Способ определения защитной способности охлаждающих и гидравлических жидкостей от кавитации
Использование: в двигателестроении и при техническом обслуживании машин, укомплектованных высокофорсированными дизелями и гидросистемами, работающими в тяжелых условиях эксплуатации, а также силовых энергетических установок. Сущность изобретения: способ определения защитной способности жидкостей от кавитации включает в себя помещение испытуемой жидкости в ванночку с эталонным образцом металла, зафиксированным на конце опущенного в нее волновода-излучателя ультразвукового генератора с частотой 22 кГц, или под ним на определенном расстоянии. Продолжительность испытания устанавливают в пределах 1-4 часов в зависимости от выходной мощности ультразвукового генератора для обеспечения потерь массы образца металла не менее чем 4 мг. Испытания проводят при двух критических температурах: близкой к пусковой и близкой к максимальной эксплуатационной. Критерием оценки защитной способности жидкости принимают соотношение скоростей кавитационного разрушения эталонного образца в эталонной и испытуемой жидкостях в баллах. 2 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к способам защиты изделий и материалов от коррозии и эрозии, находящихся в условиях механической нагрузки, и может быть использовано как в двигателестроении, так и при техническом обслуживании машин, укомплектованных высокофорсированными дизелями и гидросистемами, работающими в тяжелых условиях эксплуатации, а также силовых энергетических установок.
Развитие дизелестроения, связанного с непрерывным ростом уровня форсировки двигателей путем повышения наддува и числа оборотов, приводит к повышению тепловой и механической нагруженности цилиндропоршневой группы, водяных и топливных насосов, которое генерирует кавитационое разрушение как комплексный процесс воздействия механического и электрохимического факторов на детали, находящиеся в условиях коррозионной среды и высокочастотной вибрации.
В зависимости от типа двигателя, конструкции втулки цилиндра и ряда других факторов количество и качество кавитационных разрушений может быть различным. Однако все виды разрушения могут быть в значительной мере предотвращены путем применения в них жидкостей, обладающих достаточным запасом защитной способности от кавитации.
Известным способом, приведенным в технических условиях на жидкости, охлаждающие низкозамерзающие по российскому стандартному методу, предусмотрено испытание их на коррозионное воздействие на ряд конструкционных металлов в течение 336 часов при температуре 88°С. Способ заключается в том, что в испытуемую жидкость помещают образцы металлов в установленном порядке и определенных размеров и выдерживают их в ней непрерывно указанное время при заданной температуре. Затем по изменению массы образцов определяют коррозионное воздействие. ГОСТ 28084-89. "Жидкости охлаждающие низкозамерзающие". 1994, с.9-14.
Недостатком известного способа является то, что в нем не предусматривается проведение оценки защитной способности жидкости в условиях кавитации.
В зарубежной практике оценки эксплуатационных свойств охлаждающих жидкостей находит применение способ, приведенный в стандартном методе [2] испытаний кавитационно-коррозионных и эрозионно-коррозионных характеристик алюминиевых водяных насосов с охлаждающими жидкостями для двигателей. По данному методу испытанию подвергается стандартный автомобильный насос, перекачивающий испытуемую жидкость, разбавленную коррозионной водой, в течение 100 часов при 113°С. Степень защитной способности от кавитации оценивается визуально по 10-балльной шкале типов повреждений. ASTM D 2809-94.
Недостатком способа является то, что в нем находит место имитация только гидродинамической кавитации по отношению только к одному металлу - алюминию. Результаты испытаний, полученные данным методом, не могут быть пролонгированы на уровень кавитационного разрушения деталей цилиндропоршневой группы и не отвечают условиям их разрушения, вызываемого вибрационной кавитацией. Кроме того, данный способ совершенно не учитывает кавитационные разрушения поверхностей втулок и блоков цилиндров, являющиеся в большинстве случаев результатом совместного воздействия механического и электрохимического факторов.
Наиболее близким техническим решением, учитывающим электрохимический фактор кавитационного разрушения цилиндропоршневой группы деталей двигателя, является способ исследования коррозии и эрозии металлов [3], сущность которого заключается в том, что испытуемый образец металла помещается в ванну с жидкостью на определенном расстоянии относительно волновода, соединенного с магнитострикционным вибратором и ультразвуковым генератором, с помощью которых образец подвергается воздействию ультразвуковых колебаний, что приближает его к условиям системы охлаждения двигателя, а скорости коррозии и эрозии оцениваются по специальной формуле, учитывающей потери массы образца и глубину образующихся в нем каверн. Авторское свидетельство СССР №1821687, МКИ G 01 N 17/00, 1993.
Недостатком указанного способа является то, что в нем не учитывают природу и особенности проявления кавитации в различных средах и, соответственно, состояния кавитационного разрушения различных металлов, возникающие в высокофорсированных дизелях, в зависимости от состояния среды. Указанный недостаток не позволяет использовать данный способ для определения защитной способности жидкости от кавитационных разрушений, поскольку в нем не устанавливают оптимальные условия, обеспечивающие стабильность состояния жидкости и воспроизводимость результатов испытания.
Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что у конструкторов и специалистов по техническому обслуживанию силовых установок появляется возможность повысить надежность и безопасность указанных объектов путем контролирования защитной способности применяемых в них жидкостей от кавитационного разрушения деталей как совместного воздействия механического и электрохимического факторов.
Технический результат достигают способом определения защитной способности жидкостей от кавитационного разрушения при использовании установки, включающей в себя, как базу, магнитострикционный (или пьезострикционный) вибратор с ультразвуковым генератором, эталонные образцы металлов и жидкости, регламентирующие частотные характеристики вибратора, диапазоны температур и продолжительность испытаний.
Способ определения защитной способности охлаждающих и гидравлических жидкостей от кавитации осуществляют следующим образом.
Используют ультразвуковой диспергатор типа УЗДН с выходной мощностью 0,1-2 кВт, рабочей частотой 22 кГц, с коническим волноводом-излучателем. Испытуемый образец жидкости в определенном, в пределах 50-100 мл, фиксируемом объеме заливается в ванночку, в которую погружается волновод-излучатель. Образец металла фиксируют на конце волновода или помещают на расстоянии 0,5-1 мм под ним.
В первом случае имитируются условия разрушения вибрирующей поверхности (втулки цилиндра), во втором случае имитируются условия разрушения неподвижной поверхности (стенки блока цилиндров).
Наиболее экономичным является второй вариант размещения образцов металлов, поэтому именно он будет подробно рассмотрен ниже.
В данном варианте эталонный металлический образец помещается под рабочей частью волновода-излучателя с зазором 0,5-1 мм. При работе излучателя, погруженного в испытуемую жидкость, на его торце возбуждаются выскочастотные продольные колебания и в объеме жидкости над образцом возникает вибрационная кавитация. Кавитация вызывает кавитационные эрозию и коррозию рабочей поверхности металлического образца. В качестве критерия оценки защитной способности жидкости принимают скорости кавитационного разрушения, объединяющего в себе процессы эрозии и коррозии, при двух критических температурах, соответствующих пусковым и эксплуатационным условиям, и соотношение потерь массы образца в эталонной жидкости к потерям массы образца в испытуемой жидкости по следующим формулам:
и 
,
где
Δm - потери массы металлического образца, мг;
t - продолжительность испытания, ч;
Vэ - скорость разрушения в эталонной жидкости, мг/ч;
Vx - скорость разрушения в испытуемой жидкости, мг/ч;
Z - защитная способность от кавитации, балл.
В качестве эталонного материала металлического образца выбирается конструкционный материал - алюминиевый сплав А09 или АК7М2МГ.
В качестве эталонной жидкости для определения защитной способности испытуемой жидкости на водно-гликолевой основе выбирают дистиллированную воду как наиболее агрессивную среду для разрушения алюминиевых сплавов.
Критическими температурами испытания жидкостей выбирают две: одну, при которой происходит наибольшее кавитационное разрушение алюминиевых сплавов, и вторую, являющуюся специфичной при эксплуатации машин.
В связи с тем, что вибрация втулок и блоков цилиндров возрастает при уменьшении температуры охлаждения и наибольшая интенсификация процессов кавитации идет при относительно низких температурах, соответствующих пусковым режимам, а температура эксплуатации систем охлаждения и гидравлических может достигать значений 80°С и выше, испытания в данном способе рекомендуется проводить при двух температурах: 30 и 80°С.
Продолжительность испытания устанавливают в пределах 1-4 часов озвучивания получасовыми интервалами, количество которых подбирается в зависимости от мощности применяемого ультразвукового генератора, до получения потерь массы образца металла не менее 0,004 г, что необходимо для обеспечения достаточной чувствительности способа при использовании аналитических весов типа ВЛА-200 г-М, позволяющих проводить взвешивание с точностью до 0,0001 г. Кроме того, необходимо фиксировать общее время пребывания образца металла в жидкости, которое должно выдерживаться в пределах 24 часов.
Поддержание температуры испытуемой агрессивной среды обеспечивают рубашкой или баней, позволяющей создавать как режим охлаждения, так и режим нагрева, и хромель-алюмелевой термопарой или термометром.
Для обеспечения стабильного физико-химического состояния среды, а именно предотвращения изменения ее газосодержания и состава ввиду испарения, необходимо доливать в ванночку эталонную жидкость с температурой текущего испытания до фиксированного первоначального объема. В случае рассмотрения водно-гликолевых жидкостей это должна быть дистиллированная вода с температурой 30 или 80°С.
Примеры и результаты подбора условий способа определения защитных свойств охлаждающих и гидравлических жидкостей от кавитации, полученные при использовании охлаждающей этиленгликолевой жидкости "Лена" и гидравлической пропиленгликолевой жидкости ВЛП-5, а именно тип материала эталона, продолжительность испытания, температура, выходная мощность установки, оцененные такими показателями, как скорость разрушения (мг/ч) и степень защиты (балл по эталонной жидкости), приведены в таблицах 1-4.
Согласно представленным примерам и результатам наиболее подвергаемым кавитационному разрушению материалом является алюминиевый сплав А09, а продолжительность испытания должна быть выбрана такой, чтобы скорость разрушения в эталонной жидкости превышала 1 мг/ч и в случае применения генератора с выходной мощностью 130 Вт равнялась бы 4 часам.
Изобретение позволяет сократить энергетические затраты при обслуживании техники, укомплектованной системами охлаждения и гидравлическими, на ремонт более чем в 2 раза и экономических более чем в 3 раза. Кроме того, способ создает возможность конструкторам систем охлаждения и гидравлических осуществлять подбор оптимальных кавитационностойких материалов.
| Таблица 1 Подбор продолжительности испытания на УЗДН - А с выходной электрической мощностью 130 Вт без стабилизации температуры со средним ее значением 80°С | |||||
| Примеры | Потери массы, г, при продолжительности | Скорость кавитационного разрушения, мг/ч | |||
| жидкости | Металла | 1 ч | 2 ч | 4 ч | |
| Вода дистиллированная | Алюминиевый сплав А09 | 0,0012 | - | 0,0048 | 1,3 |
| Алюминиевый сплав АК7М2МГ | - | 0,0020 | - | 1,0 | |
| Чугун втулки ЯМЗ-845 | - | 0,0070 | - | 3,5 | |
| Латунь Л63 | - | - | 0,0006 | 0,15 | |
| Охлаждающая жидкость "Лена-65" | Алюминиевый сплав А09 | 0,0006 | - | 0,0013 | 0,6 |
| Алюминиевый сплав АК7М2МГ | - | 0,0013 | 0,0025 | 0,6 | |
| Чугун втулки ЯМЗ-845 | - | 0,0002 | 0,0039 | 0,1 | |
| Латунь Л63 | - | - | менее 0,0001 | менее 0,1 | |
| Гидравлическая жидкость ВЛП-5 | Алюминиевый сплав А09 | 0,0010 | - | 0,0040 | 1,0 |
| Алюминиевый сплав АК7М2МГ | - | 0,0012 | 0,0047 | 1,1 | |
| Чугун втулки ЯМЗ-845 | - | 0,0002 | - | 0,1 |
| Таблица 2 Подбор температуры испытания на УЗДН с выходной электрической мощностью 300 Вт | ||||
| Примеры | Скорость кавитационного разрушения, мг/ч, при температуре | |||
| жидкость | металл | 25°С | 60°С | 95°С |
| Вода дистиллированная | Алюминиевый салав А09 | 48,5 | 13,9. | 6,7 |
| Сталь 38ХМЮА | 17,62 | 6,72 | 4,15 | |
| Чугун втулки Камминз КТА-50 | 10,89 | 8,14 | 6,16 | |
| Охлаждающая жидкость "Лена -65" | Алюминиевый сплав А09 | 16,3 | 13,9 | 10,7 |
| Сталь 38ХМЮА | 3,14 | 2,66 | 1,7 | |
| Чугун втулки Камминз КТА-50 | 1,65 | 2,01 | 2,42 | |
| Гидравлическая жидкость ВЛП-5 | Алюминиевый сплав А09 | 15,93 | 10,41 | 10,41 |
| Сталь 38ХМЮА | 1,32 | 1,07 | 0,86 | |
| 6,71 | 6,05 | 5,5 |
| Таблица 3 Оценка температурной зависимости защитной способности охлаждающей и гидравлической жидкостей на УЗДН с выходной мощностью 300 Вт | |||||
| Примеры | Защитная способность от кавитации, балл при температуре | ||||
| жидкость | металл | 25°С | 60°С | 95°С | Средняя |
| Охлаждающая жидкость "Лена" | Алюминиевый сплав А09 | 2,94 | 1,0 | 0,62 | 1,52 |
| Сталь 38ХМЮА | 5,6 | 2,52 | 2,03 | 3,38 | |
| Чугун втулки Камминз КТА-50 | 6,6 | 1,25 | 1,12 | 2,99 | |
| Гидравлическая жидкость ВЛП-5 | Алюминиевый сплав А09 | 3,04 | 1,33 | 0,64 | 1,67 |
| Сталь 38 ХМЮА | 13,34 | 6,03 | 4,8 | 8,14 | |
| Чугун втулки Камминз КТА-50 | 1,62 | 1,34 | 1,12 | 4,24 | |
| Таблица 4 Оценка защитной способности охлаждающей и гидравлической жидкостей без стабилизации температуры со средним ее значением 80°С на УЗДН с выходной мощностью 130 Вт | |||||
| Примеры | Защитная способность от кавитации, балл, при температуре | ||||
| жидкость | металл | 25...93°С | |||
| Охлаждающая жидкость "Лена-65" | Алюминиевый сплав А09 | 1,3 | |||
| Гидравлическая жидкость ВЛП-5 | Алюминиевый сплав А09 | 2,16 |
1. Способ определения защитной способности охлаждающих и гидравлических жидкостей от кавитации, по которому испытуемый образец жидкости заливается в ванночку, в которую погружают волновод-излучатель, а эталонный образец металла фиксируют на конце волновода либо погружают на определенном расстоянии под ним, где генерируют высокочастотные колебания частотой 22 кГц, вызывающие вибрационную кавитацию, отличающийся тем, что определяют защитную способность жидкости от кавитации по соотношению скоростей разрушения эталонного образца в жидкостях испытуемой и эталонной при двух критических температурах, пусковой и эксплуатационной, по формулам
и 
где Δm - потери массы металлического образца, мг;
t - продолжительность испытания, ч;
Vэ и Vx - скорости кавитационного разрушения образца в эталонной и испытуемой жидкостях, мг/ч;
Z - защитная способность от кавитации, балл.
2. Способ определения защитной способности жидкостей от кавитации по п.1, отличающийся тем, что продолжительность испытания устанавливают в зависимости от выходной мощности ультразвукового генератора, приводящей к потерям массы образца металла не менее 4 мг.
3. Способ определения защитной способности жидкостей от кавитации по п.1, отличающийся тем, что в случае применения его к водно-гликолевым жидкостям в качестве эталонного металла выбирается алюминиевый сплав А09, в качестве эталонной жидкости - дистиллированная вода, а в качестве критических температур выбираются температуры, равные 30 и 80°C.
