Способ контроля степени износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания
Владельцы патента RU 2343443:
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава" (RU)
Изобретение относится к способам контроля степени износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания. Сущность: в ходе эксплуатации двигателя отбирают пробы масла из масляной системы двигателя для спектральных анализов. Методом спектрального анализа определяют концентрации продуктов износа в отобранных пробах масла. Добавляют масло в масляную систему двигателя. Контролируют степень износа смазываемых деталей двигателя с учетом определенных концентраций по величине массы продуктов износа, выпавших в масло. Отобранные пробы масла разделяют на предыдущую и данную с периодом работы двигателя между ними. Перед отбором предыдущей и данной проб масла измеряют массу масла в масляной системе двигателя, перед отбором данной пробы масла добавляют масло в масляную систему двигателя до количества, равного массе масла при отборе предыдущей пробы масла. Измеряют массу добавленного в масляную систему двигателя масла, контролируют степень износа смазываемых деталей двигателя по величине массы продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла. Определяют массу продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла, по зависимости. Технический результат: упрощение способа контроля степени износа, повышение точности и достоверности результатов испытаний. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к способам контроля степени износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания безразборным методом с использованием результатов спектральных анализов масла.
Известен способ контроля степени износа деталей двигателя внутреннего сгорания, работающих в присутствии смазочного материала, заключающийся в том, что в ходе эксплуатации двигателя отбирают пробы смазочного материала, определяют в них методом спектрального анализа концентрации выделившихся в процессе износа таких элементов, как железо, медь, олово, свинец, хром, и последовательно для каждой детали с учетом процентного содержания элементов, являющихся преимущественными в составе материала каждой детали, судят о степени износа деталей, для тепловозного дизеля 10Д100 дополнительно определяют концентрацию магния, никеля и молибдена, определяют процентное содержание остальных элементов, входящих в состав материала каждой детали, а процентное содержание элементов, являющихся преимущественными в составе материала каждой детали, определяют с учетом процентного содержания остальных элементов материалов ранее контролируемых деталей (патент RU № 2246716 С2, кл. G01N 3/56, 2005).
Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает разделения проб смазочного материала (масла) на предыдущую и данную с периодом работы двигателя между ними, измерения массы смазочного материала в масляной системе двигателя перед отбором предыдущей и данной проб смазочного материала, добавления массы смазочного материала в масляную систему двигателя перед отбором данной пробы смазочного материала до количества, равного массе смазочного материала при отборе предыдущей пробы смазочного материала, измерения массы добавленного в масляную систему двигателя смазочного материала, контроля степени износа деталей двигателя с учетом определенных концентраций по величине массы продуктов износа, выпавших в смазочный материал за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб смазочного материала, и определения массы продуктов износа, выпавших в смазочный материал за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб смазочного материала.
Кроме этого, известный способ не предусматривает дополнительного разделения проб смазочного материала на исходную и конечную с периодом работы двигателя между ними, контроля износа деталей двигателя по величине суммарной массы продуктов износа, выпавших в смазочный материал за период работы двигателя между отбором исходной и конечной проб смазочного материала, путем суммирования значений массы продуктов износа за период работы двигателя между отборами каждой предшествующей и данной проб смазочного материала, а также контроля износа деталей двигателя по величине скорости износа путем отношения значений массы продуктов износа к периоду работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб смазочного материала.
Известен способ контроля степени износа деталей двигателя внутреннего сгорания, работающих в присутствии смазочного материала, заключающийся в том, что в ходе эксплуатации двигателя отбирают пробы смазочного материала, определяют в них методом спектрального анализа концентрации элементов продуктов изнашивания, с учетом которых определяют износ деталей.
Эксплуатацию двигателя осуществляют в период до первого ремонта, связанного с разборкой двигателя, износ детали определяют в нескольких местах, устанавливают индивидуальные закономерности износа деталей и дополнительно определяют соответствующие износу объемы изношенного металла детали, и по измеренным объемам с учетом соотношения износов в процессе дальнейшей эксплуатации после первого ремонта, связанного с разборкой двигателя, определяют в тех же местах величину износа, овальность и конусность деталей и остаточный ресурс работы деталей (патент RU №2245537 С2, кл. G01N 3/56, 2005).
Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает разделения проб смазочного материала на предыдущую и данную с периодом работы двигателя между ними, измерения массы смазочного материала в масляной системе двигателя перед отбором предыдущей и данной проб смазочного материала, добавления массы смазочного материала в масляную систему двигателя перед отбором данной пробы смазочного материала до количества, равного массе смазочного материала при отборе предыдущей пробы смазочного материала, измерения массы добавленного в масляную систему двигателя смазочного материала, контроля степени износа деталей двигателя с учетом определенных концентраций по величине массы продуктов износа, выпавших в смазочный материал за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб смазочного материала, и определения массы продуктов износа, выпавших в смазочный материал за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб смазочного материала.
Кроме этого, известный способ не предусматривает дополнительного разделения проб смазочного материала на исходную и конечную с периодом работы двигателя между ними, контроля износа деталей двигателя по величине суммарной массы продуктов износа, выпавших в смазочный материал за период работы двигателя между отбором исходной и конечной проб смазочного материала, путем суммирования значений массы продуктов износа за период работы двигателя между отборами каждой предшествующей и данной проб смазочного материала, а также контроля износа деталей двигателя по величине скорости износа путем отношения значений массы продуктов износа к периоду работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб смазочного материала.
Известен способ контроля степени износа смазываемых деталей двигателя, принятый за прототип, заключающийся в том, что в ходе эксплуатации двигателя отбирают пробы масла (смазки), определяют концентрацию элементов продуктов изнашивания деталей двигателя и с их учетом оценивают степень их износа, в ходе эксплуатации двигателя и в момент его профилактики осуществляют с помощью насоса дозаправку маслом и регистрируют время эксплуатации до этого момента, а степень износа деталей оценивают по объему изношенного материала, определяемому по установленной формуле (SU, Авторское свид. №1663506 A1, кл. G01N 3/56, опубл. 1991).
Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает разделения проб масла на предыдущую и данную с периодом работы двигателя между ними, измерения массы масла в масляной системе двигателя перед отбором предыдущей и данной проб масла, добавления массы масла в масляную систему двигателя перед отбором данной пробы масла до количества, равного массе масла при отборе предыдущей пробы масла, измерения массы добавленного в масляную систему двигателя масла, контроля степени износа деталей двигателя с учетом определенных концентраций по величине массы продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла, и определения массы продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла.
Кроме этого, известный способ не предусматривает дополнительного разделения проб масла на исходную и конечную с периодом работы двигателя между ними, контроля износа деталей двигателя по величине суммарной массы продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отбором исходной и конечной проб масла, путем суммирования значений массы продуктов износа за период работы двигателя между отборами каждой предшествующей и данной проб масла, а также контроля износа деталей двигателя по величине скорости износа путем отношения значений массы продуктов износа к периоду работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла.
Техническим результатом изобретения является упрощение способа контроля степени износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания по величине массы продуктов износа, выпавших в масло за период испытаний, и повышение за счет этого точности и достоверности результатов испытаний.
Упрощение способа контроля степени износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания по величине массы продуктов износа, выпавших в смазочный материал за период испытаний, заключается в отсутствии необходимости учета плотности элементов продуктов износа, производительности насоса, процентного содержания элементов в материале деталей двигателя и в более простом и объяснимом содержании (написании) зависимости для определения массы продуктов износа.
Повышение точности и достоверности результатов испытаний обусловлено измерением масс масла, находящегося и добавляемого в масляную систему двигателя.
Указанный технический результат по способу контроля степени износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания достигается тем, что в способе контроля степени износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания при котором в ходе эксплуатации двигателя отбирают пробы масла из масляной системы двигателя для спектральных анализов, методом спектрального анализа определяют концентрации продуктов износа в отобранных пробах масла, добавляют масло в масляную систему двигателя, контролируют степень износа смазываемых деталей двигателя с учетом определенных концентраций по величине массы продуктов износа, выпавших в масло, дополнительно пробы масла разделяют на предыдущую и данную с периодом работы двигателя между ними, перед отбором предыдущей и данной проб масла измеряют массу масла в масляной системе двигателя, добавляют масло в масляную систему двигателя перед отбором данной пробы масла до количества, равного массе масла при отборе предыдущей пробы масла, измеряют массу добавленного в масляную систему двигателя масла, контролируют степень износа смазываемых деталей двигателя по величине массы продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла, определяют массу продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла, по зависимости
где (i) - номер данной пробы масла;
(i-1) - номер предыдущей пробы масла;
m(i), - масса продуктов износа;
М - масса масла в масляной системе двигателя при отборе пробы масла;
η - коэффициент фильтрации;
ξ - коэффициент осаждения продуктов износа;
С(i), - концентрация продуктов износа при данной пробе масла;
МДОБ(i), - масса добавленного масла;
С(i-1) - концентрация продуктов износа при предыдущей пробе масла.
Кроме этого, пробы масла дополнительно разделяют на исходную и конечную с периодом работы двигателя между ними, контролируют износ смазываемых деталей двигателя по величине суммарной массы продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отборами исходной и конечной проб масла, путем суммирования значений массы продуктов износа за период работы двигателя между отбором каждой предыдущей и данной проб масла, а также контролируют износ смазываемых деталей двигателя по величине скорости износа путем отношения значений массы продуктов износа к периоду работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла.
Способ контроля степени износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания поясняется схемой на чертеже, где приведен пример одного периода работы двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, например тепловоза, между отборами проб масла для спектральных анализов.
Объем масляной системы 1 двигателя внутреннего сгорания (не показан) заполнен маслом 2 с продуктами износа 3 и условно разделен на части 4-9 (6 строчек по вертикали), а протекающие за период процессы - на этапы 10-13 (4 колонки по горизонтали). Период включает поступление в масло двигателя продуктов износа, осаждение продуктов износа в масляной системе двигателя (в том числе в масляных фильтрах, теплообменниках, трубопроводах и др.), расход масла на угар и добавление масла для компенсации расхода масла на угар.
Массы 14 и 15 масла в масляной системе 1 соответствуют моментам отбора предыдущей (i-1) 16 и данной (i) 17 проб масла для спектрального анализа, 18 и 19 - переходы соответственно от предыдущего периода к данному и от данного к последующему, 20 - поступление продуктов износа 3 в масло масляной системы 1,21 и 22 - расход («потеря») соответственно части масла 2 и части продуктов износа 3 с расходом масла на угар, 23 - часть продуктов износа 3, «осевших» в масляной системе 1 двигателя, 24 - добавка свежего масла для компенсации расхода 21 масла на угар и расхода 22 части продуктов износа 3.
В процессе работы двигателя происходит поступление продуктов износа 20 в масло 2 масляной системы 1 двигателя и перемешивание поступающих продуктов износа 20 с продуктами износа, находящимися в масле (перешедшими) от предыдущего цикла (этап 10, 1-я колонка): в каждой части 4-9 масляной системы 1 поступающие два продукта износа 3, например два грамма, смешиваются с одним граммом продукта износа 3 от предыдущего цикла. С расходом масла на угар происходит расход 21 («потеря») части масла и расход 22 («потеря») части продуктов износа 3, а также осаждение части 23 продуктов износа 3 в масляной системе 1 двигателя (этап 11, 2-ая колонка). Добавка 24 свежего масла компенсирует расход 21 части масла на угар и расход 22 части продуктов износа 3 (этап 12, 3-я колонка), при этом оставшиеся (этап 12, 3-я колонка) продукты износа 3 равномерно распределяются в объеме масляной системы 1 двигателя (этап 13, 4-я колонка).
Способ контроля степени износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.
В ходе эксплуатации двигателя отбирают пробы масла из масляной системы 1 двигателя для спектрального анализа, отобранные пробы масла разделяют на предыдущую (i-1) 16 и данную (i) 17 с периодом работы двигателя между ними, методом спектрального анализа определяют концентрации С(i-1) и С(i) продуктов износа соответственно в отобранных предыдущей (i-1) 16 и данной (i) 17 пробах масла, соответственно перед отбором предыдущей (i-1) 16 и данной (i) 17 проб масла измеряют массы M(i-1) 14 и М(i) 15 масла в масляной системе 1 двигателя, перед отбором данной (i) 17 пробы масла добавляют массу МДОБ(i) 24 масла до количества, равного массе M(i-1) 14 масла при отборе предыдущей 16 пробы масла, например до «верхней метки» измерительного щупа (не показан), т.е. M(i)=M(i-1)=M, измеряют, например взвешиванием, массу МДОБ(i) 24 добавленного масла в масляную систему 1 двигателя, контролируют степень износа деталей двигателя по величине массы m(i) продуктов износа, выпавших (поступивших) в масло за период работы двигателя между отборами предыдущей (i-1) 16 и данной (i) 17 проб масла, определяют массу m(i) продуктов износа, выпавших в масло (в том числе и продуктов износа 23, «осевших» в масляной системе 1 двигателя) за период работы двигателя между отборами предыдущей (i-1) и данной (i) проб масла по зависимости
где (i) - номер данной пробы масла;
(i-1) - номер предыдущей пробы масла;
m(i) - масса продуктов износа;
M - масса масла в масляной системе двигателя при отборе пробы масла;
ψ - коэффициент фильтрации;
γ - коэффициент загрязнения;
С(i) - концентрации продуктов износа при данной пробе масла;
МДОБ(i) - масса добавленного масла;
С(i-1) - концентрация продуктов износа при предыдущей пробе масла.
Для контроля износа деталей двигателя за весь период работы (испытаний) двигателя пробы масла дополнительно разделяют на исходную и конечную с периодом работы двигателя между ними, контролируют износ деталей двигателя по величине суммарной массы продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отбором исходной и конечной проб масла, путем суммирования значений массы продуктов износа за период работы двигателя между отборами каждой предыдущей и данной проб масла, т.е.
где 
- суммарная масса продуктов износа.
Кроме этого, контролируют степень износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания по величине скорости износа путем отношения значений массы продуктов износа к периоду работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла, т.е.
V(i)=m(i)/П
где П - период работы двигателя, который может выражаться в часах или в км пробега транспортного средства.
Для определения (вывода зависимости) массы продуктов износа, выпавших в масло при эксплуатации двигателя, время эксплуатации (испытаний) условно разделено на периоды (циклы) между отборами проб масла для спектрального анализа. В течение каждого цикла происходит смешивание в масляной системе 1 двигателя продуктов износа от предыдущего цикла и поступивших продуктов износа за данный цикл, «потеря» части масс масла и продуктов износа с расходом масла на угар, «оседание» части продуктов износа в масляной системе 1 двигателя и пополнение масляной системы 1 двигателя свежим маслом (доливы масла).
Концентрация С(i-1) продуктов износа в масле методом спектрального анализа в конце предыдущего цикла определяется предыдущей (i-1) пробой 16 масла, а концентрация С(i) в конце данного цикла - с учетом предыдущей концентрации С(i-1) предыдущей (i-1) пробы 16 масла, выпадения продуктов износа за данный цикл, а также с учетом «оседания» части массы продуктов износа в масляной системе двигателя, расхода масла на угар и произведенных доливов масла за данный цикл.
Оставшаяся от предыдущего цикла mОСТ(i-1) и выпавшая за данный цикл m(i) массы продуктов износа равномерно распределены в массе масла M(i-1) 14 масляной системы 1 двигателя (этап 10, 1-я колонка). Расход 21 части массы МУГ(i) масла вместе с расходом 22 части массы mУГ(i) продуктов износа «теряются» с расходом масла на угар в течение цикла, а также часть 23 продуктов износа 3 «оседают» в масляной системе двигателя (этап 11, 2-я колонка) и замещаются массой МДОБ(i) добавленного (доливами) свежего масла 24 (этап 12, 3-я колонка), а оставшиеся продукты износа mОСТ(i) равномерно распределены в массе М(i) масла масляной системы (этап 13, 4-я колонка) и переходят в следующий цикл.
По данным спектральных анализов предыдущей (i-1) и данной (i) проб масла известны концентрации С(i-1) и C(i) продуктов износа в масле соответственно предыдущего цикла и в конце данного цикла. Концентрации C(i) данного цикла являются концентрациями С(i-1) для следующего цикла.
Масса mОСТ(i) продуктов износа, оставшихся (после расхода масла на угар) в масле при отборе пробы масла в конце данного цикла (этапы 10 и 11, 1-я и 2-я колонки), равна
| mОСТ(i)=mОСТ(i-1)+m(i)-mУГ(i)-ψm(i) -γm(i), г, | (1) |
где ψ- коэффициент фильтрации, определяющий массу mф продуктов износа, «осевших» в масляных фильтрах;
γ - коэффициент загрязнения, определяющий массу mз продуктов износа, «осевших» в масляной системе двигателя (в картере, теплообменниках, трубопроводах и т.д.).
Коэффициенты ψ и γ выбираются по статистическим данным работы конкретного двигателя (группы двигателей) и зависят от назначения двигателя и условий его работы (на тепловозе, грузовое движение и т.д.).
Масса m(i) продуктов износа, выпавших в масло в течение данного (i-го) цикла, из выражения (1) равна
По определению, концентрация С (замеренная спектральным анализом) продуктов износа в масле соответствует массе mОСТ (в граммах) продуктов износа, содержащихся в одной тонне масла, тогда
откуда 
При равномерном распределении массы продуктов износа в объеме масла масляной системы двигателя концентрация продуктов износа в части масла, израсходованной на угар, соответствует концентрации продуктов износа в масле двигателя, масса долитого масла соответствует расходу масла на угар МДОБ(i)=МУГ(i) и при условии, что отбор проб масла для спектрального анализа производится при одинаковом количестве масла М(i-1)=M(i)= M в масляной системе тепловоза (например, при уровне масла в картере дизеля по «верхнюю метку»), имеем
где W(i) - масса масла в масляной системе двигателя на момент отбора данной (i-ой) пробы масла;
mC(i) - масса продуктов износа, находящихся в масляной системе
двигателя (до расхода масла на угар):
Выражая из соотношения (5) массу mУГ(i) продуктов износа, «потерянную» на угар и подставляя ее в (6), а затем полученную массу mC(i) в (2), после преобразований имеем
Таким образом, контроль степени износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания осуществляют с использованием данных спектральных анализов масла по величине массы продуктов износа, выпавших (накопившихся) в масле за период между отборами предыдущей (i-1) и данной (i) проб масла для спектрального анализа.
Условиями отбора проб масла для спектральных анализов являются одинаковое количество масла в масляной системе двигателя (например, при уровне масла в картере двигателя по «верхнюю метку») и равномерное распределение массы продуктов износа в объеме масла (отбор пробы масла при работающем двигателе).
Способ определения массы продуктов износа, выпавших в масло в процессе эксплуатации, по результатам спектральных анализов и данным расхода масла на угар опробован при обработке результатов сравнительных эксплуатационных испытаний тепловозов 2ТЭ116 и 2ТЭ10МК.
1. Способ контроля степени износа смазываемых деталей двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что в ходе эксплуатации двигателя отбирают пробы масла из масляной системы двигателя для спектральных анализов, методом спектрального анализа определяют концентрации продуктов износа в отобранных пробах масла, добавляют масло в масляную систему двигателя, контролируют степень износа смазываемых деталей двигателя с учетом определенных концентраций по величине массы продуктов износа, выпавших в масло, отличающийся тем, что отобранные пробы масла разделяют на предыдущую и данную с периодом работы двигателя между ними, перед отбором предыдущей и данной проб масла измеряют массу масла в масляной системе двигателя, перед отбором данной пробы масла добавляют масло в масляную систему двигателя до количества, равного массе масла при отборе предыдущей пробы масла, измеряют массу добавленного в масляную систему двигателя масла, контролируют степень износа смазываемых деталей двигателя по величине массы продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла, определяют массу продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла, по зависимости
где (i) - номер данной пробы масла;
(i-1) - номер предыдущей пробы масла;
m(i) - масса продуктов износа;
М - масса масла в масляной системе двигателя при отборе пробы масла;
η - коэффициент фильтрации;
ξ - коэффициент осаждения продуктов износа;
C(i) - концентрация продуктов износа при данной пробе масла;
МДОБi - масса добавленного масла;
C(i-i) - концентрация продуктов износа при предыдущей пробе масла.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пробы масла дополнительно разделяют на исходную и конечную с периодом работы двигателя между ними, контролируют износ деталей двигателя по величине суммарной массы продуктов износа, выпавших в масло за период работы двигателя между отбором исходной и конечной проб масла, путем суммирования значений масс продуктов износа за период работы двигателя между отборами каждой предыдущей и данной проб масла.
3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что контролируют износ смазываемых деталей двигателя по величине скорости износа путем отношения значений массы продуктов износа к периоду работы двигателя между отборами предыдущей и данной проб масла.
