Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследовании!!
1.1 Влияние воды на физико-химические и эксплуатационные свойства топлив 12
1.2 Плунжерные пары ТНВД 22
1.3 Физическое состояние воды в жидких нефтепродуктах и пути её попадания 29
1.4 Пути борьбы с обводнением нефтепродуктов 37
1.5 Массообменный метод обезвоживания нефтепродуктов 45
1.6 Цель и задачи исследований 55
2 Теоретическое исследование процесса обезвоживания топлива вентиляцией
2.1 Теоретическое исследование процесса обезвоживания топлива вентиляцией 57
2.2 Теоретическое обоснование способа обезвоживания дизельного топлива в баках мобильных машин и техническое решение по его реализации на тракторе Т - 25 А 63
3 Программа и методики экспериментальных исследований
3.1.Программа исследований 66
3.2 Методики исследований
3.2.1 Методика лабораторных исследований предложенного способа 68
3.2.2 Методика эксплуатационных исследований предложенного способа 71
3.2.3 Методика производственной апробации предложенного способа 75
3.2.4 Методика исследования влияния обводнённого топлива на техническое состояние плунжерных пар 76
3.3 Методики измерений
3.3.1 Определение расхода вентилируемого воздуха, температуры и влажности окружающей среды 80
3.3.2 Определения температур топлива и вентилируемого воздуха 87
3.3.3 Определения воды в дизельном топливе, и других показателей его качества 89
3.3.4 Определения технического состояния плунжерных пар 97
3.4 Методика обработки результатов 98
4 Результаты экспериментальных исследований
4.1 Результаты лабораторных исследований предложенного способа 103
4.2 Результаты эксплуатационных исследований предложенного способа 116
4.3 Результаты производственной апробации предложенного способа 124
4.4 Результаты исследований влияния обводнённого
топлива на техническое состояние плунжерных пар 126
5 Экономическая оценка результатов
Исследований 130
Общие выводы 132
списОк литературы 135
- Влияние воды на физико-химические и эксплуатационные свойства топлив
- Теоретическое исследование процесса обезвоживания топлива вентиляцией
- Методика лабораторных исследований предложенного способа
- Результаты лабораторных исследований предложенного способа
Введение к работе
При совершенствовании дизелей большое внимание уделяется топливной системе (ТС) и топливной аппаратуре (ТА), так как от качества её работы в значительной мере зависят долговечность и экономичность агрегата. Практика показывает, что наибольшее число отказов дизелей, до 50 % [1], происходит вследствие нарушения работы топливной аппаратуры.
Топливная система серийно выпускаемых тракторных дизелей практически не защищена от воздействия переменного климата. В процессе работы тракторов под действием многих факторов, в том числе и природно-климатических, параметры технического состояния ТА не остаются постоянными и в эксплуатации наблюдаются значительные отклонения их от номинальных значений. Выход того или иного параметра за пределы установленных допусков приводит к отказу топливной системы и дизеля в целом.
Из атмосферных факторов при соблюдении правил, предъявляемых к чистоте, хранению и заправке дизельного топлива, герметизации топливной системы, в наибольшей степени на работоспособность последней оказывает температура воздуха, от которой зависит температура топлива в агрегатах системы. В свою очередь температура дизельного топлива влияет на его вязкость, плотность, сжимаемость, прокачиваемость, фильтруемость, наполняемость и распыливемость.
Защитить топливную систему серийно выпускаемых дизелей от воздействия переменных температур окружающей среды возможно путём стабилизации температуры топлива в агрегатах системы в пределах 20 ... 40 С. В Пензенской ГСХА выполнено много работ по исследованию влияния температур на работоспособность топливной системы дизелей, в которых предложены технические решения этой проблемы. Этим вопросами занимались Власов П.А., Уханов А.П., Тимохин СВ., Зимняков В.М., Байкин СВ., Чугунов В.А. и др.
Топливная аппаратура дизелей также очень чувствительна к чистоте топлива, в котором могут содержаться различные виды загрязнений: твёрдые, жидкие, газообразные, микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности. Загрязнённость топлива приводит к преждевременной забивке топливных фильтров и преждевременному износу, и в отдельных случаях заклиниванию прецизионных пар ТА. При отрицательной температуре микрокапли воды приводят к обмерзанию фильтров, что может привести к полному прекращению подачи топлива. Кроме того, вода способствует процессу коррозии.
В общем, до 50 % случаев нарушения работоспособности дизельной ТА происходит вследствие загрязнённости топлива.
ТНВД является самым дорогим и ответственным элементом ТА дизеля. В работе [91] приведены результаты исследований по выявлению причин эксплуатационных отказов топливных насосов высокого давления распределительного типа, более половины из них происходят вследствие загрязнённости топлива: водой - до 47 %, и механическими примесями - до 12%.
Результаты исследований по влиянию содержания воды в топливе на работоспособность плунжерных пар ТНВД рядного типа показывают, что содержание воды в топливе до 3 % не приводит к заметному ухудшению работоспособности плунжерных пар, наступающего вследствие ухудшения противоизносных и противозадирных свойств топлива. Оно наблюдается при содержании воды в топливе свыше 3 % и может привести к ускоренному износу пар и их заклиниванию. Вместе с тем, при содержании воды в топливе свыше 0,5 % уже наблюдается их коррозионное разрушение [4].
В работе [44] отмечено, что на пунктах хранения нефтепродуктов сельскохозяйственных предприятий фактическое содержание воды в дизельных топливах уже может достигать 3 % и более.
При соблюдении технических условий эксплуатации (ТУ) и применении эффективных систем очистки топлива можно в несколько раз снизить износ прецизионных деталей топливной аппаратуры, существенно повысить безотказность её работы, причём это может быть достигнуто относительно недорогостоящими средствами.
Однако, даже при самом строгом соблюдении технических условий применения топлив и эксплуатации ТА, в баках дизельных мобильных машин происходит довольно значительное образование воды вследствие конденсации влаги и гигроскопических свойств самих топлив. Наблюдается также дальнейшее проникновение воды в контур высокого давления, несмотря на наличие системы очистки топлива [1, 2, 3, 5].
Поэтому обезвоживание дизельных топлив в баках мобильных машин является весьма актуальной задачей.
Существуют различные присадки, которые применяются для улучшения свойств топлив в присутствии воды (главным образом низкотемпературных). Они относительно дорогостоящие и их доставка и применение в сельском хозяйстве весьма затруднительна. Кроме того, они улучшают только несколько необходимых свойств топлива в присутствии воды, но не устраняют всех её вредных проявлений.
В авиации, ранее, для предотвращения обводнения топлив в баках самолётов применялись различные массообменные методы обезвоживания, которые показали свою эффективность. Но их применение так и осталось в виде далеко незавершённых научных исследований. Достаточно полно также не исследовано влияние воды на техническое состояние плунжерных пар ТНВД.
Следует отметить, что изо всех массообменных методов обезвоживания наиболее простым и дешёвым и в тоже время наиболее приемлемым для его использования в топливных баках дизелей является вентиляцией надтопливного пространства очищенным атмосферным воздухом.
Цель исследований - повышение работоспособности сельскохозяйственных тракторов снижением обводнённости топлива в баках.
Объект исследований - процесс обезвоживания дизельного топлива в баках тракторов класса 6 кН (на примере трактора Т-25А) вентиляцией надтопливного пространства воздухом.
Научная новизна работы:
Способ обезвоживания дизельных топлив вентиляцией надтопливного пространства очищенным атмосферным воздухом в баках мобильных машин и техническое решение по его реализации.
Теория процесса обезвоживания топлив вентиляцией надтопливного пространства, позволяющая оценивать содержание воды в топливе, интенсивность и коэффициент массоотдачи из него влаги.
Аналитические зависимости по количественной оценке влияния температур топлива, вентилируемого воздуха и его расхода на содержание воды в дизельном топливе и уравнения регрессий по оценке их влияния на интенсивность его обезвоживания, результаты производственной проверки.
Многофакторное уравнение по оценке влияния воды и механических примесей, содержащихся в топливе, на интенсивность изнашивания плунжерных пар топливного насоса высокого давления (ТНВД) типа УТН-5 (от трактора Т-40А).
Практическая ценность работы. Разработанный способ обезвоживания дизельных топлив в баках мобильных машин и предложенное техническое решение по его реализации на тракторе Т-25А позволяют предотвращать обводнение топлива в баках машин во время их использования. Обводнённость топлива снижается в 2 - 3 раза.
Реализация результатов исследований. Опытный образец технического решения по реализации предложенного способа обезвоживания дизельного топлива в баке трактора Т-25А внедрен в ООО «Плёсское» Мокшанского района Пензенской области.
Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены: на I Всероссийской научно-производственной конференции молодых учёных «Фундаментальные разработки, исследования и новые технологии на пороге III тысячелетия», ПГСХА, г. Пенза, 2000 г.; на учебно-методической конференции «Современные методы подготовки специалистов агропромышленного комплекса», ПГСХА, г. Пенза, 2001 г.; на научно-практической конференции «Проблемы сельского хозяйства и пути их решения», ПГСХА, г. Пенза, 2001 г.; на научно-практической конференции, посвященной 50-летию инженерного факультета ПГСХА, г. Пенза, 2002 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 печатных работ, в том числе получен патент на изобретение.
Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту: 1. Способ обезвоживания дизельных топлив вентиляцией надтопливного пространства очищенным атмосферным воздухом в баках мобильных машин и техническое решение по его реализации на примере трактора класса 6 кН.
Теория процесса обезвоживания топлив вентиляцией надтопливного пространства, позволяющая оценивать содержание воды в топливе, интенсивность и коэффициент массоотдачи из него влаги.
Результаты исследований предложенного способа по определению влияния температур топлива, вентилируемого воздуха и его расхода на содержание воды в дизельном топливе и оценке их влияния на интенсивность его обезвоживания, производственная проверка.
Результаты исследований влияния воды и механических примесей, содержащихся в топливе, на интенсивность изнашивания плунжерных пар ТНВД типа УТН-5.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, включает 12 рисунков и 14 таблиц.
Влияние воды на физико-химические и эксплуатационные свойства топлив
Практика показывает, что в сельском хозяйстве до 50 % отказов дизелей приходится на топливную систему (ТС) [1]. Одной из основных причин нарушения её работоспособности является загрязнённость топлива, на которую приходится до 50 % случаев [4]. Загрязнение топлива существенно повышает износ не только деталей топливной аппаратуры, но и деталей двигателей. Поэтому в двигателестроении и в отраслях, эксплуатирующих двигатели, вопросу совершенствования ТС и в частности систем очистки топлива уделяется большое внимание.
Загрязнённое топливо необходимо длительно отстаивать или фильтровать перед заправкой в баки. Для его дальнейшей очистки в ТС дизелей предусмотрены специальные отстойные зоны в топливных баках, сетки на топливозабор-ных трубках из бака, фильтры грубой и тонкой очистки.
Топливные насосы высокого давления и форсунки - основные и наиболее сложные и дорогостоящие агрегаты ТС, которые предопределяют мощностные и топливо-экономические показатели двигателя, его надёжность, шумность, дымность, токсичность.
Они имеют прецизионные пары с очень малыми зазорами, изготавливаемые с высокой точностью, размеры и геометрические формы которых обеспечиваются в пределах десятых долей микрометра. Например, плунжерные пары ТНВД изготовляются со средними зазорами 0,5 ... 2 мкм. Они особенно чувствительны к загрязняющим примесям в топливе и требуют его высокой очистки.
К основным агрегатам относятся также топливоподкачивающие насосы. Остальные агрегаты и узлы ТС: фильтры, перепускные клапаны и трубопроводы - являются вспомогательными и обеспечивают работоспособность основных агрегатов, т.е. их безотказность и долговечность.
В работе [91] были проведены исследования по эксплуатационным отказам ТНВД распределительного типа, которые устанавливаются на тракторных и комбайновых дизелях. Данные приведены в таблицах 1 и 2.
Из приведённых данных видно, что на долю эксплуатационных отказов ТНВД распределительного типа, из всего числа отказов, приходящихся на топливную аппаратуру, приходится от 26,7 до 45,1 %. Причиной тому от 25,9 до 47,1 % случаев является наличие вода в топливе.
Вода в топливе влияет не только на работу топливной аппаратуры, но и на работу двигателя в целом. Наиболее полная классификация влияния воды в топливе на работу ТС и двигателя приведена в работах [1,2, 3, 4, 5].
Рассмотрим подробнее влияние воды в топливе на изменения его физико-химических и эксплуатационных свойств.
Низкотемпературные свойства топлив. При понижении температуры топлива до отрицательных температур, находящиеся в нём микрокапли воды замерзают, образуя кристаллы льда. При этом у обводнённого нефтепродукта повышаются температуры помутнения, начала кристаллизации и замерзания. В таблице 1 приложения приведены экспериментальные данные о влиянии обводнённости топлив на эти температуры [5].
Содержащаяся в топливе вода значительно ухудшает фильтруемость топлив при отрицательных температурах, что объясняется закупориванием пор фильтрующих элементов кристаллами льда. В таблице 2 приложения приведены данные о влиянии воды на фильтруемость топлив при низких температурах [3, 5, б].
Сухие топлива могут иметь хорошую фильтруемость даже при температурах значительно ниже температуры начала кристаллизации, что объясняется их способностью к переохлажденинию. Но при наличии даже небольшого количества воды в топливе, образующиеся при её замерзании кристаллы льда служат центрами кристаллизации для углеводородов с высокой температурой плавления, переохлаждение которых при этих температурах не происходит. Данные, подтверждающие этот факт, отражены в работе [3].
Теоретическое исследование процесса обезвоживания топлива вентиляцией
Приведём некоторые теоретические обоснования и математические зависимости, характеризующие процесс обезвоживания топлива (нефтепродукта) массообменным методом.
Обезвоживание топлив и масел путем массообмена основано на явлении динамического равновесия: между водой, эмульгированной и растворённой в нефтепродукте, и влагой, содержащейся в контактирующем с ним газе (воздухе, азоте и др.).
Соотношение влаги в топливе и газе, при условии равновесия системы, характеризуется константой фазового равновесия, которая для конкретных условий определяется, как правило, экспериментальным путём: т = Сг/Сн, (2.1) где С г и С н - равновесные концентрации влаги соответственно в газе и нефтепродукте, кг/м3. Перенос влаги из топлива в газ будет продолжаться до тех пор, пока концентрация влаги в фазах не достигнет равновесного состояния, определяемого уравнением (2.1).
Процесс переноса влаги может осуществляться как путём молекулярной диффузии, так и при совместном действии молекулярной диффузии и конвекции, которое называется конвективной диффузией. Молекулярная диффузия в чистом виде наблюдается только в неподвижной среде при изотермических условиях. Наличие конвективной диффузии значительно повышает эффективность процесса переноса влаги, так как в этом случае её перемещение к границе раздела фаз (в зону с равновесной концентрацией) происходит не только за счёт хаотического движения молекул, но и вследствие движения потоков топлива.
Вентиляция газа над нефтепродуктом существенно ускоряет описанные выше явления.
В общем виде, процесс массоотдачи влаги из топлива (нефтепродукта) выражается уравнением конвективной диффузии (законом Щукарёва): dGB/dt = pS(C-Co), (2.2) где сЮв/dt - количество влаги, перешедшее из топлива в воздух в единицу времени (интенсивность массоотдачи), кг/с; Р — коэффициент массоотдачи, характеризуюпщй скорость переноса влаги конвективными и диффузионными токами в объёме нефтепродукта, м/с; S — площадь контактирования топлива с воздухом, м2; С и С о — концентрация воды соответственно в объёме топлива и у поверхности раздела фаз, кг/м3. Концентрация воды у поверхности раздела фаз принимается в данном случае за равновесную (С о = С н).
Уравнение (2.2) является дифференциальным и описывает процесс массоотдачи влаги из нефтепродукта для некоторого момента времени. Процесс же обезвоживания характеризуется процессом массоотдачи в течение некоторого отрезка времени. Поэтому, для описания процесса массоотдачи влаги из нефтепродукта во времени (т.е. процесса обезвоживания) необходимо проинтегрировать уравнение (2.2) по времени.
Предположим, что все внешние факторы, влияющие на систему «обводнённый нефтепродукт - влажный газ» постоянны: площадь их контакта S, их температуры, давление, расход вентилируемого газа (воздуха) и его влажность, тогда и равновесная концентрация воды в нефтепродукте Со также постоянна.
При этом, концентрация воды в топливе С, имеет текущее значение, а параметры dGe/dt и р, характеризующие интенсивность процесса, могут изменяться под воздействием внутренних факторов, характеризующих систему, например под воздействием уменьшающейся концентрации воды С.
Методика лабораторных исследований предложенного способа
Основным элементом установки является топливный бак от трактора ЮМЗ - 6Л. Бак имеет ёмкость 120 л и размеры 950 х 600 х 210. Общая схема установки представлена на рисунке 5 (А).
Бак 1 жёстко закреплён на раме 2, которая при помощи оси шарнирно подвешена на жёстких стойках 3. Рама с баком может совершать колебательные движения, подобные маятнику, целью которых является имитации колебаний бака, совершаемых им при движении трактора.
В движение бак с рамой приводятся при помощи мотор-редуктора 4, кли-норемённой передачи и кривошипно-шатунного механизма. Клиноремённая передача включает в себя два шкива 5 и 6, вариатор 9 и два клиновых ремня 7 и 8, а кривошипно-шатунный механизм - кривошип 10 и шатун 11.
Мотор-редуктор является единым механизмом, в состав которого входят: трёхфазный асинхронный электродвигатель, мощностью 0,75 кВт, и понижающий редуктор, частота вращения которого на выходе составляет 1 секунда.
При помощи вариатора равномерно можно задавать период колебаний бака путём изменения передаточного числа клиноремённой передачи: период колебаний бака изменяется в пределах от 0,5 до 2 с, амплитуда колебаний постоянна - 0,02 м.
В топливном баке, сверху по диагонали, просверлены два отверстия и закреплены два патрубка: для входа 12 и выхода 13 вентиляционного воздуха. Патрубки представляют собой два отрезка трубы внутренним диаметром 100мм.
Вентиляция осуществлялась при помощи центробежного вентилятора 14 с максимальной производительностью 90 м3/ч, закреплённого на неподвижных стойках 3. Впускное отверстие вентилятора соединено гибким рукавом 15 с патрубком 13 выхода вентиляционного воздуха из топливного бака.
Таким образом, вентилятор забирает из надтопливного пространства бака воздух через один патрубок 13 (выходной), а через другой патрубок 12 (входной), в бак поступает свежий воздух из атмосферы. Для регулирования расхода вентилируемого воздуха на выходе из вентилятора предусмотрена заслонка 16.
Для подогрева вентилируемого воздуха на входном патрубке бака установлен специальный подогреватель 17 мощностью 1,5 кВт.
Общий вид установки предоставлен на рисунке 5 (Б).
Подогреватель воздуха представляет собой текстолитовый ящик с расположенными внутри электрическими тэнами, подобранными путём электрического соединения так, что они разогреваются до 60 - 70 С (т.к. в баке находится топливо).
Для подогрева и охлаждения топлива в баке был использован термостат СЖМЛ - 19 / 2,5 - И, показанный на рисунке 5 (Б) слева. В нём подогревалась или охлаждалась льдом вода, которая циркулировала по змеевику, установленному в баке.
Замер температур, вентилируемого воздуха и топлива в баке, предусмотрен в точках 18 и 19 (рисунок 5 (А)) при помощи хромель-копелевых термопар и потенциометра КСП - 4, показанного на рисунке 5 (Б) справа.
Методика лабораторных исследований способа
В исследовании использовалось летнее дизельное топливо по ГОСТ 305 -82. Вентилируемый воздух забирался из лабораторного помещения, температура и относительная влажность в котором были 15 С и 80...85 % соответственно.
Перед началом дублирования каждого опыта в бак установки заливали свежую порцию предварительно обводнённого топлива. Начальное содержание воды в топливе составляло 0,56 % по объёму, количество заливаемого топлива -40 л (1/3 от емкости бака установки). Топливо обводняли паром в отдельной ёмкости при помощи парообразоателя, изготовленного на кафедре «Ремонт машин» Пензенской ГСХА.
Эксперимент проводили при расходах вентилируемого воздуха 0; 45 и 90 м3/ч, при температурах топлива и вентилируемого воздуха 15 и 40 С, без колебаний топливного бака и с его колебаниями. Каждый опыт дублировали с трёхкратной повторностью. Отбор проб на анализ проводили через каждые 2 ч. по ГОСТ 2517-85.
Содержание воды в топливе определяли по ГОСТ 2477 - 65, меньшее — по ГОСТ 14870 - 77 (методом Фишера). Параллельно также определялся фракционный состав топлива по ГОСТ 2177 - 99, преследующий цель оценки изменения качества топлива вследствие частичного испарения его лёгких фракции.
Результаты лабораторных исследований предложенного способа
Производственная апробация способа проводилась в виде сравнительных наблюдений: трактор Т - 25А эксплуатировался в течение года на животноводческом комплексе сначала без способа, затем с предложенным нами способом. Во время наблюдений соблюдались все технические условия эксплуатации.
Отбор проб топлива на анализ осуществлялся по ГОСТ 2517 - 85, содержание воды в нём определялось по ГОСТ 2477 - 65 и ГОСТ 14870 - 77 (методом Фишера), содержание механических примесей - по ГОСТ 6370 - 83.
Оценка влияния обводнённого топлива на техническое состояние плунжерных пар была установлена регрессионным анализом результатов полного многофакторного эксперимента типа 22, основными факторами варьирования, в котором, выступали следующие независимые переменные: Xi - содержание воды в топливе, %; Хг - содержание механических примесей в топливе, %. Матрица планирования эксперимента представлена в таблице 6.
Исследования проводились в лабораторных условиях на стенде для регулировки топливной аппаратуры СДТА - 1, в систему топливоподачи которого были внесены некоторые изменения. Топливо из верхнего (расходного) бака стенда, минуя фильтры очистки, поступало в подкачивающий насос ТНВД и затем в его головку. Избыточное топливо из головки ТНВД сливалось по трубопроводу непосредственно в верхний бак. Туда же стекало топливо, подаваемое ТНВД через форсунки.
Для поддержания оптимальной температуры топлива в головке ТНВД - в пределах 30 - 40 С [1], в систему топливоподачи низкого давления включён змеевик, который опущен в ёмкость термостата ТС - 24, где топливо подогревалось водой.
Перед началом работы стенда топливо перемешивалось в отдельной ёмкости с загрязнениями (водой, абразивом), а затем заливалось в бак стенда, по еле завершения - сливалось. Работа стенда была циклической по 8 - 10 часов в день с перерывами на ночь.
Такая сокращённая циркуляция топлива, по сравнению с существующей на стенде, за счёт малого объёма циркулируемого топлива (5-7 л.) и большой производительности подкачивающего насоса ТНВД, позволяла поддерживать равномерной концентрацию содержащихся в топливе загрязнений.
В исследовании были использованы 64 новые плунжерные пары 4УТНМ - 1111410-01 СБ производства АО «Курскагромаш». Гарантийный срок эксплуатации которых 12 месяцев, гарантийная наработка 3000 мого - ч при соблюдении правил эксплуатации. Техническое состояние плунжерных пар оценивали по их гидравлической плотности, которую определяли на приборе КП -1640 А (КИ-759).
Перед началом испытаний они предварительно были разбиты на две группы плотности по её начальному значению: большую - свыше 40 секунд, и малую: 15-40 секунд. При испытаниях в четыре насосные секции насоса устанавливались плунжерные пары одной группы плотности, но с условием, чтобы между ними была разница не более ± 5 секунд.
Это было сделано для того, чтобы пары с разными начальными значениями плотности, а следовательно, и с равными начальными зазорами, в равной степени смогли принимать участие во всех четырёх опытах эксперимента с различными уровнями факторов. В каждом из четырёх опытов эксперимента участвовало 16 новых плунжерных пар: 8 первой и 8 второй группы плотности.
В исследованиях нами использовался ТНВД типа УТН-5-1100150, данная модификация которого устанавливается на дизеле Д-37М трактора Т-40А. Насос имеет следующие технические характеристики: номинальная частота вращения коленчатого вала дизеля 1600 мин"1; номинальные обороты кулачкового вала насоса 800 мин"1; номинальная часовая подача топлива 8,9 - 9,2 кг/ч; цикловая подача 54,5 - 56,3 мм3/цикл; подача одной секцией 43,6 - 45,1 см3/мин.
