[
На правах рукописи
Соколова Ирина Васильевна
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ДОЛИВА МОТОРНОГО МАСЛА
В СИСТЕМУ СМАЗКИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
05.08.05 – "Судовые энергетические установки
и их элементы (главные и вспомогательные)"
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владивосток – 2009
Работа выполнена в Морском государственном университете имени адмирала Г. И. Невельского.
Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Надежкин Андрей Вениаминович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Руднев Борис Иванович кандидат технических наук, доцент Липин Геннадий Максимович
Ведущая организация – ОАО "Дальневосточный научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторскотехнологический институт морского флота"
Защита состоится "29" апреля 2009 года в 14.00 часов на заседании специализированного совета Д223.005.01 при Морском государственном университете им. адм. Г.И. Невельского по адресу: 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая 50А, ауд. 241, факс (4232) 51-76-39.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского государственного университета им. адм. Г. И. Невельского.
Автореферат разослан 25 марта 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Резник А. Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Совершенствование технической эксплуатации судовых дизелей неразрывно связано с проблемой повышения эффективности их технического обслуживания. Одним из путей решения данного вопроса является широкое внедрение в практику эксплуатации морских судов системы технического обслуживания по фактическому состоянию.
Ее применение способствует, в частности, значительному увеличению срока службы моторных масел (ММ), т.е. переводу их в разряд «долгоработающих», когда замена ММ осуществляется при достижении одним или несколькими его показателями браковочного значения. Такая система, безусловно, способствует экономии и рациональному использованию смазочных материалов в судовых ДВС.
Компенсация естественной убыли масла (расход на угар, протечки и т.д.) из системы смазки (СС) дизеля осуществляется при этом многочисленными залповыми доливами свежего масла. Однако смешение свежего и работающего масла (РМ) может привести к нарушению устойчивости дисперсной фазы (ДФ) загрязнений и вызвать не только снижение срока службы ММ, но и увеличение грязевой нагрузки на фильтрующие элементы (ФЭ) маслоочистителей, интенсивное нагаро- и лакообразование, увеличение скорости изнашивания подшипников и деталей ЦПГ.
Рекомендации по процедуре долива основываются на интуитивном подходе и практическом опыте, накопленном судовым персоналом, и не подтвержденны серьезными научными исследованиями. Существующие экспериментальные данные и их трактовка противоречивы. Требуется, опираясь на современные представления о процессах массообмена в смазочных системах ДВС, разработать научно обоснованную методику организации технического обслуживания судовых дизелей в части долива свежего масла для компенсации его естественной убыли.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности технической эксплуатации судовых ДВС посредством использования разработанных научно-технических решений по процедуре долива, предотвращающих негативные последствия смешивания свежих и работающих масел: ухудшение эксплуатационных свойств ММ; уменьшение срока службы ФЭ; интенсификации нагаро- и лакообразования на рабочих поверхностях двигателя.
Предметом исследования являются процессы изменения состояния нерастворимых продуктов загрязнения в РМ и устойчивость частиц ДФ при доливе свежей порции масла в СС судового дизеля.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
– по результатам микроскопического исследования оценить влияние долива свежего масла на состояние работающего ММ в системе смазки судового дизеля;
– идентифицировать изменение дисперсности нерастворимых продуктов загрязнений в масле при различных режимах долива и состояниях РМ;
– обосновать критерий устойчивости загрязнений ММ и его связь с режимами долива, использование которого позволило бы определять рациональный долив;
– уточнить для оценки состояния ДФ математическую модель массодисперсного обмена нерастворимых продуктов загрязнения в системе смазки ДВС с учетом стохастичности долива и срабатывания диспергирующей присадки;
– провести имитационное моделирование и экспериментальное исследование влияния различных режимов долива на срок службы ММ и ФЭ маслоочистителей;
– разработать методику выбора рационального режима долива масла, обеспечивающего наиболее выгодные условия эксплуатации судового дизеля.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов обеспечены:
– применением гостированных методов физико-химического анализа, современных поверенных средств измерения и методов обработки данных;
– соблюдением постулатов и основных положений теории планирования экспериментов при их постановке и проведении;
– использованием основных положений теории массо-дисперсного обмена в системах смазки судовых дизелей;
– апробацией результатов лабораторных испытаний и хорошей их сходимостью с экспериментальными данными, полученными на действующих двигателях;
– непротиворечивостью полученных выводов с результатами других исследователей.
Научная новизна заключается в следующих результатах работы:
1. Получены аналитические зависимости, позволяющие рассчитать изменение средней площади частиц нерастворимых продуктов загрязнения и среднеквадратичного отклонения этого параметра от режимов долива.
2. На основе расчетно-экспериментальных исследований научно обоснованы рациональные режимы долива моторного масла для компенсации его угара.
3. Получены экспериментальные зависимости, описывающие стохастичный процесс долива масла в эксплуатации.
4. Уточнена имитационная модель массо-дисперсного обмена продуктов старения ММ в системе смазки ДВС за счет введения в интегрально-дифференциальную систему новых уравнений, идентифицирующих скорость срабатывания моюще-диспергирующей присадки и учитывающих изменение дисперсности продуктов загрязнения.
Практическая значимость работы. Выводы и результаты исследования ориентированы на использование в судовой практике при проведении процедуры долива и выборе его рационального режима. С помощью разработанной номограммы судовой персонал может определить рациональный режим и провести долив, минимизируя процесс укрупнения грубодисперсной фазы загрязнений. В результате не будет допущено снижение срока службы ФЭ, работающего масла и ухудшение технического состояния судового дизеля. Самостоятельное значение имеет методика проведения и обработки результатов микроскопического анализа, которую рекомендуется использовать при определении совместимости топлив и смазочных материалов.
Методика исследований. Экспериментальная часть по исследованию изменения дисперсного состава продуктов загрязнения ММ при доливе выполнялась с использованием оптической микроскопии и программного продукта Scion Image для обработки цифровых изображений.
Контроль физико-химических параметров РМ производился по стандартным методикам. Сбор информации по расходу смазочных материалов на судах осуществлялся с помощью специально разработанного программного продукта «Контроль ГСМ». Теоретическая часть работы выполнялась на основе математического и физического моделирования с помощью ПЭВМ с использованием программ Statistica, Microsoft Excel, Mathematica, Matlab, Fortran.
Предметом защиты являются следующие основные результаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность.
1. Установленное исследованиями экспериментальное распределение частоты доливов от объема доливаемого смазочного масла в эксплуатации.
2. Математические зависимости, описывающие изменение дисперсности продуктов загрязнения работающего масла при доливе свежего масла в СС судового дизеля.
3. Уточненная и дополненная математическая модель процессов массодисперсного обмена нерастворимых продуктов в СС судовых дизелей.
4. Результаты имитационного моделирования влияния различных режимов долива на эффективность эксплуатации судовых дизелей.
5. Методика выбора рационального режима долива, содержащая комплекс научно-технических решений, направленных на предотвращение негативных последствий долива, таких как укрупнение дисперсной фазы загрязнений и потеря коллоидной стабильности работающего ММ.
Реализация работы. По результатам испытания методика выбора рационального долива свежего масла в СС судовых дизелей внедрена и используется на судах ОАО «Приморское морское пароходство» (ОАО «ПМП») и других судоходных компаний Дальневосточного бассейна.
Практические рекомендации по процедуре долива просты в применении, позволяют снизить риск возникновения аварийной ситуации, полезны с точки зрения рационального маслоиспользования. Основные положения работы по влиянию долива ММ на состояние дисперсной фазы загрязнений работающего в ДВС масла применяются в учебном процессе МГУ им.
адм. Г.И. Невельского при чтении курса «Технология использования топлив и смазочных материалов на судах».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы опубликованы в журналах «Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока» (Новосибирск, 2008 г.), «Транспортное дело России»
(Москва, 2006 г.) и «Научное обозрение» (Москва, 2008 г.). Отдельные вопросы докладывались на международных, региональных, всероссийских конференциях и семинарах: «Исследование, проектирование и техническая эксплуатация судовых ДВС» (Санкт-Петербург, СПб. гос. ун-т вод. коммуникаций, 2006 г.), «Проблемы транспорта Дальнего Востока»
(Владивосток, МГУ им. адм Г.И. Невельского, 2005, 2007 гг.), «Двигатели 2008» (Хабаровск, ТОГУ, 2008 г.), «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, ДВГТУ, 2007 г.); опубликованы в сборниках «Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном комплексе Азиатско-Тихоокеанского региона» (Хабаровск, ТОГУ, 2007 г.), «Исследование по вопросам повышения эффективности судостроения и ремонта» (Владивосток, ДВГТУ, 2006). Результаты проведенных исследований представлялись ежегодно на молодежных научно-технических конференциях МГУ им. адм. Г. И. Невельского (Владивосток, 2005–2007 гг.).
Публикации. Основное содержание работы
опубликовано в 14 статьях и докладах. Две статьи представлены в сборниках, рекомендуемых ВАК.
Объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии и приложения. Объем работы – 160 страниц, из них 150 основного текста; 50 рисунков, 28 таблиц. Библиографический список включает 134 источника.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, научная новизна и практическая ценность работы, а также перечислены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены процессы маслообмена в СС судовых дизелей, потери смазочного масла при эксплуатации ДВС. Определено, что расход масла на угар является неизбежной составляющей эксплуатации любого двигателя. Рассмотрены конструктивно-технологические и эксплуатационные факторы, влияющие на маслообмен, и мероприятия по снижению расхода моторного масла. Показано, что ухудшение технического состояния ДВС в процессе эксплуатации, в частности износ деталей ЦПГ, вызывает значительное увеличение расхода масла на угар и, как следствие, увеличение частоты доливов свежего масла в СС дизеля. Основная литература по данной теме представлена работами М. И. Брославского, Е. В. Даниловой, Г. П. Кичи, О. Н. Лебедева, Ю. А. Микутенка, Э. М. Мохнаткина, О. А. Никифорова, Л. А. Певзнера, В. Д. Резникова, В. А. Сомова, В. А. Шкаренко.
Особенностью эксплуатации судовых моторных масел являются большие объемы масляных систем и длительное время эксплуатации ММ без смены. В судовых дизелях с большой вместимостью смазочной системы смену масла проводят по фактическому состоянию. На основании сопоставления результатов лабораторного анализа основных физикохимических характеристик моторного масла с комплексом браковочных показателей технический менеджмент судоходной компании принимает решение о возможности дальнейшей работы масла в СС дизеля. Таким образом, моторные масла судовых дизелей являются долгоработающими.
Количество доливов, особенно в системах смазки мощных судовых среднеоборотных дизелей, за весь срок службы масла достигает нескольких сотен.
Ранее проведенные исследования указывают на неоднозначную оценку влияния долива свежего моторного масла на надежность его работы в СС дизеля. С одной стороны, отмечается очевидный положительный эффект, связанный с «освежением» работающего масла. Прежде всего он заключается в увеличении концентрации активных компонентов многофункциональных присадок в РМ, что, как следствие, вызывает торможение процесса его старения и увеличение срока службы. С другой – указывается негативное влияние долива свежего масла, особенно в количествах, превышающих 10–15 % от его объема в системе смазки. Негативное влияние проявляется прежде всего в укрупнении частиц твердой фазы в смеси по сравнению с состоянием частиц в работавшем масле до смешивания, что приводит к потере дисперсной устойчивости нерастворимой фазы загрязнений. Нарушение устойчивости ДФ загрязнений может вызвать не только интенсификацию нагаро- и лакообразования, но и увеличение скорости изнашивания подшипников и деталей ЦПГ.
Произведен обзор методов оценки дисперсного состава частиц твердых фаз различных дисперсных систем. По результатам обзора и с учетом возможностей экспериментальной базы лаборатории Химмотология МГУ им. адм. Г. И. Невельского для оценки изменения ДФ продуктов загрязнения РМ при доливе свежего был выбран микроскопический метод, который является самым достоверным и точным при определении дисперсности. Методы фотометрии, потенциометрического титрования и бумажной хроматографии использовались в качестве вспомогательных и традиционных при подборе масел для исследования и контроля изменения основных физико-химических показателей моторного масла при доливе.
Универсальной формой задания состава ДФ является представление ее математическим ожиданием диаметра частиц md и среднеквадратичным отклонением m. При инженерном анализе принято с определенной степенью достоверности принимать за математическое ожидание рассматриваемой выборки среднюю величину исследуемого признака d:
Среднеквадратичное отклонение равно корню квадратному из выборочной дисперсии и может быть найдено по формуле:
По результатам обзора проведенных ранее исследований по данной теме сформулирована цель и обоснованы задачи данной работы.
Вторая глава посвящена лабораторным исследованиям массодисперсных процессов при смешивании свежих и работающих масел судовых дизелей. Целью проведенных исследований было нахождение зависимости изменения размеров частиц загрязнений от долива свежего масла и определение основных факторов, влияющих на данный процесс. Приведены общая схема эксперимента, методики проведения испытаний и обработки полученных данных.
Комплексная лабораторная оценка массо-дисперсных процессов при доливе свежего масла в СС судового дизеля осуществлялась с помощью современных статистических методов планирования и анализа эксперимента. Выбор экспериментальной области факторного эксперимента основывался на тщательном анализе априорной информации. При постановке лабораторного эксперимента остановились на следующих факторах, влияющих на дисперсность продуктов загрязнения:
– исходные детергентные свойства работающего масла, мг КОН/г;
– срабатывание детергентной присадки к моменту долива, %;
– количество добавляемого свежего масла, % об.
Определены диапазоны варьирования факторов. Необходимый уровень дисперсности частиц твердой фазы обеспечивается наличием в масле детергентных присадок, а общепризнанным методом контроля их содержания в свежих и работающих маслах является определение щелочного числа (ЩЧ). Рассмотрены три исходные уровня щелочности ММ, наиболее часто используемые в циркуляционных системах судовых тронковых дизелей, – 10, 20, 30 мг КОН/г.
За нижний уровень срабатывания детергентной присадки к моменту долива принят остаток щелочной присадки в количестве 50 % от начального уровня, который принимается за браковочный показатель РМ у большинства фирм-производителей двигателей. Верхним уровнем определен остаток в 90 %, чтобы отследить изменение дисперсности при доливе в достаточно свежие масла, а нулевым – серединный показатель – 70 %.
Для определения диапазона варьирования следующего фактора – уровня долива – использовались результаты разработанного и внедренного программного продукта «Контроль ГСМ», с помощью которого мы отслеживали процесс изменения уровня ММ в циркуляционном танке на судах ОАО «ПМП» в режиме реального времени, ежесуточно, в течение года.
По результатам обработки годичных наблюдений за эксплуатацией восьми главных двигателей 6 ЧН40/ танкеров ОАО «ПМП» построена гистограмма долива масла (рис. 1). Из этих данных следует, что наибольшее число случаев долива приходится на диапазон объемов до V = 5–15 % от среднестатистического количества Рис. 1. Гистограмма доливов масла по масла Vc в системе смазки дизеля. судам ОАО «ПМП» серии «ПартиМаксимальный зафиксированный объ- занск»; n – относительное число случаев долива, V – объем долива ем доливаемого масла достигал 62 %.
Полученное экспериментальное распределение частоты доливов от объема доливаемого масла аппроксимировано распределением Вейбулла, где x = V/Vc – относительный объем доливаемого масла:
параметры формы и масштаба распределения приняли следующие значения: а = 1,14; b = 12,87.
Долив в лабораторном эксперименте имитировался смешиванием работающего масла со свежим той же марки, а при отсутствии такового подбиралось масло с эквивалентным уровнем свойств. Подбор пробы осуществлялся согласно плану эксперимента и на основании результатов физико-химического анализа РМ из числа сданных в лабораторию Химмотология с судов компаний Приморского края. Смешивание работающих и свежих масел производилось в определенных соотношениях с соблюдением рабочих температурных режимов и циркуляции. Далее осуществлялось приготовление объекта микроскопического исследования, заключающееся в нанесении капли смеси на предметное стекло. Микроскопическое исследование включало в себя наблюдение объекта в микроскоп, фотографирование по разным полям обзора. Обработка цифровых изображений осуществлялась в программе Scion Image, которая производит автоматизированный подсчет частиц с определением их морфологических параметров.
Статистическая и математическая обработка результатов морфологического анализа частиц осуществлялась с помощью различных специализированных программ – Statistica, Excel, Mathematica. Дополнительно по стандартным методикам определялись основные физико-химические показатели и диспергирующе-стабилизирующая способность (ДСС) РМ до и после смешивания.
В связи с неудобством оперирования абсолютными величинами площадей частиц твердой фазы при оценке изменения площади частиц в результате долива, было принято решение перевести их в относительные единицы. Дело в том, что средняя площадь частиц в разных исследуемых пробах работающего масла заметно различается и зависит от типа используемого топлива, начального уровня детергентных свойств, времени эксплуатации масла. Сравнивать размеры частиц продуктов загрязнения работающих масел разной степени эксплуатации не представлялось возможным. Изменение площади частиц твердой фазы (ms) – это отношение средней площади частиц в работающем масле после долива к средней площади частиц до долива. Аналогичным операциям подвергалось среднеквадратичное отклонение.
Множественный регрессионный анализ, включающий в себя подбор наиболее точного вида аппроксимирующей функции, определение коэффициентов уравнения, их значимости, проверку адекватности модели, осуществлялся посредством программы Mathematica 5.0. Модель изменения дисперсности продуктов загрязнения работающего масла при смешивании его со свежим можно представить в виде системы двух уравнений:
Используя полученные уравнения (4), был произведен расчет значений изменения площади частиц твердой фазы масла и среднеквадратичного отклонения этого параметра, результаты которого представлены на рис. 2.
Рис. 2. Относительное изменение площади частиц твердой фазы (ms ) и среднеквадратичного отклонения (m) от объема долива при остаточном содержании щелочной Исходное щелочное число РМ 10 (а); 20 (б); 30 мг КОН/г (в) Анализ полученных данных подтверждает результаты ранее проводимых исследований о неоднозначном влиянии долива на дисперсность продуктов загрязнения ММ. Как видно на рис. 2, долив может вызвать как уменьшение, так и увеличение средней площади частиц загрязнений ММ.
Увеличение объемной доли доливаемого масла приводит к уменьшению средней площади частиц и увеличению среднеквадратичного отклонения.
Обнаружено, что уменьшение ms не всегда соответствует понижению m, что оказывает серьезное влияние на форму функции распределения частиц загрязнений по размерам. В таких случаях после долива наблюдается увеличение доли мелкодисперсных и рост количества крупнодисперсных частиц.
Оценка работоспособности экспериментальной модели изменения дисперсности продуктов загрязнения работающего масла осуществлялась в условиях реального долива масла в СС судового дизеля и проводилась в два этапа. Первый этап предусматривал различные режимы долива ММ в СС лабораторного судового дизеля 4 NVD24. Второй этап – долив в СС судовых дизелей 5 ВАН 22 (ВДГ 1) и 8 ВАН (ВДГ 2) т/х «Профессор Хлюстин».
Как видно из обобщенных сведений, представленных в табл. 1, модель удовлетворительно описывает изменение ДФ продуктов загрязнения в моторном масле лабораторного дизеля 4 NVD24 к моменту стабилизации массообменных процессов. Отклонения по ms и m составляют в среднем 10 %. Результаты моторного эксперимента на т/х «Профессор Хлюстин» неоднозначны. Значения ms и m по ВДГ 1 хорошо аппроксимируются с расчетными показателями, отклонения составляют 4–5 %.
Проверка адекватности экспериментальной модели Моторный эксперимент Отклонения ms:
Отклонения m Результаты эксперимента на ВДГ 2 не согласуются с прогнозируемыми моделью значениями. Отклонения по ms и m составляют до 72 %.
Такое расхождение свидетельствует о том, что эксперимент на ВДГ т/х «Профессор Хлюстин» не попадал в факторный диапазон экспериментальной модели, при разработке которой не рассматривались масла, достигшие браковочного уровня.
Третья глава посвящена рассмотрению теоретических аспектов изменения стабильности РМ при доливе, в основе которых лежит современное представление моторных масел как коллоидных систем. Механизм действия моюще-диспергирующих присадок, повышающих дисперсность нерастворимых загрязнений, рассматривается и с точки зрения классической химии поверхностно активных веществ и с точки зрения нанохимии.
Предложены собственные представления о механизме реструктуризации системы «продукты загрязнения – работающее моторное масло». Основной причиной изменения стабильности РМ является нарушение адсорбционно-сольватного слоя коллоидной частицы. При этом важными аспектами в эксплуатации являются исходные характеристики ММ, состояние РМ на момент долива и количество доливаемого масла.
Рассмотрено влияние дисперсного состава продуктов загрязнения моторного масла на техническое состояние судового двигателя. Установлено, что увеличение концентрации крупнодисперсных продуктов загрязнения работающего масла приводит к повышению износа цилиндровых втулок и поршневых колец, нагаро-и лакообразования на деталях двигателя (рис. 3).
Установлено также, что снижение ДСС происходит пропорционально увеличению концентрации грубодисперсной фазы (ГДФ) загрязнений в работающем масле. На рис. 4 представлена кинетика изменения дисперсности частиц загрязнений (по показателям md и m), величины ДСС и накопления нераствори- Рис. 3. Зависимость износа цилиндровых втулок (1), поршневых колец (2) и величины намых примесей от времени экс- гаро- и лакообразования (3) от концентрации плуатации масла М-10-Г2(цс) в грубодисперсной фазы загрязнений и диспергирующе-стабилизирующей способности ММ дизеле 6 ЧН18/22.
На рис. 5 даны соответствующие им изменения технического состояния деталей двигателя. Как следует из представленных результатов, рост md и m, свидетельствующий об увеличении в ММ крупнодисперсных загрязнений, соизмеримых с зазорами в деталях кривошипно-шатунного механизма и цилиндро-поршневой группы ДВС, негативно сказывается на их состоянии. Установлено, что повышение изнашивания основных деталей, нагаро- и лакообразование на поршнях того же дизеля происходит пропорционально увеличению md и m.
Как показали наши исследования, при доливе масла, прежде всего наблюдается тенденция увеличения доли крупнодисперсных продуктов, которые могут привести к аналогичным процессам с точки зрения их влияния на ресурсные показатели дизеля.
Рис. 4. Кинетика процесса старения масла М-10-Г2(цс) в дизеле 6 ЧН18/22:
1 – концентрация общих НРБ; 2 – средний диаметр частиц; 3 – ДСС ММ;
4 – среднеквадратичное отклонение диаметра частиц Рис. 5. Кинетика изнашивания основных деталей дизеля 6 Н18/22, нагарои лакообразования на поршнях: 1 – скорость изнашивания деталей ДВС;
2 и 3 – интенсивность нагаро- и лакообразования на поршнях и канавках поршней;
4 и 5 – нагаро- и лакообразование на поршнях и канавках поршней;
Целью следующего раздела исследований является поиск рациональных режимов долива, которые позволили бы минимизировать отрицательное влияние долива на работу двигателя и снизить срок необслуживаемой работы средств очистки.
В качестве параметра оценки наличия в масле частиц ГДФ предложено использовать Qi – интенсивность очистки полнопоточного фильтра тонкой очистки масла. Этот показатель универсален. С одной стороны, его увеличение однозначно указывает на сокращение ресурса работы бумажных ФЭ, с другой стороны – на увеличение в работающем моторном масле количества ГДФ загрязнений, поскольку коэффициент полноты отсева тем выше, чем больше в ММ частиц, соизмеримых с размером пор фильтровального материала. Очевидно, что минимизация отношения интенсивности очистки после долива масла Qi+1 к интенсивности очистки до долива Qi может служить показателем негативного влияния долива масла в систему смазки и одновременно критерием устойчивости ДФ:
С помощью модельного эксперимента были рассчитаны значения КQ при доливе масла в объеме Vрац = 1–62 %. Выполненные нами расчеты показали наличие минимума в функции KQ = f(V). Величина долива масла, при котором наблюдается наименьшее значение KQ, было названо рациональным объемом долива Vрац. Выявлено, что величина минимума критерия KQ зависит от состояния и типа применяемого моторного масла.
Как видно на рис. 6, рациональным доливом к работающему маслу при ЩЧост = 90 % с исходным ЩЧсв = 10 мг КОН/г является величина Vрац = 17,0 %; для масла с ЩЧсв = 20 мг КОН/г – Vрац = 21,7 %; а если ЩЧсв = 30 мг КОН/г – рациональный объем долива составит 25,0 %. Отсюда следует, что чем выше уровень детергентных свойств, тем меньше заметно негативное влияние долива.
На рис. 7 показано, что рациональным доливом к работающему маслу с исходным ЩЧсв = 30 мг КОН/г при ЩЧост = 90 % является величина Vрац = 25 %; при ЩЧост = 70 % – Vрац = 15 %. При срабатывании присадки на 50 % минимум не наблюдается. Долив любой порции свежего масла к такому маслу приводит к снижению эффективности работы фильтра. Удалось зафиксировать нижний уровень остаточного щелочного числа РМ, при котором определяется минимальное KQ, – ЩЧотс = 58 %. При этом Vрац составляет всего 2 %.
Рис. 6. Зависимость критерия КQ от о Рис. 7. Зависимость критерия КQ от объебъема долива свежего масла: ма долива свежего масла:
По результатам математического моделирования с помощью факторного эксперимента найдено регрессионное уравнение, определяющее Vрац (6). Выявлены основные факторы, влияющие на величину рационального долива. К ним относятся: исходное щелочное число ММ (х1), остаточное щелочное число (х2) и отношение md/m (х3).
В четвертой главе моделирование влияния режимов долива ММ на эффективность эксплуатации судового дизеля осуществлено на основе математической модели массо-дисперсного обмена продуктов загрязнения в системе смазки Г.П. Кичи:
dcx где md, m, mdд, mda – математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение диаметра d частиц нерастворимых примесей, находящихся соответственно в циркуляционном и доливаемом масле и в поступающем в ММ извне и в результате его старения; ax, Qy, Qд – скорость загрязнения, угара и долива масла; Qk – пропускная способность k-го маслоочистителя; cx, cxд – концентрация нерастворимых продуктов в циркулируемом и доливаемом масле, фугате (фильтрате); k, Ky – коэффициенты полноты отсева загрязенний k-м очистителем и удаления их при угаре масла; d 2, d a2 – среднее значение квадрата диаметра частиц загрязнений в циркуляционном, и в поступающих в СС загрязнениях; G0 – номинальная масса масла в системе смазки дизеля.
Как видно из уравнений (7), математическое ожидание размера частиц загрязнений работающего масла зависит от долива в систему свежего масла. На практике величина mdд приближена к нулю, так как в свежем масле концентрация нерастворимых продуктов незначительна, а диаметр частиц мал. Согласно этому условию долив должен привести к уменьшению md.
Однако, как показывают наши экспериментальные исследования, изменение дисперсности работающего масла при периодическом доливе имеет гораздо более сложный характер. Порция свежего масла может привести к изменению дисперсного состава продуктов загрязнения в сторону как их увеличения, так и уменьшения. Это происходит за счет протекания физико-химических процессов, характерных для коллоидных растворов, которые не отображаются в представленном уравнении.
С целью уточнения и дальнейшего развития предложенной модели с учетом влияния долива на дисперсность продуктов загрязнения ММ были проведены исследования, которые позволили идентифицировать данный процесс. Недостаток данной системы замкнутых интегродифференциальных уравнений заключается в том, что они не учитывают такие важные факторы, как изменение коллоидной структуры при доливе, влияние срабатываемости присадок, стохастичный характер долива свежего масла в систему смазки. Диаметр частиц загрязнений после долива свежего масла находим по формулам:
где mdi +1, mi +1, mdi, mi – математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение диаметра частиц загрязнений после и до долива; ms, m – изменение математического ожидания и среднеквадратичного отклонения диаметра частиц загрязнений в результате долива, рассчитанное по (4). Изменение дисперсной структуры частиц загрязнений происходит мгновенно в момент долива масла.
Введем в систему дифференциальное уравнение скорости срабатывания моюще-диспергирующей (щелочной) присадки Пi:
Величина Пi определяет дисперсность поступающей в работающее масло нерастворимой фазы загрязнений mda, ma из двигателя, а также изменение коллоидной структуры дисперсной фазы при доливе. Поэтому её учет при исследовании основных направлений старения моторного масла дизелей просто необходим.
Как уже отмечалось выше, долив масла носит стохастический характер, отсюда текущее количество масла в системе смазки дизеля Gi является случайной величиной. Для формализации варианта случайных залповых добавлений масла в систему и динамики изменения показателя Gi рассмотрим основные этапы этого процесса.
Долив масла в количестве хiG0 осуществляется тогда, когда общий уровень масла снижаетсят за счет непрерывного угара масла до значений где xi принимает случайные значения в интервале [0,00; 0,60] с плотностью вероятности f(x), моделируемой распределением (3). Значения xi вырабатываются генератором случайных чисел, попадающих в указанный выше интервал, где частота появления определяется заданной функцией распределения количества доливаемого масла.
Введем число доливов i(), прошедших к данному моменту времени в соответствии с определением где Tx,i = xiG0/Qy – время, за которое количество масла в системе смазки дизеля уменьшится за счет его угара на величину хiG0. Тогда решение для Gi может быть определено зависимостью:
На основании уточненной математической модели массодисперсного обмена в системе смазки судовых дизелей был проведен модельный имитационный эксперимент и осуществлена оценка влияния режимов долива на кинетику изменения физико-химических свойств работающего ММ, надежность и долговечность работы судового дизеля. Программный комплекс был реализован на языке Fortran.
В имитационном моделировании рассматривались два варианта режимов долива. Первый режим долива соответствует разработанному в результате проведенных исследований рациональному режиму по выражению (6).
Второй соответствует реальному доливу по данным полученным из судовой практики, где процент долива определен человеческим фактором, и определяется по полученному нами статистическому распределению (3). Результаты имитационного моделирования представлены на рис. 8 и 9.
Результаты имитационного моделирования позволяют сделать выводы, что по браковочному показателю – щелочному числу – продолжительность работы ММ по нашим расчетам в 1,4 раза больше (рис. 8), ресурс работы ФЭ в среднем увеличился в 1,3 раза (рис. 9). Расчетная оценка снижения интенсивности абразивного изнашивания основных деталей двигателя позволяет предположить ее уменьшение в 1,2–1,3 раза.
Рис. 8. Кинетика изменения ЩЧ РМ: Рис. 9. Ресурс работы ФЭ:
1 – рациональный режим долива; 1 – рациональный режим долива, 2 – ненормированный режим долива 2 – ненормированный режим долива;
Согласно полученным данным, важным условием эксплуатации судовых дизелей являются своевременность проведения процедуры долива и обеспечение систематичности этого процесса с соблюдением правила небольших количеств долива.
Полученная экспериментальная зависимость рационального долива (6) позволяет разработать процедуру, минимизирующую возможное негативное влияние долива. Серьезной проблемой ее применения является трудность определения величин md и m в условиях эксплуатации. Однако выполненный моторный эксперимент (см. рис. 4) позволили выявить корреляцию между величиной md /m и ДСС:
С целью исключения волюнтаризма при доливе разработана научно обоснованная методика выбора рационального режима, базирующаяся на полученных расчетных зависимостях и моделях. Ее основу составляет номограмма (рис. 10).
Рис. 10. Номограмма определения рационального режима долива Судовой персонал, используя лабораторные методы экспресс-анализа, способен оценить состояние РМ и с помощью номограммы определить рациональный объем доливаемой порции свежего масла, не способный нарушить устойчивость ДФ загрязнений и вызвать негативное влияние на техническое состояние дизеля.
1. На основе расчетно-экспериментальных исследований процессов массообмена в системе смазки ДВС научно обоснованы режимы долива моторного масла для компенсации его угара, обеспечивающие самые выгодные условия эксплуатации двигателя. При этом значительно снижается скорость срабатывания присадок, достигнуто увеличение срока службы моторного масла и фильтрующих элементов маслоочистителей в 1,3–1, раза. Улучшение состояния моторного масла при его рациональном доливе способствует снижению в 1,2–1,3 раза изнашивания основных деталей судовых дизелей и не менее чем на 20 % уменьшает нагаро- и лакообразование в их цилиндро-поршневой группе.
2. Уточнена имитационная модель массо-дисперсного обмена продуктов старения ММ в системе смазки ДВС за счет введения в интегрально-дифференциальную систему новых уравнений. Новизна подхода состоит в моделировании стохастического процесса изменения объема работающего масла при эксплуатации дизеля на судах, вводе в систему уравнения, идентифицирующего скорость срабатывания моющедиспергирующей присадки в зависимости от величины и периодичности долива масла, учете изменения дисперсности продуктов внешнего загрязнения и старения ММ при доливе свежего масла. Полученная модель позволяет осуществлять имитационное моделирование состояния работающего моторного масла в ДВС с учетом стохастичности функционирования системы «дизель – топливо – масло».
3. Разработана методика выбора режима долива и получена номограмма для определения рационального объема доливаемого свежего масла в систему смазки дизеля, способствующего повышению срока службы ММ и масляных фильтрующих элементов и позволяющие минимизировать негативные последствия смешивания свежего и работающего моторных масел на техническое состояние двигателя.
4. Предложен критерий КQ для оценки устойчивости дисперсной фазы нерастворимых загрязнений в работающем масле при его освежении.
На базе этого критерия с использованием теории планирования эксперимента получена регрессионная зависимость в форме полинома, позволяющая определить рациональный долив свежего масла, при котором КQ принимает минимальное значение, в зависимости от щелочности свежего и работающего ММ и диспергирующих свойств последнего. По результатам лабораторных и натурных испытаний в дизелях показаны границы ее использования.
5. Моделированием установлено, что рациональный объем доливаемого масла в зависимости от диспергирующих свойств свежего масла и степени срабатывания присадок находится в диапазоне 3–25 % остаточного объема работающего ММ. Чем выше наработка масла (срабатывание присадок) и ниже его диспергирующие свойства, тем меньше рациональный объем доливаемой порции. Для работающего масла, достигшего браковочного уровня по щелочному числу, объем доливаемого масла должен быть как можно меньше.
6. Основной причиной наблюдаемой частичной потери стабильности системы «продукты загрязнения – работающее моторное масло» при доливе является нарушение адсорбционно-сольватного слоя коллоидной частицы. При этом важным аспектом в эксплуатации являются состояние работающего масла на момент долива и количество доливаемого масла.
7. Разработана методика обработки результатов микроскопического анализа, позволяющая определять плотность распределения частиц ДФ по размерам при смешивании свежих и работающих в ДВС моторных масел разного уровня детергентности. Посредством обработки экспериментальных данных получены зависимости, позволяющие рассчитывать изменение средней площади частиц продуктов загрязнения и среднеквадратичного отклонения этого параметра от режимов долива.
Основные положения диссертации изложены в работах:
Издания, рекомендуемые ВАК 1. Надежкин, А. В. Нанопроцессы при доливе свежего масла в систему смазки судового дизеля / А. В. Надежкин, И. В. Соколова // Транспортное дело России. – М., 2006. – №7. – С. 105–107.
2. Соколова, И. В. Анализ дисперсности продуктов загрязнения работающего моторного масла при доливах в систему смазки судового дизеля / И. В. Соколова // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. – Новосибирск, 2008. – С. 215–218.
Статьи и доклады на конференциях 3. Надежкин, А. В. Влияние долива на нанопроцессы в работающем моторном масле судовых дизелей / А. В. Надежкин, И. В. Соколова // Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном комплексе Азиатско-Тихоокеанского региона : матер. межд.
науч.-техн. конф. «Двигатели 2008». – Хабаровск: Тихоокеанский гос.
ун-т., 2008. – С. 318–323.
4. Надежкин, А. В. Исследование изменения коллоидной структуры работающего масла при увеличенном доливе / А. В. Надежкин, И. В. Соколова // Актуальные проблемы создания, проектирования и эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания : сб. науч. тр. – Хабаровск:
Тихоокеанский гос. ун-т., 2007. – Вып. 4. – С. 10–15.
5. Надежкин, А. В. Исследование коллоидной стабильности работающих моторных масел при их смешивании со свежим / А. В. Надежкин, И. В. Соколова // Проблемы транспорта Дальнего Востока: сб. пленар. докл. VI межд. науч.-практ. конф.– Владивосток: Мор. гос. ун-т., 2005. – С. 175–178.
6. Надежкин, А. В. Исследование стабильности дисперсной системы работающих моторных масел при доливе свежего масла в систему смазки дизеля / А. В. Надежкин, И. В. Соколова // Исследование по вопросам повышения эффективности судостроения и ремонта : сб. науч. тр. – Владивосток: ДВГТУ, 2006. – Вып. 46. – С. 193–199.
7. Надежкин, А. В. Нанопроцессы при доливе свежего масла в систему смазки судового тронкового дизеля / А. В. Надежкин, И. В. Соколова // Исследование, проектирование и техническая эксплуатация судовых ДВС :
сб. докл. межд. науч.-техн. сем. – СПб: ГУВК, 2006. – С. 151–155.
8. Соколова, И. В. Влияние долива на массо-дисперсный обмен продуктов загрязнения работающего моторного масла судовых дизелей / И. В. Соколова // сб. докл. 55-й межд. молод. науч.-техн. конф. – Владивосток: Мор. гос. ун-т., 2008. – С. 30–33.
9. Соколова, И. В. Исследование коллоидной стабильности моторного масла при доливе свежего в систему смазки дизель-генератора т/х «Профессор Хлюстин» / И. В. Соколова, А. В. Надежкин // Молодежь – наука – инновации : сб. докл. 54 регион. науч.-техн. конф. – Владивосток: Мор.
гос. ун-т., 2006. – С. 254–259.
10. Соколова, И. В. Исследование устойчивости дисперсной системы при смешивании работающих и свежих моторных масел судовых дизелей / И. В. Соколова // Молодежь и научно-технический прогресс : сб. докл. регион. науч.-техн. конф. – Владивосток: ДВГТУ, 2007. – С. 54–56.
11. Соколова, И. В. Кинетика изменения дисперсного состава продуктов загрязнения работающего масла при доливе свежего в систему смазки судового дизеля / И. В. Соколова, А. В. Надежкин // Знание – творчество – профессионализм : сб. докл. регион. науч.-техн. конф. – Владивосток: Мор.
гос. ун-т., 2005. – С. 217 – 221.
12. Соколова, И. В. Методика исследования коллоидной стабильности работающего масла при доливе / И. В.Соколова // Сб. докл. 49-й всероссийск. науч.-техн. конф. – Владивосток: ТОВМИ, 2006. – С. 34–37.
13. Соколова, И. В. Оценка влияния массообмена на дисперсность работающего моторного масла судовых дизелей / И. В. Соколова, А. В. Надежкин // Научное обозрение. – 2008. – № 1. – С. 59–63.
14. Соколова, И. В. Экспериментальное моделирование поведения дисперсной системы «продукты загрязнения – работающее моторное масло» при доливе / И. В. Соколова // Проблемы транспорта Дальнего Востока : сб. докл. 7-й межд. науч.-практ. конф. – Владивосток: Мор. гос. ун-т., 2007. – С. 83–84.
«