CC BY
62
Эксплуатация автомобильного транспорта
УДК 656.1(075)
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ НОРМИРОВАНИЯ РЕСУРСА МОТОРНОГО МАСЛА ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
ТРАКТОРОВ Порохня Андрей Алексеевич, канд. техн. наук, доцент (e-mail: pulwer@yandex.ru) Якименко Илья Юрьевич, аспирант (e-mail: ntc-yakimenko@mail.ru) Порохня Екатерина Андреевна, студент (e-mail: e.porokhnya@yandex.ru)
Северо-Кавказский федеральный университет, г.Ставрополь, Россия
В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с нормированием периодичности замены моторных масел в двигателях сельскохозяйственной техники, работающей в определенных климатических условиях и различных режимах эксплуатации. Предметом исследования являются изменения, происходящие в процессе старения моторного масла и связанный с ними износ двигателей FPT Iveco Cursor, установленных на универсальных тракторах Case IH Magmum 340. Для объективности оценки процесса старения моторного масла рассмотрена замкнутая схема «масляная система-масло-двигатель». Исследование проб работавшего масла проводилось в сертифицированной лаборатории ДИАМАС. В результате эксперимента получены зависимости изменения содержания железа и топлива в моторном масле от наработки двигателя, а также изменения вязкости масла и других его параметров. Полученные результаты позволили провести корректировку режимов замены масла, в двигателях машин участвовавших в эксперименте. В ходе апробации разработанных предложений на предприятии получен годовой экономический эффект в размере более 900 тыс. руб.
Ключевые слова: моторное масло, условия эксплуатации, режимы работы, лабораторные испытания, исследование проб, техническое обслуживание.
Моторное масло в двигателях внутреннего сгорания работает в жестких условиях, которые оказывают на него разрушающее действие. В результате их воздействия физико-химические параметры масла изменяются, вследствие чего эксплуатационные свойства понижаются, и при достижении определенных значений параметров масло подлежит замене.
От правильно обоснованной периодичности замены моторного масла, а также от его качества, зависит безаварийная работа двигателя внутреннего сгорания и его ресурс.
На данный момент существуют различные системы, которые учитывают периодичность замены моторного масла [2, 10]. Одни привязывают срок службы к количеству израсходованного топлива, другие - к пробегу, третьи - к моточасам. Данные системы проведения технического обслуживания с заменой моторного масла не обеспечивают его эффективного использования, так как не учитывают индивидуальных особенностей режимов и условий эксплуатации двигателя, его технического состояния, качества топлива, производительность систем фильтрации и охлаждения, влияние процессов, происходящих в камере сгорания, на процессы старения масла. Кроме того, отсутствует научное обоснование сроков службы масел различной базовой основы и их выбора для двигателей различной степени загруженности.
На старение моторных масел в процессе эксплуатации и на техническое состояние ДВС оказывает влияние достаточно широкий спектр причин [13], которые можно разделить на три основные группы: эксплуатационные; климатические; технологические.
Для объективной оценки процесса старения моторного масла в период эксплуатации необходимо рассматривать макросистему, выполненную в виде замкнутой схемы "масляная система-масло-двигатель". Термохимические процессы, происходящие в процессе работы двигателя внутреннего сгорания, приводят к быстрой деградации масла. В дизельных двигателях основную роль в термохимических превращениях играют продукты неполного сгорания топлива, сажа и концентрация серы в топливе [14]
Производители техники Case IH назначают периодичность замены моторных масел без учета реального состояния машин. Этим значением является средний показатель деградации масла при различных условиях работы. Из этого следует, что данные показатели являются среднестатистическими и никак не связаны с реальными условиями эксплуатации двигателя в определенных условиях работы. При этом часто происходит замена масла, не потерявшего своего качества, а иногда техника работает на маслах, утративших свои физико-химические и эксплуатационные свойства. Все зависит от качества топлива, состояния окружающей среды, создаваемых нагрузок, расходом топлива, состояния самого двигателя внутреннего сгорания и качества моторного масла [4]. На основе инструкции по эксплуатации трактора Case IH Magmum 340 можно вычислить интервалы замены моторного масла согласно рекомендациям завода. В машинах установлен двигатель модели FPT Cursor 9; в его конструкции реализована схема работы с турбокомпрессором, с последующим охлаждением воздуха через радиатор охладитель. Двигатель — шестицилиндровый, объемом 8,7 л., с номинальной мощностью 253 кВт.
В настоящее время на рынке автоэксплуатационных материалов представлено большое количество видов моторных масел, отличающихся между собой своими химическими и физическими свойствами, которые изменяют срок службы масла, дают возможность применять моторные масла
в различных режимах работы и условиях эксплуатации. Правильный подбор и нормирование ресурса моторного масла является актуальным в проведении технического обслуживания и эксплуатации автотракторных двигателей.
Предметом нашего исследования являются изменения, происходящие в процессе старения моторного масла, и износ двигателя при использовании всесезонных минеральных моторных масел кинематической вязкости 15w40 двигателей внутреннего сгорания FPT Iveco Cursor 9 универсального трактора Case IH Magmum 340 с различными межсервисными интервалами.
С научной точки зрения очень важно выявить закономерность между изменением процесса старения моторного масла в зависимости от наработки двигателя при выполнении определенных операций на однотипных машинах.
Согласно руководству по эксплуатации данной модели трактора межсервисные интервалы замены масла варьируются от 300 м/ч до 600 м/ч. При использовании моторного масла Akcela Engine Oil №1 в сочетании с топливом стандарта ASTM D6751 или ГОСТ 33113-2014 до 600 моточасов.
При использовании моторного масла Tutela Unitek Engine Oil в сочетании с топливом стандартов ASTM D6751 или ГОСТ 32511-2013 (EN 590:2009) 2[1]. При использовании моторного масла Akcela Engine Oil №1 в сочетании с топливом стандарта ГОСТ 32511-2013 требуется снижение интервалов замены моторного масла в среднем до 300 м/ч в зависимости от экологического класса данного топлива, так как данный ГОСТ подразумевает выпуск в оборот топлива разных экологических классов:
• К3 - содержание серы не более 350 мг/кг;
• К4 - содержание серы не более 50 мг/кг;
• К5 - содержание серы не более 10 мг/кг.
Основную долю рынка дизельного топлива в нашей стране занимает ГОСТ 32511-2013 К5 и ГОСТ 32511-2013 К4.
При использовании топлива по указанному ГОСТу 32511-2013 в результате повышенного содержания серы следует сократить период между заменами масла и фильтра, как указано ниже:
• содержание серы до 5 мг/кг биодизельное топливо ГОСТ 33113-2014 - замена масла до 600 часов;
• содержание серы от 5 мг/кг до 50 мг/кг ГОСТ 32511-2013 К5, К4 -замена масла до 300 часов
• содержание серы от 50 мг/кг до 350 мг/кг ГОСТ 32511-2013 К3 - замена масла до 175 м/ч часов
• содержание серы от 350 мг/кг топливо не подходящее по ГОСТУ -замена масла до 100 м/ч часов.
Снижение интервалов замены смазочных материалов при увеличении содержания серы зависит от двух определяющих факторов - интенсивность окисления масла и загрязненность деталей поршневой группы отло-
жениями. При увеличении содержания серы в топливе с 0,5 до 1% загрязненность поршневой группы возрастает в 1,5-2 раза.
Следовательно, для данных условий работы есть возможность создать регламент периодичности замены технических жидкостей при проведении технического обслуживания тракторов марки Case IH Magnum 340 при использовании моторного масла Akcela Engine Oil №1 в сочетании с топливом стандарта ГОСТ 32511-2013 К5 - К4. После составления регламента с интервалами замены технических жидкостей и расходных материалов согласно руководству по эксплуатации данного трактора, можно прийти к выводу, что в руководстве по эксплуатации основанием для замены моторного масла является класс используемого моторного масла и вид дизельного топлива. При этом отсутствует возможность оценить воздействие нагрузки и условия эксплуатации работы техники.
Технические требования по замене моторного масла базируются на продолжительности рабочего цикла и степени загрязнения масла. Деградация масла происходит со временем во всех двигателях с различной интенсивностью и не зависит от их конструкции. Основным критерием для сохранения работоспособности двигателя является соблюдение требований по замене моторного масла и фильтрующих элементов [14]. Эксплуатационные и лабораторные исследования доказывают, что между общим количеством израсходованного топлива и загрязнением моторного масла, при котором система «моторное масло — двигатель» работает без отклонений, имеется закономерность. Моторное масло может поглотить без изменения своих свойств ограниченное количество загрязнений. Основным критерием для выбора интервала замены моторного масла является соотношение между расходом топлива и загрязнением моторного масла. [6, 7] Испытания моторного масла проводились на сельскохозяйственном предприятии ООО «Победа», расположенном в Ставропольском крае, на универсальных сельскохозяйственных тракторах CASE IH Magnum 340 с установленными на них двигателями марки FPT Iveco Cursor 9.
В испытаниях принимали участие трактора с приблизительно одинаковой наработкой в моточасах, выполняющие одинаковые сельскохозяйственные операции с интервалом отбора проб 100-150 моточасов. Интервал замены моторного масла согласно инструкции — 300 моточасов. Установленный интервал замены — 350-400 моточасов. Используемое моторное масло — Akcela Engine Oil № 1 15w40. Оно относится к группе всесезон-ных минеральных моторных масел для дизельных двигателей без наддува или двигателей с турбокомпрессором. Данное моторное масло рекомендовано заводом-производителем техники Case IH и является оригинальным.
Периодичность отбора проб устанавливается в 100-150 моточасов для того, чтобы была возможность отследить изменения состояния параметров масла. Отбор проб осуществлялся до долива свежего масла в двигатель.
Данный метод отбора проб предполагает сравнение результатов анализа отработанного масла с данными, полученными для свежего масла. Степень
ухудшения показателей отработанного масла по отношению к свежему маслу служит индикатором, позволяющим контролировать состояние системы. Основные характеристики масла, которые могут служить предупредительными сигналами, связаны с уровнем загрязнения масла (наличие в нем топлива, сажи, кремния, бора, натрия, калия), а также вязкость масла и температура воспламенения [11, 12].
Исследование проб работавшего масла проводилось в сертифицированной лаборатории ДИАМАС (г. Москва). В ходе испытаний образцов отработанного масла получилось выделить две группы параметров. Одна группа практически не изменяется, что в целом является показателем высокого качества моторного масла. В другой группе в процессе эксплуатации трактора с возрастанием наработки в период полевых работ были выявлены определенные изменения. В результате деградации моторного масла изменились следующие показатели:
- с наработкой возрастает содержание железа;
- в результате длительной работы на холостом ходу происходит попадание топлива в масло;
- происходит изменение кинематической вязкости моторного масла как в положительную, так и в отрицательную стороны;
- в моторном масле при длительной наработке присутствует нагар;
- происходит падение щелочного числа.
Увеличение содержания железа показано на рисунке 1. Наблюдается линейная зависимость содержания железа в пробах отработанного моторного масла от наработки двигателя во временном интервале в 400 моточасов. Мы можем наблюдать стабильный рост накопления железа в моторном масле. Он является следствием нормального износа цилиндропоршне-вой группы. Так же доказательством протекания нормальных процессов в двигателе является отсутствие значительного увеличения других индикаторов износа, свидетельствующих о повышенном износе узлов и агрегатов, таких как хром, олово и медь. Испытания моторного масла на наличие элементов увеличивающих износ двигателя внутреннего сгорания основываются на методе оценки ASTM 5185 [3]. Согласно данному методу критическое содержание железа в двигателе составляет 100 ррм. Для двигателя FPT данной конструкции, который работает в тяжелых условиях, принято среднее значение 53 ррм.
а,
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Наработка (м/ч)
Рисунок 1 - График зависимости содержания железа от наработки
Построив на графике прямую 1, показывающую максимальное значение содержания железа, и проведя медиану 2 по среднему значению железа, можно вычислить расчетную наработку данного двигателя. По содержанию железа она составляет 500 моточасов.
В элементах загрязнения во всех пробах наблюдается топливо. Это свидетельствует о частой работе на холостом ходу (рисунок 2).
Построив графики по вязкостным свойствам моторного масла и сопоставив их с графиком содержания топлива в моторном масле, можно проследить прямую зависимость между наличием топлива и изменением вязкости моторного масла при разных температурах. С увеличением процентного содержания топлива, происходит разжижение моторного масла.
1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 О
га ш S t; с
Р
ф s
(В
Я
с
о с
\ Основная cei ка оси
О
50
100
300
350
400
150 200 250 Наработка [м/ч)
Рисунок 2 - График зависимости попадания топлива от наработки
На ранних сроках наработки вязкость моторного масла просаживается из-за процесса разворачивании присадок, а увеличение вязкости масла происходит к концу его ресурса в результате образования нагара [16].
<м о
20
18
О 16 о
£
о о
ü
Г)
К
со
10
50
100 150 200 25 fc-^-ш-1
Область построения диаграммы
400
Наработка (м/ч)
0 2
Рисунок 3 - График зависимости вязкости при 40 С мм /с от наработки
110
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Наработка (м/ч)
0 2
Рисунок 4 - График зависимости вязкости при 100 С мм/с от наработки
Критическое значение по вязкости моторного масла - 12-15% процентов в сторону ее повышения и понижения[18, 19]. В данном образце моторного масла наблюдается резкое падение его вязкостных характеристик в результате разжижения его топливом, далее наблюдается тенденция роста вязкости при различных температурах в результате полимеризации моторного
масла и накопления в нем нерастворимых продуктов сгорания топлива, таких как сажа и взвесь абразивных частиц (рисунок 4).
По содержанию сажи видна прогрессивная линейная зависимость наработки моторного масла и роста увеличения нагара в пробах. Так как двигатель оборудован системой рециркуляции отработавших газов содержание сажи на поздних сроках службы масла возрастает. Предел для данного типа двигателя принимается 5% [9,10]. При расчете среднего значения содержания сажи в моторном масле есть возможность построить график зависимости сажи от наработки двигателя.
Сопоставив график содержания железа и содержания сажи [18,19] в анализах моторного масла можно выявить следующие тенденции, что при увеличении образования нагара увеличивается износ цилиндропоршневой группы двигателя. Данные проблемы, связанные с образованием сажи в больших количествах, имеют место у дизельных двигателей внутреннего сгорания с установленной системой рециркуляции отработанных газов, а так же с установленной системой прямого впрыска топлива под давлением.
Наработка (м/ч)
Рисунок 5. График зависимости содержания сажи от наработки
В результате повышения содержания сажи происходит увеличение кинематической вязкости моторного масла. По данным испытаниям данный образец моторного масла требует замены. Расчетное значение замены моторного масла по медиане возрастания серы в отработанном моторном масле составляет 450 моточасов.
Анализ результатов испытаний образцов работавшего масла показал, что у данного вида моторного масла выявлен больший эксплуатационный ресурс по наличию присадок. При наработке в 400 часов резкого падения количества присадок не произошло. Возможно продление ресурса моторного масла минимум на 100 и максимум на 200 часов до 400 - 500 моточасов. Максимальные показатели по пробегу моторного масла допустимы после
уменьшения простоев техники на холостом ходу и сокращения серы в дизельном топливе.
При увеличении межсервисных интервалов до 400 часов наработки двигателя, на каждую единицу данной техники в год проводится на одно техническое обслуживаний меньше чем при стандартном проведении работ. В результате чего уменьшается количество трудозатрат на сервисное обслуживание, уменьшается количество закупаемых и используемых расходных материалов, сокращаются плановые простои техники при проведении технического обслуживания. Для парка численностью 50 машин данной модели, среднегодовой экономический эффект составил более 900 тыс. рублей.
Список литературы
1. ГОСТ 32511-2013 (EN 590:2009) МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ ТОПЛИВО ДИЗЕЛЬНОЕ ЕВРО Технические условия Diesel fuel EURO. Specifications -Введ. 2015-01-01 . Переиздание - апрель 2017 год . - М.: Стандартинформ, 2017. - 7с.
2. ASTM D5185 — 18 Стандартный метод многоэлементного анализа использованных и неиспользованных смазочных масел и базовых масел методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП) Active Standard ASTM D5185 - 2009, 7 c.
3. Головных, И.М. Замена моторного масла по фактическому состоянию / И.М. Головных, Е.В. Носова - М.: Автомобильная промышленность. - 1998. - № 1. - С. 23-24.
4. Доценко А.И., Буяновский И.А. Основы триботехники. - М.: Инфра-М. - 2014. -336 с.
5. Киреева, А.И. Оценка влияния условий эксплуатации на расход моторных масел специальными автомобилями: дис. ... канд. техн. наук : 05.22.10 / А.И. Киреева. -Тюмень, 2003. - 147 с.
6. Лашхи В.Л., Лейметер Т., Меджибовский А.С., Шор Г.И. Срабатываемость присадок в моторных маслах. - М: ГОСНИТИ. 2002. - 51 с.
7. Лашхи В.Л., Чудиновских А.Л., Первушин А.Н. Изменение состояния работающего моторного масла и его влияние на надежность ДВС. - М.: МГУ. 2005. -52 с.
8. Нигматуллин Р.Г., Нигматуллин В.Р., Нигматуллин И.Р. Диагностика ДВС по анализу моторного масла. - Уфа: ГУП РБ «Уфимский полиграфкомбинат», 2011. - 297 с.
9. Пасечников, Н.С. Научные основы технического обслуживания машин в сельском хозяйстве / Н.С. Пасечников. - М.: Колос, 1983. - 304 с.
10. Полянский А. С., Методика определения оптимальных сроков смены масел в силовых агрегатах транспортных машин. / А.С. Поляский, Е.А. Бажинов. - М.: Транспорт, 2001. - 123 с.
11. Порохня А. А. Якименко И. Ю., Совершенствование системы нормирования ресурса моторного масла сельскохозяйственных тракторов Challenger MT865C на основе проведения испытаний отработанного масел. - Ставрополь: Актуальные проблемы инженерных наук, 2018 — 480 с.
12. Туманян Б.П. Научные и прикладные аспекты теории нефтяных дисперсных систем - М.: Техника. 2000. - 335 с.
13. Хазиев, А. А. Разработка механизма оценки состояния работавшего моторного масла по физико-химическим показателям / А. А. Хазиев, // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета. - 2014. - № 4 (39). - С. 11.
14. Фукс И.Г., Спиркин В. Г., Шабалина Т.Н. Основы химмотологии. - М.: Нефть и газ. - 2004. - 389 с. Химмотология в нефтегазовом деле: Учебное пособие.- М.:ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина,2005
15. Чудиновских Алексей Леонидович Разработка научных основ химмотологиче-ской оценки автомобильных моторных масел ис .... канд. техн. наук : 05.22.10 / «Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М.Губкина» Москва, 2016 — С. 261.
16. Шакиров, Р.Р. Исследование расхода моторных масел при эксплуатации в двигателях мобильных энергетических средств / Р.Р. Шакиров, Н.Д. Давыдов, А.Н. Бекманов // Аграрная наука - инновационному развитию АПК Евдокимов А.Ю., Фукс И.Г., Лю-бинин И.А. Смазочные материалы в техносфере и биосфере. Киев: Атика-Н. 2012. - 290 с
17. Green, D. A., Lewis, R., and Dwyer-Joyce, R. S. The wear effects and mechanisms of soot contaminated automotive lubricants. Proc. IMechE, Part J: J. Engineering Tribology, 2006, 220, 159-169.
18. Li, S., Csontos, A. A., Gable, B. M., Passut, C. A., and Jao, T. Wear in Cummins M-1111/EGR test engines. SAE paper 2002-01-1672, 2002.
19. Tung S.C., Totten E.G. Automotive Lubricants and Tecting. - SAE Ynt. 2012.
DEVELOPMENT OF THE RATION SYSTEM OF ENGINE OIL RESOURCE FOR AGRICULTURAL TRACTORS
Porokhnya Andrey Alekseevich, PhD of technical science, associated professor
(e-mail: pulwer@yandex.ru)
Yakimenko Ilya Yurievich, PhD student
(e-mail: ntc-yakimenko@mail.ru)
Porokhnya Ekaterina Andreyevna, BA student
(e-mail: e.porokhnya@yandex.ru)
North-Caucasus Federal University, Stavropol, Russia
This article deals with the rationing of frequency of replacement motor oils in engines of the agricultural machinery working in certain weather conditions. Various modes of operation are considered. The main point of the research is the change occurring during the aging process of engine oil and wear of FPT Iveco Cursor engines installed in universal tractors Case IH Magmum 340. The closed system "oil system-oil-engine" is considered for the objective assessment of the aging process of engine oil. The research on samples of working oil was carried out in a certified laboratory DIAMAS. The modification of iron content and fuel in the engine oil were obtained throughout the experiment as well as changes in oil viscosity and other characteristics. The obtained results made it possible to adjust the oil change modes in the engines of the machines participating in the experiment.
The company received an annual economic profit of more than 900 thousand rubles during approbation.
Key words: engine oil, operating conditions, operating modes, laboratory tests, sample study, technical maintenance.
