МОДЕЛЬ СТРУКТУРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СМАЗОЧНОГО МАСЛА С ПРИСАДКАМИ

 

Остриков В. В., доктор технических наук; Шелохвостов В. П., кандидат технических наук; Попов С. Ю., инженер

 

ГНУ ВНИИТиН (Россельхозакадемии)

 

Моторные масла, используемые в двигателях тракторов, содержат многочисленные присадки различного назначения. Их количественная доля колеблется в пределах от нескольких процентов до 25-30% готового масла. Некоторые из присадок могут содержаться в чрезвычайно малых количествах, при которых влияние на определенные свойства основы весьма заметно (эффект малых добавок). При этом достигаемый эффект практически исчезает с увеличением их концентрации свыше определенного предела [1].

Постоянно возрастающие экологические нормы к используемым в машине «жидкостям» требуют применения смазочных моторных масел нового состава. Перед производителями масел поставлена двоякая задача – содержание присадок в машинах должно быть снижено, а их противоизносные и другие свойства должны быть сохранены на прежнем уровне или даже улучшены. Причем при рассмотрении вопросов эксплуатации вторая задача имеет наиболее важное и актуальное значение.

Проводя теоретические исследования, масло рассматривается как жидкость со структурой ближнего порядка, подразумевающей случайное возникновение и распад молекулярных ассоциаций под воздействием тепловых полей. Предполагали большую величину межмолекулярных связей внутри ассоциаций в сравнении с межассоциативными связями, принимали также возможным существование свободных молекул. Кроме того считали все эти энергии связи сравнимыми по величине с энергией теплового фона и возможный квантовый эффект увеличения энергии связи внутри ассоциаций (лучше сохранение связей, сравнимых по величине с энергией теплового фона), а соответственно увеличение времени их жизни. В этом случае молекулярные ассоциации можно рассматривать как квантовые ямы (КЯ), энергетические и топологические параметры которых (рисунок 1) могут просчитываться с привлечением уравнения Шредингера:

где h- волновая постоянная Планка, m-масса частицы, E-полная энергия частицы, y-волновая функция, U-потенциальная энергия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Геометрические параметры квантовой ямы

 

В качестве примера в таблице приведены результаты расчетов параметров КЯ (величины W молекулярных ассоциаций) в диапазоне энергий от 20 до 140 мэВ. Для каждой величины энергии связи Е1 получено несколько значений W.

Расчетные данные приведены для ограниченного дискретного ряда энергий рассматриваемого диапазона, и уже это показывает широчайшие возможности существования связанных состояний, более устойчивых в сравнении с тепловым фоном.

Для каждого значения энергии в виде связанного состояния (дно квантовой ямы) может проводиться расчет распределения энергетических уровней. Например, для энергии связанного состояния  40 мэВ и ширины КЯ порядка 40 нм определится ряд Ej → 40, 360, 640, 1000 мэВ.

 

Таблица - Результаты расчетов параметров

Е1, мэВ

Ширина КЯ, W, нм

20

57, 116, 174

30

45, 93, 139

40

40, 82, 121

50

35, 73, 109

60

32, 65, 100

70

30, 61, 92

80

27, 57, 86

 

Таким образом, приведенные примеры  подтверждают наличие устойчивых уровней в рассматриваемой среде при условии, что энергия разрешенных квантовых уровней будет  удовлетворять  соотношению:

где E1 – энергия на основном уровне; U1,2 – потенциальная энергия барьеров;    En – энергия на n основном уровне; n=1,2, … - нумерует разрешенные состояния.

Кроме того, этим показана возможность существования молекулярных ассоциаций, в которых энергия связи сравнима с энергией теплового фона. Дополнительная устойчивость рассматриваемых образований связана с возможностью существования электронов в КЯ с величиной энергии, соответствующей устойчивым энергетическим уровням. При этом снимается энергетическое тепловое воздействие на межмолекулярные связи внутри ассоциации и тем самым увеличивается ее устойчивость.

Более важным представляется рассмотрение структурных состояний среды (в данном случае масла) при наличии в ней дисперсных присадок. К таким присадкам можно отнести довольно широкий спектр объектов, различающихся составом, структурой, свойствами, и образующих растворы и суспензии [2].

Jama6ф1

Присадки анализировалась с точки зрения их свойств и взаимодействия с окружением (маслом). Известная информация – наличие чаще положительного заряда присадки и существование некоторого электрического поля за ее пределами, а также нескольких различающихся по структуре слоев (плотный и рыхлый) вокруг присадки. Существование в реальном времени и происхождение этих слоев связано с тем, что компенсация заряда от присадки осуществляется  молекулами, которые поляризуются соответствующим образом в электрическом поле присадки, создавая тем самым противоположный заряд на своей внешней границе и вызывая противоположную поляризацию молекул в следующем слое.  Рассмотрение окружения в более короткие промежутки времени позволяет предположить значительно большее количество таких слоев (рисунок 2).

Рисунок 2 – Модель структурно-энергетического  состояния смазочного масла с присадками

 

Присадка (область 1), например медь или дисилицид молибдена, размером W определяет потенциальный   рельеф U0, который возникает из-за необходимости (и как результат) компенсации ее поверхностного потенциала   средой (масло).

В этом случае область 1 характеризует энергетические параметры нанообъекта, основное состояние которого соответствует En, а  устойчивые возбужденные состояния Еn ÷ Еk  являются результатом размерного квантования энергии в квантовой яме, образованной высоким барьером (область 2), и закономерно продолжают фрактальный ряд устойчивых состояний нанообъекта. Области 3, 4, 5, 6 . . . k имеют чередующийся знак с уменьшающейся  глубиной и увеличивающейся  шириной по мере удаления от области 2. Для каждой из областей барьерами служат соседние, противоположно поляризованные области. В качестве барьеров могут рассматриваться также случайные молекулярные ассоциации. Следует  иметь ввиду то, что каждому из устойчивых состояний присадки можно представить в среде квантовую область с устойчивыми энергетическими уровнями, лежащими в диапазоне этой разницы энергий соответствующих уровней присадки. Так, для  области 4 устойчивые энергетические уровни лежат в диапазоне ΔE(n,n+4) ~(Еn+4 – En) = E4, для области 6 – ΔE(n+6)(n+7)~ (En+7-En+6) = E6 и т.д. Таким образом, набор устойчивых возбужденных состояний указанных квантовых ям в среде отражает диапазон устойчивых возбужденных энергетических состояний присадки, относящийся к диапазону разности энергий (Ek - En).

С уменьшением энергии частицы увеличивается длина волны де Бройля и ширина квантовых ям, а соответственно увеличивается время жизни возбужденного состояния. Энергии, близкие к Ek (рис. 2), могут соответствовать даже дальней инфракрасной области, т.е. более десятков микрометров по длинам волн, а при насыщении могут служить источником излучения террагерцового диапазона радиоволн.

Кроме показанных образований (связанных с присадкой) в среде должны и сохраняются ассоциации, возникшие под ее воздействием  в процессе приготовления продукта и в период работы, и имеющие в качестве центра деформированные молекулы с более высокой пространственной концентрацией водорода, несущие положительный заряд (области 1’ - 4’ на рисунке 2). Безусловно, такая структура идеализирована, реально наблюдается два три слоя в направлении от присадки, но при определенных условиях представленная структура может развиваться и трансформироваться в ячеистую структуру, охватывающую весь объем рабочей жидкости.


Объем жидкости с развитой кластерной структурой по своим свойствам может существенно отличаться от среды без присадок, логически это можно показать с помощью модели, приведенной на рисунке 3.

Рисунок 3 – Модель  состояния рабочей среды с развитой кластерной структурой: DПР – диаметр присадки, DОБ – диаметр устойчивого кластера

 

Присадка наноразмерной величины DПР имеет постоянно существующую оболочку DОБ,  в период работы с ее помощью формируются ассоциации, имеющие какой-либо из устойчивых уровней (по рис. 2) в диапазоне энергий (Еn - Ek), и в наборе полностью отражающие энергетический спектр присадки в тепловом диапазоне. Локальное тепловое возбуждение присадки ведет к постоянному возбуждению устойчивых уровней (Еn - Ek),  возбуждение может сниматься за счет безизлучательной передачи этой энергии в соответствующие ассоциации (векторами показаны направления передачи). Поскольку ассоциации являются также квантовыми объектами, то в возбужденных состояниях происходит накопление энергии (больше время жизни и энергетическая емкость). Снятие возбуждения ассоциаций происходит уже по другому механизму – излучением в инфракрасном (тепловом) диапазоне.

Таким образом, энергия локального перегрева перераспределяется сначала безизлучательно по объему рабочей жидкости, затем излучением выводится из объема – на стенки ограничивающие рабочий объем. В результате этих механизмов тепловой разгрузки кластерная структура не только сохраняется, но может и расширяться до формирования объемной кластерной структуры как единого целого.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Школьников В. М. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. М.: «Техинформ», 1999, с. 596.

2 Остриков В. В., Тупотилов Н. Н., Белогорский В. В. Информативность и взаимосвязь показателей качества работающих моторных масел. «Техника в сельском хозяйстве», 2008, №3, с. 45-47.