2.2.5 Расчет индекса вязкости

Расчет проводится согласно ГОСТ 25371-97. Нефтепродукты. Расчет индекса вязкости по кинематической вязкости.

(2.2)

где кинематическая вязкость при 40 °С нефтепродукта, индекс вязкости которого требуется определить, мм²/с,

-  кинематическая вязкость при 40 °С нефтепродукта с индексом вязкости 0, обладающего той же кинематической вязкостью при 100 °С, что и испытуемый нефтепродукт, мм²/с,

(2.3)

где кинематическая вязкость при 40 °С нефтепродукта с индексом вязкости 100, обладающего той же кинематической вязкостью при 100 °С, что и испытуемый нефтепродукт, мм²/с.

2.2.6 Определение термоокислительной стабильности

Способ определения термоокислительной стабильности товарных смазочных материалов заключается в том, что пробу масла постоянного объема нагревают до температуры в зависимости от базовой основы и перемешивают с воздухом с помощью механического устройства. Температура масла в процессе испытания поддерживается постоянной (± 1 °С). Через равные промежутки времени отбирают пробу термостатированного масла для фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока K_п и вязкости µ. Испытание прекращают по достижению коэффициентом K_п значений, приблизительно равных 0,75–0,8 ед. По полученным результатам анализа определяют коэффициент термоокислительной стабильности ТОС пμ0 μ_исх K  K / , (1.17) где K_п – коэффициент поглощения светового потока окисленного масла за время испытания; µо и µисх. – соответственно вязкость окислительного и исходного смазочного масла, сСт. По полученным значениям строят графическую зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от коэффициента поглощения светового потока Kп, которая имеет два линейных участка с точкой перегиба. На первом участке при небольших значениях коэффициентов К_тос и K_п происходят процессы окисления с образованием промежуточных продуктов (перекиси углеводородов). Второй участок зависимости К_тос=f(K_п) после точки перегиба характеризуется более интенсивным увеличением коэффициента K_тос за счёт образования конечных продуктов (гидроперекиси) и более интенсивного 39 увеличения вязкости. В этой связи для оценки термоокислительной стабильности смазочных масел предложено три показателя. Тангенс угла наклона зависимости K_тос=f(K_п) к оси абсцисс до точки перегиба определяет скорость образования промежуточных продуктов окисления, а тангенс угла наклона зависимости K_тос=f(K_п) после точки перегиба – скорость образования конечных продуктов окисления и влияние их на увеличение вязкости испытуемого масла. Значение коэффициента K_п при продлении зависимости K_тос=f(K_п) после точки перегиба определяет начало образования конечных продуктов окисления. Данный метод позволяет усовершенствовать систему классификации смазочных масел по группам эксплуатационных свойств и определить их потенциальный ресурс.

3. Экспериментально-практическая часть

Объектом исследования в рамках данной научной работы являются образцы смазочно-охлаждающих жидкостей трех фирм производителей:

1. Garia 601 M-22 фирмы Houghton Deutschland (Германия);

2. МР-3 фирмы ЗАО НПО «Промэкология» (Россия, Омск);

3. МР-7 фирмы ЗАО НПО «Промэкология» (Россия, Омск).

В исследовании применяли химико-аналитические методы с целью изучения процесса окисления смазочно-охлаждающих жидкостей при длительной эксплуатации.

На первом этапе, методики химико-аналитических исследований предусматривали термостатирование СОЖ при температурах 20, 30, 50, 75 и 95°С в течение 8 часов. Для этого пробу СОЖ объёмом 200 мл заливали в термостойкий стакан и устанавливали в термостат, заполненный силиконовым маслом марки ПМС-100 по ГОСТ 13032-77. Термостатирование осуществляли при атмосферном давлении и перемешивании СОЖ механической мешалкой, вращающейся с частотой 300 мин^-1. Температуру во время испытания устанавливали дискретно и поддерживали постоянной автоматически с помощью терморегулятора.

Перед нагревом и после пробы СОЖ взвешивали и рассчитывали испаряемость жидкостей. Затем отбирали пробы для определения вязкости, плотности, кислотного числа, содержания серы и коэффициента пропускания.

После первого этапа исследования, т. е. термостатирования предоставленных образцов СОЖ в течение 8 часов при различных температурах, при их исследовании были получены следующие результаты (таблица 3.1):

По полученным результатам анализа были получены следующие зависимости и оформлены графически.

Результаты исследования показали, что с увеличением температуры термостатирования в диапазоне 20…95 °С:

1. Кинематическая вязкость СОЖ марки М-22 постоянна, а СОЖ марок МР-3 и МР-7 увеличивается на 17,6 и 10,3% соответственно. При этом заметное увеличение вязкости СОЖ начинается после 60 °С, что происходит в результате полимеризации жидкостей (рисунок 3.1).

2. Все три марки СОЖ подвергаются испарению, которое при температуре 95 °С достигает максимума и составляет для СОЖ марок М-22 – 1,62; МР-3 – 2,28 и МР-7 – 1,36 % (масс.) (рисунок 3.3).

3. Плотность СОЖ марки М-22 постоянна, а марок МР-3 и МР-7 слабо увеличивается на 0,17 и 0,13 % соответственно.

4. Содержание серы у всех трёх марок СОЖ практически не изменяется.

5. Кислотное число СОЖ марки М-22 постоянно, а марок МР-3 и МР-7 увеличивается в результате окисления на 16,2 и 31,6 % соответственно (рисунок 3.2).

Рисунок 3. 1 – Зависимость кинематической вязкости от температуры термостатирования

Рисунок 3.2 – Зависимость индекса вязкости от температуры термостатирования

Рисунок 3.3 – Зависимость испаряемости от температуры термостатирования

При использовании метода оптической спектроскопии определяли спектры пропускания масляных СОЖ тех же марок. Измерения проводили спектрофотометрами в диапазоне длин волн λ=350-1750 нм с разрешением 0,5 нм. Пробы СОЖ заливали в прямоугольные кюветы, изготовленные из стекла марки К10, с длиной оптического пути 10 мм и объёмом заполнения 3 мл.

Полученные спектры пропускания трёх марок СОЖ имеют идентичный вид (рис. 2). Для анализа этих спектров были взяты три полосы поглощения на длинах волн λ=916, 1200, 1385 нм. Из них наиболее информативной оказалась длина волны λ=916 нм, относящаяся к третьему и четвёртому обертонам валентных колебаний атомов метиленовых (-СН₂) и метильных (-СН₃) групп [4].

Рисунок 3.4 – Спектры пропускания исследуемых СОЖ

Из зависимости, полученной на длине волны λ=916 нм следует, что с увеличением температуры термостатирования в диапазоне 20…95 °С (рис. 3.4):

1. Коэффициент пропускания Т СОЖ марки М-22 не изменяется.

2.Термостатирование СОЖ марок МР-3 и МР-7 при температуре 30 °С вызывает увеличение коэффициента пропускания Т, а при дальнейшем росте температуры термостатирования – его уменьшение. Это объясняется тем, что в этих жидкостях изначально имелись коллоидные частицы и гидроксильная группа -ОН (вода), хорошо поглощающая свет на длине волны λ=970 нм. Термостатирование этих жидкостей при температуре 50 °С вызвало выпадение коллоидных частиц в осадок, что при дальнейшем росте температуры привело к уменьшению коэффициента пропускания.

Таким образом, выполненное исследование показало, что из указанных жидкостей СОЖ марки М-22 обладает наибольшей стабильностью против окисления, а, соответственно, и большим эксплуатационным ресурсом. Наиболее точно и оперативно это можно установить с помощью метода оптической спектроскопии.

После термостатирования при 95°С в течение 200 часов и дальнейшем анализе полученных проб, были получены следующие результаты, которые были сведены в одну таблицу (таблица 3.1).

Рисунок 3.5 – Зависимость кинематической вязкости от времени термостатирования

Рисунок 3.6 – Зависимость кислотности от времени термостатирования

На графиках показано изменение вязкости и кислотности в течение времени термостатирования 3-х образцов СОЖ. С течением времени кислотное число и вязкость образцов возрастают, как известно из литературы, при эксплуатации СОЖ окисляются кислородом воздуха с образованием новых продуктов, таких как пероксиды, гидропероксиды, кислоты, спирты, смолы и др. Которые, в свою очередь, накапливаясь, и изменяют цвет, внешний вид, вязкость и кислотное число.

Рисунок 3.7 – Зависимость индекса вязкости от времени термостатирования

На рисунке 3.7 показана зависимость изменения индекса вязкости 3-х образцов СОЖ в течении 200 часов термостатирования про 95⁰С. Индекс вязкости с течением времени незначительно возрастает у всех образцов, из чего можно сделать вывод о том, что с течением времени эксплуатации СОЖ их вязкость будет немного сильнее зависеть от изменения температуры, нежели в начале использования.

Рисунок 3.8 – Зависимость плотности при 20 °С от времени термостатирования

Плотность характеризует концентрацию этиленгликоля и присадок, используемых в СОЖ. Плотность изменятся незначительно, но возрастает, это говорит о том, что концентрация присадок возрастает, за счет потери массы образцов (испаряемости), а этиленгликоля – не изменяется, потому что он не образуется при окислении СОЖ кислородом воздуха при 95⁰С, для этого нужны другие условия.

Рисунок 3.9 – Зависимость количества осадка от времени термостатирования

Рисунок 3.10 – Зависимость содержания серы от времени термостатирования

В процессе эксплуатации СОЖ окисляются, образуя продукты окисления, часть которых растворяется в смазочно-охлаждающей жидкости, а другая часть выпадает в осадок. На графике показано, что чем больше СОЖ эксплуатируется, тем больше окисляется, следовательно, количество осадка возрастает.

Результаты проведенной работы характеризуют различную сопротивляемость масел температурным воздействиям при их окислении и температурной деструкции. На основании показателей, характеризующих термоокислительную стабильность смазочно-охлаждающих жидкостей, можно сделать вывод, что СОЖ фирмы Houghton Deutschland является более стабильной и менее подвержена температурной деструкции, чем СОЖ отечественного производителя, а, следовательно, имеет больший эксплуатационный ресурс.