ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАЛИМЕТРИИ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены общие теоретические положения квалиметрии масел, для того, чтобы упорядочить принципы оценки, минимизировать возможные ее ошибки и тем самым повысить надежность получаемых результатов. В процессе работы техники эксплуатационные свойства смазочных масел, выполняющих заданные функции, ухудшаются вследствие изменения их химического состава из-за срабатывания присадок, термохимических превращений основы и по другим причинам. Данный подход к оценке качества масла является универсальным. Он позволяет научно обоснованно представить его изменение в виде обобщенного показателя. Данный принцип может быть использован для прогнозирования уровня эксплуатационных свойств масел на любом этапе их жизненного цикла.

ABSTRACT

This article examines the general theoretical provisions of oil qualimetry to streamline evaluation principles, minimize potential errors, and thereby enhance the reliability of the obtained results. During the operation of the equipment, the operational properties of lubricating oils performing the specified functions deteriorate due to changes in their chemical composition due to the activation of additives, thermochemical transformations of the base, and other reasons. This approach to oil quality assessment is universal. It allows us to scientifically represent its change as a generalized indicator. This principle can be used to predict the level of operational properties of oils at any stage of their life cycle.

Ключевые слова: смазочные масла, термохимические превращения, высокотемпературное каталитическое окисления, квалиметрия, индекс вязкости, качество масел, удельное скорость, оптическая плотность, кислотное число.

Keywords: lubricating oils, thermochemical transformations, high-temperature catalytic oxidation, qualimetry, viscosity index, oil quality, specific velocity, optical density, acid number.

Введение

В процессе работы техники эксплуатационные свойства смазочных масел, выполняющих заданные функции, ухудшаются вследствие изменения их химического состава из-за срабатывания присадок, термохимических превращений основы и по другим причинам. В связи с этим большое значение имеет оперативное прогнозирование работоспособности масел или изменения их качества во времени, позволяющее исключить неоправданные затраты при разработке масел новых марок [1–3; 5].

Принимая во внимание большое число принципиально различных подходов к оценке работоспособности масел, а также практическую значимость данной технической характеристики, целесообразно рассмотреть общие теоретические положения квалиметрии масел, чтобы упорядочить принципы оценки, минимизировать возможные ее ошибки и тем самым повысить надежность получаемых результатов [4; 6; 7].

Материалы и методы исследования

С энергетической точки зрения масло по мере наработки ∆t переходит из одного состояния с энтропией S₀  другое — с энтропией S_t , т.е. исходное состояние масла по мере наработки изменяется на величину ∆S =  S₀ - S_t.  Исходя из основных положений термодинамики, эта величина зависит от скорости V термомеханических превращений в маслах под влиянием внешних сил и времени ∆t их действия, а именно: ∆S~ V∆t.

С увеличением произведения V∆t возрастает ∆S, вследствие чего снижается качество масла. Следовательно, в общем случае ∆S или V∆t может служить достаточно объективной и универсальной характеристикой изменения качества масел во времени. Однако в таком виде данная характеристика не имеет непосредственного практического применения из-за невозможности прямой экспериментальной оценки.

Для приведения ее к виду, удобному для практических расчетов и доступному для прямого экспериментального контроля, воспользуемся основным положением формальной химической кинетики. В соответствии с этим положением состояние масла, изменяясь во времени, последовательно проходит несколько стадий:

А — ^К_а→ В — ^К_b → С

где, А — исходное состояние; В — состояние, определяемое взаимодействием поверхностно — активных веществ масла с продуктами его термохимических превращений; С — состояние, определяемое накоплениям этих продуктов; К_a, К_b — удельная скорость или константа скорости перехода одного состояния в другое.

Для простоты анализа переход А → В условно можно отнести к первичным взаимодействиям, а переход В → С — ко вторичным.

Переход А → В определяет связывание продуктов термохимических превращений масла, а следовательно, эффективность действия содержащихся в нем присадок. Продукты термохимических превращений масла относятся к числу соединений, наиболее негативно влияющих на надежность техники. Их количество С, накопления за времени t, можно аппроксимировать уравнением:

С ~ 1- К_b / К_b  - К_a е ^–К_a^τ + К_a / К_a - К_b е ^–К_b^τ

В случае К_a >> К_b

С ~ 1 - е ^–К_b^τ ~ К_b^τ

что свидетельствует об эффективности действия присадок, связывающих продукты термохимических превращений масла и таким образом тормозящих развитие процессов, приводящих к заметному изменению химического состава масла.

Следовательно, величина С характеризует потерю качества масла с наработкой. Однако прямому надежному экспериментальному контролю она не поддается, поскольку продукты термохимических превращений, накапливающиеся в масле, могут в последующем мгновенно трансформироваться одновременно по нескольким направлениям, переходя в осадки, отложения, вступая в реакцию с конструкционными материалами и т.д.

Результаты и обсуждения

Принимая во внимание практическую значимость определения С, рассмотрим возможность ее достаточно объективной оценки. Так, если продукты термохимических превращений претерпевают дальнейшую трансформацию по двум параллельным направлениям с удельной скоростью соответственно К₁ и К₂, то суммарная удельная скорость этих превращений равна:

К₁ + К₂  = 1/τ ln C₀/ C₀ – C^` = 1/τ ln C₀/ C_t                                   (1)

где,  C₀, C^`, C_t — количество продуктов термохимических превращений масла, соответственно образовавшихся к моменту времени t, претерпевших дальнейшие превращения и не вступивших к моменту времени t в реакцию.

Зависимость (1) можно привести к виду:

К₁τ + К₂τ  = ln C₀/ C_t

Тогда:

C₀ ~  C_t  е ^К₁^{τ+ К}₂^τ

Если термохимические продукты, образующиеся в масле, претерпевают дальнейшие превращения более чем по двум направлениям, то необходимо учитывать å К₁τ Тогда:

C₀ ~  C_τ е^{å К1τ}

Таким образом, используя зависимость (1), можно экспериментально определить количество образующихся в масле продуктов термохимических превращений и на основании этого расчетным путем оценить качество масла и его изменения во времени. Причем изменение качества масла определяется как реакция системы на совокупность внешних воздействий.

Для адаптации полученной зависимости к применению на практике необходимо ее показатели привести к виду, удобному для надежного и достаточно простого экспериментального контроля. Таковыми могут быть либо наиболее информативные единичные, либо комплексные показатели.

Рассмотрим возможность практического применения такого подхода на примере анализа экспериментальных данных, полученных методом высокотемпературного каталитического окисления (ВКО). Применительно к данному методу оценочными характеристиками являются склонность масла продуктов, приводящих к изменению его цвета, а также продуктов, повышающих кислотность среды.

Первая из перечисленных характеристик отождествляется с потерей массы ∆m катализатора, вторая — с оптической плотностью D масла, третья — с кислотным числом С_кτ  масла после его окисления в течение времени τ. Тогда  К₁τ  = ∆m,  К₂τ = D,  C_t = С_кt  и общая зависимость трансформируется к виду:

C₀ ~ a С_кτ е^b∆m+gD                                                    (2)

где a, b, g — коэффициенты пропорциональности.

Специфика определения кислотного числа, дополнительно подтвержденная экспериментально, показывает, что его значение поглощает величину изменения массы катализатора и тогда зависимость (2) упрощается до вида:

C₀ ~ a С_кτ е^bD                                                   (3)

где а и b — коэффициенты пропорциональности.

Рисунок 1. Изменение комплексного показателя П масел А и В во времени t:

а — при испытании в двигателе;

б — при высокотемпературном каталитическом окислении.

Статический анализ методом ВКО большого числа масел, относящихся к различным эксплуатационным группам, позволяет провести нормирование коэффициентов а и b с целью использовать в дальнейшем формулу (3) для объективного оперативного ранжирования масел по уровню качества.

Апробация указанного подхода для надежной оперативной оценки качества масел первоначально проводили при испытании масел А и В соответственно низшего и высшего качества в карбюраторном двигателе. Для отобранных в процессе испытаний по времени проб масел помимо характерных показателей — прироста вязкости и снижения щелочного числа оценивали прирост кислотного числа и оптическую плотность. По завершении испытаний определяли склонность масел к образованию высокотемпературных отложений по загрязненности М поршня.

Для оценки динамики изменения качества масел во времени t рассчитывали комплексный показатель:

П = ∆С_к D / C_щ

где  ∆С_{к ,} D, C_щ — изменение кислотного числа, оптическая плотность и щелочное число масла к моменту времени t.

Динамика изменения комплексного показателя П свойств масел А и В во времени (рис. 1, а) свидетельствует о существенном различии качества этих масел.

Параллельно указанные масла были подвергнуты 5-часовому высокотемпературному  (230 ⁰С) каталитическому окислению с почасовым отбором проб для последующего анализа в целях определения комплексного показателя П. Динамика изменения указанного показателя во времени (рис. 1, б) свидетельствует о его хорошей дифференцирующей способности и соответствии полученных оперативных данных результатам испытания в двигателе.

Рисунок 2. Зависимость загрязненности М поршня от длительности t эксплуатации двигателя на маслах А и В

Учитывая адекватность результатов, полученных в лабораторных условиях и в двигателе, воспользуемся для оперативной оценки состояния масла экспоненциальной зависимостью, связывающей его с D ∆С_к. При необходимости состояние масла можно отождествлять с загрязненностью поршня, проведя соответствующую татировку коэффициентов a и b.

Это в конечном счете позволит прогнозировать динамику образования отложений на поршне по результатам лабораторной проверки (рис. 2). Для масла А суммарная оценка загрязненности М поршня равна 11,6 балла, для масла В — 5,2 балла.

Заключение

Рассмотренный подход к оценке качества масла является универсальным. Он позволяет научно обоснованно представить его изменение в виде обобщенного показателя. Данный принцип может быть использован для прогнозирования уровня эксплуатационных свойств масел на любом этапе их жизненного цикла.

Список литературы:

1. Айвазов Б.В. Введение в хроматографию. — М.: Химия, 1983. — 240 с.
2. Голдберг Д.О. Контроль производства масел и парафинов. — М.: Химия, 1964. — 273 с.
3. Казаков Л.П., Крейн Н.Э. Физико-химические основы производства нефтяных масел. — М.: Химия, 1978. — 320 с.
4. Сайдахмедов Ш.М. Развитие технологий производства смазочных масел в Узбекистане. — Ташкент: ФАН, 2004. — 112 с.
5. Спиркин В.Г., Фукс И.Г. Химия смазочных масел (состав, получение и применение): учеб. пособие. — М: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, 2004. — 424 с.
6. Фукс И.Г. Пластические смазки. — М.: Высшая школа, 2002. — 786 c.
7. Школьникова В.М. Топливо, смазочные материалы и технологические жидкости. — М.: Высшая школа, 1998. — 494 c.