Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и анализ рационального использования отработанных трансмиссионных масел .12
1.1 Назначение трансмиссионных масел .12
1.2 Особенности работы и изменения состояния трансмиссионного масла в процессе эксплуатации .16
1.3 Использование отработанных трансмиссионных масел и их воздействие на окружающую среду 19
1.4 аналИз существующих методов и технических средств регенерации отработанных трансмиссионных масел 22
1.5 Анализ показателей для оценки качества трансмиссионных масел 25
1.6 Анализ методов и технических средств оценки качества трансмиссионных масел 30
1.7 Цель и задачи исследований 33
2 Теоретические исследования технологического процесса регенерации отработанных трансмиссионных масел 35
2.1 Разработка и обоснование технологического процесса регенерации отработанных трансмиссионных масел 35
2.1.1 Разработка и обоснование метода очистки отработанных трансмиссионных масел 36
2.1.2 Разработка и обоснование метода восстановления эксплуатационных свойств отработанных трансмиссионных масел .40
2.1.3 Обоснование безопасной утилизации образующихся отходов при регенерации отработанных трансмиссионных масел .47 2.2 разработка технического средства для очистки отработанных трансмиссионных масел 49
2.2.1 Конструкция и принцип действия гидроциклона 49
2.2.2 Определение основных конструктивных параметров гидроциклона
2.2.2.1 силы и скорости, воздействующие на частицу нерастворимой примеси в гидроциклоне 53
2.2.2.2 Определение конструктивных параметров гидроциклона 61
Выводы 66
3 Программа и методика экспериментальных исследований 68
3.1 Программа экспериментальных исследований 68
3.2 выбор объекта регенерации 68
3.3 Методика лабораторных исследований
3.3.1 Методика проведения исследований технологических режимов очистки и восстановления эксплуатационных свойств отработанных трансмиссионных масел .69
3.3.2 Методика проведения исследований конструктивных и режимных параметров гидроциклона 71
3.3.3 Лабораторный анализ проб
3.4 Методика исследований в производственных условиях. 89
3.5 Методика сравнительных эксплуатационных исследований
3.5.1 Выбор условий эксперимента 92
3.5.2 Подготовка системы смазки трансмиссии 94
3.5.3 Взятие проб и подготовка их для анализа 97
3.5.4 Определение необходимого количества проб 98
3.6 Методика обработки результатов исследований 100
Выводы .102
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ .104
4.1 Результаты исследований технологических режимов очистки и восстановления эксплуатационных свойств
отработанных трансмиссионных масел .104
4.1.1 Результаты исследований по определению вида щелочного соединения 104
4.1.2 Результаты исследований по определению режимов осушения щелочным соединением .106
4.1.3 Результаты исследований по определению вида и режимов очистки кислотным соединением.. 107
4.1.4 Результаты исследований по установлению режимов ввода многофункциональных присадок и компаундирования с базовым маслом
4.2 Результаты исследований гидроциклона 113
4.3 Результаты исследований трансмиссионных масел на склонность к пенообразованию .117
4.4 Результаты трибологических исследований трансмиссионных масел 119
4.5 Результаты исследований по определению продуктов износа в трансмиссионных маслах .121
4.6 Результаты исследований технологического процесса регенерации в производственных условиях .125
4.7 Результаты сравнительных эксплуатационных исследований автомобилей камаз с товарным и регенерированным трансмиссионным маслом 127
выводы 144
5 Технико-экономическая оценка результатов исследований и рекомендации производству 146
5.1 Экономическая эффективность результатов исследований 146
5.2 Расчет эффективности от применения регенерированного трансмиссионного масла 146
5.3 Рекомендации по использованию и регенерации
отработанных трансмиссионных масел .155 выводы 156
общие выводы 158
список использованной литературы..
- Использование отработанных трансмиссионных масел и их воздействие на окружающую среду
- Разработка и обоснование метода восстановления эксплуатационных свойств отработанных трансмиссионных масел
- Методика проведения исследований конструктивных и режимных параметров гидроциклона
- Результаты трибологических исследований трансмиссионных масел
Использование отработанных трансмиссионных масел и их воздействие на окружающую среду
В последнее время возрастает потребление смазочных масел, способствующих надёжной эксплуатации различного рода механизмов. От степени рационального использования смазочных масел в значительной мере зависят темпы создания и внедрения в эксплуатацию новой техники, а также возможность улучшения её эксплуатации в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве. Одним из видов автомобильных смазочных материалов, широко используемых в агропромышленном комплексе России, являются трансмиссионные масла. Потребление трансмиссионных масел несколько меньше моторных, предназначенных для двигателей внутреннего сгорания. Однако по значимости для современных автомобилей трансмиссионные масла не уступают любой другой группе смазочных материалов. Основными потребителями трансмиссионных масел в автопарках сельскохозяйственных производств являются тяжелые грузовые автомобили и трактора, агрегаты трансмиссий которых в последнее время имеют тенденцию к уменьшению конструктивных размеров. В связи с этим, к трансмиссионным маслам предъявляются особые требования, связанные с уменьшением износа поверхностей трения, повышением долговечности работы механизмов, эффективности эксплуатации автомобилей и тракторов в зимнее время за счет сокращения расхода топлива и затрат на обслуживание транспортных средств [18, 22, 72, 101].
Правильный подбор трансмиссионного масла позволяет значительно продлить срок службы агрегатов трансмиссии. Это очень важно, так как ежегодная стоимость их ремонта составляет большую сумму и на этих работах занято до 15 % кадров машиностроителей и загружено около 10 % станочного парка [91, 102, 171].
Вопросам рационального использования, эксплуатации в автомобиль ных трансмиссиях, применения эффективных технологических процессов для регенерации смазочных материалов посвящено значительное количество работ отечественных ученых: Брай И. В., Бутова Н. П., Глущенко А. А., Гончаренко В. Г., Гуськова Ю. В., Гущина В. А., Зазули А. Н., Картошкина А. П., Кичкина Г. И., Климова К. И., Коваленко В. П., Ленивцева Г. А., Литовкина А. В., Острикова В. В., Полканова И. П., Сафарова К. У., Уханова А. П., Холманова В. М., Шашкина П. И. и др. [6, 7, 23, 28, 30, 57, 58, 73, 74, 90, 103-109, 114, 124-126, 149, 156, 161, 166].
К трансмиссионным маслам относят материалы, используемые в целях смазки деталей агрегатов трансмиссии и управления автомобилей, которые находят все более широкое распространение. Трансмиссионные масла представляют собой сложную углеводородную смесь базовой основы и комплекса присадок, улучшающих физико-химические и эксплуатационные свойства масла. В основном, для улучшения свойств масел вводят следующие присадки: противоизносные, противозадирные, антиокислительные, противокоррозионные, вязкостные и противопенные. Введение присадок способствует значительному улучшению качества трансмиссионных масел и тем самым облегчает работу и увеличивает срок службы агрегата трансмиссии. Присадки подразделяются по принадлежности к определенному типу соединений или по содержащимся в них активным элементам. В зависимости от структуры и химической природы присадок их действие может быть химическим или физическим. Применение присадок, улучшающих противоиз-носные свойства, позволяет уменьшить металлоемкость конструкций и увеличить межремонтные сроки машин и агрегатов. При введении в масло про-тивозадирных присадок можно увеличить передаваемую агрегатом мощность в несколько раз, причем максимально допустимый момент в этом случае лимитируется поломкой зубьев шестерен. Введение антиокислительных присадок способствует замедлению цепной реакции окисления трансмиссионных масел в процессе эксплуатации, дезактивации растворенных металлических катализаторов и поверхностей, окислению вторичных продуктов окисления, что способствует уменьшению количества отложений. Противокоррозионные присадки предотвращают и снижают коррозию в трансмиссионных маслах путем образования на поверхности металла защитной пленки, которая является каталитически неактивной и прочно удерживается на его поверхности, предохраняя ее от действия продуктов окисления масла. Вязкостные присадки увеличивают вязкость при смешивании с маловязкими трансмиссионными маслами при положительных температурах и не оказывают негативного влияния при отрицательных. Противопенные присадки способствуют снижению пенообразования в трансмиссионных маслах при эксплуатации в агрегатах трансмиссии. Они не только предупреждают процесс пенообразо-вания, но и разрушают уже образовавшуюся пену [72, 80, 154].
Основными назначениями трансмиссионных масел являются: передача мощности двигателя, смазка и охлаждение высокоскоростных и тяжело-нагруженных шестерен в агрегатах трансмиссий. Главной задачей этих масел является уменьшение износа и предотвращение задиров. Различие между моторными и трансмиссионными маслами обусловлено, прежде всего, особенностями работы агрегатов, в которых они используются. В двигателе детали с высокой скоростью скользят друг по другу. А для зубчатых зацеплений характерно не столько скольжение, сколько высокое давление и температура в зоне контакта зубьев. Трансмиссионное масло обязано создавать прочную пленку, способную выдерживать такие контактные нагрузки при высоких температурах. Если масло не будет создавать высокопрочную пленку, контактирующие поверхности зубьев начнут свариваться между собой. Последующие разъединения зубьев станут причиной разрушения зубьев шестерни [21, 28, 93, 116, 135].
Разработка и обоснование метода восстановления эксплуатационных свойств отработанных трансмиссионных масел
Необходимое качество очистки отработанных трансмиссионных масел достигается благодаря применению: входного патрубка подачи отработанного масла, выполненного в форме прямоугольного сечения, тангенциально присоединенного с углом наклона в верхнюю часть цилиндрокониче-ского корпуса; кольцевой вставки; конической диафрагмы и сменных насадок. Прямоугольное сечение входного патрубка, в отличие от круглого, создает ламинарность потока масла при его круговом движении в корпусе гидроциклона и позволяет получить более высокую тонкость разделения [167]. Крепление патрубка для вывода очищенного масла тангенциально к цилиндрической крышке обеспечивает снижение сопротивления движению очищенного масла при его отводе из данного устройства. Кольцевая вставка позволяет добиться повышения центробежной силы и степени очистки отработанного масла путем увеличения скорости движения частицы в пристенной области гидроциклона. Установленная внутри корпуса гидроциклона коническая диафрагма повышает качество процесса разделения масла на фазы, а используемые сменные насадки в нижней части конуса позволяют изменять отводное отверстие в оптимальных пределах.
Оптимальные конструктивные и режимные параметры гидроциклона напрямую влияют на его производительность. По общепризнанному мнению производительность гидроциклона зависит от давления на входе в гидроциклон и ряда его конструктивных параметров, основными из которых являются диаметр гидроциклона, размеры и сечение входного отверстия, диаметры отводных отверстий и угол конической части корпуса. Для расчета производительности гидроциклона предлагаются различные эмпирические формулы [5, 10, 13, 84, 85, 141], однако надежность их невелика. В результате проведенного теоретического исследования было выяснено, что расчетные формулы, необходимые для определения производительности гидроциклона в большинстве случаев одинаковы.
Для определения основных конструктивных параметров гидроциклона при очистке трансмиссионного масла применялась методика расчета, разработанная Р. Н. Шестовым [167]. Применение данной методики представляет возможным создать гидроциклон для очистки высоковязких технических масел, таких как трансмиссионных. Однако при расчете гидроциклона по методике Р. Н. Шестова не учитываются силы и скорости, воздействующие на частицу нерастворимой примеси в потоке масла, поэтому конструктивные параметры гидроциклона необходимо рассчитывать, учитывая данное условие.
Очистка отработанного трансмиссионного масла в гидроциклоне происходит благодаря воздействию на частицу нерастворимой примеси основных сил (рисунок 2.8): центробежной Рц, радиальной центростремительной Рr, силы Кориолиса Рк, силы сопротивления Рс, силы инерции Ри [9, 13, 76, 167]. За частицу нерастворимой примеси принята отдельная элементарная частица продуктов окисления, разложения, износа и загрязнения масла. где іл - вязкость трансмиссионного масла, мм2/с; Q - производительность гидроциклона, м3/ч; h - высота воздушного столба в гидроциклоне, м.
Возникновение силы инерции Ри в гидроциклоне вызвано изменением скорости частицы, а именно переменой профиля скорости движения, в начальный момент времени, при входе через питающий патрубок. Отработанное трансмиссионное масло подается в гидроциклон с начальной скоростью v{ , которая впоследствии меняет профиль по линии 1-1 (рисунок 2.8).
Подача трансмиссионного масла в гидроциклон через входной патрубок, имеющий угол наклона к горизонтальной оси, вызывает перемену профиля скорости v по линии 2-2 (рисунок 2.8) и она имеет зависимость вида
Значительное количество исследователей считает п = 1 [1, 13, 84, 141, 167]. Скорость отделения частиц нерастворимой примеси vc из потока отработанного масла соответствует уравнению [13]: vc=vH-v(r). (2.7) где v - вектор скорости потока отработанного масла на входе через питаю-щий патрубок, м/с; v(r) - вектор скорости частицы нерастворимой примеси по радиусу гидроциклона, м/с.
В связи с изменением скорости отделения частиц нерастворимой примеси возникает сила инерции [167] Направление движения вектора скорости vc постоянно меняется в зависимости от области потока масла. Если движение потока соответствует положению ниже уровня точки А, вектор скорости будет направлен к стенке гидроциклона, а если выше данной точки, то к его центру. Изменение профиля скорости приводит к несимметричному обтеканию частиц нерастворимых примесей, находящихся в потоке, и их вращению. При вращении частицы вместе с ней вовлекается во вращение поток, что приводит к увеличению скорости среды на одной стороне частицы и к уменьшению ее - на другой (рисунок 2.9). где vt - скорость потока между частицей и центром гидроциклона, м/с; v2 скорость потока между частицей и стенкой гидроциклона, м/с; S - размер частицы, м; соч - угловая скорость частицы, рад/с; v - скорость потока, м/с.
Из уравнения (2.9) видно, что при положительной скорости сдвига сила Сафмана будет направлена в сторону оси гидроциклона, а при отрицательном ее значении противоположно направлена - в сторону стенки гидроциклона. Однако, при входе в гидроциклон частица имеет определенную скорость равную скорости входного потока v4 = vH. При попадании частицы из центра потока в пристенную область скорость частицы будет превышать скорость потока v4 vt, и поперечная сила Рсаф будет перемещать частицу к стенке гидроциклона. Напротив, при отрыве частицы от стенки она будет отставать от потока v4 vt, и поперечная сила Рсаф будет перемещать ее в центр потока и препятствовать осаждению (рисунок 2.10).
Методика проведения исследований конструктивных и режимных параметров гидроциклона
Данная величина автомобилей КамАЗ позволяет обеспечить необходимый уровень точности эксплуатационных исследований [127]. Режимы эксплуатации были установлены в производственных условиях при перевозке различных грузов и материалов. Подготовку исследуемого трансмиссионного масла, замену и взятие проб производили на территории предприятий Ульяновской области. Из агрегатов трансмиссии, а именно: коробки перемены передач, среднего и заднего мостов автомобилей КамАЗ отбирали пробу, через интервал пробега в 6000 км, находившегося в эксплуатации товарного ТСп-15К и регенерированного трансмиссионного масла для проведения исследований. Затем проводился анализ по определению изменения показателей основных физико-химических и эксплуатационных свойств отобранного трансмиссионного масла. При последующем отборе проб в агрегаты трансмиссии доливалось трансмиссионное масло, которое извлекали для проведения анализа на предыдущем этапе исследований.
Эксплуатационные исследования осуществляли на двух группах автомобилей КамАЗ: - первая группа включала в себя пять автомобилей КамАЗ, в агрегатах трансмиссий которых использовалось товарное трансмиссионное масло марки ТСп-15К (ГОСТ 23652-79); - вторая группа включала в себя также пять автомобилей КамАЗ, в агрегатах трансмиссий которых использовалось отработанное регенерированное трансмиссионное масло.
За период сравнительных эксплуатационных исследований общий пробег пяти автомобилей соответствовал значению в 546100 км. Среднее значение пробега для одного автомобиля составило 54610 км. до момента замены трансмиссионного масла в агрегатах трансмиссий.
Перед проведением исследований автомобиль КамАЗ загоняли на эстакаду или смотровую яму, после чего подготавливали необходимые инструменты, емкости для слива. Вначале трансмиссионное масло сливали из картера КПП, когда оно имело максимальную температуру от нагрева при работе, вывернув три пробки 1, 2, 3 на автомобиле (рисунок 3.19). Благодаря достигнутой температуре трансмиссионное масло имело минималь 95 ную кинематическую вязкость. Для удобства выполняемой работы поднимали кузов автомобиля КамАЗ в верхнее положение. Затем магнитные пробки очищали от грязи и после слива отработанного масла устанавливали их на место [143, 144].
После этого в картер коробки перемены передач заливали промывочное масло «Лукойл» (ГОСТ 17479.1) через наливное отверстие 4. Затем прокручивали шестерни коробки передач двигателем на нейтральной передаче в течение 10 минут, сливали промывочное масло и заправляли исследуемым трансмиссионным маслом. Далее осуществляли повторную промывку картера коробки перемены передач и сливали данное масло, после чего заливали в картер исследуемое трансмиссионное масло до необходимого уровня. При проверке уровня залитого масла указатель вставляли в отверстие до упора в резьбу [66, 98, 123].
В мостах трансмиссионное масло сливали также при достижении им максимальной температуры. Для этого поднимали заднюю тележку автомобиля КамАЗ домкратом и устанавливали на подставки, установив перед этим противооткатные клинья под передние колеса. Слив масла осуществляли че 96 рез сливные отверстия, вывернув пробки контрольного 2, заливного 1 и сливного 3 отверстий (рисунок 3.20).
После слива отработанного масла пробку сливного отверстия 3 очищали от грязи и устанавливали на место. Затем заправляли картеры мостов промывочным маслом «Лукойл» (ГОСТ 17479.1) через заливное отверстие 1. Далее запускали двигатель, включив третью передачу, и давали возможность ему поработать при частоте вращения коленчатого вала не более 1000 мин-1 в течение 10 минут, а потом сливали промывочное масло. Затем заправляли картеры мостов исследуемым трансмиссионным маслом, осуществляли повторную промывку картеров мостов и сливали данное масло.
После промывки картеров ведущих мостов их заправляли до уровня нижней кромки контрольного отверстия 2 исследуемым трансмиссионным маслом. Также проводилась промывка воздушных каналов сапунов мостов с последующей продувкой сжатым воздухом.
После проведенной замены трансмиссионного масла в соответствующих агрегатах проводилась их проверка на отсутствие течи масла через сальники, фланцевые соединения, и в последующем автомобиль запускался в эксплуатацию [67, 96].
Взятие проб производилось согласно требованиям ГОСТ 2517 - 2012 [41] в бутылки объёмом 500 мл из тёмного стекла с притёртыми пробками. Бутылки промывались авиационным бензином Б - 98 и ополаскивались дистиллированной водой. Затем их переворачивали для истечения воды. После этого бутылки помещали в сушильный шкаф и высушивали в течение одного часа до полного испарения влаги и бензина. Затем бутылки закрывали резиновыми пробками и оставляли в лаборатории. Вскрытие бутылок производилось только в момент взятия проб [88]. Отбор проб из агрегатов трансмиссий осуществлялся с помощью пластмассового шприца Жанэ, на выходном отверстии которого находилась гибкая трубка (рисунок 3.21).
Результаты трибологических исследований трансмиссионных масел
В заднем мосту среднее содержание азота в товарном трансмиссионном масле ТСп-15К к 54000 км пробега снижается до 0,0584 % (рисунок 4.52). В регенерированном масле происходит снижение до 0,0625 % (Приложение И2).
Азот является активным элементом антиокислительной присадки, необходимой для обеспечения высоких антиокислительных и противокоррозионных свойств трансмиссионному маслу в процессе эксплуатации. Поэтому различие динамики снижения содержания азота в процессе эксплуатации в коробке перемены передач и ведущих мостах обусловлено более тяжелыми режимами эксплуатации среднего и заднего мостов.
Анализ представленных зависимостей показывает, что динамика основных показателей качества регенерированного трансмиссионного масла в процессе эксплуатации находится практически на одном уровне с товарным маслом ТСп-15К. Таким образом, регенерированное масло может использоваться в качестве альтернативного заменителя товарного масла в автомобильных трансмиссиях.
1. Экспериментально определены технологические режимы очистки и восстановления эксплуатационных свойств отработанных трансмиссионных масел: температура нагрева масла при щелочной осушке – 70 - 80 оС, время выдержки масла со щелочью – 3 ч, температура обработки масла серной кислотой – 70 - 80 оС, время обработки масла кислотой – 3 ч, температура компаундирования базового масла М-20 с очищенным маслом – 80 -90 оС, время перемешивания – 4 ч, температура ввода присадок ДФ-11 и Аз-НИИ-11 – 80 - 95 оС, время перемешивания – 4 ч. Экспериментально установлены виды щелочного и кислотного соединений, применяемых для осушки и очистки отработанных масел.
2. Экспериментально подтверждены конструктивные и режимные параметры гидроциклона при очистке отработанных трансмиссионных масел: давление на входе в гидроциклон – 0,4 МПа, длина погружения кольцевой вставки в цилиндрической части – 80 мм, отношение длины кольцевой вставки к высоте цилиндрической части 1:1. Соблюдение этих параметров обеспечивает 92 % степень очистки масел от нерастворимых примесей.
3. Проведенные исследования технологического процесса регенерации отработанных трансмиссионных масел в производственных условиях подтвердили целесообразность его использования для очистки восстановления эксплуатационных свойств масел.
4. Антипенные характеристики регенерированного масла находятся на допустимом уровне, соответствующем ГОСТ 23652-79.
5. Регенерированное трансмиссионное масло (критическая нагрузка составляет 1470 Н, нагрузка сваривания – 4136 Н, индекс задира – 556 Н, показатель износа – 0,42 мм) превосходит по противозадирным и противоиз-носным свойствам товарное масло ТСп-15К (показатели которого соответственно равны 1381 Н, 3920 Н, 547 Н и 0,43 мм).
6. Сравнительные эксплуатационные исследования автомобилей КамАЗ с товарным и регенерированным трансмиссионным маслом показали, что восстановленное масло может использоваться в качестве альтернативного заменителя товарного масла в автомобильных трансмиссиях.
При расчете экономической эффективности результатов проводится определение экономии на затраты по использованию товарного трансмиссионного масла в агрегатах трансмиссий автомобилей КамАЗ путем его замены на регенерированное масло, соответствующее по эксплуатационным показателям требованиям ГОСТ и ТУ, при невысокой себестоимости регенерации и малом сроке окупаемости. Получение экономической эффективности становится возможным благодаря внедрению технологического процесса регенерации отработанных трансмиссионных масел и технического средства, способствующих получению высокого качества регенерируемого масла, сохранению ценного сырья нефтехимической промышленности и решению экологических проблем.
Расчет экономической эффективности от применения регенерированного трансмиссионного масла проводим на примере Чердаклинского района Ульяновской области с парком автомобилей КамАЗ различной модификации в количестве 100 единиц. Расчет проводится на основании соответствия производительности установки для регенерации отработанных трансмиссионных масел и необходимой потребности смазочных материалов данному району [22, 122].
Для осуществления расчета эффективности необходимо вычислить объем потребляемого трансмиссионного масла Чердаклинским районом при имеющемся периоде эксплуатации. Среднестатистический годовой пробег по автомобилям КамАЗ в Чер-даклинском районе составляет 128540 км. Период эксплуатации трансмиссионного масла в среднем и заднем мостах составляет 50000 км пробега, а в коробке перемены передач 100000 км соответственно. Также учитываем, что 1 литр трансмиссионного масла по массе равен 0,89 кг. При установленном периоде эксплуатации годовой расход масла на одну единицу автомобиля КамАЗ складывается из следующего выражения [136, 145]: GC = Gк + Gм , (5.1) где Gк - расход трансмиссионного масла для коробки перемены передач, кг; Gм - расход трансмиссионного масла для среднего и заднего мостов, кг. Расход трансмиссионного масла для коробки перемены передач вычисляется по формуле [68]:
