Установка для оценки коррозионной активности моторных масел

Полезная модель относится к устройствам испытания моторных масел (ММ), в частности лабораторным установкам для оценки коррозионной активности ММ, и может быть использована в химической и нефтехимической промышленности для определения уровня противокоррозионных свойств (ПКС) ММ и их дифференциации при допуске к производству и применению в технике. Технический результат - повышение точности и достоверности результатов оценки КА ММ за счет создания реальных условий эксплуатации масла в ДВС. Установка содержит масляную баню 1, в которую заливают испытуемое масло 2. Через сквозные отверстия в боковых стенках масляной бани 1 установлен ступенчатый вал 6 на двух радиальных шарикоподшипниках 7. В нижней части масляной бани 1 для нагрева масла установлен нагреватель 10 и имеется патрубок подачи 4, а верхней - патрубок выпуска воздуха 5. На внутренних стенках масляной бани 1 установлено приспособление 11 для закрепления металлической пластины 12, которая выполнена в форме сегмента цилиндра, без зазора относительно ее внутренней поверхности с рабочей поверхность вала 6. Над пластиной 12 в масляной бане 1 размещен выходной элемент - штанга 14 нагрузочного устройства, которая касается пластины 12. Для барботажа испытуемого масла 2 воздухом в масляной бане 1 используется компрессор 18, который подсоединен к входному патрубку 5. Оценку КА ММ осуществляют по показателям КА (M_Cu, M_Pb, М_пл) с использованием автоматизированного процесса, для чего установка содержит программный блок управления последовательностью операций 17. Выходы блока 17 связаны с управляющими входами нагревателя и приводов вращения вала и нагрузочного устройства. 3 ил., 1 табл.

Полезная модель относится к устройствам испытания моторных масел (ММ), в частности лабораторным установкам для оценки коррозионной активности (КА) ММ, и может быть использована в химической и нефтехимической промышленности для определения уровня противокоррозионных свойств (ПКС) ММ и их дифференциации при допуске к производству и применению в технике.

Коррозионную активность ММ характеризуют следующие показатели:

- потеря массы пластины на единицу площади (г/м²);

- увеличение содержания металлов в окисленном масле, определяемого методом спектрального анализа;

- внешнее состояние медной пластинки.

Перед авторами стояла задача - разработать устройство, позволяющее повысить точность и достоверность оценки КА ММ при моделировании реальных условий эксплуатации ДВС.

В результате проведенного анализа патентов и научно-технической литературы были выявлены следующие устройства, решающие ту же задачу.

Так, известен способ оценки КА ММ на приборе, который содержит масляную ванну, размещенную в кожухе и имеющую крышку, в гнездо которой вставляют пробирки с испытуемым маслом. Масляная ванна подогревается до 140°С и эта температура поддерживается во время испытаний. Металлические пластины вставляют в пробирки, предварительно закрепив их на подвижном кольце, которое перемещают в вертикальной плоскости, используя электрический привод.

Коррозийность испытуемого масла в г/м² (X) за время 50-часового испытания вычисляют по формуле:

где G - изменение массы пластинки за время 50-часового испытания, г;

F - площадь пластинки, м²

(ГОСТ 5162-49 «Метод определения коррозийности (по Пинкевичу)).

Результаты испытаний с использованием лабораторного метода обладают низкой точностью, т.к. не отражают реального поведения ММ в ДВС, имеют большую продолжительность и низкую корреляцию с результатами испытаний на двигателе.

Известны стенды, содержащие малогабаритные или полноразмерные двигатели, для оценки КА, которые воспроизводят условия протекания процессов коррозионного воздействия на металлические поверхности деталей двигателей при их взаимодействии с ММ в условиях эксплуатации.

Оценку КА ММ осуществляют по потере массы вкладышей подшипников коленчатого вала (В.Д.Резников "Методы оценки антикоррозионных свойств моторных масел", ж. Химия и технология топлив и масел, 1998 г., №5, с.48-50). Однако они являются очень дорогостоящими и длительными по времени.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению и взятым за прототип является прибор ДК-2 НАМИ, представляющий собой масляную баню, в которой вращается кассета со вставленными в нее стеклянными изогнутыми колбами. В находящееся в колбах испытуемое масло опущены свинцовистые пластины. Конструкция прибора выполнена так, что при вращении колбы пластина попеременно омывается маслом и воздухом.

Показателем антикоррозионных свойств является потеря массы пластины X (г/м²) при испытании в течение 10 ч при температуре 413°К, относящаяся к поверхности пластины, которую определяют по следующей зависимости:

где m - потеря массы пластины за испытание, г;

S - поверхность пластины, м².

(А.М.Обельницкий "Топливо и смазочные материалы", М., "Высшая школа", 1982 г., с.136-137).

Недостатком известного прибора является низкая точность и достоверность результатов оценки КА ММ, обусловленные отсутствием оценки влияния непосредственно трения на срабатывание модифицированных пленок с поверхности металлов, имеющего место при реальной эксплуатации двигателя.

Технический результат - повышение точности и достоверности результатов оценки КА ММ за счет создания реальных условий эксплуатации масла в ДВС.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке для оценки коррозионной активности моторных масел, содержащей обогреваемую масляную баню, металлические пластины для взаимодействия с испытуемым маслом, датчик температуры масла в бане, электропривод, согласно изобретению в вертикальных стенках масляной бани выполнены сквозные отверстия, а установка дополнительно содержит ступенчатый вал, закрепленный в отверстиях вертикальных стенок масляной бани и связанный с электроприводом вращения, датчик температуры пластины, выполненной в форме сегмента цилиндра с радиусом кривизны, равным радиусу ступени вращающегося вала, размещенной внутри масляной бани, датчик температуры в зоне трения пластины с валом, нагрузочное устройство, выходной элемент которого установлен на пластине, закрепленной в верхней части масляной бани с возможностью взаимодействия ее внутренней поверхности с поверхностью

ступенчатого вала, и программный блок управления последовательностью операций, связанный с задатчиками параметров режимов испытания, датчиками температуры масла, пластины и в зоне трения пластины с валом и управляющими входами нагревателя масляной бани и приводов вращения вала и нагрузочного устройства, при этом в масляной бане выполнены патрубки подачи и выпуска воздуха и патрубок слива масла.

Суть полезной модели заключается в том, что она позволяет реализовывать способ оценки КА ММ, включающий определение содержания меди и свинца в анализируемом масле, заливку масла в количестве 30 мл в емкость, в которой установлен вращающийся вал, закрепление пластины, изготовленной из подшипникового сплава в форме сегмента цилиндра с радиусом кривизны, равным радиусу вращающегося вала, над образующей вала в верхней части емкости. Взаимодействие внутренней поверхности пластины с анализируемым маслом осуществляют в течение 4 ч (t_исп ) при барботаже воздухом при температурах масла Т _м, пластины Т_пл и в зоне трения Т _тр, равных 120±10°С, 160±10°С, 180±10°С соответственно и нагрузке P=24 кГс, вектор которой перпендикулярен оси вала. По окончании взаимодействия пластины с анализируемым маслом замеряют содержание меди и свинца в масле и массу металлической пластины, а в качестве показателей коррозионной активности масла используют разности замеряемых параметров.

На фиг.1 представлена блок-схема установки для определения КА ММ;

фиг.2 - приспособление для установки пластины;

фиг.3 - вал с пластиной (в момент контакта - вид а и б).

Установка содержит масляную баню 1, в которую заливают испытуемое масло 2. В днище масляной бани 1 выполнен сливной патрубок, закрываемый пробкой 3. В нижней части масляной бани 1 имеется патрубок подачи воздуха 4, а в верхней части - патрубок 5 выпуска воздуха. В сквозных отверстия вертикальных стенок масляной бани 1 установлен вал 6.

Вал 6, изготовленный из высоколегированной стали и цементированный до твердости 58 HRC, выполнен ступенчатым, установлен в отверстиях

масляной бани 1 на двух радиальных шарикоподшипниках 7. Участок вала 6, находящийся в масляной бане 1, имеет диаметр, достаточный для погружения в испытуемое масло 2 на глубину не менее 10 мм (объем масла составляет 30 мл). Вал 6 связан электродвигателем 8 привода вращения (мощностью N=1,0 кВт с номинальной частотой вращения n_вр=1390 мин^-1 ) через упругую муфту 9.

Для нагрева масла в нижней части масляной бани 1 установлен нагреватель 10 (например, ТЭН мощностью 150 Вт).

На внутренних стенках масляной бани 1 имеется приспособление 11 для установки металлической пластины 12, закрепленное, например, на двух уголках. Приспособление 11 (фиг.2) представляет собой прямоугольную вставку, в центре которой выполнено гнездо для установки пластины 12. В отверстии прямоугольной вставки через фторопластовую втулку установлена термопара 13 для измерения температуры в зоне трения Т_тр.

Пластину 12 устанавливают в гнездо приспособления 11 без зазора относительно ее внутренней поверхности с рабочей поверхностью вала 6. Пластина 12 (фиг.3) выполнена в форме сегмента цилиндра с радиусом кривизны, равным радиусу ступени вращающегося вала 6. Пластина 12 изготовлена из подшипникового сплава, применяемого для изготовления подшипников коленчатого вала двигателей ЯМЗ и КамАЗ и имеет ширину L=22 мм, длину хорды дуги а=16 мм, толщину h=2,7 мм и радиус кривизны R, равный радиусу вала 6 R=Rв=36 мм. Над пластиной 12 размещен выходной элемент (штанга 14) нагрузочного устройства, которая до создания нагрузки находится в соприкосновении с пластиной 12, а в процессе испытания давит на нее с силой P=24 кГс.

Для измерения температуры испытуемого масла 2 (Т _м) используют термопару 15, которая в размещена корпусе рабочей емкости 1 на высоте 10 мм от днища. Температуру пластины (Т_пл) контролируют термопарой 16, которая вмонтирована в штангу 14 с выходом на наружную поверхность пластины 12.

Оценку КА ММ осуществляют по показателям КА (M_Cu, M_Pb, М_пл) с использованием автоматизированного процесса, для чего установка содержит программный блок 17 управления последовательностью операций. Блок 17

управления выполнен, как вариант, на базе компьютера "Pentium II" с памятью на жестком диске-20 GB, оперативной памятью-64 Мб, частотой процессора-600 Гц, CD-ROM. Для работы установки разработана программа проведения испытаний ММ.

Выходы блока 17 связаны с управляющими входами нагревателя 10 и приводов вращения вала 6 и нагрузочного устройства.

В базу данных блока 17 внесены:

- показатели КА MM (, - допустимые значения изменение массовых концентраций Cu и Pb в пробе испытуемого масла за испытание, - допустимая потеря массы пластины за испытание, которые, например, составляют для масел

группы В -

6,95<7,92 мг; =0,0078-0,0098% масс.; =0,0031-0,0050% масс.

группы Г -

5,17<5,97 мг; =0,0161-0,0184% масс.; =0,0078-0,0097% масс.

группы Д -

3,22<3,82мг; =0,0223-0,0243% масс.; =0,0108-0,0130% масс.)

- режимные параметры установки (T_м, P, n_вр, t _исп).

В процессе испытания на блок 17 поступают текущие значения контролируемых параметров (, , , , , ).

Для барботажа испытуемого масла 2 воздухом в рабочей емкости 1 используется компрессор 18, который подсоединен к входному патрубку 4.

Работа установки включает следующие этапы:

- подготовку к испытанию;

- промывку установки растворителем;

- проведение испытания.

Подготовка к испытанию. Профильтровывают испытуемое масло 2 через фильтр, изготовленный из фильтровальной бумаги. Определяют в испытуемом масле 2 массовые концентрации металлов - и, методом атомной абсорбции, которые вводят блок 17.

Подготовленную пластину 12 помещают в механический пресс для получения радиуса кривизны, равного радиусу ступени вала 6, находящегося в масляной бане 1. Пластину 12 шлифуют пастой ГОИ и с помощью лупы оценивают наличие на ее поверхности следов коррозии, пятен и прочих повреждений. Затем промывают ее в растворителе, например, толуоле, просушивают на фильтровальной бумаге и взвешивают с точностью до 0,0002 г. Получают значение - исходное значение массы.

Промывка установки растворителем. С помощью шприца заливают в масляную баню 1 растворитель в количестве 50 мл, включают установку и проводят промывку в течение 2 мин, после чего через сливную пробку 3 сливают растворитель. Поверхности штанги 14, датчиков температуры и приспособления 11 промывают растворителем, используя салфетки, до полного удаления смолистых отложений.

Проведение испытания.

В мерный цилиндр объемом 100 мл наливают на 3/4 испытуемое масло 2 и тщательно перемешивают в течение 5-10 мин. после чего 30 мл заливают в масляную баню 1. Устанавливают подготовленную пластину 12 в специальное гнездо приспособления 11. Включают электропитание установки, компрессор 18 для барботажа масла воздухом, нагреватель 10 масла 2 в масляной бане 1 до достижения температуры масла T _м до 120°С, которая в дальнейшем контролируется термопарой 15 и поддерживается блоком управления 17. При стабилизации температуры масла T_м, нагружают пластину 12 с силой P=24 кГс.

В процессе испытания на блок управления 17 поступают сигналы от датчиков 13, 15, 16, нагревателя 10 и приводов вращения вала 6 и нагрузочного устройства для поддержания заданных значений.

Через 4 ч выключают компрессор 18, отключают электропитание установки, нагреватель 10, извлекают из установки пластину 12, промывают ее в бензоле, просушивают на фильтровальной бумаге и взвешивают с точностью до 0,0002 г, полученное значение массы принимают за массу пластины 12

после испытания M ^u и рассчитывают величину потери массы пластины формуле: .

Из масляной бани 1 через сливную пробку 3 отбирают пробу испытуемого масла 2 и определяют массовые концентрации меди и свинца , , и рассчитывают величины изменения массовых концентраций меди и свинца в испытуемом масле 2 после испытания по формулам: ; , которые вводят в блок 17.

В блоке 17 по заданной программе происходит сравнение полученных значений (, , ) с допустимыми значениями (, , ) и делают вывод об уровне КА ММ.

Результаты испытаний образцов моторных масел (ASR-Premium, М-10Г₂ к (ВПМ), М-10Г₂к (Каскад), М-10Д(м) (ВПМ), М-10Д(м) (Каскад), М-5_З/16Д ₂ (РК)) на приборе ДК-2НАМИ и заявляемой установке представлены в таблице.

Таблица - Результаты испытаний образцов моторных масел на прототипе и заявляемой установке *
№ п/п	Марка масла	Потеря массы пластины в г/м2		Содержание Me в пробе масла, % масс.			Выводы
		ДК-2НАМИ,X	Предлаг. метод,Mпл	ДК-2НАМИ	Предлагаемый метод
					МCu	МPb
1	2	3	4	5	6	7	8
1	ASR-Premium	0,0	1,80	не опр.	0,0295	0,0167	к гр. Е
2	М-10Г 2к (ВПМ)	2,0	5,43	не опр.	0,0171	0,0087	к гр. Г
3	М-10Г 2к (Каскад)	1,5	5,35	не опр.	0,0167	0,0083	к гр. Г
4	М-10Д(м) (ВПМ)	1,0	3,82	не опр.	0,0243	0,0130	к гр. Д
5	М-10Д(м) (Каскад)	1,0	3,57	не опр.	0,0223	0,0126	к гр. Д
6	М-5 З/16Д2 (РК)	1,0	3,5	не опр.	0,0219	0,0124	к гр. Д
* - испытания проводились при следующих условиях: t исп=4 часа, Rв=36 мм, nвр=1390 мин -1 Vм=30 мл, Tм=120°С, Т пл=160°С, Ттр=180°С

Как видно из таблицы, предлагаемая установка дает более точные результаты оценки КА ММ, чем лабораторный метод. Действительно по прототипу оценивают КА ММ только по потере массы пластины (столбец 3 таблицы), причем при потеря массы пластины до 1 г/м² включительно принимается за отсутствие коррозии.

В предлагаемой установке учитывают не только потерю массы пластины, но и изменение массовых концентраций металлов за испытание (столбцы 4, 6, 7 таблицы), которые не должны превышать допустимых значений (, , ), что позволяет дифференцировать ММ по уровню КА и относить их к конкретной эксплуатационной группе (столбец 8 таблицы).

Применение установки для оценки коррозионной активности ММ позволяет повысить точность и достоверность результатов испытаний ММ, повысить корреляцию с результатами испытаний на двигателях, моделировать реальные условия работы подшипников коленчатого вала ДВС.

Установка для оценки коррозионной активности моторных масел, содержащая обогреваемую масляную баню, металлические пластины для взаимодействия с испытуемым маслом, датчик температуры масла в бане, электропривод, отличающаяся тем, что в вертикальных стенках масляной бани выполнены сквозные отверстия, а установка дополнительно содержит ступенчатый вал, закрепленный в отверстиях вертикальных стенок масляной бани и связанный с электроприводом вращения, датчик температуры пластины, выполненной в форме сегмента цилиндра с радиусом кривизны, равным радиусу ступени вращающегося вала, размещенной внутри масляной бани, датчик температуры в зоне трения пластины с валом, нагрузочное устройство, выходной элемент которого установлен на пластине, закрепленной в верхней части масляной бани с возможностью взаимодействия ее внутренней поверхности с поверхностью ступенчатого вала, и программный блок управления последовательностью операций, связанный с задатчиками параметров режимов испытания, датчиками температуры масла, пластины и в зоне трения пластины с валом и управляющими входами нагревателя масляной бани и приводов вращения вала и нагрузочного устройства, при этом в масляной бане выполнены патрубки подачи и выпуска воздуха и патрубок слива масла.