Установка для оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений

Установка для оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области анализа материалов, преимущественно смазочных масел, в частности для оценки влияния масел на поверхности деталей двигателей в зонах высоких температур, и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности для оценки антиокислительных свойств (АОС) масел при их допуске к производству и применению в технике.

Наиболее нагретыми поверхностями двигателя являются детали цилиндропоршневой группы и коленчатого вала, их температура определяется конструктивными особенностями двигателя. В результате воздействия высоких температур происходит окисление масла в объеме и тонком слое, которое сопровождается образованием различного рода отложений. Наличие отложений приводит к заполировке цилиндров и повышению температур в зоне трения, вследствие чего возможно как нарушение работоспособности двигателя, так и его аварийный выход из строя [Сафонов А.С., Ушаков А.И., Золотев В.А. и др. Моторные масла для автотракторных двигателей. Свойства. Классификация. Ассортиментные группы. - С.-Петербург, НПИКЦ, 2004 г., с.6-9].

Важным показателем, характеризующим склонность масел к образованию высокотемпературных отложений (ВТО), является температура, при которой на нагретых поверхностях деталей ДВС образуются первые отложения в виде лаковых пленок (температура начала образования отложений)

Перед авторами стояла задача - разработать устройство, позволяющее повысить точность и достоверность оценки склонности масел к образованию ВТО в реальных условиях эксплуатации ДВС.

В результате проведенного анализа патентов и научно-технической литературы были выявлены следующие технические решения, реализующие ту же задачу.

Так, известен и широко применяется способ определения лакообразующих свойств масел на одноцилиндровой установке. Установка состоит из подогреваемой головки блока, в которой размещен коленчатый вал с оценочным поршнем. Коленчатый вал приводится во вращение электродвигателем с частотой вращения 1000 об/мин. За счет вращения коленчатого вала обеспечивается взаимодействие оценочного поршня с испытуемым маслом, залитым в картер установки. Для контроля и регистрации температур (в диапазоне от 100 до 350°С) основных узлов установки (головки блока и поршня) установлены 2 термопары.

Оценку лакообразования на боковой поверхности поршня осуществляют по цветной эталонной шкале в баллах [ГОСТ 5726-53 «Масла смазочные с присадками. Метод оценки моющих свойств»].

Данный способ имеет субъективную оценку лакообразующих свойств масел при одной фиксированной температуре испытания и не позволяет оценивать истинную температуру начала лакообразования.

Известен также способ, заключающийся в последовательном нанесении дозированных объемов испытуемого масла (с получением каждого слоя толщиной 80-90 мкм и окислении каждого слоя в течение 145-155 с.) на нагретый до 315-325°С датчик. Процесс проводят с последующим термостатированием каждого слоя масла в окисляющей среде и изоляцией последнего слоя масла объемом испытуемого масла. Этот способ реализуется с использованием прибора, содержащего датчик с полированной рабочей поверхностью, стакан, примыкающий к нагревателю, заключенному в термоизолирующий кожух, конденсатор масляных паров. Для нанесения дозированных объемов испытуемого масла на рабочую поверхность датчика имеется калиброванная пипетка.

Оценку склонности масел к образованию высокотемпературных отложений осуществляют по интенсивности окраски рабочей поверхности датчика, рассчитываемой по следующей формуле:

,

где I - интенсивность окраски, балл;

S_i - площадь, занимаемая лаком одного цвета, %;

k_i - индивидуальный коэффициент цвета лака, (к=1 - черный лак,

к=0,8 - темно-коричневый лак, к=0,5 - коричневый, к=0,4 - светло-коричневый, к=0,3 - желтый, к=0,2 - светло-желтый, к=0 - чистый) [А.с. №1642387, G01N 33/30, 1988].

Условия проведения испытаний данного метода являются достаточно трудоемкими (необходимо наносить не менее 3-х слоев) и требуют особой точности (толщина оцениваемого слоя достаточно мала) при их проведении, что сказывается на достоверности и сходимости получаемых результатов

Наряду с перечисленными методами широкое применение получил метод оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений на приборе "наклонная плита" (Решение ГМК при Госстандарте России №23/1-54 от 14.02.80). Он предназначен для оценки склонности авиационных масел, масел для судовых газовых и паровых турбин к образованию высокотемпературных отложений. Метод заключается в периодическом набрызгивании масла в течение 6 ч на алюминиевую пластину, установленную под углом 25°С к горизонтальной плоскости. Пластину нагревают до температуры 270°С и по истечении 6 ч определяют количества отложений по разности весов пластины после и до испытания.

Основным недостатком метода является неадекватное воспроизведение реальных условий работы масла в масляных системах двигателей, где режим смазывания осуществляется путем подачи масла по каналам смазки смазочной системы двигателя.

Известны стенды, содержащие малогабаритные или полноразмерные двигатели для оценки склонности масел к образованию ВТО, которые воспроизводят условия процессов, протекающих в зоне поршневых колец (зона ВТО) на металлических поверхностях деталей двигателей [Сафонов А.С., Ушаков А.И., Золотев В.А. и др. Моторные масла для автотракторных двигателей. Свойства. Классификация. Ассортиментные группы. С.-Петербург, НПИКЦ, 2004 г., с.123-125]. Согласно стендовым испытаниям, описание которых приведены на указанных страницах, оценку склонности масел к образованию ВТО осуществляют по нескольким показателям: подвижность поршневых колец, суммарная загрязненность поршня (метод НАМИ-1 М); увеличение вязкости масла (метод Petter W 1); увеличение вязкости масла, подвижность поршневых колец, отложения на юбке поршня, отложения на перемычках поршня, средний износ кулачков распределительного вала (метод ВАЗ-2106). Однако все указанные выше стендовые методы являются очень дорогостоящими и длительными по времени (40-120 ч).

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению и взятой за прототип является установка, состоящая из масляного бака, нагреваемого корпуса, внутри которого размещена оценочная трубка из нержавеющей стали с установленными на ней образцами металлов цилиндрической формы, насоса, приводимого во вращение электродвигателем, манометра, контролирующего давление масла в системе, штихпробера, применяемого для замера расхода масла, холодильника для его охлаждения и шести термопар для регистрации температуры масла по всей длине поверхности нагрева, подключенных к блоку обработки информации [А.с. №1337769, G01N 33/30, 1987 - прототип].

Установка реализует способ, заключающийся в прокачивании с помощью насоса со скоростью 1,95-2,05 л/ч нагретого масла вдоль оценочной трубки при диапазоне изменения температуры масла от 40°С (первая термопара) до 240°С (шестая термопара).

Количество отложений оценивают по яркости света, отраженного от поверхности оценочной трубки. Яркость отраженного света от оценочной трубки до испытания (эталонная жидкость) и после испытания (анализируемое масло) записывают на одну и ту же диаграмму. Площадь между полученными кривыми характеризует количество отложений на участке поверхности трубки. Температуру начала образования отложений определяют по той же диаграмме [А.с. №1337769, G01N 33/30, 1987].

Недостатками известной установки являются низкая точность и достоверность результатов оценки склонности масел к образованию ВТО, обусловленные высокими требованиями к подготовке самой оценочной трубки. Кроме того, оценка количества отложений, образовавшихся за испытание на поверхности трубки, влечет за собой погрешность, поскольку требует точного совмещения (наложения) обеих диаграмм. Условия проведения и режимные параметры испытаний на установке отличаются от реальных условий, поскольку охватывают не весь диапазон рабочих температур, при которых происходит образование ВТО на деталях ДВС (например, температура днища поршня достигает 400°С, температура поршневых колец составляет 300-350°С).

Технический результат - повышение точности и достоверности результатов оценки склонности масел к образованию ВТО с одновременным расширением номенклатуры анализируемых масел при создании условий испытаний, близких к условиям эксплуатации ДВС.

Указанный технический результат достигается тем, что установка для оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений, содержащая дозатор пробы на размещенный в теплоизолирующем коробе обогреваемый оценочный элемент, по длине которого в заданных точках установлены датчики температуры, подключенные к блоку обработки информации, и емкость для сбора масла, прошедшего испытание, согласно изобретению оценочный элемент на участке, размещенном внутри теплоизолирующего короба, выполнен в виде параллелепипеда с прямоугольной продольной выемкой по всей длине этого участка, теплоизолирующий короб жестко закреплен под углом α к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону размещения емкости для сбора масла, прошедшего испытание, а установка дополнительно содержит датчик наличия масла в дозаторе, закрывающую короб прозрачную крышку, на которой выполнена шкала длины оценочного элемента и на которой закреплен с возможностью перемещения вдоль этой шкалы измеритель длины участка с отложениями, при этом датчик наличия масла в дозаторе и измеритель длины участка с отложениями подключены к соответствующим входам блока обработки информации, выходы которого соединены с приводом дозатора и нагревателем, установленным на верхнем конце оценочного элемента вне теплоизолирующего короба.

На фиг.1 представлена блок-схема установки для оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений;

фиг.2 - то же (разрез по А-А);

фиг.3 - короб установки (вид сверху по стрелке Б);

фиг.4 - градуировочный график температурного поля оценочного элемента 1 (пример).

Установка содержит оценочный элемент 1, представляющий собой на участке, размещенном внутри теплоизолирующего короба 2, параллелепипед с прямоугольной продольной выемкой. Длина участка условно обозначается L_оэ и составляет 200 мм. Сверху короб 2 закрыт крышкой 3, выполненной из прозрачного стекла. Короб 2 выполнен из теплоизолирующего материала (например, асбест) и закреплен на двух неподвижных опорах 4 под углом α (α=10°) к горизонтальной плоскости, что обеспечивает свободное течение анализируемого масла, поступающего в верхнюю часть оценочного элемента 1 через канал в днище.

Для подачи масла на оценочный элемент 1 используют механизм подачи 5, включающий шаговый двигатель 6, нажимную втулку 7 и поршневой дозатор 8. Нажимная втулка 7 состоит корпуса, жестко закрепленного на неподвижной опоре, внутри которого размещен резьбовой стержень. Одним концом резьбовой стержень соединен с редуктором шагового двигателя 6, а другим - со штоком дозатора 8. Дозатор 8 оснащен датчиком 9 наличия масла (например, объемного типа), установленным в расходной емкости. Датчик 9 контролирует полноту дозировки масла на оценочный элемент 1. При достижении минимального уровня масла в дозаторе 8 блок 14 сбора информации отключает шаговый двигатель 6.

Для нагрева анализируемого масла на верхнем конце оценочного элемента 1, выступающего из короба 2, размещен нагреватель 11 (например, ТЭН мощностью 100 Вт). Отсчет длины оценочного элемента 1 начинают с начала участка, соответствующего началу короба 2.

Регистрация температурного поля оценочного элемента 1 осуществляется пятью термопарами 12 (типа ТХК с диапазоном измерения от -50 до 750°С), установленными в днище оценочного элемента 1 с выходом на оценочную поверхность выемки. Термопары 12 удалены по длине оценочного элемента 1 от начала короба 2 на расстояние соответственно 0,8 L_оэ (T₁), 0,5 L_оэ (Т₂), 0,2 L_оэ (Т₃), 0,1 L_оэ (Т₄).

Первая термопара (T₁) регистрирует низкотемпературную зону - 100-150°С, вторая термопара (T₂) - среднетемпературную зону до 200°С, остальные три термопары - высокотемпературную зону 200-400°С.

На прозрачной стеклянной крышке 3 выполнен продольный выступ 15, по обеим сторонам которого на крышке 3 нанесена шкала 16 с ценой деления 1 мм, может быть выполнена любым известным способом, как вариант - двухсторонняя. Шкала 16 применяется для грубой оценки длины участка (L_отл) с отложениями на оценочном элементе 1. Расстояние от L_оэ=0 до первых отложений принимают за координату точки начала образования ВТО.

Для более точного измерения длины участка с отложениями используется оптоэлектронный измеритель 13, установленный на продольном выступе 15 крышки 3, представляющий собой оптическую систему, состоящую из двух блоков: излучателя 13а и отражателя 13б. Излучатель 13а установлен неподвижно на продольном выступе 15 в нулевой точке шкалы 16 (L_оэ=0), а отражатель 13б свободно перемещается по всей длине оценочного элемента 1.

Управление последовательностью операций испытания масла осуществляется с помощью программного блока 14, который выполнен как вариант на базе компьютера "Pentium II" с памятью на жестком диске - 20 GB, оперативной памятью - 64 Мб, частотой процессора - 600 Гц, CD-ROM. Для работы установки разработана программа проведения испытаний масел.

К соответствующим входам блока 14 подключены выходы термопар 12, датчика 9 наличия масла в дозаторе 8 и нагревателя 11.

Выходы блока 14 связаны с управляющими входами нагревателя 11 и приводом шагового двигателя 6.

В базу данных блока 14 внесены следующие заданные значения:

- длина отложений (, - значения длины отложений для авиационных и моторных масел за испытание на различных образцах (данные из нормативной документации на масла),

- режимные параметры испытания ( - температуры на пятой термопаре, - частота вращения шагового двигателя, - время испытания, - скорость прокачки масла, - минимальный объем масла на испытание) выбираются исходя из требований к анализируемым маслам.

В процессе испытания на блок 14 поступают текущие значения контролируемых параметров ( - значение температуры на первой термопаре, - значение температуры на второй термопаре, - значение температуры на третьей термопаре, - значение температуры на четвертой термопаре, - значение температуры на пятой термопаре, - значение частоты вращения шагового двигателя, - время испытания, - скорость прокачки масла).

Суть изобретения заключается в реализации способа оценки склонности масел к образованию ВТО, включающем заливку масла в количестве 20 мл в механизм подачи масла 4, установку оценочного элемента 1 в теплоизолирующий короб 2, взаимодействие в течение 4 ч () анализируемого масла с днищем прямоугольной выемки оценочного элемента 1 в диапазоне температур масла Т₅ - 200-400±5°С и скорости прокачки масла вдоль оценочного элемента 1 - (заданное значение в зависимости от группы назначения масел). По текущим значениям (,, , ) блок 14 по заложенной программе осуществляет построение градуировочного графика температурного поля оценочного элемента 1 (фиг.4).

Установка работает следующим образом.

Работа установки включает следующие этапы:

- подготовку к испытанию;

- проведение испытания.

Подготовка к испытанию. Профильтровывают испытуемое масло через фильтр, изготовленный из фильтровальной бумаги. Устанавливают оценочный элемент 1 в теплоизолирующий короб 2, с помощью шприца заливают в дозатор 8 механизма подачи масла растворитель в количестве 25 мл.

Подсоединяют патрубки подачи и слива масла, затем закрывают короб 2 крышкой 3.

Включают электропитание установки, нагреватель 11, шаговый двигатель 6, который через дозатор 8 подает растворитель к верхнему концу оценочного элемента 1, проводят промывку в течение 10 мин. Поверхность прямоугольной выемки оценочного элемента 1 протирают растворителем, используя салфетки, до полного удаления смолистых отложений.

Проведение испытания.

Пример. В качестве образца для испытания было взято свежее моторное масло М-10 Д(м), температура начала образования отложений .

В мерный цилиндр объемом 50 мл наливают на ¾ масло М-10 Д(м) и тщательно перемешивают в течение 5-10 мин, после чего 25 мл заливают в дозатор 8 механизма подачи масла 5.

Включают электропитание установки, нагреватель 11 и в момент достижения температуры испытуемого масла на пятой термопаре включают шаговый двигатель 6, который обеспечивает скорость прокачки и через дозатор 8 подает испытуемое масло к верхнему концу оценочного элемента 1 в течение 4 ч ().

Температурное поле оценочного элемента 1 контролируется пятью термопарами 12, сигналы от которых в процессе испытания поступают на блок 14 сбора информации и по полученным значениям температур строится градуировочный график температурного поля оценочного стержня 1 (фиг.4) (, , , , ).

В процессе испытания на блок 14 также поступают сигналы от нагревателя 11 и датчика 9 наличия масла в дозаторе 8 , которые поддерживаются в ходе испытания на уровне заданных значений, а по истечении 4 ч блок 14 по сигналу от датчика 9 наличия масла при достижении отключает шаговый двигатель 6 и нагреватель 11.

После этого определяют координату точки начала образования ВТО на оценочном элементе 1 (грубо) - (L_отл=25 мм) с помощью шкалы 16, а затем для более точного замера начала участка с отложениями включают электронный измеритель 13 длины и определяют координату (L_отл=23 мм) - т.А. Полученное значение автоматически вводится в блок 14 сбора информации, который после определенных действий (отложение координаты т.А на оси абсцисс (L_отл) и нахождение на градуировочном графике т.А') определяет температуру начала образования отложений (фиг.4). Это значение сохраняется в файле программы испытаний. Полученное значение составляет 247°С, что соответствует нормативной документации на испытуемое масло .

На предлагаемой установке и установке по прототипу проводили испытания и других образцов масел, результаты которых представлены в таблице.

Таблица
Результаты испытаний образцов масел на предлагаемой установке* и установке по прототипу
№ п/п	Марка масла	Заданные параметры	Температура начала образования отложений, °С
Прототип (а.с. №1337769)	Предлагаемая установка
Т5, °С	υпр, л/ч
1	2	3	4	5	6
2	МС-8П	240	0,0010	157	150
3	МС-8РК	153	148
4	Б-3В	158	152
5	ЛЗ-240	148	145
6	ВНИИНП-50-1-4ф	180	167
7	Turbo oil 2380BP	158	152
8	Базовое масло И-20 А	300	0,0015	-	190
9	М-12 В2	-	223
10	М-10 Г2(к)	-	232
11	М-10 Д(м)	-	247
12	ASR-Premium	-	252
13	Shell Helix Plus	-	258
14	Mobil Delvac 1330	-	256
* - испытания проводились при следующих условиях (заданные значения): tисп.=4 часа, Vм=20 мл.

Как видно из таблицы, прототип позволяет оценивать склонность к образованию ВТО только авиационных масел (столбец 5 табл.), причем результаты, получаемые на прототипе, отличаются от результатов на предлагаемой установке (столбец 6 табл.), в некоторых случаях разница результатов значительная (столбец 6, строка 6 табл.). Грубая оценка температуры начала образования отложений может привести к снижению эксплуатационной надежности техники и преждевременному выходу ее из строя.

Кроме того, предлагаемая установка позволяет оценивать склонность к образованию ВТО не только авиационных, но и моторных масел (ст. 4 табл.).

Таким образом, применение изобретения позволит:

- повысить точность и достоверность оценки склонности масел к образованию ВТО за счет приближения условий испытаний (нагрев масла, использование оценочного элемента из алюминиевого сплава, реализация процесса окисления масел в тонком слое) к реальным условиям эксплуатации двигателей;

- повысить корреляцию с результатами испытаний на двигателях;

- снизить трудозатраты за счет сокращения времени испытания;

- расширить номенклатуру анализируемых масел;

- уменьшить количество анализируемого масла.

Установка для оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений, содержащая дозатор пробы на размещенный в теплоизолирующем коробе обогреваемый оценочный элемент, по длине которого в заданных точках установлены датчики температуры, подключенные к блоку обработки информации, и емкость для сбора масла, прошедшего испытание, отличающаяся тем, что оценочный элемент на участке, размещенном внутри теплоизолирующего короба, выполнен в виде параллелепипеда с прямоугольной продольной выемкой по всей длине этого участка, теплоизолирующий короб жестко закреплен под углом α к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону размещения емкости для сбора масла, прошедшего испытание, а установка дополнительно содержит датчик наличия масла в дозаторе, закрывающую короб прозрачную крышку, на которой выполнена шкала длины оценочного элемента и на которой закреплен с возможностью перемещения вдоль этой шкалы измеритель длины участка с отложениями, при этом датчик наличия масла в дозаторе и измеритель длины участка с отложениями подключены к соответствующим входам блока обработки информации, выходы которого соединены с приводом дозатора и нагревателем, установленным на верхнем конце оценочного элемента вне теплоизолирующего короба.