Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса цель и задачи исследований
1.1 Изменение свойств работающего моторного масла, вызывающих его старение
1.2 Способы продления сроков службы и восстановление свойств работающих моторных масел .
1.3 Критерии и параметры оценки работоспособности моторных масел .
1.4 Выводы и задачи исследований .
Глава 2 Теоретические предпосылки продления сроков службы работающих моторных масел за счет удаления продуктов старения
2.1 Теоретический анализ процессов старения масла и продления сроков его службы
2.2 Моделирование процесса укрупнения мелкодиспергирован-ных частиц продуктов старения моторного масла для их эффективного удаления
2.3 Оценка эффективности центробежного удаления продуктов старения из работающих моторных масел
2.4 Обоснование совокупного показателя эффективности удаления продуктов старения и работоспособности моторного масла 46
Глава 3 Программа и методики экспериментальных исследований 57
3.1 Оценка характеристик работающих моторных масел 57
3.2 Определение дисперсного состава загрязнений работающего моторного масла 59
3.3 Лабораторные исследования коагулирующей способности продуктов старения в работающем моторном масле 61
3.4 Моделирование процесса удаления продуктов старения методом центрифугирования 61
3.5 Оценка противоизносных свойств масел 63
3.6 Оценка смазывающих свойств 64
3.7 Исследование влияния технологических параметров на качество удаления продуктов старения 65
3.8 Методика проведения стендовых испытаний 67
3.9 Производственные испытания технологического процесса очистки работающего моторного масла от продуктов старения 70
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований очистки работающего моторного масла от продуктов старения 73
4.1 Закономерности изменения свойств работающих масел, оптимизации процессов удаления загрязнений 73
4.2 Оценка коагулирующих способностей работающего моторного масла и разработке способа очистки моторного масла от продуктов старения и загрязнений 82
4.3 Оптимизация параметров процесса удаления продуктов старения из работающего моторного масла и разработка технического средства для реализации способа очистки 92
4.4 Оценка противоизносных и смазывающих свойств работающего моторного масла 103
4.5 Результаты стендовых испытаний технологии и устройства для удаления продуктов старения из работающих моторных масел 105
4.6 Производственные испытания технологического процесса и устройства для удаления продуктов старения из работающих моторных масел 129
4.7 Выводы 136
Глава 5 Оценка экономической эффективности удаления продуктов старения из работающих моторных масел и увеличения
Срока его службы . 138
Заключние . 143
Список используемой литературы 145
Приложения 160
- Изменение свойств работающего моторного масла, вызывающих его старение
- Обоснование совокупного показателя эффективности удаления продуктов старения и работоспособности моторного масла
- Лабораторные исследования коагулирующей способности продуктов старения в работающем моторном масле
- Закономерности изменения свойств работающих масел, оптимизации процессов удаления загрязнений
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Смазочное моторное масло в процессе работы в двигателе внутреннего сгорания претерпевает значительные изменения. Изменяется его состав, срабатываются присадки, масло загрязняется механическими примесями, продуктами разложения и сгорания присадок и топлива. По мере наработки масла в двигателях тракторов и накопления смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов оно начинает интенсивно стареть, что в значительной степени влияет на срок его службы, а соответственно отражается на технико-экономических показателях эффективной эксплуатации машины.
Существующие способы и средства очистки масел встроенные в систему смазки двигателей не позволяют вместе с механическими примесями удалить и продукты старения, что ставит вопрос необходимости разработки новых способов воздействия на работающее масло в разряд особо актуальных. И создает основу для разработки высокоэффективных технологических процессов восстановления свойств работающих моторных масел, продления сроков их службы и обеспечения повышения надежности работы сельскохозяйственной техники.
Степень разработанности темы. Вопросами продления сроков службы масел, очистки их от примесей, восстановления эксплуатационных свойств и увеличения ресурса работы масел посвящены труды Венцеля С.В., Григорьева М.А., Ленивцева Г.А., Картошкина А.П., Коваленко В.П., Лышко Г.П., Острико-ва В.В., Рыбакова К.В., Стрельцова В.В., Цыпцина В. И., Фукса И.Г., Уханова А.П., Сафонова В.В. и др.
Разработанные методы и технологии направлены, прежде всего, на решение задач удаления из масел механических примесей и воды. Существующие способы очистки масел различного рода центрифугами и фильтрами не позволяют удалять продукты окисления и смолы, которые снижают работоспособность моюще-диспергирующих, противоизносных и антиокислительных присадок, тем самым уменьшаются сроки эффективной работы смазочного материала.
Достижения в области очистки отработанных масел позволяют приблизиться к решению поставленных задач удаления продуктов старения, однако значительная разница составов и свойств отработанных и работающих масел не позволяют в полной мере воспользоваться известными научными разработками.
Одним из возможных путей решения проблемы эффективного продления сроков службы масел является удаление мелкодиспергированных продуктов старения путем разработки нового технологического процесса периодической очистки работающего моторного масла без его слива из картера двигателя.
Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии) в соответствии с заданиями Россельхозакадемии 09.04.07 «Разработать технологии, новые материалы, приборы и оборудование для эффективного использования моторного топлива и смазочных материалов».
Цель работы – повышение эффективности очистки работающего моторного масла за счет удаления мелкодиспергированных продуктов старения.
Задачи исследований:
теоретически обосновать закономерности укрупнения мелкодисперги-рованных частиц продуктов старения для их удаления из работающего моторного масла;
обосновать параметры процесса удаления продуктов старения из работающего моторного масла, определить критериальные характеристики работоспособности масла;
провести экспериментальные исследования по укрупнению частиц загрязнений, разработать способ очистки работающего моторного масла от продуктов старения, оценить противоизносные свойства очищенных масел и их остаточный ресурс;
- определить конструктивно-режимные параметры технологического
процесса очистки работающих масел в стендовых и производственных
условиях;
- дать технико-экономическую оценку очистки работающего моторного
масла, от продуктов старения, повышающей эффективность его использования.
Научная новизна работы состоит в:
установлении теоретических закономерностей укрупнения мелкодис-пергированных частиц загрязнений и продуктов старения для их эффективного удаления из работающего моторного масла;
теоретическом обосновании и установлении оптимальных параметров процесса очистки работающих моторных масел от продуктов старения без слива их из картера двигателя внутреннего сгорания;
обосновании совокупного показателя эффективности удаления продуктов старения и оценки работоспособности моторного масла;
полученных результатах экспериментальных исследований подтверждающих необходимость и эффективность удаления продуктов старения из работающих моторных масел и позволяющих разработать принципиально новый способ очистки масла;
Новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения № 2476589 «Способ очистки моторного масла от продуктов старения и загрязнений», № 2484462 «Способ определения щелочного числа моторных масел».
Теоретическая и практическая значимость работы:
Теоретические закономерности, полученные в ходе исследований, позволяют обосновать эффективные параметры технологического процесса удаления продуктов старения из работающего моторного масла.
Применение технологического процесса удаления продуктов старения позволяет увеличить срок службы работающего моторного масла и повысить его работоспособность в двигателях тракторов.
Полученные результаты исследований рекомендуются для широкого применения в сельскохозяйственном производстве, а так же предприятиям и организациям, имеющим автотракторный парк.
Объект исследований – технологические и динамические процессы удаления продуктов старения из работающего моторного масла.
Предмет исследований – закономерности изменения свойств работающих моторных масел в процессе удаления продуктов старения при их дальнейшем использовании.
Методы исследований - исследования выполнялись теоретическими и экспериментальными методами и включали в себя лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания исследуемых моторных масел.
При проведении исследований использовались современные методики и оборудование для оценки физико-химических показателей масел. Стендовые испытания проводились по специально разработанной методике на тормозном стенде, моделирующем работу двигателя в реальных условиях.
Производственные испытания проводились в сельскохозяйственных предприятиях Тамбовской области.
Положения, выносимые на защиту:
закономерности процесса укрупнения мелкодиспергированных частиц загрязнений, продуктов старения для их эффективного удаления из работающего моторного масла;
результаты экспериментальных исследований и режимных параметров процесса очистки работающего моторного масла от продуктов старения;
результаты стендовых и производственных испытаний устройства и способа очистки моторных масел от продуктов старения и способа определения работоспособности масла по щелочному числу;
технологический процесс очистки работающего моторного масла от продуктов старения и технико-экономическая оценка эффективности внедрения разработок в сельскохозяйственное производство.
Степень достоверности и аппробация результатов исследований – подтверждается сходимостью теоретических предположений с результатами, полученными в ходе реальных исследований, выполненных с использованием современной контрольно-измерительной и вычислительной техники; большим объемом проведенных лабораторных физико-химических анализов проб моторных масел, испытаниями проведенными в реальных условиях эксплуатации, подтвержденных положительными отзывами инженерных и технических служб сельскохозяйственных предприятий.
Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на международных и всероссийских конференциях: «Dynamika naukowych» (Badan, 2011); «Актуальные проблемы нано и микроэлектроники» (Тамбов, 2011); «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции» (Тамбов, 2011); «Naukowa myl informacyjnej powieki» - 2012»; «Изучение обеспечения инновационных процессов в агропромышленной сфере» (Москва, 2012); «Бъдещето въпроси от света на науката» (София, 2012-2013).
Реализация результатов работы:
По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический процесс для удаления продуктов старения из работаю-
щего масла. Эксплуатационные испытания проведены в ФГУП ПЗ «Пригородный» Тамбовского района Тамбовской области, результаты испытаний внедрены в колхозе им. Ленина, Тамбовского района Тамбовской области.
Публикации по теме диссертации:
По результатам проведенных исследований опубликовано 17 научных статей в ведущих научных и научно-технических журналах, в том числе 8 в журналах, рекомендованных ВАК, получено 2 патента РФ на изобретение (№ 2476589, 2013 г., № 2484462, 2013 г.).
Структура и объем работы:
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложений и списка использованной литературы, который включает 138 наименований. Работа изложена на 196 страницах машинописного текста, и содержит 22 таблицы, 62 рисунка, 8 приложений.
Изменение свойств работающего моторного масла, вызывающих его старение
Работающее моторное масло непрерывно изменяется под воздействием высокой температуры, окисляющей среды, внешних загрязнений, катализаторов (продуктов износа металлических поверхностей) и других факторов [4, 5, 6].
В процессе работы моторного масла в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) его состав изменяется из-за накопления в нем загрязнений, поступающих извне, а также продуктов окисления термического или термохимического разложения углеводородов и присадок [7]. Эти продукты вступают в физические и химические взаимодействия между собой и с загрязнениями, поступающими извне [7]. Не представляется возможным детально изучить и проследить все многообразие и многостадийные превращения всех составных частей исходного масла. Поэтому обычно всю совокупность процессов старения дизельных масел, работающих в смазочных системах дизелей, условно делят на несколько основных интегрально оцениваемых процессов [2, 3, 8]. К ним относятся:
- окисление;
- термическое или термоокислительное разложение углеводородов, составляющих основу масла [2, 3, 8];
- загрязнение продуктами сгорания топлива и масла, пылью, продуктами износа [2, 3, 8];
- расход присадок или истощение их действия вследствие нейтрализации неорганических кислот, термического разложения, уноса из работающего масла в отложения на масляных фильтрах, химических реакций взаимодействия с продуктами окисления масла и топлива и т.п. [2, 3, 8];
Современные дизельные масла, получаемые на основе глубоко очищенных базовых компонентов и содержащие эффективные антиокислительные присадки, характеризуются достаточно высокой стойкостью к окислению [3, 9]. Но полностью исключить окисление масел в дизелях не представляется возможным. Конечными продуктами в цепи реакций становятся нерастворимые в масле высокомолекулярные соединения, образующиеся в результате полимеризации и конденсации промежуточных продуктов окисления, а также структурных изменений углеводородов [10, 11]. Одновременно в работающем масле всегда присутствуют продукты, образующиеся на промежуточных стадиях окисления, а также продукты частичного окисления топлива, склонные к взаимодействию между собой с образованием растворимых, частично растворимых при достаточно высокой температуре и не растворимых в масле высокомолекулярных веществ [12].
Помимо окисления на состав и свойства масла, в частности, на рост его вязкости, влияют испарение, термоокислительное и термическое разложение углеводородов [5].
Термоокислительное разложение углеводородов интенсивно протекает при доступе воздуха и высокой температуре в зоне верхнего компрессионного кольца и на стенке цилиндра вблизи верхней мертвой точки [3, 5, 13]. Распад молекул приводит к образованию летучих веществ, сгорающих в камере сгорания или уносимых с отработавшими газами, а также более тяжелых веществ, имеющих ненасыщенные связи и обладающие высокой реакционной способностью. Они вместе с маслом возвращаются в картер и вовлекаются в цепь окислительных реакций [5, 14].
Термическое разложение масла без доступа кислорода или при сильно ограниченном его поступлении имеет место в закрытых полостях масляного охлаждения поршней [3]. Этот процесс оказывает существенное влияние на старение масла при его соприкосновении с очень сильно нагретыми металлическими поверхностями (днищем поршня изнутри) и недостаточно быстром отводе его из горячей зоны. Желательно ограничение температуры охлаждаемых маслом поверхностей до 220-250 С и обеспечение такой прокачки масла, при которой оно не нагревается выше 110-120 С [5].
Кроме аккумулирующихся в работающем моторном масле продуктов его окисления и взаимодействия их с присадками важными источниками загрязнения являются продукты неполного сгорания органической составляющей топлива, неорганические остатки (зола) после сгорания топлива и масла, содержащаяся в воздухе пыль и продукты износа трущихся деталей двигателя [3]. При любой схеме организации процессов смесеобразования и сгорания в дизельных двигателях происходит образование некоторого количества твердых продуктов неполного сгорания топлива в виде частичек сажистых частиц размером 0,03 - 0 ,05 мкм, склонных к агрегации и образованию более крупных частиц размером до 1 мкм [15]. Количество сажи, попадающей из рабочего объема цилиндра в масляную пленку на стенки и далее в масло находящееся в катрере двигателя, зависит от способа смесеобразования, объема цилиндра и режима работы двигателя, а также от качества используемого топлива. В дизелях с разделенной камерой сгорания и малым диаметром цилиндра скорость загрязнения масла сажей больше, чем в дизелях с неразделенной камерой сгорания. Работа на режимах, близких к пределу дымления, а также на переменных скоростных и в нагрузочных режимах способствует усилению загрязнения масла сажей [5].
В суммарном нерастворимом осадке, выделяемом из работавших дизельных масел центрифугированием на лабораторных центрифугах [16], неорганические продукты сгорания топлива и масла составляют не столь значительную часть. То же относится к пыли, попадающей в двигатель с засасываемым воздухом и продуктам износа трущихся деталей. В исправных двигателях содержание в масле указанных неорганических загрязнителей составляет от десятых до сотых долей процента, т.е. на один-два порядка меньше содержания неорганических продуктов срабатывания зольных присадок. Однако пыль, продукты износа и зольные остатки от сгорания топлива и масла являются не только абразивными загрязнениями, они каталитически ускоряют окисление масла [17].
Как уже упоминалось, одним из факторов, влияющим на процесс изменения свойства масла в ДВС, является качество используемого дизельного топлива, содержание в нем серы [18] и эффективность его сгорания, а это, в свою очередь, отражается на интенсивности износа деталей двигателя, цилиндропоршневой группы.
В процессе использования некачественного дизельного топлива происходит увеличение роста загрязнений на деталях ЦПГ, повышение содержания смол, ас-фальтенов в работающем моторном масле, снижается срок службы масла. Данные факты отражаются на состоянии масел, при этом увеличивается износ деталей, повышается расход топлива, увеличивается угар масла, растет загрязненность выхлопных газов [3].
Установлено, что, чем выше моюще-диспергирующие свойства масла, тем больше нерастворимых веществ – продуктов старения, может удерживаться в работающем масле без выпадения в осадок, тем меньше лакообразных отложений и нагаров образуется на горячих деталях, тем выше может быть допустимая температура деталей [1, 6, 19].
Зависимость массы отложений на поршнях двигателя от концентрации моюще-диспергирующей присадки в масле и содержания серы в применяемом топливе показана на рисунке 1.1 [1, 19].
Обоснование совокупного показателя эффективности удаления продуктов старения и работоспособности моторного масла
В процессе работы моторного масла в двигателях внутреннего сгорания изменяется его вязкость, загрязненность, срабатываются присадки. Как указанно в разделе 1.1 данные свойства работающего масла взаимосвязаны и, в целом, характеризуют процесс его старения.
В настоящее время в химмотологии отсутствует единичный показатель характеризующий качество работающего моторного масла, необходимый и достаточный для оценки эффективности восстановления его свойств и предела работоспособности.
Существует достаточно много методов которые предполагают использование того или иного физико-химического показателя для оценки качества работающего моторного масла, различные комбинации показатели как критерии оценки работоспособности [107]. Однако все данные исследования и разработанные методы направлены в основном на решение задач своевременной замены масел, полностью отработавших свой ресурс.
Как уже отмечалось в разделе 1.1 в процессе старения в масле накапливаются продукты сгорания топлива, разложения присадок, образующие продукты окисления, которые при физико-химическом анализе могут характеризоваться изменением содержания нерастворимого осадка, щелочного числа, кислотного числа работающего масла.
Щелочное и кислотное число, работающего масла являются важнейшими показателями, свидетельствующими о содержании и срабатываемости присадок в масле. Так, в ряде известных технологий продления сроков службы моторных масел и их замены по фактическому состоянию, щелочное число рассматривается как основной браковочный показатель [31].
Срок службы масла во многом зависит от исходного и остаточного содержания в нем антиокислительных, противоизносных и противозадирных присадок, определяемых щелочным числом как значение не менее 6,0 мг (КОН)/г. для свежего масла и 1,5 - 2,5 мг (КОН)/г для масла отработавшего свой ресурс [6, 108].
Кислотное число свежего масла имеет значение от 1 мг (КОН)/г до 1,5 мг (КОН)/г и по мере наработки может увеличиваться.
В принципе кислотное число масла косвенно связано с содержанием присадок и по мере их срабатывания (наработки) должно уменьшаться, однако накапливающиеся в масле продукты окисления, старения масла искажают фактическое значение данного параметра, который зачастую даже не рассматривают как браковочный показатель срока службы или работоспособности масла.
Вместе с тем как, показывают результаты многолетних исследований по очистке отработанных масел [109], если из отработанного масла удалить 80 - 90 % смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов, то кислотное число уменьшится с 1,5 до 0,3 - 0,5 мг (КОН)/г. С учетом щадящих воздействий на остаточную базу присадок [98] можно предположить, что данная степень очистки так же характеризует остаточное содержание присадок (т.е. содержание присадок уменьшилось в 3 - 5 раз).
Для анализа изменения кислотного числа работающего моторного масла проведен не сложный математический анализ. Кислотное число, косвенно определяющее накопление продуктов окисления, с течением времени обозначим Кк (t).
Скорость изменения кислотного числа выражается уравнением:
Анализ изменения содержания нерастворимого осадка в отработанном моторном масле при очистке в поле центробежных сил с 1,0 % до 0,1 - 0,2 % указывает на взаимосвязь данного показателя со значением кислотного числа как показателя эффективности удаления продуктов старения [66]. Рассмотрим функцию x(t), показывающюю количество загрязнений или продуктов окисления которое поступило в масло, в момент времени t. Пусть масло отработало в течение периода времени tn . Посчитаем, какое количество загрязнений поступило в него за это время. Для этого разделим период tn на п частей [ПО].
Обозначим Atk- длину k-ой части т.е.:
Возьмем в каждой части произвольно по точке tk, определим величину загрязнений x(tk) и составим сумму произведений:
Если в течение срока службы масло подвергалось очистке, то количество накопившихся загрязнений будет меньше. Рассмотрим график x(t) в данном случае область определения функции можно разбить на конечное число частей так, что внутри каждой из них сама функция и ее производная являются непрерывными. При этом точки разбиения - это моменты времени, в которые происходила очистка масла. Если масло подвергалось очистке, то x(t) принимает вид кусочно-гладкой функции.
Лабораторные исследования коагулирующей способности продуктов старения в работающем моторном масле
Как показано в состоянии вопроса гл. 1.1 работающие моторные масла содержат в своем составе большое количество мельчайших частиц загрязнений органического и неорганического происхождения находящихся в растворенном состоянии т.е. менее 0,1 мкм, которые очень трудно определить, или в частицах размеры которых 0,5 - 1 мкм.
В соответствии с целью и задачами исследования удаления продуктов старения из работающего моторного масла, активизации действия остаточной базы присадок, продления сроков службы масел и соответственно снижения процессов износа в ЦПГ разрабатывался метод проведения исследований по оценке коагулирующей способности мельчайших частиц загрязнений (их укрупнении до размеров пригодных к удалению обычными центрифугами со скоростью вращения ротора центрифуги не более 7000 об./мин) находящихся в работающем моторном масле за счет действия коагулирующего раствора (карбамида).
Процесс коагуляции загрязнений рассматривается при помощи микроскопа. Готовится проба масла объемом 100 мл, куда вносится водный раствор карбамида концентрацией 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 2 %. Полученные смеси масла с коагулянтом при постоянном перемешивании нагревались до температуры 70; 75;80; 85; 90; 95; 100 оС при перемешивании, отбиралась капельная проба, наносится на стекло и рассматривается эффективность процесса коагуляции.
По результатам экспериментов определяется примерная наиболее эффективная концентрация смеси.
Как указано в теоретической части работы (гл. 2.2) дисперсный состав работающего моторного масла меняется на протяжении всего срока его службы. Основная масса частиц сосредоточена в диапазоне 0,5 - 1,0 мкм и менее, однако существующие системы очистки масла установленные на двигателе не позволяют удалить частицы загрязнений данного размера.
Для моделирования процесса очистки работающих моторных масел от продуктов старения и загрязнений использовалось работающее моторное масло М-10Г2к с различным временем наработки и степенью загрязнения. Перед проведением испытаний определялись физико-химические показатели масла, методом бумажной хроматографии определялось содержание примесей, рассматривался их дисперсный состав.
Моторное масло, с минимальным количеством разделяющего агента, при котором протекает стабильный процесс коагуляции загрязнений, помещалось в лабораторную центрифугу (рисунок 3.3), где при различных оборотах ротора в диапазоне 5000 - 8000 об/мин за счет центробежной силы происходило осаждение загрязнений на стенках гильзы.
После очистки масла на лабораторной центрифуге проводился физико-химический анализ масла, оценивался дисперсный состав загрязнений и проводилось сравнение полученных результатов с исходными показателями масла.
В соответствии с основной целью исследований разработки технологического процесса удаления продуктов старения из работающих моторных масел и продления срока службы предусмотрена оценка противоизносных свойств работающих моторных масел.
За основу методики исследований взят анализ качества защиты деталей от износа, при средних величинах нагрузки и температуры исследуемых моторных масел, способности защищать поверхности деталей.
В ходе проведения исследований проводился анализ работоспособности исходного моторного масла до и после его очистки с добавлением коагулянта. Оценку противоизносных свойств исследуемых моторных масел выполняли на машинке трения типа КТ-2 (рисунок 3.4 (а)).
а) машинка трения типа КТ-2; б) микроскоп «Биолам» с микрометра в виде насадки (МОВ-1-15х) Рисунок 3.4 – Проведение исследований по определению противоизносных свойств моторного масла.
Определение противоизносных свойств работающих моторных масел на четырехшариковой машинке трения основывается на сравнительном анализе диаметра пятна износа шариков, при заданной осевой нагрузке до и после удаления продуктов старения из моторных масел (при температуре 20, 80, 150 оС).
При завершении испытаний исследуемые образцы извлекаются из чашки, промываются и высушиваются.
Оценку противоизносных свойств моторных масел проводили путем сравнения среднего диаметра пятна износа шариков в нижней обойме машинки трения. Замер диаметра выполняли под микроскопом с использованием специального микрометра выполненного в виде насадки на окуляр микроскопа (рисунок 3.4(б)).
Сравнительная смазывающая способность образцов моторных масел выполнялась на трибометре «TRB-S-DE», любезно предоставленном ГНУ ГОСНИТИ (рисунок 3.5), за что автор выражает глубокую признательность.
Трибометр в режиме реального времени фиксирует и регистрирует силу трения, положение индентора по высоте над истираемым диском/пластиной, вычисляет и регистрирует коэффициент трения. Испытания проводятся на сухую, в масляной ванне, при капельной подаче смазки, при температуре 20 - 25 С в чаше с маслом. Результаты изнашивания раздельно контролируют по убыли массы диска и индентора весами аналитическими марки ACCULABALC 201de, фирмы SARTORIUS, диаметр пятна износа индентора измеряют на микроскопе NEOFOT 30, профиль следа трения регистрируют профилограф-профилометром, входящим в состав трибометра [119].
В процессе испытаний компьютер регистрировал величину коэффициента трения () и высоту (d, мкм) положения индентора над истираемым диском [119]. Что в конечном результате позволяет судить о смазывающих свойствах испытуемого объекта (масла). В нашем случае анализировались три масла: товарное М-10Г2к, работавшее загрязненное и тоже очищенное от продуктов старения.
При проведении операции по удалению из работающего моторного масла, продуктов старения асфальтенов, карбенов и т.д. имела место корректировка параметров процесса, влияющего в конечном результате на эффективность коагуляции и качество удаления продуктов старения.
Согласно исследованиям проведенным в разделе 2 настоящей диссертации необходимо придерживаться следующих технологических параметров для оптимизации процесса центрифугирования: обороты ротора центрифуги в пределах 4000-8000 об/мин., количество вносимого коагулянта, достаточного для эффективной коагуляции продуктов старения.
Закономерности изменения свойств работающих масел, оптимизации процессов удаления загрязнений
Для разработки технологического процесса удаления продуктов старения, продления сроков службы работающих моторных масел, необходим анализ закономерностей изменения эксплуатационных свойств масел по мере их наработки в ДВС. Данные исследования позволяют не только оценить необходимость и достаточность процесса удаления мельчайших загрязнений (смол и т.д.), но и в первом приближении установить сроки проведения операции удаления примесей. Целесообразно определить основные физико-химические показатели масел, которые должны корректироваться технологическими операциями, а так же определить дисперсный состав присутствующих в работающем моторном масле загрязнений, как по размеру, так и по количеству. В разрабатываемом устройстве для удаления продуктов старения предусматривается возможность не только удаления нерастворимых примесей из масел, но и снижение концентрации воды, топлива, корректировка вязкости, температуры вспышки антиокислительных и других свойств масла [96].
Наличие в масле воды в любых количествах ухудшает эксплуатационные свойства, а ее присутствие в количестве 0,3 % для дизельных двигателей уже приводит к аварийным ситуациям. Поэтому практический интерес представляют исследования, направленные на изучение влияния воды или водных растворов электролитов, вносимых в работающее масло в процессе его очистки, на физико-химические показатели масла [69]. Установлено, что в результате взаимодействия зольных присадок с водой они изменяют свои исходные характеристики и частично выпадают в осадок, что приводит к снижению эксплуатационных свойств масел и интенсивной коррозии деталей [1]. В таблице 4.1 представлены результаты исследований изменений свойств моторного масла М-10Г2к при искусственном обводнении. Попадание уже 0,1 % воды приводит к образованию в масле осадка и падению щелочного числа [69]. Вязкость водно-масляной смеси несколько больше, чем исходного масла, что может быть объяснено образованием эмульсии [69]. При нагревании смеси масла с водой снижение щелочного числа идет интенсивнее из-за возрастания скорости гидролиза присадок [69].
Вода косвенно способствует удалению (испарению) из работающего масла топливных фракций. Исследованиями установлено, что повышение температуры вспышки масла, содержащего примеси топлива, происходит с меньшими затратами энергии при нагревании масла с водой, чем при прогреве обезвоженного масла (табл. 4.2) [69]. Для практических целей очистки работающего моторного масла интересен факт повышения температуры вспышки очищаемого масла при нагревании его с водой до невысоких температур (110 - 120 о С). Вода способствует более быстрому удалению легкокипящих фракций углеводородов из масла, что не требует вносить в конструкцию устройств очистки масел нагревательных элементов и прогревать масло до температуры, когда быстро начинают идти окислительные процессы.
С целью выявления изменения закономерностей основных физико-химических показателей, были проведены исследования по изменению щелочного и кислотного числа, вязкости и цвета моторного масла М-10Г2к работающего в обычных условиях эксплуатации двигателя СМД-31.
Вязкость работающих масел в двигателях с различными сроками эксплуатации изменяется также не пропорционально. Из-за окислительных процессов она должна постепенно возрастать. Однако из-за процессов разжижения масла попадающим топливом эта тенденция изменяется по сложной зависимости, связанной с технической исправностью двигателей. Здесь могут преобладать процессы попадания топлива в масло или скорость их поступления будет меньше или равна скорости изменения вязкости за счет разжижения топливом. Поэтому для каждого конкретного двигателя целесообразно проводить экспресс-контроль вязкости масла. В то же время при технически исправной топливной аппаратуре при старении масла в двигателях с различными сроками эксплуатации имеет место тенденция общего роста вязкости. Результаты измерения вязкости на двигателе СМД-31 представлены в таблице 4.3, и на рисунке 4.1.
Не прошедший ремонта, с большим выработанным ресурсом 11,9 11,50 11,90 12,40 13,00
Видно, что даже для изношенного двигателя значение роста кинематической вязкости примерно на 2 мм2/с. за 200 часов работы не превышает браковочных норм, хотя эта увеличенная вязкость уже требует корректировки. Для восстановления свойств работающих масел критериальным значением роста для дизельных двигателей можно принимать значение в По мере старения масла снижаются также его антикоррозионные и проти-воизносные свойства [24, 88, 91]. В то же время установлено, что некоторые из продуктов старения (смолы, продукты разложения присадок и др.) под действием высоких температур в двигателе, являются носителями функциональных свойств, присущих той или иной присадке [124]. Чаще всего это касается противоизнос-ных, противозадирных и антифрикционных свойств [1]. Поэтому ориентировка восстановительных операций для работающего масла на эти параметры затруднительна и нецелесообразна из-за сложности происходящих процессов.
По данным проведенных анализов щелочное число работающего масла к 300 часам наработки изменилось с 6,0 мг КОН/г до 2,9 мг КОН/г (рис. 4.3) т.е. в масле к моменту замены практически не осталось запаса работоспособных щелочных присадок (браковочный показатель 2,5 - 3 мг КОН/г). Однако стоит обратить внимание на то, что тенденции изменения щелочного числа во многом зависит от условий работы и технической исправности двигателя.
