Научные основы создания маловязких гидравлических масел для систем управления ракетно-космической техники

Актуальность темы

Ракетно-космическая отрасль России в настоя-• щее время вновь обретает первостепенную значимость, конкурируя с энергетическими отраслями промышленности по своей доходности и оставаясь важнейшей с позиции обороноспособности страны. Развитие ракетно-космической техники и обеспечение надежности ее эксплуатации, согласно современным требованиям, относятся к приоритетным государственным задачам России. Решение вопросов эксплуатации систем управления ракет практически невозможно без использования гидропривода и, следовательно, масла как неотъемлемой его части.

Условия работы ракетно-космической техники исключают возможность замены отдельных составных частей узлов и элементов систем управления ракет, в том числе и возможность замены или пополнения масла до в окончательного выполнения поставленной задачи. Возникновение отказов, неисправностей или дефектов в системах, вызванных старением и снижением качества гидравлических масел, могут приводить к нештатным ситуациям, большим финансовым и материальным потерям. Надежность и высокий ресурс работы технических систем определяется гарантийным сроком эксплуатации гидравлических масел.

Длительное время масла РМ и РМЦ для систем управления ракет производились из дистиллята балаханской (ныне зарубежной) нефти по многостадийной технологии, включающей сернокислотную очистку. Деароматизи-рованное нафтенового основания маловязкое масло РМ, наряду со специфическими физико-химическими и эксплуатационными свойствами, определяемыми условиями работы автономных гидравлических приводов ракет, обеспечивает ресурс сохранения качества влечение 20 и более лет. Получение такого масла из парафинистых нефтей России по существующей традиционной технологии невозможно.

Проблема гарантированного обеспечения максимально возможного срока службы гидравлических масел и, соответственно, продления сроков эксплуатации ракетно-космической техники в условиях жестко ограниченных финансовых возможностей и сырьевых ресурсов является одной из актуальнейших проблем данной отрасли науки и техники.

Ресурс работы гидравлических масел для ракетно-космической техники устанавливается только в процессе натурных испытаний, которые весьма дороги и продолжительны по времени. Поэтому процесс создания новых смазочных материалов с длительными сроками эксплуатации, в частности, маловязких гидравлических масел типа РМ, РМЦ, становится весьма сложным.

Прогресс в области разработки масел, аналогичных по эксплуатационным характеристикам маслам РМ и РМЦ, сдерживается, прежде всего, отсутствием общей концепции старения, выбора критериев степени старения маловязких гидравлических масел, а также научных основ прогнозирования продолжительности их эксплуатации.

Таким образом, решение указанной проблемы требует научно-обоснованных подходов к разработке масел типа РМ оптимального химического состава на базе создания научных основ прогнозирования продолжительности эксплуатации маловязких гидравлических масел в изделиях.

Цель и задачи работы. Диссертация посвящена разработке научных основ создания и технологии производства экологически безопасных маловязких гидравлических масел с длительными гарантированными сроками эксплуатации для систем управления ракетно-космической техники на базе действующих установок гидрокаталитических процессов, перерабатывающих массовое нефтяное сырье.

Для достижения цели работы были выделены основные пути исследования:

• определение оптимального углеводородного состава маловязких гидравлических масел, обеспечивающего требуемые эксплуатационные характеристики и, прежде всего, ресурс работы не менее 15−20 лет;

• разработка методологии прогнозирования гарантированной продолжительности эксплуатации маловязких гидравлических масел в изделиях ракетно-космической техники;

• разработка технологии получения масел заданного химического состава с использованием процесса глубокого гидрирования нефтяного сырья;

• • проведение эксплуатационных и ресурсных испытаний опытных партий, организация промышленного производства маловязких деароматизирован-ных гидравлических масел для автономных гидроприводов систем управления ракетно-космической техники. Научная новизна.

• Созданы научные принципы и методология прогнозирования гарантированной продолжительности эксплуатации маловязких гидравлических масел для систем управления ракетно-космической техники*, включающие поэтапное применение результатов химмотологических исследований для формирования основных эксплуатационных требований и определения оптимального углеводородного состава, обеспечивающего требуемые свойства масел.

• • Разработаны критерии оценки допустимой продолжительности гарантированной эксплуатации маловязких масел для автономных гидроприводов на основе изучения изменения углеводородного состава в процессе старения масел в натурных и искусственных условиях и определения кинетических параметров окисления.

• Обоснован оптимальный групповой углеводородный состав маловязких деароматизированных гидравлических масел, включающий следующие группы углеводородов: не более 1,4% мае. ареновыхне менее 65% мае. циклоалкановых при содержании 3-х и более колец не более 20% мае.- 3035% мае. изоалкановых, что обеспечивает высокий ресурс работы автономных гидроприводов.

• * Исследования по разработке методологии прогнозирования гидравлических масел типа.

РМ проводились совместно с д.т.н., Заслуженным химиком России Крахмалевым С. И. (ОАО «ВНИИНП»).

Уточнен углеводородный ряд в порядке убывания противоизносной эффективности для маловязких масел в условиях граничного трения: полициклические а! реновые углеводороды —" алкилбензолы —* изоалканы —* моноцик-лоалканы '—> бициклоалканы —* полициклоалканы, при этом впервые установлена различная роль поликонденсированных ареновых и циклоалкановых структур в масле.

Подтверждено, что при радиационном воздействии на маловязкие масла газообразными продуктами их разложения являются водород и углеводородные газы, причем источником водорода являются циклоалканы при стабилизирующем действии аренов.

Впервые установлено на основе изучения кинетических закономерностей автои инициированного окисления маловязких деароматизированных гидравлических масел, что начальные стадии окисления масел данного типа соответствуют классической теории цепного окисления углеводородов в жидкой фазе. Определено, что во всех основах масел вырожденное разветвление цепей происходит как по первому, так и по второму порядку относительно концентрации гидропероксидов.

Впервые созданы математические модели кинетики окисления основ маловязких деароматизированных гидравлических масел типа РМ, позволившие прогнозировать степень устойчивости против окисления разработанного масла путем сопоставления скоростей окисления основ и на базе выявленных кинетических параметров. Практическая значимость работы.

Разработана и внедрена в производство многостадийная технология получения основы маловязких деароматизированных гидравлических масел для ракетно-космической техники, включающая стадии гидрокаталитической переработки различного сырья из массовых нефтей России. Разработано и поставлено на производство маловязкое гидравлическое масло МГ-7-Б, выпускаемое по ТУ 38.401−58−101−92 для систем управления ракетно-космической техники, которое допущено к производству и применению, признано заменителем масла РМ, производимого по ГОСТ 15 819–85 на Нижне-Новгородском НМЗ.

Разработан комплекс методов прогнозирования гарантированного срока службы масел типа РМ, включающий семь методов и позволивший на основании результатов сравнительных исследований группового углеводородного состава разработанного масла и эталона, их окисляемости до и после ускоренных климатических испытаний (УКИ), физико-химических и эксплуатационных свойств установить гарантированный срок эксплуатации нового масла МГ-7-Б (15−20 лет) без проведения длительных и дорогостоящих натурных испытаний.

Предложен методический подход для обоснования и прогнозирования срока службы маловязких деароматизированных гидравлических масел для автономных гидроприводов путем использования ускоренного окисления при высокой температуре (120−140 °С), обеспечившего значительное сокращение объема экспериментальных исследований, снижение материальных затрат на их проведение при разработке стабильных к окислению масел.

На защиту выносятся следующие положения: научные основы создания маловязких гидравлических масел для систем управления ракетно-космической техники с длительными сроками эксплуатации, включающие поэтапное применение результатов химмотологических исследованийметодология прогнозирования гарантированного срока службы масел типа РМматематические модели окисления маловязких гидравлических масел типа РМ- — оптимальный групповой углеводородный состав маловязких деароматизированных гидравлических масел типа РМ, обеспечивающий длительные гарантированные сроки эксплуатациигидрокаталитическая технология получения маловязких гидравлических масел оптимального химического состава, заданного на базе результатов исследования механизма окисления моделей, а также исследования поведения различных углеводородов при воздействии основных эксплуатационных факторов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 статей (в журналах, включенных в Перечень ВАК) и тезисы 34 научных сообщений.

Апробация работы. Отдельные разделы диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях: «Теория и практика рационального использования горючих и смазочных материалов в технике» (г. Челябинск, 1987 и 1989 г г.), «Триботехника-машиностроению» (г. Москва, 1987 г.), III Межотраслевая межвузовская конференция молодых ученых и специалистов в области газовой хроматографии (г. Горький — Москва, 1989 г.), «Износостойкость машин» (г. Брянск, 1991 г.) — на Научно-техническом совете Миннефтехимпрома СССР (г. Ярославль, 1991 г.), на Российском симпозиуме по трибологии с международным участием (г. Самара, 1993 г.), на IX Всероссийской конференции по газовой хроматографии (г. Самара, 1995 г.) — на конференциях: «Надежность механических систем» (Самара,.

1995 г.), «Актуальные проблемы применения нефтепродуктов» (Суздаль,.

1996 г.), «Конверсия оборонно-промышленного комплекса. Двойные технологии» (Самара, 1997 г.), «Надежность и качество в промышленной энергетике и на транспорте» (Самара, 1999 г.), на Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н. Д. Кузнецова (Самара, 2001 г.), на научно-технической конференции, посвященной 50-летнему юбилею АНХК (Ангарск, 2003 г.), на конференциях: «Надежность — 2003» (Самара, 2003 г.), «ТЭК России: региональные аспекты» (Санкт-Петербург-Кириши НОС, 2005, 2006, 2007 г г.), «Проблемы химмотологии» (Киев, 2006 г.), «Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения» (Самара, 2006 г.).

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 301 странице машинописного текста, состоит из введения, семи глав, включающих 78 таблиц, 60 рисунков, 17 выводов, список литературы из 253 наименований и 12 приложений.

282 ВЫВОДЫ.

Разработаны научные основы создания маловязких гидравлических масел. для автономных гидроприводов систем управления ракетно-космической техники с длительными гарантированными сроками эксплуатации, включающие поэтапное применение результатов химмотологи-ческих исследований для формирования основных эксплуатационных требований и определения оптимального углеводородного состава масла. Создана новая методология прогнозирования продолжительности эксплуатации маловязких гидравлических масел типа РМ для автономных гидроприводов систем управления РКТ, работающих без возможности замены масел до полного выполнения своей задачи, основанная на комбинации результатов лабораторного искусственного старения с данными натурной эксплуатации. Как элементы новой методологии:

•впервые созданы математические модели окисления маловязких деароматизированных основ масел РМ и МГ-7-Б, положенные в основу прогнозирования гарантированных сроков эксплуатации указанных масел;

•предложен методический подход к изучению окисляемости гидравлических масел типа РМ при высокой температуре (120−140 °С), позволяющий значительно сократить объем экспериментальных исследований и снизить материальные затраты при разработке масел нового поколения.

В основе методологии заложены следующие принципы:

•многократное определение одной характеристики разными методами;

•системный анализ исследованных свойств масел, основывающийся на сопоставлении полученных данных с результатами расчета;

•раскрытие механизма физико-химических процессов, воздействующих на маловязкое гидравлическое масло, с использованием средств математического моделирования;

283 —.

•использование специально разработанных критериев длительности применения гидравлических масел.

5. Разработанная методология позволяет по результатам испытаний, проведенных в соответствии с комплексом методов, с достаточной надежностью прогнозировать допустимую продолжительность эксплуатации маловязких гидравлических масел типа РМ без длительных и дорогостоящих эксплуатационных испытаний.

6. Определен оптимальный групповой углеводородный состав гидравлических масел для автономных гидроприводов, обеспечивающий высокий ресурс работы, включающий следующие группы углеводородов: не более 1,4% мае. ареновых, не менее 65% мае. циклоалкановых (при содержании 3-х и более колец не более 20% мае.), 30−35% мае. изоалкановых. Установлено, что масло МГ-7-Б, полученное с использованием метода глубокого гидрирования и имеющее оптимальный групповой углеводородный состав, и масло РМ близки по механизму окисления в условиях комплексного старения.

7. Разработаны критерии оценки допустимой продолжительности гарантированной эксплуатации маловязких масел для автономных гидроприводов на основе изучения изменения углеводородного состава в процессе старения масел в натурных и искусственных условиях и определения кинетических параметров окисления.

8. Разработан комплекс методов оценки изменения физико-химических свойств, группового углеводородного состава масел типа РМ, характеризующих степень старения и определяющих предельную гарантированную продолжительность эксплуатации масел.

9. Изучено влияние способа и глубины деароматизации основ масел типа РМ, полученных из низкозастывающих продуктов гидрогенизационной переработки дизельных фракций Западно-сибирских нефтей, на физико-химические и основные эксплуатационные свойства разрабатываемых масел. Установлено, что глубина деароматизации целевой фракции должна обеспечивать уровень показателя п&tradeне ниже 1,4600, содержание ареновых углеводородов по ГОСТ 6994 не должно быть более 2% мае. Доказано, что от имальную степень очистки целевой фракции наряду с процессом сернокислотной очистки можно достичь, используя процесс глубокого гидрирования (давление 25,0 МПа).

10. Показано, что гидрирование под давлением 25,0 МПа в отличие от гидрирования под давлением 4,0−4,6 МПа приводит к более селективному получению деароматизированной основы масла МГ-7-Б (содержание ареновых углеводородов 0,3% мае. против 4,8% мае.). Комплексными исследованиями подтверждено, что концентрация ареновых углеводородов в опытном образце основы масла МГ-7-Б оказалась достаточной, чтобы совместно с введенной в основу антиокислительной присадкой ДФА защитить изоалканы и циклоалканы от окисления.

11. Показано, что основными процессами старения, определяющими изменение качества масла РМ в условиях его эксплуатации, являются окисление, радиолиз и химическая трибодеструкция смазочной пленки в узлах трения.

12. Исследования противоизносных свойств углеводородных сред маловязких масел типа РМ позволили составить расширенный (за счет полициклических ареновых углеводородов и циклоалканов) ряд убывания проти-воизносной эффективности в условиях граничного трения при скольжении различных групп углеводородов: полициклические арены -" алкилбензолы -" изоалканы -" моноциклоалканы -> н-алканы -> бициклоалканы —" полициклоалканы.

13. При исследовании влияния радиационного воздействия на модельные смеси различного углеводородного состава подтверждено, что основными компонентами газообразных соединений радиационного разложения углеводородов являются водород и легкие углеводороды, способные вызвать сбой в работе системы управления спецтехники. Главным источником водорода, образующегося при радиационном облучении и представляющего наибольшую опасность, являются циклоалкановые углеводороды. Источником углеводородных газов служат алканы различной степени разветвленности и алкановые заместители циклоалканов. Ареновые же структуры оказывают стабилизирующее воздействие на углеводородные среды по отношению к радиационному излучению.

14. Впервые изучены кинетические закономерности начальных стадий окисления основ масел типа РМ (модели 1−4). Установлено, что начальные стадии OKI сления моделей соответствуют классической теории цепного окисления углеводородов в жидкой фазе, их механизм может быть изучен на строго количественном уровне. Во всех образцах вырожденное разветвление цепей происходит как по первому, так и по второму порядку относительно концентрации гидропероксидов.

15. На базе гидрокаталитических процессов разработана технология получения маловязкого деароматизированного низкозастывающего гидравлического масла МГ-7-Б — аналога масла РМ из массовых нефтей России, включающая следующие стадии:

• выделение из основы масла МГЕ-10А целевой фракции, выкипающей в пределах н.к. 265−270 и к.к. 310−315 °С;

• гидрирование целевой фракции на катализаторе ГО-38А при температуре 340−350 °С, давлении 25,0 МПа, объемной скорости подачи сырья 0,3−0,5 час" 1, соотношении ВСГ к сырью 1500:1 нм3/м3;

• фракционирование гидрогенизата с получением основы масла МГ-7-Б;

• компаундирование основы масла МГ-7-Б с присадкой.

16. Подтверждена эффективность разработанного подхода промышленным освоением производства масла МГ-7-Б ЗАО «НПЦ Спецнефтьпродукт» (в АООТ «Редкинский опытный завод») из основы, полученной в ОАО «Ангарский завод катализаторов и органического синтеза».

17. По результатам стендовых, эксплуатационных и ускоренных климатических испытаний в серийных натурных изделиях ракетно-космической техники масло МГ-7-Б с гарантированным сроком эксплуатации 15−20 лет допущено к производству и применению. На разработанное масло выпущена соответствующая гарантийная документация.