Электрорезистивный метод и средство контроля вязкостно-температурных свойств моторных масел

Актуальность. Моторное масло (ММ) — неотъемлемый элемент любого двигателя, в значительной мере определяющий его надежность и другие важнейшие характеристики. Использование ММ, которое в процессе эксплуатации подверглось деструкции и перестало отвечать установленным требованиям, существенно снижает ресурс двигателя, приводит к потере до 15% мощности, увеличивает расход топлива, повышает количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ. В то же время, эксплуатация ММ осуществляется в большинстве случаев не по его техническому состоянию, а по назначенному ресурсу, при этом не учитываются индивидуальные особенности двигателей и процессов деструкции ММ. Следствием является, как правило, несоответствие момента замены ММ переходу его в предельное состояние. Ситуация усугубляется и существующим положением на рынке ММ, характеризующимся наличием фальсифицированной продукции, нарушением технологического цикла доставки ММ потребителю, реализацией некачественной продукции. При этом средние, мелкие субъекты хозяйственной деятельности и, тем более, частные автовладельцы практически не уделяют внимания вопросам инструментального контроля состояния ММ.

Таким образом, существует проблема объективной оценки технического состояния ММ, как новых (для снижения риска использования некачественных масел), так и находящихся в эксплуатации (для обеспечения возможности эксплуатации ММ по техническому состоянию). Очевидно, что для эффективного решения этой проблемы необходимы экспресс-методы и реализующих их относительно простые и дешевые средства контроля с малым объемом пробы, ориентированные на периодическое использование средними и мелкими субъектами хозяйственной деятельности (нефтебазы, транспортные хозяйства городских и сельскохозяйственных предприятий, службы автосервиса).

В настоящее время при оценке эксплуатационных свойств ММ рассматриваются вязкостные и вязкостно-температурные, химические, моющие, диспергирующие, стабилизирующие, солюбилизирующие, антиокислительные, противопенные, противоизносные, противозадирные, антифрикционные, противокоррозионные, защитные и др. свойства. Проблема нашла отражение в трудах A.B. Чичинадзе, P.M. Матвиевского, B. JL Лашхи, И.А. Буя-новского, C.B. Венцеля, П. Н. Богдановича, В. Я. Прушака, И. И. Берковича, Д. Г. Громаковского, Р. Балтенаса, Н. К. Мышкина, М. И. Петроковца, Arthur J. Caines, Roger Haycock, John Hillier и др.

К числу важнейших свойств ММ относятся вязкостно-температурные, определяющие зависимость вязкости от температуры. В качестве параметра, характеризующего эти свойства, ГОСТ 25 371–97 регламентирует индекс вязкости (ИВ), метод контроля которого базируется на измерениях кинематической вязкости ММ (ГОСТ 33−2000) при двух температурах (40 и 100 °С) с последующим расчетом ИВ и характеризуется высокой трудоемкостью, слабой степенью автоматизации при использовании простого лабораторного оборудования или значительными затратами на приобретение термостатируемых автоматических вискозиметров. Кроме того, метод требует сравнительно большого объема пробы ММ (от 14 до 200 мл). Сказанное свидетельствует о проблемах с реализацией этого метода с учетом выдвинутых выше требований и необходимости поиска альтернативных решений.

Предлагается реализовать метод контроля вязкостно-температурных свойств ММ путем создания для исследуемой пробы ММ условий фрикционного взаимодействия в испытательном трибосопряжении и оценки изменения значений электрических диагностических параметров, характеризующих состояние смазки в зонах трения работающего трибосопряжения, при изменении его температуры.

Предложенный подход имеет следующие предпосылки. Изменение температурного режима работы трибосопряжения приводит к определяемому вязкостно-температурными свойствами ММ изменению его вязкости, котои рая, согласно положениям теории смазки, определяет толщину смазочного слоя в зонах трения. Температурные изменения толщины слоя приводят к флуктуации электрических параметров трибосопряжения, в частности, электрического сопротивления. Теоретические основы трибодиагностики элек-трорезистивными методами изложены в трудах Дж. Кеннела, Д. Снидекера, Т. Тэллиана, С. Ф. Корндорфа, К. В. Подмастерьева, А. Ф. Блинова, Ю. М. Санько, A.A. Бобченко, В. В. Нестеренко, В. П. Чечуевского, В.Я. Варгашки-на, В. В. Мишина, В. В. Маркова, В. А Юзовой, В. И. Юзова и др. Е.В. Пахол-кин экспериментально показал возможность контроля реологических характеристик масел по параметру — нормированное интегральное время электрического контактирования (НИВ) деталей трибосопряжения.

Ряд неоспоримых преимуществ электрорезистивных методов трибодиагностики делает их использование приоритетным при решении ряда практических задач контроля, однако, оценка вязкостно-температурных свойств ММ с использованием данного принципа ранее не производилась. Исследованию данного вопроса посвящена настоящая работа.

Объект исследования — диагностическое обеспечение моторных масел.

Предмет исследования — модели процессов электрического контактирования в зоне трения трибосопряжения, учитывающие вязкостно-температурными свойства ММ, принципы, алгоритмы и режимы выделения информации о вязкостно-температурных свойствах ММ по электрическим параметрам.

Цель работы — усовершенствование диагностического обеспечения ММ в части контроля вязкостно-температурных свойств за счет создания метода и средства, обеспечивающих снижение трудоемкости контроля, а также требуемого объема пробы, что необходимо для реализации эксплуатационного контроля ММ.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Обоснование выбора принципа контроля и диагностического параметра;

2. Разработка математической модели вероятности микроконтактирования в зоне трения фрикционного контакта, учитывающей вязкостно-температурные свойства ММ;

3. Обоснование выбора схемы трения испытательного трибосопряжения.

4. Проведение теоретических исследований влияния изменения вязкости ММ при изменении его температуры на вероятность микроконтактирования.

5. Разработка алгоритма и обоснование режимов электрорезистивного контроля вязкостно-температурных свойств ММ;

6. Экспериментальное подтверждение, достоверности теоретических положений и эффективности предложенного метода контроля;

7. Разработка программно-аппаратного комплекса электрорезистивного контроля вязкостно-температурных свойств ММ.

Методы исследования. Исследования базируются на основных положениях теорий: вероятности, контактно-гидродинамической, упругости, элек-трорезистивной трибодиагностики. В работе используются методы математического анализа, моделирования, а также численные методы решения систем дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования проведены с использованием серийно выпускаемой измерительной аппаратуры и оригинальных технических средств. Обработка данных выполнена на ЭВМ с применением разработанных алгоритмов и пакетов прикладных программ в среде MSVS 2008 IDE, а также с использованием специализированных программных продуктов Mahtcad Professional, Excel.

Научная новизна:

— предложен и обоснован принцип контроля вязкостно-температурных свойств ММ по их влиянию на вероятность микроконтактирования в зоне трения испытательного трибосопряжения;

— на основании теоретических исследований контактно-гидродинамических и электрофлуктуационных процессов в зонах трения получена математическая модель вероятности микроконтактирования в зоне трения фрикционного контакта, учитывающая вязкостно-температурные свойства ММ;

— получены зависимости приращения диагностического параметра НИВ при изменении температурного режима работы испытательного трибосопря-жения, определяемые вязкостно-температурной характеристикой;

— разработана методика обработки результатов измерения диагностического параметра НИВ, позволяющая контролировать вязкостно-температурные свойства ММ при различных значениях начального уровня параметра.

Практическая ценность:

— разработанный метод экспресс-контроля вязкостно-температурных свойств ММ обеспечивает возможность перехода к эксплуатации ММ по его техническому состоянию;

— разработанный программно-аппаратный комплекс контроля обеспечивает автоматизированный контроль вязкостно-температурных свойств ММ.

— предложенная методика контроля ММ позволяет снизить затраты времени и средств на контроль.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс подготовки специалистов, бакалавров и магистров по направлению «Приборостроение», а также использованы при выполнении следующих научных проектов и грантов: «Исследование направлений ком-плексирования физических принципов и параметров при создании технологий контроля и диагностирования триботехнических систем» (№ г. р. 01.2.007 5 082, ЕЗН Минобрнауки РФ — 2007;2011 г.) — «Исследования в области электрических методов мониторинга нанотехнологий восстановления трущихся поверхностей» (грант РФФИ 09−08−99 076 — 2009 г.) — «Исследование электрических явлений в трибосопряжениях при решении задач, связанных с оценкой функционирования „третьего тела“» (проект № 2075 программы Росо-бразования «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2010 г.)»).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на международном научном симпозиуме «Гидродинамическая теория смазки — 120 лет» (Орел, 2006 г.), международной научно-технической конференции «Технология 2007» (Хельсенки, 2007 г.), Восьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (С.-Петербург, 2007 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Приборостроение-2010» (Минск, 2010 г.), конференциях ОрелГТУ (Орел, 2006;2010 г. г.).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Электрорезистивный метод контроля вязкостно-температурных свойств моторных масел по параметру НИВ, включающий оригинальный принцип, математический аппарат, алгоритм реализации и обоснованные режимы контроля.

2. Математическая модель вероятности микроконтактирования в зонах фрикционного контакта, учитывающая вязкостно-температурные свойства ММ.

3. Экспериментальная зависимость между индексом вязкости и приращением диагностического параметра, являющегося следствием температурного влияния на испытательное трибосопряжение.

4.5.4 Выводы.

1 Разработанный программно-аппаратный комплекс с оригинальным и запатентованным программным обеспечением реализует автоматизированный экспрессс-контроль вязкостно-температурных свойств ММ предложенным методом.

2 Разработанной программное обеспечение программно-аппаратного комплекса позволяет автоматизировать большую часть операций для разработанного метода, благодаря чему снижаются требования к обслуживающему персоналу и упрощвется возможность широкого внедрения комплекса. 3 Разработанное программное обеспечение системно независимо и может работать под GNU/Linux, FreeBSD, Solaris, Mac OS X, Microsoft Windows и i.

Unix, при этом результат— полностью готовый отчет, благодаря чему увеличивается производительность труда.

4. Проведенные экспериментальные исследования с пятью типами ММ с известными вязкостно-температурными характеристиками подтвердили работоспособность и эффективность разработанного электрорезистивного метода экспресс контроля при улучшенных по сравнению с общепринятым методом контроля вязкостно-температурных характеристик ММ по значению индекса вязкости: требуемый объем пробы ММ — 8−10 мкл (меньше на 3−4 порядка), время контроля одной пробы до 20 мин (меньше в 6 — 10 раз) при существенно большей (в 5 — 6 раз) чувствительности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Для обеспечения высоких технико-экономических показателей двигателей необходим объективный контроль вязкостно-температурных свойств моторных масел, как новых (для снижения риска использования некачественного ММ), так и находящихся в эксплуатации (для обеспечения возможности эксплуатации ММ по техническому состоянию), при этом для эффективного решения этой задачи необходимы экспресс-методы и реализующие их относительно простые и дешевые автоматизированные средства контроля с малым объемом пробы, ориентированные на использование средними и мелкими субъектами хозяйственной деятельности.

2. Выполненный обзор и анализ существующих методов контроля показал, что ни один из них не удовлетворяет предъявляемым требованиям, на основании чего обоснована необходимость разработки нового метода экспресс-контроля вязкостно-температурных свойств ММпредложен оригинальный принцип контроля, основанный на влиянии контролируемых свойств ММ на характер температурного изменения вероятности микроконтактирования в зоне трения испытательного трибосопряжения, оцениваемой электрорезистивным методом по параметру — нормированное интегральное время (НИВ) электрического контактированияпредложен диагностический параметр — относительный температурный коэффициент, рассчитываемый как относительной приращение параметра НИВ (К2/К{) при фиксированном повышении температуры.

3. Разработанная на основе совместного рассмотрения контактно-гидродина-мических и электрофлуктуационных процессов математическая модель вероятности микроконтактирования в зоне трения фрикционного контакта, раскрывает механизм влияния вязкостно-температурных свойств ММ на вероятность микроконтактирования в различных трибосопряжениях и узлах трения.

4. Выполненные на базе разработанной математической модели теоретические исследования влияния изменения температуры на приращение НИВ подтвердили возможность реализации предложенного принципа и эффективность параметра НИВ в качестве диагностического, поскольку его значение определяется соотношением толщины смазочного слоя и высоты микронеровностей, а толщина слоя при уменьшении вязкости вследствие повышения температуры уменьшается.

5. Экспериментально установленные монотонные зависимости между приращением параметра НИВ при повышении температуры и вязкостно-температурными характеристиками ММ подтвердили правильность теоретических положений: ухудшение вязкостно-температурных свойств ММ приводит к однозначному увеличению приращения параметра НИВ после температурного скачка.

6. Разработанный метод нормирования параметра НИВ по начальному значению позволяет осуществлять контроль вязкостно-температурных свойств ММ при различных значениях начального уровня параметра без необходимости трудоемкой подстройки режимов контроля.

7. Разработанный электрорезистивный метод контроля вязкостно-температурных свойств ММ, включающий предложенный и обоснованный принцип, алгоритм реализации, обоснованные режимы контроля — (частоты вращения деталей подшипника, значение нагрузки, время стабилизации режима смазки, значение температурного скачка), а также математический аппарат нормирования параметра, обеспечивает объективную оценку вязкостно-температурных свойств ММ, как нового, так и в процессе эксплуатации.

9. Разработанный программно-аппаратный комплекс с оригинальным и запатентованным программным обеспечением реализует автоматизированный экспрессс-контроль вязкостно-температурных свойств ММ предложенным методом.

10. Проведенные экспериментальные исследования с пятью типами ММ с известными вязкостно-температурными характеристиками подтвердили работоспособность и эффективность разработанного электрорезистивного метода экспресс контроля при улучшенных по сравнению с общепринятым методом контроля вязкостно-температурных характеристик ММ по значению индекса вязкости методом: требуемый объем пробы ММ — 8−10 мкл (меньше на 3−4 порядка), время контроля одной пробы до 20 мин (меньше в 6−10 раз) при существенно большей (в 5−6 раз) чувствительности.

11. Разработанные метод и средства контроля апробированы и внедрены в процессе проведения НИР и в учебный процесс в ОрелГТУ.