3.2 Диагностика по концентрации продуктов износа в масле

Продукты износа деталей оборудования, взаимодействуя со смазывающей или охлаждающей жидкостью, являются причиной ее старения и утраты необходимых свойств. Если проводить количественный и качественный контроль как продуктов износа, так и состояния самой жидкости, можно установить источник поступления продуктов износа.

В связи с тем что многие дефекты в узлах трения связаны с местным поверхностным разрушением материала, характер и степень повреждения могут быть определены по количеству, размеру и конфигурации частиц продуктов износа и их химическому составу.

Интенсивность поступления продуктов износа в масло определяется скоростью изнашивания сопрягаемых деталей. Резкое увеличение концентрации металлических частиц в масле означает возрастание скорости изнашивания деталей вследствие появления дефекта. Заметное увеличение концентрации этих частиц обычно начинается за 20—30 ч до возникновения очагов локального разрушения деталей.

Предельно допустимые значения концентраций отдельных химических элементов в масле определяют путем предварительного анализа с учетом химического состава материала основных деталей двигателей, нормальной интенсивности их изнашивания, а также химического состава масла. Для смазки современных дизелей применяют масла с различными присадками. В них могут быть в значительных количествах те же элементы, что и в продуктах износа. Такой анализ позволяет установить характерные химические элементы (обычно легирующие элементы или составные части сплавов), входящие преимущественно в состав материала отдельных изнашиваемых деталей. Тем самым по химическому составу металлических примесей в масле можно судить об интенсивности износа не только дизеля в целом, но и отдельных его деталей или групп их.

В зависимости от конструкции и типа дизеля, от возможностей имеющегося диагностического оборудования в каждой пробе масла может быть определено содержание от 6 до 16 характерных химических элементов. Однако сложность и трудоемкость химического и спектрального анализов в судовых условиях вынуждает максимально упростить методику диагностирования путем ограничения количества определяемых элементов и применения экспресс-методов анализа.

Концентрация продуктов износа в масле зависит не только от скорости изнашивания, но и от срока службы масла и условий его очищения (фильтрации). Для заключения о техническом состоянии дизеля необходимо знать динамику процесса изменения содержания металлических частиц в масле. Динамический баланс можно записать в виде

где - интенсивность поступления продуктов износа в масло, кг/ч;

- интенсивность выведения продуктов износа из системы, кг/ч;

- масса продуктов износа в масле системы, кг.

τ – время, ч.

Концентрация продуктов износа в масле может быть определена как отношение массы продуктов износа, находящихся в масле, к общей массе вещества в системе:

где – масса масла в системе без продуктов износа в нем.

В период приработки узлов дизеля общая интенсивность изнашивания его деталей постепенно уменьшается, затем при отсутствии дефектов практически стабилизируется. Аналогична динамика изменения концентрации продуктов износа в масле. При диагностировании целесообразно для каждого типа дизелей иметь диаграмму (рисунок 3.6), отражающую процесс изменения концентрации после замены масла в дизелях с различным числом часов, отработанных после их изготовления или капитального ремонта (например, кривая 1 — для нового дизеля; 2— для дизеля, отработавшего 100 ч; 3 — для дизеля, отработавшего 300 ч; 4 — для дизеля после 600 ч работы; 5 — для дизеля после 1000 ч работы).

Рисунок 3.6 – Изменение концентрации продуктов износа в масле после его замены

Возрастание интенсивности изнашивания деталей какого-либо сопряжения дизеля приводит к увеличению общей интенсивности изнашивания и, соответственно, к повышению концентрации продуктов износа в масле. Однако характер возрастания будет зависеть от характера возникшего дефекта. Такое обстоятельство следует использовать при диагностировании. Для этого предварительно необходимо выяснить закономерности, присущие наиболее характерным группам дефектов. Известно, например, что ухудшение свойств масла в системе влечет за собой возрастание концентрации продуктов износа по линейному закону. Нарушение нормальной работы подшипников коленчатого вала вызывает резкое увеличение концентрации продуктов износа в масле.

Для обеспечения достоверности определения технического состояния дизеля, кроме учета динамики изменения концентрации продуктов износа в масле, необходимо соблюдать особые требования при отборе и анализе проб масла.

Отбор пробы масла следует производить при работе дизеля после окончания переходного процесса изменения концентрации продуктов износа, вызванного доливкой свежего масла или сепарированием.

Пробу нужно отбирать из масляной магистрали через специальный пробный кран или, при его отсутствии, через отверстие для маслоизмерительного щупа с помощью шприца, полихлорвиниловая трубка которого погружена в масло на 30— 50 мм (не допускать опускания трубки до дна емкости во избежание захвата отложений продуктов износа).

Пробы необходимо отбирать непосредственно в ту лабораторную посуду, в которой они будут подвергаться анализу (переливание проб из одной емкости в другую неизбежно приводит к погрешностям измерения в связи с оседанием более плотных по сравнению с маслом продуктов износа на дно и стенки первой емкости). Посуда не должна быть ферромагнитной или диамагнитной. Объем посуды должен приблизительно вдвое превышать объем пробы для возможности ее тщательного перемешивания перед анализом. Наиболее пригодны для указанных целей стандартные стеклянные пробирки диаметром 16 мм и высотой 150 мм.

Пробы масла обычно берут для контроля через каждые 100 ч работы дизеля, а также по потребности в случае появления необходимости.

Анализ проб масла с целью определения концентрации в нем продуктов износа может быть выполнен одним из доступных в условиях судна методов.

Массовый метод анализа заключается в выделении продуктов износа в виде осадка, его промывке, высушивании и взвешивании с точностью до 1 мг. Метод обеспечивает высокую точность, но является трудоемким.

Объемный метод анализа состоит в точном измерении объемов растворов, содержащих эквивалентные количества реагирующих между собой веществ, причем концентрация одного из растворов точно известна. В результате вычисляют количество исследуемого в составе продуктов износа вещества. Этот метод менее трудоемкий, чем массовый.

Спектральный экспресс-метод анализа основан на изучении спектров излучения при сжигании пробы масла в дуговом разряде между двумя угольными электродами. Такой анализ дает элементарный состав пробы. В качестве регистрирующих приборов при этой разновидности спектрального метода используют фотоумножители, которые позволяют определять концентрацию химических элементов во всем диапазоне значений, возможных при работе дизеля.

Длительность анализа с учетом приготовления пробы составляет около 10 мин. Метод по трудоемкости и быстроте пригоден для использования в условиях судна.

Магнитный метод анализа, применяемый для определения содержания в масле ферромагнитных примесей, основан на взаимодействии магнитных моментов пробы и прибора. Достоинством метода является быстрота анализа и полная сохраняемость пробы (на случай повторного анализа). Главная трудность в применении этого метода — отсутствие приборов (феррометров, магнитометров) промышленного изготовления, пригодных для использования в судовых условиях.

Оптический метод анализа основан на измерении инфракрасного потока, проходящего через кювету с пробой масла. Ослабленный загрязненным продуктами износа маслом поток излучения попадает на фотодиод, обеспечивающий линейную зависимость фототока от потока излучения. Отечественная промышленность серийно выпускает малогабаритный переносный прибор денситометр ОД-ШМ, реализующий описанный принцип и пригодный для использования в судовых условиях.

Продукты износа в смазочном масле

Процесс работы двигателя внутреннего сгорания сопровождается накоплением в смазочном масле продуктов износа, включающих следующие химические элементы: алюминий, сурьму, бор, хром, серебро, железо, свинец, кремний, медь, олово.

Алюминий характеризует износ алюминиевых поршней. Сурьма помогает определить, что является источником повышения содержания меди — головной или мотылевый подшипник. Бор используется как антикоррозионная присадка в охлаждающей воде, поэтому наличие бора свидетельствует о протечках в маслоохладителе. Необходимо иметь в виду, что при проведении эмиссионного спектрального анализа с графитовыми электродами бор иногда в больших количествах (как примесь) содержится в графите, что может привести к ошибочным результатам. Присутствие хроматов в смазочном масле также служит индикатором протечек охлаждающей воды, вызванных неисправностью сальников или трещинами в крышках, но при этом необходимо учитывать величину хроматов, поступающих от хромированных колец или втулок.

Увеличение концентрации меди и свинца происходит в двигателях с медно-свинцовыми подшипниками и указывает на начало повышенного износа одного или нескольких подшипников.

Рисунок 3.7 иллюстрирует результаты повышенного износа подшипников нижней головки шатуна, выразившиеся в изменении количества механических примесей в масле. Если подшипники сделаны из белого металла, происходит увеличение содержания свинца и олова в результате износа. Появление меди и олова может быть обусловлено износом бронзовых втулок верхней головки шатуна. Медно-свинцовые подшипники обычно покрываются свинцово-индиевым электроплатированным слоем толщиной около 0,0006 см, который облегчает приработку. Она может длиться несколько сотен часов, давая более высокую концентрацию свинца, чем меди. Это обстоятельство необходимо учитывать при анализе полученных значений концентраций.

Концентрация железа обычно возрастает вследствие износа цилиндровых втулок, поршневых колец или поршней (если они сделаны из материала, содержащего двухвалентное железо). Поршневые кольца, которые имеют заедание в канавках с последующим прорывом газов и возгоранием масляной пленки (ведущему к заеданию, задиру и поломке колец), также могут служить источником увеличения концентрации железа.

Рисунок 3.7 – График процесса разрушения нижней головки шатуна по анализу содержания примесей

Повышение концентрации железа и кремния возникает в результате повреждений в работе воздушного фильтра, приводящих к усиленному износу втулок и колец из-за присутствия пыли в нагнетаемом воздухе. Воздушные фильтры, установленные слишком низко на корпусе транспортного двигателя, могут пропускать кремниевые и железные частицы, которые поступают вместе с пылью тормозной колодки и являются причиной абразивного износа цилиндровых втулок и поршневых колец.

Кремний поступает в основном с воздухом в виде пыли. Некоторое увеличение концентрации кремния может быть обусловлено его добавлением в масло для уменьшения пены, поэтому необходимо делать поправку на уровень кремния в свежем масле.

Серебро используется как припой для покрытия подшипников. Присутствие его в масле означает ухудшение состояния соответствующих элементов.

Исследование источников примесей в масле двигателей внутреннего сгорания. Метод спектрального анализа масла достаточно известен и широко используется. Для эффективного применения этого метода необходимо приготовить порошки окислов элементов, которые входят в конструкционные материалы деталей двигателя.

Допустимая концентрация продуктов износа. Для составления заключения о техническом состоянии механизма существенным является знание предельного значения концентрации химических элементов.

Концентрация продуктов износа значительно меняется в зависимости от ряда факторов, которые определяются процентным содержанием химических элементов в детали, типом оборудования, эксплуатационными характеристиками, природой зарождающегося дефекта. В условиях эксплуатации при нормальной работе механизма концентрация меди и железа может достичь нескольких сотен частей на миллион (ч. н. м.), а в других случаях концентрация менее 50 ч. н. м. может означать близость отказа.

Кроме основных предельных значений величину допускаемой средней, низкой и нормальной концентраций иногда можно выразить через нормальное значение концентрации, умноженной на соответствующий коэффициент, т. е. для Аl, Си, Fе, Si высокая концентрация выше нормальной в два или три раза, средняя — в полтора-два раза, низкая — в полтора раза и для Cr соответственно в пять, три и два раза выше нормальной.

Из всех элементов кремний наиболее устойчиво определяет ту или иную неисправность. Когда величина концентрации кремния достигает среднего уровня, то это значит, что в двигателе имеется развивающаяся неисправность. Отклонения от нормальных параметров служат основанием для корректировки условий работы механизма до того, как концентрация достигнет предельной величины. Например, медные частицы из-за износа упорной шайбы двигателя могут достигнуть концентрации от 100 до 200 ч. н. м., но двигатель при этом будет работать вполне удовлетворительно, хотя в то же время даже небольшое увеличение концентрации алюминия при неисправности вкладыша масляного насоса или алюминиево-бронзового подшипника является опасным сигналом.

Спектральный анализ масла

Спектральный анализ масла (СПАМ) включает следующие операции: отбор проб масла, непосредственно спектральный анализ, интерпретация полученных значений концентрации, оценка технического состояния механизма.

Пробы следует отбирать с разогретого двигателя. Затем они должны быть хорошо перемешаны. Существует три метода отбора проб: 1) с помощью отбирающего клапана, 2) вакуумный отбор; 3) с помощью стекающей струи.

Отбирающий клапан, встроенный в маслопровод, позволяет получить пробу между сменами масла без остановки двигателя и большой потери масла. Клапан должен находиться вдалеке от движущихся частей и быть легкодоступным для использования.

Вакуумный отбор проводят с помощью работающего вручную отсасывающего насоса для вытягивания масляных проб из картера и других частей двигателя.

Метод стекающей струи состоит в отборе пробы при стекании осадка во время смены масла.