Результат интеллектуальной деятельности: Способ повышения работоспособности новых и изношенных узлов и агрегатов машин и оборудования

Изобретение относится к области эксплуатации, например, самоходных машин и стационарного оборудования, в частности к повышению работоспособности двигателей внутреннего сгорания автотракторной, транспортной техники, агрегатов ее силовых передач и стационарного оборудования со смазываемыми парами трения.

Известен традиционный способ повышения работоспособности агрегатов самоходных машин и оборудования, например, агропромышленного комплекса, заключающийся в регламентном проведении технического обслуживания машин и оборудования, в проверке состояния моторных, трансмиссионных, гидравлических масел, доливке/смене масел и маслофильтров, промывке систем смазки (см., например: Ленский А.В. Специализированное техническое обслуживание машинно-тракторного парка. М.: Росагропромиздат, 1989. - 239 с.). Подобный метод реализован для всего многообразия промышленного оборудования во всем мире.

Недостатком известного способа является отсутствие в эксплуатации всех машин и оборудования активного воздействия на масла, на смазываемые ими сопряжения для уменьшения трения, изнашивания узлов, агрегатов, продления срока их службы, уменьшения расхода энергоносителей и электроэнергии на работу техники.

Известен способ повышения работоспособности автотракторных двигателей внутреннего сгорания путем введения в систему их смазки деталей из магниевых сплавов, например, корпусов маслофильтров, пробок в масляном картере или маслобаке, вставок в маслофильтры (см. Лебедев С.А. Маслофильтрующая аппаратура автомобильных двигателей. М.: ЦИНТИМАШ, 1960, 56 с.).

Недостатком известного способа является то, что эти детали загрязняются масляным шламом и их влияние на свойства масел постепенно исключается.

Известен способ повышения работоспособности автотракторных двигателей внутреннего сгорания путем введения в систему их смазки картриджей с химическими веществами на основе соединений, например, магния, йода, брома (см. патенты РФ №1507995 (МПК F01M 9/02, 1987), №2052169 (МПК F16N 39/06, F01M 9/02, F01M 1/10, 1995), №2084753 (МПК F16N 39/06, F01M 9/02, 1994), №2223442 (МПК F16N 15/00, 2003).

Недостатком известного способа является быстрая потеря эффективности картриджей из-за их загрязнения и израсходования химикатов.

Известен способ повышения работоспособности узлов и агрегатов машин и оборудования путем введения в их масла модификаторов поверхностей трения: минеральных, органических, смешанного состава (см. например: Шабанов А.Ю. Очерки современной автохимии. Мифы или реальность?. - СПб.: Иван Федоров, 2004. - 216 с.; Балабанов В.И. Безразборный сервис автомобиля. Обкатка, профилактика, очистка, тюнинг, восстановление. - М.: Издательство «Известия», 2007. - 272 с.; Дунаев А.В. Нетрадиционная триботехника. Модификация поверхностей трения. - 2013. - 270 с.). Этот способ зародился в 1942 г., в Российской Федерации широко используется с конца 80-х гг. на всех агрегатах самоходных машин и стационарного оборудования во всех отраслях. Способ защищен более 150 патентами Российской Федерации и десятком зарубежных патентов.

Так, например, ДВС, редукторы машин и оборудования обрабатывают вводимыми в картерное масло триботехническими составами (трибосоставами) в виде:

- естественных минералов, защищенных патентами РФ №2035636 (МПК F16C 33/14, 1993), №2057257 (МПК F16C 33/14, 1994), №2160856 (МПК F16C 33/14, 2000), №2243427 (МПК F16C 33/14, 2003), №2256802 (МПК F01M 9/02, 2003), №2264440 (МПК С10М 177/00, C10N30:06, 2004), №2275417 (МПК С10М 103/06, С10М 125/00, B05D 5/08, 2004), №2293892 (МПК F16C 33/14, 2006) и другими,

- искусственных минералов, защищенных патентами РФ №2054456 (МПК С10М 133/16, С10М 125:02, C10N30:06, 1992), №2178803 (МПК С10М 125/02, С10М 125/04, C10N30:06, 1999), №2225879 (С10М 125/02, С10М 171/06, C10N30:06, 2002),

- фуллеренов, защищенных патентом РФ №2277577 (МПК С10М 125/02, С10М 125/26, C10N 30/06, 2004),

- дисульфида молибдена по патентам РФ №1669974 (МПК С10М 125/04, C10N10:12, C10N30:06, 1991), №2132364 (МПК С10М 125/00, С10М 125/02, С10М 125/04, C10N30:06, 1998).

Недостатком известных способов является длительность образования антифрикционного покрытия, его недостаточная долговечность, то есть лишь частичное использование возможностей триботехнологий в техническом обслуживании агрегатов машин и оборудования для повышения их работоспособности.

Известен способ повышения работоспособности цилиндропоршневой группы (ЦПГ) ДВС путем подачи на гильзы напряжения постоянного тока от аккумуляторной батареи автомобиля, апробированный в Московском автодорожном институте на дизеле ЯМЗ-236 автосамосвала МАЗ-500. При этом способе значительно уменьшается изнашивание и закоксовывание деталей цилиндропоршневой группы ДВС.

Недостатком известного способа, является то, что подвод напряжения на гильзы цилиндров ДВС затруднен, может уменьшить надежность ДВС. Эти обстоятельства препятствуют применению этого способа.

Наиболее близкими к заявляемому способу повышения работоспособности агрегатов машин и оборудования является способ, по которому обрабатывают жидкости на нефтяной основе по патенту РФ №2101480 (МПК Е21В 43/24, 1995), а также способ по патенту РФ №2624927 (МПК F16N 15/00, 2015) «Способ повышения эффективности использования смазочного масла с присадками», принятый за прототип. Способы по этим патентам включают подачу высокого, опасного напряжения 1000-1500 В постоянного тока на электроды и пропускание масла между электродами, причем напряжение на электроды задают такой величиной, чтобы сила тока между электродами составляла 0,9÷1,0 максимального значения, при котором электрический пробой масла еще не происходит.

Недостатком известных способов является необходимость иметь источник опасного высокого напряжения и средства специальной изоляции электродов, опасность высокого напряжения для обслуживающего персонала, опасность взрывов и возгорания масла.

Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение работоспособности любых новых и изношенных узлов и агрегатов машин и оборудования в условиях их эксплуатации непрерывным электрическим воздействием на смазочные масла подачей на электроды в масле электрического тока безопасного напряжения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе повышения работоспособности любых новых и изношенных узлов, агрегатов машин и оборудования, включающий подачу тока на электроды в масле, как минимум один электрод размещают в масле узла, электрод изолируют от «массы» агрегата, при этом электроды изготовлены из мягких металлов - цинка, олова, алюминия или меди, отличающийся тем, что агрегатом является картер двигателя, или масляный фильтр, или главная масляная магистраль, или маслопровод к масляному радиатору, или редуктор силовых агрегатов, при этом подают напряжение постоянного тока 12, 24, 48 или 100 В, или 12, 24, 48 или 80 В переменного тока.

Технический результат способа заключается в повышении работоспособности новых и изношенных двигателей внутреннего сгорания, агрегатов силовых передач машин и оборудования путем улучшения рабочих свойств их масел и антифрикционности поверхностей трения, что проявляется в уменьшении трения, изнашивания, механических потерь в агрегатах, расхода топлива и электроэнергии для работы техники, в повышении эффективной мощности двигателей, срока службы двигателей и силовых агрегатов машин и оборудования, их масел, в уменьшении дымности и токсичности отработавших газов двигателей. Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлены результаты испытаний на трибометре TRB-S-DE стальной трибопары палец-диск в моторном масле М-10Г_2К при подаче на электроды разного напряжения с макетных образцов их источников через медный электрод; на фиг. 2 - результаты аналогичных испытаний при подаче на алюминиевый, медный электрод в масле постоянного напряжения 47,2 В; на фиг. 3 - результаты аналогичных испытаний при подаче на цинковый, оловянный, железный, графитовый электрод постоянного напряжения 47,2 В, где с цинковым электродом при нагрузке 10 Н коэффициент трения снизился с 0,075 до 0,036, т.е. на 0,039.

Способ повышения работоспособности новых и изношенных узлов и агрегатов машин и оборудования заключается установке в масле узла, агрегата электрически изолированных электродов. Как минимум один электрод размещают, например, в картерном масле двигателя, или в масляных фильтрах, или в главной масляной магистрали двигателя, или в маслопроводе к масляному радиатору, или в масле редукторов силовых агрегатов машин и оборудования. Установка электродов должна обеспечивать их непрерывное омывание маслом.

Электрод изолируют от «массы» узла, агрегата. Безопасное напряжение, подаваемое на деталь в масле - 12, 24, 48 или 100 В для постоянного тока, и 12, 24, 48 или 80 В - для переменного. На электрод подают выбранное напряжение.

Выбранные напряжения обеспечивают взрыво-пожаробезопасность. Электроды изготавливают из мягких металлов, таких как цинк, олово, алюминий, медь. Выполнение электродов из таких металлов усиливает эмиссию зарядов в масла.

Примеры апробации способа.

Пример 1. В Хельсинском диагностическом Центре проведены сравнительные стендовые и эксплуатационные испытания бензиновых и дизельных автомобилей при подаче напряжения постоянного тока на масломерный щуп двигателя. При этом выявлено уменьшение эксплуатационного расхода топлива более чем на 3,2%, а в разных режимах работы двигателя на стенде на 4,6-19,5%.

Пример 2. В СПбГПУ к.т.н. Шабановым А.Ю. проведены стендовые испытания двигателя ВАЗ-2108 при подаче постоянного напряжения на масломерный щуп. Выявлено: механические потери в двигателе уменьшались на 5,5%, расход топлива - на 4,3%, температура отработавших газов - на 6-10°С, содержание СО, СН - на 19%, но содержание NO_x увеличивалось на 6,53%. Эффективный КПД двигателя повышался на 4,62%, а мощность - на 1%.

Таким образом, близкие значения экономии топлива выявлены на бензиновом (СПбГПУ) и на дизельном двигателе (Хельсинский диагностический Центр).

Пример 3. В Инженерном Центре «ЛИК» (ИЦ «ЛИК», г. Шахты Ростовской обл.) проведены эксплуатационные испытания более 100 различных автомобилей и нескольких судовых дизелей с подачей постоянного напряжения 12, 70 и 100 В на масломерный щуп двигателя. Выявлено, что подача электрического заряда в масла двигателей не только улучшает топливно-энергетические показатели всех двигателей, но и раскоксовывает и очищает их цилиндропоршневую группу от нагара, очищает масло коагуляцией загрязнений и удалением фильтрами, повышает эффективность присадок к маслам, адгезию компонентов масел к поверхностям трения, снижает изнашивание, что в целом увеличивает срок службы всех двигателей.

Пример 4. В ИЦ «ЛИК» апробирована подача напряжения на детали в масле редукторов привода качалок нефтедобычи. Получено уменьшение потребления электроэнергии до 3%.

Пример 5. Проведены 10-месячные испытания подачи постоянного напряжения на деталь в масле редуктора насоса установки предварительного сброса воды (УПСВ) на НПЗ в г. Шахты. Они показали (таблица 1), что здесь без конструктивных изменений и с сохранением требований безопасности достигается существенная экономия электроэнергии.

Таблица 1 - Результаты испытаний подачи электрозарядов в редуктор насоса УПСВ

Пример 6. На 25 легковых автомобилях с бензиновыми и дизельными двигателями, обработанных серпентиновым трибосоставом «Fe-do», на трассе Санкт-Петербург - Петрозаводск проведены сравнительные эксплуатационные испытания без и с подачей постоянного напряжения на масломерный щуп двигателей. Здесь через 1-2 тыс.км пробега расход топлива автомобилями уменьшился на 5-6%. Далее на этих автомобилях включили подачу напряжения 12 В постоянного тока на специальную деталь («антенну») вместо сливной пробки в масляном поддоне двигателей и после пробега 300-500 км расход топлива у автомобилей дополнительно уменьшился еще на 2-3%.

Далее провели трибообработку серпентиновым составом «Fe-do» коробок передач (КП) этих 25 автомобилей, а через 200-500 км пробега на специальный электрод в масле, установленный вместо контрольной пробки этих КП, подали напряжение постоянного тока 48 В. В результате этого, расход бензина дополнительно уменьшился еще на 2-3%, а в целом - на 7-9%.

Пример 7. Проведена апробация подачи напряжения на электрод в масле двигателя автомобиля Ford F-150 (ДВС V-8), пробег 250 тыс. км, у которого обычный расход топлива составлял 15 л/100 км. Но после трибообработки и подачи напряжения на «антенну» в масле расход топлива уменьшился к 13,7 л/100 км. Когда включили подачу напряжения на «антенну» в двух трибообработанных ведущих мостах и в раздаточной коробке автомобиля расход топлива дополнительно уменьшился еще на 0,5 л/100 км, т.е. к 13,2 л/100 км. В дальнейшей эксплуатации расход уменьшился к 10-11 л/100 км.

В исследованиях ASTM по методам Fuel-Saving Engine Oil Test Procedure (в США) или ЕСЕ 15 Procedure (в Европе) принято, что если некоторое масло в стендовых испытаниях обеспечивает 1,5% (Energy Conserving I), 2,3% (Energy Conserving II) топливную экономичность и более в сравнении со стандартным маслом вязкостью 15W-40, то оно считается энергосберегающим (Energy Conserving). Вследствие этого подача зарядов в масла двигателей самоходных машин, в агрегаты их силовых передач и стационарного оборудования может быть отнесена к энергосберегающим технологиям.

Примеры 8. В Наноцентре ФГБНУ ГОСНИТИ на трибометре TRB-S-DE Швейцарской фирмы SCM Instruments проведена серия испытаний стальной трибопары «палец-диск» в моторном масле М-10Г_2К при подаче напряжения на разные электроды, погружаемые в бурун масла за пальцем трибопары. Первые испытания (фиг. 1) выявили, что по изнашиванию трибопары, например, по изменению высоты расположения пальца над диском, наилучшими являются низкие (до 10 кГц) частоты повышенного униполярного напряжения, когда (износ) снижение индентора к диску в 1,5 раза меньше, чем без подачи напряжения на электроды в масле.

Результаты других аналогичных испытаний приведены на фиг. 2, 3. Они показали более высокую трибологическую эффективность подачи электрозарядов в масла при малых и средних нагрузках: снижение коэффициента трения от 0,08-0,09 к 0,054 (фиг. 2) и от 0,075 к 0,036 (фиг. 3). Снижение коэффициента трения стальной трибопары палец-диск в масле М-10Г_2К с разными напряжениями на разных электродах приведено в таблице 2.

Таблица 2 - Величины снижения коэффициента трения стальной трибопары в электрообработанном масле с уровня 0,08-0,09 В в необработанном масле

Также выявлено, что для большего уменьшения трения и изнашивания целесообразно использовать электроды из мягких металлов, а износ трибопары, так же, как и коэффициент трения, снижается в большей мере со снижением частоты напряжения (таблица 3).

Таблица 3 - Изменение износа стальной трибопары в электрообработанном масле М-10Г_2К в зависимости от частоты сигнала, подаваемого на электрод

Проведен контроль проводимости масла М-10Г_2К при подаче на электроды в масле постоянного напряжения 47,2 В. Выявлено, что на расстоянии 1 см между электродами прибора Ц4324, введенными в поле действия электричества на масло, появилось напряжение до 3,2 мВ.

В целом, эксплуатационными и лабораторными испытаниями выявлено, что наибольшее улучшение трибологических свойств масла от электрического воздействия на него достигается при повышенном (до 100 В) низкочастотном напряжении с электродами из мягких металлов, что реализовано, например, во вводимой в масляный поддон двигателей объемной «антенны» из пучка (100) тонких медных проводников высотой 50 мм и подаче на «антенну» напряжения 100 В.

Применение предложенного способа позволяет уменьшать трение, изнашивание узлов и агрегатов любой техники, увеличивать срок ее службы и масел, а также уменьшать потребление техникой энергоносителей и электрической энергии.