автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование технологии регенерации отработанных гидротрансмиссионных масел путем восстановления маслянистости

" к

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕГЕНЕРАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ГИДРОТРАНСМИССИОННЫХ МАСЕЛ ПУТЕМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МАСЛЯНИСТОСТИ

Специальность: 05.20.03. Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Академик, Доктор технических наук, профессор

Николаенко A.B.

Научный консультант:

Кандидат технических наук, доцент

Картошкин А.П.

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................ 6

1„ Состояние вопроса и задачи исследований........ 9

1.1. Условия работы гидротрансмиссионных масел....... 9

1.2. Старение гидротрансмиссионных масел в процессе эксплуатации......................................................... 10

1.3. Влияние ультразвуковой обработки на состояние

смазочных масел...................................................... 13

1.4. Маслянистость смазочных масел .......................... 18

1.5. Анализ методов регенерации отработанных смазочных масел.......................................................... 27

1.6. Анализ средств для регенерации отработанных смазочных масел..................................................... 30

1.7. Задачи исследований........................................... 34

2. Расчетно-теоретическое обоснование технологии восстановления маслянистости гидротрансмиссионных масел................................................ 36

2.1. Обоснование критерия маслянистости гидротрансмиссионных масел........................................... 36

2.2. Модель диспергирования отработанных гидротрансмиссионных масел........................................... 47

2.3. Методика расчета фильтра водопоглотителя при регенерации гидротрансмиссионных масел.................. 51

2.4. Выводы расчетно-теоретических исследований...... 58

3. Методика экспериментальных исследований..... 59

3.1. Общая методика исследований............................. 59

3.2. Методика исследования процессов регенерации отработанных гидротрансмиссионных масел................. 60

3.2.1. Методика исследования процессов ультразвуковой обработки регенерируемых гидротрансмиссионных масел............... 60

3.2.2. Методика исследования процесса водопоглощения............. 62

3.3. Методика исследования углеводородного состава регенерируемых гидротрансмиссионных масел............ 63

3.4. Методика исследования маслянистости при регенерации гидротрансмиссионных масел....................... 64

3.5. Методика исследования противоизносных свойств регенерируемых гидротрансмиссионных масел............ 69

3.6. Обоснование технологии регенерации гидротрансмиссионных масел на малогабаритном регенерационном модуле.................................................................... 71

3.7. Методика исследования работоспособности регенерированных гидротрансмиссионных масел в условиях стендовых испытаний ............................................ 71

3.8. Методика эксплуатационной проверки регенерированных гидротрансмиссионных масел........................ 73

3.9. Методика исследования физико-химических показателей регенерированных гидротрансмиссионных масел

............................................................................. 73

3.10. Экспериментальная установка и применяемое оборудование .............................................................. 74

4. Результаты экспериментальных исследований регенерационного модуля..................................... 86

4.1. Результаты экспериментальных исследований процессов регенерации отработанных гидротрансмиссионных масел........................................................ 86

4.1.1. Результаты исследования процессов ультразвуковой обработки регенерируемых гидротрансмиссионных масел ............... 86

4.1.2. Результаты исследования процесса водопоглощения.......... 89

4.2. Результаты экспериментальных исследований углеводородного состава регенерируемых гидротрансмиссионных масел ........................................................91

4.3. Результаты экспериментальных исследований маслянистости гидротрансмиссионных масел............ 98

4.4. Результаты исследования противоизносных

свойств регенерируемых гидротрансмиссионных масел Ю5

4.5. Технология регенерации гидротрансмиссионных

масел на малогабаритном регенерационном модуле...... Ю7

4.6. Результаты исследования работоспособности регенерированных гидротрансмиссионных масел в условиях стендовых испытаний...................................... 111

4.7. Результаты эксплуатационной проверки регенерированных гидротрансмиссионных масел..................... 114

4.8. Выводы............................................................ 114

4.9. Экономическая эффективность............................ 116

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................. 120

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................... 123

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................... 132

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВНИИ НП - Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтеперерабатывающей промышленности ВТХ - вязкостно-температурная характеристика; ГК - генератор кавитации; ГТМ - гидротрансмиссионные масла; КПП- коробка перемены передач МРМ - малогабаритный регенерационный модуль; МИО - масла индустриальные отработанные; ММО - масла моторные отработанные; ОСМ - отработанные смазочные масла; ПАВ - поверхностно-активные вещества; ПМР - протонно-магнитный резонанс; ПФ - полнопоточное фильтрование; СНО - смесь нефтепродуктов отработанных; СМ - смазочное масло;

СПГАУ - Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

TAT - «тракторы, автомобили и теплоэнергетика»

ТМ - трансмиссионное масло;

ТСМ - топливо-смазочные материалы;

ТПВФ - технический пенополивинилформаль;

ЦС - центробежное сепарирование;

ЯМР - ядерно-магнитный резонанс;

Nm.ii. - мощность механических потерь;

ВВЕДЕНИЕ

Неотъемлемой частью эксплуатации машинно-тракторного парка (МТП) является использование нефтепродуктов, от качества которых в значительной степени зависит надежность работы тракторов, автомобилей и мобильных сельскохозяйственных машин. Качество топлива и смазочных материалов в значительной степени определяет величину эксплуатационных расходов, трудоемкость технического обслуживания, а также долговечность работы узлов и агрегатов [42, 93].

Следует учитывать, что стоимость добычи нефти с каждым годом возрастает из-за сокращения ее запасов в легкодоступных районах и необходимости осуществления дорогостоящих мероприятий по транспортировке к месту переработки. В связи с этим себестоимость нефтепродуктов постоянно повышается, поэтому народнохозяйственный эффект от их повторного использования становится все более весомым.

Нефть и нефтепродукты наряду с промышленными стоками, выбросами и бытовыми отходами представляют основную экологическую опасность на планете [85]. Ежегодно в мире в биосферу попадает около 6 млн.т нефтепродуктов, из них более половины приходится на отработанные смазочные материалы (ОСМ) [33]. Поэтому рациональное использование отработанных масел не только улучшает обеспечение народного хозяйства смазочными материалами и способствует сохранению запасов нефти, но и имеет большое значение для охраны окружающей среды [63, 74].

Наиболее рациональным способом использования отработанных масел является регенерация и повторное использование по прямому назначению. При этом экономический эффект, не менее чем в 2 раза, выше эффекта от использования их в качестве котельного топлива [50, 63].

Сбору, очистке и повторному использованию отработанных масел уделяется в настоящее время большое внимание. Отработанные масла направляют, главным образом, на технологические нужды, на переработку в

смеси со свежей нефтью, на сжигание в качестве компонентов котельного топлива и на регенерацию [32, 66, 74].

Всевозрастающее внимание проблемам регенерации ОСМ уделяют во многих промышленно развитых странах, таких как Германия, Япония, Италия, США, Франция, Канада и др. [32]. Ведутся исследования в целях совершенствования и создания новых методов регенерации, не дающих экологически опасных отходов и способствующих повышению качества и выхода конечного продукта.

В нашей стране вопросами регенерации отработанных смазочных масел занимались Папок К.К., Рогозин H.A., Черножуков Н.И., Гончаренко В.Г., Фукс И.Г., Фукс Г.И., Евдокимов А.Ю., Коваленко В.П., Шашкин П.И., Григорьев М.А., Семенидо Е.Г., Рыбаков К.В., Топилин Г.Е.. Научно -исследовательскими учреждениями страны (ГОСНИТИ, ВИМ, ГИПХ, АЧИМСХ, ВНИПТИМЭСХ, ВИИТиН, ГАНГ) разрабатывались и создавались технические средства и технологии по переработке отработанных масел. Существующие технические средства в основном стационарные, различного типажа и назначения, использующие ограниченное количество упрощенных физических методов регенерации.

Анализ состояния отрасли регенерации в России и других странах СНГ свидетельствует о преобладании устаревших процессов и несовершенной технологии. Качество регенерированных масел, получаемых на всех приведенных установках, недостаточно высоко, т.к. в настоящее время сбор всех ОСМ регламентируется по ГОСТ 21046-86, который подразделяет все масла не по маркам, а по группам масел ММО, МИО и СНО.

Одним из важных вопросов данной проблемы является использование при регенерации комбинированных, экологически безопасных методов. Для их реализации необходимо создать малогабаритные стационарные (передвижные) регенерационные установки небольшой производительности.

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии регенерации отработанных гидротрансмиссионных масел (ГТМ) путем восстановления маслянистости.

Научную новизну работы представляют следующие положения, выносимые на защиту:

1. Критерий маслянистости ГТМ.

2. Модель диспергирования отработанных ГТМ.

3. Численная модель и методика расчета процесса поглощения воды при регенерации ГТМ

4. Усовершенствованная технология регенерации отработанных ГТМ.

5. Количественные характеристики и закономерности изменения маслянистости масел при регенерации.

Практическую значимость работы имеют:

1. Установка для определения маслянистости ГТМ.

2. Технология регенерации отработанных ГТМ.

3. Регенерационный модуль для восстановления маслянистости регенерированных ГТМ.

Тема диссертационной работы утверждена Советом инженерного факультета Санкт-Петербургского государственного аграрного университета и соответствует Республиканской целевой научно-технической программе «Механизация, энергетика, автоматизация и ресурсосбережение».

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Условия работы гидротрансмиссионных масел

Трансмиссионные масла (ТМ) ГОСТ 29098-84 предназначены для смазывания механизмов и агрегатов трансмиссий автомобилей, тракторов и других транспортных средств. Механизмы и агрегаты тракторов представляют собой зубчатые передачи - цилиндрические, конические, червячные, гипоидные и др. [83]. Большинство зубчатых передач смазываются способом погружения механизма и последующего разбрызгивания масла. В некоторых трансмиссиях тракторов и автомобилей, одновременно с разбрызгиванием масла применяется индивидуальная смазочная система, когда к зубьям шестерен масло подается под давлением. В практику тракторостроения внедрены гидротрансмиссии, в которых масло служит рабочей средой для передачи крутящего момента от двигателя к движителю машины.

Условия работы ТМ имеют ряд особенностей: высокие удельные давления в зоне зацепления зубчатых колес, условия граничного трения, тепловые вспышки в зоне контакта, высокие скорости относительного скольжения зубьев [62]. К тому же условия работы смазочного масла в различных механизмах трансмиссий не одинаковы. Но даже в одном определенном механизме трансмиссии, например, в главной передаче автомобиля или трактора, условия работы масла изменяются в очень широких пределах, как по температурному режиму, так и по удельному давлению и скорости скольжения в зоне контакта. В червячных и конических зубчатых передачах удельные нагрузки на зубья шестерни достигают 1500...2000 МПа, а в гипоидных передачах -3000...4000 МПа [83]. Соответственно более тяжелые режимы работы зубчатых передач приводят к значительному росту рабочей температуры, достигающей 125...150 С. В местах контакта зубчатого зацепления, при относительном скольжении зубьев со скоростями до 10 м/с происходит выдавлива-

ние масла из зоны зацепления, локальное повышение температуры до 350-400°С (тепловая вспышка) [61]. Внутри картеров зубчатых передач механизмов трансмиссии масло подвергается разбрызгиванию и аэрации, а также каталитическому воздействию металлов смазываемы^; деталей, нагреванию, окислению и т.д.

Известно, что в условиях эксплуатации скорость прогревания масла в трансмиссии значительно меньше, чем в двигателе. Даже при испытании на стенде с беговыми барабанами масло в главной передаче прогревается в 2... 4 раза медленнее, чем в двигателе [53]. Малый приток тепловой энергии и большие поверхности теплоотвода замедляют прогрев масла, и автомобиль (трактор) значительное время работает при высокой вязкости, что вызывает большие потери энергии в трансмиссии, а следовательно существенно (на 812%) снижается топливная экономичность. Пологая вязкостно-температурная характеристика (ВТХ) смазочных материалов, работающих в агрегатах трансмиссий, приобретает особое значение.

Исходя из вышесказанного, можно заключить, что для механизмов трансмиссии требуются масла с высокой прочностью масляной пленки. Это свойство определяется наличием поверхностно-активных веществ (ПАВ), содержащихся в наибольшем количестве в высокосмолистых остаточных нефтепродуктах, из которых получают ТМ. Кроме того, высокая маслянистость ТМ достигается введением специальных присадок, образующих при большом давлении и высокой температуре пленки оксидов, предохраняющих металл от схватывания в точках контакта.

1.2. Старение гидротрансмиссионных масел в процессе эксплуатации

В трансмиссиях и гидросистемах в процессе эксплуатации под воздействием высоких температур в присутствии кислорода воздуха в смазочном масле интенсивно протекают реакции окисления, разложения и полимеризации. Кроме того, работающее масло загрязняется продуктами износа, пылью

из окружающего воздуха, водой. В результате перечисленных выше процессов происходит постепенное старение смазочного масла, т.е. изменение его физико-химических и эксплуатационных свойств. В результате образуются продукты конденсации и полимеризации промежуточных соединений [17] -различные асфальто-смолистые вещества, карбены и карбоиды (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Процесс старения масла

Смолы представляют собой полужидкие или пластические продукты длительной полимеризации ароматических и нафтеновых углеводородов. По внешнему виду это темно-желтые или коричневые вещества нейтрального характера относительно высокой консистенции. По своему строению - это полициклические высокомолекулярные соединения, содержащие кислород и серу.

Асфальтены - темно-бурые нейтральные вещества дальнейшего превращения смол аморфного строения, образующие с маслом тонкую дисперсию. Они легко коагулируют при изменении природы углеводородной среды.

Карбены и карбоиды имеют еще более темную окраску, чем асфальтены, и являются продуктом их дальнейшего уплотнения.

Кислоты и большинство оксикислот - жидкие вещества. Асфальтогено-вые кислоты по внешнему виду похожи на смолы, но отличаются от них кислым характером.

Продукты окисления изменяют внешний вид масла и его физико-химические свойства: масло становится темным, вязкость его увеличивается, повышается кислотность, из масла начинают выделятся всевозможные осадки. Скорость окисления и характер образующихся продуктов зависят от хи-

мического состава масла, температуры, давления, величины поверхности соприкосновения масла с кислородом и наличия катализаторов.

Многие исследователи рассматривали влияние на износ твердых органических частиц и асфальто-смолистых соединений. Семенидо Е.Г. считает, что продукты полимеризации положительно влияют на противоизносные свойства масла [79]. Карбены и карбоиды оказывают буферное действие, предохраняя поверхности от непосредственного контакта. Ларсен и Перри, ссылаясь на работы других исследователей, указывают, что качество минерального масла улучшается во время работы [56]. Продукты окисления масла могут снижать износ металлических поверхностей в силу своей полярной активности.

Общая концентрация механических примесей в масле не является основанием для суждения о противоизносных свойствах работавшего масла [55]. Представляется более целесообразным раздельное определение в примесях их горючей и зольной частей [16]. В случае, когда абразивные частицы не имеют на своих поверхностях адсорбированных органических пленок в виде асфальто-смолистых веществ, изнашивающее действие весьма значительно [17]. По мере покрытия поверхности абразивных частиц пленкой органических соединений их абразивное действие уменьшается. Наилучшей является такая структура, при которой абразивные частицы полностью изолированы от тру�