badania wpływu preparatu eksploatacyjnego o działaniu

Andrzej Młynarczak
Akademia Morska w Gdyni
BADANIA WPŁYWU PREPARATU EKSPLOATACYJNEGO
O DZIAŁANIU CHEMICZNYM NA WŁAŚCIWOŚCI SMARNE
OLEJU TITAN TRUCK PLUS 15W40 STOSOWANEGO
W SILNIKACH OKRĘTOWYCH
W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości smarnych oleju silnikowego Titan Truck Plus
15W40 stosowanego w bezwodzikowych silnikach okrętowych oraz modyfikowanego preparatem
eksploatacyjnym o działaniu chemicznym Motor Life Professional (MLP). Badania wykonano na
aparacie czterokulowym T-02 zgodnie z PN-76/C-04147. Wyznaczono następujące wskaźniki właściwości smarnych: obciążenie zespawania Pz, obciążenie zacierające Pt, największe obciążenie niezacierające Pn, wskaźnik zużycia pod obciążeniem Ih oraz graniczne obciążenie zużycia Goz. Badania
wykazały, że preparat eksploatacyjny Motor Life Professional dodany do oleju smarowego spowodował poprawę jego właściwości przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych, a w szczególności
znaczący wzrost odporności na zużycie współpracujących elementów węzła tarcia. Zdaniem autora
modyfikacja olejów silnikowych (wyposażonych przez producenta w dodatki przeciwzużyciowe
i przeciwzatarciowe) preparatami eksploatacyjnymi może przynieść pewne korzyści w trudnych
warunkach pracy urządzenia, np. częste starty i zmiany obciążenia, przeciążenia, praca w zanieczyszczonym środowisku itp.
WSTĘP
Oleje smarowe charakteryzują się coraz lepszą jakością. Poprawę jakości
uzyskuje się dzięki dodatkom uszlachetniającym będącym ich integralną częścią.
Mimo to w ekstremalnych warunkach pracy systemów tribologicznych (wysokie
naciski, prędkości względne, temperatury, chwilowy brak smarowania np. podczas
rozruchu) elementy tych systemów nie są dostatecznie chronione. W związku
z tym w ostatnich latach pojawiła się idea wprowadzenia do węzła tarcia wraz
z olejem dodatkowej substancji – preparatu eksploatacyjnego.
W literaturze przedmiotu oraz informacjach producentów prezentowane są
skrajne opinie dotyczące działania preparatów eksploatacyjnych – od szkodliwości,
poprzez znikomą skuteczność do efektywności i dużego znaczenia techniczno-ekonomicznego oraz ekologicznego [1, 3, 4, 7–10]. Tak odmienne opinie wynikają między innymi z dużej różnorodności preparatów eksploatacyjnych i różnych
mechanizmów ich działania.
63
A. Młynarczak, Badania wpływu preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym na właściwości...
Obecnie najszersze zastosowanie znajdują preparaty o działaniu chemicznym.
Preparaty te łączą się trwale z olejem, zatem nie osadzają się na filtrach i nie tworzą warstw termoizolacyjnych, czego nie można powiedzieć o preparatach zawierających w swym składzie cząstki środków smarnych stałych.
Autorzy prac [2, 5, 6] nie uzyskali zdecydowanej poprawy wskaźników właściwości smarnych, oprócz obciążenia zespawania Pz i granicznego obciążenia
zużycia Goz, które świadczą o pozytywnym wpływie preparatu eksploatacyjnego
w ekstremalnych warunkach pracy. Z tego powodu można sądzić, że w przypadku
olejów silnikowych wyposażonych przez producenta w pakiety dodatków przeciwzużyciowych (AW) i przeciwzatarciowych (EP) może budzić wątpliwość stosowanie preparatów eksploatacyjnych.
W niniejszej pracy podjęto próbę oceny wpływu preparatu eksploatacyjnego
o działaniu chemicznym Motor Life Professional na właściwości smarne oleju
obiegowego Titan Truck Plus 15W40 stosowanego w bezwodzikowych silnikach
okrętowych. Badania przeprowadzono przy użyciu aparatu czterokulowego T-02
zgodnie z normą PN-76/C-04147 [12].
1. STANOWISKO BADAWCZE I METODYKA BADAŃ
Do przeprowadzenia badań tribologicznych użyto aparatu czterokulowego
T-02, wyposażonego we wspomagane komputerowo systemy sterowania i pomiarów. Urządzenie zostało zaprojektowane i wykonane w Instytucie Technologii
Eksploatacji w Radomiu. Metodologię pomiarów opisano w pozycjach [11–14].
Węzeł tarcia (rys. 1) składał się z czterech kulek ze stali 100 Cr6 o średnicy
12,7 mm, chropowatości powierzchni Ra = 0,032 µm i twardości według Rockwella 60 HRC. Trzy nieruchome dolne kulki (nr 2 na rys. 1) osadzone w gnieździe (4)
dociskane są siłą P do wirującej z prędkością obrotową n kulki górnej (1). Dolne
kulki zanurzone są całkowicie w badanym oleju. W ten sposób pomiędzy współpracującymi kulkami występuje tarcie ślizgowe.
P
Rys. 1. Schemat węzła tarcia [14]:
1 – kulka górna, 2 – kulki dolne, 3 – uchwyt kulki,
4 – gniazdo kulek
Fig. 1. Scheme of the friction pair [14]:
1 – top ball, 2 – lower balls, 3 – top ball holder,
4 – lower balls seat
n
3
1
2
4
64
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 76, grudzień 2012
Badania przeprowadzono dla oleju silnikowego Titan Truck Plus 15W40
(TTP) stosowanego do smarowania łożysk oraz tulei cylindrowych bezwodzikowych silników okrętowych. Właściwości fizyczne oleju Titan Truck Plus 15W40
przedstawiono w tabeli 1. Olej ten modyfikowano 5-procentowym (w stosunku
objętościowym) preparatem eksploatacyjnym o działaniu chemicznym – Motor
Life Professional (MLP). MLP składa się ze związków grupy ditiofosforanów cynku, alkilowych, pierwszo- i drugorzędowych, siarczków organicznych, nadzasadowych sulfonianów magnezu, kwasów alkenobursztynowych, siarkowanych kwasów tłuszczowych, polimetylosiloksanów, alkilometakrylanów, kopolimerów
etylenowo-propylenowych, mieszaniny syntetycznych estrów poliolowych wywodzących się z alkoholi wielowodorotlenowych, inhibitorów korozji, inhibitorów
utlenienia. Charakteryzuje się dużym ciężarem cząsteczkowym oraz wysoką stabilnością chemiczną i termiczną [9]. Właściwości fizyczne preparatu eksploatacyjnego MLP przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 1. Właściwości fizyczne oleju smarnego Titan Truck Plus 15W40
Table 1. Physical properties of the Titan Truck Plus 15W40 motor oil
Nr
Parametr
Wartość
1
Gęstość w temp. 15°C [g/ml]
2
Temperatura zapłonu [°C]
230
3
Temperatura krzepnięcia [°C]
- 35
4
Wskaźnik lepkości [-]
138
5
Lepkość kinematyczna w temp. 100°C [mm2/s]
13,9
6
Lepkość kinematyczna w temp. 40°C [mm2/s]
104
0,887
Tabela 2. Właściwości fizyczne preparatu eksploatacyjnego Motor Life Professional [9]
Table 2. Physical properties of the Motor Life Professional aftermarket additive [9]
Nr
Parametr
1
Gęstość w temp. 20°C [g/ml]
Wartość
2
Temperatura wrzenia [°C]
275
3
Temperatura zapłonu [°C]
210
1,194
4
Temperatura krzepnięcia [°C]
- 43
6
Lepkość kinematyczna w temp. 100°C [mm2/s]
5,63
7
Lepkość kinematyczna w temp. 40°C [mm2/s]
117,7
Według normy [12] wyznaczono następujące wskaźniki właściwości smarnych: obciążenie zespawania Pz, wskaźnik zużycia pod obciążeniem Ih, największe
obciążenie niezacierające Pn, obciążenie zacierające Pt oraz graniczne obciążenie
zużycia Goz. Wyznaczenie wskaźników Pn, Ih, Pz odbywało się przy narastającym
skokowo obciążeniu aż do momentu zespawania kulek. Wyznaczenie wskaźnika Pt
odbywało się pod wzrastającym w sposób ciągły obciążeniem (zaczynającym się
od obciążenia równego zero), aż do uzyskania gwałtownego wzrostu oporów ruchu
definiowanego jako początek zacierania.
A. Młynarczak, Badania wpływu preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym na właściwości...
65
2. WYNIKI BADAŃ
Wyniki badań właściwości smarnych oleju silnikowego Titan Truck Plus
15W40 oraz modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym Motor Life Professional
przedstawiono w tabeli 3 oraz na rysunkach 2–4.
Rysunek 2 stanowi porównanie badanych wskaźników właściwości smarnych.
Obciążenie zespawania Pz nie zmieniło się, natomiast pozostałe wskaźniki, tj. największe obciążenie niezacierające Pn, obciążenie zacierające Pt oraz wskaźnik
zużycia pod obciążeniem Ih, wzrosły. Obciążenie zespawania i wskaźnik zużycia
pod obciążeniem charakteryzują przeciwzatarciowe działanie środków smarnych,
natomiast największe obciążenie niezacierające i obciążenie zacierające charakteryzują trwałość warstwy smarnej i służą do wyznaczenia warunków, w których
następuje zniszczenie tej warstwy, i rozpoczęcia zacierania. Uzyskane wyniki
wskazują na to, że preparat eksploatacyjny zwiększył wytrzymałość warstwy granicznej utworzonej na powierzchni kulek.
Wartość wskaźnika zużycia pod obciążeniem oblicza się według [12] i jego
wzrost wynika z mniejszej średnicy skaz zmierzonej na dolnych kulkach. Zależność średnicy skaz od obciążenia dla oleju Titan Truck Plus 15W40 oraz modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym Motor Life Professional przedstawiono na
rysunku 3. Tylko dla obciążenia wynoszącego 784,8 N średnice skaz są zbliżone.
Dla wyższych obciążeń węzła tarcia niższe średnice uzyskuje się w przypadku
oleju modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym. Zatem dodanie preparatu
eksploatacyjnego MLP do badanego oleju smarowego powoduje zwiększenie odporności na zużycie współpracujących elementów węzła tarcia.
Z rysunku 4 wynika, że preparat eksploatacyjny w znaczący sposób poprawia
odporność na zużycie współpracujących elementów. Dodanie preparatu eksploatacyjnego Motor Life Professional (w ilości 5% objętościowo) do oleju Titan Truck
Plus 15W40 spowodowało wzrost granicznego obciążenia zużycia Goz aż o 248%
(z wartości 830 N/mm2 do 3190 N/mm2). Wynik ten może sugerować, że preparat
eksploatacyjny tworzy na powierzchni współpracujących elementów dodatkową
warstwę graniczną (niezależnie od warstwy granicznej utworzonej przez olej smarowy), która uaktywnia się w ekstremalnych warunkach pracy elementów węzła
tarcia. Warstwa ta może stanowić dodatkową ochronę przed zatarciem.
Tabela 3. Właściwości smarne oleju Titan Truck Plus 15W40 modyfikowanego preparatem
eksploatacyjnym Motor Life Professional
Table 3. Lubricating properties of Titan Truck Plus 15W40 engine oil and modified by Motor
Life Professional aftermarket additive
Wskaźniki właściwości
Titan Truck Plus 15W40
Titan Truck Plus 15W40
smarnych
+ 5% Motor Life Professional
Pn [N]
784,8
981
Pz [N]
3090
3090
Ih [N]
468
570,5
Pt [N]
2200
2250
830,5
3263,4
2
Goz [N/mm ]
66
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 76, grudzień 2012
Wskaźniki Pn, Pz, Ih , Pt [N]
3500
TTP 15W40
3000
TTP 15W40 + MLP
2500
2000
1500
1000
500
0
1Pn
P
2z
3Ih
P4t
Rys. 2. Właściwości smarne oleju obiegowego Titan Truck Plus 15W40 oraz modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym Motor Life Professional:
Pn – największe obciążenie niezacierające, Pz – obciążenie zespawania,
Ih – wskaźnik zużycia pod obciążeniem, Pt – obciążenie zacierające
Fig. 2. Lubricating properties of Titan Truck Plus 15W40 engine oil and modified by
Motor Life Professional aftermarket additive: Pn – maximum non-seizure point,
Pz – weld point, Ih – load wear index, Pt – seizure point
4,0
3,5
TTP 15W40
Średnica skaz [mm]
3,0
TTP 15W40 + MLP
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Obciążenie [N]
Rys. 3. Średnice skaz w funkcji obciążenia dla badanych środków smarowych
Fig. 3. Scar diameters in load function for tested lubricants
Graniczne obciążenie zużycia [N/mm 2]
A. Młynarczak, Badania wpływu preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym na właściwości...
67
3500
3000
2500
TTP 15W40
TTP 15W40 + MLP
2000
1500
1000
500
0
Rys. 4. Graniczne obciążenie zużycia badanych środków smarowych
Fig. 4. The load limit of wear for tested lubricants
PODSUMOWANIE
1. Preparat eksploatacyjny Motor Life Professional dodany do oleju smarowego
Titan Truck Plus 15W40 w stosunku 5% (objętościowo) poprawia właściwości
przeciwzużyciowe i przeciwzatarciowe charakteryzowane przez wskaźniki właściwości smarnych.
2. Spośród badanych wskaźników właściwości smarnych obciążenie zespawania
Pz nie zmieniło się, natomiast wzrosły pozostałe wskaźniki, tj. największe obciążenie niezacierające Pn, obciążenie zacierające Pt i wskaźnik zużycia pod
obciążeniem Ih.
3. Preparat eksploatacyjny w znaczący sposób poprawia odporność na zużycie
współpracujących elementów charakteryzowaną parametrem Goz – graniczne
obciążenie zużycia. Parametr ten wzrósł aż o 248% (z wartości 830 N/mm2 do
3190 N/mm2), co może sugerować, że preparat eksploatacyjny tworzy na powierzchni współpracujących elementów dodatkową warstwę graniczną (niezależnie od warstwy granicznej utworzonej przez olej smarowy), która uaktywnia
się w ekstremalnych warunkach pracy elementów węzła tarcia. Warstwa ta może stanowić dodatkową ochronę przed zatarciem.
4. Modyfikowanie olejów silnikowych (już wyposażonych przez producenta
w pakiety dodatków przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych) preparatami
eksploatacyjnymi o działaniu chemicznym może być uzasadnione w trudnych
warunkach pracy urządzenia, takich jak częste rozruchy i zmiany obciążenia,
przeciążenia, praca w zanieczyszczonym środowisku itp.
68
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 76, grudzień 2012
LITERATURA
1. Capanidis D., Wieleba W., Kowalewski P., Wpływ wybranych smarowych preparatów eksploatacyjnych na właściwości tribologiczne materiałów polimerowych podczas tarcia ze stalą, Tribologia, 2010, nr 6, s. 11–23.
2. Laber A., Analiza możliwości wykorzystania preparatu eksploatacyjnego Motor Life Professional
w modyfikowaniu warunków pracy węzłów tarcia pojazdów samochodowych, Tribologia, 2009,
nr 5, s. 99–108.
3. Laber A., Modyfikowanie warunków pracy węzła tarcia olejami z dodatkami eksploatacyjnymi na
bazie środków smarnych stałych, Tribologia, 2011, nr 5, s. 137–145.
4. Laber S., Badania własności eksploatacyjnych i smarnych uszlachetniacza metalu, Uniwersytet
Zielonogórski, 2003.
5. Laber S., Adamczuk K., Właściwości tribologiczne węzła tarcia z wykorzystaniem wybranych
gatunków brązów, Tribologia, 2010, nr 6, s. 49–57.
6. Laber S., Laber, A., Ocena własności smarnych wybranych środków smarowych stosowanych
w eksploatacji urządzeń dźwigowych, Tribologia, 2010, nr 4, s. 275–281.
7. Laber S., Jenek M., Badania wpływu preparatów eksploatacyjnych na zmianę własności smarnych olejów oraz właściwości tribologiczne żeliwa, Tribologia, 2010, nr 6, s. 25–38.
8. Łuksa A., Witkoś A., Dodatki uszlachetniające do olejów smarowych, Paliwa, Oleje I Smary
W Eksploatacji, 1995, nr 19, s. 24–26.
9. Materiały informacyjne dotyczące preparatu eksploatacyjnego Motor Life Professional, Plastmal,
Warszawa 2007.
10. McFall, D., Dwugłos na temat dodatków wspomagających do olejów, Paliwa, Oleje I Smary
W Eksploatacji, 2000, nr 69, s. 19–23.
11. Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W., The action of lubricants under extreme pressure
conditions in a modified four-ball tester, Wear, 2001, vol. 240, s. 183–193.
12. PN-76/C-04147, Badanie własności smarnych olejów i smarów.
13. Szczerek M., Tuszyński W., Tribological Tests, Scuffing, Publ. IteE, Radom, Poland 2000.
14. T-02U Aparat czterokulowy, Instrukcja obsługi, Instytut Technologii Eksploatacji, Radom 2011.
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF AFTERMARKET ADDITIVE
ON LUBRICATING PROPERTIES OF TITAN TRUCK PLUS 15W40 OIL
USED IN MARINE DIESEL ENGINES
Summary
The paper presents the results of lubricating properties tests of Titan Truck Plus 15W40 motor oil
used in trunk piston marine diesel engines and modified by the Motor Life Professional aftermarket
additive. The test results were collected by means of a four-ball extreme pressure tester T-02
according to Polish Norm PN-76/C-04147. The following lubricating properties parameters were
determined: weld point Pz, maximum non-seizure point Pn, seizure point Pt, load wear index Ih and
load limit of wear Goz. Investigations showed that modification of lubricating oil by Motor Life
Professional aftermarket additive improves antiwear and antiseizure properties of the tested oil and
especially the wear resistance of the friction node elements. In authors opinion, modifying of motor
oil (provided by antwear and antiseizure additives by the manufacturer) by the aftermarket additives
can bring some advantages but only in hard working condition of the machine for example frequent
starts and load changes, overloads, operation in polluted atmosphere etc.