Geum.ru

Научные основы проектирования автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


Рис.4.3. Блок-схема пожарной опасности грузового автотранспортного средства на газомоторных топливах
К - коэффициент интенсивности изменения показателей свойств ГАТС. При этом закон развития техники: Э=F
R – совокупность режимов; Вых
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8

Рис.4.3. Блок-схема пожарной опасности грузового автотранспортного средства на газомоторных топливах


В п. 4.5. на основе проведенных натурных испытаний стальных баллонов, бывших в эксплуатации от 2 до 30 лет на борту автомобилей, работавших на сжатом природном газе, проведено точечное оценивание показателей механических свойств материала баллонов, их конструктивной прочности, надежности и рекомендовано следующее:

1. Возможность дальнейшей эксплуатации баллонов, изготовленных из стали 38ХА, бывших длительное время в эксплуатации (более 20 лет) и показавших свои высокие эксплуатационные свойства;

2.Целесообразность увеличения срока периодического освидетельствования автомобильных баллонов, изготовленных из стали 38ХА (ЧМТУ 2815-51) и стали ЗОХМА (ТУ 14-3-1248-84) с двух до пяти лет;

3.Целесообразность увеличения срока периодического освидетельствования автомобильных баллонов, изготовленных из углеродистой стали марки «Д» с двух до трех лет и более при условии ужесточения контроля качества при их изготовлении и освидетельствовании на испытательных станциях.

4. Возможность эксплуатации баллонов из легированной стали ЗОХМА на грузовых автомобилях в условиях холодного климата.

5.В целях снижения массы систем хранения ГМТ, автомобильные баллоны высокого давления для сжатого природного газа целесообразно изготовлять из стали ЗОХМА, что будет способствовать снижению энергопотребления ГАТС в эксплуатации.

В п. 4.6. при создании композиционных баллонов массой меньше стальных на 25% разработан подход создания баллонов с заданными свойствами за счет разработки программ для ЭВМ «XBALLON», «ХМОТКА» по расчету намоточных напряжений, с улучшенными свойствами пожаровзрывобезопасности (безосколочное разрушение), герметичности.

В п. 4.7. приведены результаты испытаний на нагрев баллонов:
    • разрушение стальных баллонов происходило при давлении 610-635 кг/см2, а стеклопластикового - при 400 кг/см2;
    • при оборудовании баллонов предохранительными клапанами срабатывание происходило при 310-390 кг/см2.

Результаты испытаний подтверждают достаточно высокий уровень взрывобезопасности баллонов высокого давления (время до взрыва баллонов составило от 14,2 до 37,5 мин.).

Испытания баллона, заполненного газовой смесью пропан-бутан при наличии в конструкции предохранительного клапана подтвердили его взрывобезопасность (стравливание и горение газа длилось 40-45 минут).

Испытания ГАТС ЗИЛ-431810, работающего на газовой смеси пропан-бутан и ЗИЛ-431610, работающего на природном газе методом создания искусственного очага загорания подтвердили взрывобезопасность ГАТС, работающих на ГМТ при наличии в системах хранения газа под давлением предохранительного устройства. Процесс горения автомобиля длился 50 мин.

В п. 4.8. на основе проведенного комплекса исследовательских натурных испытаний лабораторно-дорожных и теоретических исследований разработан комплекс расчетных методов, позволивший осуществить:
  • модернизацию ГАТС ЗИЛ, работающих на ГМТ;
  • оценку соответствия требованиям пассивной безопасности 2-х новых модификаций ГАТС ЗИЛ, работающих на сжатом природном газе (бортовой ЗИЛ-431610 с 12-тью баллонами емкостью 50 л для хранения природного газа под давлением 19,6 МПа, ЗИЛ-138АВ – седельный тягач, оборудованный 8 баллонами емкостью по 50 л каждый);
  • разработку опытных образцов ГАТС, работающих на сжатом природном газе и сжиженном нефтяном газе нового модельного ряда (ЗИЛ-433530, ЗИЛ-433610, ЗИЛ-4335 с газодизельным процессом).

В п. 4.9 проанализированы результаты испытаний первого образца ГАТС ЗИЛ-431410, работающего на бензоводородовоздушной топливной смеси, и проведен анализ систем хранения водорода применительно к ГАТС. В связи с чем были определены задачи, решение которых предопределит возможность применения водорода в качестве топлива для ГАТС из условий безопасности.

В п. 4.10 на основе проведенных исследований разработаны феноменологические математические модели с достаточной степенью точности (коэффициент множественной корреляции R-0,95) позволяющие моделировать:

— изменение прочностных свойств лонжеронов рамы ГАТС для различных ККС обойм крепления баллонов;

— динамику процесса хранения сжиженного природного газа в криогенном сосуде с вакуумной и порошково-вакуумной изоляцией (табл.4.1);

— процесс нагрева открытым пламенем баллонов из стали «Д», металлостеклопластиковых, заправленных природным газом под давлением 155-190 кг/см2 и сжиженным нефтяным газом (смесь пропан+бутан), по величине давления и температуры;

— процесс динамики горения ГАТС, работающих на сжатом природном и сжиженном нефтяном газах, во времени по изменению давления в баллоне и температуры стенки баллонов, вентилей и в подкапотном пространстве (табл. 4.2).

Таблица 4.1

Математическая модель процесса хранения сжиженного природного газа в криогенном сосуде с вакуумной и порошково-вакуумной изоляцией.


№№ пп
Тип балланов
Наименование функциональной зависимости
Функциональная зависимость

1
Вакуумная изоляция
Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 7,9 % в зависимости от времени, ч
P=t0,00039t+0,055

2
Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 14,1 % в зависимости от времени, ч
P=t0,00014t+0,01

3
Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 24,5% в зависимости от времени, ч
P=t0,0006t+0,002

4
Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 46,0 % в зависимости от времени, ч
P=t0,00039t+0,025

5
Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 77,0 % в зависимости от времени, ч
Р=t0,00015t+0,015

6

6.1
Порошково-вакуумная изоляция

Испаряемость сжиженного природного газа при хранении в криогенном баке с открытым дренажем (в начале эксплуатационных испытаний) в зависимости от времени, сут.


GГ1 (t)= - 4,686t+82

6.2
Испаряемость сжиженного природного газа при хранении в криогенном баке с открытым дренажем (после 2-х лет эксплуатации) в зависимости от времени, сут.
GГ1 (t)= - 5,325t+82

6.3
Степень увеличения испаряемости сжиженного природного газа за 2 года эксплуатации (ухудшение эксплуатационных характеристик) в зависимости от времени, сут.
= GГ1 (t)- GГ2 (t)= -0,639t

7
Динамика роста давления в криогенном баке при бездренажном хранении сжиженного природного газа в зависимости от времени, ч :

к-т заполнения бака =0,9;

к-т заполнения бака =0,43;

к-т заполнения бака  =0,3;


P=t0,0043t+0,057+2

P=t0,002t+0,7+2,1

P=t0,006t+0, 25+3,9


Таблица 4.2

Математическая модель имитации пожара грузовых автотранспортных средств ЗИЛ-431610, ЗИЛ-431810, работающих на природном газе

№№ пп
Топливо

Наименование функциональной зависимости
Функциональная зависимость
Примечание

Интервал, мин.

1
2
3
4
6

1
Система хранения газового топлива

(смесь пропан+бутан) на автомобиле ЗИЛ-431810 (ЗИЛ-138)
Изменение давления сжиженного газа

(смесь пропан+бутан) в баллоне, кг/см2
Рдавл=(0,11t+9)



Рдавл=9-0,7(t-16,5)
0t10


10t12

16,5t30

2
Изменение температуры стенки баллона





0t11


11t36

3
Изменение температуры предохранительного клапана
Тпр к. = 13,4(t-2)





Тпр к. = 16(t-22)+500
2t10


10t21


21t36

4
Изменение температуры в подкапотном пространстве
Тподк . = - 3,34 t2+160,35t-1358,2
11t37

5
Система хранения природного газа под давлением 19,6 МПа на автомобиле ЗИЛ-431610

(ЗИЛ-138А)
Изменение давления в баллонах при имитации пожара
Р= 10t+160



6
Изменение температуры в подкапотном пространстве
Ткапот=0

Ткапот=80+190е
0t3

3t15

7
Изменение температуры стенки 1-го баллона


1t9


Пятая глава посвящена разработке методологических основ проектирования ГАТС, работающих на ГМТ.

В п. 5.1. ГАТС рассмотрено с одной стороны как объект со сложной структурой в сложной организационно иерархической транспортной системе (рис. 5.1) а с другой стороны как энергетическая сложная техническая система с жизненным циклом промышленного изделия из 11 этапов, характеризующимся критериями эффективности и развития.

В п. 5.2. ГАТС рассмотрено как совокупность потенциальных свойств функциональных, надежностных и технико-экономических (ФПС, ПСН, ПТ-ЭС), уровень которых формируется на стадии проектирования, и реализуется на стадиях производства, эксплуатации (рис. 5.2) (на стадии производства это происходит ступенчато, а в эксплуатации уровень эффективности снижается практически экспоненциально:

(t)= 1 ехр -K(t-1) …

где  (t) - производительность на t-ом году эксплуатации;

1 - производительность на 1-ом году эксплуатации;

К - коэффициент интенсивности изменения показателей свойств ГАТС.

При этом закон развития техники: Э=F1,X=[ =f(F)] (где - время, критерии эффективности Э=(FX), критерии развития X=(), внутренние факторы =f(F), внешние факторы F) предполагает преимущество вариантов ККС ГАТС, которые при данной совокупности внутренних и внешних условий достигают максимальной энергетической эффективности.

В п. 5.3. проведен анализ физико-химических свойств ГМТ позволивший:
  1. Получить статистические оценки химического состава природного газа различных месторождений и оценить стабильность по содержанию метана 92% (коэффициент вариации = 9,4%) и по теплоте сгорания ( =2,98%).
  2. Разработать обобщенную таблицу диапазона показателей изменения свойств моторных топлив для оценки эффективности применения того или иного вида ГМТ в конкретных условиях эксплуатации (табл. 5.1) на основании использования шкалы желательности.

В п. 5.4. Определены методологические особенности исследования эффективности ГАТС на этапе проектирования.

Всесторонне и углубленно раскрыто понятие категории «эффективность» применительно к проектированию ГАТС как элемента транспортной системы и предложен принцип выбора численных значений критериев эффективности:

Э (И; ; U) max ; при С (И) = С0

С (И) min ; при Э (И; ; U) = Э0 ,

где Э - эффективность;

С - затраты;

И - измерители свойств ГАТС;

и U – условия первой и второй групп.

Последнее позволяет решить проблемы:
  • выбора рациональных направлений развития техники АТС;
  • наращивания энергетического ресурса для обеспечения растущих потребностей общества в транспортных услугах, не вызывающих отрицательных экологических последствий.





Международная транспортная система

Измерители эксплуатационных свойств

Измерители функциональных свойств




Э

Э


Транспортная система РФ-ТЭК

Иэ

Иф


Топливной экономичности


Автотранспортные предприятия (АТП)

Э

Э


Скоростных свойств




Ин

Э

Э


ГАТС

Безопасность


Функциональная система АТС

Э

Э

Долговечность


Сохранность


Агрегат (или другой элемент функциональной системы)

Э

Э

Ремонто-пригодность





Вых


Деталь

Выходные хар-ки функциональных систем

Э

Э





Выходные хар-ки агрегатов

Иф

Ин


R, Ср, М, Кф, Кн, Рп




Rвн

Срвн






Рис. 5.1. Структура организационно-иерархической транспортной системы.

Ср – внутренняя среда (масло, воздух, тормозная жидкость, тосол...);

Ср вн – внешняя среда (атмосферная, дорожная);

R – совокупность режимов;

Вых – выходные характеристики;

Рп – рабочие процессы;

М – конструкционные материалы;

Э – целевая функция эффективности;

Ин, Иф, Иэк – измерители надежностных, функциональных, эксплуатационных свойств ГАТС;

Кф, Кн – конструктивные параметры, определяющие функциональные или надежностные свойства;

Вн - внешняя среда.