CC BY
17
образований // Сибирская финансовая школа, 2006. - № 2 [Электронный ресурс]. -URL: http://journaLsaftd.ru/ru/content/sostav-i-struktura-organizacionno-ekonomicheskogo-mehanizma-upravleniya-sobstvennostyu (дата обращения 12.06.2021).
16. Зотович Н.В. Организационно-экономический механизм управления предприятием энергетики: дис. канд. экон. наук: 08.00.05 Экономика и упр. нар. Хозяйством. УдГУ. Ижевск, 2010 [Электронный ресурс]. - URL: https://core.ac.uk/download/pdf/197420024.pdf (дата обращения 12.06.2021).
17. Косовских Е.А. Организационно-экономический механизм управления хозяйствующим субъектом (предприятием) на основе методов риск-менеджмента: дис. канд. экон. наук: 08.00.05 Экономика и упр. нар. Хозяйством. НГУ им. Н.И. Лобачевского. Нижний Новгород, 2010 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.unn.ru/pages/disser/581.pdf (дата обращения 12.06.2021).
18. Удальцова Н.Л. Организационно-экономический механизм функционирования отрасли национальной экономики // Экономические науки, 2012 - № 6 [Электронный ресурс]. - URL: https://ecsn.ru/files/pdf/201206/201206_94.pdf (дата обращения 12.06.2021).
19. Журавлев Д.М. Организационно-экономический механизм управления устойчивым развитием региона // Креативная экономика, 2019. - Т. 13. - № 2. - С. 249-259. [Электронный ресурс]. - URL:
https://www.researchgate.net/publication/331807075_Organizacionno-ekonomiceskij_mehanizm_upravlenia_ustojcivym_razvitiem_regiona (дата обращения 12.06.2021).
20. Цхурбаева Ф.Х., Фарниева И.Т. Организационно-экономический механизм управления предприятиями АПК // Terra Economicus, 2009. - Т. 7. - № 2. - С. 151154. [Электронный ресурс]. - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/organizatsionno-ekonomicheskiy-mehanizm-upravleniya-predpriyatiyami-apk (дата обращения 12.06.2021).
21. Холодкова К. С. Анализ подходов к определению сущности организационно-экономического механизма управления [Электронный ресурс]. - URL: https://web.snauka.ru/issues/2016/05/66404 (дата обращения 12.06.2021).
22. Бабкин А.В. Организационно-экономический механизм управления конкурентным устойчивым развитием предприятия радиоэлектронной промышленности // Российская экономика в условиях новых вызовов : материалы Всероссийской научно-практической конференции, Саранск, 13-14 декабря 2018 года / ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева». - Саранск: Индивидуальный предприниматель Афанасьев Вячеслав Сергеевич, 2018. - С. 140-145 [Электронный ресурс]. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36869041 (дата обращения 12.06.2021).
23. Маннапов Р.Г. Организационно-экономический механизм управления регионом: формирование, функционирование, развитие: монография. - М.: КНОРУС, 2008. - 352 с.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ВЫГОДА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАТЧИКА КОНТРОЛЯ ИММИТАНСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОТОРНОГО МАСЛА
Н.А. Жиляк, к.т.н., Белорусский государственный технологический университет gh_nadya@mail.ru;
Е.С. Колеснев, Белорусский государственный технологический университет, e.kolyasnev@gmail.com.
УДК 665.73_
Аннотация. Разработан датчик контроля иммитансных характеристик, подключаемых к измерителю иммитанса Е7-25. На основе тангенса угла диэлектрических потерь можно определять степень загрязнения моторного масла. Доказана экономическая выгода использования данного датчика в двигателях внутреннего сгорания.
Ключевые слова: датчик; тангенс угла диэлектрических потерь; моторное масло; экономическая выгода.
ECONOMIC BENEFITS OF USING AN IMMITANCE SENSOR FOR ENGINE
OIL
Nadezhda Zhilyak, Ph.D., Belarusian State Technological University; Evgeniy Kolesnev, Belarusian State Technological University.
Annotation. A sensor for monitoring immitance characteristics connected to an E7-25 immitance meter has been developed. The tangent of the dielectric loss angle can be used to determine the degree of contamination of the engine oil. The economic benefit of using this sensor in internal combustion engines has been proven.
Keywords: sensor; dielectric loss tangent; engine oil; economic benefit.
Введение
Надежность современных машин, механизмов и технологического оборудования определяется процессами, протекающими в трибологических системах, которые можно представить как «материалы пары трения - смазочный материал» (МПТ-СМ). Данные системы могут характеризоваться коэффициентом трения, прирабатываемостью, износостойкостью, приспосабливаемостью и самоорганизацией. Поэтому разработка средств и методов контроля состояния системы и процессов, происходящих в ней, является актуальной задачей, решение которой позволит создать теоретические и практические разработки, направленные на повышение надежности механических систем.
В настоящее время повышение надежности механических систем решается путем выбора износостойких конструкционных материалов и подбор к ним смазочных масел. Если вопросы применения износостойких материалов изучались более интенсивно и в этой области достигнуты значительные успехи при проектировании техники, то выбор смазочного материала для различных машин и механизмов, работающих в большом интервале температур, нагрузок и скоростей, относятся к более сложным задачам. Это вызвано тем, что часто в одном механизме применяется одно масло, а узлы трения выполнены из конструкционных материалов с широким диапазоном механических свойств. Кроме того, на рынке существует большое количество масел, применение которых для разных механизмов практически не обосновано. Ресурс работы масел на минеральной, синтетической и смешанной основах принят постоянным и регламентируется заводами-изготовителями по наработке часов или километрам пробега для автотранспорта. Эти параметры не учитывают режимы и условия эксплуатации, техническое состояние узлов трения, состояние системы фильтрации масла и его свойства.
Процессы, происходящие в трибосистемах, в значительной мере зависят от свойств смазочного материала, которые задаются с помощью их легирования функциональными присадками или их комплектом. Однако при эксплуатации техники, свойства смазочного материала (вязкостные, окислительные, фрикционные, диспергирующие и др.) изменяются вследствие протекания окислительных процессов, температурной и механической деструкций, химических реакций материалов деталей машин с продуктами, образующимися при старении масел.
Процессы, происходящие в системе «МПТ-СМ», в большей мере зависят от степени окисления смазочного материала, а если учесть, что они более интенсивно протекают на поверхностях трения, за счет более высоких температур и каталитического влияния материалов пар трения, то становится понятным, насколько весома связь и взаимовлияние элементов этой системы на ее надежность [1].
В процессе эксплуатации моторные масла выполняют следующие основные функции:
• обеспечение минимального износа и чистоты узлов трения в широком интервале температур;
• предотвращение коррозии деталей в процессе эксплуатации;
• отвод тепла от трущихся поверхностей и удаление продуктов износа из зоны трения в систему фильтрации.
Ресурс моторных масел является важным эксплуатационным показателем, так как оказывает основное влияние на надежность двигателей внутреннего сгорания и зависит от их конструктивных особенностей, степени форсирования, технического состояния цилиндропоршневой группы, режимов работы, состояния системы фильтрации, герметичности масляной системы и от качества самого масла.
Сроки замены моторного масла при ТО устанавливаются заводами-изготовителями на основе полигонных и моторных испытаний и регламентируются в километрах пробега или моточасах. Использование такой системы не требует применения специальных средств контроля моторных масел в процессе эксплуатации двигателей, но не обеспечивает эффективного их применения, так как, например, на ресурс моторных масел оказывают влияние доливы, вызванные его угаром, а также герметичность масляной системы. При частых доливах масло восстанавливает свои свойства, а значит, ресурс его должен быть увеличен, однако существующая система технического обслуживания этого фактора не учитывает.
Еще одним фактором необходимости определения ресурса моторных масел является появление большого количества минеральных, синтетических и частично синтетических масел. Применение импортных масел без установления их ресурса для конкретных двигателей в существующей системе техобслуживания неэффективно и приводит к увеличению эксплуатационных затрат, так как они не вырабатывают свой ресурс.
Важное влияние на ресурс моторных масел оказывают условия работы, которые характеризуются эксплуатационными и внешними параметрами:
• частыми пусками и прогревом двигателей при эксплуатации в холодное время;
• переменными нагрузочными, скоростными и температурными режимами;
• вибрациями, колебаниями и ударами однократного и многократного действия;
• отклонениями от нормального теплового режима работы.
Нагрузочный режим работы двигателей устанавливается в зависимости от запроектированных температурных параметров и условий эксплуатации транспортных средств. В этом случае сохраняется оптимальный расход ресурса как машины в целом, так и смазывающего материала в частности. Увеличенные интенсивности эксплуатации приводят к значительным нагрузкам на силовую установку, что в свою очередь ведет к повышению температурных режимов ее работы, снижению технического и эксплуатационного ресурса механических систем и смазочного материала. Температурный режим работы двигателей является определяющим параметром, влияющим на ресурс применяемого смазочного материала, и оценивается по температуре охлаждающей жидкости и масла на выходе из двигателя. Оценка по тепловому параметру масла производится не на всех транспортных средствах, машинах и механизмах. Вследствие этого основным параметром оценки остается температура охлаждающей жидкости.
Системы смазки пар трения в двигателях по способу подачи масла к трущимся деталям могут быть с подачей масла разбрызгиванием, с непрерывной подачей масла под давлением и комбинированным способом.
При эксплуатации в системе смазки происходят изменения, приводящие к нарушению работоспособности системы. Основными признаками неисправности являются перегрев двигателя, низкое давление в системе смазки, загрязненность смазочного материала и его высокий расход на угар. Нарушение работоспособности системы смазки снижает ресурс смазочного материала и является основной причиной аварийного выхода техники из строя с дальнейшей длительной невозможностью ее эксплуатации. Снижение давление масла в системе смазки двигателя может быть вызвано недостаточным его количеством, перегрузкой или изношенностью деталей цилиндропоршневой группы, загрязненностью масляных радиаторов, нарушающих теплоотвод, неисправностью редукционных клапанов масляных насосов. В период запуска двигателя в холодный период масло при низкой температуре плохо прокачивается в системе, дольше задерживается в зазорах сопряженных деталей, что приводит к повышенному износу деталей вследствие отсутствия масляной пленки на их поверхностях.
Продолжительная эксплуатация масла в системе смазки приводит к изменению его состава и прежде всего с разжижением масла топливом, как следствие нарушения тепловых режимов работы двигателя и значительным его износом, а также загрязнению продуктами окисления, продуктами сгорания топлива (сажей), частицами износа трущихся деталей и другими эксплуатационными примесями. Кроме того, происходит уменьшение количества смазочного материала в системе вследствие испарения и угара. Все эти показатели ухудшают физико-химические свойства масел и, как следствие, снижают его эксплуатационный ресурс.
Воздействие внешней среды на ресурс смазочного материала оценивается запыленностью воздуха, влажностью, резкими перепадами температур, характерными для многих районов, в которых эксплуатируется техника. Степень запыленности оценивается содержанием пыли в единице объема воздуха. Пыль является причиной интенсивного износа трущихся деталей, а попадая в смазочный материал является основным компонентом его загрязнения. Работа двигателей в условиях запыленности приводит к повышению тепловых режимов эксплуатации.
Процесс теплоотвода нарушается вследствие оседания пыли на агрегатах, узлах и механизмах.
Основным направлением для увеличения ресурса и надежности двигателей является организация проведения периодического контроля состояния моторного масла. Вышеизложенное обуславливает актуальность задачи разработки конструкции датчиков и исследования с их помощью качества моторных масел.
Для определения состояния моторного масла можно использовать параметр изменения его относительной диэлектрической проницаемости Ав. Загрязнения, несомненно, будут оказывать влияние на величину параметра Ав [2].
Однако, стоит заметить, что изменение величины диэлектрической проницаемости (а, следовательно, и емкости) в зависимости от срока эксплуатации и загрязненности масел составляет несколько процентов. По этой причине емкость датчика - малоинформативный параметр.
Если представить масло как диэлектрик, то в качестве контролируемого параметра, в настоящее время, используется измерение тангенса угла диэлектрических потерь Изменение показаний емкостного датчика при этом обусловлено как изменением tgS, так и емкостью.
Для контроля жидких сред использование емкостных ячеек является базовым подходом к созданию датчиков. Эти ячейки позволяют получить конкретную информацию о диэлектрических потерях в жидких средах на основании отклика на различных частотах зондирующего сигнала.
Использование тангенс угла диэлектрических потерь ^5), а также емкости (диэлектрической проницаемости) говорит о загрязненности масла как диэлектрика. Изменение показаний емкостного датчика при этом обусловлено изменением tg5 [2]. В качестве регистратора tg5 использовался измеритель иммитансных характеристик Е7-25.
Нами были исследованы зависимости tg5 масла марки М12В2 с использованием конструкций конденсаторов с коаксиальными спиралевидными и плоскопараллельными пластинами, помещенными в жидкую среду при комнатной температуре. Конструкции плоскопараллельного конденсатора имели две разновидности: со сплошными обкладками и обкладками в виде сетки.
Объектами исследования являлись емкостные датчики и электрофизические характеристики моторных масел.
В табл. 1 приведены значения загрязненности проб моторного масла М14В2.
Таблица 1.
Номер пробы Загрязненность, мото-часов Примечание
1 — Чистое
2 153,50 —
3 320,10 —
4 465,20 Присутствует вода
5 628 —
6 907,2 —
В результате проведенных исследований получены следующие зависимости.
На рис. 1 и 2 приведены зависимости от частоты угла сдвига фаз между действительной и мнимой частью комплексного сопротивления проб масел, отличающихся степенью загрязненности, которая вызвана сроком эксплуатации. Из рис. 1 и 2 видно, что зависимость угла сдвига фаз между действительной и
мнимой частью комплексного сопротивления (проводимости) ф обратно пропорциональна частоте во всем рассматриваемом диапазоне.
На рис. 3 представлена зависимость tgS от наработки часов для частоты 65
Гц.
Рисунок 1
Рисунок 3
Этот рисунок позволяет сделать следующее заключение: при увеличении загрязненности tgS уменьшается по нелинейному закону. В диапазоне загрязненности от 0 до 200 единиц наблюдается незначительный, в пределах 10% рост tgS, после чего tgS уменьшается с ростом загрязненности. При загрязненности около 600 единиц значение tgS уменьшается примерно в 2 раза от исходного значения.
Таким образом, показано, что загрязненность моторных масел влияет на их электрофизические характеристики, в частности, на тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическую проницаемость и угол сдвига фаз между действительной и мнимой частью комплексного сопротивления.
Количественный разброс ф от загрязненности зависит от выбора частоты в качестве фиксированной. Так на частоте 25 Гц изменение ф составляет порядка 45% от максимального до минимального значения. При частоте 100 Гц это изменение составляет уже порядка 10%, а на частоте 1 кГц - порядка 1%.
Конструкция предложенного конденсатора позволяет при соответствующей доработке использовать его в качестве датчика, размещенного в магистралях подачи масла в механические системы, а также в магистралях отбора масла из механических систем и внутри их.
В НИЛ 5.3 проводились исследования диэлектрических характеристик пробы моторных масел для дизельного двигателя трактора ХТЗ-17021 с двигателем «Дойтц» с различной наработкой и выполнением их анализа.
Анализируя результаты, нужно отметить, что предельного значения, за время работы моторного масла Маст-ЭкстраДизель в тракторе ХТЗ-17021, достигла только вязкость при наработке 237 часов (увеличение 48,2%) и эксплуатация такого масла не рекомендуется. Дальнейшая эксплуатации показала, что вязкость продолжает увеличиваться, а скорость поступления продуктов износа (железа) в масло остается на том же уровне и составила 3,97 мг/ч или 0,16 мг/л израсходованного топлива.
Рост вязкости происходит за счет увеличения продуктов неполного сгорания топлива, продуктов окисления и сажи, о чем свидетельствуют повышенные значения относительной диэлектрической проницаемости. Также необходимо уделить внимание работе топливной аппаратуры.
Анализ основных браковочных показателей качества масла АЗМОЛ Турбо 1 SAE 15W-40 API SG/CF-4 с разной наработкой (табл. 1) показал, что предельное значение имеет показатель коксуемости 4,89%, в результате чего дальнейшая эксплуатация масла была прекращена.
Результаты анализа моторного масла DEUTZ OEL TAD SAE 15W-40 API CF-4 из трактора с наработкой масла 317 часов пригодно к дальнейшей эксплуатации, а из трактора с наработкой масла 471 час рекомендуется заменить, так как предельного значения достигла вязкость (увеличение на 40,7%) и коксуемость 4,25%. Скорость поступления железа в моторное масло составило 2,65 мг/ч и 0,11 мг/л израсходованного топлива. Температура вспышки изменялась от начального значения на 5-15°С.
На рис. 4. представлено изменение диэлектрической проницаемости моторных масел от времени работы в двигателе: 1 - ХТЗ* 17021 (Азмол Турбо-1 SAE 15W-40); 2 - ХТЗ-17021 (Маст-Экстра Дизель SAE 15W-40); 3 - Komatsu HD 1200-1 (ESSO SAE 15W-40); 4 - БелАЗ 75121-20 (Крол Альфа SAE 10W-40).
Рисунок 4
У моторных масел «Азмол Турбо 1» SAE 15W-40 API SG/CF-4 и «Маст-Экстра Дизель» SAE 15W-40 APISG/CD , которые проработали в двигателе «Дойтц» трактора ХТЗ-17021 при выполнении полевых сельскохозяйственных работ по обработке почвы 378 часов = 3,52 s и 574 часа = 3,51 в.
Моторное масло ESSOLUBE XT 401 SAE 15W-40 API CF-4 проработало в двигателе автомобиля самосвала Kamatsu HD 1200-1 464 часа = 2,46.
Полусинтетическое моторное масло Крол Альфа SAE 10W-40 API CF-4/SG отработало в двигателе автомобиля БелАЗ 75121-20 503 часа = 2,43.
Наибольшее значение диэлектрическая проницаемость достигает при работе в двигателе трактора, чем в двигателе автомобилей самосвалов.
Диагностируя качество моторного масла по диэлектрической проницаемости, можно с большей достоверностью утверждать о фактическом состоянии работавшего масла, чем по наработке.
При уточнении периодичности диагностирования моторных масел необходимо устанавливать предельное значение диэлектрической проницаемости индивидуально для каждого трактора, учитывая техническое состояние двигателя и его систем, качество применяемого масла и внешние условия эксплуатации.
Зная скорость поступления продуктов изнашивания в масло, при работе двигателя в одинаковых условиях, на маслах различных производителей можно с большей достоверностью утверждать о работоспособности двигателя на этих маслах.
Для контроля загрязненности масла как диэлектрика используется тангенс угла диэлектрических потерь (tgS), а также емкости (диэлектрической проницаемости). Изменение показаний емкостного датчика при этом обусловлено изменением tg8. В качестве регистратора tgS использовался измеритель иммитансных характеристик Е7-25 - портативный прибор класса точности 0,15% с широким диапазоном рабочих частот.
Нами были исследованы зависимости tgS масла марки М14В2 с использованием конструкций конденсаторов с плоскопараллельными и коаксиальными спиралевидными пластинами, помещенными в жидкую среду при комнатной температуре. Конструкции плоскопараллельного конденсатора имели две разновидности: со сплошными обкладками и обкладками в виде сетки.
На рис. 5 представлена зависимость величины tgS от частоты для моторного масла М14В2 с нулевым временем наработки (Д1 - плоскопараллельный; Д2 -спиралевидный; Д3 - сетчатый).
Рисунок 5
Из анализа данных графика можно сделать следующие выводы:
• в диапазоне частот 100-500 кГц показания датчиков с плоскопараллельными и сетчатыми обкладками практически идентичны и tg5 находится на уровне (3-7)-10-3;
• для спиралевидного датчика численное значение tg5 почти в 2 раза выше на данных частотах;
• на частотах 500-1000 кГц и чувствительность спиралевидного датчика значительно возрастает.
Недостаток ранее использованных датчиков - анизотропия скорости смены диэлектрической среды (масла) между сплошными обкладками в процессе измерения относительно осей координат обкладок. По осям X, У смена масла проблем не вызывает, а по оси Z, перпендикулярной плоскости Х-У, замена масла затруднена. Вследствие повышенного сопротивления протекания масла, повышаются требования к жесткости конструкции датчика, а также возникает временная задержка при считывании показаний. Для снятия затруднений проточности масел по трем пространственным осям Х-У-2 существенные преимущества имеет сетчатый и в большей степени спиралевидный датчики.
У каждого ДВС есть регламентированное техническое обслуживание, когда все моторное масло заменяется на новое. Рассмотрим двигатель «Дизель Д49». Он устанавливался в тепловозы «2ТЭ10МК».
Тепловозы семейства ТЭ10 выпускались более 50 лет с 1958 по 2007 гг., сначала на Харьковском тепловозостроительном заводе, затем выпуск продукции наладил Ворошиловградский завод транспортного машиностроения. Двухсекционые мощные тепловозы с успехом заменили паровозы, которые имели одиночную тягу. Усовершенствованные технические показатели локомотивов и их роль в развитии советского железнодорожного транспорта были отмечены правительством. Разработчики награждены дипломами и медалями. В 1981 г. завод
70
наладил выпуск локомотивов серии «2ТЭ10МК» - магистральный двухсекционный грузовой локомотив мощностью 3000 л.с. [3].
На работу двигателя «Дизель Д49» уходит 300 литров масла: 225 литров в верхнем картере, 55 литров в нижнем картере и 20 литров отводится для труб и теплообменника [3].
На рис. 6 представлен двигатель «Дизель Д49» тепловоза.
Рисунок 6
Срок службы моторного масла марки М14В2 в данном двигателе составляет 30 000 км. Следовательно, после прохождения тепловозом данного расстояния требуется замена моторного масла. При использовании датчика контроля иммитансных характеристик можно отслеживать диэлектрические потери. На основании этих данных можно сделать вывод о целесообразности замены моторного масла.
Если рассматривать экономическую составляющую данного вопроса, то цена 1 литра М14В2 около 2,3$ (на декабрь 2021 г.). Стоимость 300 литров масла соответственно будет 690$. Не учитываем фильтры, работы по замене и утилизации отработанного масла. Если предположить, что данное моторное масло прослужит 32 000 км, то экономическая выгода составит около 6,7%. В денежном эквиваленте это около 48$.
Заключение
Подводя итоги, можно смело сказать, что при использовании датчика контроля иммитансных характеристик получить экономическую выгоду в обслуживании двигателей внутреннего сгорания не составит труда.
Литературы
1. Берко А.В. Метод контроля моторных масел по параметрам термоокислительной стабильности и триботехническим характеристикам: Дис. Док.тех.наук: 05.11.13 [Место защиты ТПУ], 2015. - 164 с.
2. Батурля И.В., Кузьмич А.И., Баранов В.В., Петрович В.А., Серенков В.Ю., Завацкий С.А., Фоменко Н.К., Ковальчук Н.С. Диэлектрические характеристики моторных масел для силовых агрегатов, измеряемые емкостными датчиками // Доклады БГУИР, 2016. - № 3 (97). - С. 103-106.
3. URL https://seltrans.ru/ru/blog/teplovoz-2te10mk (дата обращения - декабрь 2021 г.).
4. Дмитренко И.В. Особенности конструкции, эксплуатации и обслуживания дизелей типа Д49: Методическое пособие для студентов специальности 1507 «Локомотивы» для всех форм обучения. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2002. - 40 с.
