Повышение эксплуатационной надежности двигателей дорожных и строительных машин трибологическим контролем состояния и активацией моторных масел
На правах рукописи
ДОБЛЕР ВИКТОР ИВАНОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ДОРОЖНЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН ТРИБОЛОГИЧЕСКИМ КОНТРОЛЕМ СОСТОЯНИЯ И АКТИВАЦИЕЙ МОТОРНЫХ МАСЕЛ
05.05.04 - Дорожные, строительные и
подъемно-транспортные машины
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск - 2005
Работа выполнена в Томском государственном архитектурно - строительном университете
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - кандидат технических
наук, доцент
Ларионов Сергей Аркадьевич
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: - доктор технических
наук, профессор
Абраменков Дмитрий Эдуардович
- кандидат технических
наук, доцент
Аметов Винур Абдурафиевич
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Красноярский государственный технический университет
Защита диссертации состоится 23 декабря 2005 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета К.212.265.01 при Томском государственном архитектурно - строительном университете по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная 2, корп. 4, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно - строительного университета.
Автореферат разослан «23» ноября 2005 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
ДИССЕРТАЦИОННОГО Кравченко С. М.
СОВЕТА
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современные темпы роста экономики и развития промышленного производства ведут к интенсификации использования техники и ужесточают требования к повышению её надежности и долговечности с минимизацией затрат на эксплуатационные расходы. Практика показывает, что ресурс силовых агрегатов дорожных и строительных машин зачастую значительно меньше номинального ресурса, установленного заводом - изготовителем. Одной из причин этого является отсутствие эффективных методов оценки и контроля состояния агрегатов, позволяющих предупреждать появление неисправностей или устранять их на стадии возникновения.
Поскольку моторное масло принято рассматривать как элемент конструкции двигателей дорожных и строительных машин, следовательно, одним из основных условий безотказной и долговечной работы двигателя является обеспечение стабильного качества моторного масла на протяжении всего периода эксплуатации машины.
Недостатком используемых в лабораториях контроля масел крупных автотранспортных предприятий стандартных методов оценки состояния моторных масел, основанных на анализе их физико – химических характеристик, является отсутствие возможности получения информации о смазочных и противоизносных свойствах масла, изменение которых может не коррелировать с изменением физико - химических характеристик. В большинстве случаев, полученная с помощью таких методов, информация является лишь сигналом обратной связи, дающим представление о том, насколько качество масла обеспечивает требуемые показатели надежности системы «двигатель-масло».
Для управления надежностью системы «двигатель-масло» и обеспечения требуемого её качественного уровня необходимо дополнение существующих методов контроля качества масел в процессе эксплуатации дорожных и строительных машин контролем трибологических характеристик моторных масел. Недостаточная изученность возможностей трибодиагностики работающих моторных масел, отсутствие средств трибологического контроля и критериев оценки смазочных свойств моторных масел в зависимости от срока и режимов эксплуатации дорожных и строительных машин не позволяет использовать этот метод в лабораториях контроля масел автотранспортных предприятий, имеющих большой парк строительных и дорожных машин. Определение трибопоказателей предельного состояния моторного масла невозможно ввиду отсутствия математических моделей, описывающих изменение трибологических характеристик работающего масла в процессе эксплуатации. Поэтому разработка технических средств и методов трибологической оценки смазочных свойств моторных масел в процессе эксплуатации дорожных и строительных машин, повышение надежности и продление ресурса моторных масел введением антифрикционных и противоизносных присадок на основе ультрадисперсных порошков мягких металлов в режиме эксплуатации являются актуальными задачами.
Цель работы. Целью настоящей работы является повышение эксплуатационной надежности двигателей дорожных и строительных машин за счет разработки и внедрения технических средств и методики контроля трибологических свойств моторных масел в режимах входного контроля и эксплуатации, а также активации моторных масел путем введения антифрикционных, противоизносных и противозадирных присадок.
Научная новизна.
- Разработан автоматизированный комплекс, позволяющий оценивать трибологические свойства моторных масел в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации трибосопряжений узлов и агрегатов дорожных и строительных машин;
- Предложенная методика оценки трибологических свойств смазочных масел и рабочих жидкостей дорожных и строительных машин в режимах входного контроля и эксплуатации позволяет оценивать антифрикционные, противоизносные свойства и несущую способность масла за один цикл испытаний;
- Разработана математическая модель изменения трибологических свойств моторного масла под влиянием изменения его физико - химических характеристик;
- Предложен комплекс мероприятий по повышению надежности моторных масел путем введения в них присадок на основе ультрадисперсных порошков мягких металлов;
- Новизна технических решений автоматизированного трибокомплекса подтверждена двумя патентами РФ на полезную модель (№ 32602, №43974).
Практическая ценность работы заключается:
- в создании автоматизированного трибокомплекса и методики контроля трибологических свойств моторных масел, позволяющих в условиях автотранспортных предприятий организовать входной и эксплуатационный контроль масел методами трибодиагностики;
- в разработке методики повышения надежности и продления срока эксплуатации моторных масел путем активации присадкой на основе УДП меди.
- в определении оптимального состава и концентрации присадки в моторном масле.
Реализация работы. Разработанные трибологический комплекс и методика контроля трибологических свойств масел используются в лаборатории контроля топлив и масел ОАО «Томусинская автобаза» (г. Междуреченск). Трибологический комплекс используется ООО «фирма Техносинтез» при конторе качества производимой присадки к моторным маслам «Гарант–М».
Апробация работы. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на:
- международной научно - технической конференции «Архитектура и строительство» (Томск, 2002 г.)
- международной научной конференции «Современные проблемы машиностроения и приборостроения» (Томск, 2002 г.)
- международном конгрессе «Механика и трибология транспортных систем - 2003» (Ростов-на-Дону, 2003 г.)
- научно-практической конференции-выставке с международным участием «ТРИБОТЕХ-2003» (г. Москва, 2003 г.)
- всероссийской научно - технической конференции «Транспортные системы Сибири» (г. Красноярск, 2004 г.)
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе в 6 статьях и двух описаниях к патентам РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 142 страницах и состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 132 наименований и приложения.
На защиту выносятся:
- автоматизированный трибологический комплекс;
- методика оценки трибологических свойств моторных масел;
- методика повышения надежности и продления срока эксплуатации моторных масел путем активации присадкой на основе УДП меди.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены актуальность, цель и задачи диссертационной работы, научная новизна, практическая ценность, основные положения, выносимые на защиту, реализация работы, апробация, публикации, структура и объем работы.
В первой главе рассмотрены основные средства и методы контроля эксплуатационных свойств моторных масел, проанализированы теоретические и экспериментальные исследования общих закономерностей старения моторных масел в процессе эксплуатации дорожных и строительных машин. Также приведен обзор работ по способам улучшения трибологических характеристик моторных масел путем введения присадок и рассмотрены основные методы и средства трибологических испытаний моторных масел.
Система управления надежностью моторного масла базируется на фундаментальных исследованиях процессов трения, изнашивания и смазки материалов и деталей машин.
Исследования в области трения и изнашивания материалов интенсивно ведутся как у нас в стране, так и за рубежом. В настоящее время считается общепринятой теория И.В. Крагельского, основанная на молекулярно - механической природе трения. В случае абразивного изнашивания представляет интерес теория, изложенная С. В. Макгрегором. Теорию, основанную на законе сохранения энергии, развили Трос и Фляйшер, она получила название энергетической теории трения изнашивания. В изучение процессов трения, изнашивания и смазки существенный вклад внесли ученые: П.А. Ребиндер, А.Ю. Ишлинский, А. С. Ахматов, Д. Н. Гаркунов, Р.М. Матвеевский, А. С. Пронников, М.М. Хрущев, Б.И. Костецкий, С.В. Пинегин, А. В. Чичинадзе, а также зарубежные ученые: Ф.П. Боуден и Д. Тейбор, К.Д. Бонер, Г. Польцер и Ф. Майсснер и др.
Главное назначение современных исследований - аналитическое описание процессов трения, основанное на законах физики, химии и механики, с помощью которого можно будет получить частные зависимости для конкретных случаев.
Существенный вклад в развитие теории надежности строительной и дорожной техники внесли работы Д. П. Волкова, А. М. Шейнина, А. К. Рейша, Д. И. Федорова, Н. И. Коха, В. А. Зорина и др.
Моторное масло может использоваться не только для диагностики и прогнозирования состояния элементов ДВС, но и для целенаправленного управляющего воздействие на состояние системы в целом. Одним из способов улучшения трибологических свойств моторных масел является введение в них антифрикционных и противоизносных присадок.
Использование для трибологического контроля моторных масел в режиме эксплуатации техники в условиях химических лабораторий автопредприятий существующих средств и методов трибологических испытаний представляется достаточно затруднительным в виду достаточной сложности и большой трудоемкости проведения испытаний, а также отсутствия браковочных трибопоказателей масел, адаптированных к конкретным маслам, машинам и условиям их эксплуатации.
Создание автоматизированных трибологических комплексов и введение методики трибологической оценки эксплуатационных свойств моторных масел в практику эксплуатации дорожных и строительных машин (рис.1) позволит повысить надежность двигателей и снизить эксплуатационные расходы.
Рис. 1. Система эксплуатационных мероприятий по повышению надежности ДВС
Во второй главе приведены описание автоматизированного трибологического комплекса и методики проведения трибологических испытаний.
Разработанный автоматизированный комплекс предназначен для решения следующих задач:
- Лабораторные исследования трибологических свойств смазочных и конструкционных материалов;
- Оценка трибологических свойств смазочных и рабочих жидкостей в режиме эксплуатации СДМ и прогнозирование их ресурса;
- Организация входного контроля смазочных материалов на автотранспортных предприятиях;
- Оценка эффективности присадок, вводимых в смазочные масла и рабочие жидкости.
Автоматизированный комплекс позволяет определять следующие трибологические характеристики: момент (коэффициент) трения, нагрузку схватывания образцов (несущая способность масла), износ образцов, температуру в зоне контакта образцов.
Для эффективного решения поставленных задач автоматизированный трибологический комплекс должен удовлетворять следующим требованиям:
- В качестве испытуемых трибосопряжений используются серийные детали или образцы, изготовленные из деталей двигателя, наиболее критичных по ресурсу;
- Условия испытаний максимально приближены к режиму работы данного трибосопряжения в ДВС;
- Контроль состояния масла осуществляется одновременно по нескольким единичным показателям, совокупность которых позволяет однозначно судить о принадлежности масла к конкретной марке для свежих масел и прогнозировать остаточный ресурс для масел, прошедших часовую наработку;
- Скорость скольжения, нагрузка и температура испытуемой могут варьироваться в широком диапазоне для моделирования различных режимов работы ДВС;
- Автоматизированная система управления ходом эксперимента снижает трудоемкость проведения испытаний и обеспечивает заданную точность и повторяемость результатов;
- Системы нагружения образцов, привода главного движения и термостатирования испытуемой смазочной среды оборудованы обратной связью, обеспечивающей повторяемость и неизменность условий испытаний;
- Конструкция испытательной камеры обеспечивает смену образцов и подготовку комплекса к следующему циклу испытаний за минимальное время.
Основой разработанного трибологического комплекса (рис. 2) является камера трения (рис. 3), в которой на приводном валу закреплен образец «ролик» и в держателях установлены два образца «колодочка».
Образцы полностью погружены в испытуемое масло. После установки образцов и герметизации испытательной камеры система термостатирования испытуемой смазочной среды нагревает испытуемое масло до температуры проведения испытаний. Под воздействием температуры масло расширяется, создавая избыточное давление в камере трения, величина которого ограничивается предохранительным клапаном.
По достижении заданной температуры система управления запускает привод главного вращательного движения, который обеспечивает вращение ролика с заданной частотой. Система нагружения обеспечивает усилие прижима образцов согласно закону нагружения, заданному оператором. Датчик силы нагружения реализует обратную связь для контроля и корректировки силы прижима образцов. Система управления представляет собой управляемый с персонального компьютера микроконтроллер, содержащий АЦП и ЦАП преобразователи, соединенные с контрольными датчиками и системами, управляющими параметрами эксперимента, соответственно. Использование персонального компьютера для управления трибокомплексом позволяет непрерывно фиксировать трибопараметры и проводить их анализ.
Комплексная методика определения трибологических свойств моторных масел (рис. 5) состоит из трех этапов. На первом этапе производится приработка образцов. Образцы подвергаются ступенчатому нагружению. При каждом увеличении нагрузки момент трения сначала увеличивается пропорционально приложенной нагрузке (рис. 6), затем, по мере приработки образцов, постепенно снижается и, спустя некоторое время, стабилизируется. Стабильная характеристика момента трения в течение определенного времени является критерием перехода на следующую ступень. Максимальная нагрузка образцов на этапе приработки определяется в диапазоне 50...75% от нагрузки схватывания образцов для данной марки масла, таким образом, чтобы обеспечивался полусухой режим трения образцов (рис.4).
Рис 4. Зависимость момента трения от нормальной нагрузки при определении интервалов нагрузок
Рис.5. Методика комплексного определения трибологических свойств масел.
Рис. 6. Зависимость момента трения от времени приработки
Следующим этапом является проведение антифрикционных и противоизносных испытаний. Образцы нагружаются стационарной нагрузкой, обеспечивающей полусухой режим трения.. Длительность этапа определяется величиной износа необходимой, для точного его измерения.
На последнем этапе производится оценка несущей способности масла. Образцы нагружаются ступенчато до схватывания.
В третьей главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований изменения трибологических и физико - химических характеристик моторных масел в режиме эксплуатации, а также разработка математической модели трибопоказателей моторного масла.
Экспериментальные исследования изменения эксплуатационных свойств моторных масел были проведены на транспортных машинах БелАЗ - 75131, -7512, -7512-30, -75214, -75215 в условиях ОАО «Томусинская автобаза» с целью решения следующих задач:
- Определение основных закономерностей изменения трибологических свойств моторных масел в режиме эксплуатации;
- Выявление основных факторов, влияющих на ухудшение трибологических свойств моторных масел и определение их предельных значений для построения математической модели трибопоказателей моторных масел;
- Определение предельных значений трибопоказателей моторных масел.
Выбор данного автопредприятия был обусловлен наличием лаборатории контроля топлив и масел, позволяющей наиболее полно оценивать эксплуатационные характеристики моторных масел методами определения физико - химических характеристик, эмиссионно - спектрального анализа масел на установке МФС-7 и трибологического контроля на разработанном автоматизированном трибокомплексе. План проведения эксперимента приведен в табл. 1.
Таблица 1
План отбора проб при проведении эксплуатационных испытаний
| № шасси | Модель двигателя | Марка масла | Дата замены масла | Периодичность отбора проб |
| 51 | КТА-50 | SAE15-W40 | 2.08.03 | 50, 100, 150, 200, 250 часов наработки с даты смены масла для каждой машины |
| 52 | 2.08.03 | |||
| 83 | 2.08.03 | |||
| 85 | 4.08.03 | |||
| 135 | 2.08.03 | |||
| 173 | 8ДМ-21А | М14В2 | 8.08.03 | 150, 300, 450, 600, 750 часов наработки с даты смены масла для каждой машины |
| 346 | 5.08.03 | |||
| 450 | 1.08.03 | |||
| 484 | 12.08.03 | |||
| 1328 | 24.07.03 | |||
| 14 | 9-26ДГ | М14В2 | 25.07.03 | 200, 400, 600, 800, 1000 часов наработки с даты смены масла для каждой машины |
| 20 | 30.07.03 | |||
| 93 | 14.07.03 | |||
| 1113 | 29.07.03 | |||
| 1117 | 5.08.03 |
В процессе проведения испытаний определялись физико - химические свойства масел: вязкость, температура вспышки, наличие воды, содержание нерастворимого осадка, а также трибологические свойства масел: коэффициент трения, несущая способность и износ образцов. Определение трибологических свойств масел производилось на разработанном трибологическом комплексе. Результаты трибологических испытаний каждой пробы масла были получены в виде, представленном на рис. 7.
Рис. 7. Результаты трибологических испытаний. Машина № 93, масло М14В2. 1 диаграмма нагружения образцов, 2-наработка масла 200 м/час, 3 - 400 м/час, 4-600 м/час.
Рис 8. Изменение трибологических характеристик моторных масел в зависимости от наработки. а) - масло М14В2, машина № 93, б) - масло SAE15-W40, машина № 83. 1- нагрузка задира образцов; 2 - износ образцов - колодочек; 3 - момент трения при нагрузке 20 МПа.
При анализе экспериментальных данных были выявлены следующие закономерности изменения трибологических свойств моторных масел, характерные для всех типов подконтрольных двигателей:
- с увеличением времени наработки масла в исправном двигателе улучшаются его антифрикционные характеристики. Снижение коэффициента трения на 11...27 % было зафиксировано при работе масла в 72 % двигателей подконтрольных машин, в остальных случаях увеличение коэффициента трения достигало 7...60 %;
- изменение нагрузки схватывания образцов происходит по трем основным направлениям:
- значительное снижение несущей способности масла, (на 20...33 %);
- незначительное снижение несущей способности (5...7 %);
- незначительное повышение несущей способности (3..5 %).
- противоизносные свойства масел ухудшаются пропорционально времени наработки масла в двигателе;
- при доливе свежего масла происходит частичное восстановление трибологических свойств.
При анализе результатов трибологических испытаний прослеживается тесная взаимосвязь между трибологическими характеристиками. Изменение противоизносных и антифрикционных свойств моторных масел достаточно тесно коррелируют с изменением его несущей способности (рис. 8). При снижении несущей способности (рис. 8а) наблюдается увеличение интенсивности изнашивания и снижение момента трения и, наоборот, при увеличении несущей способности наблюдается снижение момента трения и стабилизация интенсивности изнашивания. Таким образом, в качестве единичного критерия оценки изменения трибологических свойств моторных масел возможно использование значения нагрузки схватывания или интенсивности изнашивания. Момент трения не является достаточно информативным показателем, он может использоваться в качестве вспомогательного. Так как реализация устройства измерения износа в приборах, предназначенных для экспресс - диагностики трибологических свойств моторных масел в условиях автотранспортных предприятий является достаточно сложной и дорогостоящей, а также значительно увеличивает время проведения испытаний, предлагается в качестве трибопоказателей, определяющих пригодность масла к дальнейшей эксплуатации использовать нагрузку схватывания образцов и момент трения.
При анализе результатов исследования физико - химических характеристик моторных масел было выявлено, что основными факторами, влияющими на ухудшение трибологических характеристик моторных масел являются:
- загрязнение масла продуктами износа деталей двигателя, частицами сажи и пыли;
- попадание топлива в масло, вызванное неисправностями топливной системы;
- попадание воды в масло, вследствие негерметичности охлаждающей системы ДВС.
При проведении противоизносных испытаний выявлено, что при попадании воды в моторное масло SAE 15-W40 (рис. 9а) его противоизносные характеристики значительно ухудшаются и концентрация воды в количестве 0,5% приводит к увеличению износа 2,8 раза, а повышение концентрации до 1% увеличивает износ в 3,3 раза по сравнению с чистым маслом.
Наличие дизельного топлива в масле в концентрациях до 6% не оказывает существенного влияния на противоизносные свойства моторного масла, однако с дальнейшим увеличением концентрации они ухудшаются. При 15% содержании ДТ износ увеличивается в 2,3 раза.
Рис. 9. Изменение трибологических показателей моторного масла SAE 15-W40 при изменении физико - химических характеристик. а) - значения износа образцов - колодочек; б) - значения нагрузки схватывания. 1 - содержание нерастворимого осадка, 2 - содержание воды, 3 - содержание дизельного топлива. Скорость скольжения 3,9 м/с; температура 90±2°С.
Наиболее значительное ухудшение противоизносных свойств происходит при загрязнении масла продуктами нерастворимого осадка (НО), которые состоят из продуктов износа, сажи от неполного сгорания топлива, атмосферной пыли и др. В диапазоне содержания 0 - 0,4% НО ухудшение противоизносных свойств практически не проявляется (в 1,3 раза), при концентрации 0,6% НО происходит резкое увеличения износа (в 2,7 раза по сравнению с чистым маслом) и стабилизируется до концентрации 1,2% НО. С дальнейшим увеличением концентрации до 2 % НО наблюдается резкое увеличение износа по экспоненциальной зависимости (до 20 раз).
Несмотря на значительное ухудшение противоизносных свойств, вода не оказывает существенного влияния на несущую способность масла (рис 9б). При концентрации воды 0,5% несущая способность снижается на 10%, а при 2%-ой концентрации - на 24%.
Влияние наличия дизельного топлива на несущую способность масла наиболее значительно проявляется при увеличении концентрации до 3% ДТ (снижение на 11%), при содержании 15 % ДТ несущая способность снижается на 30%.
Наибольший интерес представляет изменение несущей способности под влиянием добавления нерастворимых примесей. При постепенном увеличении концентрации НО до 1% наблюдается постепенное снижение несущей способности на 22%, с дальнейшим увеличением концентрации до 1,6 % наблюдается стабилизация с некоторым повышением несущей способности, затем при увеличении концентрации НО до 2% наблюдается резкое снижение несущей способности, которое при 2%-й концентрации НО достигает 48% по сравнению с чистым маслом.
При исследовании влияния содержания нерастворимых примесей на антифрикционные свойства масла выявлено, что их наличие дестабилизирует антифрикционные характеристики масла, однако, при концентрации НО до 1% наблюдается некоторое снижение момента трения. Дальнейшее увеличения содержания НО приводит к ухудшению антифрикционных свойств, причем при содержании 2% НО наблюдаются периодические задиры образцов.
При исследовании антифрикционных свойств моторного масла при добавлении воды выявлено, что при содержании воды 0,5% момент трения несколько снижается (на 7-8%) при содержании воды 1% момент трения на 3-4% выше, чем у чистого масла. Дальнейшее увеличение содержания воды до 1,5% и 2% увеличивает момент трения, соответственно, на 8-10% и 15-20%, причем в последнем случае наблюдается тенденция к дестабилизации.
При исследовании антифрикционных свойств масла при добавлении ДТ отклонения момента трения находились в зоне погрешности измерения.
Для оценки влияния на смазочные, противозадирные и противоизносные свойства моторного масла SAE 15 - W40 изменения физико – химических свойств был поставлен эксперимент с использованием теории планирования экспериментов. В качестве управляемых факторов принимались: содержание воды х1, содержание дизельного топлива х2, количество механических примесей (нерастворимого осадка) х3.Числовые значения отклонений от нормы устанавливались на основе данных литературного обзора о предельно допустимом содержании указанных веществ в моторном масле. Для нерастворимого осадка максимальное содержание было принято 2% по массе, для воды - 1%, для дизельного топлива - 10%.
В качестве функции отклика принимались: износ образцов – колодочек J, нагрузка схватывания образцов Fнагр., момент трения в трибосопряжении Мтр..
В качестве рабочей силы была принята гипотеза о том, что связь между факторами и функцией отклика аппроксимируется функцией в виде полиномиальной модели второго порядка. Эта модель может быть представлена в виде уравнения:
Y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b12x1x2+b13x1x3+b23x2x3+b11x12+b22x22+b33x32
где Y – параметры объекта трибосистемы;
x1; x2; x3 – факторы, влияющие на исследуемый трибологический процесс;
b0, b1, b2, b3, b12, b13, b23, b11, b22, b33– коэффициенты регрессии.
При осуществлении эксперимента опыты, соответствующие каждой комбинации факторов, повторялись 7 раз. Эксперимент проводился с доверительной вероятностью 0,95. Проверка однородности дисперсий реализации функции отклика по всем строкам матрицы производилась с помощью критерия Кохрена.
После исключения незначимых коэффициентов уравнения регрессии в окончательном виде выглядят так:
J=1,467+6,164x1-8,171x3+0,785x1x3+0,295x2x3-2,564x12+11,014x32;
Fнагр.=1682-470x1-35x2-296x3+85x1x3+214x12-48x32;
Mтр.=0,325+0,00165x1+0,01143x3-0,00668x1x3+0,01224x12+0,00357x32
Значения параметров трибосистемы J, Fнагр. и Мтр.. выражены, соответственно, в мг, Н и Нм. Значения факторов x1-3 в процентах.
Адекватность полученных моделей проверялась по критерию Фишера.
В графическом виде полученные модели приведены на рис. 10.
Для проверки адекватности полученной математической модели было проведено сравнение результатов непосредственного определения трибохарактеристик работающих масел на трибологическом стенде, и трибохарактеристик, рассчитанных по математической модели по результатам анализа загрязненности масла и рассчитаны коэффициенты корреляции между ними.
Анализ результатов исследований показал, что между результатами экспериментальных испытаний и теоретическими расчетами существует тесная корреляционная связь. Наибольшая теснота связи наблюдается для трибохарактеристики «нагрузка схватывания» (r=0,87...0,98) и значения износа образцов (r=0,89...0,94). Однако, полученная с использованием математической модели, зависимость изменения момента трения от загрязнения масла не совпадает с экспериментально полученными результатами. По математической модели момент трения повышается с увеличением содержания нерастворимого осадка, тогда как для масел, работающих в двигателях характерна тенденция к снижению момента трения при увеличении времени наработки.
Четвертая глава посвящена изучению влияния присадок на трибологические свойства моторных масел.
Одним из направлений улучшения трибологических свойств смазочных материалов является введение в моторные масла присадок на основе ультрадисперсных порошков мягких металлов (Zn, Cu, латунь). Важными факторами качества присадки являются составляющие комплексы УДП металлов, их дисперсность, а также их количественное содержание в смазочной среде.
Для изучения трибологических свойств ряда перспективных смазочных композиций на основе УДП меди, цинка, латуни, полученных в различных газовых средах на производственной базе КТЦ ТНЦ СО РАН (г. Томск) был проведен однофакторный эксперимент.
Сущность метода заключается в сравнительных испытаниях масел, модифицированных УДП порошками и присадками по следующим показателям:
- относительное изменение момента трения Мтр;
- несущей способности пар трения к критической нагрузке Ркр, при которой происходит схватывание образцов;
- противоизносным свойствам по величине суммарной потери массы образцов m.
Исходными материалами при проведении трибологических испытаний являлись смазочные композиции на основе моторного масла SAE 20, модифицированного ультрадисперсными порошками меди, латуни, цинка, полученными в среде различных газов, а также присадками, приобретенными в торгово-розничной сети, в следующих комбинациях:
- SAE 20 + УДП Cu (CO2);
- SAE 20 + УДП Cu (Ar);
- SAE 20 + УДП Cu (Ar + O2);
- SAE 20 + УДП Zn;
- SAE 20 + УДП латуни;
- SAE 20 + УДП Cu (N2)
- SAE 20 + «Ресурс»
- SAE 20 + «Люкс - Трибо»
- SAE 20 + «EuсoPower»
- SAE 20 + «Хадо»
По результатам трибологических испытаний выявлено, что в качестве антифрикционной и противоизносной присадки целесообразно использовать добавки УДП Zn и Cu, полученной в среде азота (N2), во всем диапазоне рассмотренных нагрузок, так как на всех парах трения состав с этой добавкой обладает наименьшими моментом трения и небольшими суммарными износами испытуемых образцов трения. В качестве добавки, повышающей несущую способность масла к схватыванию трибосопряжений, целесообразно использовать добавку УДП латуни, так как на большинстве пор трения состав с этой добавкой обладает наибольшей несущей способностью к схватыванию.
Для определения оптимальной концентрации УДП Сu в моторных маслах был поставлен эксперимент с использованием методов теории планирования экспериментов, которые позволяют получать эмпирические модели трибопараметров в виде:
Y=kx1nx2m
где Y – параметры объекта трибосистемы;
x1; x2;– факторы, влияющие на исследуемый трибологический процесс;
n, m – показатели, подлежащие определению
В качестве управляемых факторов принимались: радиальная нагрузка FN, (фактор 
); концентрация УДП Cu в модифицированной смазке (фактор 
).
За параметры оптимизации трибосистемы (кольцо – колодочки - модифицированная смазка) были приняты:
- коэффициент трения fтр – (Yfтр.)
- износ кольца по массе, г. М – (YМ)
- износ вкладышей (колодочек) по массе, г. mср – (Ymср.);
Остальные факторы: скорость скольжения образцов, температура модифицированной смазки, материал и геометрия трибосопряжений стабилизировались.
Значения откликов определялись по результатам двухчасового эксперимента для каждой комбинации факторов при скорости скольжения образцов 3,9 м/с и температуре смазочной среды 90 °С. Каждый эксперимент повторялся три раза.
Обработка результатов полнофакторного эксперимента на персональной ЭВМ позволила получить эмпирические модели для каждого искомого параметра трибосистемы fтр, М, 
в исследуемом диапазоне нагрузок и концентраций УДП Cu в виде выражений:
Диапазон изменения С 0,10,3 %; FN 400600 H
fтр = 7,910-7FN1,488С0,152lnFN-1,604
M = 4,46810-13FN3,574C0,8631 ln FN-5,842
=5,10210-10FN2,355С0,536lnFN-3.678
Диапазон изменения С 0,30,6 %; FN 400600 H
fтр = 8,96310-8FN1,911С0,478lnFN-3,255
M = 1,42210-16FN4,789C1,849 ln FN-12,4
=5,61610-20FN5,874С3,417lnFN-22,47
Диапазон изменения С 0,61,0 %; FN 400600 H
fтр = 1,27510-4FN0,860С12,072-1,758lnFN
M = 8,45410-6FN1,145C36,011-5,258 ln FN
=1,00310-5FN0,928С41,35-6,201lnFN
Выражения в графическом виде представлены на рис. 11.
Для оценки эффективности модифицирования моторных масел присадкой на основе УДП Cu была поставлена серия экспериментов по оценке антифрикционных и противозадирных свойств полученных смазочных композиций.
В качестве объектов исследования были приняты моторные масла марок М8, М10ДМ, М10Г2к, М14В2 и присадка к моторным маслам «Гарант - М» (ТУ 0251-001-20690018-95). Для повышения достоверности в экспериментах были использованы не только свежие масла, но и прошедшие часовую наработку до замены по нормативам, установленным заводом - изготовителем. Фрагменты результатов испытаний масел М10ДМ М14В2 приведены на рис. 12.
Рис. 12. Результаты трибологических испытаний эффективности присадки «Гарант - М». 1 - диаграмма нагружения образцов. а) 2 - момент трения чистого масла М10ДМ; 3 - момент трения масла М10ДМ с наработкой 500 м/час; б) 2 - момент трения масла М10ДМ с наработкой 500 м/час, 3 - момент масла М10ДМ с наработкой 500 м/час после добавления присадки «Гарант - М»; в) 2 - момент трения чистого масла М14В2, 3 - момент трения масла М14В2 с наработкой 1000 м/час; г) 2 - момент трения масла М14В2 с наработкой 1000 м/час, 3 - момент масла М14В2 с наработкой 1000 м/час после добавления присадки «Гарант - М».
Для пары трения сталь 45 - сталь 45 добавление присадки как в чистые, так в отработанные масла приводит к снижению коэффициента трения на 21-30 %, причем наиболее эффективно действие присадки проявляется на масле М10Г2к. Также добавление присадки позволяет добиться повышения несущей способности от 35% для чистого масла (М8) до 30-91% для отработанных масел, причем наибольшее увеличение достигается для масел, имеющих сравнительно малую несущую способность (М8 отр., М14В2 отр.).
Для пары трения сталь 45 - латунь 60 снижение момента трения не так выражено, как для пары сталь 45 - сталь 45. Наиболее эффективно действие присадки проявляется на чистых маслах (уменьшение на 17-25%), а на отработанных маслах уменьшение Мтр. не так выражено (на 9-13%).
В пятой главе представлена методика комплексного контроля и восстановления трибологических свойств моторных масел. Данная методика основана на зависимостях изменения трибологических свойств моторного масла от времени его наработки и условий эксплуатации конкретной машины. Методика состоит из:
- входного трибологического контроля моторных масел при поступлении на автопредприятие;
- периодического трибологического контроля моторного масла и прогнозирования его остаточного ресурса на протяжении всего периода эксплуатации. Пробы масла берутся при постановке машины на плановое техническое обслуживание. Поскольку по результатам трибологических испытаний невозможно однозначно оценить изменения физико - химических свойств масла, такие испытания необходимо проводить в комплексе с методами физико - химического и эмиссионно - спектрального анализов масла. При выявлении предельных значений какого - либо из физико - химических показателей масло бракуется;
- введения, при достижении маслом предельных значений трибопоказателей, присадки на основе ультрадисперсного порошка меди.
Главным критерием проведения восстановления трибологических свойств моторного масла является экономическая эффективность этих мероприятий. Введение присадок в работающие масла позволит продлить срок службы на 25-35% в зависимости от марки масла и условий его работы. Экономический эффект проявляется в виде снижения затрат на приобретение моторных масел на 18...24 %.
Повышение экономической эффективности восстановления трибологических свойств моторных масел можно добиться путем создания участков по производству металлосодержащих присадок на крупных предприятиях по эксплуатации дорожных, строительных машин и автомобильного транспорта.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ
1. Разработан автоматизированный комплекс для оценки трибологических свойств смазочных масел и определения эффективности присадок к ним с условиями испытаний, максимально приближенным к условиям работы максимально критичных по ресурсу трибосопряжений дорожных и строительных машин.
2. Разработана методика трибологических испытаний на автоматизированном трибокомплексе смазочных масел, применяемых в дорожных и строительных машинах и присадок к ним.
3. Получена математическая модель изменения трибологических свойств моторного масла от изменения его физико - химических характеристик.
4. Исследовано влияние металлосодержащих присадок на трибологические свойства моторных масел. Наиболее эффективной является присадка на основе ультрадисперсного порошка меди, полученного в среде азота. Оптимальная концентрация присадки составляет 0,3-0,4% по массе.
5. Исследованы возможности улучшения трибологических свойств и продления ресурса моторных масел путем введения присадок на основе УДП меди. Введение присадок в моторные масла позволяет продлить их срок службы на 25-35 % со снижением затрат приобретение на 18...24 %.
6. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика комплексного контроля и восстановления трибологических свойств моторных масел.
7. Разработанный автоматизированный трибологический комплекс используется в лаборатории контроля топлив и масел ОАО «Томусинская автобаза» (г. Междуреченск).
8. Трибологический комплекс используется ООО «Фирма Техносинтез» при контроле качества производимой присадки к моторным маслам «Гарант – М».
Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:
1. Ларионов С.А. Триботехническая оценка состояния работающих моторных масел /С. А. Ларионов, В. И. Доблер// Архитектура и строительство: Сборник трудов научно – технической конференции - Томск: ТГАСУ, 2002.-С 75-76.
2. Ларионов С.А. Триботехнический стенд для оценки качества работающих моторных масел/С. А. Ларионов, В. И. Доблер, А. Л. Терехов // Современные проблемы машиностроения и приборостроения: Сборник трудов I международной конференции - Томск: STT, 2002.- С 26-31.
3. Патент на полезную модель 32602 РФ, МПК7 G01 N3/56. Автоматизированный комплекс для триботехнического контроля смазочных свойств рабочих жидкостей и исследования фрикционно – износных свойств конструкционных материалов / Ларионов С. А., Доблер В. И., Терехов А. Л. - №2003114684/20; заявлено 21.05.2003; опубл. 20.09.2003 // Изобретения, полезные модели. – 2003 г.
4. Трибологическая оценка антифрикционных и противоизносных свойств моторных масел/ С.А. Ларионов, В.И. Доблер, В.И. Довыдович, М.И. Лернер // Триботех-2003: Сборник трудов международной конференции -М:, 2003. -С. 66-72.
5. Ларионов С.А. Эффективный способ и средства поиска причин отказа в гидроприводах машин лесного комплекса / С. А. Ларионов, В. И. Доблер, А. Л. Терехов //Лес и бизнес.- С-Пб.: ЗАО «Белл», 2004.-№7.-С. 42-43.
6. Доблер В. И. Анализ изменения трибологических свойств моторных масел в режиме эксплуатации /В.И. Доблер, С. А. Ларионов, А.Л. Терехов // Транспортные системы Сибири: Сборник трудов II Всероссийской научно - технической конференции - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004.- С. 56-58
7. Доблер В. И. Способ технической диагностики гидроприводов строительных и дорожных машин/В.И. Доблер, С.А. Ларионов, А.С. Ларионов // Транспортные системы Сибири: Сборник трудов II Всероссийской научно - технической конференции - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004.- С. 58-60
8. Патент на полезную модель 43974 РФ, МПК7 G01 N3/56. Устройство нагружения к машине трения / Ларионов С. А., Доблер В. И., Терехов А. Л. - №2004129805/22; заявлено 11.10.2004; опубл. 10.02.2005, Бюл №4//Изобретения, полезные модели. – 2005 г. - № 4
Изд. лиц. № 021253 от 31.10.97. Подписано в печать
Формат 60х90/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс, печать офсет.
Уч.-изд. л. 2. Тираж 100 экз. Заказ №
Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. соляная, 2.
Отпечатано с оригинал - макета в ООП ТГАСУ.
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
