Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ХАЛТУРИН ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ МОБИЛЬНЫХ МАШИН ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин (технические наук
и)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Томск 2012
Работа выполнена на кафедре Автомобили и тракторы Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Томский государственный архитектурно-строительный университет Научный Исаенко Виктор Дмитриевич, руководитель кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра Автомобили и тракторы, профессор.
Официальные Белозеров Борис Павлович, оппоненты: доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ Северский технологический институт, кафедра Машины и аппараты химических производств, профессор;
Анферов Валерий Николаевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский государственный университет путей сообщений, кафедра Подъемно-транспортные, путевые, строительные и дорожные машины, профессор.
Ведущая Федеральное государственное автономное образовательное организация учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет.
Защита диссертации состоится 02 ноября 2012 в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.265.03 при ФГБОУ ВПО Томский государственный архитектурно-строительный университет по адресу: 634003, Томск, пл. Соляная 2, корп. 4, конференц-зал (ауд. 308/4).
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО Томский государственный архитектурно-строительный университет.
Отзывы на автореферат направлять в диссертационный совет по адресу:
634003, г. Томск, пл. Соляная 2, корп. 3, e-mail: klopotovaa@sibmail.com.
Автореферат разослан л 02 октября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Клопотов А.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современные технологии производства работ по созданию материальных благ не обходятся без массового использования мобильных машин, работающих на дизельном топливе, в автотранспортном, дорожно-строительном и сельскохозяйственном комплексах.
Производительность машин тесно связана с их надежностью, определяемой как безотказность. При этом практикой эксплуатации машин установлено, что до 50 % отказов мобильных машин различного назначения приходится на их топливные системы, что связано с высокой загрязненностью топлива механическими примесями, водой и другими компонентами в процессах транспортирования, хранения и заправки техники.
Эксплуатация машин в условиях пониженных температур увеличивает количество отказов топливных систем за счет проявления эффектов инееобразования в топливных баках машин, кристаллизации свободной воды в топливе, парафинизации топлива, приводящих к забивке фильтров тонкой очистки. Повышается вязкость топлива и ухудшается его прокачиваемость на линиях топливоподачи и в форсунках.
Анализ публикаций показал, что топливные системы машин являются наиболее уязвимыми с точки зрения их работоспособности и безотказности, т. к. они являются связующим звеном между двигателем машины и окружающей средой, а также имеют прецизионные пары, весьма чувствительные к кондиции дизельного топлива по его физическим свойствам и загрязненности механическими примесями, водой и вторичными продуктами изменения углеводородного состава топлива. Поэтому работы, направленные на совершенствование топливных систем, повышающие их надежность, всегда остаются актуальными.
Особую актуальность приобретает направление совершенствования топливных систем машин, эксплуатируемых при пониженных температурах, т. к. значительная часть территории страны относится к зоне холодного и сурового климата.
Цель диссертационной работы состоит в разработке способа модернизации топливных систем мобильных машин с целью повышения их надежности при эксплуатации в условиях пониженных температур окружающей среды.
Для достижения поставленной цели определены следующие направления исследований:
1. Реализация системного подхода к модернизации топливных систем мобильных машин с целью повышения их надежности при эксплуатации в условиях пониженных температур.
2. Разработка адекватной модели процесса управляемого подогрева дизельного топлива в топливных системах машин, позволяющей обоснованно оптимизировать выбор мощности дополнительных электрических нагре вателей в зависимости от температурного режима эксплуатации машин и конструктивных параметров элементов их топливных систем.
3. Разработка адекватной модели фильтра грубой очистки топлива новой конструкции повышенной эффективности, позволяющей обоснованно оптимизировать выбор конструктивных параметров фильтроэлемента, одновременно выполняющего функции нагревателя топлива.
4. Экспериментальные исследования свойств нетканого иглопробивного материала для фильтра грубой очистки топлива и фильтрационных процессов очистки топлива в фильтре новой конструкции.
5. Эксплуатационные испытания топливных систем с целью оценки влияния модернизации на их надежность.
Объект исследования - топливные системы мобильных машин с дизельными двигателями, ожидаемое повышение надежности которых при пониженных температурах обеспечивается путем их модернизации.
Предмет исследования - фильтр грубой очистки новой конструкции и управляемая система дополнительного подогрева.
Методы решения задач. Для решения поставленных задач в работе использованы экспериментальные методы исследований и натурные эксплуатационные испытания, методы теории теплообменных процессов, процессов фильтрации топлива; дифференциальные и алгебраические уравнения, пакеты прикладных программ MS Excel.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. На основе моделирования тепловых и фильтрационных процессов обоснован способ модернизации топливных систем мобильных машин, повышающих их надежность при пониженных температурах эксплуатации, основанный на двухступенчатом управляемом подогреве топлива и более эффективной двухступенчатой очистке топлива от механических примесей и воды.
2. Обоснована конструкция и создана математическая модель навивного топливного фильтра грубой очистки с управляемой эффективностью очистки и повышенным ресурсом, выполняющего одновременно функции нагревателя топлива. Конструкция фильтра защищена патентом на изобретение.
3. Получены аналитические зависимости разогрева топлива при отрицательных температурах двухступенчатой системой нагревателей, позволяющие производить подбор параметров нагревателей в соответствии с конструктивными параметрами элементов топливной системы.
4. Получены аналитические зависимости пропускной способности, качества очистки и ресурса фильтра грубой очистки новой конструкции, позволяющие оптимизировать выбор его конструктивных параметров.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
1. Предлагаемый способ конструктивной модернизации топливных систем мобильных машин позволяет значительно снизить простои машин при их эксплуатации в условиях пониженных температур и повысить их без отказность за счет дополнительной тепловой подготовки и повышения качества очистки топлива от механических примесей и воды.
2. Предложенная новая конструкция навивного фильтра с переменной пористостью и электроподогревом, а также разработанные методы его расчета и оптимизации применимы для создания более эффективных топливных фильтров, а также фильтров смазочных, гидравлических систем мобильных машин и другой техники.
3. Предлагаемая методика проектирования модернизированных топливных систем мобильных машин для условий эксплуатации при пониженных температурах применима для разработчиков на стадии создания усовершенствованных топливных систем машин с повышенной надежностью.
Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований и разработки используются в ООО Вахрушевская автобаза, ООО Тракторно-бульдозерное управление, ОГУП Кожевниковское ДРСУ.
Методика проектирования модернизированных топливных систем мобильных машин используется в учебном процессе Томского государственного архитектурно-строительного университета при подготовке специалистов по направлению Наземные транспортно-технологические средства.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается использованием физически обоснованных моделей, адекватных математических моделей, экспериментальными исследованиями и сопоставлением их результатов с итогами аналитических расчетов, использованием обоснованных алгоритмов расчета.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Предлагаемый способ конструктивной модернизации топливных систем мобильных машин, обеспечивающий повышение надежности машин при эксплуатации в условиях пониженных температур.
2. Новая конструкция фильтра грубой очистки топлива повышенной эффективности, выполняющего дополнительные функции нагревателя топлива.
3. Результаты математического моделирования процессов подогрева и двухступенчатой фильтрации топлива в модернизированной топливной системе.
4. Результаты экспериментальных лабораторных исследований и натурных испытаний элементов модернизированной топливной системы, а также сравнительных эксплуатационных испытаний топливных систем машин с оценкой повышения показателей надежности.
5. Методика проектирования модернизированных топливных систем мобильных машин, эксплуатируемых в условиях пониженных температур.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на:
Ц IV Международной научно-практической конференции Автомобиль и техносфера (Казань, КГТУ им. Туполева 2005 г.);
Ц V Международной Юбилейной научно-практической конференции Автомобиль и техносфера (Казань, КГТУ им. Туполева, 2008 г.);
- III Международной научно-практической конференции Перспективные направления развития автотранспортного комплекса (Пенза, 2010 г.);
Ц 13 региональной научно-практической конференции Современные достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике (Томск, ТСХИ, 2011 г.);
Ц IV Всероссийской научно-практической (заочной) конференции Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий (Москва, НИИРРР, 2011 г.);
Ц XII Международной конференции Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии (Пенза, 2011 г.);
Ц I Международной научно-практической конференции Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса (Новокузнецк, 2011 г.).
Кроме того, материалы диссертации обсуждались на научно-методических семинарах кафедры Автомобили и тракторы Томского государственного архитектурно-строительного университета (2003Ц2011 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них две в изданиях рецензируемых ВАК, и патент РФ.
Объем работы. Диссертация изложена на 163 страницах и включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 119 наименований, приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность выбранного направления исследования, излагаются основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава диссертации посвящена анализу факторов, оказывающих влияние на безотказность топливных систем мобильных машин, износу топливной аппаратуры, а также влиянию климатических условий на эксплуатационную надежность топливных систем. Уделено внимание анализу средств защиты топливных систем машин от влияния указанных факторов.
Установлена высокая загрязненность дизельного топлива механическими примесями, водой и другими компонентами, обусловленная несовершенством действующей системы транспортирования, хранения и раздачи топлива в топливные баки машин, которые являются главным накопителем загрязнений. Фактор высокой загрязненности топлива оказывает преобладающее влияние на надежность топливных систем.
Вопросам обеспечения чистоты дизельного топлива, поддержанию его кондиции по физическим свойствам и отсутствию в нем различных нежелательных примесей посвящены работы В.И. Барышева, М.А. Григорьева, В.П. Коваленко, К.В. Рыбакова, Э.И. Удлера и других исследователей. Предложены методы конструктивного совершенствования топливных систем мобильных машин, повышающие степень их защиты от загрязнения топлива, которое в основном сводятся к предотвращению попадания загрязнений в топливные баки и повышению эффективности фильтров тонкой очистки топлива.
Вопросам адаптации техники к суровым условиям эксплуатации посвящены работы Л.Г. Резника и его школы. Установлены критерии адаптации, включающие все системы машин.
Обзор технических решений, связанных с модернизацией топливных систем машин при эксплуатации в условиях пониженных температур, показал отсутствие систематизированного подхода. Все предложения сводятся к установке дополнительных нагревателей топлива в различных участках топливной системы без анализа управляемого процесса подогрева топлива и процессов очистки топлива от загрязнения. Отмечена актуальность системного подхода к этой проблеме.
Во второй главе рассмотрены теоретические предпосылки совершенствования топливных систем мобильных машин, эксплуатируемых при пониженных температурах.
За основу принят системный подход, согласно которому модернизация топливных систем машин, работающих в любых климатических условиях, должна включать в себя традиционную, но более эффективную подсистему очистки топлива от механических примесей и воды, а также дополнительную подсистему управляемого подогрева топлива, включаемую и регулируемую в случае эксплуатации машин при пониженных температурах. Экономически целесообразно, чтобы один из элементов подсистемы очистки топлива также выполнял функции нагревателя топлива.
Предлагаемая модернизация типовой топливной системы демонстрируется схемой на рис. 1.
Рис. 1. Схема модернизированной топливной системы:
1 - топливный бак; 2 - предварительный подогреватель; 3 - фильтр грубой очистки (ФГО) новой конструкции; 4 - топливоподкачивающий насос; 5 - штатный фильтр тонкой очистки (ФТО); 6 - топливный насос высокого давления; 7 - двигатель; l1, l2, l3 - соединительные трубопроводы; Н1, Н2, - нагреватели Для управляемого дополнительного подогрева топлива при отрицательных температурах окружающей среды устанавливается предварительный нагреватель топлива на выходе из топливного бака, а также вторичный нагреватель топлива в фильтре грубой очистки. Электрические нагреватели питаются от бортовой системы электроснабжения машины. Их мощности могут регулироваться в зависимости от суровости зимней эксплуатации машин.
Для рассматриваемой модернизации предложена конструкция фильтра грубой очистки топлива и навивного фильтроэлемента к нему, обладающего управляемой эффективностью качества очистки топлива и повышенным ресурсом до замены за счет управляемой пористости фильтроматериала путем его целенаправленного обжатия. Этим обеспечивается равномерное уменьшение пористости в направлении потока топлива и, как следствие, повышение его ресурса до замены.
Общий вид фильтра и фильтроэлемента показаны на рис. 2. Важной особенностью является то, что фильтроэлемент одновременно выполняет функции нагревателя топлива, а корпус - функции гравитационного отстойника механических примесей и воды.
Рис. 2 Общий вид фильтра грубой очистки с нагревателем:
1 - корпус фильтра; 2 - крышка корпуса; 3 - фильтроэлемент с подогревом;
4 - провода подключения к бортовой сети При обоснованных допущениях, на основе решения дифференциальных уравнений теплового баланса получены зависимости, описывающие процесс разогрева топлива во времени после предварительного нагревателя до температуры Т1:
T1 = a1-(a1 -T0)e-b , (1) а также после фильтра-нагревателя грубой очистки Т2:
T2 dT2 = ( ) A2 - B2 (T2 -T0 ) + D2 (a1 -T0 ) 1- e-b d. (2) T0 Решение уравнения (2) возможно численным методом.
jj T2 = T0 + T ; = .
2 jj Формулы (1) и (2) содержат комплексы а1; b1; А2; В2; D2, включающие мощности нагревателей N1, N2, поверхности и объемы конструктивных элементов (корпуса, топливопроводов), физические характеристики материалов, топлива; циркуляционный расход топлива, а также коэффициенты теплоотдачи элементов при свободной конвекции, рассчитываемые как для цилиндрических объектов.
Из уравнения (1) получается формула расчета мощности предварительного нагревателя при заданном времени разогрева топлива от начальной температуры в баке Т0 до температуры Т1 перед фильтром грубой очистки:
-Te-b T1 N1 =-T0 +l1Fl1 + qicТ, (3) (1F) 1- e-b где 1, l1 - коэффициенты теплоотдачи корпуса предварительного нагревателя и трубопровода; F1, Fl1 - соответствующие поверхности теплообмена;
сТ - теплоемкость топлива; q, i - расход топлива и кратность его циркуляции.
При условии идентичности темпов нагрева топлива на первой и второй dT1 dTступенях, когда =, получена формула расчета температуры подогреd d ва топлива Т1 перед фильтром:
B2 T2 -T( ) T1 = T0 +, (4) b1 + Dа также мощности нагревателя в фильтре грубой очистки:
N2 = (2F2 +l2Fl 2 + qicT ) T2 - T0, (5) ( ) где Т2 - температура топлива перед фильтром тонкой очистки; 2F2, l2Fl2 - характеристики элементов примыкающих к фильтру грубой очистки.
Формулы (1)Ц(5) представляют собой математическую модель управляемого процесса подогрева топлива в модернизируемой топливной системе.
Моделирование фильтрационных процессов очистки топлива в фильтре-нагревателе грубой очистки (рис. 2) произведено на основании полученных аналитических зависимостей, описывающих гидравлические свойства навивного фильтроэлемента (рис. 3), показателей его эффективности по задержке полидисперсных загрязнений из топлива и его ресурса как времени работы до замены.
Рис. 3. Фильтроэлемент с нагревателем:
1, 2 - крышки; 3 - внутренняя перфорированная трубка;
4 - фильтровальная лента из нетканого иглопробивного материала;
5 - перфорированная подложка из гибкого электропроводного несжимаемого материала; 6 - наружная перфорированная обечайка На основе известного закона фильтрации Дарси, записанного в дифференциальной форме, для условно сплошного цилиндрического пористого фильтроэлемента, с учетом линейного увеличения степени обжатия фильтроматериала от периферии к центру и уменьшения проницаемости по гиперболическому закону, получена формула, описывающая его гидравлическую характеристику:
V n ln d -(nв -1 1- ln d P0 = Рн - Рв =, (6) ( ) ) в 2К0Н (d -1) где Р0 - перепад давления на фильтроэлементе; V - расход топлива; , - кинематическая вязкость и плотность топлива; К0 - коэффициент проницаеdн мости фильтроматериала в свободном состоянии; d = - соотношение наdв ружного и внутреннего диаметров фильтроэлемента; nв - степень обжатия материала на внутреннем диаметре.
С использованием известных общих зависимостей получена формула номинальной 95 %-й тонкости очистки топлива для рассматриваемого фильтроэлемента, как размер частиц загрязнений, 95 % которых задерживается фильтром:
К d0,95 = 5,134, (7) nв 1- (1-0)nв [ ] где 0 - начальная пористость исходного материала фильтра; nв - степень обжатия фильтроматериала на выходе топлива из фильтроэлемента.
В качестве фильтроматериала для фильтроэлемента предложен иглопробивной материал (НИМ) по ТУ 8397-001-05204776-01.
Главной особенностью конструкции фильтроэлемента (рис. 3) является то, что поровая структура фильтроматериала при его навивке с переменным обжатием обеспечивает процесс фильтрования с постепенным закупориванием пор, что дает максимальный ресурс его работы от начального Р0 до конечного Р перепада давления за время . Известное описание этого закона фильтрования с постепенным закупориванием пор имеет вид:
Р0 4c0V Р =, m =, (8) 2 (1- m)ср dн - dв Н ( ) где ср = 0,5 (0+(1 - (1 - 0)nв)); с0 - концентрация загрязнений; - коэффициент полноты очистки; - эмпирический коэффициент конкретного процесса очистки топлива; - время процесса фильтрования, Н - высота фильтроэлемента.
Из выражения (8) получена формула зависимости безразмерного ресурса фильтроэлемента T от соотношения диаметров d при различных степенях обжатия фильтроматериала nв:
ln d nв ln d - (nв -1)1- d -1 T = 1- P ln d (9) 1- 1 1 1+ - -1 nв , d 0 0 8c0V Р V dн где T =, Р =, Рц = ln - начальное гидравлическое 0dн Н Рц 2K0H dв сопротивление цилиндрического фильтра без обжатия пористого материала.
На рис. 4 графически представлена зависимость (9), которая рекомендована в качестве номограммы для оптимизации конструктивного параметра d по максимальному ресурсу фильтроэлемента после проверки рассматриваемой модели фильтроэлемента грубой очистки топлива на адекватность.
Рис. 4. Номограмма для выбора конструктивного параметра d при заданном значении nв В третьей главе изложены методики экспериментальных исследований топливных систем и их элементов.
Экспериментальные исследования выполнены на лабораторном оборудовании и стендах, а также на мобильных машинах в условиях положительных и пониженных температур, позволяющих оценить эффективность модернизированной топливной системы с использованием стандартных и разработанных методов.
Тепловые испытания модернизированной топливной системы проводились на фронтальном погрузчике ПБМ-800 на базе трактора МТЗ-82 при отрицательных температурах окружающей среды. Мощность нагревателей элементов топливной системы подбиралась по заданным условиям теплового эксперимента. Измерения температуры поверхностей элементов осуществлялись компенсационным методом по схеме с термостатированием холодного спая. Применялись термометры, медь-константановые термопары, потенцио метры и градировочный график. Строились зависимости T = f() и сравнивались с расчетными теоретическими.
Определение проницаемости пористого нетканого иглопробивного материала (НИМ) фильтроэлемента проводилось по методике ГОСТ 25283Ц93, а пористости - с помощью специального прибора и ГОСТ 12432Ц77 методом пропитки.
Размер пор НИМ определялся методом вытеснения жидкости по ГОСТ 12432Ц77 на специальном стенде.
Дисперсный состав загрязнений в топливе изучался методом микроскопии. Номинальная 95 %-я тонкость очистки топлива опытным фильтром грубой очистки определялась с использованием искусственного загрязнителя (кварцевой пыли с удельной поверхностью 5600 см2/кг). Абсолютная тонкость очистки оценивалась по размеру максимального наблюдаемого размера частиц загрязнений в фильтрате.
Счетная концентрация частиц загрязнений определялась с использованием автоматического анализатора частиц ФС-112/3, а массовая - по ГОСТ 10577Ц78 Нефтепродукты светлые. Методы определения содержания механических примесей. Метод А.
Содержание воды в топливе определялось гидридкальциевым методом по ГОСТ 8287Ц83 Нефтепродукты светлые. Количественное определение содержания воды.
Гидравлические испытания нового фильтра грубой очистки проводились на специальном стенде.
Интегральная оценка эффективности выполненной работы проводилась путем сравнения общей загрязненности топлива в топливных баках машин, а также путем сравнения интенсивности отказов элементов штатной и усовершенствованной топливных систем мобильных машин в реальных условиях эксплуатации на предприятиях Томской и Кемеровской областей.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность моделей, описывающих процессы подогрева и более эффективной очистки топлива в модернизируемой топливной системе.
Результаты натурных тепловых испытаний топливной системы трактора МТЗ-82 с управляемой подсистемой подогрева топлива (рис. 5) показали удовлетворительную сходимость расчета процесса разогрева топлива по формулам (1) и (2) и эксперимента.
а б Рис. 5. Кривая разогрева топлива в фильтре грубой очистки:
а - предварительный подогреватель, б - фильтр грубой очистки (1 - предварительный подогреватель; 2 - фильтр грубой очистки);
точки - опытные данные; кривая - расчетные значения (1, 2) Определена проницаемость К0 = 96,7810-12 м2 и пористость 0 = 0,фильтроматериала, рекомендуемого для фильтра грубой очистки топлива, обладающего способностью изменять пористость структуры в зависимости от степени ее обжатия n. Экспериментальные зависимости К = f(n) и = f(n) адекватно описываются кривыми на рис. 6.
Установлено распределение пор материала по размерам, числовые характеристики которого представлены в табл. 1. Эти характеристики соответствуют результатам испытаний других известных фильтроматериалов, применяемых для топливных фильтров.
Рис. 6. Экспериментальные и расчетные зависимости проницаемости и пористости от степени обжатия фильтроматериала Таблица Числовые характеристики распределения пор по размерам фильтроматериала в зависимости от степени обжатия Свободное Степень обжатия n Характеристики состояние 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,Математическое ожи134,4 72,2 51,0 42,0 35,7 34,0 31,5 30,дание, мкм Среднеквадратичное 56,3 28,3 21,0 20,0 21,0 20,0 18,5 13,отклонение, мкм Коэффициент вариации 0,42 0,39 0,41 0,47 0,58 0,59 0,59 0,Получена (рис. 7) экспериментальная зависимость минимальной 95 %-й тонкости очистки топлива от степени обжатия для применяемого фильтроматериала. При известных К0 и 0 формула расчета d0,95 согласуется с (7) 50,510- d0,95 =, м. (10) n - 0,04nГидравлические стендовые испытания опытных образцов фильтроэлементов предлагаемой конструкции (рис. 3) одних и тех же размеров (Н = 100 мм, D = 80 мм, d = 20 мм), но с разной степенью обжатия фильтроматериала на внутренней трубке, показали их удовлетворительную сходимость с расчетной гидравлической характеристикой (6).
Рис. 7. Экспериментальная зависимость номинальной тонкости очистки топлива от степени обжатия фильтроматериала Гидравлические испытания проводились на дизельном топливе Л в лабораторных условиях при положительной температуре.
Рис. 8. Экспериментальные и расчетные гидравлические характеристики опытных фильтроэлементов (по (6)):
1 - свободное состояние; 2 - n = 1,5; 3 - n = 2,0; 4 - n = 2,5; 5 - n = 3,0;
6 - n = 3,5; 7 - n = 4,0; 8 - n = 4,5; 9 - n = 5,Сравнительные эксплуатационные испытания мобильных машин на базе тракторов МТЗ-82 проводились с целью оценки влияния предлагаемой модернизации топливных систем машин на загрязненность топлива в баках машин и безотказность топливных систем. Испытания проводились в летний и зимний периоды эксплуатации машин в условиях строительного производства Кемеровской и Томской областей. Всего испытаниям подверглись тракторов со штатными и модернизированными топливными системами.
Натурный эксперимент выполнялся по методике, изложенной в главе 3.
Математическая обработка экспериментальной выборки зависимости перепада давления Р от наработки подконтрольных тракторов позволила получить ресурсную кривую (рис. 9), адекватно описываемую общей зависимостью (8).
Очевидно, что перепад давления топлива, проходящего через необжатый фильтроматериал, составляет 0,29 кПа, что соответствует ранее представленным результатам.
Рис. 9. Ресурсная характеристика фильтроэлемента грубой очистки Из рис. 9 также следует, что резкий перепад давления на фильтре наступает при наработке тракторов выше 2000 моточасов. Однако и в этом случае наработка топливной системы до обслуживания при допустимом перепаде давления может быть значительно выше нормативной (960 моточасов), но не более 2500 моточасов.
Штатные топливные системы не имеют средств подогрева топлива и оснащены фильтрами грубой очистки (ФГО) в виде гравитационных отстойников. Модернизированные топливные системы оснащены подсистемами управляемого подогрева и фильтрами грубой очистки с фильтроэлементами новой конструкции, обусловливающими номинальную тонкость очистки d0,95 = 30Е35 мкм.
Сравнительные испытания проводились в одних и тех же эксплуатационных условиях в течение календарного года.
Влияние предлагаемой модернизации топливных систем на содержание загрязнений в виде механических примесей и воды в топливных баках машин показано в табл. 2.
Таблица Сравнительная характеристика топлива подконтрольных тракторов МТЗ-со штатными и модернизированными фильтрами грубой очистки топлива Средняя температура воздуха Средняя температура воздуха Тв = 20,5 С Тв = Ц31 С Загрязненность топлива Модернизированный Модернизированный ФГО при различной ФГО при различной сте№ Показатели степени обжатия, n пени обжатия, n п/п 2,0 3,0 4,5 2,0 3,0 4,Содержание 1 загрязнений, 0,0059 0,0058 0,0029 0,0020 0,0044 0,0035 0,0025 0,00% масс Размерная 2 Содержание частиц загрязнений в размерной группе k, шт/мл группа, мкм 2.1 1Е10 18962 15225 13975 10533 14550 12799 10382 702.2 11Е20 11227 8880 6235 3241 7945 7115 5219 322.3 21Е30 4922 3775 1023 138 2398 1262 444 22.4 31Е40 634 327 176 10 615 253 150 2.5 41Е50 271 124 30 - 68 40 7 - 2.6 свыше 50 88 30 7 - Ц 12 - Ц 3 Всего 36104 28334 21456 14024 24218 21499 16202 104Содержание 4 0,0247 0,016 0,014 0,014 0,032 0,026 0,021 0,0воды, % Наработка элементов топливной системы до отказа - величина случайная, момент появления и значение которой заранее предсказать невозможно. Поэтому, как и всякая случайная величина - наработка до отказа может характеризоваться законом ее распределения.
По различным источникам распределение наработки машин и их систем близко или однозначно соответствует нормальному закону, что неоднократно доказано по критерию согласия 2 Пирсона.
Результаты расчетов наглядно представлены на схеме (рис. 10) обработки информации по отказам нагнетательной пары топливной системы. Использовались стандартные методики из теории вероятности и математической статистики.
В интервале наработки от 0 до 2000 моточасов откажет 77Е87 % элементов топливной системы в штатном исполнении и 60Е69 % в модернизированном исполнении, что свидетельствует о повышении надежности в 1,3Е1, очистки Штатный фильтр грубой грубой очистки Штатный фильтр Рис. 10 Схема обработки информации о показателях надежности:
а - распределение первичной информации; б - статистический ряд; в - гистограмма распределения; г - полигон распределения; д - кривая накопления вероятности;
е - дифференциальная функция теоретического закона распределения; ж - интегральная функция теоретического закона распределения отказов (F) и безотказности работы (Р) нагнетательной пары топливной системы в штатном исполнении Установлено, что реализуемая модернизация топливных систем машин снижает общую загрязненность топлива в 1,3Е2,0 раза, воды - в 1,74 раза.
Надежность топливных систем по критерию безотказности повышается в 1,7Е2,09 раз.
Пятая глава посвящена разработке методики расчета и проектирования модернизированной топливной системы, основанной на использовании аналитических зависимостей, полученных в результате адекватного математического моделирования процессов подогрева и фильтрации топлива.
Алгоритм расчета и проектирования представлен на рис. 11.
Рис. 11. Алгоритм расчета и проектирования модернизированной топливной системы (окончание см. на с. 21) Рис. 11. Окончание (начало см. на с. 20) По заданным характеристикам топливной системы (тип топлива, его расход в системе и кратность циркуляции) по каталогам фирмпроизводителей подбирается фильтр тонкой очистки, обеспечивающий тонкость очистки d0,95 = 5Е8 мкм.
Согласно алгоритму (рис. 9), расчет требуемой мощности для подогрева топлива в предварительном нагревателе N1 и дальнейшего нагрева в ФГО нагревателем мощностью N2 производится исходя из того, что топливо должно быть разогрето от заданной максимально низкой температуры эксплуатации машины Т0 = 238Е283 К до максимально допустимой температуры на выходе из ФГО Т2 = 323Е333 К. При этом температура топлива на выходе из предварительного подогревателя Т1 должна быть близкой к температуре при которой вода, растворенная в топливе, не подвержена кристаллизации.
Выбор геометрических параметров для ФТО должен производиться из условия обеспечения его пропускной способности V = qi при Р0 = 5Е8 кПа, согласно гидравлической характеристике (6). При этом соотношение диаметров d выбирается по номограмме рис. 4. Требуемая тонкость очистки ФГО, как более эффективного должна составлять d0,95 = 25Е30 мкм, что достигается соответствующей степенью обжатия nв по внутреннему диаметру фильтроэлемента. Общая пропускная способность ФГО с корпусом должна обеспечиваться при Р = 10Е15 кПа.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Разработан способ модернизации топливных систем мобильных машин, предусматривающий включение в топливные системы управляемого подогрева топлива при пониженных температурах, а также более эффективного фильтра грубой очистки, исполняющего и функции нагревателя топлива.
2. Разработана адекватная математическая модель процесса управляемого подогрева дизельного топлива, позволяющая осуществлять оптимизацию выбора нагревательных элементов, обеспечивающих тепловой режим топлива, повышающих безотказность топливных систем при пониженных температурах эксплуатации.
3. Разработана адекватная математическая модель процессов фильтрации и предварительной очистки топлива в фильтре грубой очистки с фильтроэлементом новой конструкции, позволяющая осуществлять оптимизацию выбора конструктивных параметров фильтроэлемента, обеспечивая его повышенный ресурс при более высоком качестве очистки топлива, повышающем безотказность топливных систем.
4. Экспериментально изучены фильтрационные свойства нетканого иглопробивного материала (ТУ 8397-001-05204776-01), показана его применимость в качестве пористой среды для фильтра грубой очистки топлива новой конструкции. Получены аналитические зависимости, оценивающие фильтрационные свойства и эффективность этого фильтроматериала, применимые для расчета фильтра грубой очистки топлива.
5. Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний штатной и модернизированной топливных систем фронтальных погрузчиков ПБМ-8на базе тракторов МТЗ-82 показали, что предлагаемая модернизация топливных систем указанных машин снижает общую загрязненность в магистральном топливе машин в 3,2 раза, безотказность различных элементов топливной системы - в 3,2Е6,4 раза.
6. Разработана методика проектирования модернизируемых топливных систем мобильных машин, ориентированная на выбор параметров нагревателя и фильтра грубой очистки топлива новой конструкции.
7. Показано, что экономическая эффективность модернизации топливных систем машин на примере фронтальных погрузчиков ПБМ-800 на базе тракторов МТЗ-82 составляет 21340,48 руб./год на одну машину.
Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:
Публикации в ведущих изданиях, рецензируемых ВАК:
1. Халтурин, Д.В. Эффективность защиты топливной системы от загрязнений при эксплуатации мобильных машин / В.Д. Исаенко, П.В. Исаенко, Д.В.
Халтурин // Тракторы и сельхозмашины. - М. - № 1. - 2012. - С. 41Ц43.
2. Халтурин, Д. В. Теоретическая оценка процессов очистки и подогрева топлива в мобильных машинах / Э.И. Удлер, П.В. Исаенко, Д.В. Халтурин, А.В. Лысунец // Известия Томского политехнического университета. - Томск, - 2012. - Т. 320 - № 2. С. - 125Ц129.
Публикации в других журналах и научных изданиях:
1. Халтурин, Д.В. Совершенствование топливных систем дорожных и строительных машин / Г.Г. Петров, А.В. Лысунец, В.В. Медведев, Д.В. Халтурин // Автомобиль и техносфера: тезисы докладов Международной научно-практической конференции. - Казань, 2005. - С. 2.
2. Халтурин, Д.В. Тепловой расчет системы подогрева дизельного топлива для эксплуатации машин в условиях низких температур / Э.И. Удлер, Д.В. Халтурин // Сб. науч. тр. Лесотехн. ин-та/ ТГАСУ, Лесотехн. ин-т. - Томск, 2008. - Вып. 3. - С. 23Ц29.
3. Халтурин, Д.В. Фильтр-нагреватель для очистки дизельного топлива / Э.И. Удлер, Д.В. Халтурин, Л.А. Левченко // Сб. науч. тр. Лесотехн. ин-та / ТГАСУ, Лесотехн. ин-т. - Томск, 2008. - Вып. 3. - С. 77Ц81.
4. Халтурин, Д.В. Тепловой расчет системы подогрева дизельного топлива для эксплуатации машин в условиях низких температур [Эл. рес.] / Э.И. Удлер, Д.В. Халтурин. - Казань: КГТУ им. Туполева, 2008. - Электрон.
опт. Диск (CD-R). - Труды V Международной юбилейной науч.-практ. конференции Автомобиль и техносфера, Казань, ноябрь 2007 г.
5. Халтурин, Д.В. Системное моделирование процессов очистки и подогрева дизельного топлива в топливных системах машин / Э.И. Удлер, Д.В. Халтурин, М.В. Ведягин // Сб. науч. тр. Лесотехн. ин-та / ТГАСУ, Лесотехн. ин-т. - Томск, 2009. - Вып. 4. - С. 173Ц174.
6. Халтурин, Д.В. Системный анализ оценки работоспособности топливных систем дизелей в условиях низких температур / Э.И. Удлер, В.Д. Исаенко, Д.В. Халтурин, П.В. Исаеенко, Н.И. Трофимов // Перспективные направления развития автотранспортного комплекса / Сб. статей III Международной научно-практической конференции. - Пенза, 2010. - С. 80Ц83.
7. Халтурин, Д.В. К расчету гидравлического сопротивления фильтра-нагревателя для системы питания мобильных машин / В.Д. Исаенко, А.В.
ысунец, Д.В. Халтурин // Сб. науч. тр. Лесотехн. ин-та / ТГАСУ, Лесотехн.
ин-т. - Томск, 2012. - Вып. 5. - С. 101Ц110.
8. Халтурин, Д.В. Пути повышения защиты топливной системы мобильных машин от загрязнений / В.Д. Исаенко, Д.В. Халтурин, П.В. Исаенко // Современные достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике: Сб. научн. тр. 13 региональной научно-практической конференции, ТСХИ. - Томск, 2011. - Вып. 13. - С. 154Ц158.
9. Халтурин, Д.В. Модернизация фильтра-отстойника топливной системы мобильных машин / Э.И. Удлер, В.Д. Исаенко, Д.В. Халтурин // Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий: Материалы IV Всероссийской научно-технической (заочной) конференции. - Москва, 2011. - С. 152Ц156.
10. Халтурин, Д.В. Теоретическая оценка работоспособности топливных систем мобильных машин / Э.И. Удлер, В.Д. Исаенко, П.В. Исаенко, Д.В. Халтурин // Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий: Материалы IV Всероссийской научно-практической (заочной) конференции. - Москва, 2011. - С. 156Ц161.
11. Халтурин, Д.В. Защита топливной системы от загрязнений при эксплуатации мобильных машин / В.Д. Исаеенко, Д.В. Халтурин, П.В. Исаенко // Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии: Сб. статей XII Международной конференции. - Пенза, 2011. - С. 56Ц61.
12. Халтурин, Д.В. Фильтр-нагреватель для топливных систем мобильных машин / Э.И. Удлер, П.В. Исаенко, Д.В. Халтурин // Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса: Материалы I Международной научно-практической конференции. - Новокузнецк, 2011. - С. 80Ц84.
Патент:
1. Фильтроэлемент: пат. 2186608 Рос. Федерация № 2001100255 / Э.И. Удлер, Д.Е. Пивнев, Д.В. Халтурин; заявл. 04.01.2001; опубл. 10.08.02, Бюл. № 31. - 3 с.
Изд. лиц. №021253 от 31.10.97. Подписано в печать 23.04.2012.
Формат 60x90/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс, печать офсет.
Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 247.
Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям