Эффективность использования смазочно-охлаждающих жидкостей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Выпускная квалификационная работа 105 с., 12 рис., 25 табл., 42 источника, 1 прил.

Ключевые слова: смазочно-охлаждающая жидкость, окисляемость, испаряемость, вязкость, плотность, кислотное число, присадки.

Объектом исследования являются 3 образца различных марок смазочно-охдаждающих жидкостей.

Цель работы - повысить эффективность использования смазочно-охлаждающих жидкостей за счет организации контроля раздельного влияния процессов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства.

В процессе исследования проводились термостатирование образцов и анализ полученных результатов.

В результате исследования были представлены выводы по результатам анализа образцов смазочно-охлаждающих жидкостей.

Область применения: металлообработка.

В будущем планируется проведение дополнительных исследований по предмету с целью углубления анализа и повышения эффективности использования смазочно-охлаждающих жидкостей.



Содержание

Введение

1. Основные теоритические положения

1.1 Классификация СОЖ и присадок

1.2 Область использования СОЖ

1.3 Свойства масляных СОЖ и методы их оценки

1.3.1 Физико-химические свойства СОЖ

1.3.2 Краткие сведения о важнейших физико-химических свойствах масляных СОЖ

1.4 Проблемы, возникающие в процессе эксплуатации СОЖ

1.4.1 Старение масел

1.5 Математическое описание процесса окисления смазочно-охлаждающих жидкостей

2. Объект и методы исследования

2.1 Основные характеристики исследуемых смазочно-охлаждающих жидкостей

2.2 Методы исследования и средства измерения

2.2.1 Методика определения плотности и вязкости образцов

2.2.2 Определение содержания серы37

2.2.3 Описание технического средства для термостатирования образцов38

2.2.4 Определение кислотного числа

2.2.5 Расчет индекса вязкости

2.2.6 Определение термоокислительной стабильности

3. Экспериментально-практическая часть

4. Финансовый менеджмент

5. Социальная ответственность

Список литературы

Приложение



Введение

При сверлении глубоких отверстий применяют масляные смазочно-охлаждающие жидкости, которые под действием кислорода воздуха и температуры окисляются. В результате изменяется их цвет, вязкость, кислотное число и др. параметры и, как следствие, уменьшаются сроки эксплуатации жидкости. В основном предельное состояние масел устанавливается заводами-изготовителями, но это не обеспечивает эффективность их использования, так как не учитывает индивидуальных условий и режимов эксплуатации, технического состояния оборудования и системы доливов. Эту проблему можно решать только за счет организации текущего контроля состояния смазочно-охлаждающих жидкостей, системы фильтрации с помощью экспрессивных средств измерения и установления предельных значений. Основные функции масел - снижение коэффициента трения, поглощение теплоты, выделяемой при трении, и удаление частиц износа.

Ресурс смазочно-охлаждающих жидкостей зависит от их правильного выбора по степени нагруженности оборудования для металлообработки. Качество масел определяется комплексом эксплуатационных свойств, к которым относятся моюще-диспергирующие, антиокислительные, противоизносные, антикоррозионные и вязкостно-температурные. Улучшение этих свойств обеспечивается введением комплекта полярно-активных присадок, повышающих температурные пределы работоспособности, так как масла нефтяного происхождения работоспособны до температуры ? 200 °С.

Действие процессов окисления на свойства масел оценивается стандартами и многочисленными инструментальными методами, позволяющими термоокислительную стабильность определять по изменению вязкости, кислотности, оптических свойств, коррозионной активности, количества отложений, летучести и др. показателей. Однако влияние этих показателей на противоизносные свойства окисленных масел изучено недостаточно. Процессы окисления и температурной деструкции протекают одновременно, но с различной интенсивностью.

Актуальность работы. Процессы, протекающие в ходе сверления глубоких отверстий, определяются механическими, термоокислительными, температурными и химическими воздействиями. Смазочный материал как элемент этой системы оказывает существенное влияние на её надежность. В связи с тем, что эти процессы протекают одновременно, то исследование раздельного влияния продуктов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства является актуальной задачей, решение которой позволит разработать мероприятия по уменьшению скорости окисления и повышению температуры начала деструкции базовой основы и присадок.

Объект исследования. Смазочно-охлаждающие жидкости трех марок.

Предмет исследования. Процессы окисления и температурной деструкции и их влияние на противоизносные свойства.

Задачи исследования. Исследовать процессы окисления и температурной деструкции смазочно-охлаждающих жидкостей различных классов вязкости, групп эксплуатационных свойств и базовых основ. Выполнить анализ состояния масел с применением диагностических средств контроля и использованием в комплексной методике.

Цель исследования. Повысить эффективность использования смазочно-охлаждающих жидкостей за счет контроля влияния процессов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства.

Научная новизна результатов, полученных лично автором. Методика контроля процессов окисления и температурной деструкции позволяет оценивать противоизносные свойства моторных масел, предварительно окисленных при температуре 95 єС и термостатированных в диапазоне температур от 20 до 95 єС.

Практическая значимость работы. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации, включающие технологии контроля: влияния продуктов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства масел; доминирующего влияния продуктов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства.

Результаты исследований использованы в учебном процессе Национального исследовательского Томского политехнического университета.



1. Основные теоритические положения

Смазочно-охлаждающие жидкости - смазочные жидкости для металлообработки являются технологическим вспомогательными веществами, которые, с одной стороны, сводят к минимуму износ инструмента и, с другой стороны, обеспечивают требуемое качество поверхности и точность размеров изготавливаемых деталей. К смазочно-охлаждающим жидкостям (общепринятое сокращение -- СОЖ) относятся многокомпонентные вещества, которые предназначены в основном для уменьшения силы трения, охлаждения и смазки инструментов, узлов и отдельных деталей, увеличения срока службы различных механизмов.

Смазочно-охлаждающие жидкости выполняют ряд функций, которые призваны значительно усовершенствовать процесс обработки металлов: СОЖ удаляет стружку, грязь, пыль и другие загрязнения с места контакта инструмента и металла, что препятствует нарушению структуры металла под воздействием высоких температур; диспергирование обрабатываемых металлов, в результате данной операции их поверхность разрушается, поэтому на выполнение работ затрачивается меньше энергии; смазывание поверхностей, которое происходит в зоне контакта заготовки и инструмента, за счет чего оборудование уже не испытывает столь высоких нагрузок и возрастает срок его эксплуатации; охлаждающая функция.

Качество масел определяется комплексом эксплуатационных свойств, к которым относятся моюще-диспергирующие, антиокислительные, противоизносные, антикоррозионные и вязкостно-температурные. Улучшение этих свойств обеспечивается введением комплекта полярно-активных присадок, повышающих температурные пределы работоспособности, так как масла нефтяного происхождения работоспособны до температуры ? 200 °С. Однако их температурная стойкость не указывается ни в одном сертификате качества нефтепродукта, хотя существует стандарт по определению этого показателя (ГОСТ 23.221-84).

Действие процессов окисления на свойства масел оценивается стандартами и многочисленными инструментальными методами, позволяющими термоокислительную стабильность определять по изменению вязкости, кислотности, оптических свойств, коррозионной активности, количества отложений, летучести и др. показателей. Кроме того, при исследовании термоокислительной стабильности и температурной стойкости выявлено, что масла термостатируются. Так как качество накапливаемой в системе энергии конечно, то необходим стандартный или периодический сброс избыточной энергии в виде продуктов окисления или температурной деструкции, которые оказывают основное влияние на эксплуатационные и противоизносные свойства масел. Процессы окисления и температурной деструкции протекают одновременно, но с различной интенсивностью.

1.1 Классификация СОЖ и присадок

Основная классификация базовых масел производится по вязкости, поэтому их условно разделяют на маловязкие (3-4 сСт), средневязкие (4-6 сСт) и вязкие (8-9 сСт и выше при T=100 °С). Единой нормативно-технической документации на базовые масла не существует [1,2]. На отдельные типы масел разработаны и действуют технические условия. Нефтеперерабатывающие заводы России базовые масла выпускают по внутризаводским стандартам или техническим условиям.

Смазочно-охлаждающие жидкости, исходя из их состава, подразделяются на три типа:

*безводные (на основе различных минеральных масел) -- эти жидкости содержат не разбавленные водой минеральные масла, а для получения более высокого эксплуатационного результата в них добавляют специальные присадки. Это способствует снижению образования накипи, повышению коррозийной стойкости обрабатываемого материала, а также используемых деталей и инструмента;

*на основе нефтепродуктов (газойль, керосин и пр.) -- применяются в основном при абразивной обработке металлов, что способствует уменьшению износа механизмов и инструмента. С целью улучшения технологических характеристик в нефтепродукты добавляют специальные поверхностно-активные компоненты или смесь из нескольких видов нефтяных масел;

*эмульсолы (смесь масел и эмульгатора) -- самый распространенный вид СОЖ, применяемый преимущественно в металлообработке. Такие жидкости при соответствии нормативам ГОСТ или ТУ имеют высокие качественные показатели, они удобны в эксплуатации, безопасны для человека и окружающей среды.

Большую роль на характеристики смазочно-охлаждающих жидкостей также оказывают присадки, поэтому следует выделить и их основные виды:

*антикоррозийные присадки, предназначенные для защиты поверхности металлов во время их обработки под воздействием экстремальных нагрузок;

*противоизносные присадки позволяют уменьшить износ и старение инструментов, а также отдельных деталей и узлов станков при тяжелых условиях эксплуатации, тем самым продлевая срок службы оборудования;

*противозадирные присадки предотвращают повреждение поверхностей инструмента во время обработки металлов;

*антитуманные присадки противодействуют появлению тумана от масляных СОЖ, который негативно сказывается на работе станков и вызывает заболевания дыхательной системы работающих;

*антипенные присадки продлевают срок службы самих смазочно-охлаждающих жидкостей, оберегая их от образования пены, губительно влияющей на свойства СОЖ.



1.2 Область использования СОЖ

В большинстве случаев СОЖ используются с целью обеспечения бесперебойного рабочего процесса, уменьшения износа оборудования, снижения количества отходов в производстве. Они незаменимы при обработке различных материалов (чаще металлов).

Применяются смазочно-охлаждающие жидкости и в других областях. С их помощью работают:

*двигатели внутреннего сгорания;

*промышленные теплообменники;

*радиоэлектронная аппаратура;

*системы отопления;

*различные установки, функционирующие при отрицательных температурах.

В связи с этим, основными требованиями, предъявляемыми к смазочно-охлаждающим жидкостям и их эксплуатационным свойствам, являются: высокие моющие и диспергирующе-стабилизирубщие свойства; высокая термическая и термоокислительная стабильность; высокие противоизносные свойства; отсутствие коррозионного воздействия на детали оборудования; стойкость к старению; пологость вязкостно-температурной характеристики; совместимость с материалами уплотнений; высокая стабильность при транспортировании и хранении; малая вспениваемость при высокой и низкой температурах; малая летучесть и низкий расход на угар.

1.3 Свойства масляных СОЖ и методы их оценки

Свойства масляных СОЖ условно разделяют на пять групп: физико-химические и функциональные свойства; химическая активность; эксплуатационные и экологические свойства.



1.3.1 Физико-химические свойства СОЖ

Физико-химические свойства СОЖ характеризуют такие показатели как плотность, вязкость, теплоемкость, стабильность, цвет и запах и др. Химические свойства характеризует коррозионное воздействие на металлы, окисляемость, растворимость и др.

Физико-химические свойства разделяются на три группы:

* которые не изменяются в процессе хранения, транспортирования и эксплуатации (плотность, вязкость, температура вспышки, содержание активных элементов, температура застывания, и др.);

* которые изменяются в процессе хранения, транспортирования и эксплуатации (кислотное число, запах, цвет, коррозионное воздействие на металлы и др.);

* свойства, контролирующие чистоту продукта, такие как внешний вид, содержание воды и механических примесей, запах.

смазочный охлаждающий жидкость масло

1.3.2 Краткие сведения о важнейших физико-химических свойствах масляных СОЖ

Внешний вид

Внешний вид является одним из важнейших источников информации о состоянии продукта. Он характеризует консистенцию, однородность, цвет и прозрачность СОЖ. Обычно, СОЖ представляет собой прозрачную маслянистую жидкость от светло-желтого до темно-коричневого цвета.

При эксплуатации под влиянием процессов окисления и загрязнений СОЖ темнеет, теряет прозрачность, а иногда и однородность. Темный цвет СОЖ и ее неоднородность недопустимы. Быстрое и сильное потемнение жидкости указывает на её перегрев, окисление и загрязнение.

Внешний вид определяют визуально. Для этого ее наливают в цилиндр объемом 50 или 100 мл и оценивают в проходящем свете.

Запах

Запах может характеризовать изменение качества в процессе эксплуатации СОЖ и зависит от компонентного состава. Масляные СОЖ практически все имеют специфический запах нефтяного масла, который является основой. При применении СОЖ загрязняется, смешивается с другими смазочными материалами и поражается микроорганизмами. В результате ее запах изменяется. СОЖ с устойчивым неприятным запахом даже при высоких основных эксплуатационных свойствах (способности продлевать срок службы инструмента и улучшать качество обрабатываемых изделий) неприемлема для применения и должна быть заменена. Определяют запах СОЖ органолептически.

Плотность

Плотность СОЖ характеризуется отношением ее массы к объему и выражается в кг/м3. Плотности всех масляных СОЖ для обработки металлов резанием укладываются в пределы от 850 до 1020 кг/м3.

По значению плотности СОЖ можно определить химическую природу нефтяного масла, используемого в качестве основы жидкости. Из трех основных групп углеводородов (с примерно одинаковой молекулярной массой), имеющихся в нефтяном масле, наибольшей плотностью обладают ароматические углеводороды, самой меньшей - парафиновые. Нафтеновые углеводороды занимают промежуточное значение. Смолы и асфальтены имеют плотность обычно больше 1000 кг/м3.

Плотность имеет важное значение при расчете массы СОЖ. По плотности можно в ряде случаев также сделать предварительный вывод о том, какова вязкость СОЖ (низкая или высокая).

Определение плотности производят ареометром (нефтеден-симетром), взвешиванием или пикнометром.

Вязкость

Вязкость - одно из важнейших свойств масляных смазочно-охлаждающих жидкостей, характеризующих внутреннее трение в жидкости, возникающее между ее молекулами при их перемещении под влиянием внешней силы. Существует три вида вязкости: динамическая, кинематическая и условная.

Динамическая вязкость представляет собой силу сопротивления взаимному перемещению двух слоев жидкости площадью 1 смІ, находящихся друг от друга на расстоянии 1 см и перемещающихся со скоростью 1 см/с. Единицей динамической вязкости является, пуаз, которая равна 1 дин-с/смІ.

Кинематической вязкостью (н) или коэффициентом внутреннего трения называется отношение динамической вязкости к плотности жидкости при той же температуре:

н = з ? с

где: з - динамическая вязкость; с - плотность жидкости.

Единицей кинематической вязкости является стоке (Ст), сотая часть стокса называется сантистоксом (сСс). Размерность кинематической вязкости - ммІ/с (сСт).

Условной вязкостью - это отношение времени истечения испытуемой жидкости из вискозиметра типа ВУ 200 мл испытуемой при заданной температуре ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при температуре 20 °С, являющемуся постоянной прибора (водным числом). Условная вязкость выражается в условных градусах.

Для перевода одних единиц вязкости в другие существуют формулы, таблицы и графики.

Величина вязкости масляных СОЖ выражается в единицах кинематической вязкости.

Кинематическая вязкость СОЖ определяется с помощью капиллярных стеклянных вискозиметров.

Чем меньше меняет СОЖ свою вязкость при изменениях температуры, тем выше она по качеству. Изменение вязкости нефтяных масел с изменением температуры принято характеризовать индексом вязкости (ИВ). Для определения ИВ необходимо сравнивать вязкости исследуемого масла при температурах 40 °С и 100 °С с вязкостью двух эталонных масел с известными индексами вязкости. У масел с высоким ИВ (более 100) при изменении температуры изменение вязкости относительно небольшое; у масел с низким (менее 60) ИВ - значительное. ИВ современных масляных СОЖ часто превышает 100. ИВ зависит от химического состава нефтяного масла, природы и концентрации присадок, входящих в состав СОЖ.

Высокое значение ИВ позволяет сохранять достаточную вязкость, чтобы обеспечить надежную смазку горячих трущихся поверхностей инструмента. При низких температурах вязкость у СОЖ с высоким ИВ будет не настолько высокой, чтобы оказывать сопротивление при прокачке по каналам системы СОЖ. Однако ИВ не полностью характеризует вязкостно-температурные свойства при низких температурах. Поэтому для зимних условий приходится определять вязкость масляных СОЖ при минусовых температурах.

Масляные СОЖ, имеющие высокие вязкость и индекс вязкости, обеспечивают лучшее смазывающее действие. В то же время высокая вязкость СОЖ ухудшает охлаждающее и моющее действия, препятствует быстрому осаждению шлама из жидкости при ее отстаивании и очистке. Поэтому все это необходимо учитывать при выборе оптимальной вязкости смазочно-охлаждающей жидкости.

Температуры вспышки, воспламенения и самовоспламенения

Масляные СОЖ являются огнеопасными веществами. При определенных условиях они могут загораться при соприкосновении пламенем, а также самопроизвольно.

Если нефтепродукт нагреть, то наступит момент, когда его пары образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении пламени. Температурой вспышки называется температура, при которой происходит воспламенение паров.

Температура вспышки косвенно является характеристикой испаряемости СОЖ. Чем ниже температура вспышки, тем больше ее испаряемость. Температура вспышки, если известна вязкость, позволяет судить о фракционном составе нефтяной основы СОЖ, о преимущественном наличии в ней отдельных групп углеводородов. Температура кипения, а следовательно, и температура вспышки жидкости при данной вязкости выше всего у парафиновых углеводородов, затем идут нафтеновые и ароматические углеводороды.

Для определения температуры вспышки используют два типа приборов: открытый (Маркуссона, Бренкена) и закрытый (Мартенс-Пенского). В приборе открытого типа температура вспышки всегда бывает на 20--30 °С выше, чем в закрытом, за счет рассеивания части паров.

Температурой воспламенения называется та температура, при которой вспыхивает сама жидкость, не только пары. Температура самовоспламенения - та температура, при которой СОЖ загорается без источника пламени, произвольно. Для каждой СОЖ существует нижний и верхний пределы воспламенения, определяемые наименьшим и наибольшим содержанием паров ее в смеси с воздухом, при котором происходит вспышка.

Температура застывания

Температура, при которой подвижность СОЖ снижена окончательно, называется температурой застывания. Температура застывания также является важным свойством СОЖ. Если СОЖ имеет высокую температуру застывания, например плюс 10 °С, то она малопригодна для применения не только в зимнее время, но и во многих районах страны в летний период. Застывшая СОЖ представляет собой мазеобразную массу, сходную по консистенции с вазелином.

Температура застывания масляных СОЖ не превышает минус 10 °С и зависит от химической природы масла и присадок. Для снижения температуры застывания применяются специальные присадки (депрессаторы).

Существующий метод определения температуры застывания СОЖ простой, но не отличается совершенством. Пробу продукта наливают в стандартную пробирку, которую помещают вертикально в охлаждающую смесь, имеющую определенную температуру, на 5 мин. По истечении указанного времени пробирку помещают в охлаждающую смесь на 1 мин и наклоняют под углом 45°. Затем пробирку вынимают и наклоняют. Если уровень СОЖ не сместился, то данную температуру считают температурой застывания.

Окисляемость

Окисляемость тесно связана со многими свойствами СОЖ. От нее в значительной степени зависит качество СОЖ. При вступлении в реакции с кислородом воздуха, молекулы химических веществ способствуют «старению» СОЖ, т е постепенному разрушению. Это ведет в образованию новых соединений - гидропероксидов, пероксидов, кислот, спиртов, смол и т. д. Продукты окисления, накапливаясь в жидкости, внешний вид, изменяют ее цвет, эксплуатационные и другие свойства. СОЖ приобретает более темный цвет, у нее увеличивается вязкость и возрастает кислотное число. Часть продуктов окисления растворяется в СОЖ, а часть нерастворима и выпадает из нее в виде осадка. Окисление СОЖ приводит к повышению ее токсичности.

Окисляемость масляных СОЖ зависит от многих факторов: времени эксплуатации, химической природы нефтяного масла, наличия веществ, ускоряющих или замедляющих процесс окисления, температуры,

Устойчивость углеводородов к окислению, входящих в состав нефтяного масла, различна. Наиболее стойкими к окислению являются парафиновые углеводороды, наименее- нафтеновые. Продуктами окисления нафтеновых углеводородов являются преимущественно кислоты и гидроксикислоты. Ароматические углеводороды менее склонны к окислению, чем нафтеновые. Они в смеси с нафтеновыми углеводородами могут увеличивать стойкость последних к окислению.

Уже при хранении СОЖ (при невысоких температурах) наблюдается окисление, что подтверждается потемнением и увеличением кислотности жидкости. Окисление в этом случае протекает за счет кислорода, растворенного в СОЖ. В процессе эксплуатации температура жидкости в емкостях системы охлаждения достигает 60°С. В этих условиях окисление продукта может протекать достаточно заметно. Особенно интенсивно окисляется СОЖ в зоне резания, где имеют место высокие температуры и давления. Свидетельством этому могут служить лакообразные отложения и нагар на нагретых до высоких температур поверхностях обрабатываемого изделия и стружки.

О катализирующем влиянии металлов на процесс окисления масел известно давно. Такие металлы, как, например, медь, свинец, марганец, хром, наиболее активно ускоряют окислительный процесс. При окислении нефтяных масел в присутствии парных катализаторов (железо - медь) процесс ускоряется в большей степени, чем при использовании тех же катализаторов в отдельности. Окисление масел ускоряют также органические соли металлов. Ускорению процессов окисления масляных СОЖ способствуют влага, различные примеси, солнечные лучи, электрические поля и облучение УФ-лучами.

Для повышения устойчивости СОЖ к окислению в процессе хранения и эксплуатации к ним добавляют антиокислительные присадки (ингибиторы окисления).

Стабильность СОЖ против окисления характеризуется изменением во время ее окисления кислотного числа, числа омыления и вязкости, содержанием нерастворимого осадка и другими показателями. При определении стабильности используются приборы различных конструкций.

Кислотное число

Кислотное число характеризует количество содержащихся в СОЖ свободных органических кислот и других кислых соединений в пересчете на количество КОН, нейтрализующее их. За кислотное число принимают количество едкого кали в миллиграммах, израсходованного на нейтрализацию кислых соединений, содержащихся в 1 г анализируемого продукта.

По величине кислотного числа можно ориентировочно судить, насколько состарилась СОЖ в процессе эксплуатации или хранения. В то же время кислотное число характеризует состав жидкости, так как добавляемые присадки повышают ее общую кислотность.

Определяется кислотное число СОЖ потенциометрическим или объемным титрованием раствором едкого кали навески продукта, растворенного в спиртобензольной смеси.

Щелочное число

Как уже указывалось выше, в процессе окисления в масляных СОЖ образуются кислые продукты. С целью нейтрализации кислых продуктов в состав некоторых СОЖ вводят щелочные моющие присадки. Наиболее часто для этой цели используются зольные моющие присадки, имеющие большой запас щелочности. Контроль содержания щелочных присадок в композициях СОЖ осуществляется оценкой щелочного числа.

За щелочное число (щелочность или щелочное число) принимают количество едкого кали в миллиграммах, эквивалентное количеству соляной кислоты, израсходованной на нейтрализацию всех щелочных соединений, содержащихся в 1 г анализируемого продукта. Сущность метода определения щелочного числа заключается в растворении навески СОЖ в растворителе с последующим потенциометрическим титрованием полученного раствора соляной кислотой.

Число омыления

Числом омыления называется количество миллиграммов КОН, необходимое для омыления всех свободных и связанных органических кислот, содержащихся в 1 г исследуемого продукта. Так как композиции масляных СОЖ могут содержать в своих составах растительные и животные жиры, жирные кислоты и их сложные эфиры, то число омыления кроме старения жидкости косвенно характеризует и ее состав.

Метод определения числа омыления заключается в растворении навески масла в спиртовом растворе КОН, кипячении полученного раствора с последующим титрованием раствором соляной кислоты непрореагировавшей щелочи.

Содержание хлора, серы и фосфора

Наиболее распространенными противоизносными и противозадирными присадками, улучшающими смазывающие свойства масляных СОЖ, являются органические соединения, содержащие хлор, серу или фосфор, или два, или все три активных элемента одновременно. Наличие в СОЖ указанных присадок характеризуется содержанием активных элементов.

Содержание воды

Масляные СОЖ обладают гигроскопичностью, которая зависит от температуры жидкости и окружающей воздушной среды. При 20 °С в масляных СОЖ растворяется примерно 0,003% (масс.) воды. С изменением температуры воздуха и температуры СОЖ может происходить конденсация водяных паров, находящихся в воздухе. В результате влага попадает в СОЖ. Кроме того, в СОЖ в зависимости от ее температуры всегда есть небольшое количество растворенного воздуха, содержащего влагу. В небольших количествах вода в СОЖ может находиться и в виде эмульсии.

Большое содержание воды в СОЖ вызывает коррозию деталей и износ режущего инструмента. Вода при производстве или регенерации смазочно-охлаждающих жидкостей может вызвать вспенивание или выброс жидкости при нагреве в отстойниках и отстойниках до температуры.

Качественное определение наличия воды в СОЖ производят по методу "потрескивания". Для этого в чистую сухую пробирку наливают СОЖ (3А объема пробирки). Пробирку закрывают пробкой с отверстием, куда вставляют термометр так, чтобы он не касался стенок пробирки, а его шарик находился на расстоянии 20--30 мм от дна пробирки (удобнее пользоваться пробиркой диаметром 8 мм). Пробирку с помощью держателя помещают в химический стакан с нагретым до 170±5°С глицерином. За СОЖ в пробирке наблюдают до тех пор, пока ее температура не достигнет 150 °С. В случае присутствия влаги СОЖ в верхнем слое пенится и слышится треск. Наличие воды считается установленным, если слышится явственный треск не менее двух раз. Треск масла похож на треск разрываемой ткани.

Количественное определение содержания воды в СОЖ производят путем ее отгонки по способу Дина и Старка. Способ заключается в растворении навески испытуемого продукта в растворителе и отгонке воды вместе с растворителем. Испарившиеся частицы воды конденсируются в холодильнике и собираются в приемнике-ловушке. Количество воды в ловушке меньше 0,03 мм считается следами.

Содержание механических примесей

В процессе эксплуатации происходит интенсивное окисление углеводородов и в СОЖ накапливаются кислоты, асфальто-смолистые соединения, сажа, кокс, различные соли, а также металлическая пыль, песок и стружка, волокнистые вещества обтирочных материалов.

Механические примеси влияют отрицательно почти на все эксплуатационные свойства СОЖ. Определяют механические примеси в СОЖ путем растворения навески продукта в бензине, фильтрования полученного раствора через высушенный бумажный фильтр, взвешивания фильтра после промывки его бензином и сушки.

Коррозионное воздействие на металлы. Под коррозией металлов понимается их разрушение вследствие протекания химических или э

При отсутствии воды в СОЖ коррозия металлов будет определяться наличием в жидкости коррозионно-агрессивных веществ, способных взаимодействовать с металлами. Такая коррозия называется химической. Она протекает по реакциям, подчиняющимся химическим законам. Примером химической коррозии является коррозия меди, вызываемая элементной серой, входящей в состав СОЖ активного ряда.

В случае наличия воды в СОЖ коррозия металлов развивается преимущественно по электрохимическому механизму. По характеру и условиям протекания процесса, а также по внешнему проявлению коррозию подразделяют на сплошную, местную, язвенную, точечную и др. Все указанные виды коррозии, их механизм, особенности и способы защиты от них достаточно подробно описаны в соответствующей литературе.

Метод оценки коррозионного воздействия СОЖ на металлы заключается в выдерживании металлической пластинки из стали, чугуна, меди или латуни в испытуемом продукте при температуре 100 °С в течение 3 ч. Образец выдержал испытание, если на больших поверхностях пластинки отсутствуют точки или пятна, заметные невооруженным глазом. Коррозионное воздействие продукта на пластинках из меди и медных сплавов оценивают в баллах сравнением внешнего вида пластинок с эталонами коррозии.

Стабильность при хранении

Метод определения стабильности СОЖ при хранении заключается в переменном воздействии на продукт высоких и низких температур, последующем центрифугировании и определении степени его расслоения

При выборе СОЖ учитывают следующее: объём (количество) баков (эмульсоварок) для СОЖ; наличие аэрации; наличие (тип) фильтрующих устройств; конструкционные особенности системы циркуляции СОЖ (автоматические линии, станки с индивидуальным охлаждением, наличие застойных зон и т.д., расстояние от программирующих устройств до рабочей зоны); наличие склада для хранения нефтепродуктов; температуру хранения в зимний и летний периоды; наличие ёмкости для хранения биоцидных присадок и моюще-дезинфицирующих средств (МДС); марку лакокрасочного покрытия оборудования, контактирующего с раствором и аэрозолем СОЖ; марку резины в уплотнениях, контактирующих с СОЖ; марку гидравлических масел; жесткость воды для приготовления эмульсий в зимний и летний периоды; ориентировочный срок (условия) хранения деталей после металлообработки; марку металла; вид металлообработки; необходимый и фактический срок службы водосмешиваемых СОЖ; мероприятия по улучшению эксплуатационных свойств СОЖ (наличие моющих средств, биоцидов, физические методы борьбы с биоповреждением СОЖ - циркуляция эмульсии, пастеризация и др.); принятые на предприятии основные показатели СОЖ для слива на утилизацию (рН, коррозия, запах, плёнкообразование, расслоение и т.д); наличие устройств утилизации отработанных растворов; годовую потребность предприятия в водосмешиваемых СОЖ (эмульсионных, синтетических, полусинтетических, масляных); полезный фонд рабочего времени оборудования (количество работы в сутки) и т.д.

При длительном циркулировании водосмешиваемых СОЖ изменяются показатели их эксплуатационных свойств, уменьшается концентрация компонентов и повышается загрязнённость систем. Например, в системах СОЖ, содержащих нитрит натрия как ингибитор коррозии, его концентрация постепенно снижается. При этом скорость уменьшения концентрации зависит от степени "старения" рабочей эмульсии и от типа применяемого бактерицида. Так, скорость уменьшения концентрации ингибитора коррозии (скорость его "срабатывания") значительно больше в рабочей эмульсии, в которой произведена корректировка концентрации компонентов и её свойств добавлением концентрата или пакета присадок, по сравнению с тем же показателем в свежеприготовленной эмульсии.

В процессе эксплуатации уменьшается концентрация и других компонентов СОЖ: эмульгаторов - в результате их экстракции "инородным" маслом, аминов - из-за их взаимодействия с солями жёсткости воды, многих компонентов СОЖ - в результате постепенного объединения их в кинетически неустойчивые агрегаты с последующим выпадением в осадок. Из-за необратимых изменений в сбалансированной (первоначально) системе СОЖ происходит изменение эксплуатационных свойств ("старение" системы), и она перестаёт выполнять свои технологические функции.

Замедление процесса "старения" эмульсий и растворов СОЖ достигается своевременной корректировкой показателей их качества (эксплуатационных свойств) на основе данных текущего контроля свойств. От эксплуатационных свойств СОЖ, условий их применения и организации выполнения необходимых мероприятий для поддержания показателей этих свойств в допустимых пределах и рационального использования рабочей эмульсии зависит время, в течении которого значения физико-химических и технологических характеристик рабочих эмульсий не выходят за допустимые пределы - срок службы СОЖ на конкретном предприятии.

1.4 Проблемы, возникающие в процессе эксплуатации СОЖ

Проблемы при неправильной эксплуатации жидкости и отсутствия контроля над основными физико-химическими показателями могут возникать отклонения в качестве обрабатываемой поверхности (задиры, высокая шероховатость и т.д.), антикоррозионной защите, износе и стойкости инструмента.

Изменение органолептических и гигиенических свойств жидкости может проявляться возникновением сильного неприятного запаха сероводорода, изменением цвета жидкости, появлением негативного воздействия на оператора (раздражение кожи и слизистых оболочек).

Кроме того может наблюдаться расслоение и пенообразование СОЖ, бактериальное поражение. Это также может быть обусловлено и рядом других причин:

*слабые эмульгаторы и стабилизаторы СОЖ, вызывающие ее разделение на отдельные слои;

*нехватка биоцидных компонентов в СОЖ, и как следствие, рост бактерий и грибов, которые практически невозможно вывести из системы.

Что будет, если не побороть эти явления:

*увеличение расходов на СОЖ;

*коррозия станков и отдельных узлов и механизмов;

*выход из строя фильтров и насосов для подачи СОЖ.

1.4.1 Старение масел

При эксплуатации машин и агрегатов смазочные масла подвергаются старению. В результате этого процесса изменяются стандартные показатели качества: температура вспышки, вязкость, кислотное число, плотность, оптические свойства, т.е. физическое состояние и химический состав. Для определения и прогнозирования ресурса необходимо знать механизм старения, математическое описание и обоснованные допустимые значения показателей качества. Масло при эксплуатации подвергается механическим, термоокислительным, температурным и химическим воздействиям в присутствии контактирующих материалов (металлы, полимеры, вода, воздух, кислоты), многие из которых ускоряют его старение. Постоянно воздействующим фактором является тепловая (иногда радиационная и электрическая) энергия, которая определяет статические процессы старения. Механическая энергия возникает при дросселировании, сжатии и разрежении, вибрациях, перемешивании в граничном слое, разделяющем поверхности трения. Термоокислительные и температурные воздействия вызывают окисление и деструкцию не только базовой основы масла, но и присадок. В результате внешних воздействий происходит комплекс физико-химических изменений, которые можно разделить на 3 группы [4]:

1. Изменения физического характера - испарение компонентов масла, накопление продуктов изнашивания и коррозии, растворение газов, воды и компонентов эластомеров.

2. Изменение количественного состава присадок за счет температурной деструкции и образования сорбционных пленок на поверхностях трения.

3. Изменения химического характера - окисление углеводородов базового масла, реакции гидролиза базового масла и присадок вследствие присутствия воды и водных растворов.

Под воздействием высоких температур в присутствии кислорода воздуха масла разлагаются, окисляются и полимеризуются. Кроме того, на процесс старения оказывает влияние контактное окисление на поверхностях трения. Механизм окисления масел исследовался Н.И. Черножуковым и С.Б. Крейном [17-23]. Авторами установлено, что окисление масел происходит по двум направлениям с образованием кислых и нейтральных продуктов [4, 19]. Кислые продукты усиливают коррозию металлов и интенсифицируют коррозионно-механическое изнашивание, а нейтральные - загрязняют масляную систему.

На основе анализа современных методов оценки эксплуатационных свойств смазочно-охлаждающих жидкостей установлено, что они изменяются в результате действия температурной деструкции, а также механических, термоокислительных и химических процессов, протекающих в основном на поверхностях трения и нагретых деталях. Основными из них являются термоокислительные процессы и температурная деструкция, так как увеличение механических воздействий приводит к росту температуры, которая ускоряет химические реакции, окислительные процессы в целом и температурную деструкцию. В этой связи в данной работе определены основные задачи по исследованию процессов окисления и температурной деструкции масел и оценки влияния их продуктов на противоизносные свойства.

1.5 Математическое описание процесса окисления смазочно-охлаждающих жидкостей

Как было отмечено, процесс окисления протекает многостадийно, поэтому некоторыми авторами [4, 7-11] кислотное число принимается за основной показатель, характеризующий интенсивность окислительных процессов и ресурс работоспособности смазочных масел. Цепная реакция автоокисления значительно замедляется при наличии в маслах антиокислительных присадок, роль которых сводится к её прерыванию и превращению активных радикалов и гидроперекисей в стабильные продукты [4]. Математическое описание процесса окисления масла из-за разнообразия химической структуры присадок и различия характера их взаимодействия с поверхностью металлов и продуктами окисления связано со значительными трудностями [12, 13]. Принято считать, что большая часть процесса окисления углеводородов относится к химическим реакциям первого порядка, описываемым кинематическим уравнением

V_i k_i c_i, (1.1)

где k_i - константа скорости реакции, c_i - концентрация вещества.

Решение этого уравнения приводит к зависимости изменения концентрации от времени реакции

c_i c_0i e^kit. (1.2)

Обычно изменения концентрации i c компонентов окисления оценивают одним интегральным критерием, например кислотным числом. Кинематические кривые процесса окисления могут описываться уравнением

y y₀ e^xn, (1.3)

где y₀- начальное значение показателя; x=kt; n - показатель степени (n=1, иногда 0…2,0). Время достижения одинаковых величин показателя при разных скоро- стях реакции k определяется соотношением k₁t₁=k₂t₂. Константу скорости процесса окисления k определяют по уравнению Арениуса



k Ae ^{U/ RT,}(1.4)

где A - постоянная, 1/с; U - энергия активации, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная равная 8,313, Дж/(моль °С). Постоянная A характеризует индивидуальные особенности нефтепродукта. Однако формула (1.4) справедлива при умеренных (докритических) температурах испытания, поэтому при описании процесса старения масла константа скорости химической реакции k и энергия активации приобретают обобщенный характер, интегрально отражая множество происходящих процессов. При форсировании температурного режима испытания смазочного масла возможно изменение закономерности процесса окисления начиная с некоторого времени t_x. Это может быть вызвано разложением антиокислительной присадки при высоких температурах или образованием новых соединений, каталитически действующих на процесс окисления. Поэтому ускоренные испытания масел обычно проводят при температуре не выше t_x, которую устанавливают экспериментально. Для учета процесса старения и расходования органических присадок на формирование граничных защитных пленок на поверхностях трения используют формулу [4]

y y₁ e^kt 2 y₂ / (e ^mkt e ^mkt ), (1.5)

где y₁ и y₂ - исходная величина кислотного числа базового масла и соответственно присадок; m - коэффициент; mk - константа скорости расходования присадок; k - константа скорости окисления базового масла. Принято считать, что закономерности старения масел имеют одинаковый характер [4, 14, 15]. В начале работы двигателя на свежем масле интенсивно возрастает концентрация механических примесей органического и неорганического происхождения, кислотное число и одновременно снижается щелочность. По истечению некоторого времени процесс стабилизируется в основном из-за работы фильтров тонкой очистки масла и доливов свежего масла в процессе эксплуатации двигателя [16]. Явление стабилизации не означает прекращения процесса окисления, а характеризует протекание его с меньшей интенсивностью. Так, срабатываемость щелочного запаса может быть описана уравнением первого порядка

x x₀ e ^kt, (1.6)

где x₀- начальная концентрация присадки; x- текущее значение концентрации присадки. При отсутствии угара и долива масла в картер двигателя время срабатывания присадки t определяется выражением:

t k¹ ln(x₀/x). (1.7)

Изменение концентрации присадки в масле с учетом непрерывного угара и долива можно представить в виде выражения для допустимого времени срабатывания присадки

,(1.8)

где G_m - масса масла; Q_y,Q_g - скорость соответственно угара и долива мас- ла; x_g - концентрация присадки в доливаемом масле. Выражение 1.8 справедливо при условии

.



Авторы [16] предлагают осуществлять доливы маслом, обогащённым присадкой, которая рассчитывается по формуле:

. (1.9)

Использование уравнений (1.4), (1.6), (1.9) в практике эксплуатации техники затруднено по причине необходимости определения скоростей угара и долива, текущей концентрации присадки и скорости её срабатывания. Более того, если учитывать влияние металлов, доливов и продуктов неполного сгорания топлива на процессы старения масел, то проблема их аналитического описания становится невозможной

Однако, несмотря на улучшения процесса протекания механической обработки при применении СОЖ, имеется ряд негативных факторов. Современные СОЖ представляют собой сложные многокомпонентные системы, содержащие присадки различного назначения, причем некоторые из них могут быть токсичными для рабочих [1, 2]. Отдельные химические соединения, не обладающие выраженными токсичными свойствами, могут их приобретать в результате взаимодействия или синергического эффекта различных химических составляющих СОЖ, обрабатываемых и инструментальных материалов. Как уже говорилось ранее, в процессе механической обработки поверхностей деталей из-за высоких температур СОЖ может переходить в газообразное состояние, образуя при этом аэродисперсные системы на основе аэрозолей СОЖ [4]. При этом современные СОЖ содержат компоненты, имеющие малые температуры вспышки. Анализируя опыт развития технологий, направленных на минимизацию использования СОЖ, можно выделить три основных направления развития [3, 5]:

развитие технических решений, позволяющих полностью отказаться от СОЖ в процессе механической обработки;

замена СОЖ на экологически чистые и безопасные для человека и окружающей среды материалы;

осуществление механической обработки с минимальной подачей СОЖ.

Как показывает опыт западного машиностроения [3, 6], по мере усиления законодательства и налоговых санкций, направленных на защиту окружающей среды, подобные технологии, позволяющие минимизировать использование СОЖ, становятся все более востребованными.



2. Объект и методы исследования

2.1 Основные характеристики исследуемых смазочно-охлаждающих жидкостей

Объектом исследования являлись образцы смазочно-охлаждающих жидкостей трех различных марок:

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

2. МР-3 фирмы ЗАО НПО «Промэкология» (Россия, Омск) по ТУ 0258-082-23763315-2010.

3. МР-7 фирмы ЗАО НПО «Промэкология» (Россия, Омск) по ОСТ 38.01445-88 с изм. №1.

Серия Garia - это целая линейка профессиональных современных средств от мирового лидера Houghton. Технологические продукты серии представляют собой активные СОЖ на масляной основе. Активная среда средств Garia значительно повышает эффективность их применения при самых тяжелых операциях, связанных с глубинным сверлением или шлифованием труднодоступных участков и проходящих при низких скоростных значениях. Продукция широко используется в ходе таких процессов как: шевингование, сверление, хонингование, шлифование, резание.

СОЖ марки МР-7 - это смесь высококачественных минеральных масел различной вязкости с высокоэффективными противозадирными, антифрикционными и антикоррозионными присадками. Применяется при протягивании углеродистых, легированных, нержавеющих и жаропрочных сталей на операциях точения, фрезерования, сверления, нарезания резьбы, а так же на станках-автоматах. Обеспечивает отличную износостойкость инструмента и высокое качество обрабатываемых деталей, обладает хорошими смазывающими и противозадирными свойствами и имеет высокие антикоррозионные характеристики.

Смазочно-охлаждающая жидкость марки МР-3 - средневязкая масляная СОЖ активного типа, содержащая жировые добавки, противоизносные, противозадирные и антикоррозионные присадки. Не содержит хлор и азот. Используется в качестве СОЖ при обработке резанием легированных и нержавеющих сталей и сплавов на операциях сверления, глубокого сверления отверстий диаметром до 300 мм, растачивания, резьбы и зубошлифования. Увеличивает стойкость режущего инструмента и снижает шероховатость обрабатываемой поверхности; хорошо транспортирует стружку из зоны резания.

2.2 Методы исследования и средства измерения

В исследовании применяли химико-аналитические методы, для чего использовали следующие средства измерений: 1) термостат жидкостный (с механической мешалкой) для исследования нефтепродуктов мод. ВИС-Т-08-4 ООО Термэкс (Россия); 2) спектрометр рентгенофлуоресцентный мод. Спектроскан S НПО Спектрон (Россия); 3) лабораторные аналитические весы I класса точности мод. Ohaus Pioneer PA-214C фирмы Ohaus (США); 4) ареометр стеклянный для нефти мод. АН ОАО Стеклоприбор (Украина); 5) вискозиметр Штабингера SVM 3000 фирмы Anton Paar GMBH (Австрия).

Методики химико-аналитических исследований предусматривали термостатирование СОЖ при температурах 20, 30, 50, 75 и 95 °С в течение 8 часов. Далее, термостатирование при 95 °С в течение 200 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.

2.2.1 Методика определения плотности и вязкости образцов

Определение плотности и вязкости производилось с помощью вискозиметра Штабингера SVM3000 (фирма Anton Paar GMBH). Определение кинематической вязкости нефтепродуктов проводится в соответствии с ГОСТом 33-2000 (ISO 3104-94). Основа метода - измерение времени истечения определенного объема жидкости под действием силы тяжести через калиброванный стеклянный капиллярный вискозиметр. ГОСТ. Этот же ГОСТ предусматривает и вычисление по полученным результатам динамической вязкости. Технические характеристики прибора приведены ниже (табл. 2.1)