Andrzej Młynarczak Akademia Morska w Gdyni BADANIA WPŁYWU PREPARATU EKSPLOATACYJNEGO O DZIAŁANIU CHEMICZNYM NA WŁAŚCIWOŚCI SMARNE OLEJU TITAN TRUCK PLUS 15W40 STOSOWANEGO W SILNIKACH OKRĘTOWYCH W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości smarnych oleju silnikowego Titan Truck Plus 15W40 stosowanego w bezwodzikowych silnikach okrętowych oraz modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym o działaniu chemicznym Motor Life Professional (MLP). Badania wykonano na aparacie czterokulowym T-02 zgodnie z PN-76/C-04147. Wyznaczono następujące wskaźniki właściwości smarnych: obciążenie zespawania P z, obciążenie zacierające P t, największe obciążenie niezacierające P n, wskaźnik zużycia pod obciążeniem I h oraz graniczne obciążenie zużycia G oz. Badania wykazały, że preparat eksploatacyjny Motor Life Professional dodany do oleju smarowego spowodował poprawę jego właściwości przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych, a w szczególności znaczący wzrost odporności na zużycie współpracujących elementów węzła tarcia. Zdaniem autora modyfikacja olejów silnikowych (wyposażonych przez producenta w dodatki przeciwzużyciowe i przeciwzatarciowe) preparatami eksploatacyjnymi może przynieść pewne korzyści w trudnych warunkach pracy urządzenia, np. częste starty i zmiany obciążenia, przeciążenia, praca w zanieczyszczonym środowisku itp. WSTĘP Oleje smarowe charakteryzują się coraz lepszą jakością. Poprawę jakości uzyskuje się dzięki dodatkom uszlachetniającym będącym ich integralną częścią. Mimo to w ekstremalnych warunkach pracy systemów tribologicznych (wysokie naciski, prędkości względne, temperatury, chwilowy brak smarowania np. podczas rozruchu) elementy tych systemów nie są dostatecznie chronione. W związku z tym w ostatnich latach pojawiła się idea wprowadzenia do węzła tarcia wraz z olejem dodatkowej substancji preparatu eksploatacyjnego. W literaturze przedmiotu oraz informacjach producentów prezentowane są skrajne opinie dotyczące działania preparatów eksploatacyjnych od szkodliwości, poprzez znikomą skuteczność do efektywności i dużego znaczenia techniczno- -ekonomicznego oraz ekologicznego [1, 3, 4, 7 10]. Tak odmienne opinie wynikają między innymi z dużej różnorodności preparatów eksploatacyjnych i różnych mechanizmów ich działania.
A. Młynarczak, Badania wpływu preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym na właściwości... 63 Obecnie najszersze zastosowanie znajdują preparaty o działaniu chemicznym. Preparaty te łączą się trwale z olejem, zatem nie osadzają się na filtrach i nie tworzą warstw termoizolacyjnych, czego nie można powiedzieć o preparatach zawierających w swym składzie cząstki środków smarnych stałych. Autorzy prac [2, 5, 6] nie uzyskali zdecydowanej poprawy wskaźników właściwości smarnych, oprócz obciążenia zespawania P z i granicznego obciążenia zużycia G oz, które świadczą o pozytywnym wpływie preparatu eksploatacyjnego w ekstremalnych warunkach pracy. Z tego powodu można sądzić, że w przypadku olejów silnikowych wyposażonych przez producenta w pakiety dodatków przeciwzużyciowych (AW) i przeciwzatarciowych (EP) może budzić wątpliwość stosowanie preparatów eksploatacyjnych. W niniejszej pracy podjęto próbę oceny wpływu preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym Motor Life Professional na właściwości smarne oleju obiegowego Titan Truck Plus 15W40 stosowanego w bezwodzikowych silnikach okrętowych. Badania przeprowadzono przy użyciu aparatu czterokulowego T-02 zgodnie z normą PN-76/C-04147 [12]. 1. STANOWISKO BADAWCZE I METODYKA BADAŃ Do przeprowadzenia badań tribologicznych użyto aparatu czterokulowego T-02, wyposażonego we wspomagane komputerowo systemy sterowania i pomiarów. Urządzenie zostało zaprojektowane i wykonane w Instytucie Technologii Eksploatacji w Radomiu. Metodologię pomiarów opisano w pozycjach [11 14]. Węzeł tarcia (rys. 1) składał się z czterech kulek ze stali 100 Cr6 o średnicy 12,7 mm, chropowatości powierzchni R a = 0,032 µm i twardości według Rockwella 60 HRC. Trzy nieruchome dolne kulki (nr 2 na rys. 1) osadzone w gnieździe (4) dociskane są siłą P do wirującej z prędkością obrotową n kulki górnej (1). Dolne kulki zanurzone są całkowicie w badanym oleju. W ten sposób pomiędzy współpracującymi kulkami występuje tarcie ślizgowe. P n 3 Rys. 1. Schemat węzła tarcia [14]: 1 kulka górna, 2 kulki dolne, 3 uchwyt kulki, 4 gniazdo kulek Fig. 1. Scheme of the friction pair [14]: 1 top ball, 2 lower balls, 3 top ball holder, 4 lower balls seat 1 2 4
64 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 76, grudzień 2012 Badania przeprowadzono dla oleju silnikowego Titan Truck Plus 15W40 (TTP) stosowanego do smarowania łożysk oraz tulei cylindrowych bezwodzikowych silników okrętowych. Właściwości fizyczne oleju Titan Truck Plus 15W40 przedstawiono w tabeli 1. Olej ten modyfikowano 5-procentowym (w stosunku objętościowym) preparatem eksploatacyjnym o działaniu chemicznym Motor Life Professional (MLP). MLP składa się ze związków grupy ditiofosforanów cynku, alkilowych, pierwszo- i drugorzędowych, siarczków organicznych, nadzasadowych sulfonianów magnezu, kwasów alkenobursztynowych, siarkowanych kwasów tłuszczowych, polimetylosiloksanów, alkilometakrylanów, kopolimerów etylenowo-propylenowych, mieszaniny syntetycznych estrów poliolowych wywodzących się z alkoholi wielowodorotlenowych, inhibitorów korozji, inhibitorów utlenienia. Charakteryzuje się dużym ciężarem cząsteczkowym oraz wysoką stabilnością chemiczną i termiczną [9]. Właściwości fizyczne preparatu eksploatacyjnego MLP przedstawiono w tabeli 2. Tabela 1. Właściwości fizyczne oleju smarnego Titan Truck Plus 15W40 Table 1. Physical properties of the Titan Truck Plus 15W40 motor oil Nr Parametr Wartość 1 Gęstość w temp. 15 C [g/ml] 0,887 2 Temperatura zapłonu [ C] 230 3 Temperatura krzepnięcia [ C] - 35 4 Wskaźnik lepkości [-] 138 5 Lepkość kinematyczna w temp. 100 C [mm 2 /s] 13,9 6 Lepkość kinematyczna w temp. 40 C [mm 2 /s] 104 Tabela 2. Właściwości fizyczne preparatu eksploatacyjnego Motor Life Professional [9] Table 2. Physical properties of the Motor Life Professional aftermarket additive [9] Nr Parametr Wartość 1 Gęstość w temp. 20 C [g/ml] 1,194 2 Temperatura wrzenia [ C] 275 3 Temperatura zapłonu [ C] 210 4 Temperatura krzepnięcia [ C] - 43 6 Lepkość kinematyczna w temp. 100 C [mm 2 /s] 5,63 7 Lepkość kinematyczna w temp. 40 C [mm 2 /s] 117,7 Według normy [12] wyznaczono następujące wskaźniki właściwości smarnych: obciążenie zespawania P z, wskaźnik zużycia pod obciążeniem I h, największe obciążenie niezacierające P n, obciążenie zacierające P t oraz graniczne obciążenie zużycia G oz. Wyznaczenie wskaźników P n, I h, P z odbywało się przy narastającym skokowo obciążeniu aż do momentu zespawania kulek. Wyznaczenie wskaźnika P t odbywało się pod wzrastającym w sposób ciągły obciążeniem (zaczynającym się od obciążenia równego zero), aż do uzyskania gwałtownego wzrostu oporów ruchu definiowanego jako początek zacierania.
A. Młynarczak, Badania wpływu preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym na właściwości... 65 2. WYNIKI BADAŃ Wyniki badań właściwości smarnych oleju silnikowego Titan Truck Plus 15W40 oraz modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym Motor Life Professional przedstawiono w tabeli 3 oraz na rysunkach 2 4. Rysunek 2 stanowi porównanie badanych wskaźników właściwości smarnych. Obciążenie zespawania 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. Obciążenie zespawania i wskaźnik zużycia pod obciążeniem charakteryzują przeciwzatarciowe działanie środków smarnych, natomiast największe obciążenie niezacierające i obciążenie zacierające charakteryzują trwałość warstwy smarnej i służą do wyznaczenia warunków, w których następuje zniszczenie tej warstwy, i rozpoczęcia zacierania. Uzyskane wyniki wskazują na to, że preparat eksploatacyjny zwiększył wytrzymałość warstwy granicznej utworzonej na powierzchni kulek. Wartość wskaźnika zużycia pod obciążeniem oblicza się według [12] i jego wzrost wynika z mniejszej średnicy skaz zmierzonej na dolnych kulkach. Zależność średnicy skaz od obciążenia dla oleju Titan Truck Plus 15W40 oraz modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym Motor Life Professional przedstawiono na rysunku 3. Tylko dla obciążenia wynoszącego 784,8 N średnice skaz są zbliżone. Dla wyższych obciążeń węzła tarcia niższe średnice uzyskuje się w przypadku oleju modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym. Zatem dodanie preparatu eksploatacyjnego MLP do badanego oleju smarowego powoduje zwiększenie odporności na zużycie współpracujących elementów węzła tarcia. Z rysunku 4 wynika, że preparat eksploatacyjny w znaczący sposób poprawia odporność na zużycie współpracujących elementów. Dodanie preparatu eksploatacyjnego Motor Life Professional (w ilości 5% objętościowo) do oleju Titan Truck Plus 15W40 spowodowało wzrost granicznego obciążenia zużycia G oz aż o 248% (z wartości 830 N/mm 2 do 3190 N/mm 2 ). Wynik ten może sugerować, że preparat eksploatacyjny tworzy na powierzchni współpracujących elementów dodatkową warstwę graniczną (niezależnie od warstwy granicznej utworzonej przez olej smarowy), która uaktywnia się w ekstremalnych warunkach pracy elementów węzła tarcia. Warstwa ta może stanowić dodatkową ochronę przed zatarciem. Tabela 3. Właściwości smarne oleju Titan Truck Plus 15W40 modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym Motor Life Professional Table 3. Lubricating properties of Titan Truck Plus 15W40 engine oil and modified by Motor Life Professional aftermarket additive Wskaźniki właściwości smarnych Titan Truck Plus 15W40 Titan Truck Plus 15W40 + 5% Motor Life Professional P n [N] 784,8 981 P z [N] 3090 3090 I h [N] 468 570,5 P t [N] 2200 2250 G oz [N/mm 2 ] 830,5 3263,4
66 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 76, grudzień 2012 Wskaźniki Pn, Pz, Ih, Pt [N] 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 TTP 15W40 TTP 15W40 + MLP 0 1P n 2P z 3I h P4 t Rys. 2. Właściwości smarne oleju obiegowego Titan Truck Plus 15W40 oraz modyfikowanego preparatem eksploatacyjnym Motor Life Professional: P n największe obciążenie niezacierające, P z obciążenie zespawania, I h wskaźnik zużycia pod obciążeniem, P t obciążenie zacierające Fig. 2. Lubricating properties of Titan Truck Plus 15W40 engine oil and modified by Motor Life Professional aftermarket additive: P n maximum non-seizure point, P z weld point, I h load wear index, P t seizure point 4,0 Średnica skaz [mm] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 TTP 15W40 TTP 15W40 + MLP 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Obciążenie [N] Rys. 3. Średnice skaz w funkcji obciążenia dla badanych środków smarowych Fig. 3. Scar diameters in load function for tested lubricants
A. Młynarczak, Badania wpływu preparatu eksploatacyjnego o działaniu chemicznym na właściwości... 67 3500 Graniczne obciążenie zużycia [N/mm 2 ] 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 TTP 15W40 TTP 15W40 + MLP Rys. 4. Graniczne obciążenie zużycia badanych środków smarowych Fig. 4. The load limit of wear for tested lubricants PODSUMOWANIE 1. Preparat eksploatacyjny Motor Life Professional dodany do oleju smarowego Titan Truck Plus 15W40 w stosunku 5% (objętościowo) poprawia właściwości przeciwzużyciowe i przeciwzatarciowe charakteryzowane przez wskaźniki właściwości smarnych. 2. Spośród badanych wskaźników właściwości smarnych obciążenie zespawania P z nie zmieniło się, natomiast wzrosły pozostałe wskaźniki, 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 248% (z wartości 830 N/mm 2 do 3190 N/mm 2 ), co może sugerować, że preparat eksploatacyjny tworzy na powierzchni współpracujących elementów dodatkową warstwę graniczną (niezależnie od warstwy granicznej utworzonej przez olej smarowy), która uaktywnia się w ekstremalnych warunkach pracy elementów węzła tarcia. Warstwa ta może stanowić dodatkową ochronę przed zatarciem. 4. Modyfikowanie olejów silnikowych (już wyposażonych przez producenta w pakiety dodatków przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych) preparatami eksploatacyjnymi o działaniu chemicznym może być uzasadnione w trudnych warunkach pracy urządzenia, takich jak częste rozruchy i zmiany obciążenia, przeciążenia, praca w zanieczyszczonym środowisku itp.
68 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 76, grudzień 2012 LITERATURA 1. Capanidis D., Wieleba W., Kowalewski P., Wpływ wybranych smarowych preparatów eksploatacyjnych na właściwości tribologiczne materiałów polimerowych podczas tarcia ze stalą, Tribologia, 2010, nr 6, s. 11 23. 2. Laber A., Analiza możliwości wykorzystania preparatu eksploatacyjnego Motor Life Professional w modyfikowaniu warunków pracy węzłów tarcia pojazdów samochodowych, Tribologia, 2009, nr 5, s. 99 108. 3. Laber A., Modyfikowanie warunków pracy węzła tarcia olejami z dodatkami eksploatacyjnymi na bazie środków smarnych stałych, Tribologia, 2011, nr 5, s. 137 145. 4. Laber S., Badania własności eksploatacyjnych i smarnych uszlachetniacza metalu, Uniwersytet Zielonogórski, 2003. 5. Laber S., Adamczuk K., Właściwości tribologiczne węzła tarcia z wykorzystaniem wybranych gatunków brązów, Tribologia, 2010, nr 6, s. 49 57. 6. Laber S., Laber, A., Ocena własności smarnych wybranych środków smarowych stosowanych w eksploatacji urządzeń dźwigowych, Tribologia, 2010, nr 4, s. 275 281. 7. Laber S., Jenek M., Badania wpływu preparatów eksploatacyjnych na zmianę własności smarnych olejów oraz właściwości tribologiczne żeliwa, Tribologia, 2010, nr 6, s. 25 38. 8. Łuksa A., Witkoś A., Dodatki uszlachetniające do olejów smarowych, Paliwa, Oleje I Smary W Eksploatacji, 1995, nr 19, s. 24 26. 9. Materiały informacyjne dotyczące preparatu eksploatacyjnego Motor Life Professional, Plastmal, Warszawa 2007. 10. McFall, D., Dwugłos na temat dodatków wspomagających do olejów, Paliwa, Oleje I Smary W Eksploatacji, 2000, nr 69, s. 19 23. 11. Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W., The action of lubricants under extreme pressure conditions in a modified four-ball tester, Wear, 2001, vol. 240, s. 183 193. 12. PN-76/C-04147, Badanie własności smarnych olejów i smarów. 13. Szczerek M., Tuszyński W., Tribological Tests, Scuffing, Publ. IteE, Radom, Poland 2000. 14. T-02U Aparat czterokulowy, Instrukcja obsługi, Instytut Technologii Eksploatacji, Radom 2011. INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF AFTERMARKET ADDITIVE ON LUBRICATING PROPERTIES OF TITAN TRUCK PLUS 15W40 OIL USED IN MARINE DIESEL ENGINES Summary The paper presents the results of lubricating properties tests of Titan Truck Plus 15W40 motor oil used in trunk piston marine diesel engines and modified by the Motor Life Professional aftermarket additive. The test results were collected by means of a four-ball extreme pressure tester T-02 according to Polish Norm PN-76/C-04147. The following lubricating properties parameters were determined: weld point P z, maximum non-seizure point P n, seizure point P t, load wear index I h and load limit of wear G oz. Investigations showed that modification of lubricating oil by Motor Life Professional aftermarket additive improves antiwear and antiseizure properties of the tested oil and especially the wear resistance of the friction node elements. In authors opinion, modifying of motor oil (provided by antwear and antiseizure additives by the manufacturer) by the aftermarket additives can bring some advantages but only in hard working condition of the machine for example frequent starts and load changes, overloads, operation in polluted atmosphere etc.