Методы контроля и прогнозирования показателей термоокислительной стабильности смазочных масел

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ 

И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 

ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ 

СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ

Монография

Красноярск

СФУ
2021

УДК 621.892
ББК 30.82-3

М545

Авторский коллектив : Б. И. Ковальский, А. Н. Сокольников, 

В. И. Верещагин, В. И. Афанасов, О. Н. Петров

Р е ц е н з е н т ы:
Ю. А. Власов, доктор технических наук, профессор, декан механико
технологического факультета, заведующий кафедрой «Автомобильный
транспорт и электротехника» Томского государственного архитектурностроительного университета;

Н. И. Селиванов, доктор технических наук, профессор, заведующий 

кафедрой «Тракторы и автомобили» Красноярского государственного аграрного университета

М545
Методы контроля и прогнозирования показателей термо
окислительной стабильности смазочных масел : монография /
Б. И. Ковальский, А. Н. Сокольников, В. И. Верещагин [и др.]. –
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2021. – 204 с.

ISBN 978-5-7638-4425-2

Приведены результаты исследования показателей термоокислительной 

стабильности в зависимости от температуры испытания, их влияния на кинематическую вязкость и связи с индексом вязкости, а также влияния циклического изменения температуры на эти параметры. 

Предложены метод контроля сопротивляемости смазочных масел тем
пературным воздействиям, расчетный метод показателей термоокислительной стабильности, альтернативный графоаналитический метод прогнозирования показателей термоокислительной стабильности, метод определения 
предельно допустимых показателей работоспособности смазочных масел
и метод определения состояния работающих моторных масел.

Предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся 

проектированием и эксплуатацией машин и механизмов, а также производством и контролем смазочных масел; будет полезна для студентов и аспирантов технических специальностей.

Электронный вариант издания см.:

http://catalog.sfu-kras.ru

УДК 621.892
ББК 30.82-3

ISBN 978-5-7638-4425-2
© Сибирский федеральный университет, 2021

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ...................................................................................................... 5

1. Стандартные методы оценки термоокислительной 
стабильности смазочных материалов....................................................... 7

2. Эксплуатационные свойства смазочных материалов....................... 11

3. Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств
моторных масел ........................................................................................ 15

4. Применение фотометрических методов контроля 
термоокислительной стабильности смазочных материалов................ 18

5. Результаты исследования влияния кинематической вязкости
на термоокислительную стабильность моторных масел 
различной базовой основы ...................................................................... 28

6. Результаты исследования показателей термоокислительной 
стабильности трансмиссионных масел различной 
базовой основы ......................................................................................... 41

7. Метод сравнения смазочных масел по параметрам
термоокислительной стабильности ........................................................ 47

8. Метод контроля сопротивляемости окислению 
моторных масел различной базовой основы ......................................... 52

9. Метод определения показателей термоокислительной 
стабильности при циклическом изменении температуры 
испытания.................................................................................................. 64

10. Расчетные методы определения показателей
термоокислительной стабильности смазочных материалов................ 70

11. Альтернативный графоаналитический метод 
прогнозирования показателей термоокислительной 
стабильности смазочных материалов..................................................... 79

12. Результаты исследования термоокислительной 
стабильности смазочных масел с применением
графоаналитического метода ................................................................ 102

13. Метод контроля влияния продуктов окисления 
на вязкостно-температурные характеристики 
смазочных масел..................................................................................... 121

14. Метод определения термоокислительной стабильности
и температурной стойкости смазочных масел .................................... 141

15. Метод прогнозирования показателей термоокислительной 
стабильности смазочных материалов................................................... 150

16. Метод определения предельно допустимых показателей
работоспособности смазочных материалов......................................... 169

17. Методы определения состояния работающих
моторных масел ...................................................................................... 176

18. Метод определения температур начала изменения 
показателей термоокислительной стабильности и предельной 
температуры работоспособности смазочных масел ........................... 185

Заключение.............................................................................................. 194

Список литературы................................................................................. 197

Введение

Надежность механических систем закладывается на стадии про
ектирования, обеспечивается при изготовлении и подтверждается
в период эксплуатации техники. На показатели надежности оказывает 
влияние смазочный материал и обоснованный ресурс их применения. 
Существующая система планово-предупредительных работ предписывает осуществлять контроль качества работающих масел по наработке в моточасах или пробегу в километрах для автотранспорта, 
причем сроки замены масел назначаются заводами-изготовителями 
двигателей. Такая система наряду со своей простотой не обеспечивает 
эффективное использование смазочных материалов, так как не учитывает техническое состояние двигателя, режимов эксплуатации
и герметичности масляной системы.

В процессе эксплуатации техники смазочные материалы стареют

в результате термического окисления и деструкции, протекающих
на поверхностях трения в тонких слоях.

Принято оценивать качество смазочных масел по кислотному 

числу, однако анализ патентной и технической литературы показал, 
что существует большое разнообразие инженерных методов и устройств для оценки работающих масел. В качестве показателей оценки 
предлагаются: изменение кинематической вязкости, период осадкообразования, склонность к лако- и нагарообразованию, электропроводность, содержание растворенного кислорода, оптические свойства, 
свойства загрязнений, коррозионные и противоизносные свойства
и др. Большинство из перечисленных показателей не нашли практического применения ввиду отсутствия промышленных стандартизированных средств контроля. Другая часть показателей требует использования дорогостоящего оборудования и применяется только
в лабораторных условиях.

Для решения проблемы контроля состояния работающих сма
зочных материалов в период эксплуатации техники необходимо раз

работать комплексный метод оценки и доступные средства испытания. В настоящей монографии приведены методы контроля, основанные на принципах фотометрии, учитывающие процессы окисления, 
температурной деструкции, испаряемость, кинематическую вязкость, 
индекс вязкости и количество тепловой энергии, поглощенной продуктами старения смазочных материалов. Структура монографии –
деление на параграфы – определяется ее содержанием.

1. Стандартные методы оценки 

термоокислительной стабильности 

смазочных материалов

Антиокислительные свойства смазочных материалов определя
ют их стойкость к окислению. Наиболее интенсивно процессы окисления протекают на поверхностях, нагретых до высоких температур 
(100–200 °С). На скорость и глубину окисления масел оказывают 
влияние частицы износа металлов и загрязнения неорганического 
происхождения, накапливаемые в результате изнашивания или попадающие извне, металлоорганические соединения меди, железа и других металлов, образующихся в результате коррозии металлов, а также 
продукты неполного сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания. Механизм окисления смазочных материалов различных базовых основ и назначения изучен недостаточно, особенно механизм 
влияния продуктов окисления на триботехнические характеристики
и связи с показателями кинематической вязкости, индексом вязкости, 
температуры застывания.

Для обоснованного выбора смазочных материалов, применяе
мых в различной технике, разработан целый ряд стандартизированных методов оценки термоокислительной стабильности. Так, метод
по ГОСТ 20457–75 [1] предусматривает испытание масел на установке ИКМ в течение 40 ч с последующей оценкой антиокислительных 
свойств по изменению вязкости и отложении на поршне.

Прирост вязкости масла  за время испытания t в процентах 

определяют по формуле

50

50

100
t





,
(1)

где 
50

– прирост вязкости за время испытания, мм2/с,

50
50
50







,
(2)

где 
50
 
– кинематическая вязкость масла при 50 °С после 40 ч испы
тания, мм2/с;
50

– кинематическая вязкость масла при 50 °С до испы
тания, мм2/с.

Общее количество отложений на поршне (
о
O , г) определяется

по формуле



о
1
о
O
k
m
m
m



,
(3)

где 
1
m – масса поршня в комплекте вместе с кольцами после испыта
ния, г;
о
m – масса поршня в комплекте вместе с кольцами до испыта
ния, г;
k
m
– суммарный износ поршневых колец за время испыта
ния, г;

2
3
k
m
m
m


,
(4)

где 
2
m – масса колец до испытания, г;
3
m – масса чистых колец после 

проведения испытаний, г.

ГОСТ 23175–78 [2] предусматривает оценку моторных свойств

и определение термоокислительной стабильности путем нагревания 
тонкого слоя масла на металлической поверхности, испарение легколетучих веществ, содержащихся в масле и образующихся при его разложении, с последующим разделением остатка на рабочие фракцию
и лак.

Моторные свойства масел оцениваются испаряемостью, количе
ством рабочей фракции и лака, образовавшихся за определенное время, и критической температурой лакообразования.

Испаряемость масла при температуре T в течение времени 

τ (
T
И  , %) вычисляется по формуле

1

1

3
2
0
)
0
(
1
T

m
m
m
И
m






,
(5)

где 
1
m – масса навески масла, г;
2
m
– масса чистого испарителя

до опыта, г;
3
m – масса испарителя с остатками масла после испыта
ния в аппарате Папок, г.

Массовую долю рабочей фракции масла при температуре Т в те
чение времени τ (
T
Р

 , %) вычисляют по формуле

4

1

3
100
T

m
m
Р
m






(6)

где 
4
m – масса испарителя с остатком после экстрагирования, г.

Массовую долю лака при температуре Т в течение времени 

τ (
T
Л  , %) вычисляют по формуле

и
3

1

100.
T

m
m
Л
m




(7)

По ГОСТ 11063–77 [3] термоокислительную стабильность опре
деляют по индукционному периоду осадкообразования в моторных
маслах с присадками. Масла окисляются при 200 °С в приборе ДКНАМИ с последующим измерением осадка и вязкости.

Массовая доля осадка в окисленном масле (
0
Х , %) определяется

по формуле

2
1

0
100
m
m
Х
m



,
(8)

где m – масса навески окислительного масла, г;
1
m – масса стаканчи
ка с чистым фильтром, г;
2
m – масса стаканчика с фильтром и осад
ком, г.

ГОСТ 981–75 [4] предписывает определять термоокислительную 

стабильность в приборе ВТИ в присутствии кислорода и катализаторов при повышенной температуре. Стабильность масла характеризуется кислотным числом, количеством летучих низкомолекулярных 
кислот и осадка, образующихся при окислении.

ГОСТ 20944–75 предусматривает испытания жидкостей для 

авиационных гидросистем в контакте с металлами и кислородом воздуха при температуре 200 °С или техническим азотом при температуре до 300 °С. Термоокислительную стабильность оценивают по изменению внешнего вида, кислотного числа и вязкости, а коррозионную 
активность – по изменению массы металлических пластин (катализаторов).

ГОСТ 18136–72 предусматривает определение термоокисли
тельной стабильности по таким показателям, как кислотное число, 
число омыления, вязкость, содержание смол, тангенс угла наклона 
диэлектрических потерь, удельное электрическое объемное сопротивление, цвет и масса катализатора, цвет и масса конденсата.

ГОСТ 23797–79 предусматривает оценку термоокислительной 

стабильности по количеству образовавшегося осадка, нерастворимого
в изооктане, изменению вязкости, кислотного числа и наличию отложений в реакционном сосуде, а также по коррозионности масла, изменению массы пластин-катализаторов. Испытания проводят при 
температурах 300–400 °С.

Трибологические характеристики смазочных материалов опре
деляются по ГОСТ 9480–75. В практике исследования используются 
различные машины трения [8–13]. Широкое применение получили 
четырехшариковая машина трения, «Фаленс», «Тимкен», «ОлменВиланд», SAE и др. Они предназначены для испытания образцов
в условиях точечного или линейного контакта, обеспечивающего высокие давления и устранение эластогидродинамического эффекта,
а также контроля качества масел при их производстве. Однако непосредственную связь между оценкой противоизносных и противозадирных свойств на машинах трения и фактическими противоизносными свойствами моторных масел в реальных условиях применения 
установить не всегда возможно.

Основные требования при выборе машин трения: 
– использование малого объема исследуемого масла;
– хорошее перемешивание масла во время трения;
– возможность регулирования в широком диапазоне и автомати
ческого поддержания температуры масла, подаваемого в зону трения;

– возможность изменения скорости скольжения, нагрузки и три
ботехнических параметров трения, а также изучения механохимических процессов и топографии изношенных поверхностей.

Важным эксплуатационным показателем качества смазочных 

материалов является температурная стойкость, характеризующая 
температурную область их работоспособности, температуру деструкции базовой основы и присадок. Данный показатель определяется непосредственно при трении по изменению коэффициента трения
от температуры испытания [13] или в объеме по лаконагарообразования [14]. Разработан стандарт для определения температурной стойкости смазочных материалов при трении [15].

Рассмотренные методы могут применяться для оценки эксплуата
ционных свойств смазочных материалов в зависимости от их назначения (моторные, трансмиссионные, гидравлические, индустриальные).

2. Эксплуатационные свойства 

смазочных материалов

Для моторных масел основными эксплуатационными свойства
ми, от которых зависит их ресурс, являются следующие [16].

Моюще-диспергирующие свойства характеризуют способность 

масла обеспечивать необходимую чистоту деталей двигателя, поддерживать продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии без выпадения осадка. Эти свойства обеспечивают моющие присадки, включающие сульфонаты, алкилфеноляты и фосфаты кальция 
или магния.

Антиокислительные свойства
определяют стойкость масла

к старению. Окисление масла в двигателе наиболее интенсивно происходит в тонких пленках на поверхностях деталей, нагревающихся
до высокой температуры и соприкасающихся с горячими газами.

Стойкость моторных масел к окислению повышаются введением

в их состав антиокислительных присадок, включающих диалкил
и диарилдитиофосфаты цинка, которые улучшают также антикоррозионные и противоизносные свойства. Их часто комбинируют с беззольными антиокислителями, фенолами, ароматическими аминами, 
беззольными дигиофосфатами и др.

Противоизносные свойства зависят от химического состава и по
лярности базового масла, состава композиции присадок и вязкостнотемпературной характеристики масла с присадками, которая в основном 
предопределяет температурные пределы его применимости. Повышение противоизносных свойств обеспечивается введением присадок, содержащих серу, фосфор, галогены, бор, а также введением беззольных 
дисперсантов, содержащих противоизносные фрагменты.

Антикоррозионные свойства зависят от состава базовых компо
нентов, концентрации и эффективности антикоррозионных, антиокислительных присадок и деактиваторов металлов. В процессе ста

рения коррозионность моторных масел возрастает за счет повышения 
их кислотности. В качестве антикоррозионной присадки используют 
дитиофосфат цинка. Антикоррозионные свойства масел оценивают
по ГОСТ 20502–75 по потери массы свинцовых пластин за 10 или 25 
ч испытания при температуре 140 °С.

Вязкостно-температурные свойства определяют диапазон тем
пературы окружающей среды, в которой данное масло обеспечивает 
пуск двигателя без предварительного подогрева, прокачивание насосом масла по смазочной системе, надежное смазывание и охлаждение 
деталей двигателя при наибольших допустимых нагрузках и температуре окружающей среды.

Характеристиками вязкостно-температурных свойств служат 

кинематическая вязкость, определяемая в капиллярных вискозиметрах, и динамическая вязкость, измеряемая при различных градиентах скорости сдвига в ротационных вискозиметрах, а также индекс 
вязкости – безразмерный показатель пологости вязкостно-температурной зависимости, рассчитываемой по значениям кинематической вязкости масла, измеренной при температурах 40 и 100 °С
(ГОСТ 25371–82).

Для трансмиссионных и гидравлических масел дополнительно 

определяются защитные свойства и стойкость к пенообразованию. 
Защитные свойства исключают активность электрохимической коррозии вследствие попадания в масло воды. Данный вид коррозии устраняют введением в масло защитных присадок, называемых противоржавейными. Механизм действия этих присадок сводится к вытеснению влаги и других электролитов с поверхности металла и образованию на нем прочной адсорбционной пленки, препрятствующей контакту металла с агрессивной средой.

В процессе работы зубчатых передач и гидроприводов масло под
вергается интенсивному перемешиванию, вследствие чего в него попадает воздух и образуется пена. Стойкость масел к вспениванию зависит
от углеводородного состава масла, способа и глубины его очистки, природы функциональных присадок, давления и температуры.

В нафтеновых маслах растворимость воздуха больше, чем у па
рафиновых. Растворимость воздуха в масле снижается с уменьшением 
температуры и давления. При повышении температуры процесс образования пены интенсифицируется, причем тем эффективнее, чем 
меньше вязкость масла. 

Основное назначение антипенных присадок – предупреждение 

образования стабильной пены в работающем агрегате. Антипенные