Термоокислительная стабильность трансмиссионных масел
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Транспорт
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Авторы:
Ковальский Болеслав Иванович, Безбородов Юрий Николаевич, Фельдман Леонид Абрамович, Малышева Наталья Николаевна
Год издания: 2011
Кол-во страниц: 150
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7638-2379-0
Артикул: 613859.01.99
Рассмотрены современные методы оценки эксплуатационных свойств трансмиссионных масел различной базовой основы и групп эксплуатационных свойств. Приведены результаты исследований трансмиссионных масел на термоокислительную стабильность. Предложены критерии оценки термо-окислительной стабильности трансмиссионных масел, позволяющие определять их температурный диапазон работоспособности и потенциальный ресурс. Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией машин и агрегатов, аспирантов и студентов, обучающихся по направлению 190600 - «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования».
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
785763 823790 ISBN 978-5-7638-2379-0 Монография Институт нефти и газа термоокислительная стабильность трансмиссионных масел рассмотрены современные методы оценки эксплуатационных свойств трансмиссионных масел различной базовой основы и групп эксплуатационных свойств. Приведены результаты исследований трансмиссионных масел на термоокислительную стабильность. Предложены критерии оценки термоокислительной стабильности трансмиссионных масел, позволяющие определять их температурный диапазон работоспособности и потенциальный ресурс.
Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ ТРАНСМИССИОННЫХ МАСЕЛ Монография Красноярск СФУ 2011
УДК 621.892 ББК 35.514.3 Т35 Рецензенты: М. С. Бахарев, д-р техн. наук, проф. кафедры «Естественнонаучные дисциплины» Сургутского института нефти и газа (филиал) Тюменского государственного нефтегазового университета; В. Ф. Пичугин, д-р техн. наук, проф. кафедры «Трибология и технология ремонта нефтегазового оборудования» Российского государственного университета нефти и газа им. И. М. Губкина Т35 Термоокислительная стабильность трансмиссионных масел : монография / Б. И. Ковальский, Ю. Н. Безбородов, Л. А. Фельдман, Н. Н. Малышева. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. – 150 с. ISBN 978-5-7638-2379-0 Рассмотрены современные методы оценки эксплуатационных свойств трансмиссионных масел различной базовой основы и групп эксплуатационных свойств. Приведены результаты исследований трансмиссионных масел на термоокислительную стабильность. Предложены критерии оценки термоокислительной стабильности трансмиссионных масел, позволяющие определять их температурный диапазон работоспособности и потенциальный ресурс. Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией машин и агрегатов, аспирантов и студентов, обучающихся по направлению 190600 – «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования». УДК 621.892 ББК 35.514.3 ISBN 978-5-7638-2379-0 © Сибирский федеральный университет, 2011
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ........................................................................................................ 5 Глава 1. Анализ факторов, влияющих на эксплуатационные свойства трансмиссионных масел ................................................. 7 1.1. Базовое масло как основа функциональных показателей трансмиссионных масел ............................................................. 7 1.2. Классификация трансмиссионных масел .................................. 9 1.3. Системы контроля качества нефтепродуктов в Российской Федерации .................................................................................... 13 1.4. Анализ факторов, влияющих на надежность трансмиссий ..... 16 1.5. Современные методы оценки эксплуатационных свойств трансмиссионных масел ............................................................. 34 1.6. Современные методы исследования термоокислительной стабильности трансмиссионных масел ..................................... 39 Глава 2. Приборное обеспечение и методика исследования термоокислительной стабильности трансмиссионных масел .... 43 2.1. Обоснование параметра «термоокислительная стабильность» как показателя эксплуатационных свойств трансмиссионных масел ...................................................................... 43 2.2. Конструктивные особенности прибора для определения термоокислительной стабильности смазочных масел ............ 45 2.3. Характеристика вспомогательных измерительных средств .... 48 2.3.1. Фотометрическое устройство .......................................... 48 2.3.2. Вискозиметр ...................................................................... 50 2.4. Методика испытания трансмиссионных масел на термоокислительную стабильность .................................................... 52 Глава 3. Результаты испытаний трансмиссионных масел ................. 54 3.1. Результаты испытаний минеральных трансмиссионных масел с низкой термоокислительной стабильностью ................... 54 3.1.1. Минеральное трансмиссионное масло ТС3-9гип (ТМ5-9, GL-5) .................................................................................. 54 3.1.2. Минеральное трансмиссионное масло ТСп-10 (ТМ3-9, GL-3) .................................................................................. 66 3.1.3. Минеральное трансмиссионное масло ТСгип (ТМ5-34, GL-5) ................................................................................... 71 3.1.4. Минеральное трансмиссионное масло ТСп-14гип (ТМ5-18, GL-5) .................................................................. 75
3.1.5. Анализ данных по термоокислительной стабильности исследованных трансмиссионных масел ........................ 79 3.2. Результаты испытаний минеральных трансмиссионных масел повышенной термоокислительной стабильности ............. 81 3.2.1. Минеральное трансмиссионное масло Consol транс люкс 85W-90 GL-5 ........................................................... 82 3.2.2. Минеральное трансмиссионное масло Teboil HYPOID 85W-90 GL-5 ..................................................................... 90 3.2.3. Минеральное трансмиссионное масло ТНК транс ойл 85W-90 GL-5 ..................................................................... 99 3.2.4. Минеральное трансмиссионное масло Лукойл ТМ5-18 85W-90 GL-5 ....................................................... 103 3.2.5. Анализ данных по термоокислительной стабильности исследованных трансмиссионных масел ....................... 106 3.3. Результаты испытаний частично синтетических трансмиссионных масел ............................................................................. 108 3.3.1. Частично синтетическое трансмиссионное масло Consol транс люкс 75W-90 GL-5 .................................... 108 3.3.2. Частично синтетическое трансмиссионное масло Rotra Fe 75W-80 GL-4 ...................................................... 117 3.3.3. Анализ данных по термоокислительной стабильности частично синтетических масел ....................................... 122 3.4. Результаты испытаний синтетических трансмиссионных масел............................................................................................ 123 3.4.1. Синтетическое трансмиссионное масло Spectrol Synax 75W-90 GL-5 ..................................................................... 123 3.4.2. Синтетическое трансмиссионное масло Teboil HYPOID 75W-90 GL-5 ..................................................................... 131 3.4.3. Анализ данных по термоокислительной стабильности синтетических трансмиссионных масел ....................... 135 Глава 4. Анализ результатов испытаний трансмиссионных масел различной базовой основы ........................................................ 137 Заключение ................................................................................................... 141 Библиографический список ...................................................................... 143
ВВЕДЕНИЕ Надежность трансмиссий как триботехнических систем определяется прочностными характеристиками материалов пар трения, режимами смазки, качеством смазочного материала и условиями эксплуатации. Зависимость надежности трибологических систем от качества смазочного материала, которое в процессе эксплуатации снижается из-за срабатывания противоизносных и противозадирных присадок, изучено недостаточно. Необходимо отметить, что долговечность смазочного материала как элемента трибосистемы в разы уступает долговечности деталей агрегатов трансмиссии. Основными элементами трансмиссий являются зубчатые передачи и подшипниковые опоры, работающие в условиях граничной и эластогидродинамической смазки. Однако влияние продуктов окисления на свойства граничных и эластогидродинамических слоев также изучено недостаточно. Известно, что в зависимости от режимов нагружения на поверхностях трения образуются: адсорбционные слои (А-слои) – за счет смачивания поверхностей трения смазочным материалом; хемосорбционные слои (D-слои) – как результат химической реакции продуктов окисления с металлом; модифицированные слои (М-слои) – вследствие взаимодействия металлических поверхностей с присадками. Образование А-, D-, и М-слоев зависит от температурных условий. Так, А-слои могут обеспечивать разделение поверхностей трения только до определенной температуры. Превышение критических значений температуры вызывает десорбцию молекул смазочного материала с поверхности трения. В этих условиях разделение поверхностей трения обеспечивают D-слои, при этом смазочный материал должен окисляться, а продукты окисления – взаимодействовать с металлической поверхностью. Дальнейшее повышение температуры вызывает ускорение процесса окисления и взаимодействия продуктов окисления и присадок с металлическими поверхностями с образованием модифицированных слоев, предотвращающих их металлический контакт. В этой связи очевидной является необходимость исследования механизма окисления трансмиссионных масел в зависимости от температуры, что позволит объяснить механизм формирования защитных слоев на поверхностях трения. Разработка методов контроля за превращениями, происходящими в смазочном материале в процессе эксплуатации, имеет важное значение в исследовании механизма окисления и влияния продуктов этого процесса на качество трансмиссионного масла. Цель работы – обосновать критерий механизма окисления трансмиссионных масел с учетом количественного состава продуктов окисления.
Научная новизна работы: • разработана методика испытания трансмиссионных масел на термоокислительную стабильность, позволяющая определить механизм окисления, его интенсивность, состав продуктов окисления и их влияние на оптические свойства и вязкость; • предложен критерий термоокислительной стабильности трансмиссионных масел, позволяющий определить потенциальный ресурс и классифицировать их по группам эксплуатационных свойств; • разработана методика определения однородности состава продуктов окисления, позволяющая установить критическую температуру испытания и объяснить механизм окисления; • определены регрессионные уравнения процесса окисления трансмиссионных масел, позволяющие упростить процедуру идентификации и снизить трудоемкость испытания за счет использования только фотометра. В первой главе настоящей монографии приведен обзор исследований, направленных на определение возможных путей повышения надежности и долговечности механических систем за счет их обоснованного выбора, определения потенциального ресурса и организации контроля в процессе эксплуатации агрегатов трансмиссий. Вторая глава посвящена разработке методики испытания трансмиссионных масел на термоокислительную стабильность и обоснованию вспомогательного оборудования для количественной и качественной оценки процессов окисления. В третьей главе исследуется механизм окисления трансмиссионных масел различной базовой основы, оценивается состав продуктов окисления, а также их влияние на оптические и вязкостные свойства. В четвертой главе приводится анализ результатов испытаний трансмиссионных масел, на основании которого устанавливается их соответствие группе эксплуатационных свойств. Теоретические и экспериментальные исследования позволяют на стадии проектирования агрегатов трансмиссий осуществлять их обоснованный выбор в зависимости от степени нагруженности и устанавливать ресурс их работоспособности.
Глава 1. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТРАНСМИССИОННЫХ МАСЕЛ 1.1. Базовое масло как основа функциональных показателей трансмиссионных масел По данным [1], единой нормативно-технической документации на базовые масла не существует. На отдельные типы масел действуют технические условия. На нефтеперерабатывающих заводах в России базовые масла выпускают по внутризаводским стандартам или техническим условиям. При организации производства новых масел требования к качеству базового масла формируются разработчиком и согласуются с производителем как базового, так и товарного масел. Порядок прохождения материалов по допуску к производству и применению определяется Государственной межведомственной комиссией при Госстандарте РФ на основе комплекса квалифицированных испытаний, устанавливаемого для каждого типа масла. Основными функциями смазочных материалов являются: • предохранение поверхностей трения от износа, заедания, питтинга и т. д.; • снижение до минимума потерь энергии на трение; • отвод теплоты от поверхностей трения и удаление из зоны трения продуктов износа. • Базовые масла классифицируют по следующим параметрам: • физико-химические свойства (вязкость, индекс вязкости, температуры застывания и вспышки, цвет и коксуемость); • сырьевая природа масла (парафиновое и нафтеновое основания); • способ производства: а) дистиллятные (вырабатываемые из вакуумных дистиллятов); б) остаточные (вырабатываемые из остатков перегонки нефти – гидронов); в) компаундированные (смесь дистиллятных и остаточных). Масла различают по способу очистки. Обычно их очищают серной кислотой, адсорбционным, селективным и гидрокаталитическим методами. Однако основная классификация базовых масел проводится по вязкости. Их условно разделяют на маловязкие (3–4 сСт при 100 °С), средневязкие (5–6 сСт при 100 °С) и вязкие (8–9 сСт и выше при 100 °С). Перечисленные показатели характеризуют базовую основу масла и являются косвенными. От углеводородного состава базового масла зависят:
• вязкость, обеспечивающая толщину смазочного слоя, фрикционные свойства, текучесть и прокачиваемость при низких температурах, потери энергии при трении и износ; • стабильность к окислению, учитывающая первоначальные физикохимические и эксплуатационные свойства; • поверхностная активность, определяющая вспениваемость, эмульгируемость и коррозионную активность масла; • растворяющая активность, характеризующая моющие свойства и способность базового масла растворять композиции присадок; • фракционный состав базового масла, характеризующий расход масла и степень его загрязнения в процессе эксплуатации, а также образование отложений. Фракционный состав масла представляет собой продукты, выкипающие при температуре выше 300 °С. • Для придания базовым маслам необходимых эксплуатационных свойств их легируют присадками, которые подразделяют на следующие основные типы: • антиокислительные, повышающие антиокислительную устойчивость масла; • антикоррозионные, защищающие металлические поверхности от коррозионного воздействия кислород- и серосодержащих продуктов и влаги; • моюще-диспергирующие, способствующие снижению отложений продуктов окисления на металлических поверхностях; • улучшающие смазочные свойства (противоизносные, противозадирные, антифрикционные); • депрессорные, понижающие температуру застывания масел; • вязкостные (загущающие), улучшающие вязкостно-температурные свойства масел; • антипенные, предотвращающие вспенивание масел. В настоящее время промышленностью России выпускаются масла на синтетической (синтетические), синтетически-нефтяной (частично синтетические) и нефтяной (минеральные) основе. Наиболее распространены нефтяные масла, однако они имеют неудовлетворительные низкотемпературные свойства, термическую стойкость и термоокислительную стабильность. У синтетических масел эти показатели значительно лучше. Преимуществами минеральных масел перед синтетическими считаются хорошая растворяющая способность и совместимость с материалами уплотнений. К синтетическим базовым маслам относятся полиальфаолефиновые масла, сложные эфиры дикарбоновых кислот, эфиры фосфорной кислоты, сложные эфиры неопентиловых спиртов и полиорганосилоксаны. Полиальфаолефиновые масла имеют пологую зависимость вязкости от температуры, низкую температуру застывания и повышенную термическую стойкость. Они полностью совместимы с нефтяными маслами и хо
рошо сочетаются с большинством присадок, применяемых в нефтяных маслах, химически стабильны и экологически безопасны. Их используют как основы или как базовые компоненты моторных авиационных, трансмиссионных, холодильных, вакуумных и пластичных смазок. Остальные синтетические базовые масла для производства трансмиссионных масел не применяются. Ресурс работы смазочного материала независимо от базовой основы и легирующих присадок определяется изготовителем техники, в которой запланировано его использование на основе испытаний. Основными показателями, характеризующими качество смазочного материала, являются термическая стойкость и термоокислительная стабильность, смазывающие свойства и вязкость. Данные показатели используются при выборе смазочного материала и практически не применяются (кроме вязкости) при обосновании ресурса работы. В настоящее время критерием установления сроков замены смазочных материалов приняты наработка (ч) или пробег (км). При этом фактическое состояние смазочного материала не учитывается. Для потребителей ориентировочным критерием, определяющим необходимость замены трансмиссионного масла, является его потемнение, т. е. оптические свойства, которые зависят от степени окисления и наличия в масле продуктов износа, коррозии и продуктов, попадающих извне. 1.2. Классификация трансмиссионных масел Общие требования к трансмиссионным маслам довольно жесткие, так как они работают в режимах высоких скоростей скольжения, высокого давления и в широком диапазоне температур. Их пусковые свойства и длительная работоспособность должны обеспечиваться в интервале температур от минус 60 до 150 °С. Масла должны быть нетоксичными и обеспечивать надежную и длительную работу агрегатов трансмиссии. Для этого они должны удовлетворять следующим требованиям [1]: • иметь достаточные противоизносные, противозадирные и противопиттинговые свойства; • обладать высокой антиокислительной стабильностью; • иметь хорошие вязкостно-температурные свойства; • не оказывать коррозионного воздействия на детали трансмиссии; • быть совместимыми с резиновыми уплотнениями; • иметь хорошие антипенные свойства; • обладать высокой физической стабильностью в условиях длительного хранения.
Все эти свойства обеспечиваются введением в состав базового масла соответствующих функциональных присадок. Смазывающие свойства трансмиссионных масел обеспечивают снижение износа и предотвращают задир. Данные свойства повышаются с увеличением вязкости. Большинство узлов трения трансмиссий работают в режиме граничного трения, при котором пленка смазочного материала становится очень тонкой, а в местах непосредственного контакта возникают высокие температуры. В таких условиях активные элементы противоизносных и противозадирных присадок вступают в химическое взаимодействие с металлом, образуя на поверхностях трения модифицированные слои, обладающие более низким напряжением сдвига, чем у металлов. Эти защитные модифицированные слои представляют собой сульфиды, оксиды, фосфаты или фосфиды железа. При граничном трении вязкость масла не имеет значения. Однако в тонких слоях масла содержится недостаточное количество противозадирных присадок, что может вызвать непосредственный контакт поверхностей трения. Поэтому при создании маловязких трансмиссионных масел их противозадирный потенциал повышают увеличением серо- и фосфорсодержащих присадок в 1,5 раза. Вязкостно-температурные свойства трансмиссионного масла опре деляют потери мощности на трение и способность масла удерживаться в смазочном узле. Между вязкостью и потерями мощности в узлах трансмиссии существует линейная зависимость. Однако снижение вязкости с целью уменьшения потерь на трение может привести к задиру, повышенному износу и питтингу. Поэтому к трансмиссионным маслам предъявляются противоречивые требования. Так, для обеспечения холодного пуска трансмиссии при низких температурах и минимуме потерь на преодоление трения в передачах вязкость масла должна быть минимальной, а для обеспечения несущей способности масляной пленки и для снижения утечек через уплотнения − максимальной. Однако, учитывая, что большее число узлов трения работает при граничном трении, где вязкость не играет роли, первостепенное значение имеет введение в масло эффективных функциональных присадок, осуществляющих защиту поверхностей трения от задира и износа. Трансмиссионные масла в процессе работы в зубчатых передачах вследствие трения интенсивно разогреваются. Высокая температура в сочетании с активным действием кислорода воздуха и каталитическим действием металлических поверхностей приводит к усиленному окислению масла, образованию в нем нерастворимых веществ, выпадающих в осадок. В результате окисления масла изменяются его физико-химические и эксплуатационные свойства: увеличивается вязкость, возрастает коррозионная агрессивность, ухудшаются противозадирные свойства.
При работе масла в трансмиссии окисляются все его компоненты, в том числе и содержащиеся в нем присадки. Особенно опасно уменьшение содержания в масле противозадирной присадки, что может привести к выходу механизма из строя. Для замедления процесса окисления в трансмиссионные масла вводят антиокислительные присадки, которые уменьшают степень окисления масла за счет реакции со свободными радикалами и гидроперекисями, образуя неактивные вещества, растворимые в масле. Коррозионная агрессивность масла зависит от тех же факторов, что и его окисление. Кроме того, коррозия поверхности металла увеличивается ввиду присутствия воды в масле. Для защиты цветных металлов от воздействия кислых продуктов в трансмиссионные масла вводят ингибиторы коррозии. Эти присадки или тормозят процесс окисления, снижая в масле концентрацию агрессивных элементов, или нейтрализуют образовавшиеся в масле кислые продукты, или образуют на поверхности металла плотную защитную пленку, предотвращающую прямой контакт с ним агрессивных продуктов. Механизм, обусловливающий защитные свойства трансмиссионных масел, сводится к вытеснению электролитов с поверхности металла и образованию прочной адсорбционной пленки, предотвращающей контакт металла с агрессивной средой. Эта пленка, в отличие от пленки, образованной антикоррозионными присадками, устойчива к действию не только органических кислот, но и воды. Для усиления защитных свойств масла в него вводят противоржавейные присадки, уменьшающие электрохимическую коррозию. В процессе работы зубчатых передач смазочное масло подвергается интенсивному перемешиванию, вследствие чего в него попадает воздух и образуется пена. Стойкость масел к вспениванию в значительной степени зависит от углеводородного состава, способа и глубины его очистки, состава функциональных присадок, давления и температуры. Необходимо отметить, что растворимость воздуха в масле снижается с уменьшением температуры и давления, а также с повышением вязкости. Загрязняющие примеси и некоторые функциональные присадки уве личивают поверхностное натяжение пленки, повышая устойчивость пены, в результате чего зубчатые колеса смазываются масловоздушной смесью, ухудшающей режим смазки. Введение в трансмиссионные масла антипенных присадок предупреждает образование стабильной пены. Механизм действия антипенных присадок заключается в уменьшении поверхностного натяжения пленок, вследствие чего мелкие пузырьки объединяются в более крупные и легко разрываются. Классификация трансмиссионных масел регламентируется ГОСТ 17479.2–85. В зависимости от уровня кинематической вязкости при 100 °С их разделяют на четыре класса (табл. 1.1).