Лабораторная работа №2

ВЫБОР И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МОТОРНЫХ МАСЕЛ И РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

МАШИНЫ В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ

2.1.Учебные цели

1.Закрепить навыки в оценке качества моторных масел лабораторными методами.

2.Приобрести навыки по выбору и оценке качества моторных масел и рабочих жидкостей для условий эксплуатации машин в зимнее время.

3.Приобрести навыки в пользовании оборудованием лаборатории экспресс-анализа масел «Лама-7».

2.2.Оборудование и приборы

1.Образцы моторных масел и рабочих жидкостей.

2.Стенд дизельного двигателя Д-37Е.

3.Машина МКСМ-800.

4.Лаборатория экспресс-анализа качества моторных масел и рабочих жидкостей гидросистем «Лама-7».

5.Оборудование для отбора проб моторного масла.

6.Беззольные фильтры «синяя лента».

2.3.Последовательность выполнения работы

1.Оценить загрязненность образцов моторных масел по внешним признакам.

2.Оценить загрязненность и моющие свойства проб моторного масла методом капельной пробы.

3.Определить наличие воды в пробах моторного масла и рабочей жидкости по внешним признакам и методом нагрева.

4.Научиться методам оценки показателей качества работающих моторных масел и рабочих жидкостей в условиях эксплуатации с использованием оборудования лаборатории экспресс-анализа «Лама-7».

5.Дать заключение о пригодности масла и рабочей жидкости к использованию в зимнее время.

22

6. Сформулировать мероприятия, направленные на улучшение показателей качества при использовании моторных масел и рабочих жидкостей.

2.4. Выбор и оценка качества моторных масел и рабочих жидкостей

2.4.1. Общие сведения

Моторное масло выполняет несколько функций: смазывает, охлаждает, отчищает детали двигателя. Используемые в двигателях моторные масла должны соответствовать требованиям ГОСТ 8581-78 «Масла моторные для автотракторных дизелей» (прил. 6). Обозначение моторных масел выполняют по ГОСТ 17479.1-85 «Масла моторные. Классификация и обозначение»: буква М означает моторное масло; следующая за М цифра указывает класс вязкости; буквы А, Б, В, Г указывают группу по эксплуатационным свойствам; индексы означают назначение масла: 1 – для бензиновых двигателей,

2– для дизельных двигателей.

Внастоящее время общепризнанной системой классификации моторных масел является спецификация SАЕ J300 (Society of Automotive Engineers – Американская ассоциация автомобильных инженеров). Она подразделяет моторные масла на шесть зимних классов с буквой W (Winter) (0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W) и пять летних классов вязкости (20, 30, 40, 50, 60).

Всесезонные масла обозначаются сдвоенным номером, первый из которых указывает на минимальное значение динамической вязкости масел при отрицательных температурах и гарантирует пусковые свойства, а второй определяет характерный для соответствующего класса вязкости летнего масла диапазон кинематической вязкости при

100°С и динамической вязкости при 150 °С. Основные показатели качества моторных масел «Татнефть-Профи» представлены в табл. 2.1.

Вязкость масла – основной показатель качества, который является общим для всех масел. Правильный выбор моторного масла обеспечивает долгую и надежную работу не только двигателя, но и других составных частей силовой установки машины. При выборе моторного масла для двигателя необходимо учитывать техническое состояние, режим работы машины и климатические условия, при которых она будет эксплуатироваться.

23

Таблица 2.1

Основные показатели качества моторных масел «Татнефть-Профи» ТУ 0253-002-54409843-2003

Моторное масло выбирается по двум основным критериям:

–вязкости по классификации SАЕ, которая определяется в зависимости от температуры окружающей среды и степени изношенности двигателя;

–уровню эксплуатационных свойств, указанных в инструкции по эксплуатации машины. Уровень определяется по классификации АРI (Американский институт нефти), АСЕА (Ассоциация европейских производителей автомобилей) или ААИ (Ассоциация автомобильных инженеров России).

Степень вязкости SАЕ помогает определить диапазон температуры окружающей среды, при котором масло обеспечит нормальную работу двигателя (рис. 2.1, 2.2): его проворачивание стартером, условия прокачивания моторного масла насосом по системе смазки при холодном пуске и надежное смазывание при длительной работе в режиме максимальных нагрузок.

В зависимости от наработки двигателя рекомендуется использовать различные классы моторных масел:

–при пробеге машины менее 25% от планового ресурса двигателя (новый двигатель) необходимо применять масла классов SАЕ 5W-30 или 10W-30 всесезонно;

–при пробеге машины 25–75% от планового ресурса двигателя (технически исправный двигатель) целесообразно применять летом

24

масла классов SАЕ 10W-40 и 15W-40, зимой – SАЕ 5W-30 и 10W-30, всесезонно – SАЕ 5W-40;

– при пробеге машины более 75 % от планового ресурса двигателя (изношенный двигатель) следует применять летом масла классов SАЕ 15W-40 и 20W-50, зимой – SАЕ 5W-40 и 10W-40, всесезонно –

SАЕ 5W-50.

Максимальное значение η для распыла

моторного масла

II I

Минимальное значение η для

предотвращения утечек из системы смазки

Рис. 2.1. Вязкостно-температурная характеристика (ВТХ) моторного масла: I – рекомендуемые пределы вязкости

моторного масла; II – допустимые пределы вязкости; tрmin – минимальная рабочая температура; tрmax – максимальная рабочая температура

Трансмиссионные масла предназначены для применения в узлах трения агрегатов трансмиссий дорожно-строительных машин, промышленных тракторов, автомобилей, а также в различных зубчатых редукторах и червячных передачах технологического оборудования.

Трансмиссионные масла представляют собой базовые масла, легированные различными функциональными присадками. В качестве базовых компонентов используют минеральные, частично или полностью синтетические масла.

В агрегатах трансмиссий смазочное масло является неотъемлемым элементом конструкции. Способность масла выполнять и длительно сохранять функции конструкционного материала определяется его эксплуатационными свойствами. Общие требования к трансмис-

25

сионным маслам определяются конструкционными особенностями, назначением и условиями эксплуатации агрегатов и узлов трансмиссии.

Рис. 2.2. Выбор моторных масел по температурным условиям эксплуатации машины

Трансмиссионные масла работают в режимах высоких скоростей скольжения, давлений и широком диапазоне температур. Их пусковые свойства и длительная работоспособность должны обеспечиваться в интервале температур от – 60 до 150 °С. Поэтому к трансмиссионным маслам предъявляют достаточно жесткие требования.

Основные функции трансмиссионных масел:

•предохранение поверхностей трения от износа, заедания, питтинга и других повреждений;

•снижение потерь мощности на трение;

•отвод тепла от поверхностей трения;

•снижение шума и вибрации зубчатых колес, уменьшение ударных нагрузок.

Для обеспечения надежной и длительной работы агрегатов трансмиссий смазочные масла должны обладать определенными характеристиками:

26

–иметь достаточные противозадирные, противоизносные и противопиттинговые свойства;

–обладать высокой антиокислительной стабильностью;

–иметь хорошие вязкостно-температурные свойства;

–не оказывать коррозионного воздействия на детали трансмиссии;

–иметь хорошие защитные свойства при контакте с водой;

–обладать достаточной совместимостью с резиновыми уплотнениями;

–иметь хорошие антипенные свойства;

–иметь высокую физическую стабильность в условиях длительного хранения.

Все эти свойства трансмиссионного масла могут быть обеспечены путем введения в состав базового масла соответствующих функциональных присадок: депрессорной, противозадирной, противоизносной, антиокислительной, антикоррозионной, антипенной.

В практике эксплуатации машин сезонные трансмиссионные масла неудобны, да и экономически невыгодны. Срок службы масел в коробках передач и мостах достаточно дорог, а сезонная замена вынуждает избавляться от продукта, который далеко не выработал свой ресурс. Поэтому и преимущественное распространение получили так называемые загущенные (в обиходе – всесезонные) масла. Такой продукт сочетает в себе свойства двух сортов масла – летнего и зимнего, маркировки которых присутствуют в его индексе. Сам же индекс складывается из этих двух обозначений, написанных через дефис: 75W-90, 85W0140.

Отечественная классификация трансмиссионных масел отражена в ГОСТ 17479.2-85.

Обозначение трансмиссионных масел состоит из групп знаков:

–первая: две буквы «ТМ» (трансмиссионное);

–вторая: цифры, обозначающие группу масел по эксплуатационным свойствам;

–третья: цифры, обозначающие класс кинематической вязкости. В зависимости от кинематической вязкости при 100 °С транс-

миссионные масла разделяют на четыре класса (прил. 7).

В соответствии с классом вязкости ограничены допустимые пределы кинематической вязкости при 100 °С и отрицательная температура, при которой динамическая вязкость не превышает 150 Па·с. Эта вязкость считается предельной, так как при ней еще обеспечивается надежная работа агрегатов трансмиссий.

27

Нефтяные трансмиссионные масла, предназначенные для смазывания агрегатов трансмиссий дорожных и строительных машин, тракторов, автомобилей и зубчатых редукторов, кроме загущенных трансмиссионных масел, производятся по ГОСТ 23652-79.

Выбор трансмиссионного масла обусловлен указаниями заводской инструкции по эксплуатации машины.

Температурная область применения трансмиссионных масел представлена в прил. 8.

В прил. 9 приведены технические характеристики рабочих жидкостей, которые применяются в гидравлических приводах машин.

2.4.2. Определение показателей качества моторных масел по внешним признакам

Методики определения наличия воды в моторном масле.

Присутствие воды в маслах объясняется рядом причин: проникновением в картер из системы охлаждения вследствие нарушения ее герметичности; конденсацией паров из отработавших газов, прорывающихся из камеры сгорания в картер двигателя; конденсацией влаги из атмосферного воздуха при хранении и транспортировке.

Наличие воды в масле можно определить несколькими способами [3].

Оценка по внешним признакам. Присутствие в масле воды обнаруживают по отстоявшемуся слою воды в склянке с пробой или мут - ному, непрозрачному виду масла. Капля масла, содержащего воду, при нанесении на стекло в проходящем свете мутная.

Оценка обводненности масла методом нагрева (проба на по-

трескивание). Небольшое количество масла наливают на дно пробирки и нагревают на слабом огне. При наличии влаги слышно потрескивание, масло пенится и на холодной части пробирки оседают капельки воды.

Если верхняя часть пробирки помутнела, а потрескивания нет, значит, воды в масле незначительное количество (следы).

Оценка обводненности масла по характеру горения фильтровальной бумаги, пропитанной работавшим маслом. Определение на-

личия воды в работавшем масле производят в следующем порядке:

–тщательно перемешивают пробу масла;

–пропитывают фильтровальную бумагу работавшим маслом и поджигают;

28

–дают оценку горения факела;

–по табл. 2.2 определяют степень обводнения масла;

–оценку работоспособности масла осуществляют в соответствии с браковочными показателями.

Методики определения механических примесей в рабочих моторных маслах. При работе двигателя в масле накапливаются различные примеси, которые можно разделить на две группы: органические (попадающие в масло из камеры сгорания продукты неполного сгорания топлива, соединения серы и свинца, продукты термического разложения, окисления и полимеризации масла) и неорганические (пыль, частицы износа деталей, продукты срабатывания присадок). Таким образом, в картере работающего двигателя формируется сложная смесь исходного масла с самыми разнообразными продуктами его старения, от которых полностью очистить масло (фильтрацией) не удается и которые увеличивают износ деталей, засоряют маслопроводы и маслофильтр.

Оценка загрязненности масла по внешним признакам. Наличие в масле механических примесей легко обнаружить по осадку на дне склянки с пробой масла или по следу на стекле. Для этого пробу масла тщательно перемешивают и 1–2 капли наносят пипеткой на прозрачное, чистое стекло. Стекло наклоняют и наблюдают след растекающегося масла. При загрязненном масле на стекле обнаруживаются отдельные точки механических примесей.

Оценка загрязненности масла методом капельной пробы. Сущ-

ность метода заключается в нанесении капли работавшего масла на фильтровальную бумагу и сравнении степени почернения полученного после сушки пятна с эталонной шкалой.

Выполнение анализа:

–пробу масла тщательно перемешивают;

–каплю масла чистой пипеткой наносят на центр фильтра;

29

–фильтр с нанесенной каплей масла высушивают 15 мин при температуре 100 °С либо 2–4 ч при комнатной температуре;

–после сушки хроматограмма масляного пятна оценивается по табл. 2.3 (светлый ореол вокруг темного пятна во внимание не брать).

Таблица 2.3

Хроматограмма масляного пятна

Определение моющих свойств моторного масла. Под мою-

щими (детергентно-диспергирующими) свойствами понимается способность масла препятствовать отложению продуктов его окисления и полимеризации на поверхностях горячих деталей. Базовые масла практически не обладают этими свойствами. Для придания маслам соответствующих свойств в них вводят моющие присадки. Механизм действия присадок следующий: торможение процессов окисления (нейтрализация), препятствие слипанию углеродистых частиц (что ограничивает их дальнейший рост), удержание частиц в состоянии устойчивой суспензии. Следует отметить, что термин «моющие» условен, так как именно присадки препятствуют прилипанию продуктов окисления тела к поверхностям нагретых деталей, но не оказывают «моющего» действия в прямом смысле этого слова – не устраняют уже накопившиеся отложения.

Для предотвращения образования отложений необходимо не допускать работу двигателя в напряженном тепловом режиме, своевременно менять фильтрующие элементы масляных фильтров, тщательно промывать картер и всю систему смазки перед заправкой свежим маслом.

30

Для оценки моющих свойств масла можно воспользоваться методом капельной пробы с использованием хроматограммы работавшего масла.

При нанесении капли работавшего масла на фильтровальную бумагу образуется пятно с темным ядром в центре, вокруг которого располагается более светлый поясок (рис. 2.3). В ядре собираются углеродистые и другие нерастворимые в масле частицы. Масло, очищенное от них, расплывается дальше. Наличие в масле растворимых продуктов окисления изменяет цвет масляного пояска от лимонного до темнокоричневого. Таким образом, по масляному пятну можно судить не только о степени загрязнения масла (по цвету ядра), но и о сте-

Оценка степени окисления и моющих свойств осуществляется в соответствии с табл. 2.4.

Таблица 2.4

Степень окисления и моющие свойства работавших масел

Степень окисления масла

2.4.3.Определение показателей качества моторных масел

сиспользованием маслотестеров

Маслотестеры предназначены для контроля текущего состояния моторного масла и поддержания в исправном и работоспособном состоянии машины в условиях эксплуатации.

Как было изложено в подразделе 2.4.2, в маслах, находящихся в системе смазки двигателя или агрегатах трансмиссии, происходят непрерывные количественные и качественные изменения из-за воздействия высоких температур и попадания в масло пыли, частиц износа, сажи, воды, охлаждающейся жидкости и топлива (продуктов неполного сгорания).

Маслотестеры позволяют обнаружить ухудшение качества масел, своевременно принять меры по устранению неблагоприятных факторов и тем самым продлить ресурс машины.

Маслотестер (рис. 2.4) – диагностическое устройство, позволяющее определить по изменению вязкости, плотности, наличию продуктов износа, коррозионному воздействию, вязкостно-темпера- турному показателю работоспособность работающего смазочного материала (моторного масла) и оценить целесообразность его замены, а также установить наличие неисправностей в двигателе и других агрегатах машины.

Маслотестер представляет собой прибор в двух вариантах:

•единое устройство для определения всех показателей качества масла (см. рис. 2.4, а);

•маслотестер с отдельным блоком, состоящим из термодатчика, магнита и медной скобы (см. рис. 2.4, б).

Основные технические характеристики маслотестера: Габаритные размеры маслотестера (без трубки): 130×35×30 мм. Габариты упаковки: 220×185×30 мм.

Масса: 80 (220) г.

Определяемые показатели качества масла:

– показатель вязкости;

– плотность;

– наличие частиц износа;

– коррозионная активность;

– вязкостно-температурный показатель (скорость изменения вязкости в зависимости от температуры);

– показатели, определяемые методом капельной пробы;

32

– низкотемпературная вязкость (прокачиваемость).

а) б)

Рис. 2.4. Маслотестер: 1 – цилиндрическая емкость; 2 – резиновый поршень; 3 – шток; 4 – пружина;

5 – крышка; 6 – шуруп; 7 – поплавок; 8 – трубка для масла;

9– регулятор уровня; 10 – держатель; 11– термопара; 12 – дисплей термопары; 13 – трубка термопары;

14 – датчик термопары; 15 – магнит; 16 – медная проволока

Подготовка к работе и порядок использования прибора. Сущ-

ность диагностирования заключается в том, что в результате создания вакуума поршнем, приводимым в движение пружиной, через трубку в цилиндрическую ёмкость поступает смазочный материал, проходящий через магнит (вариант а). Магнит может находиться на конце термопары (вариант б).

По времени заполнения ёмкости при температуре 40 °C определяют степень разжижения работающего смазочного материала продуктами неполного сгорания топлива, по положению поплавка опре-

33

деляют плотность масла, по наличию металлических включений на магните судят об износе, по цвету медной скобы – о коррозийной активности, по вязкостно-температурному показателю – о наличии топлива при нормальных значениях показателей вязкости и плотности.

Если определяется коррозионная активность масла, медная скоба на конце трубки должна быть отполирована до блеска мелкозернистой наждачной бумагой (после этого исключить контакт скобы с пуками).

Вынуть масломерную линейку из картера двигателя, нанести небольшое количество масла с маслощупа на боковую поверхность резиновой части штока (для предотвращения застревания). В отверстие для масломерной линейки опустить трубку термодатчика.

Пустить двигатель. При температуре 40 °С (на дисплее термодатчика) остановить двигатель. При этом температура сначала продолжит расти из-за стекающего в картер горячего масла, затем начнет снижаться. Если температура на термодатчике не меняется, например при длительном простое или при остывании двигателя, следует выключить и снова включить термодатчик.

Через 5–15 минут при достижении маслом температуры 40 °С извлечь термодатчик, в емкость маслотестера положить поплавок (следует проследить, чтобы поплавок лежал горизонтально) и вставить шток. Затем вставить трубку маслотестера в отверстие для масломерной линейки так, чтобы она немного не доходила до масла (для предотвращения образования пузырьков воздуха), сжать пружину, опустить маслотестер, погрузив трубку в масло, и резко отпустить пружину. При этом по трубке в емкость масло - тестера начнет поступать масло из картера. При достижении маслом штуцера емкости (видно через стенку прозрачной емкости) включить секундомер, подтянуть шток, задвинуть фиксатор в пазы на штоке, маслотестер установить строго в вертикальное положение по уровню масла в емкости. Внимательно следить за движением поплавка. По шкале на цилиндрической емкости зафиксировать отметку начала погружения поплавка (в момент отделения верхней части поплавка от поверхности масла). Цена деления шкалы на емкости маслотестера 1 см (1 мл3), длинные штрихи соответствуют отметкам 5, 10, 15 и 20 мл.

При достижении маслом последнего деления на емкости (соответствует значению 20 см3) зафиксировать время. При этом некото-

34

рое время масло еще может поступать в емкость за счет разрежения, созданного пружиной.

Отметить время заполнения емкости работавшим маслом и сравнить с временем заполнения емкости маслотестера свежим маслом. Время заполнения емкости свежим маслом определяется сразу же после замены отработанного масла на свежее (или анализируется запасное свежее масло из канистры). Если при сравнении время заполнения емкости свежим маслом отличается на 25 % от времени заполнения работающим маслом в большую или меньшую сторону, работающее масло считается непригодным к использованию. Уменьшение времени заполнения говорит о разжижении масла топливом или деструкции загущающей присадки. Увеличение времени заполнения свидетельствует об угаре масла и его осмолении.

Результаты измерения плотности работавшего масла сравнить с соответствующим значением для свежего масла. Если поплавок стал тонуть при большем объеме масла, набравшегося в емкость, то плотность масла увеличилась, если при меньшем объеме – плотность масла уменьшилась. Если поплавок не всплыл, то плотность масла слишком низкая, если он не утонул при полном заполнении емкости маслом, то плотность масла слишком высокая. Понижение плотности может свидетельствовать о попадании в масло топлива (продуктов неполного сгорания) или разрушении загущающей присадки. Повышение плотности свидетельствует об угаре масла и его осмолении.

После определения вязкости и плотности с помощью увеличительного стекла определить количество, размеры и формы продуктов износа на магните, расположенном на конце трубки термодатчика.

При нормальном износе размеры частиц могут составлять 0,5...15 мкм. При усталостном выкрашивании, микрорезании и задирах частицы имеют размеры от 10 до 100 и более микрометров. Таким образом, если частицы износа видно с помощью увеличительного стекла или невооруженным глазом, наблюдается износ двигателя. При наличии частиц износа для получения количественных показателей трубку термодатчика протирают и помещают в картер (конец трубки должен быть погружен в масло на 1–2 см), затем пускают двигатель и оставляют работать (5, 10 или 20 мин), после этого термодатчик извлекают и подсчитывают количество частиц на магните. При большом количестве частиц износа (>3) или увеличении этого количества с пробегом машины необходимо провести дополнительный анализ с целью выявления вида и причин износа. Для получения

35

объективных результатов анализ следует проводить в одном временном режиме – время работы двигателя (и, следовательно, циркуляции масла) при погруженном магните каждый раз должно быть одним и тем же.

После извлечения маслотестера рассмотреть медную скобу, сравнить ее с эталонной шкалой. Масло считается не выдержавшим испытания, если цвет скобы, находящейся в масле при 40 °С более 10 мин, соответствует баллу С (скобы, находящейся в масле менее 10 мин, – баллу В) или если на поверхности медной скобы образовался налет или пятна черного, коричневого, серо-стального цвета. В этом случае масло необходимо заменить, выяснив и устранив причину увеличения коррозионной активности масла.

После каждого тестирования масла необходимо внутреннюю поверхность емкости протереть салфеткой, трубку прочистить шомполом, резиновый поршень протереть салфеткой и смазать тонким слоем силиконового масла или глицерина. Не рекомендуется хранить шток внутри емкости (для предотвращения его застреваний).

Измерения показателей качества масла маслотестером рекомендуется проводить через каждые 3–4 тыс. км наработки при температуре 40 °С (для определения вязкостно-температурного показателя необходимо определить вязкость масла при 20 °С).

Учитывая, что при естественном старении масла в исправной машине при увеличении вязкости плотность увеличивается, а при уменьшении вязкости плотность уменьшается, а также свойства плотномера, позволяющие определять плотность масла при температуре 20 – 60 °С, можно упростить процедуру диагностики машины. При этом температура масла не фиксируется. Например: летом, когда температура воздуха 20 – 40 °С, маслотестер установить в картер, пустить двигатель на 1–2 мин, остановить, через 5–10 мин (когда из масла выйдет воздух и осядут на магните продукты износа) включить в работу маслотестер – определить плотность, наличие продуктов износа и коррозионную активность масла. Результаты сравнить с предыдущими тестами работающего масла.

В практике встречаются случаи, когда при очередном диагностировании вязкость и плотность работающего масла не меняются, но обнаруживается увеличение продуктов износа и коррозии на медной скобе. В такой ситуации следует определить вязкостно-температур- ный показатель работающего масла в отапливаемом хранилище или в летнее время на улице при температуре масла 20 и 40 °С.

36

Уменьшение разницы вязкости при 20 и 40 °С по сравнению со свежим маслом свидетельствует о наличии в масле продуктов неполного сгорания. Вязкостно-температурный показатель коррелирует с температурой вспышки и характеризует взрывопожароопасность масла. Поэтому периодическое определение вязкостно-температурного показателя обязательно.

Относительный вязкостно-температурный показатель рассчитывается по формуле

где Tв – время заполнения емкости свежим смазочным материалом при температуре верхней границы выбранного температурного диапазона; Tн – время заполнения емкости свежим смазочным материалом при температуре нижней границы выбранного температурного диапазона; Лв – время заполнения емкости работавшим смазочным материалом при температуре верхней границы выбранного температурного диапазона; Лн – время заполнения емкости работавшим смазочным материалом при температуре нижней границы выбранного температурного диапазона.

Если ТВ> 0,1, масло считается неработоспособным. Помутнение масла происходит при наличии в нем воды (охлаж-

дающей жидкости). Тестирование позволяет визуально определить наличие воды (охлаждающей жидкости) в масле через стенку цилиндрической емкости.

Пользуясь маслотестером и беззольными фильтрами «синяя лента», можно определить моюще-диспергирующий показатель работающего масла. Для этого капля масла наносится на фильтр, по истечении 10 мин по размерам и зонам диффузии масла определяется его загрязненность механическими примесями, топливом, охлаждающей жидкостью.

По внешнему виду хроматограммы масляного пятна можно выявить состав смазочного материала. Измеряют диаметры трех зон хроматограммы, определяют их цвет, равномерность растекания масла и рассматривают четыре составные части хроматограммы

(рис. 2.5).

На рис. 2.5: A – ядро или центр капли, соответствующий первичной зоне капли до ее растекания по бумаге; здесь оседают все тяжелые нерастворимые механические примеси; Б – краевая зона – тем-

37

ное черное кольцо, окаймляющее ядро малорастворимыми в масле органическими примесями; кольцо отсутствует как при чистом масле, так и при очень грязном масле, а ядро имеет ровный цвет; В – зона диффузии через краевую зону Б масла с легкими растворенными органическими примесями (широкое серое кольцо за ядром); Г – кольцо чистого масла, самое внешнее светлое кольцоприсутствует, если в масле начинает проявляться потеря моюще-диспергирующих присадок.

Рис. 2.5. Хроматограмма работавшего масла

Масло без загрязнений дает большое светлое пятно, исчезающее через несколько суток. Зона Г через несколько часов также исчезает. Если элементы В и Г имеют прерывистую форму, то масло насыщено водой, а стойкий желтоватый или светло-коричневый цвет зоны диффузии свидетельствует о значительной окисленности масла из-за аварийных перегревов двигателя.

Чем светлее и равномернее цвет ядра и зоны диффузии, тем работоспособнее масло. При потере присадок уменьшается зона диффузии, расширяется внешнее светлое кольцо. Появление внешнего кольца чистого масла означает момент, когда начинают исчерпываться моюще-диспергирующие свойства масла. Для высокощелочных масел это не обязательно. Ориентировочно работоспособность малощелочных и среднещелочных масел можно определять по нижеследующим показателям:

где d1 – диаметр зоны ядра A; d2 – диаметр зоны Б.

38

Если Кмп> 0,75, то в масле содержится чрезмерное наличие механических примесей.

где d3 – диаметр зоны В.

Если Кмд < 1,3, то мо юще-диспергирующая способность масла чрезмерно ослабла.

Отсутствие зоны В пятна наблюдается, как правило, из-за наличия воды в масле, густое черное мазеобразное ядро с блестками металла, коричневое или желтое кольцо свидетельствуют о браковочном состоянии масла и оно подлежит срочной замене.

В зимнее время определяют прокачиваемость масла – способность масляного насоса прокачать масло при низких температурах окружающего воздуха. Если масло становится слишком вязким, масляный насос не может доставить его к узлам трения, что провоцирует повышенный износ двигателя в условиях сухого трения. Перед пуском двигателя проверяют вязкость маслотестером. Если масло не поступает в емкость, пускать двигатель не рекомендуется.

2.4.4. Определение показателей качества моторных масел и рабочих жидкостей с использованием оборудования лаборатории экспресс-анализа масел «Лама-7»

Лаборатория экспресс-анализа качества и состояния моторных масел и рабочих жидкостей гидросистем предназначается для проведения следующих работ:

–входной контроль качества смазочных материалов и рабочих жидкостей, поступающих на склад ТСМ;

–контроль качества смазочных масел и рабочих жидкостей при хранении и выдаче;

–контроль качества работающих масел в эксплуатационных условиях;

–подбор заменителей рекомендуемых в эксплуатационной документации марок масел;

–составление композиции масел;

–обоснование мероприятий по восстановлению работоспособности масел;

39

–обоснование мероприятий по улучшению качества масел, создание масел более высокой группы качества;

–оценка технического состояния сборочных единиц машин по результатам анализа масел;

–контроль показателей отработанных масел, подлежащих сдаче на нефтебазы для регенерации.

Технические данные и состав изделия. В лаборатории имеется комплект приборов, химической посуды, реактивов и вспомогательных материалов, необходимых для проведения анализов.

Приборы, посуда и химические реактивы размещаются во вкладыше чемодана, в отведенных для каждого предмета гнездах.

Корпус лаборатории выполнен в виде ящика. Габаритные размеры лаборатории: 590×370×160 мм.

Вес полностью укомплектованной лаборатории – не более 9 кг. Время развертывания лаборатории – 1 мин.

Подготовка к работе. Для проведения анализов извлечь из ящика вискозиметр, ареометр, пробирки, реактивы и другие материалы, необходимые для проведения анализов. Мерные цилиндры укрепить на подставках.

Подключить питание приборов (при работе в полевых условиях

– 12 В, при работе в лаборатории – 220 В).

Методы оценки качества моторных масел и рабочих жидко-

стей гидросистем. Посуда и приборы: ареометры по ГОСТ 18481-81, цилиндр измерительный вместимостью 250 мл.

Перед определением плотности испытуемый нефтепродукт выдерживают при температуре окружающей среды в течение времени, необходимого для выравнивания температуры в объеме масла. Если измерение плотности производится с целью определения количества нефтепродукта по объему, то при отборе пробы необходимо измерить температуру нефтепродукта. Полученное значение плотности пересчитывается с учетом температуры нефтепродукта в хранилище.

Проведение анализа. Мерный стеклянный цилиндр устанавливают на подставке и в него осторожно наливают испытуемый нефтепродукт, температура которого может отклоняться от температуры окружающей среды не более, чем на 5 °С.

Чистый и сухой ареометр медленно и осторожно опускают в нефтепродукт, держа его за верхний конец. После того, как ареометр установится и прекратятся его колебания, производят отсчет по

40

верхнему краю мениска. При отсчете глаз должен находиться на уровне мениска.

Температуру нефтепродукта устанавливают по термометру ареометра. Отсчет по шкале ареометра дает плотность нефтепродукта при температуре испытаний.

Для приведения этой плотности к плотности (p204) при нормальной температуре пользуются формулой

где pt4 – плотность испытуемого нефтепродукта при температуре испытания (кг/м3); y – средняя температурная поправка плотности (прил. 10); t – температура испытаний, °С; 20 – температура, к которой приводится плотность, °С.

Определение кислотного числа. Определение кислотного числа в маслах основано на взаимодействии кислот, извлеченных из масла этиловым спиртом, с едким калием в присутствии индикатора нитразинового желтого.

Посуда и реактивы: цилиндр измерительный с прошлифованной пробкой вместимостью 100 мл, пипетка с резиновым баллончиком для введения испытуемого масла, индикатор нитразиновый желтый.

Проведение анализа. В измерительный цилиндр с прошлифованной пробкой налить 20 мл спиртового раствора индикатора, а затем в этот же цилиндр с помощью пипетки налить испытуемое масло в количестве, определяемом по таблице в зависимости от максимально допустимого кислотного числа, установленного для данного масла.

Цилиндр закрыть пробкой и встряхивать в течение 1 мин. Зеленая и синяя окраска верхнего (спиртового) слоя указывает

на то, что кислотное число масла не превышает допустимой нормы. Желтая окраска спиртового слоя указывает на то, что кислотное число масла превышает норму.

Определение численного значения кислотного числа масла проводится следующим образом:

1.В измерительный цилиндр налить 20 мл спиртового раствора индикатора.

2.С помощью пипетки добавить первую дозу масла, соответствующую предельному значению кислотного числа (прил. 11).

41

3. Цилиндр закрыть пробкой, масло взболтать и рассмотреть отслоившийся спиртовой слой. Если цвет слоя не изменился, то добавить в цилиндр такое количество масла, чтобы его объем в сумме с первой дозой равнялся объему, соответствующему следующему (меньшему) значению кислотного числа по таблице.

4. Если цвет спиртового слоя не изменился и в этот раз, то до - лить в цилиндр такое количество масла, чтобы весь его объем в цилиндре был равен объему, соответствующему следующему значению кислотного числа по таблице и т.д. методом последовательных приближений, пока цвет индикатора не изменится.

5.По прил. 11 определить численное значение кислотного числа, соответствующее суммарному объему взятого масла.

Определение щелочного числа. Определение проводится измерением объема газа, который выделяется при реакции щелочного компонента масла со специальным реактивом.

Приборы и реактивы: измеритель «Экспресс-щелочность», реактив, керосин осветительный или технический (приобретается на месте использования измерителя).

Пределы измерения – от 0,5 до 12,0 мгКОН/г. Погрешность измерения – 0,25 мгКОН/г.

Проведение анализа. Вывернуть из измерителя донную пробку. Проверить, нет ли жидкости в капиллярной трубке. Если жид-

кость есть, удалить её, встряхивая измеритель.

1.Установить измеритель в подставку открытой полостью вверх

(рис. 2.6, a).

2.Поставить на горизонтальную поверхность донную пробку и налить в нее проверяемое масло до уровня проточки большого диаметра (рис. 2.6, б).

3.Вылить масло из донной пробки в полость измерителя, не допуская попадания масла в капилляр стеклянной трубки. Полный слив масла не обязателен.

4.Залить в полость измерителя керосин до уровня проточки П

(см. рис. 2.6, а).

5.Ввести туда же 8–10 капель реактива с помощью пипетки или капельницы, завернуть пробку.

6.Вынуть измеритель из подставки, повернуть донной пробкой

вниз, взять за кожух, закрыть большим пальцем отверстие О (см. рис. 2.6) в верхней части кожуха и интенсивно встряхивать измеритель в течение 20–25 с.

42

7.Открыть отверстие О и, покачивая измеритель, взбалтывать в нем смесь керосина с маслом.

8.Наблюдать за подъемом столба жидкости по капиллярной трубке: подъем должен прекратиться через 1–2 мин.

Рис. 2.6. Измеритель «Экспресс-щелочность»:

а− измеритель; б − донная пробка

9.По уровню столба жидкости и градуировке на измерителе определить щелочное число. Пузырьки воздуха, расположенные ниже верхнего уровня жидкости, не влияют на результат измерения.

Если жидкость переполнила капилляр, то щелочное число масла превышает максимальное значение, указанное на шкале. Для измерения действительной величины щелочного числа следует взять донную коробку с номером 2 и провести повторное измерение. Полученный результат умножается на 2.

Перевернуть измеритель донной коробкой вверх, вывернуть пробку и слить раствор.

Определение содержания воды электронным влагомером.

Принцип действия прибора основан на сравнении диэлектрической

проницаемости исследуемого продукта с диэлектрической проницаемостью эталонного (обезвоженного) нефтепродукта [4].

Пределы измерения 0,01–10% (массы).

43

Приведенная погрешность в диапазоне измерения до 0,5% влагосодержания составляет 15% от измеряемой величины, в диапазоне измерения от 0,5 до 3% влагосодержания – 10%, в диапазоне от 3 до

10% – 20%.

Приборы и реактивы:

–4 мерных стакана по 100 мл;

–цифровой вольтметр;

–датчик влажности с подключенными цилиндрическими емкостными датчиками;

–блок питания при работе от сети 220 В/50 Гц или кабель питания при работе от аккумулятора 12 В;

–эталонное (обезвоженное) масло, керосин.

Проведение анализа:

1.Подключите датчик влажности к цифровому компьютеру и подайте питание. В течение 5 мин прибор должен прогреться.

2.На горизонтальной поверхности поставьте 4 мерных стакана,

втрех из которых налито по 100 мл эталонного (обезвоженного) продукта, а в одном – исследуемый продукт (рис. 2.7). При проведении измерений следите за одинаковым уровнем продукта в стаканах.

3.Погрузите емкостные датчики в стаканы с эталонной жидкостью. При этом следите, чтобы дно цилиндров закрывалось слоем продукта толщиной не менее 5 мм.

4.С помощью потенциометра «УСТАНОВКА 0» на дисплее цифрового вольтметра выставите нулевое значение.

5.При измерении маловязких продуктов типа индустриального масла И-12 поместите датчик в стакан с исследуемым продуктом и эталонным таким образом, чтобы цилиндр датчика 1 оказался в стакане с эталонным продуктом, а цилиндр датчика 2 – в стакане с исследуемым продуктом.

6.Считайте показания с индикаторов, которые соответствуют содержанию воды в процентах. При этом цифра до запятой соответствует единицам процента, а первая и вторая цифры после запятой соответствуют десятым и сотым долям процента влагосодержания.

7.Для подготовки к повторному измерению поместите цилиндрические датчики в стаканы с керосином (бензином).

8.Проведите повторные измерения в той же последовательно-

сти.

44

Для измерения влагосодержания вязких продуктов (моторных масел и т. д.) установите ноль в эталонном продукте, а затем поместите в цилиндр в исследуемую и эталонную жидкости в соответствии с описанной методикой.

Рис. 2.7. Определение содержания воды в маслах электронным влагомером: А – проведение тарировки; Б – промывка датчиков; В – измерение; 1 – адаптер 220/12 В; 2 – кабель питания 12 В; 3 – вольтметр; 4 – датчик влажности; 5 – емкостные датчики; 6 – эталонное масло; 7 – керосин; 8 – исследуемый продукт

По окончании измерений промойте цилиндры в керосине и просушите их.

Определение загрязненности рабочих жидкостей гидросис-

тем. Проведение анализа:

1.Подключите питание прибора.

2.Откройте среднюю часть кюветы.

45

Прибор имеет два диапазона определения значений загрязненности:

а) нижнее положение переключателя – грубое измерение при особо высоких уровнях загрязненности масел;

б) верхнее положение переключателя – точное измерение при нормальном состоянии масел.

При определении загрязненности моторных масел положение средней части кюветы 5 показано на рис. 2.8. При определении загрязненности индустриальных масел снимите среднюю часть кюветы, переверните на 180° и установите обратно на нижнюю часть.

Рис. 2.9. Тарировочный график для определения загрязненности рабочих жидкостей

Определение загрязненности моторных масел М8 и М10. Ме-

тод основан на определении оптической плотности пробы масла. Проведение анализа:

1. Подключите питание прибора (12 или 220 В по необходимо-

сти).

47

2.Установите среднюю часть измерительной кюветы в положение 1.

3.Закройте кювету и, нажав кнопку «ИЗМЕРЕНИЕ», потенциометром «УСТАНОВКА 0» установите на цифровом табло показа-

ния «0,00».

4.Откройте кювету и залейте анализируемое масло.

5.Закройте кювету и, нажав кнопку «ИЗМЕРЕНИЕ», определите загрязненность масла в % НРБ (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Тарировочный график для определения загрязненности моторных масел

48

2.4.5.Мероприятия по улучшению эксплуатационных свойств моторных масел

Улучшение качества масел в условиях эксплуатации может быть достигнуто отстоем, фильтрованием, центрифугированием, введением комплекса присадок, а также смешением со свежими маслами.

Отстаиванием можно удалить из масла большую часть механических примесей и воды. Отстаивание применяют как самостоятельный процесс восстановления качества масел и как предварительный, предшествующий фильтрации, при котором удаляются наиболее крупные частицы механических примесей. Масло отстаивают в резервуарах и для ускорения процесса подогревают его до 50–70 °С. Отстоявшееся масло забирается с верхнего уровня емкости. Скапливающийся в нижней части резервуара отстой удаляется. Более тонкая очистка масел может осуществляться фильтрованием и центрифугированием.

Очищенные от механических примесей и воды моторные масла можно использовать повторно в смеси со свежими маслами той же марки в соотношении 1:4. Смешение различных марок масел недопустимо.

Эффективным и сравнительно дешевым методом улучшения эксплуатационных свойств очищенных отработанных моторных масел является введение в них присадок, сработавшихся в процессе применения. Это в первую очередь вязкостные (загущающие), детергентно-диспергирующие (моющие) и антиокислительные присадки.

В прил. 12 приведена классификация присадок по их функциональным свойствам и назначению.

2.4.6. Показатели качества образцов и проб работавших моторных масел

Показатели качества образцов и проб работавших моторных масел записать в табл. 2.5, выполнить их анализ.

49

Контрольные вопросы

1.Назовите индекс вязкости моторного масла. Как он определяется?

2.Как влияет наличие воды и механических примесей в моторном масле на техническое состояние машины?

3.С какой целью в моторном масле применяют присадки?

4.Какие показатели качества моторных масел определяют с использованием маслотестеров?

5.Какие показатели качества моторных масел и рабочих жидкостей определяют с помощью оборудования лаборатории экспресс-анализа «Лама-7»?

50

Лабораторная работа №3

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СРЕДСТВ ОБЛЕГЧЕНИЯ ПУСКА ДВИГАТЕЛЕЙ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК СДКМ

3.1.Учебные цели

1.Закрепить знание методик оценки подогревателей жидкостных дизельных (ПЖД) в облегчении эффективной эксплуатации СДКМ в зимнее время.

2.Научиться выполнять расчеты потребной тепловой производительности СДКМ для условий их эксплуатации в зимнее время.

3.2.Средства материального обеспечения работы

1.Кадропроектор «Лектор 2000».

2.Комплект рисунков и таблиц для кадропроектора.

3.Персональный компьютер Dell XPS 8700 DT.

4.Прикладные программы для расчета тепловой производительности подогревателей.

3.3. Общие сведения

Опыт эксплуатации машин в зимнее время подтверждает эффективность использования различных технических мероприятий для обеспечения их надежной работы. В конструкции машины реализо-

ваны возможности:

–предварительного разогрева низкозамерзающей охлаждающей жидкости, моторного масла, трансмиссионного масла, топливных фильтров, аккумуляторных батарей (АБ) с использованием трубчатых электронагревателей (тэнов);

–подогрева впускного воздуха с использованием свечей накаливания, электрофакельных устройств (ЭФУ), аэрозольных пусковых устройств, а также предварительного впрыска масла в цилиндры при пуске двигателя внутреннего сгорания (ДВС);

–предпускового разогрева силовых установок в короткие сроки индивидуальными подогревателями жидкостными, что позволяет решать одновременно задачи снижения момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала двигателя, улучшения условий самовос-

51

пламенения дизельного топлива, а также уменьшения износов деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ);

–ступенчатого прогрева двигателя после пуска с последующим опробованием и подготовкой к использованию гидравлического оборудования в соответствии с рекомендациями нормативно-техниче- ской документации для заданных температурных условий эксплуатации машины;

–использования групповых средств разогрева силовых установок машин в зимних условиях эксплуатации.

3.4.Использование индивидуальных средств облегчения пуска двигателей силовых установок для обеспечения

их работоспособности и ресурса

Все средства облегчения пуска двигателей могут быть разделены на индивидуальные, которые используются на отдельных машинах, и групповые или общего назначения. В качестве индивидуальных средств используются предпусковые жидкостные и воздушные подогреватели. Предпусковые подогреватели предназначаются для прогрева охлаждающей жидкости, моторного масла и соответственно блоков цилиндров и картера двигателя.

В качестве групповых средств, которые применяют в условиях стационарной эксплуатационной базы, используют: водомаслогрейки, специально оборудованные площадки, на которых производится разогрев двигателей машин перед пуском горячей водой, паром, групповой разогрев (подогрев) с использованием воздухоподогревателей, а также подогрев моторного масла электрическими нагревательными элементами (тэнами).

Автономные предпусковые жидкостные подогреватели.

Предпусковой автономный подогреватель жидкостный представляет собой агрегат машины, который устанавливается в моторном отделении. Существуют различные типы индивидуальных жидкостных предпусковых подогревателей двигателей силовых установок машин. При этом охлаждающая жидкость в системе охлаждения и подогрева прокачивается насосом с электрическим приводом и нагревается в котле подогревателя. Разогрев котла происходит при сгорании топливовоздушной смеси, которая воспламеняется с помощью свечи накаливания или свечи зажигания. Высокое напряжение, необходимое для

52

работы свечи зажигания, обеспечивает высоковольтный источник тока.

К наиболее важным техническим характеристикам индивидуального жидкостного подогревателя относятся его тепловая (отопительная) мощность, количество потребляемого топлива и расход электроэнергии АБ. Перечисленные технические характеристики приведены в табл. 3.1 [5]. Тепловая мощность характеризует тепловую производительность подогревателя, которая измеряется в кВт/ч (ккал/ч).

Основным критерием эффективности индивидуального жидкостного подогревателя является продолжительность подготовки силовой установки до состояния ее готовности к пуску двигателя.

Опыт эксплуатации машин в зимнее время показывает, что использование предпускового подогревателя двигателя сокращает расход топлива на 0,1–0,5 л в расчете на один пуск. В течение зимнего периода эксплуатации машины (300–500 пусков) экономия топлива может составить от 30 до 150 л [1].

Подогреватель устанавливается и закрепляется таким образом, чтобы его расположение соответствовало конструкции двигателя.

На рис. 3.1 представлены возможные схемы подключения подогревателей жидкостных к системе охлаждения V-образных двигателей машин.

В систему разогрева также включают радиатор отопителя кабины машины. На рис. 3.2 представлена схема подключения подогревателя к системе охлаждения V-образного восьмицилиндрового двигателя и отопления кабины машины.

53

Рис. 3.1. Схемы подключения подогревателей жидкостных

ксистеме охлаждения V-образного восьмицилиндрового двигателя (V8):

а– двигатель имеет специальный канал, соединяющий полости блоков цилиндров; б – двигатель не имеет специального канала, соединяющего полости блоков цилиндров

Рис. 3.2. Схема подключения подогревателя к системе охлаждения двигателя и отопления кабины

Сравнительные пуски подогревателей с тепловой производительностью 16,2 и 22 кВт серийного изготовления, установленные на

54

рядном двигателе Р6, показали их достаточно высокую эффективность [7].

Продолжительность разогрева силовой установки подогревателем до состояния готовности к пуску двигателя в зависимости от температуры наружного воздуха была следующей: при температуре до –10 °С – 10 мин, от –11 до –15 °С – 15 мин, от –16 до –35 °С – 20 мин, ниже –35 °С – 30 мин.

По результатам пусков получены показатели, характеризующие динамику процесса разогрева двигателя при температуре окружающего воздуха до –30 °С (рис. 3.3, 3.4).

Рис. 3.3. Графики изменения температуры

1 – температура охлаждающей жидкости на входе в полость охлаждения цилиндра пускового двигателя; 2 – температура охлаждающей жидкости на входе в полость головки блока двигателя; 3 – температура охлаждающей жидкости,

поступающей в подогреватель

На 20-й минуте разогрева температура охлаждающей жидкости на входе в полость охлаждения цилиндра пускового двигателя устанавливалась равной 104–106 °С, в полости головки блоков двигателя

55

– 92−98 °С, поступающей обратно в подогреватель – 22–23 °С, а температура моторного масла в картере повышалась только до 3–8 °С.

Рис. 3.4. График изменения температуры моторного масла в поддоне картера двигателя при его разогреве подогревателем (температура

окружающего воздуха до –30 °С)

Такое тепловое состояние силовой установки обеспечивает надежный пуск как пускового, так и основного дизельного двигателя машины.

Измерение температуры охлаждающей жидкости через 2 мин после пуска двигателя в разных его зонах показало, что происходит ее выравнивание.

Характеристики отопителей от компании «Элтра-Терм» представлены в прил. 13.

Шадринский автоагрегатный завод (ШААЗ) выпускает предпусковые подогреватели и подогреватели-отопители. Предпусковые жидкостные подогреватели ПЖД (прил. 14, табл. 3.2) [8, 9, 10] предназначены для предпускового разогрева холодного двигателя с жидкостной системой охлаждения, автоматического поддержания теплового режима двигателя, а также для отопления салона (кабины) машины, устранения обледенения стекол независимо от работы двигателя. Тепловая мощность разных моделей подогревателей находится в широком диапазоне: от 7 до 70 кВт, они могут применяться как на грузовых автомобилях УАЗ, ЗИЛ, ГАЗ, КамАЗ, МАЗ, «Урал», КАВЗ, БелАЗ, НефАЗ, так и на дорожно-строительных машинах.

56

Надежная и простая конструкция подогревателей наиболее приспособлена к обслуживанию и ремонту в любых условиях, в том числе машинистом (водителем). Ресурс подогревателей составляет 500 ч, температура отработавших газов находится в пределах 350– 500 °C. Допустимая температура окружающей среды при эксплуатации подогревателя – до –45 °C. В конструкции теплообменников подогревателей используется нержавеющая сталь, что позволяет применять в качестве охлаждающей жидкости воду.

Неавтономные подогреватели двигателя. В основе работы неавтономных подогревателей лежат два физических явления: подогрев с помощью электрической энергии и теплообмен в жидкой среде, называемый конвекцией. Конвекция охлаждающей жидкости происходит в замкнутом объеме системы охлаждения двигателя с установленным в ней нагревательным элементом.

Основным элементом неавтономной системы подогрева является нагревательный элемент (тэн). Типовая конструкция представ-

57

ляет собой цилиндрический корпус, в который впаян нагревательный элемент с одной стороны и электрический разъем – с другой.

Российская компания «Лидер» выпускает две основные конструктивные серии подогревателей: «Северс» и «Напарник» (табл. 3.3) [5].

Подогреватель «Напарник» представлен изготовителем только одной шланговой моделью, но достаточно мощной (3 500 Вт) из из - вестных автономных подогревателей. Подогреватель «Напарник» представляет собой литой цилиндрический корпус с размещенным внутри U-образным нагревательным элементом. На одном конце подогревателя предусмотрен входной патрубок, а вблизи другого – выходной. Во входном патрубке установлен шариковый обратный клапан. Подогреватель оснащен термостатом с температурой срабатывания 96 °C, рассчитанным на 100 000 циклов гарантированной наработки. Устанавливается подогреватель горизонтально. На рис. 3.5 приведен график подогрева двигателя КамАЗ-740. Как видно, подогреватель «Напарник» может нагреть двигатель за 2 ч до температуры не более 30 °C. Это лучший показатель для неавтономных подогревателей.

Тепловые аккумуляторы. Это устройство – аккумулятор тепла или, как назвали его разработчики, устройство облегчения пуска двигателя (УОПД). Его действие основано на накоплении тепловой энер-

58

гии во время работы двигателя, ее сохранении и затем использовании для подогрева двигателя через определенный интервал времени.

Всозданных в России системах УОПД для хранения тепла используется тепловой аккумулятор (ТА) [11], представляющий двойной металлический цилиндр с вакуумной изоляцией. Носитель тепла

–стандартная охлаждающая жидкость двигателя автомобиля (тосол, антифриз). При работе машины специальным насосом системы горячая жидкость периодически закачивается в тепловой аккумулятор. Этот процесс получил название заряда ТА. Таким образом, после остановки двигателя в ТА находится горячая охлаждающая жидкость, которая с течением времени остывает. Через сутки и более (а для более мощной модели – до трех суток) жидкость остается достаточно теплой, чтобы ее тепло могло подогреть двигатель. Перед пуском холодного двигателя осуществляется разряд ТА, при котором жидкость из ТА закачивается электронасосом в двигатель. В результате двигатель прогревается.

Всостав устройства входят [11]:

–тепловой аккумулятор;

–электронасос;

–гидрораспределитель;

–трехходовой кран;

–блок управления.

59

Управление электронасосом осуществляется блоком управления, режимы работы которого включаются кнопкой. Блок задает интервалы прокачки охлаждающей жидкости из ТА в двигатель при его подогреве (разряде) и заряде.

3.5. Методики расчета тепловой производительности подогревателя для силовых установок машины

Для облегчения и ускорения пуска двигателя большое значение имеет выбор источника тепловой энергии и теплоносителя. Сравнивая различные источники энергии и их применение для облегчения пуска ДВС, следует отметить, что, например, для разогрева масла в картере двигателя электрическая энергия имеет ряд преимуществ.

Электрическая энергия является относительно дешевым видом энергии, использование ее не зависит от климатических условий, оборудование специальной площадки для группового разогрева ДВС машин не потребует значительных затрат, конструкция, монтаж и включение в действие электронагревателей просты и надежны. Поэтому для разогрева моторного масла в картере двигателя наиболее рациональным и экономичным является электрический подогрев при помощи специальных нагревательных элементов.

Для прогрева охлаждающей жидкости в системе охлаждения также могут применяться электронагреватели. Для питания электрических нагревателей целесообразно использовать безопасное низкое напряжение 36 В, которое может быть получено от осветительной сети через понижающий трансформатор. Потребляемая мощность одного нагревателя может составлять от 350 до 600 Вт.

Источниками тока низкого напряжения могут служить трансформаторы, вторичная обмотка которых рассчитана на напряжение

36–40 В для токов большой величины (300−600 А).

Расчет тэна для разогрева моторного масла в картере ДВС выполняют следующим образом. Вначале определяют потребное количество тепла для разогрева моторного масла до заданной температуры по формуле

где V – объем разогреваемого масла, м3; ρ – удельный вес моторного масла, кг/м3; С – средняя теплоемкость моторного масла, ккал/кгоС;

60

t1 – начальная температура моторного масла, оС; t2 – конечная температура моторного масла, оС.

Часть тепла, затрачиваемого на нагрев моторного масла, передается в окружающую среду и на нагрев силовой установки (ДВС). Соответственно эти потери следует учитывать коэффициентом полезного действия. Из опытных данных, коэффициент полезного действия η при теплопередаче может быть принят равным 0,75. Тогда количе-

ство тепла, необходимого для разогрева моторного масла с учетом его потерь, будет составлять

Мощность нагревательного элемента рассчитывается по фор-

муле

где к – коэффициент перевода ккал в кВт, к=860 ккал/кВт; τ – время разогрева моторного масла.

Недостатками такого расчета тэна для разогрева моторного масла в картере ДВС являются приближенные значения мощности нагревательного элемента.

Ориентировочно необходимую тепловую производительность жидкостного подогревателя системы обогрева двигателя жидкостного охлаждения в соответствии с методикой [16] следует определить по формуле

необходимая величина нагрева подшипников коленчатого вала, К; τр – время работы подогревателя до пуска дизеля, с.

61

После определения тепловой производительности подогревателя по параметрам коренных подшипников проверяют температуру головки блока цилиндров по формуле

где Тг – температура головки блока цилиндров, которая должна быть не ниже 313 К; То – начальная температура дизеля, К; Кгод – услов-

ная теплоемкость головки цилиндров, кДж/К.

Опытные величины Кподш и Кгод представлены в прил. 15. При отсутствии опытных данных и для двигателя, не указанного в

прил. 15, их следует принимать исходя из возможного подобия двигателей СДКМ.

Недостатком такого метода определения тепловой производительности жидкостного подогревателя является ограниченное число экспериментальных значений Кподш и Кгод для двигателей машин.

Методика расчета тепловой производительности индивидуального жидкостного подогревателя ПЖД по показателям условной массы двигателей

с учетом потерь тепла в окружающую среду

Общее количество тепла, необходимое для разогрева силовой установки, можно рассчитать, используя зависимость

где Qр – количество тепла, необходимое для разогрева силовой установки, кВт; Qсу – количество тепла, расходуемое на разогрев двигателя, кВт; Qп – потери тепла в окружающую среду, кВт.

Точный расчет величин Qсу и Qп практически невозможен

вследствие сложности процессов, происходящих при разогреве силовой установки. Поэтому реальную силовую установку заменяют условным разогреваемым телом. Обозначив массу условного тела как Gус и его среднюю теплоемкость Сср , получим

62

где tисх , tг – температура исходного состояния и температура

готовности силовой установки, °С.

Массу условного тела можно определить, используя соответствующие значения коэффициента β , учитывающего конструктивные

особенности и технические характеристики силовой установки:

где Gм – суммарная масса двигателя, узлов системы охлаждения и

системы смазки.

Значения коэффициентов β и средней теплоемкости Сср , которые получены опытным путем, представлены в табл. 3.4.

Потери тепла в окружающую среду определяются по формуле

где KF – удельные потери тепла в час со всей поверхности охлаждения силовой установки при перепаде температур между теплоотдающей поверхностью и окружающей средой 1 °С, кВт/(ч °С); tд – сред-

няя температура поверхности охлаждения двигателя, °С; tср – средняя

температура окружающего воздуха, °С; τ – продолжительность разогрева силовой установки, ч.

При упрощенных расчетах значения КF, которые получены опытным путем, можно принимать в соответствии с показателями, приведенными в табл. 3.5.

63

Таблица 3.5

Значения KF

При скорости ветра 3 – 4 м/с величина удельных потерь тепла КF машины без утепления ее силовой установки должна быть увеличена на 30%. Если машина укрыта утеплительным чехлом, потери тепла могут составить 50% от расчетных значений. Результаты расчетов удельных потерь тепла с поверхности охлаждения силовой установки (масса ДВС до 1,0 т) с учетом различных условий предпускового разогрева представлены (рис. 3.6) зависимостями KF = f (t).

Рис. 3.6. Удельные потери тепла с поверхности охлаждения силовой установки в течение 1 ч работы подогревателя жидкостного: 1 – скорость ветра 3–4 м/с, разогрев силовой установки без утепления; 2 – безветренная погода, разогрев силовой установки без утепления; 3 – утепление силовой установки

64

Удельные потери тепла с поверхности охлаждения силовой установки могут быть описаны с достаточной достоверностью аппрок-

симации (R2 = 0,998) полиномиальным законом (табл. 3.6):

Методика расчета тепловой производительности индивидуального жидкостного подогревателя ПЖД по показателям

низшей теплотворной способности топлива и составляющим теплового баланса

Распределение тепла от сгорания топлива в подогревателе на полезно используемое и на потери характеризуется эффективным тепловым балансом.

Уравнение теплового баланса записывается в виде [12]

ккал/ ч.

Располагаемое тепло подсчитывается по часовому расходу топлива в подогревателе и его теплотворной способности:

65

где Hu −низшая теплота сгорания топлива (для дизельного топлива Нu =42 440), кДж/ кг; Gт −часовой расход топлива подогревателем,

кг/ч.

Для определения количества тепла, потребного для разогрева охлаждающей жидкости (тосол А-40), необходимо знать ее количество, расход и разность температур в начале разогрева и в конце разогрева:

где Gож −масса охлаждающей жидкости в системе охлаждения двига-

охлаждающей жидкости в начале и в конце разогрева, °С.

Vож − вместимость системы охлаждения двигателя с учетом котла по-

догревателя, л.

Количество тепла, потребного на разогрев моторного масла, определяется по формуле

масла в начале и в конце разогрева двигателя, °С.

В табл. 3.7 по результатам экспериментальных пусков подогревателей 14ТС-10 силовой установки с дизельным двигателем КамАЗ-740 (V8) представлены показатели продолжительности разогрева τ до состояния готовности к пуску двигателя с учетом температур окружающего воздуха tос и исходного теплового

состояния двигателя tисх , а также разница в температурах исходного

66

теплового состояния двигателя и готовности к пуску для охлаждающей жидкости ∆tож и моторного масла ∆tм .

Таблица 3.7

Разница температур охлаждающей жидкости и моторного масла в начале и конце разогрева

Количество тепла, отводимого с отработавшими газами, подсчитывается по разности теплосодержания (энтальпий) часовых количеств отработавших газов и свежего заряда:

α =1,5, кмоль/ кг; М1 −количество свежего заряда воздуха на килограмм топлива при α =1,5, кмоль/ кг.

Коэффициент избытка воздуха для подогревателей подсчитывается по формуле

где lт − теоретически необходимое количество воздуха для сгорания

67

где l0 −теоретически необходимое количество воздуха для сжигания

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при α =1,5 определяется

M2 = 0,0725 +0,063+0,052 +0,594 = 0,7815 кмоль/кг.

Средней теплоемкостью рабочего тела называется отношение количества теплоты, сообщаемой телу в заданном процессе, к изменению температуры при условии, что разность температур является конечной величиной. Величина теплоемкости зависит от температуры и давления тела, его физических свойств и характера процесса.

Для расчетов рабочих процессов обычно пользуются средними мольными теплоемкостями при постоянном объеме и при постоянном давлении. Между ними существует зависимость

Таким образом, из уравнения теплового баланса можно определить количество остаточного тепла, которое расходуется на разогрев двигателя и потери в окружающую среду:

По результатам экспериментальных исследований процесс разогрева силовой установки подогревателями с автоматизированным управлением режимами (полный, средний, малый) можно разделить на основной (температура охлаждающей жидкости на выходе из подогревателя не выше 70 – 75 °С) и дополнительные (подогреватель

68

переключается на режимы с меньшей подачей топлива) этапы. Из табл. 3.8 и рис. 3.7 видно, что начало разогрева двигателя (6–12 мин разогрева) в зависимости от исходной температуры характеризуется крайне низким темпом изменения его теплового состояния. Поэтому для основного этапа необходимо выделить начальный и эффективный периоды разогрева.

Рис. 3.7. Периоды и этапы разогрева двигателя подогревателем жидкостным: 1 – условная точка перехода от начального к эффективному периоду разогрева двигателя (основной этап); 2 – условная точка завершения основного этапа разогрева двигателя (готовность к пуску) и перехода к дополнительным этапам (средний режим); 3 – точка перехода

от среднего режима работы на малый режим

69

Таблица 3.8

Основные показатели экспериментальных пусков подогревателей с удельной тепловой производительностью 1,43 кВт/л

при разогреве дизельного ДВС V8 КамАЗ 740

Нетрудно найти количество тепла на разогрев силовой установки с учетом потерь тепла в окружающую среду для начального этапа разогрева Qостн и для эффективного этапа Qостэ . Данные в

табл. 3.8 приведены для силовой установки с дизельным двигателем V8 КамАЗ 740. tос – температура окружающей среды, °С; tисх – темпе-

ратура исходного состояния двигателя, °С.

На рис. 3.8 представлены зависимости времени разогрева силовой установки на начальном и эффективном периодах, а также на основном этапе от температуры исходного состояния силовой установки.

Рис. 3.8. Зависимости времени разогрева силовой установки на начальном, эффективном периодах, а также на основном этапе от температуры исходного состояния двигателя:

1 – начальный период; 2 – эффективный период; 3 – основной этап

70

Если в зависимости (3.7) заменить массу условного тела Gус , его среднюю теплоемкость Сср условным параметром U , который

характеризует теплопередачу тепла от охлаждающей жидкости к силовой установке, а также теплоотдачу тепла в окружающую среду и другим присоединенным к двигателю массам, то количество тепла для разогрева двигателя можно определить по следующей зависимости:

где U – условный параметр, характеризующий теплопередачу тепла от охлаждающей жидкости к силовой установке, а также теплоотдачу тепла в окружающую среду и другим присоединенным к двигателю

массам (табл. 3.9, рис. 3.9), °СкВтмин ; tг – температура готовности дви-

гателя к пуску, tг = 70 −75 °С; tисх – температура исходного теплового

состояния двигателя, °С; τ – продолжительность разогрева двигателя от температуры его исходного теплового состояния до температуры готовности (табл. 3.8, рис. 3.9), мин.

Таблица 3.9

Показатели процесса разогрева двигателя на среднем режиме по программе «нормальный»

Необходимо выбрать критическую зону силовой установки, по которой следует вести расчет параметра U . За критическую зону целесообразно принять менее разогреваемый цилиндр двигателя, поскольку по его тепловому состоянию могут определяться условия холодного пуска, а также показатели предельных значений износов для двигателей внутреннего сгорания.

71

Используя метод Эйлера и температурные зависимости состояния критической зоны (первый цилиндр), получим параметры теплоотдачи от охлаждающей жидкости в двигатель и теплопередачи от двигателя к окружающей среде U , а также темп разогрева V (см.

табл. 3.8, рис. 3.9, 3.10).

Необходимое количество тепла на начальном периоде разогрева можно определить по следующей зависимости:

где Uн – условный параметр, характеризующий теплопередачу тепла

от охлаждающей жидкости к силовой установке и теплоотдачу тепла в окружающую среду, а также другим присоединенным массам двигателя на начальном периоде разогрева (см. рис. 3.9); τI′ – время разо-

грева силовой установки на начальном периоде (см. рис. 3.8), ч; tтс –

температура двигателя в точке условного перехода от начального к эффективному периоду разогрева, °С.

Рис. 3.9. Зависимости условного параметра U от температуры исходного состояния двигателя на начальном и эффективном периодах разогрева: 1 – начальный период; 2 – эффективный период

72

Значение температуры двигателя в точке условного перехода от начального к эффективному периоду разогрева можно определить, зная значения темпов разогрева по формуле

где Vн – темп разогрева на начальном периоде (см. рис. 3.10), ºС/мин; τI′ – время начального периода разогрева силовой установки (см. рис.

3.9), мин.

Рис. 3.10. Зависимости темпа V от температуры исходного состояния двигателя на начальном и эффективном периодах разогрева:

1 – начальный период; 2 – эффективный период

Количество тепла, необходимого на эффективном периоде разогрева, можно определить по следующей зависимости:

где Uэ – условный параметр, характеризующий теплопередачу тепла

от охлаждающей жидкости к силовой установке и теплоотдачу тепла в окружающую среду, а также другим присоединенным массам двигателя на эффективном периоде разогрева (см. рис. 3.10); τI′′ – время

разогрева силовой установки на эффективном периоде (см. рис.3.9), ч.

73

Техническую производительность подогревателя по составляющим начального и эффективного периодов разогрева можно определить по следующей зависимости:

где Псун – техническая производительность подогревателя на начальном периоде разогрева, кВт; Псуэ – техническая производительность подогревателя на эффективном периоде разогрева, кВт.

Техническую производительность подогревателя Ппотр, рассчи-

танную с учетом теплопередачи и теплоотдачи в течение 1 ч работы, можно определить по формуле

где Пож – техническая производительность подогревателя в течение

1 ч его работы для разогрева только охлаждающей жидкости, кВт; Пм – техническая производительность подогревателя в течение 1 ч

его работы для разогрева только моторного масла, кВт.

Таким образом, определив потребное количество тепла, можно осуществить выбор подогревателя жидкостного по его тепловой производительности.

3.6. Расчет потребной тепловой производительности ПЖД для условий их эксплуатации в зимнее время

Рассчитать потребную тепловую производительность ПЖД для условий их эксплуатации в зимнее время в соответствии с методиками.

Исходные данные для расчета потребной тепловой производительности ПЖД представлены в прил. 16, 17.

В ходе выполнения расчетов и обоснования тепловой производительности подогревателей использовать данные прил. 18, 19, 20.

74

Контрольные вопросы

1.Каково основное содержание методики расчета тепловой производительности подогревателя в соответствии с рекомендациями СП 12-104-2002 «Механизация строительства. Эксплуатация строительных машин в зимний период»?

2.Какие недостатки и преимущества методики расчета тепловой производительности индивидуального жидкостного подогревателя (ПЖД) по показателям условной массы двигателей с учетом потерь тепла в окружающую среду вы знаете?

3.Каков порядок выполнения расчетов тепловой производительности индивидуального жидкостного подогревателя ПЖД по показателям низшей теплотворной способности топлива и составляющим теплового баланса?

4.Каковы результаты анализа расчета потребной тепловой производительности индивидуального жидкостного подогревателя?

75