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 P z, obciążenie zacierające P t, największe obciążenie niezacierające P n, wskaźnik zużycia pod obciążeniem I h oraz graniczne obciążenie zużycia G oz. 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 P z i granicznego obciążenia zużycia G oz, 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 P z, wskaźnik zużycia pod obciążeniem I h, największe obciążenie niezacierające P n, obciążenie zacierające P t i graniczne obciążenie zużycia G oz. Obciążenie zespawania P z i wskaźnik zużycia pod obciążeniem I h charakteryzują przeciwzatarciowe działanie środków smarnych, natomiast największe obciążenie niezacierające P n i obciążenie zacierające P t cechują trwałość warstwy smarowej. Wyznaczenie wskaźników P n, I h, P z odbywało się zgodnie z normą [14] przy narastającym skokowo obciążeniu aż do zatarcia kulek. Wyznaczenie wskaźnika P t 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 P t 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 P t przyjmuje się średnią arytmetyczną wyników co najmniej trzech oznaczeń nieróżniących się od jej średniej arytmetycznej więcej niż o 10%. Oznaczenie G oz 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: P z, P n, P t i I h dla badanych środków smarnych. Obciążenie zespawania P z nie zmieniło się, natomiast pozostałe wskaźniki, tj. największe obciążenie niezacierające P n, obciążenie zacierające P t oraz wskaźnik zużycia pod obciążeniem I h, wzrosły. Wartość wskaźnika zużycia pod obciążeniem I h 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 3000 2500 2000 1500 1000 500 TTP 15W40 TTP 15W40 + MIND 0 P1 n P2 z I h 3 P4 t Rys. 3. Właściwości smarne oleju silnikowego Titan Truck Plus 15W40 oraz modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym Mind M: P n największe obciążenie niezacierające, P z obciążenie zespawania, I h wskaźnik zużycia pod obciążeniem, P t obciążenie zacierające Fig. 3. Lubricating properties of Titan Truck Plus 15W40 engine oil and modified by Mind M aftermarket additive: P n maximum non-seizure point, P z weld point, I h load wear index, P t 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. średnica skaz [mm] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 TTP 15W40 TTP 15W40 + MIND 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 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 G oz aż o 370% (z wartości 830 N/mm 2 do 3061 N/mm 2 ). 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]. graniczne obciążenie zużycia [N/mm 2 ] 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 P n [N] 784,8 981 P z [N] 3090 3090 I h [N] 468 628 P t [N] 2200 2416 G oz [N/mm 2 ] 830 3061
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 P z nie zmieniło się, natomiast wzrosły pozostałe, tj. największe obciążenie niezacierające P n, obciążenie zacierające P t i wskaźnik zużycia pod obciążeniem I h. 3. Preparat eksploatacyjny w znaczący sposób poprawia odporność na zużycie współpracujących elementów charakteryzowaną parametrem G oz graniczne obciążenie zużycia. Parametr ten wzrósł aż o 370% (z wartości 830 N/mm 2 do 3061 N/mm 2 ), 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 P z, maximum non-seizure point P n, seizure point P t, load wear index I h and load limit of wear G oz. 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.