УСТАНОВКА ДЛЯ ОЦЕНКИ КОРРОЗИОННОЙ АКТИВНОСТИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

Полезная модель относится к устройствам испытания моторных масел (ММ), в частности лабораторным установкам для оценки коррозионной активности (КА) ММ, и может быть использована в химической и нефтехимической промышленности для определения уровня противокоррозионных свойств (ПКС) ММ и их дифференциации при допуске к производству и применению в технике.
Коррозионную активность ММ характеризуют следующие показатели:
2
- потеря массы пластины на единицу площади (г/м);
- увеличение содержания металлов в окисленном масле, определяемого методом спектрального анализа;
- внешнее состояние медной пластинки.
Перед авторами стояла задача - разработать устройство, позволяющее повысить точность и достоверность оценки КА ММ при моделировании реальных условий эксплуатации ДВС.
В результате проведенного анализа патентов и научно-технической литературы были выявлены следующие устройства, решающие ту же задачу.
Так, известен способ оценки КА ММ на приборе, который содержит масляную ванну, размещенную в кожухе и имеющую крышку, в гнездо которой вставляют пробирки с испытуемым маслом. Масляная ванна подогревается до 140°С и эта температура поддерживается во время испытаний. Металлические пластины вставляют в пробирки, предварительно закрепив их на подвижном кольце, которое перемещают в вертикальной плоскости, используя электрический привод.
2
Коррозийность испытуемого масла в г/м (X) за время 50-часового испытания вычисляют по формуле:
где G - изменение массы пластинки за время 50-часового испытания, г;
2
F - площадь пластинки, м
(ГОСТ 5162-49 «Метод определения коррозийности (по Пинкевичу)).
Результаты испытаний с использованием лабораторного метода обладают низкой точностью, т.к. не отражают реального поведения ММ в ДВС, имеют большую продолжительность и низкую корреляцию с результатами испытаний на двигателе.
Известны стенды, содержащие малогабаритные или полноразмерные двигатели, для оценки КА, которые воспроизводят условия протекания процессов коррозионного воздействия на металлические поверхности деталей двигателей при их взаимодействии с ММ в условиях эксплуатации.
Оценку КА ММ осуществляют по потере массы вкладышей подшипников коленчатого вала (В.Д.Резников "Методы оценки антикоррозионных свойств моторных масел", ж. Химия и технология топлив и масел, 1998 г., №5, с.48-50). Однако они являются очень дорогостоящими и длительными по времени.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению и взятым за прототип является прибор ДК-2 НАМИ, представляющий собой масляную баню, в которой вращается кассета со вставленными в нее стеклянными изогнутыми колбами. В находящееся в колбах испытуемое масло опущены свинцовистые пластины. Конструкция прибора выполнена так, что при вращении колбы пластина попеременно омывается маслом и воздухом.
2
Показателем антикоррозионных свойств является потеря массы пластины X (г/м) при испытании в течение 10 ч при температуре 413°К, относящаяся к поверхности пластины, которую определяют по следующей зависимости:
где m - потеря массы пластины за испытание, г;
2
S - поверхность пластины, м.
(А.М.Обельницкий "Топливо и смазочные материалы", М., "Высшая школа", 1982 г., с.136-137).
Недостатком известного прибора является низкая точность и достоверность результатов оценки КА ММ, обусловленные отсутствием оценки влияния непосредственно трения на срабатывание модифицированных пленок с поверхности металлов, имеющего место при реальной эксплуатации двигателя.
Технический результат - повышение точности и достоверности результатов оценки КА ММ за счет создания реальных условий эксплуатации масла в ДВС.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для оценки коррозионной активности моторных масел, содержащей обогреваемую масляную баню, металлические пластины для взаимодействия с испытуемым маслом, датчик температуры масла в бане, электропривод, согласно изобретению в вертикальных стенках масляной бани выполнены сквозные отверстия, а установка дополнительно содержит ступенчатый вал, закрепленный в отверстиях вертикальных стенок масляной бани и связанный с электроприводом вращения, датчик температуры пластины, выполненной в форме сегмента цилиндра с радиусом кривизны, равным радиусу ступени вращающегося вала, размещенной внутри масляной бани, датчик температуры в зоне трения пластины с валом, нагрузочное устройство, выходной элемент которого установлен на пластине, закрепленной в верхней части масляной бани с возможностью взаимодействия ее внутренней поверхности с поверхностью
ступенчатого вала, и программный блок управления последовательностью операций, связанный с задатчиками параметров режимов испытания, датчиками температуры масла, пластины и в зоне трения пластины с валом и управляющими входами нагревателя масляной бани и приводов вращения вала и нагрузочного устройства, при этом в масляной бане выполнены патрубки подачи и выпуска воздуха и патрубок слива масла.
исп
м
пл
тр
Суть полезной модели заключается в том, что она позволяет реализовывать способ оценки КА ММ, включающий определение содержания меди и свинца в анализируемом масле, заливку масла в количестве 30 мл в емкость, в которой установлен вращающийся вал, закрепление пластины, изготовленной из подшипникового сплава в форме сегмента цилиндра с радиусом кривизны, равным радиусу вращающегося вала, над образующей вала в верхней части емкости. Взаимодействие внутренней поверхности пластины с анализируемым маслом осуществляют в течение 4 ч (t) при барботаже воздухом при температурах масла Т, пластины Т и в зоне трения Т, равных 120±10°С, 160±10°С, 180±10°С соответственно и нагрузке P=24 кГс, вектор которой перпендикулярен оси вала. По окончании взаимодействия пластины с анализируемым маслом замеряют содержание меди и свинца в масле и массу металлической пластины, а в качестве показателей коррозионной активности масла используют разности замеряемых параметров.
На фиг.1 представлена блок-схема установки для определения КА ММ;
фиг.2 - приспособление для установки пластины;
фиг.3 - вал с пластиной (в момент контакта - вид а и б).
Установка содержит масляную баню 1, в которую заливают испытуемое масло 2. В днище масляной бани 1 выполнен сливной патрубок, закрываемый пробкой 3. В нижней части масляной бани 1 имеется патрубок подачи воздуха 4, а в верхней части - патрубок 5 выпуска воздуха. В сквозных отверстия вертикальных стенок масляной бани 1 установлен вал 6.
Вал 6, изготовленный из высоколегированной стали и цементированный до твердости 58 HRC, выполнен ступенчатым, установлен в отверстиях
вр
-1
масляной бани 1 на двух радиальных шарикоподшипниках 7. Участок вала 6, находящийся в масляной бане 1, имеет диаметр, достаточный для погружения в испытуемое масло 2 на глубину не менее 10 мм (объем масла составляет 30 мл). Вал 6 связан электродвигателем 8 привода вращения (мощностью N=1,0 кВт с номинальной частотой вращения n=1390 мин) через упругую муфту 9.
Для нагрева масла в нижней части масляной бани 1 установлен нагреватель 10 (например, ТЭН мощностью 150 Вт).
тр
На внутренних стенках масляной бани 1 имеется приспособление 11 для установки металлической пластины 12, закрепленное, например, на двух уголках. Приспособление 11 (фиг.2) представляет собой прямоугольную вставку, в центре которой выполнено гнездо для установки пластины 12. В отверстии прямоугольной вставки через фторопластовую втулку установлена термопара 13 для измерения температуры в зоне трения Т.
Пластину 12 устанавливают в гнездо приспособления 11 без зазора относительно ее внутренней поверхности с рабочей поверхностью вала 6. Пластина 12 (фиг.3) выполнена в форме сегмента цилиндра с радиусом кривизны, равным радиусу ступени вращающегося вала 6. Пластина 12 изготовлена из подшипникового сплава, применяемого для изготовления подшипников коленчатого вала двигателей ЯМЗ и КамАЗ и имеет ширину L=22 мм, длину хорды дуги а=16 мм, толщину h=2,7 мм и радиус кривизны R, равный радиусу вала 6 R=Rв=36 мм. Над пластиной 12 размещен выходной элемент (штанга 14) нагрузочного устройства, которая до создания нагрузки находится в соприкосновении с пластиной 12, а в процессе испытания давит на нее с силой P=24 кГс.
м
пл
Для измерения температуры испытуемого масла 2 (Т) используют термопару 15, которая в размещена корпусе рабочей емкости 1 на высоте 10 мм от днища. Температуру пластины (Т) контролируют термопарой 16, которая вмонтирована в штангу 14 с выходом на наружную поверхность пластины 12.
Cu
Pb
пл
Оценку КА ММ осуществляют по показателям КА (ΔM, ΔM, ΔМ) с использованием автоматизированного процесса, для чего установка содержит программный блок 17 управления последовательностью операций. Блок 17
управления 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 ММ.
Выходы блока 17 связаны с управляющими входами нагревателя 10 и приводов вращения вала 6 и нагрузочного устройства.
В базу данных блока 17 внесены:
- показатели КА MM (,  - допустимые значения изменение массовых концентраций Cu и Pb в пробе испытуемого масла за испытание,  - допустимая потеря массы пластины за испытание, которые, например, составляют для масел
группы В -
6,95<≤7,92 мг; =0,0078-0,0098% масс.; =0,0031-0,0050% масс.
группы Г -
5,17<≤5,97 мг; =0,0161-0,0184% масс.; =0,0078-0,0097% масс.
группы Д -
3,22<≤3,82мг; =0,0223-0,0243% масс.; =0,0108-0,0130% масс.)
м
вр
исп
- режимные параметры установки (T, P, n, t).
В процессе испытания на блок 17 поступают текущие значения контролируемых параметров (, , , , , ).
Для барботажа испытуемого масла 2 воздухом в рабочей емкости 1 используется компрессор 18, который подсоединен к входному патрубку 4.
Работа установки включает следующие этапы:
- подготовку к испытанию;
- промывку установки растворителем;
- проведение испытания.
Подготовка к испытанию. Профильтровывают испытуемое масло 2 через фильтр, изготовленный из фильтровальной бумаги. Определяют в испытуемом масле 2 массовые концентрации металлов -  и,  методом атомной абсорбции, которые вводят блок 17.
Подготовленную пластину 12 помещают в механический пресс для получения радиуса кривизны, равного радиусу ступени вала 6, находящегося в масляной бане 1. Пластину 12 шлифуют пастой ГОИ и с помощью лупы оценивают наличие на ее поверхности следов коррозии, пятен и прочих повреждений. Затем промывают ее в растворителе, например, толуоле, просушивают на фильтровальной бумаге и взвешивают с точностью до 0,0002 г. Получают значение  - исходное значение массы.
Промывка установки растворителем. С помощью шприца заливают в масляную баню 1 растворитель в количестве 50 мл, включают установку и проводят промывку в течение 2 мин, после чего через сливную пробку 3 сливают растворитель. Поверхности штанги 14, датчиков температуры и приспособления 11 промывают растворителем, используя салфетки, до полного удаления смолистых отложений.
Проведение испытания.
м
м
В мерный цилиндр объемом 100 мл наливают на 3/4 испытуемое масло 2 и тщательно перемешивают в течение 5-10 мин. после чего 30 мл заливают в масляную баню 1. Устанавливают подготовленную пластину 12 в специальное гнездо приспособления 11. Включают электропитание установки, компрессор 18 для барботажа масла воздухом, нагреватель 10 масла 2 в масляной бане 1 до достижения температуры масла T до 120°С, которая в дальнейшем контролируется термопарой 15 и поддерживается блоком управления 17. При стабилизации температуры масла T, нагружают пластину 12 с силой P=24 кГс.
В процессе испытания на блок управления 17 поступают сигналы от датчиков 13, 15, 16, нагревателя 10 и приводов вращения вала 6 и нагрузочного устройства для поддержания заданных значений.
Через 4 ч выключают компрессор 18, отключают электропитание установки, нагреватель 10, извлекают из установки пластину 12, промывают ее в бензоле, просушивают на фильтровальной бумаге и взвешивают с точностью до 0,0002 г, полученное значение массы принимают за массу пластины 12
u
после испытания M и рассчитывают величину потери массы пластины формуле: .
Из масляной бани 1 через сливную пробку 3 отбирают пробу испытуемого масла 2 и определяют массовые концентрации меди и свинца , , и рассчитывают величины изменения массовых концентраций меди и свинца в испытуемом масле 2 после испытания по формулам: ; , которые вводят в блок 17.
В блоке 17 по заданной программе происходит сравнение полученных значений (, , ) с допустимыми значениями (, , ) и делают вывод об уровне КА ММ.
2
2
З
2
Результаты испытаний образцов моторных масел (ASR-Premium, М-10Гк (ВПМ), М-10Гк (Каскад), М-10Д(м) (ВПМ), М-10Д(м) (Каскад), М-5/16Д (РК)) на приборе ДК-2НАМИ и заявляемой установке представлены в таблице.
Таблица - Результаты испытаний образцов моторных масел на прототипе и заявляемой установке<sup>*</sup>
№ п/п
Марка масла
Потеря массы пластины в г/м<sup>2</sup>
Содержание Me в пробе масла, % масс.
Выводы
ДК-2НАМИ,X
Предлаг. метод,ΔM<sub>пл</sub>
ДК-2НАМИ
Предлагаемый метод
ΔМ<sub>Cu</sub>
ΔМ<sub>Pb</sub>
1
2
3
4
5
6
7
8
1
ASR-Premium
0,0
1,80
не опр.
0,0295
0,0167
к гр. Е
2
М-10Г<sub>2</sub>к (ВПМ)
2,0
5,43
не опр.
0,0171
0,0087
к гр. Г
3
М-10Г<sub>2</sub>к (Каскад)
1,5
5,35
не опр.
0,0167
0,0083
к гр. Г
4
М-10Д(м) (ВПМ)
1,0
3,82
не опр.
0,0243
0,0130
к гр. Д
5
М-10Д(м) (Каскад)
1,0
3,57
не опр.
0,0223
0,0126
к гр. Д
6
М-5<sub>З</sub>/16Д<sub>2</sub> (РК)
1,0
3,5
не опр.
0,0219
0,0124
к гр. Д
<sup>*</sup> - испытания проводились при следующих условиях: t<sub>исп</sub>=4 часа, Rв=36 мм, n<sub>вр</sub>=1390 мин<sup>-1</sup> Vм=30 мл, T<sub>м</sub>=120°С, Т<sub>пл</sub>=160°С, Т<sub>тр</sub>=180°С
2
Как видно из таблицы, предлагаемая установка дает более точные результаты оценки КА ММ, чем лабораторный метод. Действительно по прототипу оценивают КА ММ только по потере массы пластины (столбец 3 таблицы), причем при потеря массы пластины до 1 г/м включительно принимается за отсутствие коррозии.
В предлагаемой установке учитывают не только потерю массы пластины, но и изменение массовых концентраций металлов за испытание (столбцы 4, 6, 7 таблицы), которые не должны превышать допустимых значений (, , ), что позволяет дифференцировать ММ по уровню КА и относить их к конкретной эксплуатационной группе (столбец 8 таблицы).
Применение установки для оценки коррозионной активности ММ позволяет повысить точность и достоверность результатов испытаний ММ, повысить корреляцию с результатами испытаний на двигателях, моделировать реальные условия работы подшипников коленчатого вала ДВС.