Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 14
1.1. Особенности старения моторных масел в тронковых дизелях, работающих на низкосортных топливах 14
1.2. Требования к чистоте ММ в системах смазки ДВС и влияние его загрязнения на надёжность и ресурсные показатели дизелей 31
1.3. Анализ и оценка эффективности существующих агрегатов и систем очистки моторного масла 41
1.4. Современные методы моделирования и расчёта процессов очистки горюче-смазочных материалов 52
1.5. Выводы и постановка задач исследования 57
2. Совершенствование моделей центрифугирования и фильтрования технических жидкостей 61
2.1. Вероятностные подходы при моделировании процессов очистки рабочих сред ДВС 61
2.2. Стохастическое моделирование процесса центрифугирования моторного масла 69
2.3. Моделирование структуры и разделяющей способности материалов с нерегулярной поровой структурой 85
2.4. Реализация структурно-капиллярной модели фильтрования при оценке эффективности очистки ММ 99
2.5. Выводы 105
3. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса очистки масла в судовых дизелях 108
3.1. Оценка основных факторов, влияющих на старение моторного масла 108
3.2. Разработка модели комбинированной тонкой очистки ММ в тронковых ДВС 119
3.3. Расчётная оценка и анализ эффективности агрегатов и систем очистки моторного масла 143
3.4. Расчёт параметров средств очистки в системах смазки тронковых дизелей, работающих на низкосортных топливах... 155
3.5. Выводы 165
4. Практическая реализация результатов исследований и оценка их экономической эффективности 169
4.1. Обоснование функциональных показателей пористых материалов для масляных фильтрующих элементов тронковых дизелей 169
4.2. Агрегаты и системы комбинированных маслоочистительных комплексов повышенной эффективности 181
4.3. Результаты эксплуатационных испытаний и экономическая эффективность применения комбинированной очистки ММ
в судовых многотопливных дизелях 197
4.4. Выводы 217
Заключение 221
Список использованной литературы 226
Приложение 244
- Анализ и оценка эффективности существующих агрегатов и систем очистки моторного масла
- Моделирование структуры и разделяющей способности материалов с нерегулярной поровой структурой
- Расчётная оценка и анализ эффективности агрегатов и систем очистки моторного масла
- Агрегаты и системы комбинированных маслоочистительных комплексов повышенной эффективности
Анализ и оценка эффективности существующих агрегатов и систем очистки моторного масла
До последнего времени считалось, что как неорганические так и органические НРП загрязнения в какой-то мере ухудшают противоизносные свойства моторного масла. Однако, в работе [36], основываясь на экспериментальных данных, отмечается, что органические загрязняющие примеси, находясь в тонкодиспергированном состоянии, действуют подобно графиту (коллоидному), препятствуя непосредственному контакту трущихся деталей и уменьшают их износ.
Полученные многими исследователями результаты [75, 84, 90] подтверждают положения о структурной приспособляемости поверхностей материалов при трении, полезности продуктов старения, образующихся в масле в процессе эксплуатации (в триботехническом отношении), интенсификации сглаживания микрошероховатостей, пластификации поверхностных слоев и последующего их упрочнения. Однако положительный эффект от образования продуктов старения в ММ проявляются до определенной их концентрации и зависит от большого числа факторов. Было бы ошибочно считать, что можно беспредельно увеличивать содержание нерастворимых примесей в моторном масле.
Накопление в масле большего количества органических НРП приводит к интенсивной карбонизации частиц загрязнений, образованию твердых абразивно опасных продуктов от достаточно случайного воздействия какого-либо фактора, нарушающего равновесие системы, например попадания воды, приводящего к интенсивной коагуляции (укрупнению) частиц примесей, увеличивающей НЛО и износ деталей двигателя. Авторы [79, 103, 114] считают, что оксикислоты, асфальтеновые кислоты и асфальтены ввиду их большой липкости, способствуют загрязнению поршня и закоксовыванию его колец. Поэтому органических продуктов загрязнений в масле, особенно при низких моющих и диспергирующих качеств, должно содержаться определенное количество. На основании вышеизложенного можно сделать следующий вывод, что наибольшую опасность для трибосопряжений дизелей представляют частицы размером 5... 16 мкм, соизмеримых с толщиной масляной гидродинамической пленки подшипниковых узлов. Нахождение между трущимися поверхностями частиц большего размера может привести к задирам этих поверхностей и интенсивному их изнашиванию.
Наиболее действенное средство снижения отрицательного влияния нерастворимых примесей на моторное масло - это эффективная очистка его от абразивно опасных продуктов загрязнения. При этом осуществляется защита узлов трения от крупных частиц НРП и поддержание на определенном допустимом уровне их массового содержания в моторном масле (рис. 1.13). Опыт эксплуатации судов и специальные исследования показали, что снижение размера механических примесей в системе циркуляционной смазки с 20 до 7 мкм позволяет увеличить продолжительность межремонтного периода элементов судовой энергетической установки с 2 до 12 лет, значительно улучшить ресурсные характеристики дизелей, состояние трибосопряжений и внутренних поверхностей деталей механизмов, а также уменьшить расход дорогостоящих ГСМ.
Загрязнение деталей ДВС органическими примесями может быть в значительной степени нейтрализовано применением в ММ высокоэффективных присадок. Однако, остаточные продукты срабатывания присадок современных масел вызывают каталитическое действие на процессы окисления ММ и способствуют абразивному изнашиванию деталей. Поэтому при использовании легированных масел, особенно с зольными присадками, требования к эффективности очистки масла даже повышаются, при этом необходимо сохранить активную часть присадок и удалить остаточные продукты их срабатывания. В этом случае присадки, расходуемые на диспергирование и стабилизацию продуктов загрязнения масла, могут задерживаться с ними средствами его очистки. А унос активных детергентов, адсорбированных на нерастворимых примесях в отложениях агрегатов очистки ММ, следует рас 40 сматривать как один из путей их нормального расходования.
В настоящее время экономически выгодным является удаление из рабочих жидкостей при эксплуатации элементов судовой энергетической установки воды до "следов", а механических примесей до частиц размером 5 мкм - неорганических и 7 мкм - органических. Минимизация предела интенсивности абразивного изнашивания является основной целью при обработке требований к чистоте смазочного масла в системе смазки СТД [79].
Необходимо отметить, что в нашей стране принята попытка отработать конкретные требования к чистоте рабочих жидкостей, включающих смазочную среду в ДВС, введением в силу ГОСТ 17216-71 "Классы чистоты жидкостей". Этот документ обязывает завод-изготовитель дизелей указывать в паспортных данных двигателя соответствующий класс чистоты топливных и смазочных сред, используемых при эксплуатации дизелей, в частности моторного масла. Однако несовершенство методики определения классов чистоты рабочих жидкостей, в соответствии с этим ГОСТом, вносит в оценку их загрязненности элементы неопределенности и субъективизма.
За рубежом также имеются аналогичные стандарты. В США регулирующие документы ARTS-28, NAS-1638, SHE ARP-598 используются для оценки загрязненности рабочих жидкостей. Первых включает 14 классов чистоты рабочих сред, а второй и третий РД регламентируют нормы допустимого загрязнения жидкостей гидросистем. Проект международной организации стандартов ИСО/ТК-131 определяет классы чистоты в соответствии с числом частиц размером более 15 мкм в 100 см жидкости.
Моделирование структуры и разделяющей способности материалов с нерегулярной поровой структурой
В судовой энергетике для очистки нефтепродуктов широкое применение находят специальные виды волокнистых материалов - фильтровальных бумаг . Бумажные ФМ производят из мерсеризованной целлюлозы, и они имеют неоднородную высокопористую структуру, создаваемую беспорядочно переплетенными между собой волокнами [18, 30].
Эффективность очистительной способности ФБ зависит от соотношения размеров частиц загрязнений очищаемых сред и размеров пор фильтровального материала, имеющего широкий диапазон распределения [51, 54]. Такого рода ФМ составляют класс материалов с нерегулярной поровой структурой (ФМНПС) для очистки рабочих сред. В то время как характер поровой структуры материала определяет его проницаемость и пропускную способность.
Для формализации поровой структуры и идентификации функциональных свойств ФБ, как наиболее распространенных для очистки топлив и масел в судовых дизелях, использовали расчетную модель процесса фильтрования. Особенность модели заключается в представлении расчетных схем через реальные структуры материала - волокнистые среды. В этом случае элементарный участок фильтровального материала моделируется набором сквозных пор-капилляров, имеющих сложный характер распределения размеров по диаметру (рис. 2.6) [67, 107, 179]. Капиллярная модель характерна для большинства ФМ: тканых сеток, металлокерамики, волокнистых нетканых материалов.
Очищаемая среда (моторное масло) имеет сложный состав загрязняющих ее примесей. Она содержит полярно активные компоненты: оксикислота, смолы, асфальтены, образующие на поверхности оболочки частиц двойной поляризационный слой. Полярно активны также присутствующие в ММ диспергирующие и стабилизирующие присадки, вызывающие возникновение сил электростатического взаимодействия. При этом имеют место флуктуации, вызванные броуновским движением частиц НРП и стесненностью их перемещения. Кроме того, эти явления обусловлены формой частиц и пор, наличием степеней свободы при движении ДФ, взаимодействием частиц при осаждении.
При движении суспензии через пористую среду возможны следующие механизмы задержания частиц: ситовый эффект, адгезионный захват (эффект касания), седиментация и инерция. Задерживающие эффекты проявляются в основном совместно. При определенных условиях действие любого из механизмов отсева может превалировать (см. п. 2.1).
Основным механизмом отфильтрования из масла загрязнений приняты механическое зацепление (ситовый отсев) и адгезионный захват (эффект касания). При этом считаем, что если при движении частицы через капилляр, она под действием гидродинамических и внешних сил касается его стенок, то частица выделяется из суспензии (рис. 26).
Адгезионный захват формируется массовыми, поверхностными и молекулярными силами взаимодействия между частицей и волокнами, совместное влияние которых характеризуется адгезионной и седиментационной группой отсева [33, 72], формализуемыми через силы Лондона - Ван - дер-Ваальса и Стокса. Ситовый отсев состоит в механическом зацеплении и проявляется, когда диаметр частицы превышает поперечный размер поры. Эффективность его зависит от закона распределения ДФ и пор по диаметру. Так как основная масса НРП в ММ мелкодисперсна, то стохастические явления в таких средах сильны и их необходимо учитывать [46, 56, 86]. Отсев ДФ на моделируемой перегородке рассмотрен как случайный процесс. При этом сочетаются достоинства точного детерминированного описания механизма очистки и вероятностного представления явлений, сопровождающих этот процесс. При этом учтены флуктуации, связанные с броуновским движением частиц. Вероятностная природа ситового отсева, значительно зависит от распределения пор ФМ по размерам и дисперсного состава загрязнителя. При этом вероятность попадания частицы в пору конкретного размера принимали пропорционально потоку через нее. Диаметр поры и размер частицы полагали непрерывно распределенной случайной величиной. Анализ эффективности различных механизмов захвата при тонком фильтровании технических сред дал возможность выделить адгезионный захват, действие которого проявляется при гидродинамических процессах, инерционном отсеве, седиментации и диффузии. Гидродинамическая обстановка при движении дисперсной среды по фильтровальному капилляру с малыми скоростями может быть задана исходя из установившегося ламинарного течения [75, 143]. Предполагали равномерное распределение дисперсной фазы во всем объеме суспензии и по сечению поры. Для учета элементов стохастичности процесса фильтрования и вторичного уноса ввели безразмерную координату отсева Ед [54]. Совокупное влияние отсеивающих механизмов с учетом возможного отрыва частиц от поры для большинства ФМ рекомендуется оценивать вероятностной обобщенной координатой отсева. Этот показатель даёт возможность рассмотреть совокупное влияние отсеивающих механизмов с учётом возможного отрыва частиц от ложа для большинства фильтровальных материалов. В этом случае принимали, что коэффициент отсева Щф пропорционален отношению потоков Qsd через периферийную зону на расстоянии s d/2 от ее периметра ко всему потоку Qs. Таким образом, задерживающая способность поры оценивается частью потока суспензии, из которой будут удалены частицы загрязнений. Следовательно совместное действие основных задерживающих механизмов реализуется через вероятную характеристику фильтрования - эффективную зону отсева Sd = Sdd/2 порового пространства. При этом оценивается гидродинамическая обстановка в порах с учетом их формы и распределения по размерам. Введение коэффициента Єд позволяет учесть ослабление действия сил Ван - дер - Ваальса или усиление коагуляционных контактов в такой дисперсной среде, как работающее моторное масло. При этом в общем механизме удаления НРП инерционный отсев учитывается коррекцией введенного параметра sd (обобщенная координата отсева), посредством зависимости, содержащей критерий Стокса (St).
Расчётная оценка и анализ эффективности агрегатов и систем очистки моторного масла
Изнашивание поршневых втулок и мотыле-вых шеек коленчатого вала контролировали методом искусственных баз с привлечением приборов УПОИ-6 и УПОИ-2М. Воспроизводимость опытов достигалась поддержанием в узких пределах параметров рабочего процесса двигателя, температуры выхлопных газов, угара масла, скорости загрязнения его нерастворимыми продуктами, расхода топлива и прорыва газов в картер.
Сложность моделирования системы очистки ММ вызвана разнообразием условий её функционирования, свойствами применяемых топлив и масел, конструктивными особенностями и техническим уровнем звеньев КСО. Накопленный опыт исследований позволил априорно выделить основные факторы, влияющие на износные свойства ММ, а также срок его службы и срок службы ФЭ.
Уровни и интервалы варьирования факторов (табл. 3.2) выбраны исходя из перспектив развития судовых дизелей и применения новых топлив и масел. Они полностью отвечают основным постулатам планирования активного эксперимента [44]. Эффективность средств очистки полнотопочного фильтра и центрифуги были заданы соответственно тонкостью отсева Лн и удельным индексом производительности (7ц
Тонкость отсева является основной характеристикой ФТОМ и соответствует номинальной тонкости Лн (ГОСТ 20806 - 81) фильтрованного материала, из которого изготовлен ФЭ. Этот фактор определяет размер и количество частиц, пропускаемых фильтром, а также влияет на гидравлические характеристики ФЭ и срок его службы. Для обеспечения качественной очистки ММ и достаточного срока службы ФЭ тонкость отсева должна быть оптимальной.
Сужение интервалов варьирования по Лн вызвано стремлением проанализировать в испытаниях только современные фильтровальные материалы и перспективные ФЭ. С другой стороны ускоренный эксперимент показал не-рациональность снижения тонкости отсева для полнотопочных фильтров менее 15 мкм. Повышение же тонкости отсева за пределы 60 мкм переводит ФТОМ в разряд фильтров грубой очистки (ФГО).
Скорость фильтрования Оф, зависящая от поверхности фильтровальной шторы (габаритов полнотопочного фильтра) [64] была выбрана из условия удовлетворительной компоновки фильтр тонкой очистки на двигателе и полной реализации возможности применяемых фильтровальных материалов с обеспечением периода необслуживаемой непрерывной работы фильтра не менее 1000 ч.
Проведенные исследования показали, что комбинированная тонкая очистка масла полнотопочным фильтром и частичнопоточной центрифугой смещает диапазон рабочих скоростей фильтрации в сторону увеличения (около 2 м/ч), при котором наблюдается минимальный расход ФМ и ФЭ, наименьшие затраты на обслуживание систем смазки и рациональная компоновка средств очистки на двигателе [59].
Очистительную способность центрифуги оценивали комплексом ее конструктивно-эксплуатационных параметров, задаваемых индексом производительности Z Этот показатель характеризует способность центрифуги удалять из масла нерастворимые загрязнения [58]. Универсальность предложенной характеристики центрифуги для дизелей любой мощности достигалась представлением Z через удельный индекс производительности alf, то есть приходящий на единицу абсолютной скорости загрязнения HTTP {ац = 1Уах). Этот показатель изменяли в диапазоне 0 ... 10 м ч/г, что позволило охватить все возможные соотношения Z и ах, а также отсутствие центрифуги в системе смазки двигателя { 7Ч= 0). Необходимо остановиться на комплексном показателе качества топлива Кт. Анализ экспериментальных данных показал, что между износными свойствами нерастворимых продуктов сгорания топлива и его показателем Кт существует линейная зависимость. Причем превалирующее влияние на износные свойства оказывают такие характеристики топлива, как Зт, Sm, KN и его плотность (табл. 3.3). С увеличением этих показателей, особенно при высоких значениях рте, твердость и плотность нерастворимых продуктов растет, что и вызывает повышение их абразивности. В этом случае в нерастворимых примесях выше содержание зольных продуктов, которое для тяжелых высоковязких топлив может отличаться от среднего в 2,5.. .4 раза [25]. Детальное исследование влияния фракционного состава и плотности топлива на износ элементов ЦПГ показало усиление действия этих показателей на абразивность продуктов сгорания низкосортных топлив и содержащих высокий процент асфальто-смолистых веществ. К тому же интенсификация скорости изнашивания способствуют алюмосиликаты и каталитическая мелочь вторичных крекинговых процессов [82]. Кроме того, использование тяжелых высоковязких топлив в судовых двигателях вызывает увеличение абразивности НРП масла не только из-за повышения их твердости, но и относительного содержания крупных частиц. Высокое содержание серы в этих топливах приводит к образованию кристаллов сульфанатов кальция, размеры которых достигают 100 мкм и более [140].На первом этапе исследования моделировали условия, когда щелочность применяемого масла обеспечивала нейтрализацию вредного коррозионного действия серы топлива на детали, а запас качества по моюще- диспергирующим свойствам достаточен для обеспечения требуемой чистоты деталей ЦПГ и работоспособности системы смазки. Решение химмотологических задач методами планирования эксперимента показало, что большинство из них можно удовлетворительно описать показательно-степенными уравнениями [71]. Для связи звеньев системы по функциям отклика И, Тф, и Тм базовым принято легко воспроизводимое на любом двигателе сочетание факторов. Эксперимент вели одновременно на трех дизелях 2410,5/13, базовый этап на каждом ДВС повторяли дважды. В ходе эксперимента ставились следующие задачи: - доказательство принятой гипотезы о зависимости величины относи-тельногй скорости изнашивания деталей ДВС, срока службы ФЭ и моторного масла от тонкости отсева полнотопочного фильтра и удельного индекса производительности частичнопоточной центрифуги; - адекватность принятой общей модели изнашивания (срока службы ФЭ и моторного масла) от параметров средств очистки реальным условиям; - оценка дисперсии воспроизводимости И, Тф, Тм (JQ при разных значениях уровня форсировки ДВС. Формирование общей структуры модели изнашивания осуществлялась на основе посылки об уменьшении изнашивания, характерного для дизеля с фильтром грубой очистки, за счет включения в систему смазки полнотопочного фильтра и частичнопоточной центрифуги.
Агрегаты и системы комбинированных маслоочистительных комплексов повышенной эффективности
На основе обобщений экспериментальных данных разработана структура износной модели КСО, позволяющая оценить влияние средств очистки на И дизеля совокупно и поагрегатно. Модель удовлетворительно работает и по другим функциям отклика - Тф , Тм. Структура модели И сформирована таким образом, что учитывается содержательный смысл ис следуемого процесса и имеется возможность перехода в формуле к любым комбинациям средств и схем очистки ММ. Модель построена на основании износного баланса деталей ДВС. 2. По результатам моторных экспериментов создана обобщенная мо дель системы ДТМО, раскрывающая взаимодействие ее звеньев с триботех нических и химмотологических позиций. Первый этап эксперимента, в кото ром исследовалась эффективность маслоочистительного комплекса, реализо ван в дизеле 2410,5/13 при 10-ти сочетаниях параметров КСО. Коэффици енты частных зависимостей if(KCO), Тф (КСО), Тм (КСО) для рассматривае мых ДВС получены на ПЭВМ методом случайного поиска и оценены по F-критерию. Второй этап моторных испытаний на парке судовых тронковых дизелей постановкой активного эксперимента по плану первого порядка позволил скорректировать модели И, Тф и Тмв зависимости от Кт, Кф и Тс. Результаты первого и второго этапов были объединены методом узловых точек и оценены по критерию адекватности. 3. Наибольшее влияние на изнашивание ДВС оказывает фактор Тс, который напрямую связан со скоростью поступления загрязнений и техническим состоянием дизеля (величиной угара масла). Моделирование показало, что центрифугирование является эффективным методом снижения вредного влияния тяжелого топлива на загрязнение ММ нерастворимыми примесями, его старение и стабилизацию противоизносных свойств. Влияние остальных факторов на снижение И проявляется в меньшей степени. По степени влияния на изнашивание ДВС их можно ранжировать в следующем порядке: ац„ТсМю ЛниКф. 4. Снижение тонкости отсева во всех случаях благоприятно сказываются на И. По влиянию на скорость изнашивания деталей дизелей предпочтение следует отдать системе смазки, в которой при любых температурных условиях масла перепад давления на полнопоточном фильтре не повышается до уровня открытия перепускного клапана, т.е. в подшипниковые узлы нефильтрованное масло не поступает. Наиболее выгодно применять ФТО с Д = 35...40 мкм. 5. Химмотологическая модель КСО всесторонне исследована по функциям отклика И, ТфиТм. Определена область ее применения. Индивиду альность двигателя нивелирована представлением скорости изнашивания и срока службы ФЭ и ММ в относительных единицах. За базу отсчета (100 %) принята скорость изнашивания, при которой достигается нормированный техническими условиями на ДВС ресурс деталей и в целом двигателя. Дока зана универсальность модели. Для нее характерен широкий диапазон при менения в форсированных тронковых дизелях разной частоты вращения при работе на низкосортных топливах и унифицированных судовых моторных маслах последнего поколения. 6. Моделирование КСО моторного масла позволила выяснить, что увеличение скорости изнашивания деталей дизеля, вызванное снижением стц, уменьшает срок службы ФЭ и ММ. Увеличение Лн обуславливает рост И, Тф и снижает срок службы масла. Значительное влияние на изнашивание, срок службы ФЭ и масла оказывают остальные факторы, определяющие работу дизеля, из которых Тс и Кф увеличивает скорость изнашивания и уменьшает срок службы ФЭ и ММ. 7. Разработана методика и построена номограмма расчета оптимальных параметров комбинированной системы очистки ММ. На этой базе для систем смазки современных средней и повышенной оборотности судовых тронковых дизелей, работающих на высоковязких топливах, подобраны агрегаты очистки наибольшей эффективности. Расчеты показали, что для надежной работы ДВС мощностью 0,2...4 тыс. кВт, конвертированных на низкосортные топлива, необходимо использовать полнопоточные фильтры с двумя - десятью ФЭ и байпасно подключаемые МЦН-Н шестого - десятого типоразмеров с гидравлическим либо механическим приводом. 8. Применение низкосортных тяжелых топлив при высокой форсиров-ке (рте 1,5 МПа) и мощности дизеля ( Ne 2 тыс. кВт) вызывает увеличение в 2...5 раз поступление НРП в ММ, что значительно снижает ресурсные показатели деталей и срок службы масла и ФЭ. При давлении в СС ниже 0,4 Мпа ЦО с гидравлическим приводом не может нейтрализовать негативное влияние ВВТ на химмотологическую надежность ДВС. В этом случае КСО должна включать полнопоточный СОФ или ФТОМп со сменными ФЭ и сепаратор необходимой пропускной и очистительной способности. 9. По критерию обобщенных экономических затрат методом случайного поиска проведена оптимизация средств комбинированной очистки ММ в составе системы ДТМО. В качестве параметров оптимизации выбраны основные показатели эффективности очистки масла фильтрованием и центрифугированием. Для нахождения наиболее рациональных значений Лн и ац построены номограммы. 10. Разработана методика структурно-параметрического синтеза системы комбинированной очистки ММ и расчета ее агрегатов для форсированных ДВС, работающих на низкосортных высоковязких топливах. По результатам исследования даны практические рекомендации по установке КСО для эксплуатируемого парка дизелей. Системы смазки дизелей мощностью до 3 тыс. кВт, использующих высоковязкие топлива, должны оснащаться полнопоточным фильтром и частичнопоточной центрифугой. В более мощных двигателях полнопоточная очистка обеспечивается самоочищающимся фильтром типа ФМС и сепаратором. При удельном загрязнении масла НРП выше 0,05 г/ (кВт-ч) комбинированные системы очистки оснащается самоочищающимся фильтром СОФД и самоочищающимся сепаратором (СЦС). Дополнительно устанавливается индикаторный фильтр со сменными фильтрующими элементами.
