Преодоление рисков холодных пусков машин
Смазка, возможно, является одним из самых важных компонентов машины, но также и одним из самых уязвимых. Большое влияние на эту уязвимость оказывает температура, которая имеет обратную зависимость от важнейшего свойства смазочного материала – вязкости. Узнав о потенциальном влиянии температуры на ваши смазочные материалы, вы сможете лучше понять, как машина может выйти из строя, и, надеюсь, предотвратить будущие отказы.
Вязкость смазки зависит от температуры.
Температура запуска
Температура запуска — это температура окружающей среды при первом запуске машины до того, как смазочный материал достигнет рабочей температуры. Во время типичной работы многие факторы, способствующие выделению тепла, такие как трение, вызывают повышение температуры и достижение равновесия с окружающей средой, также известной как рабочая температура машины.
Знание рабочей температуры машины имеет решающее значение при выборе подходящей вязкости смазочного материала, поскольку вязкость зависит от температуры окружающей среды.
Холодный запуск машины
Термин «холодный запуск машины» относится к низким температурам окружающей среды, которые могут отрицательно сказаться на работоспособности машины. Автомобильная промышленность и мобильное оборудование уже давно разрабатывают решения для этой проблемы, связанной с экстремальными температурами, в том числе в очень холодных условиях.
Это привело к созданию усовершенствованных составов смазочных материалов, таких как присадки, снижающие температуру застывания, и масла с повышенной вязкостью, а также усовершенствованные конструкции двигателей с интеграцией нагревателей блока и поддона.
Отказ смазки
Чтобы понять возможные режимы отказа машины, связанные с холодным пуском, важно рассмотреть способы, которыми смазочный материал может выйти из строя в этих условиях, как физически, так и химически.
Мало того, что смазка становится более вязкой при низких температурах из-за соотношения температура-вязкость, она может в конечном итоге застыть, когда она опускается ниже определенной температуры, называемой температурой застывания.
Методы испытаний, определенные ASTM D97, температура застывания описывает точку низкой температуры, при которой масло становится неподвижным и перестает течь.
Например, трансмиссионное масло достаточно низкой температуры можно поставить на пол и стоять на нем, как на глыбе льда. Однако, в отличие от воды, которая сохраняет постоянную вязкость до тех пор, пока не затвердеет при определенной температуре, масло будет постепенно густеть и застывать с различной скоростью. Это затрудняет установление стандартов выбора смазочных материалов для работы оборудования.
Поэтому, даже если масло еще не достигло точки застывания, вязкость холодного масла может привести к существенному ограничению потока в компонентах машины, таких как гидравлические или циркуляционные масляные насосы. Последствия ограничения потока насоса могут быть катастрофическими, например, износ поверхности из-за паровой кавитации и износ подшипников из-за голодания.
На некоторые присадки влияют низкотемпературные условия запуска машины.
Например, некоторые противозадирные присадки активируются только при повышенных температурах в результате поверхностного трения при высоких скоростях или высоких нагрузках. Если машина работает на меньших оборотах во время запуска и в холодных условиях, присадка может стать значительно менее эффективной.
Другие добавки, такие как ингибиторы ржавчины, могут иметь плохую растворимость и расслаиваться на дне отстойников и резервуаров для хранения во время длительных периодов застоя при низких температурах. Если масло продолжает работать при низких температурах, может увеличиться пенообразование, особенно при использовании масел с низкой вязкостью. Все эти разлагающие воздействия на присадки к смазочным материалам приведут к ограниченной защите компонентов машины от коррозии, преждевременного износа и пенообразования.
Сопротивление фильтра и неисправность
Все машины ведут себя по-разному в условиях высокой вязкости при холодном пуске, в зависимости от конструкции машины и чувствительности компонентов.
Например, в любой системе с циркуляцией жидкости, такой как система принудительной циркуляции смазочного масла или циркуляционная система с мокрым картером, масло должно проходить через фильтр.
Фильтрующие элементы естественным образом вызывают ограничение потока. Более сильное ограничение потока приводит к более высокому падению давления, что приводит к открытию перепускного клапана фильтра (если имеется), разрыву фильтрующего элемента или к тому и другому. Поскольку вязкость увеличивается при холодном пуске, падение давления также увеличивается из-за увеличения сопротивления через фильтрующий элемент.
К сожалению, в этих условиях возможность отказа не ограничивается фильтром. Мало того, что фильтр может разорваться, это также может вызвать цепную реакцию с другими вторичными отказами машины.
Когда масло начинает протекать между трещинами при разрыве фильтра, скопившиеся на фильтре загрязняющие вещества имеют шанс прорваться наружу сразу. Массовое проникновение частиц будет непосредственно способствовать износу машины.
Как правило, основной причиной отказа в условиях холодного пуска является повышенное сопротивление потоку. Даже если фильтр не разорвется, вязкое масло приведет к повреждению. В таблице ниже показано, как вязкость может измениться в результате изменения температуры. Масло 220 ISO VG с индексом вязкости около 100 увеличится до более чем 5000 сантистоксов, когда температура упадет до 0 градусов по Цельсию (32 градуса по Фаренгейту).
Смазка Голодание
Большинство механических методов, которые помогают подавать масло к смазываемым компонентам, перестают работать при падении температуры. Как упоминалось ранее, если масло предназначено для протекания по трубопроводу, такому как система циркуляции смазочного масла, масло может стать сильно ограниченным и привести к голоданию машины.
Другие маслоподъемные устройства также могут потерять свою эффективность в таких условиях. Кольцевые масленки начинают пробуксовывать, вызывая нежелательное трение, а маслоотражатели удерживают вязкое масло, что приводит к недостаточному распределению смазки в более высокие зоны смазки.
Применение смазки
Смазка имеет аналогичные риски в холодных условиях, поскольку масло в смазке все еще подчиняется соотношению температура-вязкость. Вероятность нехватки смазки из-за недостаточного нанесения смазки является распространенной проблемой.
При любом методе нанесения, предназначенном для проталкивания смазки через отверстие или линию смазки, например, централизованная система смазки, одноточечный лубрикатор или даже ручная смазка, движение смазки может быть значительно ограничено при низких температурах.
Следовательно, смазка может быть нанесена неправильно в зонах трения компонента. Некоторые смазки, предназначенные для низких температур, созданы для таких условий. Такие методы испытаний, как ASTM D4793 и D1478, были разработаны для определения того, как смазка ограничивает движение в подшипнике при низких температурах.
Системы коробки передач
Большинство типов коробок передач подвержены риску голодания, включая системы циркуляции с разбрызгиванием, системы циркуляции с мокрым картером или системы принудительной циркуляции смазочного масла.
Когда масло слишком вязкое во время запуска, оно не может достичь зон зацепления шестерен из-за недостаточного давления в форсунке или перетекания масла в системы со смазкой разбрызгиванием.
В результате несмазанные точки контакта высокого давления на зубьях шестерни могут быть повреждены. Кроме того, любая зубчатая передача, которая должна преодолевать эффект взбалтывания, вызванный вязким маслом, также будет испытывать ограниченную передачу мощности.
Двигатели
В настоящее время машины, работающие в холодных условиях, обычно оснащаются нагревательными элементами, позволяющими запускать машину. Тем не менее, поскольку температура продолжает падать, простое использование нагревателей блока не устраняет риск для компонентов двигателя, которые еще не устранили локальное скопление масла, температура которого остается ниже точки застывания.
Например, даже если машина может свободно вращаться при запуске, если масляный поддон все еще находится в гелеобразном состоянии, смазка не может выполнять свою роль должным образом.
Это может привести к заклиниванию двигателя. В загущенном масле могут образовываться воздушные карманы, называемые связыванием воздуха, и лишить насос масла.
Чтобы предотвратить это, часто используются нагреватели сковороды и смазочные материалы более высокого качества, которые помогают снизить вязкость. Когда условия неопределенны, вы можете наблюдать за потоком масла на кончике щупа, чтобы убедиться в вязком состоянии масла.
Кинематическая вязкость масла в сочетании с температурой в сантистоксах (сСт)
Подшипники скольжения
Масляный клин, образующийся при вращении шейки в корпусе подшипника, представляет собой тщательно подобранный баланс скорости, вязкости и нагрузки. В любых обстоятельствах, когда вязкость нежелательно высока, например, при очень низких температурах, масло может начать биться вокруг шейки, вызывая колебание вала. Из-за уменьшенных рабочих зазоров может возникнуть чрезмерный износ.
Гидравлика
Для гидравлических систем самые большие риски при низких температурах связаны с кавитацией и выходом из строя фильтрующих элементов в гидравлических насосах, как упоминалось ранее.
Другая проблема, которая может возникнуть, связана с гидравлическими уплотнениями. Хотя загрязнение и проблемы с установкой являются наиболее распространенными причинами протечек и отказов уплотнений, холодный пуск и низкие рабочие температуры также создают угрозу охрупчивания уплотнений.
Подшипники
Подшипники с телами качения будут иметь пониженную подвижность, если масло или смазка станут слишком вязкими при низких температурах. Вязкое масло приводит к потерям при сбивании и пробуксовке роликов. Скольжение может привести к повреждению тел качения и конструкции сепаратора. По мере повреждения этих компонентов трение увеличивается, что может привести к отказу.
При использовании консистентных смазок масло в смазке подвергается значительным изменениям при низких температурах. Скорость отделения базового масла будет недостаточной при низких температурах, поскольку вязкое масло останется в загустителе, расположенном вне дорожки качения. В этих условиях нехватка смазки может привести к преждевременному выходу подшипника из строя.
Предотвращение отказа машины при холодном пуске
К счастью, за последние несколько десятилетий производители смазочных материалов осознали влияние низких температур на машины. Это побудило их разработать рецептуры, которые могут работать в этих условиях, в том числе во время запуска машины.
Базовое масло играет важную роль, так как многие высокоочищенные минеральные и синтетические масла менее подвержены влиянию перепадов температуры. Это представлено индексом вязкости. Улучшители индекса вязкости могут улучшить это свойство. Чем выше индекс вязкости, тем меньше изменение вязкости при изменении температуры.
Депрессорные присадки также могут улучшить характеристики масла при низких температурах. Эти свойства базового масла и присадок, наряду с правильно выбранным классом вязкости или классом мультивязкости, предлагают жизнеспособные решения при низких температурах.
Тем не менее, иногда составов смазочных материалов может быть недостаточно, чтобы избежать ловушек при холодном пуске.
В этих случаях машины могут быть оборудованы для преодоления холода за счет установки блочных и тарельчатых нагревателей, как упоминалось ранее, а также систем предварительной смазки, которые подготавливают компоненты машины к холодному запуску.
Последующий отказ, который может возникнуть из-за неправильной подготовки к условиям холодного пуска, будет постепенным и косвенным. Мало того, что низкие температуры могут быть первопричиной неблагоприятных условий смазочных материалов, их присутствие может также вызвать цепную реакцию, приводящую к образованию смазочных материалов с высокой вязкостью, что создает возможность для смазочного голодания, повышенного загрязнения, преждевременного износа, неактивных присадок и других неизбежных факторов. последствия.
Как только операторы машин и инженеры по надежности узнают о рисках, связанных с низкими температурами, особенно при запуске, можно будет внести коррективы, чтобы предотвратить возникновение этих цепных реакций.
Каталожные номера
Журнал прикладной гидравлики .
(1956, февраль). 67-70.
Бехруз, А. (2014, сентябрь). «Мертвый датчик». Журнал машиностроения .
Денежные средства. У. (2016, апрель). «Лучшие способы борьбы с гелеобразованием масла». Смазка машин .
Dimand. Д. (1990, декабрь). «Смазочные материалы при низких температурах». Технический сборник холодных регионов .
Fitch, EC (2002 г., июль). «Температурная стабильность смазочных материалов и гидравлических жидкостей». Смазка машин .
Fitch, JC (2012 г., август). «Скрытые опасности лубрикантного голодания». Смазка машин .
Хохманн. М. (2013, март). «Смазка редуктора — защита редуктора даже при низкой температуре масла». Решения для шестерен .
Хонсари, М. и Бузер, Э. Р. (2007 г., март). «Низкие пределы температуры и вязкости». Смазка машин .
Мэнни, Д. «Продлите срок службы вашей коробки передач с помощью профилактического обслуживания». Получено с www.
lselectric.com/extend-the-life-of-your-gearbox-with-predictive-maintenance.
«OWI-Lab инвестирует средства в испытательный стенд для холодного запуска компонентов трансмиссии ветряных турбин до -40°C». Получено с www.owi-lab.be/content/owi-lab-invests-40%C2%B0c-cold-start-test-bench-wind-turbine-drivetrain-components.
Викстрём, В. (2000, ноябрь). «Смазка подшипников при низких температурах». Получено с http://evolution.skf.com/us/low-temperatures.
Об авторе
Холодный пуск 101 | EthanolProducer.com
РЕКЛАМА
Когда в 1980-х годах бразильское правительство приняло решение заменить бензин этанолом в качестве национального топлива для пассажирских двигатель на чистом спирте.
По словам Энрике Перейры из GM Powertrain, именно поэтому автопроизводители «Большой тройки» оборудовали свои бразильские автомобили двумя топливными баками: один для этанола или смеси этанола, а другой — исключительно для бензина, чтобы облегчить холодный пуск.
Хотя слова «холодный» и «Бразилия» не часто встречаются в одном предложении, температура ниже 64 градусов по Фаренгейту может вызвать проблемы с запуском двигателя на спирте. Этанол в чистом виде и в более высоких смесях с бензином плохо испаряется при более низких температурах и не образует горючую смесь при запуске. Однако низкие концентрации этанола в газе, особенно 6 процентов, вызывают чрезмерно высокую летучесть по сравнению с чистым бензином или этанолом, смешанным в концентрациях, превышающих 20 процентов (см. диаграмму). Несмотря на то, что это по-прежнему вызывает озабоченность в отношении выбросов (испарения и проникновения), высоколетучий E10, сжигаемый в старых карбюраторных двигателях, имел склонность вызывать паровые пробки, что вызывало гораздо меньшую озабоченность в последние 20 лет с появлением и распространением систем впрыска топлива.
Как и во многих видах топлива, процентное содержание этанола в Е85 регулируется в зависимости от сезона. В холодные месяцы содержание этанола в Е85 падает почти до 70 процентов, чтобы компенсировать более низкую летучесть этанола, и увеличивается в теплые месяцы года, когда холодный пуск не вызывает беспокойства.
Бразильские автомобили сначала не были транспортными средствами с гибким топливом (FFV), а были разработаны для топлива на основе этанола, поэтому степень сжатия была увеличена для оптимизации термического КПД при сгорании этанола. Со временем были внесены улучшения, и в 2006 году Honda объявила о выпуске FFV, способного работать на E20 или чистом этаноле. Как и в первых бразильских автомобилях GM, работающих на этаноле, в пресс-релизе Honda говорится: «Система холодного запуска, использующая дополнительный топливный бак, обеспечивает надежный запуск даже при низких температурах окружающей среды», что указывает на то, что спустя два десятилетия автопроизводители все еще полагаются на вспомогательный топливный бак. топливный бак для преодоления проблем с низкой летучестью спиртового топлива.
Источник: SAE Paper 852116
В 1990-х годах изменение норм выбросов в Бразилии и усовершенствованные технологии сжигания топлива побудили GM внедрить электронные средства управления, чтобы улучшить характеристики холодного запуска с большим чувством сложности.
По данным GM, первые двигатели FFV использовали светочувствительный датчик для измерения состава топлива по отношению к содержанию спирта. В последние несколько лет GM перешел на так называемый виртуальный датчик, который работает на основе показаний датчиков кислорода в потоке выхлопных газов, датчика уровня топлива и датчиков скорости автомобиля. Используя эти показания, модуль управления двигателем регулирует время, в течение которого топливные форсунки остаются открытыми, в зависимости от концентрации этанола. Другими словами, чем больше этанола (и меньше плотность энергии), тем дольше форсунки остаются открытыми.
В апреле 2007 г. компания GM провела масштабную кампанию по добровольному обслуживанию автомобилей FFV 2006 и 2007 гг., которые были подвержены плохим характеристикам холодного запуска из-за неправильного программирования в модуле управления двигателем. У Ford Motor Co. была аналогичная проблема с Taurus FFV (см. EPM Flex Factor за январь 2007 г.). Подобно тому, как карбюраторные двигатели иногда оснащались ручным дросселем для создания богатого топливовоздушной смеси, двигателю требуется больше топлива и меньше воздуха при запуске, чтобы помочь бороться с плохим холодным запуском на этаноле (без дополнительного топливного бака).