ИССЛЕДОВАНИЕ  ВЗАИМОСВЯЗИ  ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ  СВОЙСТВ  ГРАНИЧНЫХ  СМАЗОЧНЫХ  СЛОЕВ  И  РЕОЛОГИЧЕСКИХ  ХАРАКТЕРИСТИК  МОТОРНЫХ  МАСЕЛ

Сагин  Сергей  Викторович

канд.  техн.  наук,  доцент,  доцент  кафедры  Судовых  энергетических  установок  Одесской  национальной  морской  академии,  Украина,  г.  Одесса

E-mail: 

RESEARCH  OF  INTERRELATION   OF  LIQUID  CRYSTAL  PROPERTIES  OF  BOUNDARY  LUBRICATING  LAYERS  AND  RHEOLOGICAL  CHARACTERISTICS  OF  MOTOR  OILS

S agin  Sergii

candidate  of  Science ,  associate  professor,  assistant  professor  of  marine  power  plants  department  of  Odessa  National  Maritime  Academy,  Ukraine,  Odessa

аннотация

Рассмотрен  способ  изучения  жидкокристаллических  характеристик  граничных  смазочных  слоев  судовых  моторных  масел  с  помощью  оптического  метода  дихроизма  поглощения  примесных  молекул.  Выполнены  исследования  реологических  характеристик  моторных  масел.  Определены  корреляционные  зависимости  вязкости  граничного  смазочного  слоя  моторного  масла  от  степени  ориентационной  упорядоченности  его  молекул.

abstract

A  method  of  studying  the  characteristics  of  the  liquid  crystal  boundary  lubricant  layers  of  marine  engine  oils  with  an  optical  method  dichroism  in  the  absorption  of  impurity  molecules.  The  studies  of  the  rheological  properties  of  motor  oils.  The  correlation  of  the  viscosity  of  the  boundary  lubricating  film  of  engine  oil  on  the  degree  of  orientational  ordering  of  its  molecules.

Ключевые   слова:  моторное  масло  для  судовых  дизелей;  жидкокристаллические  характеристики  граничного  смазочного  слоя;  вязкость  граничного  смазочного  слоя.

Keywords:  motor  oil  for  marine  diesel  engines;  liquid  crystal  characteristics  of  the  boundary  lubricant  layer;  the  viscosity  of  the  boundary  lubricant  layer.

В  энергетических  установках  используется  два  вида  углеводородных  жидкостей  —  смазочные  масла  и  топлива.  Смазочные  масла  представляют  собой  смесь  высокомолекулярных  углеводородов  различных  классов  —  парафиновых,  нафтеновых,  ароматических  со  значительным  количеством  присадок,  включающих  в  свой  состав  различные  элементы.  Основная  масса  углеводородов  состоит  из  смешанных  молекул,  содержащих  всевозможные  комбинации  ароматических  и  нафтеновых  колец  с  цепями  парафиновых  углеводородов.  Подобная  структура  смазочного  материала  предопределяет  его  различные  реологические  и  эксплуатационные  характеристики,  а  также  жидкокристаллические  свойства  [2,  5].

С  начала  использования  моторных  масел  (ММ)  было  замечено,  что  в  граничном  режиме  трения  масла,  характеризующиеся  одними  и  теми  же  объемными  параметрами  (плотностью,  вязкостью  и  др.),  обладают  различными  антифрикционными  и  противоизносными  свойствами.  Одновременно  с  этим  указывалось,  что  свойства  ММ,  определяющие  их  антифрикционные  качества,  могут  быть  связаны  с  ориентационной  упорядоченностью  молекул  в  пристенных  слоях,  образуемых  данными  маслами  у  металлической  поверхности  [3].  Ориентация  молекул  в  граничном  слое  может  быть  гомеотропной  (в  случае  перпендикулярного  расположения  молекул  относительно  твердой  металлической  поверхности)  или  планарной  (при  параллельном  расположении  молекул  к  поверхности).

Современный  подход  к  смазочным  материалам,  учитывающий,  что  в  тонких  слоях  их  поведение  необходимо  рассматривать  с  точки  зрения  жидкокристаллического  строения,  отмечает  не  только  триботехнические  характеристики,  но  и  жидкокристаллические.  Выполнение  смазочным  материалом  одной  из  своих  функций  (повышения  износостойкости  контактируемых  поверхностей)  зависит  в  основном  от  его  способности  формировать  устойчивый  граничный  слой.  Данное  свойство  смазки,  называемое  в  некоторых  случаях  «маслянистостью»,  зависит  не  только  от  характеристик  самого  смазочного  материала,  но  и  в  значительной  мере  от  поверхности,  на  которой  формируется  граничный  смазочный  слой.  Так,  в  зависимости  от  типа  смазки  и  подложки  его  толщина  может  колебаться  в  пределах  1…20  мкм.  Наибольшие  значение  при  этом  относятся  к  специальным  смазочным  материалам,  включающим  в  свой  состав  разного  рода  полярные  органические  или  неорганические  соединения  [4].

Определение  толщины  граничного  слоя,  которая  является  одной  из  основных  характеристик,  характеризующей  его  прочность  и  способность  оказывать  сопротивление  нормальным  нагрузкам,  можно  производить  рядом  способов.  Одним  из  основных  методов  получения  информации  об  особенностях  ориентационной  упорядоченности  органических  жидкостей  в  тонких  слоях  является  анализ  зависимости  формы  их  спектров  поглощения  от  толщины.  Для  этого  может  быть  использован  метод  дихроизма  поглощения  примесных  молекул  [6],  реализация  которого  осуществляется  с  помощью  экспериментальной  установки,  показанной  на  рис.  1. 

Источник  1  обеспечивал  подачу  к  исследуемой  жидкости  малорасходящегося  пучка  монохроматичного  света,  который  проходил  через  поляризатор  2  и  направлялся  в  световод  3,  заполненный  исследуемым  материалом  4.  Боковые  поверхности  световода  выполнялись  из  стали  и  отполировывались  по  высокому  классу  точности.  Ширина  световода  d  изменялась  в  пределах  8…30  мкм  с  помощью  микрометрического  устройства  и  контролировалась  с  помощью  микроскопа.  На  выходе  из  оптической  системы  помещалось  фотоэлектрическое  устройство  5,  с  помощью  которого  фиксировалась  интенсивность  света,  прошедшего  через  световод.  Поляризатор  2  обеспечивал  два  типа  поляризации  падающего  света:  р-поляризация,  когда  электрический  вектор  световой  волны  параллелен  боковой  поверхности  световода  и  п-поляризация,  когда  перпендикулярен  к  ней.  Боковые  поверхности  световода  закрывались  плоскими  стеклянными  пластинами,  что  устраняло  менисковые  эффекты  в  оптической  системе.  Перед  экспериментом  эти  пластины  последовательно  промывались  в  горячей  хромовой  кислоте,  дистиллированной  воде  и  высушивались. 

Рисунок  1.  Схема  установки  для  исследования  дихроизма  поглощения  примесных  молекул:  1  —  источник  света;  2  —  поляризатор;  3  —  световод;  4  —  исследуемый  материал;  5  —  фотоэлектрическое  устройство

Определение  типа  структуры  молекул  граничного  смазочного  слоя  проводилось  по  зависимости  оптической  плотности  D  (в  максимуме  полосы  поглощения)  от  толщины  пристенного  слоя. 

При  прохождении  света  по  световоду,  заполненному  поглощающей  средой,  интенсивность  света  I  убывает  по  закону  Бугера

,

который  может  быть  представлен  в  виде

,

где:  I_o  и  I  —  соответственно,  значения  интенсивности  света,  прошедшего  через  световод  с  чистой  жидкостью  и  с  жидкостью,  содержащей  примесные  молекулы  при  одинаковых  значениях  его  ширины;

D   —  оптическая  плотность  поглощающего  вещества,  которая.  В  свою  очередь,  определяется  по  выражению

,

где:  l  и  d  соответственно  длина  и  ширина  световода; 

m_s  и  m_i  —  коэффициенты  поглощения  пристенных  слоев  и  объемной  жидкости  в  световоде;

d _s  —  толщина  пристенных  слоев  жидкости.

Из  последнего  выражения  видно,  что  в  изотропной  фазе  зависимость  D=f(d),  в  соответствии  с  законом  Бугера,  линейная.  Наличие  упорядоченности  в  пристенном  слое  (тонкой  части  прослойки)  приводит  к  отклонению  от  линейности  и  график  D=f(d)  возможно  аппроксимировать  двумя  прямыми,  соответствующими  изотропной  и  объемной  фазе. 

С  помощью  вышеизложенного  метода  и  последующей  обработки  экспериментальных  результатов  возможно  получить  информацию  о  параметре  порядка,  положении  молекул  и  толщине  граничного  слоя.  Так,  данным  способом  определялись  жидкокристаллические  характеристики  ММ,  использующихся  в  циркуляционных  системах  смазывания  судовых  дизелей:  Castrol  MLC60;  Mobil  412;  Exxmar  420.  Результаты  исследований  показаны  на  рис.  2,  где  приведены  зависимости  оптической  плотности  световода  D  для  п  и  р-  поляризаций  падающего  света  от  его  обратной  ширины  1/d.

Рисунок  2.  Зависимости  оптической  плотности  D   от  обратной  ширины  световода  1/d  для  судовых  ММ:  1  —  Castrol  MLC60;  2  —  Mobil  412;  3  –  Exxmar  420

Первоначальный  участок  зависимости  D=f(1/d)  свидетельствует  о  степени  ориентационной  упорядоченности  молекул  в  граничном  смазочном  слое,  а  точка  перегиба  соответствует  его  удвоенной  толщине.  Чем  больше  угол  наклона  первоначального  участка,  тем  выше  степень  ориентационной  упорядоченности  молекул  в  граничном  смазочном  слое.  Приближение  точки  перегиба  зависимости  к  началу  координат  свидетельствует  о  большей  толщине  граничного  слоя  (учитывая  обратную  зависимость  1/d).

Степень  ориентационной  упорядоченности  молекул  в  граничном  смазочном  слое  оценивается  интегральным  параметром  d_s×Δn_cp  (где  Δn_cp  —  усредненное  значение  оптической  анизотропии  пристенного  слоя),  который  может  быть  рассчитан  по  результатам  эксперимента.

С  помощью  проведенных  исследований  было  установлено,  что  толщина  граничного  смазочного  слоя  для  судовых  ММ  составляет  8…15  мкм.  Необходимо  отметить,  что  порядок  данной  величины  соответствует  величине  зазора  в  паре  вал-вкладыш,  что  подтверждает  ее  граничный  режим  смазывания,  а  также  жидкокристаллическую  структуру  граничных  смазочных  слоев  ММ.

Следующим  этапом  исследований  было  определение  корреляционной  зависимости  между  реологическими  и  жидкокристаллическими  характеристиками  ММ.  В  качестве  реологических  характеристик  ММ  принималась  его  вязкость,  которая  различалась  на  «объемную»  и  «граничную».  «Объемная»  вязкость,  т.  е.  вязкость  ММ  в  большом  объеме,  определялась  с  помощью  штатного  вискозиметра,  а  «граничная»  вязкость,  т.  е.  вязкость  ММ  в  граничном  смазочном  слое  —  с  помощью  ротационного  вискозиметра  [1]. 

В  результате  эксперимента  было  подтверждено,  что  «граничная»  вязкость  ММ  имеет  большее  значение,  чем  вязкость  масла  в  объеме,  что  объясняется  возникновением  ориентационной  упорядоченности  молекул  в  граничном  смазочном  слое.

В  табл.  1  приведены  значения,  характеризующие  реологические  и  жидкокристаллические  характеристики  рассмотренных  судовых  ММ,  а  на  рис.  3  приведена  корреляционная  зависимость,  связывающая  эти  параметры.  При  этом  измерение  вязкости  проводилось  для  различных  скоростей  сдвига  g^/,  соответствующих  геометрическим  размерам  трибосопряжения  вал  —  вкладыш  подшипника  дизеля,  а  также  частоте  его  вращения.

Таблица  1.

Жидкокристаллические  и  реологические  характеристики  ММ

Рисунок  3.  Корреляционная  зависимость  вязкости  ММ  n  от  параметра  d_s ×Δn_cp,  характеризующего  жидкокристаллические  свойства:  а)  при  скорости  сдвига  g^/=125  с^–1:  1  —  «объемная»  вязкость;  2  —  вязкость  граничного  смазочного  слоя;  б)  при  различных  скоростях  сдвига:  1  —  g^/=125  с^–1;  2  —  g^/=150  с^–1;  3  —  g^/=175  с^–1;  4  —  g^/=200  с^–1

Анализируя  результаты,  приведенные  в  табл.  1  и  на  рис.  3,  следует  отметить,  что  повышение  жидкокристаллических  характеристик  смазочного  материала  (степени  ориентационной  упорядоченности  и  толщины  граничного  смазочного  слоя)  способствует  увеличению  вязкости  ММ,  как  в  объемной  фазе,  так  и  в  граничном  слое.  Последнее  (в  связи  с  повышением  упругодемпфирующих  свойств)  особенно  актуально  для  процесса  смазывания  подшипников  скольжения  судовых  дизелей,  как  одного  из  динамически  напряженных  узлов  двигателя.

Между  реологическими  (в  частности  вязкостью  n)  и  жидкокристаллическими  (толщиной  граничного  слоя  и  степенью  ориентационной  упорядоченности  молекул  d_s×Δn_cp)  характеристиками  моторного  масла  существует  корреляционная  зависимость,  которая  может  быть  определена  экспериментальным  путем.  Зависимость  n=f(d_s×Δn_cp)  линейна  для  диапазона  скоростей  сдвига  g^/Π [100,  150  c^–1],  соответствующих  геометрическим  размерам  подшипников  коленчатого  вала  судовых  среднеоборотных  дизелей  и  частотам  его  вращения.  При  увеличении  скоростей  сдвига  зависимость  n=f(d_s×Δn_cp)  носит  экспоненциальный  характер.

Отметим  также,  что  увеличение  скорости  сдвига  приводит  к  снижению  жидкокристаллических  характеристик  смазочного  материала  и,  как  следствие,  к  снижению  вязкости  масла  в  граничном  смазочном  слое.  Это  объясняется  «срезанием»  структурированных  молекулярных  слоев  при  повышении  частоты  вращения  коленчатого  вала  и  способствует  уменьшению  несущей  способности  масляной  пленки.

Список  литературы:

1.Алтоиз  Б.А.,  Асланов  С.К.,  Бутенко  А.Ф.  Ротационный  вискозиметр  для  исследования  микронных  прослоек  //  Физика  аэродисперсных  систем.  —  2005.  —  №  42.  —  С.  53—65.

2.Алтоиз  Б.А.,  Поповский  Ю.М.  Физика  приповерхностных  слоев  жидкости.  Одесса  :  Астропринт,  1996.  —  152  с.

3.Поповский  Ю.М.,  Сагин  С.В.,  Гребенюк  М.Н.  Противоизносные  свойства  граничных  смазочных  слоев  //  Судовые  энергетические  установки.  Одесса,  —  1998.  —  Вып.  2.  —  С.  37—42.

4.Поповский  Ю.М.,  Сагин  С.В.,  Ханмамедов  С.А.,  Гребенюк  М.Н.  Влияние  анизотропных  жидкостей  на  работу  узлов  трения  //  Вестник  машиностроения.  —  1996.  —  №  6.  —  С.  7—11.

5.Сагин  С.В.,  Заблоцкий  Ю.В.  Определение  триботехнических  характеристик  поверхностей  по  степени  упорядоченности  пристенных  слоев  углеводородных  жидкостей  //  Проблеми  техніки.  —  2011.  —  №  3.  —  С.  78—88.

6.Сагин  С.В.,  Мацкевич  Д.В.  Оптические  характеристики  граничных  смазочных  слоев  масел,  применяемых  в  циркуляционных  системах  судовых  дизелей  //  Судовые  энергетические  установки:  Одесса,  —  2010.  —  Вып.  26.  —  С.  116—125.