Эффективность применения экспресс-методов диагностики моторных масел в качестве ресурсосберегающих технологий в двигателях внутреннего сгорания

В агропромышленном комплексе России используется несколько сотен тысяч единиц тракторов и самоходных машин. При эксплуатации данной техники для продления их ресурса и уменьшения износа деталей необходима периодическая замена масел и технических жидкостей. Своевременная замена масел и других технических жидкостей (замена по фактическому состоянию) является важным направлением применения ресурсосберегающих технологий, так как позволяет более полно использовать заложенный в данные материалы ресурс [1].

Моторные масла, применяемые в настоящее время, - это дорогостоящий конструкционный материал, который оказывает большое влияние на долговечность узлов и агрегатов двигателя внутреннего сгорания (ДВС), при этом в процессе использования в современных двигателях подвержен высоким нагрузкам. Поэтому на эксплуатационные параметры масел существенное влияние оказывают состояние и режимы работы ДВС. Изменение параметров масла в процессе эксплуатации может быть диагностическим параметром, не только для за- мены масла, но и определения состояния узлов двигателя с учетом оперативного и систематического контроля [2].

Планово-предупредительная система, при которой обслуживание и ремонт проводятся в принудительном порядке, не всегда учитывает фактическую потребность машины в профилактических мероприятиях, так как учесть такие факторы, как возраст машины, условия ее работы, квалификацию обслуживающего персонала, при назначении профилактических работ сложно, а порой и невозможно. Поэтому существует тенденция к замене плановой системы выполнением профилактических мероприятий по фактической потребности [3]. Современные производители устанавливают на технику бортовые компьютеры, получающие информацию от датчиков, но не всегда эта информация соответствует фактическому состоянию узлов и агрегатов ДВС, к тому же не на всей технике, используемой в хозяйствах агропромышленного комплекса (АПК), возможно применение данного вида диагностики [4]. Внедрение в хозяйствах диагностики двигателей по параметрам работающих масел позволяет решить эту задачу на основе периодического отбора проб и получения информации от физико-химической лаборатории [5].

Цель исследования - оценить экономическую эффективность внедрения диагностики двигателей по параметрам работающих моторных масел.

Материалы и методы исследования

Исследования проведены в нескольких хозяйствах Омской области, по результатам наблюдений работы техники были получены статистические данные по оценке загрузки тракторов, простоев и затрат на поддержание технической готовности парка машин. Расчет экономической эффективности применения методов диагностики моторных масел в качестве ресурсосберегающих технологий в двигателях внутреннего сгорания проведен в соответствии с ГОСТ 23730-88 и с использованием нормативно справочных материалов [6, 7].

При предварительном анализе организации технического сервиса машин в хозяйствах Омской области было выявлено, что диагностические воздействия выполняются нерегулярно или не выполняются совсем, что лишает инженерную службу оперативной и достоверной информации о состоянии конкретных машин. Затраты на проведение технического обслуживания (ТО) и текущего ремонта (ТР) по тракторам марки К-700 одного из предприятий Ом- ской области за 2023, 2024 гг. представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Анализ затрат за 2022, 2023, 2024 годы на ТО и ТР по тракторам марки К-700

Сумма затрат на ТО и ТР взята по возрастающему итогу за два года на каждый трактор. Из графика можно сделать вывод, что затраты на поддержание работоспособного состо- яния парка тракторов марки К-701 распределяются неравномерно как по годам, так и по отдельным машинам. Можно было бы предположить неравномерную наработку тракторов в течение года, что приводит и к разной интенсивности изменения технического состояния данных тракторов и разного количества и объема технического обслуживания и ремонта в соответствии с планово-предупредительной системой ТО и ремонта.

На рисунке 2 представлен суммарный расход топлива за 2023 и 2024 гг. по тракторам анализируемого парка машин одного из хозяйств Омской области с учетом возрастания по отдельным тракторам.

Марка и номер трактора

Суммарный расход топлива за 2023-2024 годы

Рисунок 2 – Анализ расхода топлива за 2023 и 2024 гг. по тракторам марки К-700

Анализ рисунка 2 показывает, что наиболее интенсивно за данный период использовался трактор К-701 № 13, что совпадает с максимумом затрат на данный трактор, но данная закономерность не поддерживается другими машинами, например трактор К-701 № 2, имеет минимальную наработку за анализируемый период, но при этом среднее значение расходов на ТО и ТР. Трактор К-700 № 11, второй по количеству израсходованного топлива за два года, так же имеет среднее значение затрат на ТО и ремонт, немного превышающее затраты на трактор К-701 № 2. Таким образом, рост затрат на поддержание парка тракторов марки К-701 в работоспособном состоянии можно связать с увеличением простоев данных тракторов, из-за ресурсных и внезапных отказов. При этом одной из причин увеличения затрат можно назвать недостаток диагностической информации о состоянии узлов и агрегатов, что позволило бы предупредить внезапные отказы. То есть на предприятиях агропромышленного комплекса, состоящего на данный момент из машин разных по технической оснащенности бортовыми средствами диагностирования, больший процент которых не имеет их в своей конструкции, актуальной задачей является внедрение системы диагностирования, основанной на получение систематической и достоверной информации.

При этом внедряемая система диагностирования может быть определена не только как подсистема оперативной информации, но и как элемент системы технического сервиса машин, то есть главной составляющей контроля технического состояния парка и качества выполненных работ по ТО и ТР. Систематическое диагностирование дает возможность выявлять неисправность агрегата до наступления его отказа, по полученным диагностическим параметрам, без разборки, что служит базой для планирования операций ТО и ТР, при этом появляется возможность сократить внезапные отказы и предупредить аварийное состояние агрегатов и систем трактора [8, 9].

В качестве диагностических параметров могут быть использованы герметичность сопряжений и объемов, функциональные параметры, параметры рабочих и сопутствующих процессов. К функциональным параметрам ДВС относятся мощность, расход топлива, приемистость и др. К параметрам герметичности сопряжений и объемов относятся компрессия в цилиндрах, количество газов, прорывающихся в картер двигателя, величина утечки воздуха из цилиндра при закрытых клапанах и др. К параметрам рабочих процессов можно отнести различные амплитудные и фазовые показатели, например, цикловую подачу топлива; температуру рабочей жидкости, максимальное давление в камере сгорания и др. К параметрам сопутствующих процессов относятся шум (стуки), вибрация, количество продуктов износа в масле и др.

В соответствии данными диагностическими параметрами были разработаны различные методы диагностирования, например, виброакустический метод, диагностирование по герметичности рабочих объемов, диагностика по параметрам работающего масла и другие.

Одним из эффективных методов технического диагностирования ДВС является диагностирование по параметрам работающего масла. К основным преимуществам метода относятся: высокая информативность, получение информации без остановки и разборки двигателя, обнаружение признаков начала повышенного и аварийного износа отдельных узлов, контроль показателей качества масла и оперативная замена масла, потерявшего свои эксплуатационные свойства.

При внедрении диагностики машин по параметрам моторных масел и повышения эффективности производимых работ необходимо прямое взаимодействие между подразделениями, эксплуатирующими технику и диагностическими подразделениями (лабораторией), поэтому в штате предприятия необходим механик-диагност, делающий заключение по результатам проведенной диагностики масла и контролирующий процесс эксплуатации техники с учетом всех рекомендаций. При внедрении системы диагностики смазочных материалов повышается их экономия, сокращается время на проведение технических воздействий, снижаются затраты на ремонт агрегатов [10, 11].

Оценка параметров моторных масел в процессе эксплуатации техники производится лабораторными и экспресс методами. На основе анализа применения данных методов установлено, что лабораторные методы требуют высоких затрат времени и средств, имеют большую трудоемкость, должны проводится в стационарных, хорошо оснащенных лабораториях квалифицированными специалистами [12, 13]. Поэтому применение экспресс методов определения качества масла, которые подходят для дифференцированной оценки его функциональных свойств, в большей степени может быть реализовано на предприятиях АПК [14]. При внедрении на предприятиях диагностики по параметрам работающего масла становится возможным своевременно выявлять и устранять неисправности таких агрегатов и систем, как система смазки, система воздухоподачи, топливной аппаратуры, системы охлаждения, а также своевременно фиксировать износы деталей. Исследованиями установлено, что оперативное устранение данных неисправностей снижает расход масла и топлива на 10…15 % и может повысить ресурс двигателей до 30 % [15].

При диагностировании технического состояния ДВС необходимо определить нормативы диагностических параметров, которые определяются на основании накопленных результатов анализов и их статистической обработки [16, 17]. До получения уточненных результатов использовались рекомендации М.А. Григорьева и других исследователей (табл. 1).

Таблица 1

Пороговые значения показателей

Браковочный показатель	Значение
Снижение вязкости, %	20
Увеличение вязкости, %	30
Диспергирующая способность, усл.ед.	0,3…0, 35
Содержание воды, %	0,3

Щелочное число, мг КОН/г	1,0...3,0
Снижение температуры вспышки, %	20
Содержание топлива в масле, %	0,8
Общая загрязненность масла, %	2,0

Исследованиями было установлено, что масло в двигателе внутреннего сгорания после заправки проходит две стадии работы до замены. Первая стадия работы характеризуется интенсивным изменением эксплуатационных показателей качества масла, можно наблюдать, что в течение небольшого срока работы масла происходит снижение содержания в нем элементов присадок, уменьшение величины водородного показателя и щелочного числа снижения температуры вспышки и температуры воспламенения масла, а также интенсивное увеличение содержания механических примесей и содержания продуктов износа, что приводит к увеличению вязкости. Первая стадия работы масла длится около 45 - 55 моточасов и завершается стабилизацией скорости изменения параметров масла. Вторая стадия работы масла характеризуется постепенным изменением параметров, как правило, она наиболее продолжительная. При неисправности в ДВС какого-либо узла или системы стабилизация показателей масла будет проходить на более высоких значениях и по достижении большей наработки. Например, при неисправности масляного фильтра при центробежной очистке масла общая загрязненность масла будет возрастать наиболее интенсивно, в дальнейшем, если не устранить данную неисправность, это вызовет увеличение скорости изнашивания пар трения, что может привести к аварийным режимам работы ДВС. Этот режим характеризует третья стадия работы масла – аварийная, которая для ДВС недопустима. При своевременном восстановлении работоспособности центробежного фильтра очистки масла значение его общей загрязненности в течение определенной наработки снижается до значения, характеризующего окончание первой стадии работы масла, и будет изменяться постепенно.

Таким образом, при диагностике ДВС по параметрам моторного масла результаты анализа сравнивают пороговыми значениями показателя, отделяющими зону исправного состояния от зоны неисправного состояния двигателя. Долговечность машин и вероятность их безотказной работы можно увеличить, используя в процессе эксплуатации моторные масла, которые соответствуют требованиям системы качества. Это способствует снижению количества внезапных отказов, снижает стоимость эксплуатации техники за счет сокращения простоев и затрат на ТО и ремонт.

Результаты исследования и обсуждение

При расчете экономической эффективности применения на предприятиях АПК системы диагностики работавших моторных масел учитывалась в первую очередь замена масла по фактическому состоянию и экономия затрат труда на замену масла. Внедрение системы периодической диагностики моторных масел позволяет увеличить срок службы масел, установлено, что в среднем по парку машин, возможно без значительных нагрузок на узлы и детали ДВС, продлить срок службы моторного масла в среднем до 750 моточасов работы при рекомендованном сроке замены масла в 500 моточасов.

При определении расходов на моторное масло были учтены следующие показатели: масса масла, расход масла на угар, сроки замены масла, продолжительность работы по фактической наработке тракторов. При определении эксплуатационных затрат на техническое обслуживание и ремонт парка машин вычисляли разность фактических годовых затрат в хозяйствах с применением системы контроля качества масел и без нее.

Трудоемкость работ на замену масел для парка машин зависит от количества проведенных работ по замене масла и себестоимости данных работ с учетом производительности данной операции в хозяйстве и принятой системе оплаты труда. При этом количество замен моторного масла будет зависеть от среднегодовой загрузки парка машин в хозяйстве, принятой периодичности замены без определения показателей качества или замены по фактическому состоянию индивидуально для каждой единицы техники.

При расчете экономической эффективности внедрения системы диагностики масел анализировалось применение нескольких методов определения качества масел, таких как диспергирующая способность, оценка загрязненности работавших моторных масел фотомет- рическим методом, вязкость моторного масла, кислотное и щелочное число методом потен- циометрического титрования.

На рисунке 3 представлены данные по сумме затрат на ТО, по времени простоя техники. Представленные данные отражают средние значения по всем предприятиям Омской области, внедрившим систему диагностики по параметрам работающего масла.

(млн руб.)

^e Перед диагностикой ^в После диагностики Разница

Рисунок 3 – Влияние диагностики моторного масла на затраты на техническое обслуживание и время простоя двигателя

Анализ данных показывает, что время простоя тракторов сокращается на 14,8 %, при этом наблюдается снижение величины затрат на ТО до 16,6 %. У двигателей, проходящих регулярную диагностику по параметрам моторного масла, наблюдается увеличение наработ- ки и снижение расхода топлива.

На рисунке 4 представлена диаграмма экономии средств на предприятиях при применении системы диагностики моторного масла и замены его по фактическому состоянию.

Общая экономия средств (в среднем за 5 лет)

Снижение механического износа (индекс)

Увеличенный срок службы двигателя

■ Средний прирост (%)

■ Период окупаемости инвестиций (годы)

Рисунок 4 – Увеличение срока службы двигателя с применением в хозяйстве системы диагностики и прогнозируемая экономия средств на эксплуатацию техники

На диаграмме также представлено время окупаемости первоначальных вложений во внедрение системы диагностики в процентах по годам.

При проведении исследований установлено, что внедрение системы диагностики ДВС по изменению параметров моторного масла при эксплуатации влечет за собой изменение технологии ТО и ТР, повышается коэффициент технической готовности парка, снижается количество внезапных отказов узлов и агрегатов машин, что подтверждается значениями простоев тракторов в одном из хозяйств области по годам, данные представлены в пересчете на один среднесписочный трактор (табл. 2).

Таблица 2

Простои тракторов в хозяйстве Омской области с применением системы диагностики машин по параметрам моторного масла

Год	Простой, час/трактор	Доля сокращения простоев, час/трактор	Сокращение простоев, час/трактор
2021	1263	0	0
2022	1102	0	0
2023	908	30,6	355
2024	722	43,1	541
МО (среднее)	793	37,5	448

При проведении исследований и наблюдений в данном хозяйстве был определен перечень и основные причины простоев. Наибольший процент простоев регистрировался по тракторам, по которым зафиксированы внеплановые простои в связи с внезапными отказами узлов и агрегатов. При этом устранение неисправностей агрегатов с замкнутыми системами смазки занимают около 27 % времени внеплановых простоев [18].

За счет применения разных методов диагностики масла (экспресс-методами и лабораторными физико-химическими методами анализа) можно повысить коэффициент технической готовности парка от 0,80 до 0,90. Двухлетним наблюдением работы тракторов в хозяйствах Омской области установлена средняя величина сокращения простоев на один среднесписочный трактор, равная 448 ч/трактор.

Заключение

На основании проведенных исследований и наблюдений работы парка машин в хозяйствах Омской области можно сделать следующие выводы:

• 1.    Затраты труда на выполнение годового объема работ на ТО и ТР можно снизить до 20 % за счет внедрения системы контроля моторных масел.

• 2.    Величина сокращения простоев на один среднесписочный трактор составляет 448 ч/трактор.

• 3.    Расход масла на выполнение годового объема работ для одного трактора может быть снижен на 16,8 %.

• 4.    Коэффициент технической готовности парка машин повышается от 0,80 до 0,90, при этом сокращается количество внеплановых простоев, что позволит сэкономить дорогостоящие ресурсы при производстве технологического процесса на предприятиях АПК.