Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблемы, цель и задачи исследования 9
1.1 Потеря работоспособности сельскохозяйственной техникой в нерабочий период .9
1.2 Характеристика процессов коррозионного разрушения металлов узлов и деталей сельскохозяйственных машин .18
1.3 Характеристика процессов разрушения полимерных материалов узлов и деталей сельскохозяйственных машин 25
1.4 Анализ существующих технологий и способов хранения сельскохозяйственных машин 29
1.5 Цель и задачи исследований .34
ГЛАВА 2 Теоретические исследования способа хранения сельскохозяйственной техники под защитным тепловым экраном 36
2.1 Обоснование конструктивно- технологической схемы защитного теплового экрана 36
2.2 Тепловой баланс сельскохозяйственной машины установленной на хранение .39
2.3 Обоснование теплоизолирующего материала защитного теплового экран..52
Выводы .56
ГЛАВА 3 Программа и методики экспериментальных исследований 58
3.1 Программа экспериментальных исследований 58
3.2 Методика лабораторных исследований 59
3.3 Методика исследования угла наклона скатов защитного теплового экрана 66
3.4 Методика исследований в производственных условиях .68
ГЛАВА 4 Результаты экспериментальных исследований .80
4.1 Результаты лабораторных исследований влияния параметров защитного теплового экрана на теплофизические характеристики образца 80
4.2 Результаты исследования влияния угла наклона скатов защитного теплового экрана на сход капель воды 87
4.3 Результаты исследования условий хранения сельскохозяйственных машин под защитным тепловым экраном 88
4.4 Результаты исследования эффективности способов хранения сельскохозяйственных машин 96
4.5 Исследование эффективности применения защитного теплового экрана для хранения сельскохозяйственной техники .104
Выводы .106
ГЛАВА 5 Экономическая эффективность внедрения разработанного защитного теплового экрана для хранения сельскохозяйственной техники 109
Выводы .112
Заключение 113
Список литературы
- Характеристика процессов коррозионного разрушения металлов узлов и деталей сельскохозяйственных машин
- Тепловой баланс сельскохозяйственной машины установленной на хранение
- Методика исследования угла наклона скатов защитного теплового экрана
- Результаты исследования эффективности способов хранения сельскохозяйственных машин
Характеристика процессов коррозионного разрушения металлов узлов и деталей сельскохозяйственных машин
Важную роль в сохранности сельскохозяйственной техники играет влияние на нее окружающей среды. Н. Д. Томашовым и Г. К. Берукштисом предложена математическая модель скорости коррозии металла от климатических параметров, которая определяется формулой [57, 102]: КА = КД + КВ + КС, (1.1) где КА — коррозионная активность атмосферы или средняя скорость коррозии металла за год; КД — сумма коррозионных эффектов за период выпадения атмосферных осадков на поверхность металла; КВ — сумма коррозионных эффектов за период испарения влаги на поверхности металла; КС — сумма коррозионных эффектов за период нахождения металла в воздушно сухой атмосфере или под покровом снега или ледяной корки (при минусовой температуре). Проведённые исследования [102] позволили утверждать, что суммы коррозионных эффектов КВ и КС определяются температурой и относительной влажностью и скоростью ветра. Скорость коррозии металла существенно различается в воздушно- сухой атмосфере и при образовании плёнок влаги на поверхности металла. Влияние климатических факторов на надежность машин обусловлено комплексным воздействием.
Основные виды коррозионных разрушений приведены в таблице 1.2. Наиболее распространённый вид коррозии металлов – атмосферная коррозия, скорость которой зависит от большого числа факторов: температуры и влажности окружающего воздуха, количества и продолжительности атмосферных осадков, наличия агрессивных примесей [19]. Способ хранения должен обеспечивать защиту от климатических факторов окружающей среды.
Защита сельскохозяйственной техники от коррозии способствует долговечности ее работы. Убытки от коррозии сельскохозяйственных машин исчисляются значительными суммами, и включают в себя прямые расходы на ремонт, и косвенные потери - от простоев машин во время ремонта, а также снижение эксплуатационных показателей.
Потери металла от атмосферной коррозии составляет более 80% от всех видов коррозионных потерь [84]. Существуют три основных вида атмосферной коррозии деталей сельскохозяйственных машин по толщине пленки влаги: сухая, влажная, мокрая [16].
Сухая атмосферная коррозия наблюдается при относительной влажности до 60%, механизм коррозии разрушения - химический. Вначале в течение 2-3 часов образуется оксидная пленка, затем процесс коррозии сильно замедляется [84].
Для влажной атмосферной коррозии характерно наличие тонкой пленки влаги от 0,1 до 1 мкм. Влажная атмосферная коррозия происходит при конденсации тонких пленок воды на поверхности металла. При этом с одной стороны включаются электрохимические механизмы коррозии, образуются ионы металлов, гидроксильные группы ОН, с другой стороны, благодаря небольшой толщине пленок, обеспечивается доступ атмосферных газов и в частности кислорода. Это способствует высокой скорости коррозии в течение длительного промежутка времени, до тех пор, пока влага не испарится из капилляров образовавшейся оксидной пленки [84,88].
Мокрая атмосферная коррозия происходит при образовании на поверхности металла пленки воды толщиной более 1 мм, когда хорошо видны отдельные капли, или при атмосферных осадках. Вследствие большой толщины пленки воды, доступ кислорода к металлу ограничен, однако, образование электролита в виде воды с растворенными в ней ионами создают благоприятные условия для электрохимической коррозии. Мокрая атмосферная коррозия не является главной, основное действие на коррозию сельскохозяйственных машин оказывает влажная коррозия, которая и приводит к потере техники.
Тепловой баланс сельскохозяйственной машины установленной на хранение
Таким образом, тепловой поток, проходящий через тепловой экран, будет снижаться пропорционально количеству слоев, их толщине и обратно пропорционально их теплопроводности.
Процесс переноса теплоты от защитного теплового экрана к находящейся под ним сельскохозяйственной техники может быть осуществлен тремя способами: конвекцией, теплопроводностью в воздухе и тепловым излучением. Конвекция в прослойке воздуха между сельскохозяйственной техникой и защитным тепловым экраном возможна при значительной разнице температур или воздушном потоке более 3 м/с. Так как защитный тепловой экран герметичен сверху, то воздушный поток за счет разницы температур под экраном и над ним не возникает. При этом повышение температуры под защитным тепловым экраном приводит к снижению относительной влажности и препятствует образованию конденсата [105].
Теплопроводность в воздухе характеризуется законом Фурье и представляет собой количество теплоты, проходящее через изотермическую поверхность, которое называется тепловым потоком [111]. Учитывая небольшие величины теплопроводности воздуха и градиента температур под чехлом величина теплового потока будет существенно уменьшаться с увеличением прослойки между защитным тепловым экраном и сельскохозяйственной техникой. Таким образом, преобладающим процессом переноса теплоты будет тепловое излучение. При температурах не более 4000К преобладает инфракрасное излучение (с длиной волны около 10 мкм) [110].
При анализе теплообмена посредством инфракрасного излучения тела находящегося под оболочкой следует учитывать расстояние между ними; оно таково, что луч, исходящий от одного тела, обязательно попадает на другое, а величины каждой из поверхностей значительны. При этом потерями энергии можно пренебречь. Следует отметить, что поглощение лучистой энергии воздуха при температуре около 300 К и длине волны 10 мкм незначительно [35].
Тепловой поток, между окружающей средой и сельскохозяйственной машиной под защитным тепловым экраном при лучисто-конвективном теплообмене, определяется уравнением:
Анализируя зависимость (2.20), можно заметить, что в значительной степени лучистый тепловой поток будет зависеть от степени черноты тел пр, который характеризует приведенный коэффициент излучения. Также существенное значение имеет разница температур между объектом хранения и защитным тепловым экраном, а также расстояние между защитным тепловым экраном и объектом хранения. Разница температур между защитным тепловым экраном и объектом невелика и обычно не превышает 5…8С. Поэтому расстояние между защитным тепловым экраном и объектом хранения - тепловой зазор - будет оказывать существенное влияние. Кроме того, величина теплового зазора будет определять площадь защитного теплового экрана, так как площадь и размеры объекта хранения сельскохозяйственной машины известны.
Рассмотрим тепловой баланс сельскохозяйственной машины, находящейся под защитным тепловым экраном. C учетом ослабления теплового потока от окружающей среды с помощью теплового экрана изменение теплового состояния сельскохозяйственной машины будет:
Выражение (2.24) будет характеризовать тепловой режим сельскохозяйственных машин при хранении под защитным тепловым экраном. Оно показывает изменение теплового состояния сельскохозяйственной машины под защитным тепловым экраном в результате действия лучисто-конвективного теплообмена за время t , с учетом параметров экрана: теплопроводности, отражающей способности (степени черноты) и толщины теплоизолирующего материала, а также степени укрытия сельскохозяйственной машины тепловым экраном. Задавшись параметрами защитного теплового экрана, оценим скорость изменения температуры сельскохозяйственной машины под экраном. График изменения температуры сельскохозяйственной машины под защитным
тепловым экраном от времени нагрева в зависимости от степени укрытия V рассчитан с помощью программы MathCad 14 и приведен на рисунке 2.4.
Анализ зависимости показывает, что на коротком промежутке времени изменение температуры носит линейный характер. Величина промежутка времени связана с испытанием теплового состояния образца в климат-камере. Установлено, что на скорость изменения температуры влияет степень укрытия машины тепловым экраном, характеризуемая величиной зазора между нижним краем экрана и площадкой. Влияние теплового зазора на скорость изменения теплового состояния трудно описать из-за наличия конвективных потоков, поэтому окончательно изменение теплового состояния будем исследовать в климатической камере.
График изменения температуры сельскохозяйственной машины под защитным тепловым экраном от времени нагрева в зависимости от степени укрытия . В результате анализа условий хранения сельскохозяйственной техники было установлено, что конденсация влаги на поверхности машины происходит в вечерние, ночные и утренние часы. Машина, как более плотное тело, отдает тепловую энергию в окружающую среду за счет лучисто-конвективного теплообмена, а воздух существенно меньше отдает тепловую энергию. Понижение температуры машины при преобладании лучистого теплообмена, в сравнении с воздухом, может привести к выпадению конденсата на поверхности машины. Защитный тепловой экран будет снижать лучисто-конвективный теплообмен машины с окружающей средой. Он будет препятствовать конвективному теплообмену и частично отражать поток лучистой энергии от машины в окружающую среду и наоборот.
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы: - скорость изменения теплового состояния машины установленной под защитным тепловым экраном зависит от величины воздушной прослойки между экраном и поверхностью машины, а также она будет зависеть от теплоизолирующих свойств материала, из которого этот экран будет изготовлен; - при проведении дальнейших исследований необходимо, теоретически обосновать выбор материала для изготовления экрана, обладающий высокими теплоотражающими свойствами и низкой теплопроводностью, а также экспериментально оценить значимость таких факторов, как толщина воздушной прослойки, разница температур над и под экраном, скорость ветра, влияющих на изменение теплового состояния сельскохозяйственной машины, установленной на длительное хранение под защитным тепловым экраном.
Методика исследования угла наклона скатов защитного теплового экрана
Для экспериментальных исследований была изготовлена установка (рисунок 3.5), включающая в себя парообразователь Samsung- 3500, металлическая рама, на которой устанавливалась панель с закрепленным на ней материалом «ИЗОКОМ ППИ – ПФ2». Угол наклона панели измерялся с помощью транспортира. Для получения достоверных результатов установка выставлялась с помощью уровня, на горизонтальной поверхности.
Эксперименты проводились в трехкратной повторности. Для получения сопоставимых результатов парообразующее сопло находилось снизу, так чтобы пар поднимался вертикально. Подачу пара продолжали до образования отдельных капель, при различных углах наклона панели с закрепленным материалом. - рама установки; 2 – транспортир; 3 – панель с закрепленным материалом «ИЗОКОМ ППИ – ПФ2»; 4 – парообразователь; 5 – парообразующее сопло; 6 – бумажная салфетка.
Экспериментальная установка исследования влияния углов установки защитного теплового экрана на сход капель воды. Для определения падения капель с панели использовались бумажные салфетки. Разрезанные на прямоугольники бумажные салфетки предварительно взвешивались, а потом располагались под панелью с испытуемым материалом «ИЗОКОМ ППИ – ПФ2», таким образом, чтобы все падающие капли попадали на салфетки. Визуальное наблюдение за процессом движения капель и определение каплепадения путем взвешивания салфеток позволило более точно определить допустимый угол установки панели защитного теплового экрана.
В качестве достаточного угла наклона, был определен угол, при котором капли конденсата влаги, образовавшиеся на внутренней стороне защитного теплового экрана, не срывались вниз под действие силы тяжести и не попадали на поверхность машины, а скатывались по поверхности теплового экрана на землю. Для эксперимента были выбраны углы наклона панелей теплового экрана 90,110,130.
Методика исследований в производственных условиях В задачи исследований в производственных условиях входило: 1. Исследовать климатические условия Рязанской области, влияющие на сохранность сельскохозяйственных машин при различных способах хранения. 2. Определить показатели сохранности сельскохозяйственных машин при различных способах хранения. 3. Оценить эффективность различных способов хранения с учётом работ связанных с хранением и эксплуатационных показателей сельскохозяйственных машин.
Исследование проводилось в малых и фермерских хозяйствах Старожиловского и Михайловского районов Рязанской области.
Исследовались три наиболее распространенных и один предлагаемый способ хранения: - хранение в закрытых не отапливаемых помещениях; - хранение под навесом; - хранение на открытых оборудованных площадках; - хранение под защитным тепловым экраном.
Характеристика оборудованных мест хранения машин приведена в таблице 3.2. В качестве объектов исследования были выбраны зерноуборочные комбайны Дон- 1500Б и зерновые сеялки СЗУ-3,6.
Способы хранения Площадь хранения, м2 Удельнаясебестоимостьхранения,руб./м2. Характеристика мест хранения Закрытое хранение (ангар) 753 714780 Кирпичные стены, шиферная крыша, деревянные ворота, помещение высотой 6 метров. Открытая площадка 15000 7720 Асфальтобетонное покрытие Навес 424 234715 Металлический профиль, крыша из оцинкованного железа. Защитный тепловой экран 15000 17520 Покрытие асфальтобетонная смесьТепловой экран – металлический каркас (профиль КНАУФ по ГОСТ 14918-80), покрытие « ИЗОКОМ ППИ – ПФ 2» по ГОСТ Р3499-79,степень укрытия соответствующая величине зазора между площадкой и нижним краем защитного теплового экрана 0,31 м; толщина воздушной прослойки 0,20 м а)
В ходе испытаний одновременно исследовалось влияние исследуемых способов хранения на потери основного металла и старения лакокрасочного покрытия образцов закреплённых на сельскохозяйственных машинах. Наблюдение осуществлялось за сельскохозяйственными машинами, которые были разделены на 4 группы (для каждой испытуемой технологии), эксплуатация и хранение которых проходило в одинаковых условиях в течение 3-х лет [78]. Для изучения влияния климатических условий на сохранность сельскохозяйственных машин при различных способах хранения, в производственных условиях исследовали следующие параметры [78]:
Измерения проводились цифровой метеостанцией Davis 6250EUVantageVue (рисунок 3.7). Данное устройство позволяет нам фиксировать измерение влажности, характеристику ветра и скорость, сохранение температурных значений в течение нескольких дней и месяцев, определение температуры точки росы, измерение температуры охлаждения ветром. Технические данные приведены в приложении В.
Результаты исследования эффективности способов хранения сельскохозяйственных машин
Предварительные исследования процесса конденсации пара на панели теплового экрана показали, что образование конденсата возможно только при влажности близкой к 100%, поэтому исследования проводились в помещение, где возможно создать определенный микроклимат. Результаты проведенных экспериментов приведены в таблице 4.1.
Анализируя результаты проведенных исследований, видно, что начиная с угла 110, обеспечивается надежный сход капель по плоской поверхности панели защитного теплового экрана, падение капель в этом случае не происходило. Таким образом, установка панели защитного теплового экрана под углом более 110 позволит исключить падение капель с внутренних поверхностей защитного теплового экрана на объект хранения – сельскохозяйственную машину. При монтаже защитного теплового экрана учитывалась возможность образования складок, провисание материала, криволинейность поверхностей, что может способствовать задержки капель, поэтому с целью компенсации не прямолинейности форм защитного теплового экрана углы каркасных конструкций следует устанавливать с углами к горизонту не менее 150.
Результаты исследования условий хранения сельскохозяйственных машин под защитным тепловым экраном Исследования в производственных условиях позволили установить эффективность применения защитного теплового экрана для хранения сельскохозяйственных машин. В результате сравнительного анализа различных способов хранения в условиях малых и фермерских хозяйств с учётом факторов климатического воздействия были установлены показатели эффективности хранения сельскохозяйственных машин. Показатели изменчивости климата в Рязанской области представлены в таблице 4.2.
Анализ климатических факторов показывает, что показатели: температура, влажность воздуха, количество осадков наиболее часто меняются в весенне-летний период. Большие перепады температуры при высокой влажности создают условия для выпадения конденсата, так как разница температур машины и окружающего воздуха соответствует точке росы. Таблица 4.2- Показатели изменчивости климата в Рязанской области за 2008 - 2012 год сельскохозяйственных машин, можно отметить, что их максимальное количество приходится на октябрь и апрель. Наиболее значимым климатическим фактором, влияющим на процесс коррозии, является образование на поверхности водяной плёнки в результате выпадения атмосферных осадков в виде росы, дождя и снега.
На рисунке 4.5 приведены полученные в ходе исследований месячные значения количества, выпавших на поверхность сельскохозяйственных машин атмосферных осадков, с учётом способа хранения и времени года.
Рисунок 4.5 – Общее количество влаги на поверхности сельскохозяйственной машины.
Анализ рисунка 4.5 показывает, что максимум атмосферных осадков приходится на октябрь и апрель. При этом способ хранения сельскохозяйственных машин так же существенно влияет на количество влаги находящейся на поверхности машины. Наличие влаги на поверхности машины при открытом хранении обуславливается совместным влиянием атмосферных осадков и конденсата. Следует отметить, что даже при закрытом хранении и хранении под защитным тепловым экраном возможно образование плёнок влаги при резких колебаниях температуры. Образование конденсата так же возможно при разгерметизации закрытых объектов. Наибольшая вероятность конденсации влаги наблюдается в весенне-летний период. Сельскохозяйственная машина, обладая более низкой температурой, нагревается тёплым атмосферным воздухом, попадающим в помещение. Для предотвращения конденсации влаги поступающего воздуха необходимо чтобы температура машины была выше точки росы, то есть предварительный нагрев машины перед разгерметизацией или ограничение поступления воздуха (постепенный нагрев) позволит избежать конденсации влаги.
Частота образования конденсата на поверхности машины. Для уточнения условий выпадения влаги на поверхности машины, были проведены исследования, в ходе которых были установлены характеристики процессов конденсации для различных способов хранения машин. Полученные характеристики конденсации: частота образования конденсата и суммарное время наличия конденсата на поверхности машины представлены на рисунках 4.6 и 4.7. Изменение сезонных погодных условий и солнечной активности способствует возникновению колебаний температур, что характеризует динамику образования конденсата на поверхности машин. Наибольшая частота и время нахождения конденсата на машине соответствует весенне-летнему периоду. Даже при закрытом хранении, когда в весенний период производят ремонт техники, наблюдается высокая частота выпадения конденсата из-за разгерметизации (открытие ворот).
Защитный тепловой экран позволяет избежать выпадения конденсата, благодаря зазору между площадкой и его нижним краем, тем самым обеспечивая постепенный нагрев машины без резких перепадов.
Хранение под навесом и на открытой площадке показывает наибольшую частоту и время нахождения влаги на машине, так как в ночные и утренние часы машина интенсивно излучает тепло в окружающую среду, в результате чего она охлаждается ниже точки росы. Следует отметить, что при хранении под навесом, тепловое излучение частично отражается навесом и возвращается к машине, вследствие чего конденсат выпадает не на всех поверхностях машины, а в некоторых случаях вообще не выпадает.
