СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD AND DEVICE TO DETERMINE UP STATE OF LUBRICANTS

Изобретение может быть использовано в нефтяной, автомобильной, авиационной, машиностроительной отраслях промышленности, где необходимо контролировать работоспособность смазочных материалов (в соответствии с ГОСТ 27.002-83 на смазочный материал распространяется понятие надежности и работоспособности). Сущность изобретения заключается в том, что в результате создания вакуума поршнем, приводимым в движение пружиной, через трубку диаметром 1,5-2,0 мм, верхний конец которой представляет собой пластичную гофрированную трубку, размером 30 мм, для возможности фиксирования цилиндрической емкости в вертикальном положении, в цилиндрическую емкость поступает смазочный материал, проходящий через магнит. По времени заполнения емкости, в зависимости от диаметра трубки, вакуума, температуры и плотности, определяют степень разжижения работающего смазочного материала продуктами неполного сгорания топлива, по наличию металлических включений на магните фиксируется процесс износа.
Устройство дополнительно содержит конденсатор, расположенный в емкости. По изменению емкости конденсатора судят о наличии охлаждающей жидкости в смазочном материале. Нижний конец термостатированной трубки имеет медное покрытие (или дополнительно закручивающуюся медную трубку) для определения коррозионного воздействия масла. Сравнивая потемнение поверхности медной трубки с эталоном, судят о коррозионной активности смазочного материала (1a - выдерживает, 2abc, 3abc, 4abc - не выдерживает). Трубка выполняет роль щупа, отградуирована от конца на 150 мм (для определения изменения уровня масла в картере) и имеет перемещающийся фиксатор.
В цилиндрической емкости установлены термопара, плотномеры и конденсатор, соединенные с регистратором температуры и времени заполнения емкости (10 мл), измеритель электрической емкости смазочного материала и уровень для установки емкости в вертикальном положении. Техническим результатом изобретения является возможность определения работоспособности смазочного материала по обобщенному показателю (ОПРМ) и дефектов в системах охлаждения, зажигания, очистки воздуха от пыли, топливной аппаратуре.
Изобретение относится к измерительной технике и использует измерение времени заполнения емкости объемом (10 мл) смазочным материалом (вязкости среды), плотности, коррозионной активности смазочной среды по бальной системе, сравнивая с эталоном, а также обнаружение в масле продуктов износа узлов трения, неполного сгорания топлива, охлаждающей жидкости. Может быть использовано в нефтяной, автомобильной, авиационной, машиностроительной и других отраслях промышленности, где необходимо контролировать качество работающих смазочных материалов.
Известен способ анализа жидкостей на металлы - продукты износа узлов и механизмов, омываемые этими жидкостями, включающий подготовку пробы к анализу, подготовку стандартных образцов, построение градуировочных графиков, измерение концентрации определяемых элементов, по которому пробу предварительно центрифугируют, осадок помещают в делительную воронку с чистой анализируемой жидкостью и после седиментации частиц отбирают объемы жидкости с узкими классами частиц, которые анализируют по градуировочному графику, соответствующему известной крупности частиц, а концентрацию элементов в пробе рассчитывают как суммарную массу элемента, деленную на исходный объем анализируемой жидкости (патент РФ №2167407, G01N 3/56, 2001.05.20).
Недостатками аналога являются сложность способа и его непригодность для проведения экспресс-анализа.
Близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ определения вязкости с помощью капиллярного вискозиметра путем фиксации уровня среды при постоянном установившемся режиме истечения, по которому дополнительно фиксируют высоту столба среды, соответствующую началу ее капельного истечения [а.с. СССР №1176213, G01N 11/08, 30.08.1985].
Недостатками прототипа являются невысокая точность измерения и ограниченные функциональные возможности.
Известен шариковый вискозиметр, содержащий шарик, подвешенный на нити фиксированной длины к плечу стрелки самописца, которая производит запись на движущейся ленте, и помещенный в вертикальный цилиндр с затвором [авторское свидетельство СССР №579564, G01N 11/10, 1977].
Недостаток аналога в том, что он предназначен для определения вязкости в стационарных условиях с предварительным отбором масла для анализа.
Близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является также устройство для определения вязкости, содержащее полую камеру для исследуемой жидкости и капилляр, расположенный в нижней ее части, измеритель времени истечения, дозирующее устройство [авторское свидетельство СССР №600419, G01N 11/08, 1978].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ и устройство для определения степени разжижения моторных масел топливом, износа двигателя.
Сущность изобретения заключается в том, что создают вакуум шприцем, создают ламинарный поток масла, попадающего на магнит в виде капель, отрывающихся от сопла. По времени заполнения емкости в зависимости от диаметра трубки и сопла, температуры масла определяют степень разжижения работающего масла топливом, по наличию продуктов износа (частиц металла на магните) - фиксируют факт износа двигателя, а по весу продуктов износа определяют допустимое содержание продуктов износа.
Недостаток прототипа заключается в том, что:
- он определяет всего два показателя, которые не в полной мере определяют работоспособность масла;
- конструкция устройства, содержащая отводную трубку, шприц, термопару в термостойкой трубке и сопло, не позволяет создать необходимое разрежение и снижает точность определения показателя вязкости (времени истечения масла).
Для определения степени износа необходимо разбирать устройство, доставать магнит, промывать и взвешивать магнит с металлическими продуктами износа. Масло, проходящее через отводную трубку, охлаждается и роль установленного термостата снижается, т.к. термопара фиксирует температуру масла в трубке. Кроме этого, термопара, представляющая собой две проволоки, в процессе эксплуатации загрязняется, сужается внутренний диаметр трубки и снижается точность измерения времени заполнения емкости.
После измерения вязкости и степени износа устройство из-за громоздкой и хрупкой конструкции вынимается из отверстия маслощупа.
Задачей заявленного изобретения является определение дефектов систем охлаждения, очистки воздуха от пыли, топливной аппаратуры, узлов трения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и редукторов (по наличию в масле топлива, охлаждающей жидкости, продуктов износа, коррозии) по обобщенному показателю работоспособности смазочного материала, учитывающего изменение его показателей качества:
- вязкости (времени заполнения емкости);
- степени износа узлов трения (по наличию металлических частиц);
- наличия охлаждающей жидкости (воды) в смазочном материале по изменению емкости конденсатора (диэлектрической проницаемости);
- коррозионного воздействия смазочного материала на медь.
Учет косвенных факторов, таких как продукты неполного сгорания топлива на электрическую емкость (при наличии продуктов неполного сгорания топлива в масле электрическая емкость повышается). По изменению уровня масла в картере, его увеличению или уменьшению судят о разжижении масла либо о его угаре.
Учет названных косвенных факторов, влияющих на точность измерений, позволяет определить более объективно показатели качества смазывающего материала при определении ОПРМ.
Технический результат от использования изобретения связан с экспресс-оценкой качества смазочного материала в узле трения (в ДВС, трансмиссии, редукторе, станке и т.д.), по обобщенному показателю работоспособности смазочного материала и возможностью определения дефектов в системах охлаждения, очистки воздуха от пыли, зажигания, топливной аппаратуре.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе определения степени разжижения моторных масел топливом (продуктами неполного сгорания топлива), износа, наличия охлаждающей жидкости (воды) и коррозионного воздействия на медь, плотности, по которой определяют время истечения моторного масла, в отличие от прототипа создают вакуум поршнем в емкости цилиндрической формы, являющейся продолжением термостойкой трубки, по которой через магнит засасывается масло из картера. Магнит находится на конце резьбовой пробки, расположенной в термостойкой трубке, и может откручиваться. Продукты износа рассматриваются с помощью увеличительного стекла (лупы). Зная время истечения и объем заполнения свежим маслом в зависимости от диаметра термостойкой трубки, температуру масла, определяют степень разжижения работающего масла топливом (продуктами неполного сгорания), по наличию продуктов износа - частиц металла на магните определяют начало износа двигателя, а по площади занимаемой продуктами износа на поверхности магнита степень износа.
В емкости размещены датчик электрической емкости в виде алюминиевого кольца из проволоки, по поверхности которой сделана нарезка и нанесен оксид алюминия, в нарезку вложена никелевая проволока (см. Фарзане М.Г., Ильясов И.В., Азим-Заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. М.: Высш. шк., 1989, 458 с, с.311, рис.11.6а).
Алюминиевое кольцо из проволоки с оксидом алюминия и никелевая проволока образуют электрический конденсатор, емкость которого увеличивается при сорбции воды оксидом алюминия, что дает возможность определить по значению электрической емкости наличие охлаждающей жидкости в работающем масле.
Термостойкая трубка выполняет также роль масломерного щупа с градуировкой между нижним и верхним уровнем, которая позволяет фиксировать уменьшение или увеличение уровня масла в картере двигателя (узла трения) во время их эксплуатации, что в сочетании с показателями вязкости и плотности работающего масла наиболее полно характеризует состояние работающего масла (по уменьшению и увеличению уровня работающего масла в картере).
В моторном масле, находящемся в масляной системе двигателя внутреннего сгорания или редуктора, происходят непрерывные количественные и качественные изменения, которые с помощью применяемого способа и устройства можно своевременно обнаружить и принять меры, а значит продлить ресурс машины.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема предлагаемого способа и устройства.
Устройство содержит термостойкую трубку 3, диаметром 1,5-2,0 мм и длиной 550 мм, верхний конец которой представляет собой гофрированную гибкую (пластичную) трубку 19 размером 30 мм, для возможности фиксирования цилиндрической емкости в вертикальном положении. На нижний конец завернута медная трубка 15 длиной 30 мм такого же диаметра. Термостойкая трубка завернута в емкость 6, в которой размещен съемный магнит 4. На дне емкости располагается датчик электрической емкости 5. На рукоятке установлен уровнемер 18, поршень со штоком 9, на штоке которого рукоятка 12. Поршень приводится в движение пружиной 13, которая фиксируется и разжимается фиксатором рукоятки 10.
Устройство работает следующим образом. Вначале извлекают масломерную линейку из отверстия картера, определяют уровень масла, на основании чего устанавливают фиксатор 2 на термостойкой трубке 3. Предлагаемое устройство устанавливают в вертикальное положение с помощью уровня 18 на место масломерной линейки (щупа). Нажимают рукоятку 12, фиксируют сжатую до упора пружину фиксатором рукоятки 10, приводят устройство в рабочее положение разжатием фиксатора 10. За счет создавшегося разряжения в емкость 6 (объемом 10 мл) поступает из картера 1 смазочный материал. Время заполнения (объема 10 мл), температура и электрическая емкость смазочного материала фиксируются регистраторами времени и температуры 16 и электрической емкости 17 (коррозия на медь определяется по потемнению поверхности медной трубки по истечению 3-4 часов в картере работающего двигателя).
Полученные пять показателей измерений:
- время заполнения емкости маслом;
- наличие продуктов износа (их размеры);
- коррозия на медь;
- плотность;
- электрическая емкость;
характеризуют работоспособность и процессы, проходящие в объекте диагностирования.
Причины, влияющие на показатели смазочного материала:
I. Вязкость уменьшается:
- при попадании продуктов неполного сгорания топлива;
- при деструкции вязкостной присадки;
- при доливке масла с низкой вязкостью.
Вязкость увеличивается:
- при окислении масла;
- при загрязнении масла (отложениями, сажей);
- при угаре масла (перегрев двигателя);
- при доливке масла с высокой вязкостью;
- при попадании охлаждающей жидкости (воды).
II. Плотность понижается:
- при попадании продуктов неполного сгорания;
- при доливке масла с низкой плотностью;
- при деструкции высокомолекулярных углеводородов.
Плотность повышается:
- при загрязнении масла продуктами отложений, сажей, пылью;
- при доливке масла с высокой плотностью;
- при попадании охлаждающей жидкости (воды).
III. Электрическая емкость повышается:
- при попадании охлаждающей жидкости (воды)
- незначительно при попадании продуктов неполного сгорания топлива.
IV. Продукты износа возникают
- при обкатке узла трения;
- при использовании некачественного масла;
- при коррозии;
- при попадании в масло продуктов неполного сгорания топлива;
- при попадании охлаждающей жидкости (воды);
- при попадании пыли через систему очистки воздуха от пыли.
V. Коррозия на медь возникает:
- при попадании в масло воды;
- при использовании в ДВС сернистого топлива;
- при разложении антикоррозийной присадки.
Вариантов изменения показателей качества масла может быть множество. Поэтому предлагается ввести обобщенный показатель работоспособности масла (ОПРМ) по пяти показателям качества масла, который позволяет судить о процессах, происходящих в рассматриваемой системе: ДВС, редукторе, узле трения, масле. Идеальный случай, когда все пять показателей не изменяются. Если принять неизменившийся показатель за единицу (1), то обобщенный показатель работоспособности равен 5 (1+1+1+1+1). Если один из показателей становится браковочным, а остальные изменились в худшую сторону, то, сопоставив их, можно определить причины их изменения.
Для удобства при расчете обобщенного показателя ухудшения показателей качества масла минусуем от единицы. Так увеличение и уменьшение времени истечения масла через термостойкую трубку в емкость примем 2 сек за - 0,01, соответственно 4 сек за - 0,02 и т.д.
Изменение плотности масла определяется двумя плотномерами. Первый плавает в свежем масле, второй тонет в свежем масле. Так, если плотность уменьшилась, то оба плотномера тонут, если плотность увеличилась, то первый по ходу поршня не тонет. Уменьшение и увеличение плотности работающего масла принимаем за - 0,01, значительное изменение плотности за - 0,02.
Изменение электрической емкости на 1 пФ - 0,01, на 2 пФ и более - 0,02.
Наличие продуктов износа на магните примем за 0,01, наличие 2-х и более частиц - 0,02.
Коррозию на медную часть термостойкой трубки принимаем за - 0,01 при балле 2 с, за - 0,02 при балле 3 с, 0,03 и т.д.
Условно принято (на основе 374 проведенных экспериментов), что при значении ОПРМ 4,98 и менее, следует масло заменить, предварительно устранив причины ухудшения масла. В случае уменьшения или повышения уровня масла в картере на 5 мм от ОПРМ минусуется 0,01.
Рассмотрим конкретные случаи.
Пример 1. Моторное масло синтетическое SAE 5w40 (свежее) вязкостью при 100°С 13 сСт разбавляют 2, 4, 6% продуктами неполного сгорания бензина АИ-95 (имеющего начало кипения 90°С, а конец кипения 210°С) и, используя предлагаемый способ и устройство, определяют время заполнения цилиндрической емкости, объемом 10 мл за счет вакуума, создаваемого поршнем при температуре 20°С. Результаты измерения времени заполнения образцов масел с продуктами неполного сгорания помещены в таблице 1
Таблица 1
Содержание продуктов неполного сгорания бензина АИ-95 в моторном масле SAE 5w40, мас.%
время заполнения емкости, сек
0
108
2
84
6
81
Электрическая емкость масла SAE 5w40 составляет 21,2 пФ.
Пример 2. Моторное синтетическое масло SAE 5w40 из картера, работающего на бензине АИ-95 автомобиля. С использованием предлагаемого способа и устройства определяют: время поступление масла в цилиндрическую емкость объемом 10 мл при вакууме, создаваемом поршнем при температуре 20°С. Оно составило 83 сек, что соответствует согласно таблице 1 3,3% продуктов неполного сгорания бензина АИ-95: баллы - 0,017. Наличие продуктов неполного сгорания в масле подтверждается также плотномерами (оба в виде шариков на проволоке) потонули: баллы - (1-0,02). Электрическая емкость повысилась на 0,5 пФ по сравнению со свежим маслом: баллы - 0,005. На магните обнаружен продукт износа (1 частица): баллы - (1-0,01); коррозии на медь нет: баллы - (1-0).
На основании полученных результатов рассчитываем обобщенный показатель работоспособности масла (ОПРМ), он составляет 4,948.
ОПРМ=(1-0,017)+(1-0,02)+(1-0,005)·(1-0,01)+1=4,948.
Уровень масла в картере увеличился на 4 мм. Изменений в ОПРМ не вносим.
Масло следует заменить, предварительно устранив причину попадания топлива в масло (неисправности топливной аппаратуры или системы зажигания).
2
2
Пример 3. Дизельное минеральное масло М-ЮГК вязкостью при 100°С 10,76 сСт разбавляют 4 и 6% дизельного топлива (летнего) и, используя предлагаемый способ и устройство, определяют время поступления дизельного масла в цилиндрическую емкость объемом 10 мл под вакуумом при температуре 20°С. Результаты экспериментов помещены в таблице 2. Замеряем электрическую емкость масла М-10ГК, она составляет 21,5 пФ.
Таблица 2
Содержание дизельного топлива (летнего) в масле М-10Г<sub>2</sub> К, мас.%
Время заполнения емкости, сек
0
114
4
88,5
6
76
0,1 (сажи)
120
2
2
Пример 4. Дизельное масло М-10ГК из картера двигателя, работающего на дизельном топливе (летнее). С использованием предлагаемого способа и устройства определяют: время поступления 10 мл масла под вакуумом при температуре 20°С, которое составило 118 сек. Согласно таблицы 2 в работающем дизельном масле М-10ГК топлива нет; это подтверждается всплытием второго тяжелого поплавка (имеющего удельный вес, превышающий удельный вес свежего масла), на магните обнаружен продукт износа (1 частица); электрическая емкость повысилась на 1,5 пФ по сравнению со свежим маслом, баллы (1-0,015); коррозия на медной трубке составила 3 с, баллы (1-0,02); обобщенный показатель (ОПРМ) составляет: (1-0,02)+(1-0,02)+(1-0,01)+(1-0,015)+(1-0,02)=4,925.
Масло следует заменить, предварительно устранив причины сгорания топлива с образованием сажи, попадания охлаждающей жидкости из системы охлаждения (через нарушения герметичности, трещины и т.д.).
Пример 5. Индустриальное масло ИТД-68 вязкостью при 100°С 8,1 сСт. Используя предлагаемый способ и устройство, определяем время поступления масла ИТД-68 в цилиндрическую емкость объемом 10 мл под вакуумом при температуре 20°С. Оно составило 97 секунд. Замеряем электрическую емкость, она составила 21,0 пФ.
Пример 6. Работающее индустриальное масло ИТД-68 с использованием предлагаемого способа и устройства отбираем из картера холодно-высадочного автомата “Кайзер”. При 20°С время заполнения устройства составило 128 сек., электрическая емкость составила 23,4 пФ. Обнаружено 4 частицы продуктов износа на магните. Всплыл тяжелый (второй) поплавок. Коррозийное воздействие на медную трубку 4 с.
ОПРМ=(1-0,07)+(1-0,02)+(1-0,04)+(1-0,01)+(1-0,03)=4,83.
Увеличение вязкости и коррозии на медь произошло из-за негерметичности систем смазок (попала технологическая серосодержащая смазка). Из-за влажности в цехе в ИТД-68 попал конденсат. Работающее масло подлежит замене.
Литература
1. Фарзане М.Г., Ильясов И.В., Азим-Заде А.Ю. «Технологические измерения и приборы». М.: Высшая школа, 1989. 458, с.311, рис.11.6а.
2. Патент на изобретение №2334212 «Способ и устройство для определения степени разжижения моторных масел топливом и износа двигателя». Авторы: Нигматуллин Р.Г. Патенты РФ: патент РФ №2167407, G01N 3/56, 2001.05.20, а.с. СССР №1176213, G01N 11/08, 30.08.1985, авторское свидетельство СССР №579564, G01N 11/10, 1977, авторское свидетельство СССР №600419, G01N 11/08, 1978.