Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований закономерностей изменения качества восстановленного моторного масла 9
1.1. Изменение качества моторных масел и его влияние на ресурс их работы и работоспособность двигателя 9
1.2. Способы повышения эксплуатационных свойств масел и ресурса их работы в двигателе
1.3. Способы определения ресурса работы масел в двигателе 22
1.4. Цель и задачи исследований 28
2. Теоретические исследования закономерностей изменения качества восстановленного моторного масла 30
2.1. Исследование процесса старения масла 30
2.2. Динамика изменения показателей качества моторного масла при работе в двигателе 37
2.2.1. Динамика изменения содержания нерастворимых осадков 38
2.2.2. Динамика срабатывания присадок 40
2.3. Определение срока службы восстановленного масла 42
Выводы по главе 42
3. Методика экспериментальных исследований закономерностей изменения качества восстановленного моторного масла 45
3.1. Программа экспериментальных исследований 45
3.2. Методика эксплуатационных иследовапий масла в двигателях тракторов 45
3.3. Методика определения показателей качества масла 47
3.4. Методика определении скорости изменения показателя качества 48
3.5. Методика обработки результатов эксперимента 49
3.6. Методика сравнительной оценки значимости изменения показателей качества масла в процессе работы в двигателе 51
3.7. Методика определения эксплуатационных показателей двигателей...54
3.8. Методика оценки износа деталей двигателей после исследований 54
4. Результаты экспериментального исследования закономерностей изменения качества восстановленного моторного маслаи их анализ 56
4.1. Результаты анализа изменения показателей качества свежего и восста-новленного моторного масла 56
4.2. Анализ значимости изменения показателей качества масла в процессе работы в двигателе 62
4.3. Результаты анализа динамики скорости изменения содержания нерастворимых осадков 64
4.4. Результаты анализа динамики скорости изменения щелочного числа 65
4.5. Результаты анализа эксплуатационных показателей двигателей при работе на свежем и восстановленном моторном масле 67
4.6. Износ деталей двигателей при работе на свежем и восстановленном моторном масле 69
4.7. Результаты определения срока службы восстановленного моторного масла в двигателе 77
Выводы по главе 78
5. Экономическая эффективность применения восстановленных моторных масел 81
5.1. Применение результатов исследований 81
5.2. Расчёт экономической эффективности применения восстановленных моторных масел 81
Общие выводы 84
Литература
- Способы повышения эксплуатационных свойств масел и ресурса их работы в двигателе
- Динамика изменения показателей качества моторного масла при работе в двигателе
- Методика определения показателей качества масла
- Анализ значимости изменения показателей качества масла в процессе работы в двигателе
Введение к работе
Важнейшей организационно-технической проблемой в условиях рыночной экономики в ЛПК является разработка и решение ряда задач, обеспечивающих укрепление технического потенциала сельских товаропроизводителей.
Непрерывное оснащение народного хозяйства различными техническими и транспортными средствами обуславливает все возрастающие расходы топлива, смазочных материалов и других продуктов переработки нефти, производство которых определяются экономикой материальных ресурсов страны.
Надежность и долговечность работы машин в значительной мере зависят от рационального при.менясмых эксплуатационных материалов, поэтому важную роль в настоящее время приобретают мероприятия, направленные на рациональное использование и экономное расходование нефтепродуктов и, в частности, моторного масла.
В себестоимости механизированных работ расходы на горючесмазочные материалы составляют до 30%, из них значительную часть занимают затраты на транспортировку, хранение и раздачу нефтепродуктов.
Одним из наиболее реальных источников пополнения масляных ресурсов является восстановление качества отработавших масел и повторное их использование. Поэтому вопросы хранения, рационального использования, транспортировки, сбора и учета отработавших масел и других нефтепродуктов, а также их восстановление и использование по прямому назначению приобретают все большее значение.
В настоящее время созданы эффективные системы очистки масла, основанные на глубоком знании процессов загрязнения .масла при работе машин, влияния продуктов загрязнения масла на надежность работы узлов и агрегатов, особенностей абразивного изнашивания деталей, теории процессов очистки масла и методы расчета параметров очистителей.
Однако при наличии довольно развитых систем маслоочистки нет обоснованных комплексов мероприятий по эффективному использованию. очищаемых масел в двигателях сельскохозяйственной техники. Под нормативами понимается научно-обоснованный срок службы моторного масла, обеспечивающий работу двигателя в соответствии с техническими требованиями.
Увеличение срока службы моторного масла возможно за счёт его очистки и повторного использования.
Обоснование срока повторного использования очищенного масла позволяет разработать нормативы срока его службы.
Рациональному использованию восстановленных масел большое внимание уделяется практически во всех промышленно-развитых странах. В США, Франции, Германии, Великобритании и ряде других стран, существуют правительственные программы, направленные на стимулирование работ по сбору и переработке отработанных масел /80, 92, 105, 109/.
На широкое использование восстановленных моторных масел влияет определенный психологический фактор - опасения потребителей, что они уступают по качеству свежим, расширению производства очищения моторных масел также мешает отсутствие достоверных результатов их использования и научно-обоснованных нормативов срока службы.
Вместе с тем, ряд факторов оказал положительное влияние на применение восстановленных моторных масел: ужесточение мер но борьбе с загрязнением окружающей среды, строгое ограничение слива и сжигания отработанных нефтепродуктов, а также принятые в последние годы в ряде стран законы, направленные на стимулирование сбыта моторных масел, полученных путем восстановления /47/.
В связи с этим можно сформулировать следующие методологические основы и положения дальнейших исследований по этой проблеме.
Цель исследований - обоснование нормативов использования восстановленных моторных масел в тракторных двигателях.
7 В связи с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
— теоретически и экспериментально исследовать динамику изменения
показателей качества моторного масла при работе в двигателе и определить
основные влияющие на неё факторы;
- обосновать нормативы срока службы восстановленного моторного
масла в двигателе;
— определить износное состояние двигателей при работе на восстанов
ленном масле;
- определить экономическую эффективность использования восста
новленного моторного масла взамен свежего.
Объект исследований — качество восстановленного моторного масла для тракторных двигателей.
Предмет исследований - закономерности изменения качества восстановленных моторных масел.
Рабочая гипотеза - увеличение срока эксплуатации моторного масла возможно путём его очистки и повторного использования в двигателе.
Методы исследований. Теоретические исследования включают изучение динамики изменения показателей качества моторных масел в процессе их эксплуатации.
Экспериментальные исследования включают определение показателей качества моторных масел в лабораторных и производственных условиях при рядовой эксплуатации сельскохозяйственных тракторов по существующим стандартам, определение эксплуатационных показателей двигателей, работающих на свежем и восстановленном масле, определение износного состояния двигателей. При обработке полученных данных использовалась современная компьютерная техника.
Научная новизна исследовании состоит в разработке методики определения нормативов использования восстановленных моторных масел в тракторных двигателях.
Апробации. Основные результаты исследований доложены на науч-
8 ных конференциях АЧГЛЛ и Ставропольский ГСХЛ в период с 1997 года по 2005 год.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
На защиту выносятся следующие положении диссертации:
- уравнение определения времени достижения предельного значения
показателя качества восстановленного моторного масла;
- методика определения нормативов использования восстановленных
моторных масел в тракторных двигателях;
-результаты сравнительных исследований изменения показателей качества восстановленного и свежего масла в процессе работы в двигателе;
- результаты износных исследований состояния двигателя при работе
на восстановленном масле.
Способы повышения эксплуатационных свойств масел и ресурса их работы в двигателе
Увеличение ресурса работы масла в двигателе возможно путём улучшения его качественных показателей, применением масел с более высокими антиокислитсльпыми, противоизносными свойствами, которые более длительное время стабильно сохраняют их /97/(рис.1.2). Реализация этого пути увеличения ресурса масла в двигателе получила своё развитие применением синтетических и полу синтетических моторных масел. Однако основным недостатком, сдерживающим широкое применение этих масел, является их высокая стоимость и недостаточный объём их производства. Другая возможность увеличения ресурса работы масла реализуется путём поддержания стабильной концентрации присадок в масле периодической их добавкой в работающее масло. Этот способ не получил широкого применения в связи с отсутствием присадок у потребителей и отсутствием обоснованных нормативов реализации этого способа.
Совершенствование конструктивных элементов двигателя может позволить снизить напряжённость работы масла в системе смазки и этим увеличить ресурс его использования, однако, это сложный и дорогостоящий путь (рис.1.2) /17, 91/. Наиболее приемлемый путь увеличения срока службы масла в двигателях сельскохозяйственной техники, который позволит получить значительную экономию материальных ресурсов, является очистка и регенерация масла/3, 4, 5, 7, 21, 23, 35, 62, 63, 66, 88, 90, 94, 98/.
В АЧГАА разработано семейство установок для восстановления отработанных масел, как в стационарном варианте, так и в передвижном /6, 68, 71, 73, 74, 75/. Основой стационарных установок является центрифуга с гидрореактивным приводом и объемом ротора 4000 см (рис. 1.3).Количество центрифуг в установке зависит от проектируемой производительности. Очистка выделенного объема жидкости осуществляется путем многократного пропуска ее через установку.
Технологический процесс очистки отработанных масел протекает следующим образом.
Отработанные масла одной марки подаются насосной установкой в масляный бак очистительной установки по системе трубопроводов (рис. 1.4). Бак заполняется до заданного уровня и насосная станция выключается. В масляном баке отработанное масло подогревается теплоэлектронагревателями до рабочей температуры (85 - 90 С).
Далее включается в работу насосная станция блока очистки от механических примесей. Насос непрерывно подаст масло через коллектор по системе трубопроводов к центрифугам. В работе одновременно могут находиться несколько центрифуг установки или отдельно каждая.
Давление на входе в центрифуги устанавливается предохранительным клапаном и контролируется по манометру, установленному на раме блока очистки. Излишки масла через перепускной клапан и шланг отводятся в заборную магистраль насосной станции.
Пары воды и топливных фракций с помощью вентиляционной станции через воздуховоды попадают в накопитель конденсата и осаждаются.
Продолжительность работы маслоочистительной установки зависит от степени обводненности и загрязненности масла. После доведения отработан ных масел до кондиционных показателей /32/ очищенное масло подается насосной станцией в накопительные баки для очищенного масла, а оттуда - на выдачу потребителям.
Глубокая центробежная очистка масла приводит к снижению концентрации вредных химических веществ, адсорбированных на поверхности частиц и растворенных в воде, содержащейся в масле.
В настоящее время существуют три стратегии замены элементов машин, в том числе смазочных материалов, в ДВС, гидросистемах и трансмиссиях сельскохозяйственных машин и автомобилей: по потребности после отказа, по наработке (регламентная), по состоянию контроля (по результатам диагностирования) /47/.
Замену смазочного материала по первой стратегии обычно осуществляют в результате отказа (поломка, повышенный износ деталей, низкое давление масла в главной масляной магистрали ДВС и др.). Эта стратегия наименее экономична, характеризует низкий уровень ТО и ремонта.
Вторую планово-предупредительную стратегию замены смазочного материала применяют в большинстве случаев согласно инструкции по эксплуатации машин завода-изготовителя. Её достоинство - простота, регулярная замена смазочного материала при определённом виде ТО. Недостаток этой стратегии заключается в том, что масло заменяют вне зависимости от показателей его состояния. При благоприятных условиях работы машин работающее масло будет заменено по этой стратегии гораздо раньше, чем его физико-химические показатели превысят допустимые значения, то есть масло будет заменено ещё работоспособным. При неблагоприятных условиях работы, наоборот, замена масла произойдёт поздно, когда физико химические показатели превысят не только допускаемые при эксплуатации, но и предельные значения, что отразится на ускоренном износе машин.
Стратегия планово-предупредительной замены масла по состоянию по результатам его контроля (диагностирования) позволяет устранить недостаток замены масла по второй стратегии. Это обеспечивает определённое увеличение его срока службы, значительное уменьшение ускоренного износа агрегатов и узлов по причине некачественного смазочного материала. Появляется возможность контролировать состояние масла гораздо раньше периода его замены по второй стратегии. Третья стратегия замены масла проявляется в обязательном плановом контроле его показателей при определённом виде ТО и в предупредительной замене масла только в том случае, если его показатели достигли или превысили при плановом контроле допускаемые значения.
Динамика изменения показателей качества моторного масла при работе в двигателе
Изменение показателей моторного масла сложный и не полностью изученный комплекс физико-химических процессов. На скорость изменения показателей качества оказывает влияние большое количество тесно связанных между собой факторов и абсолютная их дифференциация невозможна. Однако, как считает ряд исследователей /16, 49, 62, 88/, для исследования количественных зависимостей целесообразно произвести расчленение на более простые процессы.
В связи с этим можно выделить два основных направления старения масла в двигателе: - загрязнение моторного масла в результате накопления в нём раство римых и нерастворимых веществ различного происхождения (в том числе попадающих в масло из вне, образующихся в результате окисления углево дородной основы и т.д.); - срабатывание присадок, прежде всего обеспечивающих моюще диспергирующие и нейтрализующие свойства масла.
Для решения уравнения (2.7) до достижения предельного значения показателя качества необходимо определить вид функции, описывающей динамику скорости изменения показателей качества к = f\X).
Закон изменения концентрации нерастворимых осадков достаточно сложный - с одной стороны в масле накапливаются различного рода загрязнения, с другой стороны они постоянно удаляются агрегатами очистки масла. Проведём сравнительный анализ изменения содержания нерастворимых осадков в свежем и восстановленном масле и сформулируем требования к виду зависимости кно f(.xllo). Можно выделить следующие основные направления, вызывающие загрязнения моторного масла:
1. Проникновение загрязнений извне (вместе с всасываемым возду хом или через вентиляцию картера).
2. Образование продуктов окисления и термического разложения самого моторного масла.
3. Поступление продуктов износа деталей двигателя и сажистых частиц неполного сгорания топлива.
Проникновение загрязнений извне определяется в основном условиями эксплуатации и, прежде всего запылённостью окружающего воздуха и техническим состоянием двигателя, поэтому можно предположить, что скорость проникновение загрязнений извне не зависит от того, какое масло используется в двигателе.
Другая составляющая загрязнений - образование продуктов окисления и термического разложения масла находится в значимой связи с качеством масла /101, 102/. В начальный период происходит интенсивное окисление легкоокисляемых углеводородов и термическое разложение, что приводит к быстрому росту содержания загрязнений. В очищенном масле этот период должен протекать более медленно, т. к. легкоокисляемые углеводороды уже окислены и продукты окисления удалены.
Поступление продуктов износа самого двигателя меняется по известному закону износа: в начальный период приработки износ, а, следовательно, поступление загрязнений протекает интенсивно, затем скорость износа стабилизируется и после достижения предельных износов скорость катастрофически растёт. Учитывая, что в исследовании рассматривается обкатанный и нормальный в техническом отношении двигатель, можно считать, что скорость поступления продуктов износа при работе на свежем и восстановленом масле будет одинакова.
Поскольку основными источниками нерастворимых осадков в масле являются загрязнения извне и продукты износа, можно предположить, что скорость поступления загрязнений в восстановленное и свежее масло будет отличаться незначительно.
Другой стороной процесса накопления загрязнений в масле будет постоянное удаление загрязнений агрегатами очистки. Как показывает ряд исследований /22, 37, 52, 70, 84, 89, 98/, скорость удаления загрязнений зависит от величины концентрации последних, их дисперсного состава и характеристики агрегатов очистки.
При этом суммарная скорость накопления загрязнений в начальный период работы масла будет высокой, а затем по мере роста концентрации и, как следствие, увеличения скорости удаления, будет стремиться к стабилизации на некотором уровне.
Методика определения показателей качества масла
Одним из условий, обеспечивающих правильность получаемых результатов эксперимента, а также эффективность последующего повторного применения восстановленных масел является систематическая проверка качества очищаемого масла.
Восстановленные масла проверялись на соответствие их физико-химических показателей требованиям ГОСТ 8581-78. Проводился контрольный анализ каждой пробы, при котором определялись следующие показатели: кинематическая вязкость при 100С, массовая доля механических примесей, массовая доля железа, массовая доля содержания нерастворимого осадка, зольность, щелочное число, кислотное число, температура вспышки, коксуемость.
Пробы масла брались в соответствии с ГОСТ 2517-80. Минимальный объем пробы для контрольного анализа масел составляет 0,5 л.
Определение физико-химических показателей, отработанных и восстановленных масел проводился с помощью стандартных методов испытаний с использованием существующих приборов, аппаратуры и приспособлений.
В партиях отработанного и восстановленного масла определено: 1. Кинематическая вязкость масла определялась с помощью вискозиметра ВГТЖТ-4 по ГОСТ 33-82 /54/. 2. Содержание воды в маслах определялось с помощью прибора АКОВ (Дина-Старка) по ГОСТ 2477-85 /58/. 3. Температура вспышки масла в открытом тигле определялась по ГОСТ 4333-87/57/. 4. Содержание механических примесей в маслах определялось с применением лабораторной центрифуги типа ЦЛН-2 по ГОСТ 20684-75 или по ГОСТ 6370-83/55/. 5. Содержание нерастворимых осадков по ГОСТ 20684-75/43/. 6. Щелочное число масел определялось прямым титрованием с помощью лабораторного рН-метра типа рН-150 по ГОСТ 11362-76 /59/.
На основании полученных и обработанных экспериментальных данных графически отображались изменения показателей, характеризующих процесс загрязнения масел при работе в двигателе. Для определения вида зависимости К = /ух) применяли следующую методику.
Зависимость изменения показателя качества от времени x — j (0 аппроксимируем в виде полипома 3-4 степени, добиваясь высокого значения коэффициента корреляции и имеющую вид х = ап + arx + а2х2 + а х" +... (3.1) Аппроксимированную кривую разбиваем на интервалы At =10 часов и определяем текущие значения х-, и х,+Л и определяем Ах Ах = X; -хіЧЛ (3.2) После этого определяем среднее значение Х[ по формуле: X; + X,. і 2 (3-3)
Среднее значение скорости изменения показателя качества на интервале At определяли из выражения:
Для получения наиболее достоверных результатов экспериментальных исследований необходимо руководствоваться определенными правилами, как в ходе самих экспериментов, так и при обработке и анализе их результатов /15,60, 104/.
В процессе экспериментов неизбежны случайные ошибки, связанные с неточностью измерений. Одним из способов повышения достоверности опытных исследований является их многократное повторение с нахождением средней арифметической результатов. Оптимальное количество повторно-стей зависит от требуемой надежности результатов опыта а, с помощью которой сможем установить доверительный интервал значений измеряемой величины, и его относительной ошибки.
Анализ значимости изменения показателей качества масла в процессе работы в двигателе
Сравнение динамики изменения показателей качества в свежем и восстановленном маслах с целью определения значимости проводилась по критерию Фишера, в соответствии с методикой однофакторного дисперсионного анализа, изложенной в пункте 3.5. Результаты проведения оценки значимости относительных показателей качества представлены в виде таблицы 4.1.
Анализ представленных в таблице данных показывает, что по всем показателям: кинематической вязкости, механическим примесям, щелочному числу, температуре вспышки и зольности - динамика изменения для свежего и восстановленного масел отличается незначительно.
Проведённые исследования позволяют сделать вывод, что, несмотря на различные исходные значения показателей качества, относительная величина меняется по одинаковым закономерностям. Таким образом, можно предположить, что время достижения предельного значения показателя качества в основном будет зависеть от начальной величины этого показателя.
На скорость изменения показателей качества масла оказывает влияние большое количество тесно связанных между собой факторов.
В ходе экспериментальных исследований анализировались изменения показателей качества в свежем и восстановленном маслах.
Получено регрессионное уравнение для содержания нерастворимых осадков с величиной достоверности аппроксимации R"=0,999: .tw0 =2-1 (TV-0,000Lr +0,0205/ + 1,0103 . (4.1) Уравнение скорости изменения от содержания нерастворимых осадков с величиной достоверности аппроксимации R"=l будет иметь вид: , 0,0001179 к««- 1 - (4-2)
Анализируя полученное уравнение для скорости удаления нерастворимого осадка видим, что с ростом значения показателя скорость его поступления снижается.
Для оценки влияния восстановленных масел на износ двигателей по сравнению со свежим после контрольного срока наработки тракторов проводилась частичная разборка двигателей и микрометраж их основных деталей, согласно методике, представленной в пункте 3.6.
Износ деталей двигателей определялся как разность между конструктивными размерами деталей и размерами, полученными при проведении замеров. Результаты измерения износои основных деталей ириведены на рис. 4. 14-4. 20. Представленные данные показывают следующее:
Блок и гильзо-поршневая группа. Блоки-картеры двигателей дефектов не имеют. Зеркало гильз цилиндров в удовлетворительном состоянии. Следует отметить, что износ гильз цилиндров двигателя работающего на восстановленном масле в 1,7 раза меньше аналогичных износов двигателя, работающего на свежем масле, но меньше предельного значения (рис. 4.14).
Овальность гильз цилиндров обоих двигателей практически одинакова (рис. 4.14).
Износ юбок поршней в двигателе, работавшем на восстановленном масле в 1,8 раза меньше износов в двигателе, работавшем на свежем масле, но меньше предельного значения (рис. 4.15).
Износ первой канавки поршней в двигателе, работавшем на восстановленном масле в 2,6 раза меньше, второй - в 5 раз больше и третьей канавки -в 1,88 раза больше в двигателе, работавшем на свежем масле, но значительно меньше предельного значения (рис. 4.15).
Износ всех колец по высоте обоих двигателей практически одинаков и значительно меньше предельного значения (рис. 4.15). Износ компрессионных колец по радиальной толщине в двигателе, работавшем на восстановленном масле меньше износа колец в двигателе, работавшем на свежем масле: 1 - в 1,56 раза; 2 - в 2,16 раза; 3 - в 2,26 раза, но меньше предельного значения (рис. 4.16).
Зазор новое рабочее кольцо - канавка поршня двигателя, работавшем на восстановленном масле в 1,2 раза больше аналогичных зазоров двигателя, работавшего на свежем масле, но больше предельного значения (рис. 4.17).
Зазор в замке компрессионных колец двигателя, работавшего на восстановленном масле в 1,5 раза меньше аналогичного зазора в двигателе, работавшем на свежем масле,но значительно меньше предельного значения (рис. 4.17).
Износ маслосъемных колец по радиальной толщине двигателя, работавшего на восстановленном масле в 1,2 раза выше аналогичного износа двигателя, работавшего на свежем масле (рис. 4.18). Все детали гильзо - поршневой группы обоих двигателей находятся в удовлетворительном состоянии.
