул при адсорбции на поверхности металла: а – молекула ориентирована полярным концом к поверхности; б – молекула приближается к поверхности, ориентирована к ней неполярной стороной, в силу чего она будет неустойчиво адсорбирована на поверхности металла

а

б

Таким образом, молекула приближается к поверхности металла с ускорением и наносит удар поверхности. Такой удар, как принято в макроскопической механике, носит название неупругого удара, если молекула отдает поверхности наибольшую часть своей кинетической энергии и при этом адсорбируется на ней. Если молекула при ударе ориентирована к поверхности неполярным концом или в случае когда удар наносится в области относительно малого 109

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

значения потенциала поля, то удар является упругим. Возникающие при упругом ударе силы сообщают молекуле ускорение в противоположную сторону, и она снова удаляется от поверхности. Однако в условиях статистического преобладания неупругих ударов над упругими ударами количество молекул, адсорбированных и устойчиво ориентированных к поверхности, растет, за счет чего прочность адсорбционного слоя повышается. Однако следует помнить, что адсорбированная молекула в объеме теряет свою подвижность. Подвижность молекулы сохраняется тем в большей степени, чем выше температура, ниже степень насыщения мономолекулярного слоя и чем меньше препятствий движениям молекулы в граничном объеме. Эти препятствия могут возникнуть из-за микронеровностей поверхностей трибоузлов вследствие насыщения монослоя молекулами. При образовании мультимолекулярных структур ограничения подвижности являются наибольшими, начиная с различного рода ассоциаций и заканчивая сетчатыми структурами с перекрестными связями между углеродными цепочками, особенно при образовании в граничных слоях в результате химических реакций, вследствие чего появляются сложные молекулы и их объединения. Явления подвижности нитеобразных молекул рассмотрены в трудах А. С. Ахматова [86]. В данной работе отмечены только основные данные о подвижности молекул: 1. На начальных стадиях образования первичного мономолекулярного слоя углеродные цепочки молекул, адсорбированные на свободной поверхности металла только одним полярным своим концом, совершают тепловые энергетические колебания, амплитуда которых понижается при снижении температуры и при увеличении насыщения слоя. 2. Кроме того, атомы и атомные группы молекул совершают также ротационные колебания. Вероятно также, что полярная группа молекул способна к небольшим перемещениям в пределах микрообласти максимального значения притяжения (рис. 4.13). Подобного рода флуктуации контакта молекулярных цепей с твердой поверхностью считаются вероятными: они Рис. 4.13. Способность полярной молеку- принимаются, например, в теории лы, адсорбированной на поверхности ме- трения резины, подтвержденной эксталла, к тепловым перемещениям в пре- периментально. делах изопотенциальной площадки S ад3. Адсорбированные молекулы сорбционного микрополя способны к двусторонней миграции 110

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

на поверхности металла. Механизм этих явлений заключается в том, что происходят тепловые перемещения вдоль эквипотенциальных уровней поверхности, а также в переходе молекул с одного энергетического уровня на другой, ближайший к нему. 4. На основании работ Б. В. Дерягина [103] возможны также переопрокидывания молекул путем поворота их оси на 180° во время перехода к более устойчивому ориентационному состоянию. Считается также вероятным переход таких ориентированных неустойчиво молекул в граничном пространстве с одной поверхности на другую (рис. 4.14). Следует учитывать, что в процессе формирования первичного монослоя любое состояние слоя необходимо рассматривать с точки зрения динамического адсорбционного равновесия, то есть иметь в виду, что с адсорбцией одновременно происходит и процесс десорбции. В этом случае часть адсорбированных молекул отрывается от поверхности вследствие тепловых колебаний молекул: поверхность «выбрасывает» в объем адсорби- Рис. 4.14. Схема перехода неустойчированную молекулу подобно тому, как во адсорбированной молекулы (а) виброплита подбрасывает частицы пес- с одной из поверхностей пары трения ка. Таким образом, время закрепления на смежную, в состояние устойчивой ориентации и адсорбции (б) адсорбированных молекул ограничено. Путем тепловых колебаний и соударений и за счет передачи энергии твердой поверхности происходит «испарение», или, иными словами, десорбция молекул. Данный процесс обмена молекулами между адсорбционным слоем и граничащей с ним жидкой объемной фазой протекает непрерывно при всех состояниях насыщения монослоя и спустя время приводит к полной замене адсорбированных молекул. Состояние равновесия наступает в условиях равенства числа молекул, адсорбируемых и десорбируемых в единицу времени элементом поверхности. Когда число молекул, адсорбированных поверхностью, соответствует максимально возможной поверхностной плотности, мономолекулярный слой становится насыщенным. В случае ван-дер-ваальсовой адсорбции образование мономолекулярного слоя происходит за счет переориентации дипольных групп на поверхности металла. 111

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

а

б Pис. 4.15. Схема ориентации диполей на поверхностях, заряженных положительно или отрицательно (а), и на поверхности металла незаряженного (б)

Рассматривая поверхность металла согласно схеме Герцфельда, можем предположить, что в насыщенном мономолекулярном слое карбоксильные группы смазочного материала взаимодействуют с четко чередующимися микрополями противоположных знаков кристаллической решетки металла (рис. 4.15). Как следствие, находящиеся рядом карбоксильные группы молекул смазочного материала имеют чередующиеся позитивную и негативную ориентации своих электрических моментов. На рис. 4.16 приведена схема взаимодействия молекул с поверхностью металла, из которой видно, что находящиеся рядом полярные группы адсорбированных молекул также связаны между собой силами ориентационного взаимодействия диполей, что способствует повышению прочности структуры. После образования конденсированного мономолекулярного слоя, т. е. когда произойдет заполнение молекулами свободных мест на адсорбирующей поверхности или при достаточно высокой концентрации молекул в объеме, формируются последующие ряды мультимолекулярного граничного слоя. Такая структура обоснована известной идеальной схемой граничного слоя в виде колоды карт как слоистой системы идеально правильных молекулярных листов с целым рядом равноценных плоскостей легкого скольжения. На основании этой схемы считается, что происходит последовательное формирование следующих молекулярных рядов: второго, третьего, четвертого и т. д., при этом молекулы четных рядов обращены положительными концами наружу, по направлению от поверхности металла к соседней фазе, т. е. четыре молекулы адсорбированы в четырех смеж112

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

ных активных центрах поверхности металла, имеющих различные знаки. Дипольные группы молекул при этом связаны между собой ориентационными силами. Некоторые измерения подтверждали существование четных рядов ориентированных молекул, которые завершают структуру граничного слоя. Но сложно было объяснить причину устойчивости такой ориентации. Так появился вопрос о механизме образования мультимолекулярного граничного слоя. Схему этого процесса можно представить на основе идеи формирования мультимолекулярного граничного слоя из димеров [120]. Допускалось, что поверхность металла несет насыщенный мономолекулярный слой и граничит с внешней средой совокупностью концевых могильных групп адсорбированных молекул. При таком состоянии поверхности не происходит ни разделения димеров, ни адсорбции одиночных молекул в силу значительной энергии связи димеров и экранирую- Рис. 4.16. Схема, поясняющая формироващего действия первичного слоя. ние насыщенного мономолекулярного адсорбционного слоя Формирование мультимолекулярного слоя протекает в виде ориентации и накопления димеров с образованием последовательно чередующихся рядов димеров один за другим. Это предположение приводит к заключению, что граничные слои с четным числом вертикально ориентированных молекул вообще не существуют, а за насыщением монослоя сразу же происходит формирование тримолекулярного, пятимолекулярного и других слоев с нечетным числом рядов. Слои с четным числом рядов молекул могут существовать только при условии, когда в последнем ряду находятся неактивные димеры. Таким образом, в граничных слоях, если не происходит химических или термических эффектов, карбоксильные активные концы молекул никогда не бывают свободными. Ответ на вопрос о механизме ориентации димеров в граничном слое можно дать, если учесть ярко выраженную склонность 113

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

к ассоциации с ориентацией димеров параллельно друг другу молекулярных образований, имеющих нитеобразное строение. Тенденция к ассоциации нитевидных молекул заключается в прямой связи с большой величиной объема молекулярного действия, которая пропорциональна второй степени длины димера, а условия кристаллизации для таких веществ достаточно благоприятны в обоих направлениях, нормальных к оси димеров. Поэтому молекулярные агрегаты возникают в виде рядов димеров с параллельным размещением их осей. О влиянии полярности на противоизносные свойства, согласно данной теории как в случае мономолекулярного, так и мультимолекулярного слоя, можно судить по результатам испытания моторного масла при положительной, отрицательной полярности и при перемене полярности через определенный временной интервал (рис. 4.17). Сравнивая приведенные диаграммы, видим, что при положительной полярности (рис. 4.17, а) величина тока при установившемся изнашивании (в период упругой деформации) меньше, чем при отрицательной полярности (рис. 4.17, б). Это свидетельствует о том, что за счет переориентации молекул при положительной полярности граничный смазочный слой прочнее, чем при отрицательной полярности. Более наглядно изменение величины тока видно по диаграмме, изображенной на рис. 4.17, в. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 7:18

7:23

7:28

7:33

7:38

7:43

7:48

7:53

7:58

8:03

8:08

8:13

8:18

8:23

8:05

8:11

8:28

8:33

8:38

8:43

8:48

8:53

8:58

9:03

а 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 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

8:16

8:21

8:26

8:31

8:36

8:41

8:46

8:51

8:56

б

в Рис. 4.17. Диаграммы записи тока при испытании минерального моторного масла U-tech Navigator 15W-40 SG/CD: а – при положительной полярности; б – при отрицательной полярности; в – при перемене полярности с положительной на отрицательную каждые 5 мин испытания 114

9:08

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

Чем быстрее образуется защитная пленка и чем больше ее связь с основой твердого тела, тем меньше и значение износа. Так, параметр износа, определенный как среднеарифметическое значение диаметров пятен износа по трем шарам трехшариковой машины трения, составляет: при положительной полярности 0,287 мм, при отрицательной полярности 0,32 мм, а при периодическом (каждые 5 мин испытания) изменении полярности 0,297 мм. То есть в процентном соотношении от параметра износа без пропускания тока 0,3 мм при положительной полярности наблюдается снижение износа на 4,3 %, при отрицательной полярности – увеличение износа на 6,7 %. При перемене полярности каждые 5 мин износ практически не изменился. По результатам таких исследований и предлагается идея снижения износа дорогостоящих деталей различных агрегатов и машин. На основании проведенных исследований минеральных моторных масел установлены: механизм температурной деструкции, характеризующийся образованием первичных и вторичных продуктов деструкции, различающихся оптическими свойствами; температуры начала образования первичных и вторичных продуктов деструкции; температурная область работоспособности моторных масел; температура предельного изменения вязкости при термостатировании масел; критерии температурной стойкости и противоизносных свойств; коэффициент влияния величины тока и его полярности на противоизносные свойства, что значительно расширило информацию о температурной стойкости минеральных моторных масел для потребителей.

4.2. Результаты испытаний минерального моторного масла М-8Г2 Минеральное масло М-8Г2 относится к зимнему сорту и предназначено для дизельных двигателей с высокой степенью форсирования [118]. Испытания масла проводились аналогично испытаниям, изложенным в параграфе 4.1, в соответствии с методикой, описанной в главе 2, в два этапа. На первом этапе исследовалась температурная стойкость масла в диапазоне температур от 140 до 300 ºС, а на втором этапе – изменения противоизносных свойств термостатированных масел и интенсивность механохимических процессов, протекающих на фрикционном контакте, измеряемых электрометрическим методом, предусматривающим пропускание постоянного тока через пару трения от внешнего стабилизированного источника питания величиной 100, 200 и 300 мкА, причем различной полярности. На рис. 4.18 представлена зависимость коэффициента поглощения светового потока K п от температуры термостатирования минерального масла М-8Г2. 115

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 4.18. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2

Изменения коэффициента поглощения светового потока вызваны процессами деструкции базовой основы и присадок. Установлены две характерные температурные области с различной интенсивностью увеличения коэффициента поглощения светового потока. Область I ограничивается температурой 210 °С, где коэффициент Кп описывается линейным уравнением. Температурная область II (выше 210 °С) характеризуется более интенсивным увеличением коэффициента Кп и вызывает изгиб графика зависимости Кп = f (T) и также описывается линейным уравнением. Изгиб графика зависимости Кп = f (T) вызван образованием продуктов деструкции с большей оптической плотностью. Можно полагать, что механизм температурной деструкции протекает в два этапа. На первом этапе образуются начальные продукты, концентрация которых зависит от температуры термостатирования. На втором этапе начальные продукты преобразуются в продукты с большей оптической плотностью. Начало образования этих продуктов происходит при температуре 210 ºС. Начиная с этой температуры, происходят одновременно процессы образования начальных продуктов и продуктов с большей оптической плотностью. Более интенсивное увеличение коэффициента Кп в области II вызвано образованием продуктов деструкции с более высокой оптической 116

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

плотностью, чем в области I, т. е. в температурном интервале термостатирования минерального масла до 300 °С образуются два вида продуктов деструкции: первичные и вторичные. Это подтверждается центрифугированием термостатированных масел при температурах выше 210 °С, где установлен гелеобразный осадок, объем которого зависит от температуры. В целом процесс деструкции минеральных масел описывается линейным уравнением Кп = a0 (T – Tн) + b0, (4.20) где a0 – параметр, характеризующий скорость образования продуктов деструкции; b0 – параметр, характеризующий начальное значение коэффициента поглощения светового потока; T – температура испытания, С; Tн – температура начала деструкции, С. Масло начинает изменять оптические свойства от температуры 129 °С. Регрессионные уравнения имеют вид для первого участка Кп = 0,0028 (T – 140),

(4.21)

для второго участка Кп = 0,011 (T – 201).

(4.22)

Коэффициент корреляции составил 0,9998. Температура, при которой образуются вторичные продукты деструкции, составила T = 210 ºС, поэтому она является критической и соответствует коэффициенту поглощения светового потока Кп = 0,22. Летучесть минерального масла при термостатировании представлена зависимостью на рис. 4.19. Установлены две характерные области с различной скоростью испарения. Область I имеет линейный характер до температуры T = 220 ºС, а область II – также линейный характер до температуры 300 ºС. Изгиб графика зависимости G = f (T) вызван кипением масла при температуре 220 ºС, что приводит к более интенсивному его испарению. Регрессионные уравнения зависимости G = f (T) имеют следующий вид: до точки изгиба G = 0,05 (T – 140),

(4.23)

после точки изгиба G = 0,41 (T – 210).

(4.24)

Коэффициенты корреляции составили соответственно 0,9994 и 0,9995. По данному показателю предельной температурой работоспособности минерального масла является температура 220 °С. Вязкость минерального масла М-8Г2 (рис. 4.20) в диапазоне температур от 140 до 260 ºС практически стабильна, и только при температуре больше 260 ºС она начинае возрастать и при температуре 300 ºС увеличивается в 3,72 раза, что больше допустимой (1,4 раза). Температурная область работоспособности данного масла составляет до 263 ºС. 117

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

Рис. 4.19. Зависимость летучести от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2

Рис. 4.20. Зависимость коэффициента относительной вязкости Кμ от температуры испытания минерального масла М-8Г2

Появление вторичных продуктов деструкции и оптимальная летучесть происходят при температуре 220 °С, поэтому для данного масла эта температура критическая. Зависимость коэффициента Eт.с от температуры испытания представлена на рис. 4.21. Установлены две характерные температурные области с различной интенсивностью изменения коэффициента температурной стойкости. В обеих областях изменение коэффициента Eт.с описывается линейными уравнениями. Первая область ограничивается температурой 220 °С, где ко118

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

эффициент Eт.с = 0,28. Вторая температурная область (выше 220 °С) характеризуется более интенсивным увеличением коэффициента Eт.с и вызывает изгиб графика зависимости Eт.с = f (T).

Рис. 4.21. Зависимость коэффициента температурной стойкости от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2

Регрессионные уравнения имеют вид для первого участка Eт.с = 0,0035 (T – 140),

(4.25)

для второго участка Eт.с = 0,020 (T – 206).

(4.26)

Коэффициент корреляции составил 0,9998. Процессы, протекающие на фрикционном контакте при триботехнических испытаниях термостатированного минерального моторного масла М-8Г2, также оценивались по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах и электрометрическим методом путем пропускания тока (100, 200 и 300 мкА) разной полярности через фрикционный контакт (рис. 4.22). При сравнении диаграмм записи тока, полученные при испытании масел с первичными (рис. 4.22, б) и вторичными продуктами (рис. 4.22, в, г), также видно, что вторичные продукты образуют хемосорбционные слои, вызывающие уменьшение тока, протекающего через фрикционный контакт, 119

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

за счет более высокого их электрического сопротивления. Чем дольше продолжительность пластической и упругопластической деформаций, тем больше значение параметра износа, что видно по фотографиям пятен износа (центральный шар) (рис. 4.23). Изменение величины тока и его полярности влияет как на механохимические процессы, протекающие на фрикционном контакте, так и на поверхностную энергию твердого тела. При граничном трении поверхности трения поляризуются, поэтому приложение внешнего потенциала к поверхностям усиливает или снижает общий электрический потенциал, что важно учитывать при исследовании. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10:26 10:31 10:36 10:41 10:46 10:51 10:56 11:01 11:06 11:11 11:16 11:21 11:26 11:31 11:36 11:41 11:46 11:51 11:56 12:01 12:06 12:11 12:16 12:21

а 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 13:17 13:24 13:30 13:36 13:41 13:46 13:51 13:56 14:01 14:06 14:11 14:16 14:21 14:27 14:32 14:37 14:42 14:47 14:52 14:57 15:02 15:07 15:12

б 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 13:07 13:15 13:22 13:27 13:32 13:37 13:42 13:47 13:52 13:57 14:02 14:07 14:12 14:17 14:22 14:27 14:32 14:37 14:42 14:47 14:52 14:57 15:02

в 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 7:10

7:23

7:31

7:39

7:47

7:53

8:00

8:05

8:10

8:15

8:20

8:25

8:30

8:35

8:40

8:45

8:50

8:55

9:00

9:05

г Рис. 4.22. Диаграммы записи тока при испытании минерального моторного масла М-8Г2 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)

120

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

а

б

в

г

Рис. 4.23. Пятна износа при испытании минерального моторного масла М-8Г2 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)

Критерий противоизносных свойств П определялся согласно п. 4.1: П

Кп , U

(4.27)

где Кп – коэффициент поглощения светового потока; U – параметр износа, мм. Данный критерий характеризует условную концентрацию продуктов деструкции на площади фрикционного контакта. Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока представлены на рис. 4.24 и описываются линейным уравнением П = а4 Кп,

(4.28)

где а4 – параметр, характеризующий скорость изменения условной концентрации продуктов деструкции на фрикционном контакте. 121

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

а

б Рис. 4.24. Зависимость критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при испытании минерального моторного масла М-8Г2: а – при положительном потенциале на шаре; б – при отрицательном потенциале на шаре ( ток 100 мкА; ток 200 мкА; ток 300 мкА)

Регрессионные уравнения зависимости П = f (Кп) имеют вид  при положительном потенциале на шаре и токах 100 мкА П = 1,497 Кп,

(4.29)

200 мкА П = 1,621 Кп,

(4.30)

300 мкА П = 1,364 Кп;

(4.31)

 при отрицательном потенциале на шаре и токах

100 мкА П = 1,406 Кп,

(4.32)

200 мкА П = 1,527 Кп,

(4.33)

300 мкА П = 1,326 Кп.

(4.34)

Зависимости параметра износа от коэффициента поглощения светового потока Кп при токах 100, 200 и 300 мкА представлены на рис. 4.25. Установлено, что до значения коэффициента Кп = 0,11 и соответствующей ему температуры 180 °С (область I) противоизносные свойства понижаются при всех трех токах от 0,32 до 0,53 мм для тока 100 мкА, от 0,3 до 0,61 мм для тока 200 мкА и от 0,3 до 0,75 мм для 300 мкА, на основании чего можно сделать вывод, что в области I наибольшее влияние ока122

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

зывает ток 100 мкА, повышающий противоизносные свойства. В диапазоне температур от 180 до 200 °С противоизносные свойства резко повышаются для всех токов за счет активации присадок. В области II при коэффициенте Кп > 0,22 противоизносные свойства масла колеблются в диапазоне от 0,6 до 0,31 мм для тока 100 мкА с общей тенденцией повышения, от 0,56 до 0,7 мм для тока 200 мкА с тенденцией понижения и от 0,61 до 0,69 мм для тока 300 мкА с тенденцией понижения. Влияние величины тока при отрицательном потенциале на шарах показано на рис. 4.26. При сравнении полученных результатов с данными рис. 4.25 также видны существенные различия в диапазонах снижения и повышения противоизносных свойств термостатированных масел в зависимости от величины и полярности токов.

а

б

в Рис. 4.25. Зависимости параметра износа от температуры термостатирования минерального моторного масла М-8Г2 при положительном потенциале на шаре: а – ток 100 мкА; б – ток 200 мкА; в – 300 мкА (I – низкотемпературная область; II – высокотемпературная область) 123

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

а

б

в Рис. 4.26. Зависимости параметра износа от температуры термостатирования минерального моторного масла М8-Г2 при отрицательном потенциале на шаре: а – ток 100 мкА; б – ток 200 мкА; в – 300 мкА (I – низкотемпературная область; II – высокотемпературная область)

Установлено, что в области I (Кп ≤ 0,11, температура до 180 °С) и отрицательном потенциале на шарах для всех трех величин тока противоизносные свойства понижаются в диапазоне от 0,28 до 0,8 мм для тока 100 мкА, от 0,32 до 0,49 мм для тока 200 мкА и от 0,3 до 0,75 мм для тока 300 мкА. При образовании вторичных продуктов деструкции при токе 100 мкА противоизносные свойства колеблются и параметр износа меняется в пределах от 0,74 до 0,81 мм, при токе 200 мкА – от 0,74 до 0,79 мм и при токе 300 мкА – от 0,72 до 1 мм, при этом при всех величинах тока соблюдается общая тенденция ухудшения противоизносных свойств. 124

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

Таким образом, противоизносные свойства масел при отрицательном потенциале вновь оказываются ниже, чем при положительном. Это объясняется тем, что защитные граничные слои формируются на цилиндре, площадь которого значительно превышает площадь контакта на шарах, поэтому процесс покрытия дорожек трения защитными пленками замедляется и вызывает увеличение износа. На рис. 4.27 представлены зависимости коэффициента влияния тока от величины 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 Кв.т = f (I) имеет линейный характер.  = 1 – a5 I = 1 – 0,0007 I, (4.35) К в.т где a5 = 0,0007 – значение параметра, характеризующего скорость изменения коэффициента Кв.т. Коэффициент корреляции составил 0,9993.

а

б

Рис. 4.27. Зависимости коэффициента влияния тока от величины тока и его полярности: а – положительная полярность; б – отрицательная полярность

Зависимость коэффициента полярности при отрицательном потен циале на шаре К в.т также линейная.  = 1 – 0,0003 I. К в.т

(4.36)

При отрицательном потенциале на шарах противоизносные свойства термостатированных масел также повышаются. Противоизносные свойства при положительном потенциале значительно выше, чем при отрицательном потенциале. Так, при токе 100 мкА они выше на 6 %; 200 мкА – на 14 %; при 300 мкА – на 13 %. Превышение противоизносных свойств термостатированных масел при положительном потенциале на шарах над 125

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

отрицательным потенциалом не только объясняется различиями в площадях контакта на шарах и цилиндре, но и суммированием или вычитанием токов, задаваемых от внешнего источника, и токов поляризации при трении.

4.3. Результаты испытаний минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC Масло Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC относится к всесезонному универсальному моторному маслу. Класс вязкости 10W-40, группа эксплуатационных свойств SF для бензиновых двигателей, CC – дизельных двигателей [5]. На рис. 4.28 представлена зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования.

Рис. 4.28. Зависимость коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC

Установлены также две температурные области с различной интенсивностью увеличения коэффициента поглощения светового потока. В обеих областях изменение коэффициента Кп описывается линейными уравнения126

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

ми, но с различной скоростью образования продуктов деструкции. Область I ограничивается температурой 207 °С, где коэффициент Кп = 0,118. Температурная область II (выше 207 °С) характеризуется более интенсивным увеличением коэффициента Кп и вызывает изгиб графика зависимости Кп = f (T). Более интенсивное увеличение коэффициента Кп в области II вызвано образованием вторичных, более энергоемких продуктов деструкции. Это подтверждается центрифугированием термостатированных масел при температурах выше 220 °С, где установлен гелеобразный осадок, объем которого зависит от температуры. В целом процесс деструкции минеральных масел описывается линейным уравнением Кп = a0 (T – Tн) + b0,

(4.37)

где a0 – параметр, характеризующий скорость образования продуктов деструкции; b0 – параметр, характеризующий начальное значение коэффициента поглощения светового потока; T – температура испытания, С; Tн – температура начала деструкции, С. Масло начинает изменять оптические свойства при температуре 133 °С и выше. Регрессионные уравнения имеют вид для первого участка Кп = 0,0020 (T – 133),

(4.38)

для второго участка Кп = 0,016 (T – 198).

(4.39)

Коэффициент корреляции 0,9998. Температура, при которой образуются вторичные продукты деструкции, составляет T = 207 ºС и соответствует коэффициенту поглощения светового потока Кп = 0,146. Летучесть моторного масла (рис. 4.29) косвенно характеризует температурный предел их работоспособности и поэтому является эксплуатационным показателем. По данному показателю предельной температурой работоспособности минерального масла можно принять температуру 210 °С. Вязкость минерального масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC (рис. 4.30) в диапазоне температур от 140 до 220 ºС практически не изменяется по отношению к товарному, и только при температуре больше 220 ºС она увеличивается. Температурная область работоспособности данного масла составляет до 260 ºС, при этом вязкость увеличивается на 49 % (в 1,8 раза). Для минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC предельная температура применения составила 235 °С. Учитывая, что появление вторичных продуктов деструкции и оптимальная летучесть происходят при температуре примерно 207–210 °С, эту 127

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

температуру можно принять для данного масла как критическую. Установленные для каждого масла такие температуры позволяют сравнивать различные масла для предварительного их выбора для двигателей, а также принять для их классификации по группам эксплуатационных свойств. Количество поглощенной избыточной тепловой энергии Eт.с определяется суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести, которая названа коэффициентом температурной стойкости.

Рис. 4.29. Зависимость летучести от температуры термостатирования минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC

Рис. 4.30. Зависимость коэффициента относительной вязкости от температуры термостатирования минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC

Зависимости коэффициента Eт.с от температуры термостатирования представлены на рис. 4.31. Установлены две характерные температурные области с различной интенсивностью изменения коэффициента температурной стойкости подобно зависимости Кп = f (T) (рис. 4.28). В обеих областях изменение коэффициента Eт.с описывается линейными уравнениями. Область I ограничивается температурой 211 °С, где коэффициент Eт.с = 0,2. Температурная область II (выше 211 °С) характеризуется более 128

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

интенсивным увеличением коэффициента Eт.с и вызывает изгиб графика зависимости Eт.с = f (T). Регрессионные уравнения имеют вид для первого участка Eт.с = 0,0026 (T – 133),

(4.40)

для второго участка Eт.с = 0,024 (T – 203).

(4.41)

Коэффициент корреляции составил 0,9997. Процессы, протекающие на фрикционном контакте при триботехнических испытаниях термостатированного минерального моторного масла Лукойл Стандарт, также оценивались по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах и электрометрическим методом путем пропускания тока (100, 200 и 300 мкА) разной полярности через фрикционный контакт (рис. 4.32). Сравнивая диаграммы записи тока, полученные при испытании масел с первичными (рис. 4.32, б) и вторичными продуктами (рис. 4.32, в, г), также видим, что вторичные продукты образуют хемосорбционные слои, вызывающие уменьшение тока, протекающего через фрикционный контакт, за счет более высокого их электрического сопротивления. Как и у предыдущих масел, при испытании масла Лукойл Стандарт замечено, что чем дольше продолжительность пластической и упругопластической деформаций, тем больше значение параметра износа (центральный шар) (рис. 4.33).

Рис. 4.31. Зависимости коэффициента температурной стойкости от температуры термостатирования минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC 129

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 13:46 13:51 13:56 14:01 14:06 14:11 14:16 14:21 14:27 14:32 14:37 14:42 14:47 14:52 14:57 15:02 15:07 15:12 15:17 15:22 15:27 15:32 15:37 15:42

а 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 13:02 13:07 13:12 13:17 13:22 13:27 13:32 13:37 13:42 13:47 13:52 13:57 14:02 14:07 14:12 14:17 14:22 14:27 14:32 14:37 14:42 14:47 14:52

б

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10:25 10:30 10:35 10:40 10:45 10:50 10:55 11:00 11:05 11:10 11:15 11:22 11:27 11:32 11:37 11:42 11:47 11:52 11:57 12:02 12:07 12:12 12:17

в

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10:56 11:01 11:06 11:11 11:16 11:21 11:26 11:31 11:36 11:41 11:46 11:51 11:56 12:01 12:06 12:11 12:16 12:21 12:26 12:32 12:37 12:42 12:47 12:52

г Рис. 4.32. Диаграммы записи тока при испытании минерального моторного масла Лукойл Стандарт 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)

Зависимость П = f (Кп) описывается линейным уравнением П = а4 Кп,

(4.42)

где а4 – параметр, характеризующий скорость изменения условной концентрации продуктов деструкции на фрикционном контакте. Регрессионные уравнения зависимости П = f (Кп) имеют вид  при положительном потенциале на шаре и токах 100 мкА П = 2,64 Кп,

(4.43)

200 мкА П = 3,00 Кп,

(4.44)

300 мкА П = 2,59 Кп;

(4.45)

 при отрицательном потенциале на шаре и токах

130

100 мкА П = 2,64 Кп,

(4.46)

200 мкА П = 3,05 Кп,

(4.47)

300 мкА П = 2,80 Кп.

(4.48)

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

а

б

в

г

Рис. 4.33. Пятна износа при испытании минерального моторного масла Лукойл Стандарт 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)

Зависимости критерия противоизносных свойств П от коэффициента поглощения светового потока представлены на рис. 4.34. На основании приведенных уравнений можно сделать вывод о влиянии тока на противоизносные свойства и скорость изменения условной концентрации продуктов деструкции на фрикционном контакте. Так, чем больше значения критерия противоизносных свойств, тем выше противоизносные свойства масла. Влияние величины тока исследовалось зависимостями параметра износа от коэффициента поглощения светового потока Кп при токах 100, 200 и 300 мкА различной полярности. Зависимости U = f (Кп) (рис. 4.35 и 4.36) рассматривались также в соответствии с зависимостью Кп = f (T) (см. рис. 4.31), так как при этом учитывается влияние двух видов продуктов деструкции: первичных и вторичных (области I и II). Установлено, что при образовании первичных 131

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

продуктов деструкции (область I), т. е. до коэффициента поглощения светового потока Кп = 0,133 (T = 200 °С), диапазон изменения параметра износа составляет от 0,26 до 0,53 мм для тока 100 мкА, от 0,3 до 0,5 мм для тока 200 мкА и от 0,3 до 0,52 мм для тока 300 мкА, причем при токах 100 и 200 мкА противоизносные свойства ухудшаются, а при токе 300 мкА противоизносные свойства резко ухудшаются при коэффициенте поглощения светового потока Кп = 0,087 (T = 180 °С). В области II при образовании вторичных продуктов деструкции при коэффициенте поглощения светового потока Кп от 0,327 и выше (T > 220 °С) при токе 100 мкА противоизносные свойства меняются в пределах от 0,412 до 0,244 мм, при токе 200 мкА – от 0,468 до 0,321 мм, а при токе 300 мкА – от 0,490 до 0,377 мм. Влияние величины тока при отрицательном потенциале на шарах показано на рис. 4.36. При сравнении полученных результатов с данными рис. 4.35 также видим существенные различия в температурных диапазонах снижения и повышения противоизносных свойств термостатированных масел в зависимости от величины и полярности токов.

а

б Рис. 4.34. Зависимости критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока при испытании минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC: а – при положительном потенциале на шаре; б – при

отрицательном потенциале на шаре ( ток 200 мкА; ток 300 мкА) 132

ток 100 мкА;

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

а

б

в Рис. 4.35. Зависимости параметра износа от температуры термостатирования минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC при положительном потенциале на шаре: а – ток 100 мкА; б – ток 200 мкА; в – 300 мкА (I – низкотемпературная область; II – высокотемпературная область)

Так, в области I для тока 100 мкА при отрицательном потенциале на шарах противоизносные свойства колеблются и параметр износа меняется от 0,28 до 0,58 мм, для тока 200 мкА – от 0,26 до 0,5 мм, причем при обоих значениях токов при коэффициенте поглощения светового потока Кп = 0,087 (T = 180 °С) противоизносные свойства резко ухудшаются, при токе 300 мкА параметр износа возрастает от 0,26 до 0,459 мм. 133

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

а

б

в Рис. 4.36. Зависимости параметра износа от температуры термостатирования минерального моторного масла Лукойл Стандарт 10W-40 SF-CC при отрицательном потенциале на шаре: а – ток 100 мкА; б – ток 200 мкА; в – 300 мкА (I – низкотемпературная область; II – высокотемпературная область)

При образовании вторичных продуктов деструкции (область II) противоизносные свойства колеблются и значение параметра износа меняется в пределах от 0,413 до 0,529 мм при токе 100 мкА, от 0,294 до 0,432 мм при токе 200 мкА и от 0,433 до 0,639 мм при токе 300 мкА. В целом противоизносные свойства масел при отрицательном потенциале ниже, чем при положительном. 134

4. Влияние продуктов температурной деструкции и электрического потенциала…

На рис. 4.37 представлены зависимости коэффициента влияния тока от величины 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 Кв.т = f (I) имеет линейный характер.  = 1 – a5 I = 1 – 0,0009 I, (4.49) К в.т где a5 = 0,0009 – скорость изменения коэффициента Кв.т. Коэффициент корреляции составил 0,9994.

а

б

Рис. 4.37. Зависимости коэффициента влияния тока от величины тока и его полярности: а – положительная полярность; б – отрицательная полярность

Зависимость коэффициента полярности при отрицательном потен циале на шаре К в.т кусочно-линейная:  до 200 мкА К в.т = 1 – 0,0005 I,

(4.50)

 свыше 200 мкА К в.т = 1 + 0,0002 I.

(4.51)

Коэффициенты корреляции составили соответственно 0,9996 и 0,9999. При отрицательном потенциале на шарах противоизносные свойства термостатированных масел также повышаются, но только для токов 100 и 200 мкА, а при токе 300 мкА их повышение уменьшается. При испытании данного масла также противоизносные свойства значительно выше при положительном потенциале, чем при отрицательном потенциале: при токе 100 мкА они выше на 4,6 %, 200 мкА – на 7,4 %, 300 мкА – на 30 %.

135

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

5.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ

5.1. Технология определения предельной температуры работоспособности смазочных масел В процессе эксплуатации машин и агрегатов высокие температуры и различные режимы нагружения, развивающиеся при трении, могут привести не только к снижению ресурса смазочных материалов, но и к повышению надежности узлов механических систем. При этом на поверхностях трения одновременно протекают процессы окисления, температурной деструкции и химические реакции металлических поверхностей с продуктами этих процессов. В этой связи приобретает важное значение выбор смазочных масел в зависимости от температурных условий и режимов работы трибосистем, поэтому предлагаемая технология предназначена для определения температурной стойкости различных смазочных масел с целью предоставления конструкторам информации о температурном режиме их работоспособности. Схема реализации технологии определения температурной стойкости смазочных масел представлена на рис. 5.1. Технология предусматривает использование следующих средств контроля: прибор для определения температурной стойкости, фотометр, малообъемный вискозиметр, электронные весы. Температурный интервал термостатирования смазочных масел определяется их назначением и базовой основой. Так, для моторных масел он составляет от 140 до 300 °С, трансмиссионных – от 80 до 260 °С, гидравлических – от 50 до 220 °С, авиационных – от 140 до 350 °С, индустриальных – от 100 до 260 °С. Для исследования температурной стойкости моторных масел в температурном интервале от 140 до 300 °С потребуется объем масла 1,8 л. Пробу масла массой 80 ± 0,1 г заливают в прибор определения температурной стойкости и термостатируют в течение 8 ч без перемешивания при каждой температуре, начиная от 140 °С с интервалом 10 °С. При каждой температуре испытывают новую пробу масла. После термостатирования пробу масла взвешивают на электронных весах, определяют массу испарившегося масла G, отбирают пробы для фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока Кп, измерения вязкости μ. По результатам измерения коэффициента поглощения светового потока и испарения определяют коэффициент температурной стойкости Eт.с. Eт.с = Кп + Кg, 136

(5.1)

5. Разработка технологий диагностирования смазочных масел

где Кп – коэффициент поглощения светового потока; Кg – коэффициент испаряемости масла. Кg = m / M, (5.2) где m – масса испарившегося масла при термостатировании, г; M – масса пробы масла после термостатирования, г. По полученным данным изменения коэффициента поглощения, вязкости, испаряемости и коэффициента температурной стойкости строятся зависимости от температуры термостатирования, по которым определяются температуры начала образования первичных, вторичных продуктов деструкции и окончания процесса деструкции, критическая температура, при которой вязкость достигает предельного увеличения на 35–40 % либо уменьшения на 20 %. Проба смазочного масла  Прибор для термостатирования смазочных масел  Фотометр Фотометрирование

Вискозиметр

Весы

Измерение вязкости

Измерение испаряемости

Определение параметров Коэффициент поглощения светового потока Кп

Коэффициент относительной вязкости Кμ

Коэффициент испаряемости Кg

Построение графических зависимостей, регрессионный анализ Показатели сравнения температурной деструкции исследуемых масел: температура начала деструкции масла; скорость процессов деструкции; предельная температура деструкции; комплексный критерий температурной стойкости Eт.с Рис. 5.1. Схема комплексного метода контроля влияния процессов температурной деструкции на состояние смазочных масел

Полученные данные по температурной стойкости смазочных масел позволяют создать банк данных, который позволит конструкторам техники обоснованно осуществлять выбор термостойких масел в зависимости от температурных условий работы трибосопряжений. 137

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

5.2. Технология контроля влияния продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства Конструированию деталей машин и технологии машиностроения посвящено большое количество работ, однако инженерно-технические работники отрасли машиностроения недостаточно осведомлены в научнотеоретических, практических вопросах о природе смазочного действия масел и об особенностях их влияния на трение и износ деталей машин. Это 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 рис. 5.2. Технология предусматривает использование следующих средств контроля: прибора для определения температурной стойкости, трехшариковой машины трения со схемой трения «шар – цилиндр» и микроскопа. Проба смазочного масла Прибор для термостатирования Трехшариковая машина трения Измерение диаметра пятна износа  Определение критерия П Построение графических зависимостей, регрессионный анализ Показатели сравнения противоизносных свойств исследуемых масел: температурные области работоспособности по параметру износа, температурный диапазон действия противоизносных и противозадирных присадок; критерий противоизносных свойств П Рис. 5.2. Схема комплексного метода контроля противоизносных свойств термостатированных смазочных масел 138

5. Разработка технологий диагностирования смазочных масел

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 ч. Износ измеряют с помощью микроскопа. Противоизносные свойства масел определяют по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах из трех опытов. По полученным данным изменения износа определяют критерий противоизносных свойств П, характеризующий условную концентрацию продуктов деструкции на номинальной площади фрикционного контакта. П

Кп , U

(5.3)

где Кп – коэффициент поглощения светового потока; U – параметр износа, мм. Затем строят графические зависимости износа от температуры термостатирования и критерия противоизносных свойств от коэффициента поглощения светового потока, по которым определяют температурные области работоспособности по параметру износа, температурный диапазон действия противоизносных присадок; противоизносные свойства – по углу наклона графической зависимости П = f (Кп). Полученные данные по противоизносным свойствам смазочных масел позволяют сравнить 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.

5.3. Технология оценки влияния нагрузки на смазывающие свойства термостатированных масел Недостатком известных способов при определении смазывающих свойств масел является то, что их применение не позволяет учитывать совместное влияние продуктов температурной деструкции и нагрузки на смазывающие свойства масел и определять 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 139

Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел

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 определяется температурным диапазоном формирования тех или иных слоев. Применение данной технологии позволяет обоснованно отбирать более термостойкие масла и совершенствовать систему классификации по группам эксплуатационных свойств.

5.4. Предложения по созданию системы повышения износостойкости твердых тел Данные предложения основаны на исследованиях влияния тока и его полярности на параметр износа товарных и термостатированных масел, испытанных на трехшариковой машине трения со схемой трения «шар – цилиндр» без пропускания тока через фрикционный контакт и с пропусканием тока различной полярности от внешнего стабилизированного источника питания 3 В величиной 100, 200, 300 мкА, которая задавалась при статическом положении шаров и цилиндра [121]. Принятые величины токов исключают сильное влияние их на сорбционные процессы. В главе 4 было установлено, что изменение потенциала с положительного на отрицательный вызывает различия в температурных диапазонах снижения и повышения противоизносных свойств термостатированных масел. Показано, что противоизносные свойства масел при отрицательном потенциале ниже, чем при положительном. Это объясняется тем, что защитные граничные слои формируются на цилиндре, площадь которого значительно превышает площадь контакта на шарах, поэтому процесс покрытия дорожек трения защитными пленками замедляется и вызывает увеличение износа. Для оценки влияния тока, пропускаемого через фрикционный контакт, и его полярности на противоизносные свойства термостатированных масел предложен коэффициент влияния тока Кв.т, определяемый отношением П К в.т  б.т , (5.4) Пт где Пб.т – критерий противоизносных свойств, определенный при отсутствии тока через фрикционный контакт; Пт – критерий противоизносных свойств при пропускании тока через фрикционный контакт. 140

5. Разработка технологий диагностирования смазочных масел

На основании приведенных данных в п. 4.3 можно сформулировать предложения по созданию системы повышения износостойкости твердых тел путем изменения величины износа за счет управления внешней энергией совместно с повышением поверхностной энергии твердых тел. Явление изменения противоизносных свойств при смене полярности предлагается использовать в таких трибосопряжениях, как вал – втулка. При подаче небольшой величины тока положительной полярности на втулку, площадь контакта которой меньше площади контакта вала, можно снизить износ дорогостоящей детали. Для сравнения различных масел необходимо учитывать влияние величины тока на критерий противоизносных свойств П. На основании приведенных уравнений 4.43–4.48 можно сделать вывод о влиянии тока на противоизносные свойства и скорость изменения условной концентрации продуктов деструкции на фрикционном контакте. Так, чем больше значение критерия противоизносных свойств, тем выше противоизносные свойства масла. Критерий П можно использовать для прогнозиК рования противоизносных свойств масел, используя выражение U  п . П

5.5. Предложения по совершенствованию существующей системы классификации смазочных масел В настоящее время существует широкий ассортимент моторных масел, и перед потребителем возникает сложность при выборе масла соответствующего качества. Появляется 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 восстановление 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. 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 и предусматривает определение основных показателей: коэффициента относительной вязкости, критериев температурной стойкости и противоизносных свойств, температуры термостатирования и нагрузки на пару трения. 141

210 220

160

170

270

270

Температура Температура Температура образования стабилизации начала деструк- вторичных пропроцесса десто ции Тн, С дуктов деструкрукции Ткр2, оС ции Ткр1, оС 160 240 280

65,0

64,4

52,9

13

60,1

59,1

50,7

23

55,2

56,0

49,0

33

П р и м е ч а н и е. Чем больше угол наклона, тем выше противоизносные свойства.

М-8Г2К ТНК Супер 5W-40 SL/CF ESSO Ultron 5W-40 SL/CF

Смазочный материал

Критерий температурной стойкости Eт.с

Критерий противоизносных свойств П (по углу наклона) при нагрузках, Н

240–290

190–290

220–300

13

180–290

200–290

180–300

23

200–290

200–290

200–300

33

Температурный диапазон действия противозадирных присадок, оС, при нагрузках, Н

Протокол экспериментальных данных испытания моторных масел

300

300

240

Температура предельного изменения вязкости Кμ, о С

Таблица 5.1

5. Разработка технологий диагностирования смазочных масел

При наличии банка данных по предлагаемым показателям температурной стойкости, противоизносных свойств, смазывающей способности смазочных масел значительно упрощается процедура их выбора для конструкторов и технологов, проектирующих новые машины и агрегаты. Пример протокола значений рекомендуемых показателей представлен в табл. 5.1. Разработаны: 1. Практические рекомендации по оценке состояния смазочных масел, включающие технологии определения:  температурной стойкости;  совместного влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства термостатированных масел;  совместного влияния продуктов температурной деструкции и электрического потенциала на противоизносные свойства термостатированных масел. Представленные технологии позволяют получить объективную информацию о качестве смазочных масел. 2. Предложения по созданию системы повышения износостойкости твердых тел. 3. Предложения по совершенствованию системы классификации моторных масел, позволяющие создать банк данных (справочник) по смазочным материалам с новыми показателями для обоснованного их выбора при проектировании техники.

143

Список литературы

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Матвеевский Р. М. Температурная стойкость граничных смазочных слоев и твердых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов. – М.: Наука, 1971. – 227 с. 2. Мышкин Н. К., Кончиц В. В. К определению температурной стойкости граничных слоев // Трение и износ. – Т. 11. – № 4. – 1981. – С. 725–728. 3. ГОСТ 23.221–84. Метод экспериментальной оценки температурной стойкости смазочных материалов при трении. – М.: Изд-во стандартов, 1984. 4. ГОСТ 17479.1–85. Масла моторные. Классификация и обозначение. – М.: Изд-во стандартов, 1986. 5. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: справочник / И. Г. Анисимов, К. М. Бадышева, С. А. Бнатов; под ред. В. М. Школьникова. Изд. 2-е перераб. и доп. – М.: Издат. центр «Техинформ», 1999. – 596 с. 6. Кондаков Л. А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем. – М.: Машиностроение, 1982. – 216 с. 7. Аксенов А. Ф., Литвинов А. А. Применение авиационных технических жидкостей. – М.: Транспорт, 1974. – 156 с. 8. Нефтепродукты. Свойства, качество, применение: справочник / под ред. Б. В. Лосикова. – М.: Химия, 1966. – 776 с. 9. Шишков И. Н., Белов В. Б. Авиационные горючесмазочные материалы и специальные жидкости. – М.: Транспорт, 1979. – 247 с. 10. Венцель С. В. Применение смазочных масел в двигателях внутреннего сгорания. – М.: Химия, 1979. – 238 с. 11. Восстановление эксплуатационных свойств моторных масел. Теоретические предпосылки / В. А. Гущин, В. В. Остриков, А. И. Гущина, В. В. Паутов // ХТТМ. – 1999. – № 1. – С. 24–25. 12. Ковальский Б. И. Методы и средства повышения эффективности использования смазочных материалов. – Новосибирск: Наука, 2005. – 341 с. 13. Пат. № 2428677 Российская Федерация, МПК G 01 N 19/02. Устройство для испытания трущихся материалов и масел / Ковальский Б. И., Безбородов Ю. Н., Петров О. Н., Тихонов В. И.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». – № 2010119754/28; заявл. 17.05.2010; опубл.10.09.2011. Бюл. № 25. 14. Костецкий Б. И. Трение, смазка и износ в машинах. – Киев: Техника, 1970. – 396 с. 15. Костецкий Б. И. О роли вторичных структур в формировании механизмов трения, смазочного действия и изнашивания // Трение и износ. – 1980. – Т.1. – № 4. – С. 622–634. 144

Список литературы

16. Розенберг Ю. А. Эксплуатационные свойства смазочных материалов и их оценка // Вестник машиностроения. – 1975. – № 8. – С. 42–49. 17. Меньшов П. А., Иванов В. С., Логинов В. Н. Об определении цвета нефтепродуктов // Химия и технология топлив и масел. – 1981. – № 4. – С. 45–48. 18. Гольберг Д. О. Контроль производства масел и парафинов. – М.: Химия, 1964. – 245 с. 19. Шелобанов М. И., Обищенко Л. Н., Михин Н. М. О реализации электрооптических эффектов для дисперсных систем с частицами износа // Трение и износ. – 1982. – Т. 3. – № 2. – С. 331–334. 20. Петросянц А. А., Белоусова В. Я., Саркисов В. С. Повышение долговечности двигателей газонефтепромыслового оборудования. – М.: Недра, 1976. – 211 с. 21. Коваленко В. П. Загрязнения и очистка нефтяных масел. – М.: Химия, 1987. – 304 с. 22. Зуидема Г. Г. Эксплуатационные свойства смазочных масел. – М.: Гостоптехиздат, 1957. – 170 с. 23. Берденников А. И., Громаковский Д. Г. Диссипативные, упругие и смазочные свойства рабочих жидкостей систем гидравлики // Трение и износ. – 1983. – Т. 4. – № 3. – С. 476–482. 24. Манучаров Ю. С., Михайлов И. Г. Измерение поглощения ультразвуковых волн в жидкостях на частотах 50МГц-4Мгц // Акустический журнал. – Вып. 2. – 1974. – Т. 90. – С. 286–296. 25. Михеев В. А., Никоноров Е. М. Стабильность масел в динамических условиях и эффект последствия. Улучшение качества смазочных масел и присадок // Труды ВНИИ НП. – Вып. XIV. – М.: Химия, 1976. – С. 186–192. 26. Шпеньков Г. П. Физикохимия трения (применительно к избирательному переносу и водородному износу). – Минск: Изд-во БГУ, 1978. – 208 с. 27. Шор Г. И., Благовидов Н. Ф. Роль электрического потенциала твердой фазы при каталитическом старении масел в объеме и в тонком слое. Улучшение качества смазочных масел и присадок // Труды ВНИИ НП. – Вып. XIV. – М.: Химия, 1976. С. 128–138. 28. Крагельский И. В., Алексеев Н. М. Экспериментальные исследования эффекта пленочного голодания // Трение и износ. – 1982. – Т. 3. – № 3. – С. 485–489. 29. Кравец И. А., Кривенко Н. Н. Оценка процесса изнашивания деталей по электрической проводимости пары трения // Проблемы трения и изнашивания: науч.-техн. сб. – Вып. № 17. – Киев: Техника, 1980. – С. 28–31. 145

Список литературы

30. А. с. 796732 СССР. Способ автоматического контроля технического состояния двигателя / В. И. Ямпольский, С. В. Блохин. – 1981, Бюл. № 2. 31. А. с. 172528 СССР. Способ непрерывного контроля работы пар трения, разделенных слоем проводящей электрический ток смазки / Б. И. Костецкий, Б. М. Барбалот. – 1965, Бюл. № 16. 32. А. с. 578594 СССР. Способ контроля интенсивности износа пар трения / Н. Н. Теркель, И. И. Карасик. – 1977, Бюл. № 40. 33. А. с. 556370 СССР. Способ исследования трения / А. С. Шампур, В. А. Федоруев. – 1977, Бюл. № 16. 34. Кропачев В. С., Толстая М. А., Буяновский И. А. Трение и износ стали ШХ-15 в водно-органическом растворе // Трение и износ. – 1982. – Т. 3. – № 5. – С. 897–902. 35. Мышкин Н. К., Кончиц В. В. К определению температурной стойкости граничных слоев // Трение и износ. – 1981. – Т. 11. – № 4. – С. 725–728. 36. Трейгер М. И. Экономное и рациональное использование смазочных материалов. – Л.: ЛДНТИ, 1982. – 280 с. 37. Ковальский Б. И. Разработка комплексного метода оценки работоспособности дизельных масел: автореф. дис. … канд. техн. наук. – М., 1985. – 24 с. 38. Гарзанов Е. Г., Ильин В. А. Техническая диагностика поршневых газоперекачивающих агрегатов по анализу отработанного масла // Трение и износ. – 1982. – Т. 3. – № 2. – С. 284–289. 39. Соколов А. И. Измерения качества масел и долговечность автомобильных двигателей. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 1976. – 120 с. 40. Костецкий Б. И. Трение, смазка и износ в машинах. – Киев: Техника, 1970. – 396 с. 41. Матвеевский Р. М., Буяновский И. А., Лазовская О. В. Противозадирная стойкость смазочных средств при трении в режиме граничной смазки. – М.: Наука, 1978. – 192 с. 42. Матвеевский Р. М., Иоффе Г. А., Буяновский И. А. Исследование износостойкости пар трения, применяемых в приводах автомобильных стартеров // Вестник машиностроения. – 1975. – № 4. – С. 22–25. 43. Дерягин Б. В., Лазарев В. П. Проволочный прибор для оценки смазочной способности масел в условиях граничной смазки // Материалы II Всесоюз. конф. по трению и износу в машинах. – М.: Изд-во АН СССР, 1947. – 79 с. 44. Лосиков Б. В., Виппер А. Б., Виленкин А. В. Зарубежные методы испытаний моторных масел на двигателях. – М.: Химия, 1966. 45. Щедров В. С. Температура на скользящем контакте // Трение и износ в машинах, 1955. – 155 с. 146

Список литературы

46. Naylor, H. Cams and friction drives. / Lubrication and Wear; Fundamentals and Application to Design. – Proc. Inst. Mech. Engrs, 1967–1968, 182. Sess. 3, 237. 47. Демкин Н. Б., Демкин Н. Б., Рыжов Э. В. Качество поверхности и контакт деталей машин. – М.: Машиностроение, 1981. – 244 с. 48. Крагельский И. В. Трение и износ. – М.: Машиностроение, 1968. – 480 с. 49. Калинин А. А., Замятин Н. И. Экспрессная методика оценки смазочных свойств жидкостей и пластичных смазок по схеме диск-шарик // Заводская лаборатория. – 1986. – № 4. – С. 64–67. 50. Войгов В. А., Левченко А. В. Интегральный критерий оценки трибологических свойств смазочных материалов на четырехшариковой машине // Трение и износ. – 2001. – № 4. – С. 441–447. 51. Беркович И. И., Громаковский Д. Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: учеб. для вузов / под ред. Д. Г. Громаковского. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2000. – 268 с. 52. Маркова Л. В., Семенюк М. С. Основные тенденции разработок методов и встроенных устройств диагностики состояния трибосистем // Трение и износ. – 1996. – Т.17. – № 3. – С. 365–370. 53. А. с. 1525576 G 01 33/30. Способ определения термической стабильности смазочного масла / П. Ф. Григорьев, О. А. Лебедев. – 1989, Бюл. № 44. 54. ГОСТ 23.221–84. Метод экспериментальной оценки температурной стойкости смазочных материалов при трении. – М.: Госкомитет СССР по стандартам, 1984. – 16 с. 55. Пат. 2240558 Российская Федерация, МКИ3 G01 33/30. Способ определения термической стабильности смазочного масла / Ковальский Б. И., Васильев С. И., Ковальский С. Б. – 2004, Бюл. № 32. 56. Шор Г. И. Механизм действия и экспресс-оценка качества масел с присадками. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1996. – 109 с. 57. А. с. 1656427 G 01 25/02. Устройство для сравнительной оценки термостабильности смазочных материалов / И. Г. Арендателев, В. Ф. Никандрова. – 1991, Бюл. № 22. 58. А. с. 1590966 G 01 33/30. Коксообразователь для определения термической стабильности смазочных масел / П. Ф. Григорьев. – 1990, Бюл. № 33. 59. Левин А. Я., Трофимов Г. Л., Иванова О. В. Новые лабораторные методы оценки качества моторных масел // Химия и технология топлив и масел. – 2006. – № 2. – С. 50–51. 60. Алексеев Р. И., Коровин Ю. И. Руководство по вычислению и обработке результатов количественного анализа. – М.: Атомиздат, 1972. – 72 с. 61. Fein R. S. Effect of lubricants on transition temperatures. – Internal Conf. on Lubrication, ASME/ASLE, Washington. 1964. 147

Список литературы

62. Hopkins, V., D. R. Wilson. Transition temperatures in the four-ball wear tester. – Lubricat. Engng. 1964, № 8, 305 с. 63. Кузьмин H. Ф., Мишарин Ю. Л., Генкин M. Д. Вопросы заедания зубчатых колес. – М.: Изд-во АН СССР, 1960. 64. Blok H. Theoretical study of temperature at surfaces of actual contact under oilness lubricating conditions. – Proc. Gen. Disc, on Lubrication and Lubricants, Inst. Mech. Engrs. London, 1937. – 22 с. 65. Чичинадзе А. В., Буяновский И. А., Гурский Б. Э. Диаграмма переходов и экранирующее действие смазочного слоя // Трение и износ. – 2002. – № 3. – С. 334–341. 66. Чичинадзе А. В., Матвеевский P. M., Браун Э. Д. Материалы в триботехнике нестационарных процессов. – М.: Наука, 1986. – 240 с. 67. Чичинадзе А. В., Браун, Э. Д., Буяновский, И. А. Трение и износ деталей машин // Инженерный журнал. – 2003. – № 9. – С. 47–51. 68. Jaeger J. С. Some two-dimensional problems in conditions of heat with circular symmetry. – Proc. Roy. Soc. London, ser. A, 1942. – 203 p. 69. Tabor D. Solid friction, boundary lubrication and wear. Conference on Lubrication and Wear. Fundamentals and Application to Design. – Proc. Inst. Mech. Eners, 1968, 182, Sess. 4, 262 с. 70. Bowden F. P., Tabor D. The friction and lubrication of solids, pt II. Oxford, Claredon Press, 1964. 71. Методика исследования противоизносных свойств и механохимических процессов при граничном трении скольжения / Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, С. Б. Ковальский, Н. Н. Малышева, Е. Г. Мальцева // Известия Томского политехнического университета. – 2010. – Т. 316. – № 2. – С. 42–46. 72. Бауден Ф., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. – М.: Машиностроение, 1968. 73. Морозов А. В., Маховская Ю. Ю. Теоретико-экспериментальная оценка деформационной составляющей коэффициента трения // Трение и износ. – 2007. – № 4. – С. 335–343. 74. Механика пластической деформации и разрушения поверхностно-упрочненных твердых тел в условиях трения / П. А. Витязь, В. Е. Панин, А. В. Белый, А. В. Колубаев // Физическая мезомеханика. – 2002. – № 1. – С. 15–28. 75. Эволюция структуры поверхностного слоя металлов в условиях трения скольжения / А. В. Колубаев, С. Ю. Тарасов, О. В. Сизова, Е. А. Колубаев, Ю. Ф. Иванов // Трение и износ. – 2007. – № 6. – С. 582–590. 76. Износ в парах трения как задача физической мезомеханики / В. Е. Панин, А. В. Колубаев, А. И. Слосман, С. Ю. Тарасов // Физическая мезомеханика. – 2000. – № 1. – С. 67–74. 148

Список литературы

77. Панин В. Е. Основы физической мезомеханики. Физическая мезомеханика. – 1998. – № 1. – С. 5 – 22. 78. Панин В. Е. Физическая мезомеханика поверхностных слоев твердых тел // Физическая мезомеханика. – 1999. – № 6. – С. 5–23. 79. Панин В. Е., Фомин В. М., Титов В. М. Физические принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних границ раздела в деформируемом твердом теле // Физическая мезомеханика. – 2003. – № 2. – С. 5–14. 80. Колубаев А. В., Попов В. Л., Тарасов С. Ю. Формирование субструктуры поверхностного слоя при трении // Известия вузов. Физика. – 1997. – № 2. – С. 89–95. 81. Попов В. Л. Анализ механизмов формирования поверхностных слоев при трении // Трение и износ. – 1997. – № 6. – С. 818–826. 82. Ахматов А. С. Молекулярная физика граничного трения. – М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1963. 83. А. с. 983522 СССР. Устройство для испытания трущихся материалов и масел; опубл. 1982, Бюл. № 47. 84. А. с. 1054732 СССР. Способ определения смазывающей способности масел; опубл. 1983, Бюл. № 42. 85. А. с. 2186386 СССР. Способ определения смазывающей способности масел; опубл. 2002, Бюл. № 21. 86. Исследование термостойкости частично синтетических моторных масел / В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, Ю. Н. Безбородов // Технология нефти и газа. – 2013. – № 3. – С. 25–29. 87. Зайдель А. Н. Элементарные оценки ошибок измерений. – Л.: Наука, 1968. – 97 с. 88. Определение смазывающей способности моторных масел по параметру суммарной продолжительности деформаций / Ю. Н. Безбородов, А. Н. Сокольников, О. Н. Петров, В. Г. Шрам // Вестник Иркутского государственного технического университета. – Иркутск. – № 8. – 2012. – С. 125–129. 89. Шрам В.Г., Петров О. Н. Лабораторная машина для изучения смазывающей способности масел // Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса: материалы II науч.-практ. конф. – Новокузнецк, 2012. – С. 323–326. 90. Исследование термостойкости минеральных моторных масел / В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, Ю. Н. Безбородов, А. Н. Сокольников // Вестник Казанского технологического университета. – Казань, 2012. – Т. 15. – Ч. 1. – № 13. – С. 143–147. 91. Исследование влияния продуктов температурной деструкции и нагрузки на противоизносные свойства минерального моторного масла 149

Список литературы

М8-Г2К / В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, Н. Н. Малышева, И. В. Надейкин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – Кузбасс, 2012. – № 5. – С. 57–64. 92. Мышкин Н. К., Петроковец М. И., Плескачевский Ю. М. Трибология в работах В.А Белого // Трение и износ. – 2002. – Т. 23. – № 3. – С. 230–235. 93. Семенов А. П. Высокотемпературные твердые смазочные вещества // Трение и износ. – 2007. – Т. 28. – № 5. – С. 525–538. 94. Виноградов Г. В. Опыт исследования противозадирных свойств углеродистых смазочных сред // Методы оценки противозадирных и противоизносных свойств смазочных материалов. – М.: Наука, 1969. – С. 3–11. 95. Определение смазывающей способности моторных масел по параметру суммарной продолжительности деформаций / Ю. Н. Безбородов, О. Н. Петров, А. Н. Сокольников, В. Г. Шрам, А. А. Игнатьев // Вестник Иркутского государственного технического университета. – Иркутск, 2012. – № 8. – С. 125–129. 96. Физическая энциклопедия / под. ред. А. М. Прохорова. Т. 3. – М.: Науч. изд-во «Большая Российская энциклопедия», 1992. 97. Фукс Г. И. Адсорбция и смазочная способность масел // Трение и износ. – 1983. – № 3. – С. 398–414. 98. Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В. Физико-химические основы смачивания и растекания. – М.: Химия, 1976. – 232 с. 99. Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. – М., 1985. 100. Зимон А. Д. Адгезия жидкости и смачивание. – М.: Химия, 1974. – 413 с. 101. Дерябин Б. В. Двух- и трехмерные аспекты поверхностных явлений // Исследования в области поверхностных сил. – М.: Наука, 1964. – С. 3–10. 102. Кончиц, В. В., Коротневич С. В., Саутин С.Д. Смазочные свойства органических отложений на поверхности трения при повышенной температуре // Трение и износ. – 2002. – № 2. – С. 170–175. 103. Studt P. Boundary Lubrication: adsorption of oil additives on steel and ceramic surfaces and its influence on friction and wear // Tribology Int. – 1989. – № 2. – P. 111–119. 104. Самоорганизация вторичных структур при трении / И. С. Гершман, Н. А. Буше, А. Е. Миронов, В. А. Никифоров // Трение и износ. – 2003. – № 3. – С. 329–334. 105. Гершман И. С., Буше Н. А. Реализация диссипативной самоорганизации поверхностей трения в трибосистемах // Трение и износ. – 1995. – № 1. – С. 61–70. 150

Список литературы

106. Молекулярные механизмы самоорганизации при трении / А. С. Кужаров, С. Б. Булгаревич, А. А. Кужаров, А. Кравчик // Трение и износ. – 2002. – № 6. – С. 645–651. 107. Пат. № 2415422 Российская Федерация, МПК7 G 01 33/30. Способ определения температурной стойкости смазочных масел / Ковальский Б. И., Петров О. Н., Малышева Н. Н.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». – № 2009143446/15; заявл. 24.11.2009; опубл. 27.03.2011, Бюл. № 9. 108. Пат. № 2419791 Российская Федерация: МПК G 01 33/30, G 01 3/56. Способ определения смазывающей способности масел / Ковальский Б. И., Петров О. Н., Кузьменко А. В., Ромащенко А. С., Берко А. В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». – № 2010108896/15; заявл. 09.03.2010; опубл. 27.05.2011, Бюл. № 15. 109. Пат. № 2454654 Российская Федерация: МПК G 01 3/56, G 01 33/30. Способ определения качества смазочных масел / Ковальский Б. И., Безбородов Ю. Н., Малышева Н. Н., Кузьменко А. В., Рунда М. М., Мальцева Е. Г.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». – № 2011107418/28; заявл. 25.02.2011; опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18. 110. Шрам В. Г., Ковальский Б. И., Петров О. Н. Исследование влияния продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства синтетических моторных масел // Вестник Красноярского государственного аэрокосмического университета. – Красноярск. – 2013. – № 1. – С. 102–107. 111. Исследование влияния продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства гидравлического масла HLP-10 / В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, Ю. Н. Безбородов, А. А. Игнатьев // Вестник Казанского технологического университета. – 2012. – Т. 15. – № 13. – С. 137–140. 112. Влияние механической деструкции и продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства минеральных моторных масел. Ч. 2 / 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. 113. 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: сб. тр. – СПб., 2010. – С. 86–91. 114. Буяновский И. А., Фукс И. Г., Шабалина Т. Н. Граничная смазка: Этапы развития трибологии. – М.: Нефть и газ, 2002. 151

Список литературы

115. Буяновский И. А. К применению кинетического подхода для описания процесса граничной смазки // Трение и износ. – 2003. – Т. 24. – № 3. – С. 313–321. 116. Труды Второй Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах. Т. III: доклады. – М.: Изд-во АН СССР, 1949. 117. Прибор для испытания трущихся материалов и масел / Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, В. Г. Шрам, А. Н. Сокольников, А. А. Игнатьев // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М. Ф. Решетнева. – Красноярск. – 2013. – № 1. – С. 53–56.

152

Научное издание

Петров Олег Николаевич Шрам Вячеслав Геннадьевич Ковальский Болеслав Иванович Безбородов Юрий Николаевич

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ Редактор Л. Ф. Калашник Корректор Е. Г. Иванова Компьютерная верстка О. А. Кравченко  

Подписано в печать 30.10.2015. Печать плоская. Формат 60×84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 9,6. Тираж 500 экз. Заказ № 1665

Библиотечно-издательский комплекс Сибирского федерального университета 660041, Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел. (391) 206-26-67; http://bik.sfu-kras.ru E-mail: [email protected]