Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ В СМАЗОЧНОМ МАСЛЕ АГРЕГАТОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Власов Ю.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»
В работе показано, что охлаждающая жидкость и вода в смазочном масле транспортных машин являются диагностическим признаком, по которому можно оценивать герметичность агрегатов. Оценить наличие воды в масле можно качественными и количественными методами, которые требуют лабораторных условий. Идентифицировать воду в масле предлагается резонансным методом колебательного контура. В работе приводится блок-схема прибора и его теоретическое обоснование работоспособности, которое построено на электрофизических зависимостях взаимодействия смазочного масла и воды с электрическим полем. Экспериментальная оценка обводненности смазочного масла выполнялась на моторном масле М-10ДМ по диагностическому критерию, называемому индексом качества масла. В работе экспериментально установлено, что индекс качества масла способен по названному методу идентифицировать концентрацию воды в масле. Была также установлена связь между концентрацией воды, временем взаимодействия воды с электрическим полем и вязкостью масла.
охлаждающая жидкость
вода
смазочное масло
диэлектрическая проницаемость
колебательный контур
1. Рыбаков К.В., Жулдыбин Н.Н., Коваленко В.П. Обезвоживание авиационных горюче-смазочных материалов. – М.: Транспорт, 1979. – 181 с.
2. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). – М.: Изд-во физ.-мат. литературы, 1958. – 896 с.
3. Соколов А.И. Оценка работоспособности машин по параметрам работающего масла / А.И. Соколов, Н.Т. Тищенко, В.А. Аметов. – Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1991. – 200 с.
4. Удлер Э.И. Фильтрация нефтепродуктов. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 1988. – 216 с.
5. Физическая и коллоидная химия / Д.П. Добычин, Л.И. Каданер, В.В. Серпинский [и др.]. – М.: Просвещение, 1986. – 463 с.
6. Химия нефти. Руководство к лабораторным занятиям / И.Н. Дияров, И.Ю. Батуева, А.Н. Садыков, Н.Л. Солодова. – Л.: Химия, 1990. – 240 с.
7. Эме Ф. Диэлектрические измерения. – М.: Химия, 1967. – 224 с.

Смазочное масло, работающее в агрегатах транспортных средств, является сложной бинарной смесью, свойства которой зависят от исходных свойств масла и свойств загрязняющих компонентов, которые появляются в смазочной среде при нарушении технического состояния агрегатов (двигателей, элементов трансмиссии и гидравлических систем). Загрязняющие компоненты (механические примеси, топливо и охлаждающая жидкость) во многом характеризуют отдельные виды неисправностей, что делает возможным диагностику агрегатов транспортных средств по параметрам работающего масла.

В процессе нарушения герметичности уплотнений двигателей в работающее масло из систем охлаждений поступает охлаждающая жидкость, которая ухудшает его смазывающие свойства, что вызывает повышенные механические износы трущихся сопряжений и приводит к коррозии отдельные детали.

Практика эксплуатации транспортных, строительных, дорожных и сельскохозяйственных машин подтверждает попадание воды в силовые агрегаты трансмиссий и в гидравлические системы, которые приводят к негативным последствиям, подобным для двигателей [1]. Следовательно, проблема определения воды и охлаждающей жидкости в работающем масле весьма актуальна.

Постановка проблемы. Обводненность смазочного масла может произойти на разных этапах – при хранении, транспортировании, заправке и эксплуатации машины [1, 3, 4]. Вода в смазочных маслах может находиться в растворенной, диспергированной и свободной форме [1, 3, 4, 6].

По данным [1], растворенная вода практически всегда присутствует в горюче-смазочных материалах (от 0,003 до 0,12 %). Растворимость воды зависит от химического состава и температуры нефтепродукта. Повышение температуры масла влечет повышение растворимости воды во всех углеводородных соединениях. Растворенная вода в масле не диссоциирует на ионы. Она в виде отдельных молекул располагается между молекулами углеводородов и вплоть до концентрации насыщения не ассоциирует с другими углеводородными молекулами [1]. Часть воды в масле находится в химически связанном состоянии, в результате таких реакций образуются гидраты [5].

Определить наличие воды в масле можно методами, которые разделены на две группы: качественные и количественные.

Качественные испытания, к которым относят методы оценки пробы на прозрачность, Клиффорда, на потрескивание и реактивную бумагу, определяют не только эмульсионную, но и растворенную воду [6]. Наиболее широко в лабораториях физико-химического анализа масла транспортных предприятий используется метод пробы на потрескивание, который выполняется одновременно при выполнении температуры вспышки масла в открытом тигле [3].

Прямые количественные методы Дина и Старка, титрования реактивом Фишера, гидридкальциевый и другие методы основаны на использовании физико-химических свойствах самой воды. Диэлькометрический, кондуктометрический и колориметрический методы, в основе которого лежат диэлектрические свойства нефтепродуктов и воды, относятся к косвенным методам определения воды [6].

Количественными критериями содержания воды в смазочном масле могут являться плотность, вязкость, поверхностное натяжение, электропроводность, диэлектрическая проницаемость и др. Методы на основе данных критериев обусловлены неаддитивным химическим взаимодействием молекул воды и смазочной среды. По этой причине рассчитать заранее вид функции невозможно, и математические зависимости обычно находятся по экспериментальным данным.

Решение поставленных задач. Определить содержание воды в масле можно, используя резонансный метод колебательного контура от низкого напряжения [7]. Используя физические основы данного метода, оценим резонансные свойства колебательного контура согласно блок-схеме измерительного прибора (рис. 1).

Блок-схема содержит два отдельных генератора: опорный 1 и перестраиваемый 2. Опорный генератор имеет строго стабильную частоту f1. Частота колебаний f2 на выходе перестраиваемого генератора зависит от величины емкости измерительного датчика 4, включенного в колебательный контур. Колебания опорной f1 и перестраиваемой f2 частот смешиваются в делителе 5. На выходе делителя появляются колебания разностной частоты:

Δf = f1 – f2. (1)

Настройка на равенство частот (Δf = 0) производится переменным резистором 3, включенным параллельно измерительному датчику 4.

Измерения частот выполняются по величине сигнала, возникающего при расстройке контура за счет изменения емкости измерительной ячейки. Степень расстройки контура определяется величиной диэлектрической проницаемости загрязняющего компонента, оказывающей влияние на первоначальную частоту контура:

vlas01.wmf (2)

pic_11.tif

Рис. 1. Блок-схема измерительного прибора: 1 – опорный генератор; 2 – перестраиваемый генератор; 3 – переменный резистор; 4 – емкостный датчик; 5 – делитель; 6 – детектор; 7 – индикатор

Основной технический результат по оцениванию свойств жидких диэлектриков достигается следующим образом. Первоначально на поверхность емкостного датчика 4 (рис. 1), находящегося в колебательном контуре, наносится свежее масло. Затем с помощью переменного резистора 3 выравниваются частоты между перестраиваемым 2 и опорным 1 частотными генераторами, устанавливая соотношение периодов колебаний опорного и перестраиваемого генераторов согласно формуле

К1f1 = К2f2, (3)

где К1 – частотный коэффициент деления опорного частотного генератора; К2 – частотный коэффициент деления перестраиваемого частотного генератора.

Затем в колебательном контуре перестраиваемого генератора на чистую поверхность емкостного датчика наносится исследуемое работающее масло и регистрируется изменение частоты перестраиваемого частотного генератора вследствие изменения электрической емкости датчика. Оценка состояния масла осуществляется по отклонению частоты импульсов перестраиваемого частотного генератора от эталонного значения, полученного для свежего масла.

Для сравнения частот используется условный показатель импульсов, определяемый по формуле

vlas03.wmf (4)

По условному показателю импульсов оценивается качественный состав исследуемого масла, т.е. значение (4) является диагностической величиной, которая называется индексом качества масла, и N обозначается через ИКМ. Величина ИКМ рассчитывается с использованием формул:

– собственная частота колебательного контура определяется формулой Томсона

vlas04.wmf (5)

– емкость измерительной ячейки определяется по формуле

vlas05.wmf (6)

– эффективная диэлектрическая проницаемость смеси определяется эмпирической по зависимости Оделевского‒Винера [2]:

vlas06.wmf (7)

vlas07.wmf (8)

где L – индуктивность замкнутого контура; Сi – емкость измерительной ячейки i-го состояния; ε0 – диэлектрическая постоянная; ε* – диэлектрическая проницаемость масляной среды i-го состояния; S – площадь электродов; d – расстояние между электродами; v1 и v2– объемные концентрации свежего масла и воды; ε1 и ε2 – диэлектрическая проницаемость свежего масла (ε1 = 2,5) и воды (ε2 = 81) соответственно.

Значение индекса качества масла ИКМ является диагностическим критерием, по которому можно оценивать степень загрязненности работающего масла водой или охлаждающей жидкостью относительно аналогичного значения для свежего масла. Учитывая, что охлаждающие жидкости в двигателях внутреннего сгорания являются антифризами, т.е. смесью воды с одноатомными спиртами (например, этиленгликолем), то оценки степени загрязнения масла охлаждающими жидкостями будут идентичны загрязнению водой.

Материалы и методы исследования

Практическая реализация метода идентификации воды в масле с использованием резонансной схемы колебательного контура была выполнена на приборе ИКМ-2. Лабораторные испытания проводились с использованием моторного масла М-10ДМ. Пробы загрязненных водой масел с известными концентрациями помещались на измерительный датчик плоского конденсатора, создавалась разность потенциалов, и выполнялся замер значения ИКМ с интервалом в 15 с. По результатам измерений строились графики и определялись математические модели, описывающие физические процессы взаимодействия воды в масле с электрическим полем.

Чувствительность индекса ИКМ оценивалась при концентрациях воды в масле до 2,5 % по объему. Однако наличие воды в масле, согласно теории взаимодействия воды с жидкими диэлектриками, определить по одному измерению невозможно. Повторные измерения через кратковременные промежутки времени dt показывали измененные текущие значения d(ИКМ), пропорциональные снижению напряженности электрического поля dЕ между обкладками конденсатора S и увеличению эффективной диэлектрической проницаемости среды загрязненного водой смазочного масла dε*.

Результаты исследования и их обсуждение

Загрязненность масла М-10ДМ водой оценивалась экспериментально в лабораторных условиях. Результаты эксперимента приведены на рис. 2 и 3.

На рис. 2 показан график поверхности, построенный по точкам трехмерного рассеяния, которая позволяет выявить взаимосвязь между концентрацией воды, временем ее измерения и оценочным параметром ИКМ. График, являясь элементом разведочного анализа, наглядно показывает несложную конфигурацию поверхности, которая указывает на целесообразность выполнения подгонки пользовательских функций линейными уравнениями регрессии между их переменными (рис. 3).

Математические модели вида ИКМ(t) = f(H2O), выполненные с использованием регрессионного и корреляционного анализа, представлены в таблице. Высокие коэффициенты корреляции свидетельствуют о практически функциональной зависимости значений ИКМ от концентрации воды и времени измерения. Коэффициенты детерминации достаточно высоки и означают, что построенные регрессии объясняют 93...99 % разброса значений ИКМ относительно их среднего значения. Математические модели адекватны, т.к. их расчетные уровни значимости близки нулю.

pic_12.tif

Рис. 2. Зависимости ИКМ = f(H2O; t) для масла М-10ДМ

pic_13.tif

Рис. 3. Зависимости ИКМ = f(H2O) для масла М-10ДМ

Математические модели системы «вода в масле»

Вид зависимости

Математическая модель

Коэффициент корреляции

Коэффициент детерминации

ИКМ(t) = f(H2O)

ИКМ(0) = 0,06 + 0,35H2O

0,96

0,93

ИКМ(15) = 0,06 + 0,43H2O

0,99

0,98

ИКМ(30) = 0,04 + 0,49H2O

0,98

0,97

ИКМ(45) = 0,07 + 0,53H2O

0,98

0,96

ИКМ(60) = 0,05 + 0,59H2O

0,98

0,97

ИКМ(75) = 0,13 + 0,61H2O

0,98

0,96

ИКМ(90) = 0,12 + 0,67H2O

0,97

0,95

Увеличение значений ИКМ при последующих измерениях одноименной пробы масла через равные промежутки времени можно объяснить следующим образом. Проба исследуемого масла помещается между обкладками конденсатора и создается разность потенциалов. Микроскопические капли воды в масле при наведении электрического поля выстраиваются в кластерные цепочки по направлению силовых линий поля.

На дипольную ориентацию микрокапель и кластерное соединение воды затрачивается сила трения F в соответствии с законом Стокса [5]:

F = 6πrηv, (9)

где r – радиус микрокапли воды; η – динамическая вязкость масла; v – скорость микрокапли. Скорость перемещения v микрокапли воды в масле зависит от напряженности Е электрического поля [2]:

vlas08.wmf (10)

где ξ – потенциал (~ 0,05...0,07 В). Подвижность коллоидных эмульгированных частиц в масле выражается зависимостью:

vlas09.wmf (11)

Подвижность коллоидных частиц эмульгированной воды обратно пропорциональна вязкости масла [2]. С понижением вязкости масла повышается скорость взаимодействия частиц воды с электрическим полем. Силы трения Стокса у масла снижаются, подвижность частиц увеличивается, это позволяет быстрее создавать эмульгированные конгломераты. Такие конгломераты имеют высокую диэлектрическую проницаемость среды (ε = 81), что в итоге будет снижать общую напряженность электрического поля Е. Таким образом, высокая подвижность воды в масле будет приводить к тому, что интенсивное снижение Е приведет к более интенсивному росту индекса качества масла ИКМ.

Более вязкая среда ограничивает подвижность частиц воды. С увеличением вязкости масла уменьшается число эмульгированных коллоидных частиц в единице объема, а это в свою очередь уменьшает ионную электропроводность масла. Ионная электропроводность смазочной среды дополняется незначительной катафоретической электропроводностью [2].

Выводы

Присутствие воды в масле агрегата транспортного средства недопустимо. Вода в работающем масле является диагностическим параметром и характеризует нарушение в техническом состоянии агрегата, главным образом его герметичность. Оценить наличие воды в масле позволяет резонансный метод колебательного контура, который отличается простотой конструкции и экспрессностью проведения анализа. Метод колебательного контура по разности частот в зависимости от емкости измерительной ячейки со свежим и обводненным маслами, способен оценить диэлектрические изменения в смазочной среде. Вода изменяет эффективную диэлектрическую проницаемость масляной среды, что подтверждают теоретические и экспериментальные исследования. В настоящей работе было установлено, что на значение диагностического параметра ИКМ влияет продолжительность измерения, которая фиксирует процессы взаимодействия воды с электрическим полем, а также вязкость масляной среды.

Перспективой развития метода оценки воды в масле является возможность разработки приборов, основанных на измерении разностной частоты колебательного контура, которая позволит диагностировать агрегаты транспортных машин любой отраслевой принадлежности.

Рецензенты:

Ананин В.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Строительные и дорожные машины», декан механико-технологического факультета Томского государственного архитектурно-строительного университета, г. Томск;

Саркисов Ю.С., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Химия» Томского государственного архитектурно-строительного университета, г. Томск.

Работа поступила в редакцию 25.12.2013.


Библиографическая ссылка

Власов Ю.А. МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ В СМАЗОЧНОМ МАСЛЕ АГРЕГАТОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 11-6. – С. 1113-1117;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=33258 (дата обращения: 20.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252