К вопросу об улучшении эксплуатационных свойств моторных масел

Введение . Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленных технологий, информационной и измерительной техники, медицины и биологии. Интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области человеческой деятельности. [1].

Сегодня конструируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий (например, ультразвуковые толщиномеры), для определения уровня жидкости в больших, недоступных для прямого измерения ёмкостях. Ультразвук сравнительно малой интенсивности широко используется для контроля изделий из твёрдых мате риалов .

Быстро развивается направление дефектоскопии, например, c помощью акустической эмиссии удаётся обнаружить образование и развитие трещин, а также определить их местонахождение в ответственных деталях различных конструкций. Рассмотрим вопрос о возможности значительного улучшения эксплуатационных свойств моторных масел за счет применения ультразвука.

Современными тенденциями в области двигателестроения, является повышение мощности двигателя и увеличения его тепловой напряжённости. Применяются меры к уменьшению удельной ёмкости системы смазки, с целью уменьшения габаритов двигателя и его веса, а также снижению расхода масла в двигателе. В связи с этим требования к качеству моторных масел непрерывно повышаются. Моторные масла, предназначенные для современных двигателей, должны обладать комплексом эксплуатационных свойств (моющих, противоизносных, антиокислительных, противокоррозионных и др.), чтобы обеспечить заданный срок работы двигателя, без возникновения каких-либо неисправностей, отказов. [2] Все вышеперечисленное свидетельствует об актуальности применения ультразвука для повышения качества моторного масла и его присадок.

Основная часть. При распространении ультразвуковых волн в жидкой среде возникает три эффекта: звуковое давление; звуковой ветер и кавитация.

Звуковым давлением называется явление сжатия и разряжения при распространении звуковых волн в жидкой среде. Амплитуда разрежения всегда равна амплитуде сжатия, а чередование их соответствует частоте колебания звуковых волн.

Звуковым ветром называют явление постоянного смещения частиц жидкостей относительно их положения равновесия, вызываемый ультразвуком. Эффект звукового ветра проявляется в виде сильных течений, приводящих к интенсивному перемешиванию среды, которое в значительной мере ускоряет ряд процессов.

Ультразвуковой кавитацией называется явление, при котором жидкости, легко перенося большие всесторонние сжатия, чрезвычайно чувствительны к растягивающим усилиям.

При прохождении фазы волны создается растяжение в жидкости и образуется очень большое количество разрывов в виде мельчайших пузырьков (маленькие пузырьки газа частички посторонних примесей и пр.). Обычно они появляются в тех местах, где прочность жидкости ослаблена. Эти маленькие полости (так называемые кавитационные пузырьки) после кратковременного существования захлопываются, развивая большие мгновенные избыточные давления и местное повышение температуры. Это в свою очередь приводит к механи ческим разрушениям поверхности твердого тела, находящегося 8 82

вблизи мест захлопывания. Количество продиффундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька. Эта площадь в стадии сжатия меньше, чем в стадии расширения. Поэтому количество газа, попадающего в пузырек при расширении, несколько больше количества газа, выходящего из пузырька при его сжатии. Поэтому после каждого цикла сжатия-растяжения в пузырьке остается избыток газа. Если ультразвуковое поле неоднородно, то пузырьки не только пульсируют, но и движутся поступательно. Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления. Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость. При интенсивностях ультразвука, не намного превышающих порог кавитации, микропузырьки газа в жидкости пульсируют относительно равновесного радиуса и постепенно увеличиваются в объеме. Кавитация в жидкости сопровождается различными явлениями:

• -    характерным шумом во всем диапазоне частот и сильным акустическим сигналом на частоте, равной половине частоты ультразвука, вызвавшего кавитацию;

• -    ускорением одних химических реакций и инициированием других;

• -    интенсивными микропотоками и ударными волнами, способными перемешивать слои жидкости и разрушать поверхности граничащих с кавитирующей жидкостью твердых тел;

• -    ультразвуковым свечением, а также различными биологическими эффектами [3].

  

  Рисунок 1 - а) акустическое течение, возникающее при распространении ультразвука частоты 5 МГц в бензоле; б) фонтан жидкости, образующийся при падении ультразвукового пучка изнутри жидкости на её поверхность (частота ультразвука 1,5 МГц, интенсивность 15 Вт/см²)

  
  

  Ультразвуковые

  
  

  волны

  
  

  большой интенсивности

  
  

  сопровождаются рядом специфических эффектов. Так,

  
  

  распространению ультразвуковых волн в

  
  

  газах и в жидкостях

  
  

сопутствует движение среды, которое называют акустическим течением (рисунок 1, а). На частотах диапазона УСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью в несколько Вт/см2 может возникнуть фонтанирование жидкости (рисунок 1, б) и распыление ее с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Эта особенность распространения используется в ультразвуковых ингаляторах. [4]

Ультразвуковое диспергирование подразумевает размельчение твердых тел в жидкой среде и происходит при воздействии ультразвуком на суспензии твердых частиц или их агрегаты. Применение ультразвука позволяет на несколько порядков увеличить дисперсность продукта по сравнению с диспергированием без применения ультразвука. Процесс диспергирования обусловлен ударными волнами, возникающими при захлопывании кавитационных полостей. Скорость диспергирования зависит от мощности ультразвука, свойств жидкости и диспергируемого вещества. Эффективность ультразвукового диспергирования значительно повышается, если наряду с действием ультразвука жидкость подвергнуть статическому давлению [3, 5].

При соприкосновении твердого тела с жидкой средой в ультразвуковом поле последняя проникает в микротрещины, образуя сольватный слой, который оказывает расклинивающее действие. Чем меньше зазор, либо микротрещина, тем сильнее расклинивающее действие сольватного слоя. Совместное действие расклинивающего действия тонких слоев жидкости с явлением кавитации приводит к разрушению твердых частиц с целью получения мелкодисперсных суспензий из материалов средней твердости, например, окись магния в четыреххлористом углероде; диспергирование пигментов и красителей; растворение солей молибдена в консистентных смазках. Комплекс этих свойств и послужил основой для применения ультразвука. Однако, эта теория не может быть полностью применена ко всем присадкам, поскольку существуют присадки, которые находятся в масле в виде мицелл, которые в свою очередь состоят из ядра, представляющего скопление молекул, вокруг которых адсорбированы ионы, а в масле, около частиц, присадки находятся ионы противоположного знака.

Присадки хорошо поглощают на своей поверхности молекулы из окружающей среды и образуют с ними прочные комплексы сольватного типа. Из-за этого масло вообще не будет оказывать расклинивающее действие. Только в результате кавитации может происходить диспергирование мицелл присадок, которая в начале будет разрушать сольватные ионы оболочки, а затем ядро. Процесс диспергирования будет улучшаться за счет эффекта нагрева

(значительно уменьшает вязкость масла) и звукового ветра (обеспечивает хорошее перемешивание).

Кавитация затрудняется с повышением внешнего избыточного давления и увеличивается с ростом температуры. Поэтому для ее возникновения потребуется определенная мощность ультразвука, которая зависит от ряда факторов: природы жидкости; частоты колебаний (чем выше частота колебаний, тем больше сила звука); времени воздействия волн (чем больше время воздействия ультразвуковых волн, тем при меньшей мощности возникает кавитация).

Значение звукового давления, при котором возникает кавитация зависит от многих факторов и определяется экспериментальным путем. По своим общим параметрам минеральные и растительные масла довольно близки. Следовательно, звуковое давление, при котором будет возникать кавитация в минеральных маслах с присадками ориентировочно будет находиться пределах значений, полученных при исследованиях растительных масел. Скорость распространения звука в моторном масле и растительном маслах, будут приблизительно одинаковы.

Выводы . Таким образом, ультразвук оказывает положительное воздействие на стабильность и агрегатную устойчивость присадки в моторном масле, моющие и противоизносные свойства только при соблюдении следующих требований для выбора акустической аппаратуры:

• –    мощность ультразвука должна быть в пределах 9...50 кВт/м²;

• –    излучатели установки должны устойчиво работать при температуре 290...373ºК;

• –    частота колебаний должна быть минимальной для ультразвука, что обеспечит кавитацию при меньшей мощности;

• –    время воздействия ультразвука на масло не должно ограничиваться техническими возможностями аппаратуры.

Производительность установки должна обеспечить обработку ультразвуком такого количества масла, которое потребуется для проведения лабораторных исследований и эксплуатационных испытаний полноразмерных двигателей.