Oils as diagnosing means for machinery and equipment

Abstract

Based on 10 years’ experience of chemmotology and spectral analysis of motor oils of 17 brands in 162 internal combustion engines, the recommendations for oil monitoring and automotive engines diagnosis on oil working properties are given.

Full Text

Рабочие показатели масел служат комплексными диагностическими признаками технического состояния агрегатов машин и оборудования, а также помогают выявить причины повышенной интенсивности их изнашивания. Показатели масел позволяют точнее устанавливать периодичность сервиса, повышать надежность машин, снижать затраты труда и средств на их эксплуатацию [1]. Смазочное действие - один из способов управления надежностью и работоспособностью машин и оборудования [2-4]. Все отрасли нуждаются в качественных топливно-смазочных материалах и их рациональном применении. Поэтому важно совершенствование эксплуатационных методов контроля масел и обоснование нормативов их состояния, причем при обслуживании машин агропромышленного комплекса (АПК) контролю масел следует уделять гораздо больше внимания, чем принято. К моторным маслам предъявляется множество требований, порой противоречивых [2]. Их свойства определяются составом, концентрацией присадок и внешними загрязнениями. При неоптимальном составе присадок, загрязнении, обводнении, коррозионности, потере вязкости масло как третий конструкционный элемент может на 50% обусловливать необходимость ремонта машин. Однако комплекс методов и нормативов контроля работающих масел для автотракторной техники до сих пор четко не определен, приемы контроля масел подбираются самостоятельно. В дополнение к лабораторному контролю масел по стандартам при эксплуатации машин АПК нужно проводить эффективный экспресс-контроль масел по капельной пробе согласно бумажной хроматографии по ГОСТ 28365-89 [1]. Это обусловлено тем, что основные качества масел характеризуются размером частиц загрязнений с разным проникновением в поры фильтровальной бумаги. Чем ниже диспергирующе-стабилизирующие свойства масел (ДСС), тем больше размеры частиц, меньше их проникновение в бумагу и размер масляного пятна капельной пробы. Поскольку сокращение диаметра d2 масляного пятна по отношению к диаметру d1 его ядра линейно характеризует ДСС, то: ДСС = К (d2/d1), где К - эмпирический коэффициент. На рис. 1 представлены структурные компоненты масляного пятна, а на рис. 2 - реальные капельные пробы среднещелочных масел, где: 1 - свежее масло с равномерным пятном и водяными знаками, пятно испаряется через 5 дней; 2 - классическая капельная проба с наружным кольцом чистого масла, внутренним кольцом незначительно загрязненного масла, светлым ядром и водяными знаками, образующимися в ходе реакции щелочных компонентов масла со структурами бумаги; 3, 4 - отсутствие внешнего кольца чистого масла, уменьшение пятна из-за постепенного укрупнения механических примесей вследствие уменьшения ДСС; 5 - неровная форма ядра и всего пятна из-за обводнения масла; пятна 4 и 5 - предельное состояние масла; 6 - свертывание капельной пробы, капля не растекается из-за значительного обводнения, масло - брак и может представлять собой золотистую расслаивающуюся жидкость со шламом в донной части, что приводит к аварии ДВС. Желтый, коричневый или темно-коричневый цвет пятна свидетельствует об окисленности масла из-за аварийного перегрева ДВС. Степень четкости водяных знаков примерно соответствует степени щелочности масла и его запасу рабочих свойств. По четкости водяных знаков можно различать средне- и высокощелочные масла. По мере работы масла цвет пятна от светлого переходит к светло-серому, серому, темному, черному, густо-черному, пятно непрерывно уменьшается в диаметре. При обводнении масла с периферии пятна вытекают струйки воды, но они быстро испаряются. Вместе с фильтровальной лабораторной бумагой по ГОСТ 12026-76 можно использовать ее аналоги, белую и черную ситцевую ткань. Загрязненность масла можно характеризовать оптической плотностью капельной пробы, например с помощью индикатора загрязненности жидкостей. Для общей оценки работоспособности масла в табл. 1 приведены показатели капельной пробы. Таблица 1 Балльная оценка качества масла по капельной пробе Части пятна (см. рис. 1) Характеристика частей масляного пятна по номерам пятен (см. рис. 2) № 1; 1 балл № 2; 2 балла № 3; 3 балла № 4; 4 балла № 5; 5 баллов № 6; 6 баллов Я Светлое Темно-серое Черное Густо-черное Густо-черное, со шламом и крупинками механических примесей Капля не расплываетя, растекается вода К Отсутствует Темно-серое Темно-черное Ядро и кольцо слитны Ядро не просматривается Отсутствует Г Отсутствует Серое или темно-серое Черное Ч Светлое, исчезает через 2-3 дня Светлое Светлое, исчезающее Отсутствует Отсутствует Щелочное число - главный показатель качества моторного масла, обусловливающий моюще-диспергирующие, антифрикционные, нейтрализующие свойства. Контроль щелочного числа по всем российским и зарубежным стандартам сложен. Наиболее приемлем контроль по методике 25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России, аналогичной методу ГОСТ 29255-91 и адаптированной для эксплуатационных условий [1]. Для этого требуются реактивы метиловый синий, метиловый красный и 0,1 н. спиртовой раствор соляной кислоты. Графики, представленные на рис. 3, показывают связь интенсивности изнашивания ДВС с щелочным числом и рН масла. Ускорение изнашивания ДВС (повышение содержания железа) происходит после снижения щелочного числа до значения кислотного числа. На рис. 3, в, где слева показано содержание Fe и щелочное число, а справа рН спиртовой вытяжки масла, видна обратная корреляция Fe по щелочному числу. Предельный случай смены масла - момент снижения щелочного числа до уровня кислотного числа, но при этом нет гарантии нормального функционирования масла до его смены. В табл. 2 приведены современные нормативные значения щелочного числа, рассчитанные интерполированием данных С.Г. Арабяна (НАТИ, 1984 г.). Таблица 2 Нормативные значения щелочного числа для моторных масел Показатель «А» напряженности работы моторного масла по С.Г. Арабяну 100 200 300 400 500 600 700 800 Браковочные значения щелочного числа, мг КОН/г 0,4 1,1 2,5 3,5 4 4,5 5 5,5 Допускаемые в межконтрольном периоде значения щелочного числа, мг КОН/г 0,6 1,5 3 4 4,5 5 5,5 6 Однако все же целесообразно назначать срок смены масла не только по снижению щелочного числа, но по комплексу показателей состояния масла (щелочное число, ДСС, обводненность, загрязненность, коррозионность, антифрикционность) и состояния ДВС (концентрация в масле металлов, особенно свинца, угар масла, расход картерных газов, закоксованность цилиндро-поршневой группы, напряженность работы ДВС). Адаптированные для эксплуатационных служб приемы контроля рабочих свойств масел изложены в работе [1]. Практика их применения подтверждает негативную динамику вязкости всесезонных масел. Такие масла специфичны и стоят дороже. На основании десятилетнего опыта можно сказать, что в рядовой практике их применение не всегда оправданно. Так, ежедневный месячный контроль показал, что всесезонное масло через 50 ч теряет вязкость с 14,22 до 11,06 сСт, а за 300 ч - на 29% (по результатам испытаний 10 марок всесезонных масел, проведенных журналом «За рулем», - на 20-50%). Практически свежие масла нередко приходится сливать из дизелей из-за пониженной вязкости [1]. Что касается сезонного масла, то по мере его работы вязкость может расти из-за окисления базы, загрязнений и шламообразования, а неисправность топливной аппаратуры разжижает масло. Обводнение масла провоцирует сгущение нерастворимых примесей и шламообразование. Поэтому по мере работы вязкость масла может варьироваться в обе стороны, а разжиженное топливом, но чрезмерно загрязненное масло может иметь нормальную вязкость, но быть непригодным. Повышение срока службы масла важно, но это не самоцель. В триаде «двигатель - условия эксплуатации и техническое обслуживание - масло» оно играет не первую, хотя и не последнюю роль. Все в этой триаде подчинено двигателю, и при его неисправностях или ухудшении условий работы нередко производится вынужденная смена масла до исчерпания ресурса. При исправном двигателе масло должно работать до полного исчерпания ресурса, поэтому менять его целесообразно только при приближении браковочных значений: при щелочном числе менее 3-3,5 мг КОН/г, содержании воды более 0,3%, температуре вспышки ≤160-170 °С, вязкости ниже паспортного значения. Масло с запасом щелочного числа после очистки от механических примесей и воды можно использовать повторно, но в узлах и агрегатах, менее требовательных к качеству масла. Необходим также экспресс-контроль антиизносных свойств свежих смазочных масел - для входного контроля, работавших - для определения их остаточного ресурса. Предложено приспособление для сравнения потери массы (или высоты) кольца, истертого в испытуемом масле, и того же кольца в тех же условиях, но в масле с хорошими антиизносными свойствами. Для контроля интенсивности изнашивания можно использовать прибор для определения железа в масле ФЧМ-П от ЗАО «Техдиагнозсервис» ЦНИИ морского флота, а также феррограф ОВД-28324-ГОСНИТИ [3]. Что касается значения угара масла для определения срока ремонта ДВС, то предлагается определять этот срок моментом, когда потери от пониженной производительности машины, перерасхода топлива и масла за межремонтный период становятся равны стоимости ремонта. Чем ощутимее потери, тем при меньшем значении угара масла целесообразен ремонт двигателя. Срок службы масла следует определять по комплексу его фактических химмотологических показателей и состоянию ДВС. Но при браковочном значении любого показателя масла или двигателя масло подлежит безусловной смене. Нормативные значения параметров масел мобильной техники АПК приведены в табл. 3. Таблица 3 Нормативные значения параметров моторных масел мобильной техники АПК Параметры масел Дизельные масла Трансмиссионные масла Гидравлические масла Ном. Доп. Пред. Ном. Доп. Пред. Ном. Доп. Пред. Температура вспышки, ºС >205 >185 >170 По пас-порту 90% 80% По паспорту 90% 85% Содержание воды, % Следы <0,15 <0,3 Следы <0,3 <0,5 Следы <0,15 <0,3 Моюще-диспергирующие свойства, баллы 0 <3 <6 1-2 3-4 <6 1-2 3-4 <6 Вязкость при 100 ºС, в % от паспортных значений По паспорту 80-120 75-135 По пас-порту 90-130 80-150 По паспорту 90-110 80-125 Вязкость при 50 ºС, в % от паспортных значений - - - По пас-порту 90-130 80-150 По паспорту 90-110 80-125 Вязкость при 40 ºС, в % от паспортных значений - - - - - - По паспорту 90-110 80-125 Щелочное число, мг КОН/г >8 >5 3 1-3 1-2 0,5 - - - Оптическая плотность, % <0,15 <1,5 <2,5-3 0,15-0,4 <2,5 <3,5 <0,12 <0,18 <0,25 Примечание: ном. - номинальные значения для свежего масла; доп. - значения, при которых масло допускается в эксплуатацию на очередной межконтрольный период; пред. - браковочные значения, при которых масло подлежит замене. Мало применяется спектральный анализ масел, выявляющий динамику изнашивания агрегатов машин и оборудования. Между тем это эффективное средство раннего предупреждения возможных неисправностей ДВС и других агрегатов [3, 4]. Проведено более 13 тыс. cпектральных анализов 17 марок масел для дизелей ЯМЗ-240, Д-130, 8ДМ-21А, Cummins (КТА-19/38/50), СAT 785В, Коmatsu HD 785В, тепловозов ТЭМ, ТГМ и ЧС-2, 50 бензиновых ДВС грузового и легкового транспорта, дорожно-строительных машин России, Кореи, Японии, Франции. Разработана детальная технологическая карта анализа [1]. По результатам этих анализов подтверждено, что основные причины повышенного изнашивания ДВС - загрязненность (рис. 4), обводненность, разжижение топливом, снижение щелочного числа и ДСС, а у некоторых долго работавших масел - коррозионность к свинцу подшипников кривошипно-шатунного механизма. Поэтому концентрации металлов в маслах могут не соответствовать реальной износостойкости и потенциальному ресурсу сопряжений ДВС. Недостаток анализа масел с помощью установок МФС от СКБ «Спектр» при ОАО «ЛОМО» - пропуск частиц износа крупнее 20 мкм. Поэтому нужен контроль металлов в масле несколькими методами. Важно контролировать и форму, и размеры частиц износа, обусловленные разными процессами изнашивания. В итоге на основании работ [2-4] и проведенных 13 тыс. cпектральных анализов аналитико-статистическим методом определены спектральные нормы для масел мобильной техники АПК (табл. 4). Таблица 4 Нормативные значения спектральных параметров масел автотракторной техники Содержание металлов* Моторные масла Трансмиссионные масла Гидравлические масла Ном. Доп. Пред. ПЛ Ном. Доп. Пред. ПЛ Ном. Доп. Пред. ПЛ Fe (200) 3-5 50 65 100 3-5 150 200 500 1-2 10-15 15-20 75 Cr (30) 0,3 3,5 5,5 25 0,5 5-10 25 10 0,5 1 5 10 Al (200) 2 15 25 30 3 5 15 100 2 5 15 50 Si (200) 3-5 20 25 20 3 35 50 40 1-2 5 10 - Pb (200) 0,5 5 15 40 - - - 300 0,5 1 2 20 Cu (200) - 10-15 20-25 50 - 30 50 300 - 3-5 15 50 Sn (30) - 1,5 2 25 - 1 2 20 - 1 2 10 Ni (30) - 1,5 1,8 10 - 15 25 20 - 1,2 2 5 Mo** (30) - 1,5* 2* - - 5 15 - - 1 1,5 - Примечание: * - пределы измерения установкой МФС-7М; ** - для масел без присадок с молибденом; ПЛ - предельные значения нормативов состояния масел по данным фирмы «Лубризол», принятые для автомобилей в США. Регулярный (через 25-50 ч) анализ позволяет упреждать наступление повышенного изнашивания агрегатов, повышать предельные концентрации и тем самым полнее использовать эксплуатационный ресурс машин и оборудования. Из анализов необходимо определить показатели, которые достигли или превысили предельные значения, а также выявить, обусловлено ли повышенное содержание металлов содержанием кремния, воды, пониженной вязкостью, температурой вспышки и коррозионностью масла. При превышении норм содержания воды, кремния, пониженных температуре вспышки, щелочном числе, ДСС рекомендуется смена масла с выявлением и устранением неисправностей агрегата. Если в масле нет заметного количества воды и топлива, щелочное число более 4 мг КОН/г, и масло бракуется только по загрязнению, то рекомендуется отстой масла для другого анализа, а при его норме - повторное использование в агрегатах, менее требовательных к маслам. Если масло бракуется по повышенному содержанию свинца, то рекомендуется смена марки масла. Особенности работы установок типа МФС-7М, дополнительные нестандартные эффективные приемы защиты ДВС от загрязнения, обводнения и другие меры описаны в работе [1].