Cедиментация металлических частиц изнашивания в маслах при различных температурах

2013

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА

№ 197

УДК 621.89+665.6

СЕДИМЕНТАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ ИЗНАШИВАНИЯ В МАСЛАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

К.И. ГРЯДУНОВ, А.Н. ТИМОШЕНКО

Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.

Представлена математическая модель седиментации металлических частиц в масле МС-8п.

Ключевые слова: продукты износа пар трения, седиментация, скорость оседания.

Результаты анализа проб масел на наличие продуктов износа существенно зависят от методики и времени отбора проб. Методики отбора проб предусматривают ограничение времени отбора проб не более 30 минут. Представляет интерес определение размеров и материалов частиц загрязнений, оседающих в указанный временной интервал.

Гранулометрические анализы показывают, что при нормальном изнашивании (двигатель исправен) размер частиц редко превышает размер 1 мкм [1; 2] и не превышают 5 мкм [3; 4; 5]. В случае повреждаемости деталей и узлов размер частиц возрастает до 10-80 мкм [1; 6]. Большие размеры частиц характеризуют начало схватывания металлов, большие усталостные повреждения, коррозию и при размерах частиц более 30 мкм - неисправный двигатель.

В связи с этим, принято решение оценивать параметры при оседании частиц размерами от 1 до 300 мкм. Скорость оседания частиц износа зависит от их размера и плотности, а также вязкости масла.

Для оценки вязкостно-температурных свойств масел используют зависимость вязкости от температуры по уравнению Вальтера [8]

Шп V + 0.8 = А — В1дТ.

Величина В - тангенса угла наклона прямой - характерна для каждого масла.

Зная кинематические вязкости и у2 при температурах Т1 и Т2, можно вычислить В по следующему уравнению [8]

1п1п + 0.8 — 1п1п у2 + 0.8 В--'

Из табл. 1 для масла МС-8п берем значения У1, у2, Т1, Т2 и по формуле (2) вычисляем значение В

В=4,099.

Таблица 1

Вязкостно-температурные характеристики минеральных масел для турбореактивных двигателей

Показатели МС-8п МС-8рк МК-8п МК-8

Кинематическая вязкость, мм /с, при температуре 50 °С, не менее 8,0 8,3

-40 °С, не более 4000 5000 6500 6500

Плотность при 20 °С, кг/м3, не более 875 900 885 885

Коэффициент А определяем по формуле (1) при известных из табл. 1 [9] значениях вязкости и температуры

А=24,457.

Таким образом, окончательное уравнение вязкостно-температурной характеристики для масла МС-8п, полученное из уравнения (1) подстановкой вычисленных коэффициентов

1п1п V + 0.8 = 24,457 - 4,099^7.

В явном виде зависимость вязкости от температуры соответственно

V = 2,7182"718

где V - вязкость масла, мм /с; Т - температура масла, К.

Вязкостно-температурная характеристика масла МС-8п по формуле (4) будет выглядеть, как показано на рис. 1-2.

Рис. 1. Вязкостно-температурная характеристика масла МС-8п для диапазона температур от -50 до 0 оС

Рис. 2. Вязкостно-температурная характеристика масла МС-8п для диапазона температур от 0 до 100 оС

Проведем оценку времени осаждения различных частиц в масле МС-8п. Уравнение для установившейся скорости оседания [10]

2180 т? р3

VM Рм

Формула (5) получена при использовании следующих размерностей: V0 - м/с; ГЗ - м; vM - м /с. Из формулы (5) очевидно, что скорость оседания частицы V0 зависит от вязкости масла vM и его плотности рм, которые, в свою очередь, зависят от температуры масла t.

Для расчетного определения плотности масла рм в зависимости от температуры используется выражение [7]

рм = 1 + 0,001317 t - 20 р20 - 0.001825 t - 20 ,

где t - температура, оС; р20 =875 кг/м3 - плотность масла Мс-8п при 20 оС.

Зависимость скорости оседания частиц диаметром 3 мкм от температуры масла показана на рис. 3.

Из формулы (5) очевидно, что скорость оседания меньше у частиц из материалов с меньшей плотностью. Из рассматриваемых частиц загрязнения наименьшую плотность имеет Al (2700 кг/м3). Поэтому и время оседания у него будет наибольшим. Учитывая, что уровень масла в коробке приводов составляет примерно 40 см, на рис. 4, 5 показаны зависимости времени оседания частиц алюминия различных диаметров от температуры (диапазон 30-90^).

к

I

(б ч

ш и О и

I-

и О о.

о *

и

0,000016 0,000014 0,000012 0,00001 0,000008 0,000006 0,000004 0,000002 0

20 30 40 50 60 70 80 90

Температура, оС

100

Рис. 3. Зависимость скорости оседания от температуры

Рис. 4. Зависимость времени оседания частиц Al от температуры

20

30

40

50

60

70

1 мкм

2 мкм

3 мкм

4 мкм

5 мкм

80 90

Температура, оС

100

Рис. 5. Зависимость времени оседания частиц Al от температуры

Учитывая, что характерная температура после останова двигателя составляет 70 °С, на рис. 6, 7 показаны зависимости времени оседания частиц (уровень масла 40 см) от их радиуса при данной температуре.

500 450 400

к

01 и

0 к

г

01

£ 200

300 250

со

150 100 50 0

-А1

_Т-

ре

1 _...

1

\

10

15

20 25 30

Радиус частиц, мкм

Рис. 6. Зависимость времени оседания частиц от их радиуса при 1=70°С

Рис. 7. Зависимость времени оседания частиц от их радиуса при 1=70°С

Проведенные расчеты позволяют сделать следующие выводы:

1. Частицы размерами более 25 мкм оседают на дно полостей отбора проб за время порядка 15...20 минут (рис. 7). До отбора проб большинство частиц данного размера улавливаются фильтрами тонкой очистки (ФТО), стружкосигнализаторами и магнитными пробками ГТД. Ячейки сеток ФТО имеют размер от 15 до 30 мкм [5; 6].

2. Частицы размером менее 15 мкм оседают с уровня в 40 см более 2-х часов. Мелкие частицы (1-5 мкм), содержание которых в исправном двигателе составляет 99% от общего числа частиц, оседают в масле очень медленно, время оседания измеряется десятками и сотнями часов, учитывая, что в расчетах температура масла составляет 70 °С. При остывании масла, время оседания значительно увеличивается (рис. 5).

3. Экспериментальные исследования на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1 показали, что при сливе масла самотеком частицы любых размеров удерживаются в полостях и не попадают в пробу вместе с маслом. Даже если они находятся на максимально близком расстоянии к месту слива.

4. Таким образом, в отбираемую в течение 30 минут пробу попадают частицы размерами 1-10 мкм, не успевшие осесть на дно, а также другие более крупные частицы, попавшие в место точно над кранами слива, не задержанные контрольными элементами двигателя. Очевидно, что «поймать» данные частицы, выброс которых в малом количестве характеризует начало разрушения деталей и узлов ГТД, представляется практически не возможным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Костецкий Б.И., Носовский И.Г., Караулов А.К. Поверхностная прочность материалов при трении.

- Киев: Техника, 1976.

2. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. - M.: Mашиностроение, 1968.

3. Толмачева А.Г., Еременко В.М., Трейгер М.И. Теория трения, износа и смазки. - Ташкент, 1976.

4. Петров С.Н. Исследование и разработка метода раннего диагностирования неисправностей в узлах трения авиационных двигателей и редукторов по концентрации металлов в масле: дисс. ... канд. техн. наук.

- Петропавловск-Камчатский: в/ч 75368, 1974.

5. Крагельский И.В. Трение и износ. - M., 1968.

6. Старосельский А.А., Гаркунов Д.Н. Долговечность трущихся деталей и машин. - M.: Mашиностроение, 1976.

7. http://www.tehnoinfa.ru/plastichnostnefteproduktov/29.html.

8. http://www.geolib.ru/OilGasGeo/1989/11/Stat/stat08.html#ris01.

9. http://tavot-spb.ru/aviacionnye_masla.

10. Тимошенко А.Н., Грядунов К.И. Mатематическая модель гравитационной очистки топлив от механических загрязнений. Ассоциация ОАТО ВC ГА. 2010. - C. 46-47.

11. Иноземцев А.А., Коняев Е.А., Медведев В.В., и др. Авиационный двигатель П^90А. - M.: Либра-К, 2007.

12. Лозицкий Л.П., Авдошко М.Д., Березлев В.Ф., и др. Авиационные двухконтурные двигатели Д-30КУ и Д30КП (конструкция, надежность и опыт эксплуатации). - M.: Mашиностроение, 1988.

TEMPERATURES IMPACT ON SEDIMENTATION METAL CHIPS IN OIL

Gryadunov K.I., Timoshenko A.N.

Metal chips sedimentation mathematical model in oil MC-8h is presented. Key words: sedimentation, rate of sedimentation.

Сведения об авторах

Грядунов Константин Игоревич, 1986 г.р., окончил MFrY ГА (2008), аспирант MFrY ГА, автор 10 научных работ, область научных интересов - эксплуатация летательных аппаратов, диагностирование пар трения ГТД.

Тимошенко Андрей Николаевич, 1958 г.р., окончил MИИ ГА (1981), зам. директора ЦC TCM ГосНИИ ГА, автор 20 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, обеспечение качества авиационных TCM.