Разработка устройства для активного улучшения триботехнических свойств моторного масла

Современные строительные, дорожные и карьерные машины (экскаваторы, бульдозеры, фронтальные погрузчики) являются основой для реализации масштабных инфраструктурных проектов. Их надежность и бесперебойная работа напрямую определяют экономическую эффективность строительства. Двигатели этих машин функционируют в экстремальных условиях, характеризующихся высокими удельными нагрузками, продолжительной работой на максимальных оборотах, частыми пусками и остановами, а также повышенным воздействием абразивной пыли. Всё это предъявляет исключительные требования к системе смазки двигателя внутреннего сгорания, ключевым элементом которой является моторное масло [1, с. 34-41; 2].

Моторное масло в условиях эксплуатации ДВС подвергается интенсивной деградации, которая носит комплексный характер. Основными негативными процессами являются:

• Термоокислительная деструкция, в результате которой под воздействием высоких температур (превышающих 120–150°C в зоне поршневых колец) масло окисляется кислородом воздуха. Это приводит к образованию смол, лакообразных отложений, карбенов и карбоидов, которые увеличивают вязкость масла, образуют нагар на деталях и закоксовывают масляные каналы;
• Загрязнение механическими примесями. В масло постоянно попадают продукты износа трущихся пар (частицы металла), абразивная пыль, проникающая через систему вентиляции картера, и сажа (особенно характерно для дизельных двигателей). Эти частицы действуют как абразив, ускоряя износ деталей, и являются катализаторами дальнейшего окисления масла;
• Кислотное загрязнение. При сгорании топлива, особенно сернистого дизельного, образуются агрессивные оксиды серы и азота, которые, попадая в картер, растворяются в масле, образуя кислоты. Это приводит к коррозионному износу вкладышей подшипников, валов и других поверхностей, а также к снижению щелочного числа (TBN) масла – ключевого показателя его способности нейтрализовать кислоты [2];
• Старение и истощение пакета присадок. Современные масла содержат сложный комплекс присадок (противоизносные, противозадирные, диспергирующие, антиокислительные и др.). В процессе работы эти присадки расходуются на выполнение своих функций, теряют активность или подвергаются термическому разложению. При этом важно отметить, что деградация различных компонентов масла происходит неравномерно. Часть базового масла и некоторые присадки могут сохранять свой ресурс, в то время как другие – полностью истощаются [3, с. 589-597].

Традиционная система технического обслуживания строительной техники основана на превентивной замене масла и фильтров по регламентированным интервалам, чаще всего при наработке 500 моточасов. Данный подход, хотя и обеспечивает базовую надежность, обладает существенными недостатками:

• неэффективное использование ресурса, при котором масло часто меняется, не исчерпав полностью своего эксплуатационного потенциала, что ведет к перерасходу дорогостоящих смазочных материалов и увеличению объема отработанных нефтепродуктов;
• риск работы на деградировавшем масле, утратившем свои эксплуатационные характеристики, что приводит к работе двигателя в режиме повышенного износа вплоть до следующего ТО;
• высокие совокупные затраты владения транспортным средством (затраты на масло, фильтры, работы по его замене и простои техники и т. п.), что составляет значительную часть операционных расходов.

Таким образом, актуальной задачей является переход от пассивной, регламентной схемы обслуживания к активному управлению состоянием масла в реальном времени. Это позволит продлить его жизненный цикл, сократить затраты и повысить надежность силовых агрегатов.

Существующие методы продления жизни масла, такие как ультратонкая фильтрация, термовакуумная обработка или введение регенеративных присадок, микроэлементов, галогенсодержащих соединений непосредственно в картер, ультразвуковая обработка, облучение масла, либо сложны и дороги, либо не обеспечивают контролируемого и безопасного воздействия [1, с. 34-41; 3, с. 589-597; 4, с. 321-328; 5, с. 64-69; 6, с. 37-41].

В данной работе предлагается инновационное, технологичное и экономичное решение, интегрированное в штатную систему смазки, – модифицированный масляный фильтр, сочетающий функции физической очистки и контролируемой химической регенерации свойств масла. Предлагаемое устройство представляет собой модифицированный фильтрующий элемент полнопоточного масляного фильтра, совместимый со стандартными корпусами фильтров.

Основной фильтрующий материал выполнен из целлюлозно-полиэстерового композита с тонкостью фильтрации 15 мкм, уложенного в складчатом исполнении с углом гофрировки 45°. Основной инновационной особенностью конструкции является установка йодовой прокладки между основным фильтрующим материалом и дренажными каналами. Йодовая прокладка представляет собой композитный материал на основе сетки из стеклоткани марки Т-13, пропитанной составом: йод кристаллический 5%, поливинилбутираль 15%, этиловый спирт 80%. Толщина прокладки составляет 2,5±0,2 мм. Дренажные каналы выполнены в виде радиальных канавок глубиной 1,5 мм на торцевой поверхности фильтрующего элемента.

Принцип работы заключается в том, что моторное масло под давлением 3,5–4,5 бар поступает в корпус фильтра и проходит через основной фильтрующий материал, где задерживаются механические примеси размером свыше 15 мкм. Частично очищенное масло проходит через йодовую прокладку, где происходит контролируемое высвобождение йода (0,1–0,3 мг/л масла), образование йодорганических комплексов и активация противоизносных и противозадирных присадок масла. Происходит активация ресурса масла за счет целенаправленного воздействия на пакет присадок Активированное масло циркулирует в системе смазки, образуя на поверхностях трения металлоплакирующую пленку толщиной 0,2–0,8 мкм [7].

В результате достигается уменьшение износа деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) на 25–30%, способствует снижению расхода масла на угар на 15–20% и увеличению щелочного числа масла на 2-3 мг КОН/г, а также увеличению межсервисного интервала до 700 моточасов. В результате проведенной работы: проанализирована проблема деградации моторных масел в условиях строительной техники; разработано и описано новое устройство на основе модификации масляного фильтра, сочетающее физическую очистку и контролируемое химическое воздействие; обоснован принцип работы устройства, направленный на активацию сохранившегося потенциала присадок и модификацию поверхностного слоя трущихся пар.

Применение предлагаемого устройства позволяет перейти от пассивной фильтрации масла к активному управлению его триботехническими характеристиками, что способствует сокращению объемов потребляемых масел в процессе эксплуатации техники.