CC BY
1
УДК 532.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-652-653 ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ НЕФТЯНОЙ ЖИДКОСТИ В ЗАЗОРАХ ПЛУНЖЕРНЫХ И ЗОЛОТНИКОВЫХ ПАР
С.Н. Редников, Н.Н. Трушин, Д.В. Сычев
В статье представлены результаты экспериментальных исследований в области надежности функционирования систем питания дизельных двигателей и других гидравлических систем. Отмечается, что значительная доля отказов золотниковых и плунжерных пар в насосах высокого давления, форсунках и насос-форсунках возникает вследствие физико-химических процессов, протекающих в зазорах между сопряженными деталями. Исследования показали, что загрязняющие частицы, в частности ферромагнитные, способствуют образованию в дизельном топливе полимерных структур вследствие процессов полимеризации или поликонденсации. Загрязняющие частицы при этом являются центрами образования полимерных структур, резко увеличивая зону физико-химических превращений. При накоплении высокомолекулярных соединений в рабочем зазоре возможно, в случае резкого скачка давления (сотни МПа), образование из них временных или даже постоянных полимерных структур, что может привести к залипанию или заклиниванию золотниковой пары. Также установлено, что процессы поликонденсации и полимеризации могут протекать обратимо или необратимо в зависимости от условий реакции и природы мономеров. Аналогичная ситуация может наблюдаться также для керосина и для многокомпонентных минеральных масел, используемых в качестве рабочих жидкостей гидравлических приводов. Рассмотрены условия проведения экспериментов, схема экспериментальной установки высокого давления. Приведена нелинейная графическая зависимость, которая показывает изменение мощности, потребляемой на перемещение плунжера с ростом давления, и иллюстрируя тем самым нелинейность изменения вязкости рабочей жидкости в зазоре. Представлены графики изменения диэлектрической проницаемости испытуемых жидкостей. Рассмотрено также влияние намагничивания в процессе работы распылителей форсунок топливной аппаратуры дизельных двигателей на количество отказов форсунок. Периодическое размагничивание форсунок способствует снижению отказов топливной аппаратуры. На основе полученных данных могут быть модифицированы регламенты технического обслуживания топливных и гидравлических систем технологических и транспортных машин. Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта ректора ТулГУ для обучающихся по образовательным программам высшего образования - программам магистратуры, № 8950ГРР М.
Ключевые слова: гидравлические системы, рабочая жидкость, полимеризация, ресурс, диагностика.
Введение. Одной из проблем, возникающих при эксплуатации гидравлических систем и систем питания дизельных двигателей, а также других двигателей внутреннего сгорания (ДВС), - это проблема выхода из строя плунжерных пар и, в частности, форсунок, насос-форсунок и топливных насосов высокого давления (ТНВД). Традиционно преобладающей причиной отказов является загрязнения, и наиболее часто причиной являются абразивные частицы и вода. Значительная доля отказов плунжерных и золотниковых пар возникает вследствие физико-химических процессов, протекающих в зазорах между сопряженными деталями и приводящих к «склеиванию» последних. Отказы, вызываемые этими процессами, устраняются, как правило, узловой заменой дорогостоящих устройств, что ведёт к значительным организационным, временным и материальным издержкам. Одной из причин резкого изменения состояния жидкости в зазоре между сопряженными деталями, является наличие частиц загрязнителей различной природы [1, 2, 3]. Нерастворимые частицы загрязнителя, находящиеся в рабочей жидкости гидравлических систем или дизельного топлива, отличаются как по своему составу, так и по размерам, а поэтому различается и степень их влияния на работоспособность топливного и гидравлического оборудования. Данные частицы являются своеобразными центрами образования полимерных структур, резко увеличивая зону физико-химических превращений. Естественно, различиями состава и размера обладают и полимерные структуры, возникающие в зазорах прецизионных пар трения, а, следовательно, и их влияние на рабочие характеристики гидравлической системы также различно. Подобные полимерные структуры могут образовываться в результате полимеризации или поликонденсации. Кроме того, даже неполярные молекулы углеводородов способны образовывать граничные зоны, за счёт взаимодействия изомеров [4].
Образующиеся полимерные структуры по времени их существования могут быть как постоянными, так и временными. Исследованиями было также установлено, что процессы поликонденсации и полимеризации могут протекать обратимо или необратимо в зависимости от условий реакции и природы мономеров. Обратимость процесса поликонденсации, прежде всего, обусловлена образованием побочных низкомолекулярных продуктов реакции: воды, аммиака, спирта, хлористого водорода и других веществ, но при процессе обратимой полимеризации побочные продукты не образуются [4]. Наибольший интерес при эксплуатации гидравлических систем в практическом плане представляют ферромагнитные загрязнения, являющиеся, как правило, продуктами коррозии и износа металлических деталей топливной аппаратуры ДВС и оборудования гидравлических приводов. Увеличение концентрации данных частиц в зазоре, даже при условии прохождения их через фильтрующие элементы, задерживающие частицы с размером большим чем 1/3 зазора, как показали натурные эксперименты, связано, в том числе, и с намагничивае-мостью плунжерных пар при своей работе. Оказывают своё влияние и присадки, содержащиеся в моторном или гидравлическом масле. При этом в ряде случаев в топливо могут попадать присадки моторного масла.
Многокомпонентные минеральные и полусинтетические масла включают в себя различные углеводородные соединения, обладающие разной молекулярной массой, низкомолекулярная часть которых выступает в роли жидкости носителя и своеобразной смазки для высокомолекулярных соединений, размеры которых зачастую ненамного меньше или даже равны размерам зазоров между прецизионными парами трения. Это особенно опасно при осаждении на частицах в зазорах. Попадание подобных высокомолекулярных частиц совместно с потоком низкомолекулярных соединений в зазоры, например, золотниковых (плунжерных) пар, и последующее вытеснение из зазора низкомолекулярных соединений под действием сдвиговых напряжений, образующихся при перемещениях золотника (плунжера), сопровождается дальнейшим накоплением в зазоре высокомолекулярных соединений, размеры которых близки к размерам самого рабочего зазора золотниковой пары. При накоплении высокомолекулярных соединений в
652
рабочем зазоре в случае резкого скачка давления возможно, образование из них временных или даже постоянных полимерных структур, что приведет к залипанию или заклиниванию золотниковой пары.
Испытания жидкости давлением. Были проведены исследования поведения жидкости в зазорах плунжерных пар при нагружении их давлением. Испытания на «склеивание» проводились на плунжерных парах насосной
Рис. 1. Схема испытательной установки: 1 - гидробак; 2 - заборный фильтр; 3 - всасывающая гидролиниия;
4 - подпитывающий насос; 5 - главный плунжерный насос; 6 - насосный агрегат; 7 - напорная гидролиния;
8 - вентиль; 9 - дренажная гидролиния; 10 -манометр; 11, 14 - дроссели; 12, 13 - клапаны давления;
15 - промежуточный фильтр; 16 - ресивер
Были получены следующие результаты. Использовались следующие испытуемые жидкости: чистый керосин КТ-1 по ГОСТ 13032, эталонное дизельное топливо по ГОСТ Р 52368-2005 (тип III) при поддержании 7-го класса чистоты по методике NAS. Вплоть до предельных давлений испытаний в 200 МПа схватывания поверхностей плунжерных пар не происходило. При исследовании товарного дизельного топлива категории «летнее», соответствующего ГОСТ 305-82, уже наблюдалось устойчивое «склеивание», или «схватывание», плунжерных пар при давлениях 154-170 МПа только при наличии намагниченной плунжерной пары и внесении 0,001 % от массы исследуемого топлива присадки на основе магнетита (Fe3O4).
Совершенно иная ситуация выявилась при добавлении индустриального масла в исследуемые составы. Добавки масел, моторного М8 и индустриального И-20, в концентрациях от 0,1 % до 1 % при давлениях ниже 30 МПа ни на одном из исследуемых топлив при обеспечении заданной чистоты исследуемой жидкости схватывания не наблюдались. При испытании керосина ТК-1 наблюдалось устойчивое схватывание плунжерных пар при давлении 140-160 МПа при наличии концентрации масла выше 0,1 % от массы жидкости [5]. Но при этом корреляции изменения давления схватывания от концентрации присадки выявить не удалось, при изменении концентрации менялась наработка до схватывания плунжерных пар, при этом при меньшей концентрации схватывание происходило, как правило, при наработке 2-2,5 час. Минимальное время до схватывания наблюдалось при концентрациях 0,7 % и составляло 32 с при давлении155 МПа. Внесение присадки на основе магнетита (Fe3O4) при концентрации 0,001 % (фильтр с тонкостью фильтрации 3 мкм пропускал до 90% данного вещества, магнитный сепаратор был демонтирован) при наличии намагниченной плунжерной пары сократило время схватывания при малых концентрациях до 400700 секунд, уровни давлений схватывания в диапазоне 140-160 МПа не подчинялись нормальному распределению. Сходная картина наблюдалась и при работе на дизельном топливе ГОСТ Р 52368-2005 (тип III) с загрязнителями. Исследования показали в целом сходный характер поведения, но начальная зона схватывания оказалась на границе 135 МПа.
JSL N
1
0.75
0.5
0.25
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 р,МПа
Рис.2. Зависимость потребляемой системой мощности от рабочего давления
Далее приведены результаты исследования поведения жидкости в зазорах плунжерных пар при нагружении гидростатическим давлением. Исследовался характер изменения мощности, требуемого для перемещения плунжера при работе плунжерной пары в зоне гидростатического давления. Чистота рабочей жидкости обеспечивалась
653
/ / / /
и -30 \ / / /
/ / АМ Г-1(
/ /
предварительной фильтрацией до 8-го класса чистоты по NAS. На основании полученных экспериментальных данных была построена графическая зависимость, изображенная на рис. 2. На графике представлены кривые для двух марок минеральных масел: И-30 с номинальной кинематической вязкостью 30 сСт при температуре 50°С и АМГ-10 с номинальной кинематической вязкостью 10 сСт при той же температуре.
Данная графическая зависимость показывает нелинейность изменений мощности, потребляемой гидравлической системой для осуществления перемещения золотника (плунжера) с ростом давления в системе, иллюстрируя тем самым нелинейность изменения вязкости рабочей среды в зазоре. Причём аномального изменения вязкости в большом объёме этой же среды не зафиксировано. Из проведенного исследования становится очевидным, что игнорирования процессов полимеризации рабочей среды в пристеночной зоне зазоров золотников недопустимо, а поэтому этот факт следует учитывать в процессах проектирования и эксплуатации топливных систем ДВС и аппаратуры гидравлических приводов. Тем более, что наблюдается тенденция создания гидроприводов машин с номинальным рабочим давлением порядка 50 МПа [6].
Для подтверждения версии о прохождении физико-химических процессов в зазоре была поставлена серия экспериментов по определению диэлектрической проницаемости. Замеры производились для индустриального масла И-30 при зазоре 1 мм и при зазоре 10 микрон. Результаты измерений представлены на рис 3 и рис. 4. Графики показывают, что изменение диэлектрической проницаемости имеет нелинейный характер с четким экстремумом. Эти обстоятельства могут также служить критериями для оценки степени загрязненности масла и топлива ДВС [7].
Рис. 3 Изменение диэлектрической проницаемость жидкости в объёме
Рис. 4. Изменение диэлектрической проницаемость в зазоре 10 микрон
Необходимо также отметить что величина диэлектрической проницаемости жидкости в малом зазоре значительно зависела не только от давления, но и от времени выдержки. Данные, которые приведены выше, соответствуют времени выдержки 30 мин. Зона изменения проницаемости качественно совпадает с зоной возрастания трения в зазоре [8, 9].
Результаты испытаний форсунок. Одним из простых и дешёвых способов снижения вероятности схватывания плунжерных пар при функционировании топливных систем дизельных двигателей является периодическое
размагничивание последних. Учитывая особенности технического обслуживания топливных систем ДВС, данное мероприятие целесообразно осуществлять как элемент планового обслуживания через 4-6 тыс. часов наработки, или по достижению предельного значения магнитной индукции не более 0,3 мТл, так как было установлено, что именно в этом диапазоне намагниченности фиксировалось скачкообразное сокращение времени схватывания плунжерных пар.
При испытании форсунок производилось обслуживание их распылителей безштифтового типа. Обслуживание производилось с интервалами в 6 тыс. часов наработки, контрольная группа форсунок функционировала до отказа. На рис. 5 приведена статистика отказов по причинам схватывания иглы форсунки и нарушения ее подвижности.
Количество отказов форсунок в контрольной группе
I Количество отказов форсунок размагниченных при проведение технического обслуживания
Рис. 5. Результаты испытаний распылителей форсунок
При проведении периодического обслуживания производилась разборка форсунки, промывка в ультразвуковой ванне, размагничивание, проверка на герметичность и регулировка давления открытия. Форсунки, не прошедшие проверку на качество распыла, при анализе не учитывались. Контрольная группа проверялась на качество распыла, герметичность и давление открытия. Отбракованные по этим признакам распылители форсунок из выборок исключались. Оценка схватывания форсунок осуществлялось при разборке, неисправность типа нарушение подвижности иглы фиксировалась по осциллограммам компьютерного дизель-тестера МТ10Д. Состояние фильтрующих элементов оценивалось по перепаду давлений на индикаторе загрязнения. Фильтрующие элементы были штатные, новые, имели номинальную тонкость фильтрации 5,5 мкм. Анализ статистических данных показал, что рассмотренные группы форсунок после проведения первого обслуживания относятся к разным выборкам, причём группа распылителей прошедшая размагничивание показывала меньшее количество отказов при более длительном сроке службы. Этот результат показывает высокую эффективность предложенной методики обслуживания элементов плунжерных пар.
Заключение. Проведенные эксперименты по изучению свойств технических жидкостей и смазочных материалов по контролю диэлектрической проницаемости в зазорах 2-100 мкм при динамическом изменении давления до 200 МПа позволили уточнить представления о физико-химических процессах, происходящих в указанных зазорах. Результаты экспериментов позволили также определить критические параметры функционирования гидравлических аппаратов и машин с учётом специфики накопления продуктов износа и изменения геометрических параметров зон трения. На основании полученных данных могут быть модифицированы правила технического обслуживания топливных и гидравлических систем технологических и транспортных машин, а также предложены новые методы и средства оперативной диагностики технических жидкостей. Возможно, что для принудительного разрушения мономеров и полимеров, образующихся в технических жидкостях, может быть использован эффект гидродинамической кавитации.
Список литературы
1. Коновалов В.М., Скрицкий В.Я., Рокшевский В.А. Очистка рабочих жидкостей в гидроприводах станков. М.: Машиностроение, 1976. 288 с.
2. Бродский Г.С. Фильтры и системы фильтрации для мобильных машин. М.: «Журнал «Горная промышленность» (Издатель НПК ГЕМОС Лтд.)», 2003. 360 с.
3. Фитч Дж., Тройер Д. Анализ масел. Основы и применение / Пер. с англ. 2-го изд.; под ред. Е.А. Новикова, М.В. Кирюхина. СПб.: ЦОП «Профессия», 2015. 176 с.
4. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматгиз, 1963. 472 с.
5. Физическая химия. Теоретическое и практическое руководство. Учеб. пособие для вузов / Б.Н. Никольский, Н.А. Смирнова, М.Ю. Панов [и др.]. Под ред. Б.П. Никольского. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1987. 880 с.
6. Сычев Д.В., Трушин Н.Н. Станочные гидроприводы - итоги и перспективы // Вестник ТулГУ. Проблемы и перспективы развития автоматизации технологических процессов: сб. научных трудов Всеросс. научно-техн. конф. Тула: Изд-во ТулГУ, 2023. С. 195-202.
7. Трушин Н.Н., Сычев Д.В. Микроконтроллерный прибор диагностики загрязненности минерального масла // Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании: Материалы IX Междунар. научно-практич. конференции-конкурса. Тюмень: Изд-во ТИУ, 2022. С. 152-156.
8. Rednikov S.N., Akhmedyanova E.N., Zakirov D.M. Comprehensive Diagnostics of the State of Metallurgical Equipment // Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2021. P. 1205-1211.
9. Использование комплексного подхода в диагностике гидравлических систем металлургического оборудования / С.Н. Редников, Д.М. Закиров, Е.Н. Ахмедьянова, К.Т. Ахмедьянова // Наука и бизнес: пути развития. 2018. № 10 (88). С. 8-11.
Редников Сергей Николаевич, д-р техн. наук, доцент, srednikov@mail. ru, Россия, Москва, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.Е. Тимирязева,
Трушин Николай Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сычев Денис Викторович, магистр, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
POLYMERIZATION OF LIQUID OIL PRODUCTS IN PLUNGER ANNULAR GAPS S.N. Rednikov, N.N. Trushin, D.V. Sychev
This is an experimental study of the reliability of diesel engine fuel systems and other hydraulic systems. A significant number of spool and plunger failures in high pressure pumps, injectors, and injector pumps are caused by the physical and chemical processes occurring in the annular gaps. We have found that contaminating particles, particularly ferromagnetic particles, contribute to the formation of polymer structures in diesel fuel through polymerization or polycondensation processes. The contaminating particles become the nuclei of polymeric structures, greatly increasing the area of physical and chemical transformations. As high-molecular compounds are deposited in the annular gap, a pressure surge (hundreds of MPa) can lead to the formation of temporary or even permanent polymer structures from such compounds and subsequent sticking or jamming of components. It has also been found that polycondensation and polymerization can be either reversible or irreversible depending on the reaction conditions and the nature of the monomers. A similar situation can be observed with kerosene and multi-component mineral oils used as hydraulic fluids. We presented the test procedures and the high pressure test rig setup. We plotted a nonlinear plunger motion energy vs. pressure curve, indicating the nonlinearity of fluid viscosity changes in the annular gap, and the dielectric curves. We also studied the effect of diesel engine injector magnetization on injector failure rate. Regular demagnetization reduces the failure rate. The results may be useful in the development of maintenance schedules for fuel and hydraulic systems. This study is a part of the MSc research project supported by a grant of Tula State University Chancellor at the contest of2022, No 8950ГРРМ.
Key words: hydraulic systems, hydraulic fluid, polymerization, service life, diagnostics.
Rednikov Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy,
Trushin Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State
University,
Sychev Denis Vicktorovich, student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.757
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-656-657
ДИАГРАММА ЗАКЛИНИВАНИЯ НЕЖЕСТКИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ РОБОТИЗИРОВАННОЙ СБОРКЕ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЗИЦИОННО СИЛОВОГО
УПРАВЛЕНИЯ
М.В. Вартанов, Е.А. Коган, Нгуен Ван Линь, Дао Ван Луу
При разработке технологии роботизированной сборки необходимо определить условия заклинивания деталей. Разработана математическая модель роботизированной сборки, необходимая для идентификации положения вала по сигналам с силомоментного датчика. Полученные аналитические решения позволили определить условия возникновения заклинивания упругого вала при двухточечном контакте в процессе сопряжения вала с жесткой втулкой. Расчетные и экспериментальные значения момента позволяют корректировать программную траекторию выходного звена робота в процессе сопряжения.
Ключевые слова: роботизированная сборка; силомоментный датчик; условия заклинивания; нежесткие детали; диаграмма заклинивания.
Процесс сборки цилиндрических соединений является типовой задачей в машиностроении. Исследования обычно проводились на деталях, которые рассматривались как абсолютно твердое тело. Однако в последние годы в различных машинах и механизмах применяется все больше гибких и нежестких деталей. Процесс сборки фактически представляет собой динамическую настройку в условиях геометрических и силовых ограничений. Если эти ограничения не являются корректными, то могут возникать неблагоприятные ситуации, такие как заедание и заклинивание [1]. Для того, чтобы прогнозировать успешность реализации сборочной операции, следует рассматривать не
