судостроение 2 2014 судовые энергетические установки
ДИАГНОСТИКА УЗЛОВ ТРЕНИЯ СУДОВЫХ МЕХАНИЗМОВ ПУТЕМ АНАЛИЗА ПРОДУКТОВ ИЗНОСА В СМАЗОЧНОМ МАСЛЕ
А. А. Равин, канд. техн. наук,в-тсм!: ravinlki@mail.ru
(СПбГМТУ) УДК 621.891.004.58:629.5
Несмотря на высокие антифрикционные качества современных масел, полностью исключить трибо-технический износ и усталостное вы-крашиванье контактных поверхностей в узлах трения не удается. Продукты износа трущихся деталей механизмов, имеющих циркуляционную масляную систему, попадают в масло и накапливаются в нем. Например, в масляную систему судового дизеля поступают металлические частицы при износе деталей цилиндропоршне-вой группы, коренных и мотылевых подшипников, зубчатых зацеплений и кулачков распределительного вала (рис. 1).
Вместе с накоплением примесей G идет и обратный процесс, обусловленный фильтрацией дф и угаром масла ду, его разбавлением при частичных доливах, отложением примесей в картере. Поскольку интенсивность поступления продуктов износа дпропорциональна скорости изнашивания трущихся
деталей, а интенсивность их удаления пропорциональна их концентрации в масле К, то нетрудно убедиться, что взаимодействие этих процессов приводит к динамическому равновесию (1):
dG
— = д-dt
■ дуЖ.
K = К0е_А,/°0 + -
д А
1 _ е-А^О0
,(2)
Рис. 1. Узлы трения судового дизеля:
1 — маслозаборная труба с фильтром; 2, 4 — откачивающая и нагнетательная секции масляного насоса; 3 — маслоохладитель; 5 — центробежные фильтры; 6 — распределительная магистраль; 7, 10 — форсунки; 8, 9 — корневой и мотылевой подшипники; 11 — привод распределительного вала; 12 — распределительный вал; 13 — подвод масла к штоку клапана; 14 — турбокомпрессор
где Ко и К — начальная и текущая концентрации продуктов износа в масле, г/т; Оо — емкость масляной системы, т; д — интенсивность поступления продуктов износа, г/ч; А = дф + ду, г/ч; t — время эксплуатации дизеля после долива масла, ч.
Концентрация К характеризует скорость износа, а ее интегрирование во времени позволяет оценить накопленную за время Т массу продуктов износа деталей т
М = 1 д(t)dt (3)
0
и среднюю для изнашиваемой поверхности Гизн степень износа:
(1) А = М/Ри
(4)
Нарушение этого равновесия в сторону повышения концентрации возникает только в периоды начальной приработки и аварийного износа, а в сторону понижения концентрации — сразу после до-ливов масла (рис. 2).
Соответствующая равновесная концентрация с учетом периодических доливов масла может быть определена следующим выражением:
Если организовать периодические замеры (мониторинг) концентрации металлов в масле и включить в состав диагностического алгоритма блоки распознавания нестабильного состояния системы, можно решить две диагностические задачи:
— предупреждение персонала о повышении скорости износа деталей;
— прогнозирование наступления аварийного состояния оборудования.
Самым простым средством контроля содержания в масле частиц железа является магнитная пробка, установленная на масляном трубопроводе (рис. 3, а). Ее можно периодически вывинчивать, взвешивать и по приращению массы за период между взвешиваниями судить об интенсивности попадания железных продуктов износа в масло. Недостатки этого способа — периодичность, низкая чувствительность и избирательность контроля. Дело в том, что пробка вылавливает из масла лишь сравнительно крупные железные частицы, которые появляются только в критической стадии износа стальных деталей.
Непрерывный контроль содержания металлических частиц осуществляет сигнализатор стружки (рис. 3, б). Внутри сигнализатора находится металлическая сетка, которая при застревании в ней металлической стружки изменяет свою проводимость, выдавая соответствующий электрический сигнал. После этого на сетку подается электрический импульс, сжигающий застрявшую частицу. По частоте срабатывания сигнализатора мож-
судовые энергетические установки
СУДОСТРОЕНИЕ 2'2014
£3 ГЗ IV ей сЗ гз / 1 2 £ 3 1 0 Р9 И ( \ К 2 Я V и " В 1 \ о о о 1 П) Ч Ч Ч / у / О / к / л / к 3 !Я я & 7
6 1 п. я о. V г Г
С Период нормальной работы <
Рис. 2. Характер изменения концентрации продуктов износа в масле
но судить о количестве в масле металлических частиц, размеры которых превышают размеры отдельных ячеек сетки (около 1 мм). Понятно, что это тоже довольно грубая оценка. Кроме того, такой экстремальный принцип действия сильно снижает ресурс самого сигнализатора.
а) б)
Более тонкий анализ проб масла, взятых из циркуляционной системы, проводится с помощью спектро-анализаторов. Контролируя с помощью этих приборов концентрацию в масле различных химических элементов, можно раздельно отслеживать темпы износа различных групп деталей:
— повышенное содержание железа является признаком ускоренного износа стальных деталей (гильз, поршней);
— концентрация хрома указывает на темп износа хромированных поршневых колец;
— повышение концентрации меди, цинка и свинца свидетельствует об ускоренном износе баббитовых вкладышей шатунных и коренных подшипников;
— никель характеризует износ легированных сталей и антикоррозионных покрытий;
— алюминий появляется в масле при износе поршней высокооборотных дизелей, изготовленных из алюминиевых сплавов.
Для анализа содержания в масле продуктов износа целесообразно использовать специализированные портативные приборы (рис. 4), обеспечивающие возможность оценки концентрации указанных выше металлов (универсальные приборы, расчитанные на анализ более широкого списка химических элементов, слишком дороги).
Для диагностики по результатам спектрального анализа масла (СПАМ) полезно использовать алгоритмы, учитывающие не только сопоставление измеренных концентраций с предельно допустимыми значениями, но и тенденцию их изменения. Окно ввода данных компьютерной экспертной системы, реализующей такой алгоритм, показано на рис. 5.
Альтернативой спектральному анализу является феррографичес-кий метод анализа масла. Он позволяет использовать для диагностики не только общее значение концентрации продуктов износа, но и распределение концентраций в зависимости от размеров металлических частиц. Кроме того, дополнительную информацию можно получить при микроскопическом анализе размеров и формы отдельных частиц.
Обработка проб масла магнитным полем позволяет сортировать по размерам железные частицы, почему, собственно говоря, этот метод и назван феррографическим. Микроскопический анализ может быть применен для частиц любого химического состава. Для анализа продуктов износа стальных деталей
Рис. 3. Магнитная пробка (а) и сигнализатор стружки (б)
Рис. 4. Трибологическая лаборатория МеЫЮНек (слева) и спектроанализатор серии «Спектроскан»
СУДОСТРОЕНИЕ 2'2014
судовые энергетические установки
в масле применяются различные типы приборов:
— прямосчитывающий ферро-граф для количественной оценки общей концентрации железа в масле, и отдельно концентрации крупных и мелких частиц;
— аналитический феррограф для приготовления феррограммы, отражающей распределение железных частиц по размерам;
— ферроскоп для микроскопического анализа феррограммы, определения размеров и формы частиц (рис. 6);
— линейный феррограф для непрерывного автоматического контроля концентрации частиц железа в масле.
Первые три прибора устанавливаются в береговой или бортовой диагностической лаборатории и обеспечивают анализ периодически отбираемых из циркуляционной системы проб масла. Линейный феррограф устанавливается непосредственно на трубопроводе масляной системы.
Преимуществом феррогра-фии является возможность раздельной оценки содержания в масле мелких и крупных частиц износа, оценки стадии и характера износа в результате микроскопического изучения формы металлических частиц. Например, для частиц задира характерны борозды в направлении движения. В случае износа поверхностей качения в масле появляются сферические частицы. При усталостном выкрашивании образуются хлопьевидные частицы, обычно на их поверхности имеется множество микроязвин. При коррозионном износе в пробе масла появляется множество частиц размером до 2 мкм. При микрорезании образуются частицы в виде стружки.
На рис. 6 (а—г) показаны результаты микроскопического анализа: частицы металла, попадающие в масло при нормальном темпе износа узлов трения (а), хлопьевидные частицы, образующиеся при усталостном отслаивании от поверхностей скольжения (б), микростружка при ускоренном износе, вызванном задиром поверхностей трения или плохой смазкой (в), продукт износа контактных поверхностей подшипников качения (г).
Наименование ГД Значения
продуктов износа деталей номинальное предельное измеренное при ТО
настоящее
железо Ре г/т 23.6 45.2 25 56
медь Си г/т 3.2 5.3 1
цинк 1п г/т 2.9 4.8 1
свинец РЬ г/т 3.0 5.0 1
алюминий А1 Ш 4.6 8.1 1
ХрОи СУ г/т ш (Л 6.3 5 7.5
никель N1 га 2.2 3.4 1
Рис. 5. Исходные данные для постановки диагноза по результатам СПАМ
Рис. 6. Ферроскоп (верхнее фото) и микрофотографии продуктов износа
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
40
тические установки
СУДОСТРОЕНИЕ 2'2014
Сравнительный анализ характеристик СПАМ и феррографии
СПАМ
Трение скольжения.
Трение качения — на стадии выкрашиванья контактных поверхностей
Количественный анализ концентрации металлических примесей
0,1—1
Невозможно
0,3—5
Железо, медь, свинец, цинк, хром, алюминий
Возможно (путем сопоставления концентрации разных металлов)
Требует применения многофункционального спектроанали-затора
Феррография
На всех стадиях, кроме начального накопления микроповреждений поверхностей трения
Железо — количественный анализ концентрации;все металлы — качественный анализ частиц
1—100
Возможно
0,3 — 10
Невозможно
То же, что и СПАМ при качественном анализе
Возможно при ферроскопичес-ком анализе
Только с помощью лабораторной аппаратуры
Интегрирование во времени концентрации металлов с учетом площади трущихся поверхностей
Экстраполяция результатов периодического контроля концентрации продуктов износа
Периодический анализ проб с помощью спектроанализатора и п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.