Диагностирование износов деталей механизмов методами спектрального анализа смазочных масел

Область применения методов спектрального анализа

Сущность эмиссионного спектрального анализа описана во многих работах. Этот метод позволяет определить концентрации практически всех элементов, которые используются в деталях двигателей, редукторов, коробок передач. Время анализа одной пробы на современных спектральных установках исчисляется всего несколькими минутами при реально достижимой чувствительности 10-4... 10-5 % и точности до 5 %.

Масла, «омывающие» трущиеся детали, являются своего рода носителем технической информации об их техническом состоянии с точки зрения их износа.

Методы спектрального анализа масел позволяют выявлять неисправности деталей и прогнозировать в ряде случаев остаточный ресурс на ранней стадии. Объектами диагностирования износов по параметрам масел являются двигатели ДВС, коробки передач, редукторы и подшипниковые узлы, «омываемые» маслом.

Теоретический анализ загрязнения картерного масла продуктами износа и удаления примесей системой фильтрации дает следующую зависимость изменения концентрации загрязнений К по времени /:

где Kq — исходная концентрация примесей; q — интенсивность поступления продуктов износа в масло; интенсивность удаления продуктов износа мас- лоочистителем; qy интенсивность убыли продуктов износа вследствие угара масла; Q — объем картерного масла двигателя.

Согласно выражению (6.1) независимо от исходной концентрации примесей и объема картерного масла Q содержание продуктов износа через 3±1 ч для автомобильных двигателей стабилизируется на уровне:

В результате изнашивания цилиндров, шеек коленчатого вала, вкладышей, поршней, поршневых колец и бронзовых втулок двигателя в картерном масле содержатся продукты износа железа, олова, алюминия, хрома, меди и никеля. Кроме продуктов износа, в масло поступает кремний при нарушении фильтрации воздуха, поступающего в цилиндры двигателя (как правило, при нарушении герметичности впускного тракта).

Содержание указанных элементов в масле будет пропорционально скорости изнашивания сопряжений двигателя и коэффициенту пропуска пыли системой воздухоочистки. Поскольку интенсивность изнашивания зависит от скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя, то содержание продуктов износа в эксплуатации при удовлетворительной фильтрации воздуха и масла будет колебаться около некоторого значения, отражающего средний процесс изнашивания данного двигателя (рис. 6.2).

При возникновении в двигателе неисправностей увеличивается скорость изнашивания его деталей и происходит увеличение концентрации продуктов износа в масле от их средних значений, характерных для исправного состояния двигателя. Таким образом, по уровню концентрации можно выявить скрытые и прогнозируемые (назревающие) отказы. Для диагностического заключения результаты определения концентрации элементов сравнивают с предельными значениями элементов.

В табл. 6.2 приведены значения концентраций продуктов износа двигателей Я М3, характерные для их исправного и неисправного состояний (предельные значения).

Рис. 6.2. Зависимость концентрации продуктов износа К в масле от продолжительности его работы в двигателе /: t — время начала стабилизации концентрации продуктов

износа

Калориметрическим методом можно определять техническое состояние дизелей по параметрам картерного масла. При этом пробу масла анализируют в лаборатории на содержание железа, меди и алюминия, а затем сравнивают с предельно допустимыми параметрами.

Радиоактивный метод заключается в том, что на дизеле устанавливаются детали, активированные радиоактивными изотопами. По мере износа деталей радиоактивные частицы попадают в масло картера, откуда отбираются, анализируются и по ним определяется интенсивность износа узлов трения.

Рентгенографический метод позволяет проводить не только анализ масла, но и структуры поверхностного состояния деталей трения. В основе использования этого метода лежит способность рентгеновских лучей проникать в поверхностные слой металла, анализируя их. Пучок рентгеновских лучей скользит по поверхности изношенной детали, анализируя послойно ее техническое состояние. Таким образом, с помощью рентгеновских лучей можно более достоверно и объективно оценивать состояние масла и его влияние на процесс износа в узлах с деталями трения. Это позволяет прогнозировать остаточный ресурс, а также дает возможность правильно подбирать масла.

Таблица 6.2

Значения концентраций продуктов износа двигателей ЯМЗ

Массовая доля элемента (10 4 %) для модели двигателя

Элемент

ЯМЗ-240Н

ЯМЗ-8401

Исправное

состояние

Неисправное

состояние

Исправное

состояние

Неисправное

состояние

Fe

10

30

8,0

25

А1

20

30

15

25

Сг

2,5

3,8

2,0

3,5

Си

15

20

15

20

РЬ

15

20

15

20

Si

13

20

10

20

Атомно-абсорбционный спектральный анализ с дуговой автоматизацией обладает более высокой чувствительностью по сравнению с другими методами в 1000 раз. Этот метод является одним из наиболее совершенных аналитических методов решения задач по определению содержания малых концентраций металлов и других химических элементов в нефтепродуктах, позволяющий выявлять износ трущихся деталей, омываемых маслом, на ранней стадии. В качестве атомизатора в применяемой за рубежом аппаратуре в основном используется пламя. Эмиссионные или атомно-абсорбционные спектры можно получить, используя атомизатор — высокотемпературный источник света, в который вводится исследуемая проба масла для разрушения молекулы до атомарного состояния. В качестве источника тепла можно использовать любой горючий газ. Для получения атомно-абсорбционного спектра применяют эмиссионные квантометры МФС-3 МФС-5 или спектрофотометр С-302, который имеет небольшие размеры, проба масла подается в него в распыленном состоянии.

Атомно-абсорбционный метод анализа основан на изучении атомных спектров резонансного поглощения. Атомы способны не только излучать волны определенной длины, но и поглощать их. Особенно эффективно поглощаются волны той длины, которая соответствует переходу атома в возбужденное состояние с основного нижнего энергетического уровня (так называемое резонансное поглощение). Атомно-резонансное поглощение связано со строением атома, является его характеристикой, что и положено в основу анализа.

Для того чтобы добиться атомно-резонансного поглощения, необходимо задать резонансное излучение, соответствующее спектру искомого элемента, и пропустить его через атомизированную пробу. При сравнении измеренного исходного излучения до прохождения пробы и после нее можно определить, что при наличии искомых атомов в пробе первоначальное излучение уменьшится из-за поглощения данного элемента в тем большей степени, чем больше искомого элемента в пробе. По уменьшению интенсивности заданного излучения можно судить о количестве искомого элемента. Так как природа происхождения процессов поглощения и излучения (при эмиссионном анализе) различна, то и возможности основанных на этих явлениях спектральных методов также неодинаковы.

В табл. 6.3 приведены основные дефекты двигателей ЯМЗ и определяющие их элементы (продукты износа), позволяющие диагностировать техническое состояние двигателей по результатам спектрального анализа картерного масла.

По результатам спектрального анализа смазочного материала определяют износ деталей и сопряжений. Иногда в смазочном материале можно найти и

Таблица 6.3

Основные дефекты двигателей ЯМЗ и определяющие их элементы

Дефект

Элемент

РЬ

Si

Fe

Си

Ai

Сг

Негерметичность впускного тракта (износ деталей ЦПГ1)

Д

А

А

А

Задир деталей ЦПГ (поршней, гильз, колец)

Д

Д

Д

Дефекты деталей КШМ2 (износ, задиры вкладышей и коленчатого вала)

д

А

Д

Примечание: 1 — ЦП Г — детали цилиндро-поршневой группы; 2 — КШМ — детали кривошипно-шатунной группы; А — рост концентраций элемента при дефекте; Д — основной диагностический элемент.

продукты неполного сгорания топлива, что позволяет с помощью спектрального анализа определять состояние таких узлов, как поршни дизеля, кольца и др.

Нарушение плотности водяной системы дизеля, приводящее к обводнению картерного масла, можно диагностировать по накоплению в масле продуктов, содержащихся в присадках к охлаждающей воде. Методом спектрального анализа можно определить техническое состояние масляных фильтров, если в масле окажутся продукты неочищенного воздуха; аналогично можно судить о техническом состоянии моторно-осевых подшипников, буксовых подшипников и других узлов с деталями трения [32].

Основными элементами-индикаторами, которые характеризуют изменение технического состояния двигателей, служат железо (при износе гильз цилиндров, шеек коленвала, зубьев шестерен), свинец (при износе вкладышей подшипников), хром (при износе хромированных поршневых колец), кремний (при попадании пыли), никель (при износе нирезистовых вставок в гильзах цилиндров).

При диагностировании методами спектрального анализа для получения достоверных данных необходимо иметь большой набор эталонных параметров при контроле трущихся пар подшипников и дизельного масла. Попадание охлаждающей воды в дизельное масло можно обнаружить при его анализе по содержанию элементов, которые входят в состав воды в виде присадок — натрий, бор, хром и другие составляющие выявляются в процессе спектрального анализа на специализированных установках МФС-5, ФПЛ-1, СТ-7 или БАРС-ЗМ, МФС-7.

Несмотря на высокую точность диагностирования по результатам спектрального анализа масла, его широкое применение для автомобилей затруднено из-за достаточно высокой стоимости квантометров и их технического обслуживания и др.

Спектральный анализ не может давать всестороннюю оценку технического состояния двигателя, и поэтому его следует считать вспомогательным методом.

Спектральный анализ пока остается основным методом диагностирования двигателей в авиации, железнодорожном и водном транспорте.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >