Разработка метода контроля процессов окисления и противоизносных свойств моторных масел в присутствии стали ШХ15

В большинстве узлов и агрегатов различных машин в качестве опор качения используются подшипники качения, изготовленные из стали ШХ (ГОСТ 801−60), устойчивой против трения качения при больших давлениях.

Подшипники качения работают как в жидких смазочных материалах различного назначения, так и пластичных смазках. Выбор подшипников основан на расчетах долговечности, условной нагрузки, коэффициента работоспособности и расчетной грузоподъемности, при этом не учитываются свойства смазочных материалов.

Смазочный материал в подшипниках качения применяют для снижения трения и температуры на поверхностях тел качения. Он предохраняет тела качения от непосредственного металлического контакта путем создания эла-стогидродинамического слоя.

Повышенные температуры узла трения вызывают окисление смазочного материала, механическую, температурную и химическую деструкции присадок, однако влияние материала подшипника на эти процессы изучено недостаточно.

Поэтому поиск новых методов оценки влияния стали ШХ15 на процессы окисления смазочных масел различного назначения и базовых основ, а также изменение их противоизносных свойств является актуальной задачей, решение которой позволит обоснованно осуществлять выбор смазочных масел для подшипниковых узлов, контролировать и прогнозировать их состояние в процессе эксплуатации, уточнить методики расчета и повысить надежность механических систем.

Степень разработанности темы. Надежность подшипниковых узлов качения зависит от методов расчета, условий и режимов работы узлов, влияния их материалов на процессы старения смазочных масел различной базовой основы, на показатели термоокислительной стабильности, а также влияние продуктов окисления на противоизносные свойства масел.

Существенный вклад в разработку теории и методов расчета подшипников качения внесли: H.A. Спицин, В. Н. Трейер, C.B. Пинегин, Д.Н. Реше-тов, М. А. Галахов, A.B. Никитин и др., однако все эти методы не учитывают изменения свойств смазочного материала при эксплуатации подшипниковых опор качения.

В процессе эксплуатации смазочный материал окисляется, продукты которого взаимодействуют с материалом подшипника, образуя химические соединения на поверхностях трения. Эти продукты оказывают существенное влияние на долговечность подшипникового узла, поэтому в данной работе проводились исследования по двум направлениям: изучению процессов окисления моторных масел различной базовой основы со сталью ШХ15 и без сталиоценки влияния продуктов окисления на противоизносные свойства.

Механизм окисления минеральных масел рассмотрены в работах JT.A. Кондакова, H.H. Черножукова, С. Е. Крейна, A.B. Непогодьева и др., основные результаты которых применены при разработке стандартов. Однако в этих работах в качестве основных показателей изменения свойств смазочных масел применялись вязкость, кислотность (щелочность), летучесть, оптические свойства, период осадкообразования, а механизм окисления описывался уравнениями, учитывающими изменение кислотного числа при статических температурах испытания. Испытание масел при циклически изменяющихся температурах испытания позволяет снизить трудоемкость испытаний и определить влияние температуры на скорости изменения процессов окисления и испарения и тем самым определить температуру работоспособности исследуемого масла.

В работах A.C. Ахматова, И. А. Буяновского, C.B. Венцеля, М. А. Григорьева, В. Н. Лозовского, В. П. Лашхи, P.M. Матвеевского, Ю. А. Розенберга, Ф. И. Фукса и др. приведены данные о влиянии продуктов старения масел при эксплуатации техники на противоизносные свойства. Эти результаты исследования послужили основой для разработки и обоснования критерия проти-воизносных свойств окисленных масел, что позволяет сравнивать различные масла по этому показателю, и обосновано выбирать наиболее температурно-стабильные с высокими противоизносными свойствами. Кроме того, в методику расчета подшипников качения предложить ввести корректирующий коэффициент, учитывающий базовую основу масла и влияния стали на проти-воизносные свойства.

Целью диссертационной работы. Разработать метод контроля влияния стали ШХ15 на интенсивность процессов окисления и их продуктов на противоизносные свойства моторных масел различных базовых основ и обосновать критерии оценки.

Задачи исследования:

1 .Разработать комплексный метод контроля и обосновать средства контроля влияния стали ШХ15 на процессы окисления и противоизносные свойства моторных масел при статической и циклически изменяющихся температурах испытания.

2.Исследовать процессы окисления, протекающие в моторных маслах различных базовых основ при статической и циклически изменяющихся температурах без стали и со сталью ШХ15, обосновать критерии оценки.

3.Исследовать влияние окисленных моторных масел со сталью ШХ15 и без стали на противоизносные свойства и обосновать критерий оценки.

4.Разработать практические рекомендации по выбору смазочных материалов для подшипниковых узлов.

Объект исследований — моторные масла различных базовых основ.

Предмет исследований — влияния стали ШХ15 на окислительные процессы и противоизносные свойства моторных масел различных базовых основ при статической и циклически изменяющихся температурах.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с применением теоретического анализа механизмов окисления смазочных материалов в присутствии металлов, теории планирования экспериментов, теории трения, износа и смазки в машинах, теории изнашивания, оптических и физико-химических методов исследования.

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

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных автором, подтверждается теоретически и экспериментально. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы и выводы подтверждены проведенными экспериментальными исследованиями их воспроизводимостью и непротиворечивостью исследованиям других авторов, математической обработкой с учетом положений трибологии, теории размерностей и подобия, положений самоорганизации механических систем, а также использованием сертифицированных программ для обработки экспериментальных данных в соответствии с постановкой и планированием экспериментальных исследований.

На защиту выносятся: метод контроля влияния стали ШХ15 на процессы окисления и их продуктов на противоизносные свойства моторных масел при статической и циклически изменяющихся температурах испытания;

— результаты экспериментальных исследований влияния стали ШХ15 на показатели термоокислительной стабильности товарных моторных масел различных базовых основ;

— результаты регрессионного анализа процессов окисления моторных масел при статической и циклически изменяющихся температурах в диапазоне от 150 до 180 °C;

— критерии оценки влияния стали ШХ15 на процессы окисления и противоизносные свойства моторных масел различных базовых основ;

— практические рекомендации по выбору смазочных масел для подшипниковых узлов.

Научная новизна работы:

— разработан метод контроля процессов окисления моторных масел при статической и циклически изменяющихся температурах испытания, позволяющий определить влияние стали ШХ15 на показатели термоокислительной стабильности и противоизносные свойства;

— получены функциональные зависимости и регрессионные уравнения процессов окисления товарных масел со сталью и без стали при статической и циклически изменяющихся температурах в диапазоне от 150 до 180 °C, позволяющие оценить влияние стали ШХ15 на скорости окисления и испарения, потенциальный ресурс и обосновать критерий термоокислительной стабильности;

— получены экспериментальные зависимости противоизносных свойств моторных масел различных базовых основ от концентрации продуктов окисления, что позволило установить влияния стали ШХ15 на процессы изнашивания;

— предложены критерии каталитического влияния стали ШХ15 на окислительные процессы и противоизносных свойств моторных масел различной базовой основы, позволяющие обоснованно осуществлять выбор масел для подшипниковых узлов.

Практическая значимость работы. Разработана и внедрена методическая и экспериментальная базы испытаний смазочных материалов различных базовых основ и назначения на термоокислительную стабильность при статической и циклически изменяющихся температурах, которые позволяют определить дополнительные показатели эксплуатационных свойств включающие: оптические свойства, летучесть, кинематическую вязкость, температурную область работоспособности, потенциальный ресурс, критерии термоокислительной стабильности и противоизносных свойств и влияние стали ШХ15 на эти показатели.

Результатами диссертационной работы доказана необходимость создания банка данных о совместимости сталей ШХ с различными смазочными материалами, использование, которого на этапе проектирования машин и механизмов способствует повышению надежности работы подшипниковых узлов и снижению эксплуатационных затрат.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Интер-строймех-2009» Кырг.гос. ун-т строит-ва, трансп.- на международной научно-технической конференции, посвященной 55-летию Тюменского государственного нефтегазового университете «Нефть и газ Западной Сибири» Тюменьтруды четвертого международного симпозиума по транспортной триботехнике «Транстрибо-2010» г. Санкт-Петербургдоклады первого международного научно-технического конгресса «Энергетика в глобальном мире» г. Красноярскнаучно-методических семинарах кафедры «Топливообеспече-ние и горючесмазочные материалы» г. Красноярск, СФУ ИНиГ, 2009;2012 г. г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, включая 7 работы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, издана в соавторстве монография, получено 3 патента РФ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы в учебном процессе Института нефти и газа Сибирского федерального университета и на предприятиях: ОАО АТП «ТЕРМИНАЛ НЕФТЕГАЗ «, ИП. АТП Сидоров (Приложение А).

Автор выражает признательность за помощь и поддержку научному руководителю, д-р техн. наук, профессору Б.И. Ковальскомуд-р техн. наук, профессору, зав. кафедрой «Топливообеспечение и ГСМ» Ю. Н. Безбородову и сотрудникам этой кафедры.

Основные выводы и результаты исследования.

1.Разработан метод контроля влияния стали ШХ15 на окислительные процессы и противоизносные свойства моторных масел при статической и циклически изменяющихся температурах испытания, позволяющий установить новые критерии для оценки термоокислительной стабильности и противоизнос-ных свойств смазочных материалов, которые расширяют информацию об их качестве и позволяют конструкторам обоснованно осуществлять их выбор на стадии проектирования машин и агрегатов.

2.Получены функциональные зависимости изменения летучести, коэффициентов относительной вязкости и поглощения светового потока от времени испытания масел различной базовой основы без стали и со сталью ШХ15, позволяющие оценить влияние стали ШХ15 на скорости окисления и испарения, а также противоизносные свойства масел.

3.Предложен критерий оценки каталитического влияния стали ШХ15 на параметры термоокислительной стабильности, определяемый отношением коэффициентов термоокислительной стабильности масел испытанных со сталью и без стали, что позволяет определить влияние базовой основы и стали на окислительные процессы и обоснованно осуществлять выбор масел для подшипниковых узлов. Установлено, что сталь ШХ15 является катализатором процессов окисления для частично синтетических и синтетических моторных масел и ингибитором для минеральных.

4.Предложен критерий оценки противоизносных свойств смазочных масел, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующий условную концентрацию продуктов окисления на номинальной площади фрикционного контакта, зависимость которого от коэффициента поглощения светового потока имеет линейный характер, что позволяет количественно оценить влияние стали на противоизносные свойства окисленных масел. Установлено, сталь ШХ15 понижает противоиз-носные свойства моторных масел независимо от базовой основы.

5.Разработаны практические рекомендации, включающие технологии определения: влияния сталей на процессы окисления, температурной области работоспособности подшипниковых опор, критериев влияния сталей на процессы окисления и противоизносные свойства смазочных масел, позволяющие повысить эффективность использования моторных масел и осуществлять обоснованный выбор в зависимости от условий эксплуатации и конструктивных особенностей агрегатов, а также создать банк данных о совместимости материалов подшипников качения и других конструкционных сталей с различными смазочными материалами, что позволяет повысить надежность машин на этапе проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.