Применение метода спектрально-феррографического анализа для диагностики технического состояния дизельного двигателя

 

Abstract: Reliability and safety of operation of various types of engines in many respects are defined by efficiency of methods and means of diagnostics that is especially actual at operation on a technical condition.

The opportunity of an estimation of a technical condition of the engine the spectro-ferrographic analysis of products of deterioration in oil has been estimated by a method at research of oil motor М 8G 2 K («regular oil») and oils motor М 8G 2 К with the additive "Forum-V" («experimental oil») on engine KamAz - 740.10 in conditions of low-temperature across-the-stating of motor condition.

Results of researches show, that application the  spectral-ferrographic analysis probably to estimate intensity deteriorations details of the engine from an operating time, to define a place of deterioration in the engine and, the most important, type of this deterioration that defines the practical importance of the given method not only at diagnostics of a technical condition of the engine, but also at the decision of scientific problems on research of additives and tribotechnical structures

Надежность и безопасность эксплуатации различных типов двигателей во многом определяются эффективностью методов и средств диагностики, что особенно актуально при эксплуатации по техническому состоянию [1].

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что от 25 до 55 % общего числа отказов газотурбинных двигателей приходится на смазываемые узлы трения. Это обстоятельство обуславливает ту важную роль, которую играет диагностика по продуктам износа в масле (далее трибодиагностика) в общей системе диагностики узлов трения [2].

Трибодиагностика разделяется на бортовую и лабораторную.

Бортовая трибодиагностика необходима для предупреждения о дефектах узлов трения за небольшой период времени до его возникновения. В настоящее время для этой цели используются сигнализаторы стружки в масле, фильтры-сигнализаторы и магнитные пробки. Однако из-за их недостаточной чувствительности и информативности для этих устройств характерно большое число ложных срабатываний и пропусков неисправностей, что приводит к снижению безопасности и большим материальным потерям.

Лабораторная диагностика предназначена для долгосрочного прогнозирования дефектов и определения их местонахождения.

До недавнего времени для этой цели в России применялся в основном спектральный анализ, определяющий концентрации металлов в масле.

Однако, как показывает опыт, результатов только спектрального анализа недостаточно для достоверной оценки технического состояния узлов трения.

Критериями оценки технического состояния узлов трения могут также служить другие характеристики продуктов износа, такие как форма частиц, состояние их поверхности, распределение размеров частиц, материал отдельной частицы, наличие посторонних примесей и продуктов деструкции масла. Совокупность этих параметров позволяет идентифицировать вид износа, определить место возможного отказа и оценить степень опасности возникающего дефекта.

Например, для частиц задира характерны борозды в направлении движения.

В случае образования на поверхностях трения усталостных микротрещин при качении в масле появляются сферические частицы.

При усталостном выкрашивании образуются хлопьевидные частицы. Обычно на их поверхности имеется множество микроязвин.

При коррозионном износе в пробе масла появляется множество частиц размером до 2 мкм.

При микрорезании образуются частицы в виде стружки.

Параметры частиц износа, приведенные выше, могут контролироваться феррографическим анализом.

Феррографический анализ масла заключается в осаждении частиц износа из пробы масла в магнитном поле на поверхности стеклянной пластины с последующим их анализом на микроскопе. При градиенте магнитного поля порядка 2000 Эрстед на 1 мм на поверхности пластины оседают практически все частицы находящиеся в масле, включая ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики, причем последние имеют микроскопические включения ферромагнетиков. Из частиц с одинаковыми магнитными свойствами в соответствии с размером осаждаются на пластину сначала более крупные, затем более мелкие частицы. Это объясняется тем, что магнитные силы пропорциональны кубу среднего линейного размера частицы, а вязкое сопротивление масла - его квадрату.

Частицы одинакового размера, но с различными магнитными свойствами, осаждаются в соответствии с их магнитной восприимчивостью.

Возможность оценки технического двигателя методом спектрально-феррографического анализа продуктов износа в масле была оценена при исследовании масла моторного М8Г2К («штатное масло») и масла моторного М8Г2К с добавкой «Форум-В» («опытное масло») на двигателе КамАЗ-740.10 в условиях низкотемпературных пусков-прогревов.

Температура окружающего воздуха была выбрана минимальной, исходя из возможности пуска двигателя без использования средств облегчения пуска (минус 10 °С) и с использованием электро-факельного устройства (ЭФУ) (минус 22 °С). Общая характеристика пусков в условиях низких температур окружающего воздуха приведена в таблице 1.

Таблица 1 – Общая характеристика пусков двигателя в условиях низких температур окружающего воздуха

Этап	Температура окружающего воздуха, °С	Количество пусков	Использование средств облегчения пуска
1	- 10	6	Без использования
- 22	6	С использованием ЭФУ
2	- 10	20	Без использования
- 22	14	С использованием ЭФУ

Динамика изменения концентраций основных химических элементов в испытываемых маслах от наработки двигателя показана на рис. 1.

Рис. 1. – Динамика изменения концентрации основных химических элементов в испытываемых маслах от наработки двигателя.

Исследования показали, что приработка основных деталей: гильзы цилиндров (Fe, Ni, Ti); поршневые кольца (Fe, Ni, P); шейки коленчатого вала (Fe, V, Mo); вкладыши подшипников (Pb) – завершается к 12 опыту. Необходимо отметить резкое снижение содержания Zn и Mg в пробах штатного масла и появление следов воды. Предположительно, цинкосодержащая противоизносная присадка ДФ-11 в присутствии конденсата, образовавшегося из-за работы двигателя с пониженной температурой стенок гильз цилиндров и с постоянными перепадами температур, разложилась на ZnО и диалкилдитиофосфорную кислоту, что и привело к лавинооборазному увеличению износа трибосопряжений.

Концентрация продуктов износа в штатном масле более высокая, чем в опытном масле; причем зависимость концентрации элементов в опытном масле от наработки (количества пусков) практически линейная. После 46 пусков содержание железа в штатном масле составило 105,0 РРМ, в то время как в опытном –66,7 PPM (снижение на 37%) , свинца – 42,2 и 11,3 PPM (снижение на 73%), меди – 9,1 и 6,5 PPM (снижение 29%).

Для оценки эффективности диагностики двигателя методоми спектрально-феррографического анализа продуктов износа в масле до начала испытаний и по их завершению двигатели подвергались разборке и микрометражу.

Значения износов деталей двигателей представлены в таблице 2 и 3. В скобках указаны процентное снижение износов на опытном масле относительно штатного масла.

Результаты, представленные в таблицах 2 и 3 подтверждают выявленное методом спектрального анализа снижение износа деталей двигателя на опытном масле.

Феррографический анализ масел выявил:

1 - В свежем масле (в состоянии поставки) обнаруживаются загрязнения в вид частиц песка до 5 мкм и красные окислы железа (ржавчина) размером до 5 мкм и сферические частицы железа до 2 мкм, которые могут образовываться в процессе хранения масла в сварной металлической таре. Наличие таких загрязнений в состоянии поставки допустимо.

2 - После 6 пусков обнаруживаются частицы кокса размером 250 мкм, частицы медесодержащего сплава размером 110 мкм, частицы соответствующие коррозионному износу и отдельные частицы износа отслаиванием размером до 15 мкм.

3 - После 12 пусков присутствуют стальные частицы износа отслаиванием до 10 мкм, отдельные частицы износ характерные для процесса приработки размером до 45 мкм. В основном в пробе присутствуют частицы коррозионного износа. Частиц износа, характерных для усталостного выкрашивания, микрорезания, задира не обнаружено.

4 - После 22 пусков обнаруживаются частицы износа отслаиванием до 20 мкм, частицы микрорезания в присутствии абразива размером до 40 мкм. В пробе, отобранной после 32 пусков, присутствуют отдельные частицы микрорезания, образующееся при внедрении одной микронеровности в другую, размером до 20 мкм и множество частиц кокса размером до 10 мкм.

Частица микрорезания (1) в присутствии абразива размером 30 мкм. Увеличение х500	Сферические частицы (2) размером до 4 мкм. Увеличение х500
Сферические частицы (1) размером до 5 мкм, частицы нормального износа отслаиванием (2) размером до 15 мкм. Увеличение х500.	Частица (предположительно) неметаллического покрытия размером 100 мкм с включениями частиц износа отслаиванием размером 1-3 мкм. Увеличение х500.

Рис.2 – Феррографический анализ (масло М8Г2К отобранное при -22°С после первых 10 пусков).

Таблица 2

Средние износы деталей цилиндро-поршневой группы двигателя

Наименование детали	Место измерения	Значение износа, мкм
Максимальное	Среднее
штатное масло	опытное масло	штатное масло	опытное масло
Гильзы цилиндров	Внутренний диаметр на расстоянии H, мм от верхнего торца	H = 28	+ 13,2	+ 7,2 (-46%)	+ 14,0	+ 12,0 (-14%)
H = 68	+ 9,8	+ 6,5 (-34%)	+ 11,0	+ 9,0 (-19%)
Поршневые кольца	Радиальная толщина	Первое кольцо	3,4	2,60 (-24%)	3,8	3,60 (-5%)
Второе кольцо	1,6	0,2 (-87%)	2,2	0,50 (-77%)

Таблица 3

Средние износы деталей кривошипно-шатуннго механизма двигателя

Наименование детали	Место измерения	Значение износа, мкм
Максимальное	Среднее
штатное масло	опытное масло	штатное масло	опытное масло
Коленчатый вал	Диаметр коренной шейки	2,6	2,1 (-19%)	3,6	2,5 (-31%)
Диаметр шатунной шейки	2,2	1,5 (-32%)	3,4	2,6 (-24%)
Вкладыши коренных подшипников	Толщина верхнего вкладыша	4,5	3,9 (-14%)	6,4	4,2 (-35%)
Толщина нижнего вкладыша	5,4	4,6 (-15%)	6,1	5,4 (-13%)
Вкладыши шатунных подшипников	Толщина верхнего вкладыша	3,2	3,9 (+21%)	6,5	4,1 (-37%)
Толщина нижнего вкладыша	4,2	3,9 (-7%)	5,7	4,1 (-29%)

5 - В пробе масла, отобранной после 42 пусков, обнаруживаются частицы микрорезания в присутствии абразива размером до 30 мкм, сферические частицы размером до 4 мкм, которые, в частности, могут появиться в масле при образовании усталостных микротрещин на поверхностях трения, в данном случае они могли образоваться при пуске двигателя в условиях повышенной нагрузки. В пробе присутствуют частицы нормального износа отслаиванием размером до 15мкм, частицы кокса, а так же частицы неметаллического покрытия размером до 100 мкм с включением частиц износа отслаиванием размером 1-3 мкм.

6 - В пробе масла, отобранной после пусков 46, присутствуют частицы нормального износа отслаиванием размером до 15мкм, частицы кокса, а так же частицы нагара.

7 - В пробе масла, отобранной из корпуса фильтра грубой очистки, присутствуют частицы характерные для процесса приработки и частицы нагара. Частиц износа, характерных для усталостного выкрашивания, микрорезания, задира не обнаружено.

Результаты исследований показывают, что применением спектрально-феррографического анализа возможно оценить интенсивность износов деталей двигателя от наработки, определить место износа в двигателе и, самое важное, тип этого износа, что определяет практическую значимость данного метода не только при диагностике технического состояния двигателя, но и при решении научных задач по исследованию присадок и триботехнических составов.

В то же время следует отметить, что, несмотря на высокую информативность и низкую трудоемкость методов спектрально-феррографического анализа продуктов износа в масле, необходимо продолжить работы по его развитию с целью решения задачи определения степени износа деталей двигателя и прогнозирования его остаточного ресурса.

Литература

1.  Суранов Г. И. Уменьшение износа автотракторных двигателей при пуске. М. 2000 г., 214 с.

2.  Степанов В. А. Диагностика технического состояния узлов трения трансмиссии газотурбинных двигателей по параметрам продуктов износа в масле. Рыбинск. «НПО “Сатурн”», 2002 г., 232 с.

Шабалинская Л. А., Денисов Е. А.,

Меньшиков М. В., Орехов С. В.

ООО «Химмотология», г. Чехов Московской обл.,

ФГУП ЦИАМ, г. Москва

ФГУП «21 НИИИ МО РФ»,г. Бронницы Московской обл.