CC BY
145
УДК 621.22; 62-404.2
ИЗМЕНЕНИЕ РАБОЧИХ СВОЙСТВ МИНЕРАЛЬНЫХ МАСЕЛ ПРИ ТЕМПЕРАТУРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Н.Н. Трушин, А.А. Чиликин
Анализируются изменения рабочих свойств минеральных масел, предназначенных для гидравлических приводов, происходящих под продолжительным температурным воздействием.
Ключевые слова: минеральное масло, температура, нагрев, вязкость, окисление, полимеризация масла.
Рабочая жидкость в гидроприводе за счёт своего объёма служит переносчиком энергии и импульса. Кроме того, она выполняет функции смазывающего и охлаждающего агента, защищает от коррозии, удаляет из системы продукты износа. Рост рабочих давлений и расширение диапазона температур увеличивают количество требований, предъявляемых к рабочей жидкости.
В зависимости от типа оборудования, в котором будет применяться рабочая жидкость, она должна обладать своими уникальными свойствами, которые определяют её качество. Ухудшение показателей масла приводит к снижению производительности и повышению износа подвижных частей гидропривода. Процесс постепенного снижения качества масла называется старением или износом рабочей жидкости.
Существуют различные методы косвенного определения степени физического износа и периодичности работ по обслуживанию гидропривода и замене РЖ:
по календарному времени работы оборудования; по фактическому времени работы оборудования; по объёму выполненной оборудованием работы; по текущему техническому состоянию оборудования; по комбинации каких-либо перечисленных методов [1]. В данной статье рассматривается другая методика, позволяющая автоматизировать оценку изменения состояния РЖ и не привязывать её замену к рабочему времени. Таким образом, она является не косвенным, а прямым методом определения износа РЖ.
Для того, чтобы лучше понимать этот процесс, необходимо знать фундаментальную основу получения масел для гидроприводов. Как известно, масла для гидросистем могут иметь две базовые основы - минеральную или синтетическую. К основе добавляются присадки, которые должны улучшать базовые свойства жидкости и замедлять появление не-
211
желательных свойств. Химический состав базовых масел и структура входящих в их состав углеводородов определяются как природой перерабатываемого сырья, так и технологией его переработки [2].
Износ масла - это сложный процесс, протекающий под воздействием различных внешних и внутренних факторов, которые будут изменять свойства масла в течение долгого времени, недель и месяцев. Из них температурное воздействие оказывается самым сильным на износ масла.
Самым важным параметром масла, изменяющимся под температурным воздействием, является его коэффициент вязкости. Вязкостные свойства масла являются определяющими при работе гидропривода. Так,
вязкость рабочей жидкости при +50 0С должна быть не ниже 10 мм2/с, а
при -40 °С - не более 1500 мм2/с.
Вязкость - это свойство жидкости, заключающееся в возникновении в ней внутренних сил, препятствующих её деформированию, и проявляющееся при изменении относительного положения её частиц [3].
В зависимости от природы и типов рабочих жидкостей их вязкостно-температурные характеристики различны. Так, для РЖ на нефтяной основе зависимость вязкости от температуры определяется уравнением Вальтера, которое было выведено опытным путём [1].
Зависимость вязкости от жидкости является очень существенной: вязкость минерального масла при изменении температуры от -50 до
+50 °С изменится в 250 раз .
Однако не всегда удаётся измерить вязкость различных жидкостей при одинаковых температурах. К тому же вязкость жидкости также зависит от её состава и структуры. По уровню вязкости масла можно
разделить на маловязкие (3...4 мм2/с при 100 °С ), средневязкие (4...6
мм2/с при 100 °С), и вязкие (8...96 мм2/с при 100 °С и выше).
Из существующих углеводородов нефти парафиновые характеризуются наименьшей вязкостью. Добавление к маслу высокоплавких парафиновых углеводоров снижает её вязкость, так как их
вязкость крайне низка (10...12 сст на 38 °С ).
Разница в строении обычных и изопапарфиновых углеводородов слабо сказывается на коэфициенте вязкости. При разветвлении цепи вязкость парафиновых углеводородов немного повышается при средних
температурах (38...50 °С) и снижается при температуре около 100 0С. Вязкость циклических углеводородов (нафтеновых, ароматических) выше, чем парафиновых. Поэтому основное влияние на абсолютное значение вязкости оказывают циклические углеводороды и их алкипроизводные [4].
Кроме вязкостно-температурной характеристики, другим важным показателем качества масла является его химическая стабильность к кислороду воздуха. Постоянное воздействие высоких температур резко ускоряет окислительные процессы в масле. Окисление масла может происходить в общем его объёме (толстом слое) либо в тонком слое, когда масло проходит через цилиндро-поршневые узлы трения. Во втором случае масло находится в положении, в котором оно одновременно соединяется с кислородом и металлом одновременно. Свойства сопротивления масла окислению называют его термоокислительной стабильностью.
Окисление масла - крайне сложный процесс, течение которого в различных направлениях определяется множеством фактором, таких, как условия эксплуатации и химический состав масла. Окисление - это химическая реакция молекулы масла с кислородом, который присутствует в окружающем воздухе или растворён в самом масле. В процессе окисления масла реакция приводит к постепенному добавлению кислорода к молекулам базового масла.
Рабочая температура масла оказывается определяющее влияние на скорость и направление окислительных реакций. Существует зависимость, определяющая скорость окисления РЖ при её нагреве. Изучение окисления минеральных масел в пределах -50...100 0С показало, что окисление начинается уже при достаточно низких температурах и с её ростом этот процесс значительно ускоряется. Скорость этого процесса выражается температурным коэффициентом скорости окисления, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость окисления масла с повышением её температуры на каждые 10 0С . У различных масел этот коэффициент отличается, но варьируется в пределах 1,3 - 2,3.
С течением времени всё больше различных углеводородов вовлекается в процесс окисления. В некоторых из них происходит разрыв углеродной цепи. Начинают происходить реакции конденсации и окислительной полимеризации, что приводит к изменению химического состава масла и насыщению его новыми веществами. В зависимости от типа масла и условий его применения в нём могут появиться следующие продукты: низкомолекулярные и высокомолекулярные кислоты, оксикислоты, спирты, альдегиды, кетоны, фенолы и другие вещества.
Образующиеся оксикислоты дают начало сложным эфирам и непредельным кислотам. а-Оксикислоты конденсируют в лактоны и эстолиды [5].
Окисление масла может привести к непредсказуемым последствиям. Присутствие карбоновой кислоты может вызвать кислотную коррозию. Усиление окисления масла приводит к увеличению кислотного числа, после чего, обычно, начинается процесс формирования нагара и шлаков. Объединение кислотосодержащих продуктов реакции, карбоновых кислот
и гидроперекисей, и приводит к образованию шлака и нагара. Этот процесс называется полимеризацией. Так как вязкость масла связана с размером молекул, объединение молекул приводит к увеличению вязкости. Полимеризация может продолжать достаточно долгое время и в конечном итоге это приведёт к такому чрезмерному увеличению молекул, что среда из жидкой превратится в твёрдую, масло затвердеет. Подобно другим химическим реакциям скорость окисления имеет экспоненциальную зависимость от температуры среды и времени контакта масла с кислородом.
Многочисленными наблюдениями и исследованиями установлено, что некоторые металлы и их соли каталитически ускоряют окисление масел. Железо, медь, никель, свинец, марганец и цинк являются самыми активными катализаторами и ускоряют процесс окисления, из-аз появления в процессе работы нафтеновых солей. А с другой стороны, такие металлы как алюминий или олово не только влияют на скорость окисления, но и могут замедлить её.
Также скорость окислительных процессов возрастает при наличии в РЖ воды, так как она активирует указанные выше катализаторы [6].
При разработке и испытании гидравлических жидкостей их рабочие свойства проверяются на испытательных стендах, где масла подвергаются различным воздействиям и в том числе температурным. Экспериментально установлено, что температурный фактор является крайне важным при использовании масел. Нагрев жидкости изменяет химию и физику масел. Меняется химическая структура молекул, образуются новые вещества, увеличиваются расстояния меду молекулами и скорости их перемещения.
Воздействие температуры на изменение свойства масел нелинейно и зависит также от сторонних фактором, таких, как наличие присадок и времени рабочего цикла гидропривода. Производители оборудования могут ограничивать его работу, если температура масла превысит определённый рубеж. Авторами статьи было проведёно лабораторное исследование, в ходе которого изучена работа французского пресса CMS фирмы REP International. В их системе управления присутствует система контроля температуры рабочей жидкости. При включении пресса происходит подготовка масла, в процессе которого его температура приводится к рабочему
уровню в 20 °C. После этого оборудование можно использовать в обычном режиме. Далее температура масла постоянно контролируется в
автоматическом режиме и в случае превышения отметки в 45 °C контроллер отключает литьевую машину.
Но на большинстве оборудования такого ограничения нет или остановка работы машина невозможна в связи с особенностями её работы. Поэтому необходимо постоянно контролировать температуру и продолжительность её воздействия.
Как было сказано выше, примерно с 50 °С скорость окисления масла увеличивается в два раза с повышением температуры на каждые
10 °С. Это означает, что скорость деградации масла также увеличивается в два раза. В процессе работы гидропривода можно наблюдать постоянные изменения температуры масла.
На промышленном оборудовании, таком, как прессы или металлообрабатывающие станки, изменения температур могут повторяться от цикла к циклу. Анализируя суточные изменения температуры масла в их гидроприводе, можно построить диаграмму, изображённую на рис. 1. Периодичность изменения температур связана с порядком работы оборудования. Их рабочий цикл состоит из повторения одних и тех же действий соответственно, и нагрузки на гидропривод изменяются с одинаковой периодичностью. Это приводит к равномерным изменениям температуры РЖ.
Т/Сд
Нафев 1-ый цикл 2-ой цикл 3-й цикл М- цикл Время работы
маслэ
Рис. 1. Диаграмма цикличных изменений температуры РЖ
в гидроприводе
Тем не менее, на большинстве оборудования изменения температуры масла имеют случайный характер. В процессе работы могут произойти случайные чрезмерные нагрузки, которые приводят к быстрому повышению температуры. Такое может произойти с гидроприводом экскаватора. Работая с различным пластами горной породы, его ковш может упереться в слой земли такой твёрдости, разрушение которой потребует максимальной нагрузки на гидропривод. Обычно температура РЖ постепенно повышается, но возникновение таких резких нагрузок приводит к резким повышениям температуры.
Изменения температуры могут быть как предусмотренными, так и иметь хаотический характер. На рис. 2, а представлен вариант с равномерным повышением температуры. Пунктирная линия отображает её среднее
квадратичное изменение. Из рис. 2, а видно, что температура, достигнув максимально допустимого значения, начинает снижаться. Это говорит о том, что диаграмма описывает систему с автоматизированным контролем температуры жидкости.
На рис. 2, б показана вариация случайных изменений температуры РЖ, которые сопровождаются кратковременными повышениями и понижениями её уровня.
Рабочий цикл Время
а
б
Рис. 2. Диаграмма случайных изменений температуры РЖ в гидроприводе: а - при равномерном повышении температуры; б - при случайных изменениях температуры РЖ
Как видно из диаграммы, температура РЖ в течение рабочего времени изменяется неравномерно. Присутствие охлаждающей аппаратуры и периодические нагрузки заставляют температуру изменяться по опреде-
216
ленному закону. В зависимости от типа оборудования и режима его работы изменения эти будут различаться, и температура может при пиковых нагрузках увеличивать свой рабочий максимум, а также продолжительность воздействия.
Для определения скорости температурной деградации масла необходимо делать периодические измерения температуры масла и анализировать их. Стоит отметить, что продолжительное поддержание температуры
масла на уровне 70 °С может оказать на её свойства более пагубное влияние, чем кратковременное воздействие более высокой температуры в
100 °С. Для определения зависимости «время - температура» будем через равные промежутки времени производить замеры, таким образом, подвергая масло постоянному контролю.
Получая температуру и выстраивая график её изменения, будет получена термограмма, представляющая собой кривую линию, которую предстоит анализировать для определения степени деградации масла. Оптимальными промежутками времени установим 1 минуту. Это время представляется наиболее оптимальным. Увеличение шага будет давать погрешности по сроку воздействия новой температурной величины. Уменьшение шага не имеет практического смысла, так как в гидравлических приводах не возникает ситуации, когда температура РЖ может быстро увеличиться и затем вернуться на предыдущий уровень за столь короткий промежуток времени. Полученный результат представим в виде двух кривых зависимости температуры от времени, что изображено на рис. 3.
температура
а
тг°с t
—> Время
S ^ t Время О
Рис. 3. Применение метода трапеции: а - для анализа температуры РЖ; б - трапециевидный участок замера температур
217
$тр (а + Ь)И , (1)
$тр — (Т - 50) + (Тп_1 - 50))*, (2)
Для анализа термограммы масла необходимо провести интерполяцию кривой температуры [7]. Установка временных промежутков позволила выделить набор дискретных точек, отмечаемых на пересечении прямой перпендикулярной ко времени наработки масла с кривой температуры. Две таких последовательных точки образуют прямую линию, которая позволит сделать приближённые измерения. Также установим нижнюю границу температуры в 50 °С, так как с этого уровня начинается ускоренное окисление масла.
Выделяя таким образом участки кривой, получим прямоугольную трапецию, вписанную между дискретными точками с замерами температур.
Влияние температуры между замерами оцениваем, рассчитывая площадь трапеции
1 2
где а, Ь - основания трапеции; И - высота трапеции.
Преобразовывая формулу площади трапеции для вычислений, получаем
1 2
где Тп - последняя температура; Тп-1 - предыдущая температура; * -время между замерами.
Рост или снижение температуры будет изменять площадь трапеций, сообщая, таким образом, о тепловых нагрузках, действующих на масло. В течение всего рабочего времени гидропривода собираются данные о температуре, и в каждый заданный промежуток времени будет происходить расчёт новой трапеции. Все получаемые значения будут накапливаться и суммироваться. В результате будет получено новое значение - коэффициент температурной деградации масла. В зависимости от типа минерального масла его предельное значение может быть различно. Как только этот коэффициент достиг своего предела путём анализа и суммирования результатов анализа термограммы, это сообщит о том, что масло разрушено термическим воздействием.
Для контроля температурного износа предполагается использовать устройство собственной конструкции. Оно состоит из двух основных элементов:
температурного датчика Б818Б20;
микроконтроллера 8ТМ32Б103.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Датчик постоянно погружен в масло и передаёт значение температуры на микроконтроллер. Один раз в минуту значение температуры записывается в специальный буфер, где оно обрабатывается относительно предыдущего. Полу-
чив новое значение температуры, на микросхеме рассчитывается значение, отражающее, насколько деградировало масло за истёкшую минуту. Это число прибавляется к общему коэффициенту деградации масла. Если накопленное значение коэффициента деградации превысит максимальный уровень, то микросхема передаст сигнал о наступившем износе масла и необходимости его замены.
На микросхеме предусмотрен ШБ-разъём, позволяющий производить её настройку под различные типы масел, а также подключать её к ЧПУ оборудования, станка или пресса. Это позволит выводить сообщение о наступившем износе масла на жидкокристаллический экран. В случае установки предложенного устройства на механизмы без ЧПУ на микросхеме предусмотрено подключение сигнальных лампочек, загорающихся при условии наступившего температурного износа масла.
Температура масла не единственный, но очень важный фактор, воздействующий на скорость его старения. Производители минеральных масел в спецификациях к ним указывают, для каких температурных режимов оно подходит и какая максимально возможная температура её работы. Длительная работа масла при температурах, близких к максимальной, или её превышении негативно сказывается на её свойствах, поэтому наблюдение за температурой масла является необходимым для контроля скорости его деградации.
Чрезмерное снижение или повышение вязкости, полимеризация масла - всё это негативно сказывается на работе гидропривода, приводя к снижению производительности оборудования и поломкам. Поэтому анализ масла методом оценки его термограммы может помочь в вопросах контроля состояния РЖ и снизить количество отказов оборудования, вызванных температурной деградацией масла.
Список литературы
1. Трушин Н.Н. Организационно-технологическая структура производственного процесса на машиностроительном предприятии. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 230 с.
2. Магеррамов А.М., Ахмедова Р.А., Ахмедова Н.Ф. Нефтехимия и нефтепеработка: учебник для высших учебных заведений. Баку: Изд-во «Бакы Университи», 2009. 660 с.
3. Евдокимов И.Н., Елисеев Н.Ю. Молекулярные механизмы вязкости жидкости и газов. Основные понятия. Ч. 1. М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2005. 59 с.
4. Никитин О.Ф. Рабочие жидкости гидроприводов: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. 152 с.
5. Капустин В.М., Гуреев А.А. Технология переработки нефти. Деструктивные процессы. Ч. 2. М.: КолосС, 2007. 334 с.
219
6. Технология, экономика и автоматизация процессов переработки нефти и газа / С.А. Ахметов, М.Х. Ишмияров, А.П. Верёвкин, Е.С. Докучаев, Ю.М. Малышев. М.: Химия, 2005. 738 с.
7. Шишкин П.И., Брай И.В. Регенерация отработанных нефтяных масел. М.: Изд-во «Химия», 1970. 303 с.
Трушин Николай Николаевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Чиликин Алексей Александрович, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
CHANGE OF WORKING PROPERTIES OF MINERAL OILS AT TEMPERATURE INFLUENCE
N.N. Trushin, A.A. Chilikin
Article is devoted to the analysis of changes of working properties of the mineral oils intendedfor the hydraulic drives occurring under long temperature influence.
Key words: mineral oil, temperature, heating, viscosity, oxidation, oil polymerization.
Trushin Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Chilikin Alexei Aleksandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
