Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояния вопроса и задачи исследования 12
1.1. Классификация загрязнений моторных масел 12
1.2. Влияние загрязненности моторных масел на надежность масляных систем 21
1.3. Существующие методы и средства очистки и контроля чистоты моторных масел 28
1.4. Значение электроочистки моторных масел 33
Глава 2. Теоретические предпосылки совершенствования процесса очистки моторных масел 44
2.1. Оценка электрофизических свойств масел 44
2.1.1. Оценка электрической прочности 44
2.1.2. Оценка изменения вязкости масла 50
2.1.3. Оценка диэлектрической проницаемости 55
2.2. Исследование рассеивающих свойств системы «масло - механические загрязнения» 65
2.2.1. Лазерная диагностика масла, содержащего загрязнения 65
2.2.2. Исследование изменения индикатрисы рассеяния масел с различной степенью загрязненности 74
2.2.3. Исследование зависимости коэффициента преломления от концентрации загрязнения 79
Глава 3. Методика теоретических исследований 82
3.1. Анализ факторов, влияющих на эффективность очистки 82
3.2. Планирование эксперимента 96
3.3. Статистическая математическая модель процесса очистки 98
3.4. Методика проектирования электроочистителя с ячейками -накопителями загрязнений 124
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 128
4.1. Выбор конструкции проточного канала электродов - осадителей 128
4.2. Выбор геометрии элементарной ячейки ЭО 132
4.3. Исследование процессов, происходящих в ячейке - накопителе загрязнений 135
4.4. Исследование гидравлических характеристик ЭО 141
4.5. Лабораторно-производственные испытания ЭО 143
Глава 5. Технико-экономическая оценка эффективности применения электроочистителя моторных масел 150
Выводы и заключение 155
Список использованной литературы 157
Приложения 165
- Существующие методы и средства очистки и контроля чистоты моторных масел
- Лазерная диагностика масла, содержащего загрязнения
- Методика проектирования электроочистителя с ячейками -накопителями загрязнений
- Исследование гидравлических характеристик ЭО
Введение к работе
Известно, что одним из основных потребителей нефтепродуктов является сельскохозяйственное производство. Предприятия
агропромышленного комплекса РФ ежегодно потребляют около 17 млн. тонн дизельного топлива и около 1 млн. тонн моторных масел. Среднее по величине хозяйство Северного Кавказа расходует за год до 1200 т дизтоплива, до 600 т бензина, свыше 60 т моторных масел /14/.
Надежность гидравлических, топливных, масляных и пневмосистем автомобилей и тракторов напрямую зависит от степени загрязненности рабочих диэлектрических жидкостей, которая в специфических условиях эксплуатации техники остается всё еще высокой, не отвечающей требованиям, предъявляемым соответствующими нормативными документами.
Одной из конструктивных особенностей агрегатов топливных, масляных, гидравлических и пневматических систем современных сельскохозяйственных машин является наличие прецизионных пар трения, минимальные зазоры в которых составляют порядка 5 мкм. В связи с этим масла в системах должны быть весьма чистыми. Наличие в них загрязнений и воды приводит к быстрому изнашиванию аппаратуры, преждевременной забивке фильтров, а в отдельных случаях — к аварийным ситуациям. С введением в действие ГОСТ 17216-01 требования к чистоте рабочих жидкостей ещё более ужесточились. По стандарту существует 19 классов чистоты топлив, масел и гидравлических жидкостей со строгой регламентацией в пределах каждого класса не только общего содержания загрязнений, но и их дисперсного состава.
В целях обеспечения этих высоких требований необходимо было разработать меры по предупреждению загрязнения масел в процессе их производства, транспортировки, хранения и эксплуатации в сельскохозяйственных машинах и тракторах.
На первом этапе развития направления, связанного с обеспечением высокой чистоты масел в системах сельскохозяйственной техники (СХТ), считалось, что основу этих мер составляет фильтрование рабочих тел на всём
пути их продвижения от перерабатывающих комплексов до баков автомобилей и тракторов. Анализ применения на СХТ существующих методов и устройств обеспечения чистоты на современном этапе показывает, что ни одно из них не может в полной мере обеспечить эффективную очистку во всем диапазоне эксплуатационных факторов, а значит и заданную степень надежного функционирования СХТ в целом.
Возникшее техническое противоречие между возможностями существующих методов, способов и средств и всё возрастающими требованиями к уровню чистоты, а значит и надежности функционирования масляных систем, устраняется переходом на принципиально иную технологию очистки -технологию удаления частиц твердой дисперсной фазы из потока жидкости с помощью силовых электрических полей.
Устройства, реализующие эту технологию, характеризуются по сравнению с традиционными фильтрами рядом неоспоримых, существенных преимуществ: возможностью обеспечения 2-3 класса чистоты по ГОСТ 17216-01; ничтожно малым гидравлическим сопротивлением; низкой стоимостью изготовления и обслуживания; низкой металлоемкостью и энергоемкостью; малой себестоимостью процесса очистки; возможностью регенерации очистителя без демонтажа и разборки; простотой эксплуатации; возможностью использовать их в полевых условиях с целью очистки различных диэлектрических жидких и газовых сред без снижения показателей надежности функционирования комплекса в целом, в частности, средств технического обслуживания.
Наличие частиц загрязнений в системе отбрасывает класс чистоты жидкости к уровню 13-14 по ГОСТ 17216-01, что делает жидкость непригодной к эксплуатации, а надежность функционирования систем и комплекса в целом величиной бесконечно малой.
Таким образом, эффективность очистки масляных систем автомобилей и тракторов, обеспечение надежности функционирования систем СХТ являются кругом вопросов и проблем, исследуемых в данной работе.
Подытоживая вышесказанное, можно сформулировать научную
проблему, смысл которой сводится к обеспечению чистоты масел с целью повышения надежности парка сельскохозяйственных машин и эффективности его работы.
Целью настоящей работы является исследование процесса очистки, разработка и оптимизация конструктивных параметров устройства, основанного на воздействии электростатического поля на частицы загрязнений, находящихся в маслах для обеспечения высокой степени надежности работы автотракторного парка.
Вся работа, заключавшаяся в разработке и создании устройства, способного очистить любую рабочую жидкость от загрязнений, проводилась в соответствии с существующей Республиканской научно-технической проблемой на 1991-1996 г.г. по заданию 04.01.03 «Разработать и внедрить комплекс мобильных и стационарных технических средств для сбора, очистки, осветления, стабилизации присадок и использования отработанных автотракторных масел при техническом обслуживании механизированных полеводческих комплексов в условиях различных организационно-экономических форм и типоразмеров хозяйств».
Данная работа является реально возможной попыткой решения ряда теоретических и прикладных вопросов технико-экономической и эксплуатационной оценки технических средств очистки рабочих жидкостей от загрязнений, обоснования новых технологий и технических средств, способных с наименьшими затратами довести уровень чистоты рабочих жидкостей до уровня стандартных, а также рационального их использования в условиях сельскохозяйственных предприятий.
Существующие методы и средства очистки и контроля чистоты моторных масел
Существующие методы и средства очистки и контроля чистоты моторных масел Масла защищают от попадания в них загрязнений и очищают различны ми методами /4,6,12/. ГОСТ 6370-99 содержание механических примесей до 0,005% по массе не принимает во внимание и трактует как их отсутствие. Меж-ду тем, допускаемая загрязненность 0,005% по массе означает, что в 100 см (масса 83,5 г) масла может содержаться механических примесей в количестве 41,75 . 10"4 г. Если предположить, что все механические примеси состоят из твердых частиц, имеющих форму куба, то в 100 см рабочей жидкости будет находиться:
Такое количество загрязнений в масляной системе совершенно недопустимо. Способствовать удовлетворению возросших требований к чистоте масел призван ГОСТ 17216-01 «Промышленная чистота. Классы чистоты жидкостей». В соответствии с этим ГОСТом и требованиями машиностроительных заводов масла считаются пригодными для заправки в системы СХТ, если класс чистоты его соответствует не более чем 8. Согласно ранее проведенным исследованиям /54/, уровень чистоты в процессе эксплуатации не улучшается и составляет 9-13 класс чистоты по ГОСТ 17216-01. В то же время теоретически предполагается, что любой фильтр обеспечивает удаление не менее 97% загрязнений за один проход /33,89/. Таким образом, для очистки масел могут применяться различные способы, методы и технические средства . При этом предпочтительны физические способы очистки, позволяющие удалять из масла твердые загрязнения, воду и частично легкие топливные фракции (Рис. 1.5) /36,37,42,58/.
Гравитационный метод очистки масел от загрязняющих примесей и воды -прост, но малоэффективен и длителен. Степень очистки примесей не более 20...80 мкм при обычных температурах, а при пониженных он вообще не эффективен /14/. Процесс отстаивания зависит от плотности, вязкости и степени загрязненности масел и не обеспечивает необходимой чистоты масла. Поэтому этот метод применяют чаще всего для предварительной очистки.
Продолжительность очистки масел от различных инородных примесей значительно сокращается при использовании центробежных сил путем вращательного движения масла в неподвижных аппаратах (гидроциклонах) и подачи масла во вращающийся аппарат (центрифугу /96/). Более широкое применение нашли различные центробежные аппараты /64,65/. Эти аппараты могут быть с электрическим, механическим и гидравлическим приводами. Конструкции этих устройств - центрифуг - самые разнообразные и отличаются друг от друга принципиальными схемами, системой подачи гидропотоков масла; они могут быть низко- и высокочастотными (по частоте вращения роторов).
Очистка с использованием сил электрического /68/ поля позволяет проводить процесс обезвоживания масел, а используемое оборудование малогабаритно и конструктивными особенностями дает возможность автоматизировать технологический процесс; магнитные очистители эффективно удаляют ферромагнитные частицы, образующиеся в результате износа деталей машин. Загрязненные масла, попадая в поле упругих колебаний вибрационных очистителей, более динамично освобождаются от твердых частиц за счет их коагуляции. Водной промывкой удаляют из масел водорастворимые низкомолекулярные кислоты, соли органических кислот и некоторую долю сработавшихся углеводородных соединений. Выпариванием (при t = 80...110С) масел обеспечивают обезвоживание и удаление из них легкокипящих фракций. Этот процесс весьма энергоемок и продолжителен, реализуется при давлении 25...30 кПа и требует специальных нагревателей и вакуумных устройств /14/. Из физических методов также наиболее распространен метод фильтрования через пористые перегородки фильтрующих материалов: бумаги, спецтканей, всевозможных набивок различных веществ и др. Он обеспечивает тонкость фильтрации при грубой очистке -100...70 мкм, средней -20.. 70 мкм. тонкой - 1.. .20 мкм, ультрафильтрации -менее 0,1 мкм /58/. Недостатки метода - большой расход эксплуатационных материалов, необходимость тщательной утилизации, снижение эффективности очистки в процессе фильтрации (по времени функционирования) /36/. Ограничение возможностей фильтрации вызвано следующими, присущими данным фильтроэлементам, недостатками /33,37/: небольшая грязеемкость и малый ресурс; большое гидросопротивление; недостаточная прочность и пластичность фильтроэлементов; невосстанавливаемое изменение характеристик фильтроэлементов; необходимость соблюдения химической совместимости материала пористой перегородки и корпуса фильтра с очищаемой средой; миграция загрязнений из фильтроматериалов в очищаемую среду.
Лазерная диагностика масла, содержащего загрязнения
Исследование рассеивающих свойств системы «масло механические загрязнения» 2.2.1. Лазерная диагностика масла, содержащего загрязнения Работа датчиков, предназначенных для регистрации изменения оптических характеристик, базируется на следующих допущениях. Если бесконечно малый объём жидкости облучить параллельным монохроматическим светом, то при проходе светового потока через объём одна часть его будет поглощена, а другая рассеяна. Поглощение Фп и рассеяние Фр пропорциональны облучённому объёму V падающего светового потока /66/. Ф„ = h„EV Фр=крЕУ (2.12),(2.13) где Е- облучённость, создаваемая падающим световым потоком на перпендикулярную к нему поверхность; hn ,hp - коэффициенты поглощения и рассеяния. Показатель ослабления светового потока (или мутность среды), проходящего через элементарный объём, равен: h = hn+hp (2.14) Интенсивность светового потока J, проходящего в объёме расстояние / определяют законом Бугера: J = J0e M (2.15) Для монодисперсной системы число частиц определяется соотношением: Z = — (2.16) S4kl К где 8ч-площадь поперечного сечения частицы; к - средний коэффициент экстинкции частицы. С = U (2.17) где С - концентрация частиц, г/см . Для полидисперсной системы частиц измерение мутности не может Є6 определить однозначно дисперсность частиц. Для этого необходимо иметь сведения об угловом распределении света. Угловое распределение света dJ(j5), рассеянное элементарным объёмом dV, пропорционально этому объёму, облучённости и является функцией угла Д. КІР) (2.18) dj{p) = dVE 4ти где hp(P) - коэффициент рассеяния в направлении угла Д. Относительное рассеяние характеризуется безразмерной величиной J , которая называется индикатрисой рассеяния. jp = dJ /г„ (2.19) Параметры hp, hn и dJ - не зависят от условий освещённости и характеризуют только свойства элементарного объёма. Интенсивность рассеяния света зависит от количества, размера, формы и оптических характеристик частиц. Значение показателя преломления m для не поглощающих свет частиц представлено в уравнении (2.10). Анализ уравнений (2.10) и (2.19) показывает, что для разработки новых средств контроля уровня чистоты масел весьма важно знать закономерности изменения в реальных жидкостях индикатрисы рассеяния. Рассеяние и поглощение света на сфере зависит от её проводимости и диэлектрической проницаемости окружающей среды. Пусть рассеивающая сфера не является идеальным диэлектриком и обладает некоторой электропроводностью. Тогда часть падающего на эту сферу излучения будет испытывать, кроме рассеяния, ещё и поглощение. Обозначим через 5 коэффициент электропроводности сферы, находящейся в диэлектрической среде, тогда показатель преломления т2 сферы определяется выражением: со- частота падающей на сферу плоской электромагнитной волны. Относительная диэлектрическая постоянная для плохо проводящей сферы находится из соотношения: Формулы для рассеяния света на сфере произвольного радиуса были получены Ми /66/ и Дебаем /29/ . Чтобы привести их, введём плоскость наблюдения как плоскость, проходящую через направление падающего излучения (волновой вектор К) и луч зрения. Тогда можно разложить рассеянный свет на две составляющие Ij U 12, поляризованные параллельно и перпендикулярно плоскости Q. Для неполяризованного падающего излучения с длиной волны X интенсивность компоненты Ij U 12 согласно /45/ имеют вид:
Методика проектирования электроочистителя с ячейками -накопителями загрязнений
Зависимость коэффициента отсева электроочистителя от времени нахождения жидкости в ЯН и напряженности электрического поля:
1. У = f(X4) при Е = 3000 В/ мм; 2. y = f(E)npnX4 = 0,147c Видно, что при начальном участке повышение напряжённости поля резко увеличивает эффективность работы ЭО. Так, увеличение Е с 500 до 1000 В/мм увеличивает У примерно на 50 %, однако, в дальнейшем рост значения У при увеличении Е существенно снижается. Повышение напряжённости с 1000 до 1500 В/мм приводит к увеличению значения У всего на 15-18 % и, наконец, наступает стабилизация функции y=f(E).
Данное явление можно объяснить тем, что при увеличении напряжённости увеличивается интенсивность электрогидродинамических течений в ячейках-накопителях, что приводит к частичному вымыванию загрязнений и переводит систему с одного уровня динамического равновесия на другой, более низкий.
Испытания опытного образца ЭО показали, что расчетные характеристики, определенные с помощью математической модели (3.37), практически совпали с экспериментальными значениями контролируемых величин.
. Методика проектирования электроочистителя с ячейками-накопителями загрязнений Основным рабочим органом ЭО является пакет осадительных электродов. Таким образом, параметры пакета и определяют все остальные характеристики очистителя. Для расчета параметров пакета ЭО необходимо определить потребную величину прокачки жидкости, которую должен обеспечить ЭО. При одних условиях очиститель из проточного превращается в дискретный, что резко уменьшает его эксплуатационные возможности, при других - размеры ЭО становятся неоправданно большими, что также не позволяет применять ЭО в практических целях. Очевидно, необходимо задаться какой-то дополнительной характеристикой ЭО. Такая характеристика, показывающая, какой объем жидкости можно прокачать в единицу времени через единицу объема ЭО при заданном коэффициенте отсева получила название удельная объемная прокачка Dy: где О - расход жидкости через ЭО; W - объем пакета электродов.
Главной особенностью параметра Dy является стабильность его пропускной способности при постоянном и строго фиксированном значении коэффициента отсева Y=const. В работе /73/ была произведена процедура оптимизации ЭО с учетом технико-экономических параметров, обеспечивающих предельные значения Y. Это позволило разработать методику расчета конструктивных параметров разработанного ЭО.
При проектировании необходимо задаться потребной величиной Y, а исходя из этого и характеристиками XI, Х2, ХЗ, Х4, Х5, Х6, которые находятся из данных, приведенных в работе 1621. Например, для обеспечения 100% коэффициента отсева Х1=3мм; Х2=5 мм.; Х3=3мм.; Х4=0,164с; Х5=94С; Х6=36шт. Остальные параметры, исходя из опыта эксплуатации и изготовления ЭО, выбираются следующими: толщина осадительного электрода 5 не более 2 мм; толщина диэлектрической перегородки д не более 5мм; количество осадительных электродов 30...40 штук; зазор между пакетом осадительных электродов и корпусом ЭО А должен составлять 1мм.
Учитывая то, что процесс очистки происходит не только в просечках, но также и в щели, образованной пакетом осадительных электродов и корпусом электроочистителя, необходимо определить суммарную площадь проходных отверстий и щели с учетом фактора Х4, позволяющего найти скорость течения жидкости в ячейке. Длина кольцевого зазора при диаметре осадительного электрода d равна 7ud. Величина кольцевого зазора - Д.. Площадь кольцевого зазора, таким образом, находится по формуле:
Исследование гидравлических характеристик ЭО
Исследование гидравлических характеристик производилось на опытном образце электроочистителя ЭО-1,0. Измерение перепада давления производилось с помощью стенда, описанного во 2 главе 151.
Измерение перепада давления производилось при 9 различных значениях расхода жидкости, отмеченных на рис.4.14 , при этом значение перепада давления фиксировалось не менее 6 раз в каждой точке. Графическая зависимость АР — f(Re) строилась по среднеарифметическим значениям величины перепада давления. Значение Re определялось по известной формуле: При снятии данной характеристики было обнаружено, что функция АР = f(Re) имеет в диапазоне чисел Рейнольдса от 0 до 1300 два равновесных состояния. Характер изменения АР при различных значениях числа Re аналогичен зависимости АР = f\Re), полученной в 1997 году Мозговым В.И. /68/ при испытании ЭО с зигзагообразными диэлектрическими перегородками. Поэтому можно сделать вывод об аналогичности процессов, протекающих в исследуемом ЭО.
Как было уже показано в главе 2, при подключении к осадительным электродам разности потенциалов, электрическое силовое поле вызывает движение жидкости в межэлектродной зоне. В каждой ЯН происходит следующая картина. Вдоль осадительных электродов из внутренней полости ЯН движется поток жидкости, который попадает в проточную зону проходного канала ЭО. Вследствие неразрывности жидкости, в межэлектродную часть ЯН из проточной части канала ЭО также устремляются потоки жидкости. Следовательно, при прокачке жидкости через ЭО требуется дополнительная энергия для разгона масс жидкости, выбрасываемых из ЯН. На рис.4.14,а показано, как изменяется зависимость АР = f\Re) при подаче разности потенциалов на электроды. Сохраняя примерно неизменной форму зависимости АР = f\Re), происходит смещение кривой вверх, причем, чем больше
величина напряженности поля, тем больше величина смещения. Видно, что на расчетном для ЭО режиме, при напряженности поля Е= 1500 В/мм, перепад давления возрастает практически в полтора раза.
Контроль величины загрязненности при испытаниях производился прибором типа ПКЖ-902. В качестве загрязнителя использовался естественный широкофракционный загрязнитель, смытый с фильтров тонкой очистки, а также искусственный загрязнитель, применяемый для испытания автомобильных фильтров /3/. Испытания проводились на работающем стенде С-2702-80, предназначенном для контрольно-сдаточных испытаний гидроагрегатов. Емкость расходного бака 200 литров. Перед испытаниями в баке было 150 литров масла М10Г2. Схемы подключения ЭО-1,0 и ПКЖ-902 к стенду приведены на рис.4.16. Общий вид стенда показан на рис.4.17.
