2 Метод определения смазывающих свойств
Методы определения смазывающих свойств
Испытания смазывающих свойств показывают, в какой мере масло выполняет свои основные функции - уменьшает силу трения и предохраняет детали от износа. При испытаниях имитируются реальные условия режимов трения. На практике существует довольно много частных случаев смазывания и поэтому имеется относительно много методов испытаний смазочных свойств.
Наиболее часто моделируется трение скольжения на небольшой поверхности. В ходе испытания постепенно повышается нагрузка и/или скорость скольжения (деформация сдвига) и измеряется или регистрируется сила трения и ее изменение, а также износ поверхностей трения. Из полученных данных рассчитываются критические параметры - критическая нагрузка, нагрузка сваривания, нагрузочная способность масла, показатель степени износа, показатель скорости износа и др.
Метод четырех шариков (four ball lest).
Это наиболее распространенный и информативный метод определения смазывающих свойств масел и смазок. Методом ЧШМТ определяются:
- характер износа, кривая износа, показатель износа (wear line) в условиях граничного трения - по пятнам износа шариков (ASTM D 2266, DIN 51350, Teil 3);
- критическая нагрузка, нагрузка сваривания и нагрузочная (несущая) способность - по точкам перегиба на кривой износа;
- индекс задира (нагрузки) - по предельному давлению (ASTM D 2596, DIN 51350, Teil 2).
Характер изменения степени износа от нагрузки показывает противоизносные свойства масла или смазки при постоянной нагрузке, которая ниже критической. В ходе испытания периодически измеряется диаметр пятен износа на нижних шарах и рассчитывается среднее значение износа (в мм). Зависимость износа (D) от нагрузки (Р) характеризуется кривой износа. Интенсивность износа от начала и до сваривания зависит от способности смазочного материала уменьшать износ и характеризуется индексом задира (нагрузки) (load wear index - LWf). В начальном интервале нагрузки износ поверхностей трения происходит в условиях граничного трения и является пропорциональным нагрузке. В этом режиме соотношение между нагрузкой и соответствующим ей износом является постоянной величиной и может характеризовать противоизносные свойства масла или смазки. Индекс нагрузки выражается в ньютонах.
Метод FZG (FZG lest. Four-square gear oil test), называемый также методом Нимана (Niemann test) (СЕС L-07-A-95, DIN 51 354, IP 334).
Это один из основных методов определения противоизносных и противозадирных свойств трансмиссионных масел. Свойства масла определяются при помощи двух цилиндрических шестерней, погруженных в исследуемое масло. Шестерни, находящиеся под нагрузкой прокручиваются по 15 мин при постепенном повышении нагрузки и измерении потери массы шестерен. Испытание заканчивается по достижении потери массы в 10 мг или после 12 циклов (если потери массы не достигают 10 мг). Смазывающие свойства масла выражаются через число выдержанных циклов повышения нагрузки. Кроме этого, определяется предельная нагрузка, при которой шестерни начинают застревать, она называется ОК нагрузкой (OK load) и выражается в ньютонах. Аналогичный метол применяется в США - тест Ридера (Ryder test) (ASTM D/ANSI D 1947).
Метод Тимкен ЕР (Timken Extreme Pressure Test) (ASTM D 2782).
Этим методом определяются противозадирные свойства масла при предельной нагрузке, т.е. критическую нагрузку задира или Timken OK нагрузка (Timken OK load), которая выражается в ньютонах. Это нагрузка, которую может выдержать масляная пленка на поверхности трения до появления задира в условиях данного эксперимента. Такая нагрузка показывает нагрузочную способность масла.
Метод Фалекс (Falex Pin and Vee Block Method) (ASTM D 3233).
Валик имитирует шейку подшипника, который зажимается двумя V-образными зажимами, изготовленными из высокопрочной стали, т.е. валик зажимается четырьмя прямолинейными поверхностями - контактами, и прокручивается с постоянной скоростью. Вся эта система погружена в исследуемое масло с установленной постоянной температурой, скорость вращения - 330 об./мин (скорость скольжения - 10,4 см/с). Сила сжатия (нагрузка) может быть увеличена как непрерывно, так и через определенные интервалы. Измеряется сила трения и износ. По полученным данным определяются антифрикционные и противозадирные характеристики масла.
Метод Алмен-Виланд (Almen Wieland).
Метод аналогичный методу Фалекс, но зажимы имеют форму полувтулок и изготовлены из того же металла, что и валик. В этом случае контактирующая поверхность трения не линейная, а плоская, В ходе испытания при постоянной скорости вращения валика (200 об./мин, скорость скольжения 6,6 см/с), непрерывно увеличивают нагрузку до начала задира или до окончания ресурса прижимной силы. Измеряется сила трения и максимальная нагрузка до начала задира.
Ни один из приведенных методов не позволяет определить абсолютные параметры трения и износа или подобрать масло для конкретного применения в двигателях внутреннего сгорания, но дает возможность сравнивать качество применяемых присадок в определенных рабочих условиях (малые скорости скольжения и высокие нагрузки). Определение смазывающих свойств моторных масел возможно только при проведении испытаний на реальных двигателях.
1 Вязкостно-температурные характеристики
С повышением температуры вязкость масла понижается. Характер изменения вязкости выражается параболой. Такая зависимость неудобна для экстраполяции для расчетов вязкости. Поэтому кривую зависимости вязкости от температуры строят полулогарифмических координатах, в которых эта зависимость приобретает практически прямой характер.
Индекс вязкости VI (viscosityindex) - это эмпирический, безразмерный показатель для оценки зависимости вязкости масла от температуры. Чем выше численное значение индекса вязкости, тем меньше вязкость масла зависит от температуры и тем меньше наклон кривой.
Масло с более высоким индексом вязкости имеет лучшую текучесть при низкой температуре (запуск холодного двигателя) и более высокую вязкость при рабочей температуре двигателя. Высокий индекс вязкости необходим для всесезонных масел и некоторых гидравлических масел (жидкостей). Индекс вязкости определяется (по стандартам ASTM D 2270, DIN ISO 2909) при помощи двух эталонных масел. Вязкость одного из них сильно зависит от температуры (индекс вязкости принимается равным нулю, VI=0), а вязкость другого - мало зависит от температуры (индекс вязкости принимается равным 100 единиц, VI =100).. При температуре 100°С вязкость обоих эталонных масел и исследуемого масла должна быть одинаковой. Шкала индекса вязкости получается делением разницы вязкостей эталонных масел при температуре 40°С на 100 равных частей. Индекс вязкости исследуемого масла находят по шкале после определения его вязкости при температуре 40°С, а если индекс вязкости превышает 100, его находят расчетным путем.
Индекс вязкости сильно зависит от молекулярной структуры соединений, составляющих базовые минеральные масла. Наивысший индекс вязкости бывает у парафиновых базовых масел (около 100), у нафтеновых масел - значительно меньший (30 - 60), у ароматических масел - даже ниже нуля. При очистке масел их индекс вязкости, как правило, повышается, что в основном связано с удалением из масла ароматических соединений. Высоким индексом вязкости обладают масла гидрокрекинга. Гидрокрекинг является одним из основных методов получения масел с высоким индексом вязкости. Высокий индекс вязкости у синтетических базовых масел: у полиальфаолефинов - до 130, у полиэтиленгликолей - до 150, у сложных полиэфиров - около 150. Индекс вязкости масел можно повысить введением специальных присадок - полимерных загустителей.
1 Летучесть, испаряемость, потери от испарения масел
Летучесть, испаряемость, потери от испарения (volatility, oillossbyevaporation). Во время работы двигателя, вследствие высокой температуры, наиболее легкие фракции масла улетучиваются. Склонность масла к испарению, согласно требованиям АСЕА, оценивается методом Нок (Noackvolatilitytest, CEC-L-40-A-93, DIN 51 581). По этому методу испарение определяется при температуре масла 250°С в течении 1 часа. В Америке для определения испарения масел бензиновых двигателей используют метод Нок или аналогичный метод воздушной струи (airjettest, ASTM D 972), а также метод вакуумной дистилляции (ASTM D 1160) или хроматографии при температуре 371°С (AST D 2887). Для масел дизельных двигателей (в Америке) обычно определяют общие потери масла в моторных испытаниях (IK, IN, T8) в г/кВтч. Согласно ГОСТ 10306-75 потери испарения определяются пропусканием воздуха через нагретое масло. Испаряемость в чашечке определяется по ГОСТ 20354-74.
1 Вязкостные свойства масел
Кинематическая и динамическая вязкости масел
Вязкость (viscosity). Вязкость - это внутреннее трение или сопротивление течению жидкости. Вязкость масла, во-первых, является показателем его смазывающих свойств, так как от вязкости масла зависит качество смазывания, распределение масла на поверхностях трения и, тем самым, износ деталей. Во-вторых, от вязкости зависят потери энергии при работе двигателя и других агрегатов. Вязкость - основная характеристика масла, по величине которой частично делается выбор масла для применения в конкретном случае.
Вязкость масла зависит от химического состава и структуры соединений, составляющих масло, и является характеристикой масла как вещества. Кроме этого, вязкость масла также зависит и от внешних факторов - температуры, давления (нагрузки) и скорости сдвига, поэтому рядом с числовым значением вязкости всегда должны указываться условия определения вязкости.
Условия работы двигателя определяют два основных фактора, влияющих на определение вязкости - температура и скорость сдвига.
Вязкость масел определяется при температурах и скоростях сдвига, близких к реальным при эксплуатации. Если масло должно работать при низкой температуре(даже в течении короткого времени), то при этой же температуре должны быть определены и eго вязкостные свойства. Например, на все автомобильные масла, предназначенные для применения зимой, должны приводиться низкотемпературные характеристики.
Характеристики низкотемпературной вязкости:
-
максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечивающая запуск холодного двигателя (maximumlow-temperaturecrankingviscosity), определяется при помощи имитатора запуска холодного двигателя CCS(Cold CrankingSimulator) (ASTM D 5293);
-
максимальная низкотемпературная вязкость, обеспечивающая прокачиваемость маслав двигателе (maximum low-temperaturepumping), определяется при помощи мини-ротационного вискозиметра MRV(Mini-Rotary Viscometer) по методу ASTM D 4684;
-
в качестве дополнительной информации о низкотемпературной вязкости, могут быть определены граничная (предельная) температура прокачивания по ASTM 3829 (borderlinepumpingtemperature) и вязкость при низкой температуре и низкой скорости сдвига (lowtemperature, lowshearrateviscosity), так называемая тенденция к желеобразованию или индекс желирования (gelationindex). Определяется на сканирующем вискозиметре Брукфильда по методике ASTM D 51: (ScanningBrookfieldmethod);
-
фильтруемость (filterability) моторных масел при низкой температуре показывает тенденцию образования твердых парафинов или других неоднородностей, приводящих к закупориванию масляного фильтра. Некоторое влияние на фильтруемость может оказать наличие воды в холодном масле. Фильтруемость моторных масла определяется по стандарту "General Motors" GM 9099P "Тест на определение фильтруемости моторного масла"(EngineOilFilterabilityTest-EOFT) и оценивается как снижение потока в %.
Характеристики высокотемпературной вязкости:
-
Кинематическая вязкость, определяемая на стеклянном капиллярном вискозиметре при 100°С и низкой скорости сдвига (ASTM D 445).
-
Вязкость при высокой температуре и высокой скорости сдвига HTHS, определяемая при температуре 150°С и скорости сдвига 106 с-1 Определяется: в Америке - с помощью имитатора конического подшипникаTBS(TaperedBearingSimulator) (рис. 2.36) по методике ASTM D 4683, а в Европе - на вискозиметре Равенфильда иликонической пробке ТВР, аналогичной конструкции (RavenfieldViscometer, Tapered-PlugViscometer), по методикам СЕС L-36-A-90 или ASTM D 4741;
-
Стабильность к сдвигу (shearstability) - это способность масла сохранять стабильную вязкость при продолжительном воздействии высокой деформации сдвига. Определяется: в Европе с помощью насос-форсунки Бош (Boschinjector), через которую 30 раз пропускается нагретое до 100°С масло и измеряется снижение вязкости (СЕС L-14-A-88), в Америке - также (ASTM D 6278) или в стендовом бензиновом двигателе CRC L-38 после 10 часовой работы (ASTM D 5119).
Зависимость вязкости от давления
При повышении давления, уменьшается объем и усиливается взаимное притяжение молекул и увеличивается сопротивление течению, вязкость масла увеличивается. При повышении температуры имеет место противоположный процесс и вязкость масла уменьшается.
При низкой температуре и высоком давлении вязкость масла в зацеплении шестерен, может увеличиться настолько, что масло станет твердой пластичной массой. Это явление оказывает определенное положительное действие, так как масло в пластичном состоянии не вытекает из зазора сопряженных поверхностей и уменьшает влияние ударных нагрузок на детали.
1 Зольность
Зольность (ashcontent) - это количество золы, образующееся при сгорании масла. Чистое свежее масло без присадок должно сгорать без остатка. Образование золы из масла без присадок является показателем его засоренности. Присадки в товарном масле значительно увеличивают зольность. Зольность определяется путем сжигания установленного количества масла в открытом тигле с последующим прокаливанием остатка и выражается в процентах от начальной массы масла (ISO 6245, EN 7, DIN EN 7, ASTM D 482, ГОСТ 1461-75).
Сульфатная зольность (sulfatedash) - это показатель содержания присадок, в основном органических соединений металлов. Золу составляют продукты окисления органических соединений металлов - окиси (например, BaO, CaO, MgO) и сульфаты металлов (например, BaSO4, CaSO4, MgS04). Для сравнения зольности разных масел, все окиси металлов переводятся в сульфаты. Масло нагревается до образования твердого углеродистого остатка, который обрабатывается серной кислотой для превращения окисей металлов в сульфаты. Затем сульфаты прокаливаются при температуре 775°С до образования сульфатной золы. Сульфатная зольность для автомобильных масел определяется по стандартам ASTM D 874, ГОСТ 12417-73, DIN51 575 и выражается в процентах от начальной массы масла.
Сульфатная зольность является прямым показателем количества присадок в масле, поэтому присутствие присадок проверяется именно по сульфатной зольности. Довольно высокая сульфатная зольность моторных масел (по сравнению с другими маслами) в основном обусловлена наличием в их составе моющих присадок, содержащих металлы. Эти присадки необходимы для предотвращения отложений на поршнях и придания маслам способности нейтрализовывать кислоты. Излишне зольное масло может приводить к преждевременному воспламенению рабочей смеси из-за образования отложений в камере сгорания, неблагоприятно влиять на работоспособность свечей зажигания, способствовать повышенному износу деталей вследствие абразивного воздействия на поверхности трения.
Сульфатная зольность ограничивается нормативной документацией на производство моторных масел только в Европе (классификация АСЕ А). В моторных маслах для бензиновых двигателей сульфатная зольность не должна превышать 1,5%, для дизельных двигателей малой мощности -1,8% и для дизельных двигателей высокой мощности - 2,0%.
