badania właściwości smarnych oleju silnikowego titan truck plus

badania właściwości smarnych oleju silnikowego titan truck plus

Andrzej Młynarczak
Akademia Morska w Gdyni
BADANIA WŁAŚCIWOŚCI SMARNYCH OLEJU SILNIKOWEGO
TITAN TRUCK PLUS 15W40 MODYFIKOWANEGO PREPARATEM
EKSPLOATACYJNYM O DZIAŁANIU CHEMICZNYM
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 Mind M. 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.
Uzyskane wyniki są zgodne z wcześniejszymi badaniami autora dotyczącymi innego preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym Motor Life Professional. Badania wykazały, że preparat eksploatacyjny Mind M 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 być korzystna w trudnych warunkach pracy urządzenia, np. częste starty i zmiany obciążenia, przeciążenia, praca w zanieczyszczonym środowisku (np. transport, górnictwo,
budownictwo). W przypadku silników okrętowych preparaty eksploatacyjne mogą uchronić silnik
przed zatarciem w sytuacji braku smarowania.
Słowa kluczowe: bezwodzikowy silnik okrętowy, olej smarowy, preparat eksploatacyjny, właściwości
smarne.
WSTĘP
Zapewnienie właściwego smarowania współpracujących elementów węzłów
tarcia jest jednym z najważniejszych problemów na etapie konstrukcji i eksploatacji maszyn. Główną przyczyną utraty zdolności produkcyjnej maszyn i urządzeń
(85–90%) jest zużycie wywołane tarciem [4]. Według [2] 50% paliwa spalanego
przez środki transportu jest zużywane na straty tarcia w ruchomych węzłach.
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 pojawiła się idea wprowadzenia do węzła tarcia wraz z olejem dodatkowej
substancji – preparatu eksploatacyjnego.
78
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 81, listopad 2013
W literaturze przedmiotowej oraz informacjach producentów prezentowane są
skrajne opinie dotyczące działania preparatów eksploatacyjnych – od szkodliwości,
poprzez znikomą skuteczność do efektywności i dużego znaczenia technicznoekonomicznego oraz ekologicznego [1, 4–5, 7, 9–11]. Tak odmienne opinie wynikają z dużej różnorodności preparatów eksploatacyjnych i różnych mechanizmów
ich działania.
Obecnie najszersze zastosowanie znajdują preparaty o działaniu chemicznym.
Łączą się one trwale z olejem, nie osadzają się zatem na filtrach i nie tworzą
warstw termoizolacyjnych, czego nie można powiedzieć o preparatach zawierających w swym składzie cząstki środków smarnych stałych.
Autorzy prac [3, 6, 8] 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, iż 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 Mind M 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 [14].
1. 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 [13–16].
Węzeł tarcia przedstawiony na rysunku 1 składał się z czterech kulek ze stali
100 Cr6 o średnicy 12,7 mm, chropowatości powierzchni wyrażonej parametrem
Ra = 0,032 μm i twardości według Rockwella 60 HRC. Trzy nieruchome dolne
kulki 2, osadzone nieruchomo w uchwycie 4, dociskane są siłą P do obracającej się
z prędkością n kulki górnej 1. Dolne kulki zanurzone są całkowicie w badanym
oleju [16].
Badania przeprowadzono dla oleju silnikowego Titan Truck Plus 15W40 stosowanego do smarowania łożysk oraz tulei cylindrowych bezwodzikowych silników okrętowych. Jest to olej silnikowy typu SHPD (Super High Performance
Diesel), oparty na bazie mineralnej z pakietem dodatków uszlachetniających zapewniającym (wg producenta oleju) bardzo dobre właściwości smarne. Olej ten
modyfikowano 5% (w stosunku objętościowym) preparatem eksploatacyjnym
o działaniu chemicznym – Mind M. Składy chemiczne preparatów eksploatacyj-
A. Młynarczak, Badania właściwości smarnych oleju silnikowego Titan Truck Plus 15W40 modyfikowanego...
79
nych o działaniu chemicznym objęte są tajemnicą producentów. Według [10]
Mind M jest kompleksem węglowodorowym, który łączy się chemicznie z metalem, tworząc na powierzchni mikroskopijną, odporną na ścieranie powłokę samosmarną.
Rys. 1. Schemat węzła tarcia: 1 – kulka górna, 2 – kulki dolne,
3 – uchwyt kulki, 4 – gniazdo kulek
Fig. 1. Scheme of the friction pair: 1 – top ball, 2 – lower balls,
3 – top ball holder, 4 – lower balls seat
Zgodnie z normą [14] wyznaczono następujące wskaźniki określające właściwości smarne: obciążenie zespawania Pz, wskaźnik zużycia pod obciążeniem Ih,
największe obciążenie niezacierające Pn, obciążenie zacierające Pt i graniczne obciążenie zużycia Goz.
Obciążenie zespawania Pz i wskaźnik zużycia pod obciążeniem Ih charakteryzują przeciwzatarciowe działanie środków smarnych, natomiast największe obciążenie niezacierające Pn i obciążenie zacierające Pt cechują trwałość warstwy smarowej.
Wyznaczenie wskaźników Pn, Ih, Pz odbywało się zgodnie z normą [14] przy
narastającym skokowo obciążeniu aż do zatarcia kulek. Wyznaczenie wskaźnika Pt
następowało pod wzrastającym w sposób ciągły obciążeniem (zaczynającym się od
obciążenia równego zeru), aż do uzyskania gwałtownego wzrostu oporów ruchu
definiowanego jako przerwanie warstwy smarowej i rozpoczęcie zacierania.
Sposób wyznaczenia wskaźnika Pt przedstawiono na rysunku 2. Miejsce, które
wskazuje strzałka, jest obciążeniem, przy którym następuje gwałtowny wzrost
oporów ruchu (gwałtowny wzrost momentu tarcia), wskazujący na rozpoczęcie
zacierania. Za wynik oznaczenia obciążenia zacierającego Pt przyjmuje się średnią
arytmetyczną wyników co najmniej trzech oznaczeń nieróżniących się od jej średniej arytmetycznej więcej niż o 10%.
Oznaczenie Goz polegało zgodnie z normą [14] na przeprowadzeniu
60-sekundowych biegów zespołu czterech kulek stalowych w obecności badanych
80
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 81, listopad 2013
środków smarowych, pod stałym obciążeniem, a następnie obliczeniu nacisków
jednostkowych w węźle tarcia na podstawie średniej średnicy skaz powstałych na
nieruchomych kulkach.
Rys. 2. Przebieg momentu tarcia i temperatury przy narastającym obciążeniu węzła tarcia
smarowanego olejem Titan Truck Plus 15W40 modyfikowanym
preparatem eksploatacyjnym Mind M
Fig. 2. The moment of friction and temperature for an increasing load of the friction pair
lubricated by Titan Truck Plus 15W40 engine oil modified by Mind M chemical interaction
aftermarket additive
2. WYNIKI BADAŃ
Wyniki badań oleju silnikowego Titan Truck Plus 15W40 oraz modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym Mind M przedstawiono w tabeli 1 oraz na rysunkach 3–5.
Na rysunku 3 przedstawiono porównanie wyznaczonych wskaźników: Pz, Pn,
Pt i Ih dla badanych środków 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.
Wartość wskaźnika zużycia pod obciążeniem Ih oblicza się według [14] i jego
wzrost wynika z mniejszej średnicy skaz zmierzonej na dolnych kulkach. Mniejsza
średnica skaz jest efektem lepszych właściwości przeciwzużyciowych oleju modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym.
A. Młynarczak, Badania właściwości smarnych oleju silnikowego Titan Truck Plus 15W40 modyfikowanego...
81
wskaźniki Pn, Pz, Ih, Pt [N]
3500
TTP 15W40
3000
TTP 15W40 + MIND
2500
2000
1500
1000
500
0
P1n
P2
z
Ih3
P4t
Rys. 3. Właściwości smarne oleju silnikowego Titan Truck Plus 15W40 oraz modyfikowanego
preparatem eksploatacyjnym Mind M: Pn – największe obciążenie niezacierające,
Pz – obciążenie zespawania, Ih – wskaźnik zużycia pod obciążeniem,
Pt – obciążenie zacierające
Fig. 3. Lubricating properties of Titan Truck Plus 15W40 engine oil and modified
by Mind M aftermarket additive: Pn – maximum non-seizure point, Pz – weld point,
Ih – load wear index, Pt – seizure point
Zależność średnicy skaz od obciążenia dla oleju Titan Truck Plus 15W40
oraz modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym Mind M przedstawiono na
rysunku 4. 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. Dodanie zatem preparatu
eksploatacyjnego Mind M do badanego oleju smarowego powoduje zwiększenie
odporności na zużycie współpracujących elementów węzła tarcia.
4,0
TTP 15W40
średnica skaz [mm]
3,5
TTP 15W40 + MIND
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
obciążenie [N]
Rys. 4. Średnice skaz w funkcji obciążenia dla badanych środków smarowych
Fig. 4. Scar diameters in load function for tested lubricants
82
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 81, listopad 2013
2
graniczne obciążenie zużycia [N/mm ]
Z rysunku 5 wynika, że preparat eksploatacyjny w znaczący sposób poprawia
odporność na zużycie współpracujących elementów. Dodanie preparatu eksploatacyjnego Mind M (w ilości 5% objętościowo) do oleju Titan Truck Plus 15W40
spowodowało wzrost granicznego obciążenia zużycia Goz aż o 370% (z wartości
830 N/mm2 do 3061 N/mm2). Wynik ten może sugerować, iż 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.
Uzyskane wyniki zgodne są z wcześniejszymi badaniami dotyczącymi innego
preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym i opublikowanymi w [12].
3500
TTP 15W40
3000
TTP 15W40 + MIND
2500
2000
1500
1000
500
0
1
2
Rys. 5. Graniczne obciążenie zużycia badanych środków smarowych
Fig. 5. The load limit of wear for tested lubricants
Tabela 1. Właściwości smarne oleju Titan Truck Plus 15W40 modyfikowanego preparatem
eksploatacyjnym Mind M
Table 1. Lubricating properties of Titan Truck Plus 15W40 engine oil and modified
by Mind M aftermarket additive
Wskaźniki właściwości
smarnych
Titan Truck Plus 15W40
Titan Truck Plus 15W40
+ 5% Mind M
Pn [N]
784,8
981
Pz [N]
3090
3090
Ih [N]
468
628
Pt [N]
2200
2416
830
3061
2
Goz [N/mm ]
A. Młynarczak, Badania właściwości smarnych oleju silnikowego Titan Truck Plus 15W40 modyfikowanego...
83
PODSUMOWANIE
1. Preparat eksploatacyjny Mind M dodany do oleju smarowego Titan Truck Plus
15W40 w stosunku 5% (objętościowo) poprawia właściwości przeciwzużyciowe i przeciwzatarciowe.
2. Spośród badanych wskaźników obciążenie zespawania Pz nie zmieniło się, natomiast wzrosły pozostałe, 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 370% (z wartości 830 N/mm2 do
3061 N/mm2), co może sugerować, iż 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 preparatami eksploatacyjnymi o działaniu
chemicznym może być uzasadnione w trudnych warunkach pracy urządzenia,
np. częste rozruchy i zmiany obciążenia, przeciążenia, praca w zanieczyszczonym środowisku (transport, górnictwo, budownictwo). W przypadku silników
okrętowych preparaty eksploatacyjne mogą uchronić silnik przed zatarciem
w sytuacji braku smarowania.
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. Krawiec S., Wpływ synergizmu wybranych napełniaczy w smarze na zwiększenie trwałości ślizgowych węzłów maszyn, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1998.
3. 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.
4. Laber A., Modyfikowanie warunków pracy węzła tarcia olejami z dodatkami eksploatacyjnymi na
bazie środków smarnych stałych, Tribologia, 2011, nr 5, s. 137–145.
5. Laber S., Badania własności eksploatacyjnych i smarnych uszlachetniacza metalu, Uniwersytet
Zielonogórski, Zielona Góra 2003.
6. Laber S., Adamczuk K., Właściwości tribologiczne węzła tarcia z wykorzystaniem wybranych
gatunków brązów, Tribologia, 2010, nr 6, s. 49–57.
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. Laber S., Laber, A., Ocena własności smarnych wybranych środków smarowych stosowanych
w eksploatacji urządzeń dźwigowych, Tribologia, 2010, nr 4, s. 275–281.
84
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 81, listopad 2013
9. Łuksa A., Witkoś A., Dodatki uszlachetniające do olejów smarowych, Paliwa, Oleje i Smary
w Eksploatacji, 1995, nr 19, s. 24–26.
10. Materiały informacyjne dotyczące preparatu eksploatacyjnego Mind.
11. Mc Fall D., Dwugłos na temat dodatków wspomagających do olejów, Paliwa, Oleje i Smary
w Eksploatacji, 2000, nr 69, s. 19–23.
12. Młynarczak A., Badania wpływu preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym na własności smarne oleju Titan Truck Plus 15W40 stosowanego w silnikach okrętowych, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 2012.
13. Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W., The action of lubricants under extreme pressure
conditions in a modified four-ball tester, Wear, Vol. 240, 2001, p. 183–193.
14. PN-76/C-04147, Badanie własności smarnych olejów i smarów.
15. Szczerek, M., Tuszyński, W., Tribological Tests, Scuffing, Instytut Technologii Eksploatacji,
Radom 2000.
16. T-02U Aparat czterokulowy, Instrukcja obsługi, Instytut Technologii Eksploatacji, Radom 2011.
INVESTIGATION OF THE LUBRICATING PROPERTIES OF TITAN TRUCK
PLUS 15W40 ENGINE OIL MODIFIED BY CHEMICAL INTERACTION
AFTERMARKET ADDITIVE
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 Mind M 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.
Obtained results agree with previous authors investigations concerning different chemical interaction
aftermarket additive Motor Life Professional. Investigations showed that modification of lubricating
oil by Mind M 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
oils (provided by antwear and antiseizure additives by the manufacturer) by the aftermarket additives
can bring some advantages rather only in hard working condition of the machine for example
frequent starts and load changes, overloads, operation in polluted atmosphere (transport, mining,
building engineering). In case of marine diesel engines aftermarket additives can protect engine
against seizing in the event of lubrication lack.
Keywords: trunk piston diesel engine, lubricating oil, aftermarket additive, lubricating properties.