Investigation of ageing process of hydraulic oils and its mathematical description
- Authors: Kireyev I.R1, Sharafiyev R.G1, Yerofeyev V.V2, Legotin A.P2
-
Affiliations:
- Ufa State Petroleum Technological University
- Chelyabinsk State Agroengineering Academy
- Issue: Vol 82, No 8 (2015)
- Pages: 41-44
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/0321-4443/article/view/66082
- DOI: https://doi.org/10.17816/0321-4443-66082
- ID: 66082
Cite item
Full Text
Abstract
Method and device for monitoring and diagnosing the quality of engine and hydraulic oils are proposed. This aim is attained on the assumption that main quality parameters of engine and hydraulic oils are the alkali or acid number and the content of mechanical impurities.
Full Text
В работах [1-8] исследованы причины старения гидравлических масел, рассмотрены особенности их старения в статических и динамических условиях. На базе данных исследований рассмотрим механизм старения масел, дадим его математическое описание и предложим методы диагностирования моторных и гидравлических масел на базе основных параметров их качества. Под старением масла будем подразумевать естественный процесс, который начинается сразу после его заливки в систему смазки гидросистемы. Отметим, что этот процесс происходит даже при нормальной работе в исправной гидросистеме без нарушений условий эксплуатации масла, которое постепенно утрачивает свои первоначальные свойства и в итоге становится непригодным для дальнейшего использования. Диспергирование накопившихся в работающем масле нерастворимых продуктов приводит к истощению диспергирующе-стабилизирующего действия моюще-диспергирующих присадок. Нейтрализация сильных органических и неорганических кислот вызывает срабатывание нейтрализующих компонентов присадок. Окисление и гидролиз присадок, их адсорбция на деталях, термическое разложение, механическая деструкция также становятся причинами убыли активных присадок. Увеличение содержания в работающем масле растворимых и нерастворимых продуктов до некоторой критической концентрации и истощение запаса активной присадки приводят к повышенному износу и коррозии деталей гидравлической системы, чрезмерному росту кислотного числа, вязкости, плотности и других показателей качества рабочей жидкости [9]. Содержание загрязнений в большинстве случаев определяется стандартными методами, основанными на центрифугировании или фильтрации растворов работавших масел в легких углеводородных растворителях [10]. Степень загрязненности гидравлического масла может быть определена экспресс-методом, позволяющим количественно определить содержание твердой фазы в дисперсной системе. Для этого измеряются физические параметры исходного и работавшего масел, после чего вычисляется степень загрязненности. В качестве физических параметров используются плотности исходного и работавшего масел и плотность нерастворимых в масле загрязнений. Степень загрязненности вычисляется по формуле: (1) где ρом , ρ2, ρ1 - соответственно плотности работавшего и исходного масел и нерастворимых в масле загрязнений (принимается ρ1 = 1,64 г/см3). По результатам физико-химического анализа принимается степень загрязненности масла xi , которая посчитана по формуле на основе замеров плотностей исходного и работавшего масел и хорошо коррелируется с результатами определения концентрации нерастворимых в бензине примесей методом центрифугирования. Коэффициент корреляции составляет 0,91 [11]. Для проверки качества гидравлического масла разработан экспресс-метод: из емкости гидросистемы отбирается проба масла заданного количества, разбавляется растворителем до установленной вязкости, после чего из масла путем центрифугирования выделяются примеси и обрабатываются с определением щелочного (или кислотного) числа, а по полученному результату судят о качестве масла. Этот метод отличается тем, что сначала в качестве режима центрифугирования принимают режим очистки масла с тонкостью очистки, соответствующей номинальному режиму работы маслоочистителя гидросистемы, и выделяют из масла варьирующуюся составляющую Ув, затем повторно центрифугируют очищенное масло и выделяют из него систематическую составляющую примесей Ус, которую принимают в качестве результата центрифугирования. Определяют щелочное (кислотное) число и судят о качестве масла по заданной зависимости между систематической составляющей примеси и щелочным (кислотным) числом. Способ обеспечивает достаточно точное определение содержания нерастворимых примесей в масле. Но оценка качества масла по общему содержанию примесей недостаточно объективна. Действительно, общее содержание примесей Уп можно представить как сумму варьирующейся Ув и систематической Ус составляющих примесей: . (2) Варьирующаяся составляющая примесей Ув зависит от качества очистки масла. Она обусловлена неудовлетворительной очисткой масла при работе на режимах, отличающихся от номинального по температуре масла и частоте вращения ротора маслоочистителя, при неисправностях маслоочистителя, технического состояния и т.д. При номинальной тонкости очистки масла в маслоочистителе Ув = 0. Систематическая составляющая примесей Ус характеризует собственно степень старения масла для данного его состояния. Эти примеси находятся в мелкодисперсном состоянии, их размеры и количество зависят от содержания присадки в масле. Они не удаляются маслоочистителем даже при номинальной тонкости очистки масла. На основании изложенной концепции в Уфимском государственном нефтяном техническом университете проведены исследования по разработке экспресс-метода оценки качества моторных и гидравлических масел, заключающегося в измерении физических параметров исходного и работавшего масел с последующим вычислением степени загрязненности работавшего масла. Известно, что повышение плотности работавшего масла зависит также от степени его загрязненности, поэтому в качестве физических параметров в разработанном экспресс-методе используются плотности исходного и работавшего масел. Степень загрязненности работавшего масла служит источником информации о степени старения, один из показателей которого - щелочное (кислотное) число, указывающее на запас нейтрализующих свойств присадки и в конечном счете - на необходимость смены масла. Упрощенная кинетика математической модели старения моторного масла может быть представлена в следующем виде. В процессе работы гидравлической системы за счет абразивного износа трущихся металлических частей и поступающих извне частиц пыли в масле скапливаются нерастворимые твердые загрязнения, которые взаимодействуют с присадками (щелочью), присутствующими в маслах. Продукты взаимодействия (твердые загрязнения + щелочь) могут участвовать в процессе абразивного износа или же удаляться в системе очистки масла фильтрами. В результате щелочность (кислотность) масла снижается (увеличивается), а количество твердых загрязнений, не связанных с щелочными (кислотными) добавками, увеличивается. Следовательно, ускоряется абразивный износ. Введем следующие обозначения: - концентрация твердых загрязнений в масле, доли единицы (д.е.); - концентрация в масле твердых загрязнений, связанных с присадками (щелочью), д.е.; n1 - содержание присадки в свежем масле, д.е.; n2 - содержание присадки в работающем масле, д.е.; nг - концентрация металлических частиц загрязнений, связанных с присадками, д.е.; D - скорость поступления в масло твердых нерастворимых в масле загрязнений, м/с; β - коэффициент взаимодействия присадки с загрязнениями; А, В - коэффициенты, зависящие от свойства загрязнений и характера взаимодействия с трущимися деталями; а, у - доли загрязнений и присадок в нейтрализованных соединениях. В данных обозначениях кинетика процесса старения масла может быть описана уравнениями: (3) Подставив третье и четвертое уравнения в первое и второе и введя обозначения получим: (4) . (5) Разделив первое уравнение системы на второе, получим уравнение, связывающее концентрации частиц свободных (несвязанных) загрязнений и продуктов взаимодействия (присадок): . (6) Данное уравнение нелинейное и не имеет аналитического решения. Для его численного решения необходимо знать все константы (A, B, β, y, D), определить которые очень сложно. Полагая n1 = z, из (6) можно получить уравнение (7) связывающее концентрации частиц свободных загрязнений с присадками (щелочью). Уравнение (7) можно решить аналитически при введении некоторых упрощающих допущений. Например, примем В = 0; а = 0. Это означает, что фильтр полностью очищает масло от примесей, способствующих износу (В = 0), и доля загрязнений в продуктах взаимодействия загрязнения и присадки пренебрежимо мала (а = 0). Тогда уравнение (6) сведется к виду: (8) откуда следует: . (9) Разлагая логарифмы в ряд и ограничиваясь первыми двумя членами разложения, можно получить соотношение: . (10) С учетом принятого ранее обозначения под у можно понимать количество нерастворимых в бензине примесей. Тогда на основе данных, приведенных в ГОСТ 11362-96 (ИСО 6619-88), можно провести оценку комплекса параметров, входящих в формулу (10). С учетом сказанного можно записать: (11) С использованием рассмотренных соотношений получена зависимость изменения плотности работавшего моторного масла от щелочного числа: (12) где ρмет - плотность твердых загрязнений, не связанных с присадками; ρг - плотность металлических частиц загрязнений, связанных с присадками; ρ0, ρом - соответственно плотность свежего и отработавшего масел. Подставив в (12) полученные выражения для у и х, можно записать: . (13) Обозначив , можно получить окончательное выражение, описывающее зависимость изменения плотности гидравлического масла от щелочного (кислотного) числа: . (14) Из полученного уравнения следует, что и связаны линейной зависимостью. В то же время обработка экспериментальных данных в координатах и показывает удовлетворительное совпадение в области значений 0 £ £ 0,65 с уравнением прямой, в котором отсутствует свободный член. С учетом сказанного получено следующее выражение: . (15) Математическое описание процесса старения масла связано со значительными трудностями, прежде всего из-за множества участвующих в реакциях компонентов. Кроме того, при использовании подобных соотношений возникают трудности точного замера плотностей масел, например нефтеденсиметром, что существенно сужает область практического использования этого подхода. Несмотря на сложность оценки процесса старения масла, данная задача была решена методом исследования зависимости Х - С, исходя из допущения, что основными параметрами качества моторных и гидравлических масел служат щелочное или кислотное число С и содержание механических примесей Х. Основные показатели качества масел определялись с помощью разработанных способа и устройства для контроля и диагностирования качества моторных и гидравлических масел. Устройство (рис. 1) содержит емкость 1 для масла с размещенными в ней пластинами 2 и 3, электрически связанными с генератором ультразвуковой частоты 4 и электроизмерительным прибором 5, измерители температуры 6 и давления 7 в магистрали, трубопроводы 8 для подключения емкости к масляной магистрали. Устройство позволяет определить содержание механических примесей в работающих маслах. С помощью трубопроводов емкость подсоединяется последовательно в главную магистраль перед фильтром. Двигатель запускается и прогревается до номинального теплового режима. Постепенно повышается частота вращения коленчатого вала до установления в главной магистрали заданного давления масла. После этого ультразвуковое излучение от генератора подается на пластину 2, излучающую его в емкость. При прохождении ультразвуковых волн через среду загрязненного масла возникает соответствующее изменение сигнала на принимающей пластине 3 по сравнению с сигналами-эталонами, полученными для государственных стандартных образцов (ГСО). С помощью данных ГСО измерительный прибор проградуирован и аттестован на предмет содержания механических примесей в нефти и нефтепродуктах. После получения числовой величины загрязненности работающего гидравлического масла определяется щелочное (кислотное) число по формуле: , (16) где X - содержание механических примесей в масле, %; С - щелочное (кислотное) число, мг КОН/г; а - безразмерный показатель, характеризующий изменение щелочности (кислотности). Качество масла по щелочному (кислотному) числу можно определить также по приведенной зависимости содержания механических примесей Х от щелочного (кислотного) числа С (рис. 2). Вывод Проведенные исследования позволили выявить основные причины старения гидравлических масел, дать математическое описание процесса старения масел и разработать способ диагностирования качества работающих масел по выявленной зависимости содержания примесей от щелочного (кислотного) числа, базирующейся на установленной связи между изменением щелочного (кислотного) числа и степенью загрязненности масел.×
About the authors
I. R Kireyev
Ufa State Petroleum Technological University
R. G Sharafiyev
Ufa State Petroleum Technological University
V. V Yerofeyev
Chelyabinsk State Agroengineering Academy
Email: ervv52@mail.ru
A. P Legotin
Chelyabinsk State Agroengineering Academy
References
- Ишмаков Р.М. и др. Химмотология гидравлических систем мобильных машин: опыт и перспективы регенерации и очистки отработанных масел. - Челябинск, Уфа: ЦНТИ, 2008.
- Кулиев А.М. Химия и технология присадок к маслам и топливам. - Л.: Химия, 1985.
- Присадки к маслам / Под ред. С.Э. Крейна и др. // Труды второго всесоюзного научно-технического совещания. - М.: Химия, 1966.
- Вопросы авиационной химмотологии. - Киев: МГА СССР, 1979.
- Теоретические основы химмотологии / Под ред. А.А. Браткова. - М.: Химия, 1984.
- Литвиненко А.Н., Шлейфер А.А. Экспериментально-теоретические исследования процессов окисления углеводородных топлив. - М.: ЦИВИТ МО №4153, 1989.
- Пискунов В.А. и др. Химмотология в гражданской авиации: Справочник. - М.: Транспорт, 1983.
- Зуев Ю.С. Разрушение полимеров под действием агрессивных сред. - М.: Химия, 1972.
- Григорьев М.А. Очистка масла и топлива в автотракторных двигателях. - М.: Машиностроение, 1970.
- Рыбаков К.В., Жулдыбин Е.Н. Приборы для определения содержания воды и механических примесей в нефтепродуктах. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1968.
- ГОСТ 20684-75. Масло моторное отработанное. Метод определения содержания нерастворимых осадков.