Содержание к диссертации
Введение
Глава 1.Состояние вопроса и задачи исследования. 10
1.1. Общие сведения о загрязнениях сельскохозяйственной техники, их характеристика 10
1.2 Анализ технологий очистки сельскохозяйственной техники 13
1.2.1 Физико-химические технологии очистки. 15
1.2.2 Механические технологии очистки 19
1.3 Анализ применяемых конструкций и средств механизации для очистки машин 23
1.4 Анализ применяемых конструкций насадок 35
1.5 Постановка научной проблемы цель и задачи работы, алгоритм исследования. 45
Глава 2. Теоретические исследования. 48
2.1 Увеличение производительности очистки. 48
2.2 Теоретические исследования стабилизации кавитационных процессов в струе моющей жидкости .51
2.3 Общие выводы по теоретическому анализу 72
Глава 3. Методики проведения экспериментальных исследований . 73
3.1 Методика лабораторных исследований 73
3.2 Методика натурных испытаний . 89
Глава4. Результаты исследования 98
4.1 Результаты лабораторных исследований 98
4.2 Результаты натурных испытаний . 117
4.3 Экономическая эффективность 128
4.4 Выводы. 130
Общие выводы и рекомендации, 132
Список используемой литературы 134
Приложения 144
- Анализ применяемых конструкций и средств механизации для очистки машин
- Теоретические исследования стабилизации кавитационных процессов в струе моющей жидкости
- Методика натурных испытаний
- Результаты натурных испытаний
Введение к работе
Актуальность темы. Эксплуатация сельскохозяйственных машин происходит в сложных условиях, в процессе чего наружные поверхности интенсивно подвергаются загрязнениям практически всех видов, пыль, дорожная грязь, растительные остатки, ядохимикаты, продукты коррозии, остатки эксплуатационных жидкостей, а также продукты химических реакций. Удаление этих загрязнений - важный технологический процесс, оказывающий большое влияние на сохранность техники, производительность работ, качество ремонта и обслуживания машин, культуру труда нездоровье человека.
Большое разнообразие загрязнений приводит к различию их физических и химических свойств, что затрудняет процесс очистки.
Применение химических веществ и технологий очистки связано со значительными затратами на приобретение или составление моющих растворов, негативным влиянием на окружающую среду. Повышение эффективности механических технологий достигается за счет увеличения мощности моечных установок вследствие большей энергоемкости.
Проблема качественной очистки, необходимой для поддержания эксплуатационной надежности, сельскохозяйственных машин ведет к поиску новых путей и решений, исследованию, совершенствованию и разработке новых способов и средств механизации, направленных на снижение материальных и трудовых затрат, повышение производительности при обеспечении экологической безопасности процесса.
Цель исследований. Повышение эффективности процесса очистки сельскохозяйственных машин путем разработки технологии и моечной установки акустико-кавитационного действия с определением режимов ее работы, обеспечивающих снижение затрат энергии и повышение производительности процесса очистки.
Объект исследования. Процесс наружной очистки
сельскохозяйственной техники от эксплуатационных и технологических
РОС НАЦИОНАЛЬНА»і
БИБЛИОТЕКА |
загрязнений кавитационными струями и средствами механизации для их образования.
Методика исследований. Достижение поставленной цели осуществлялось путем теоретического и экспериментального исследования.
Теоретическое исследование заключалось в получении зависимостей позволяющих установить оптимальные конструктивные и технологические параметры акустико-кавитационной установки для мойки машин.
Экспериментальные исследования выполнены на специально изготовленных установках с использованием стандартных и частных методик с применением методов планирования эксперимента. Обработка результатов полученных экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики с использованием ЭВМ
Научная новизна. Предложен акустико-кавитационный способ очистки наружных поверхностей сельскохозяйственной техники обеспечивающий увеличение производительности процесса и снижение энергетических затрат. Для реализации данного способа разработана конструкция устройства обеспечивающего акустико-кавитационное воздействие на загрязненные поверхности сельскохозяйственных машин.
Новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена свидетельством на полезную модель № 26498 «Устройство для очистки транспортных средств».
Практическая ценность и реализация работы. Разработана промышленная моечная установка, позволяющая осуществлять акустико-кавитационную очистку наружных поверхностей от загрязнений всех видов. Опытный образец моечной установки испытан в производственных условиях и предложена технология его применения обеспечивающая повышение производительности и качества процесса очистки.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях Рязанской сельскохозяйственной академии (2001-2004) и Санкт-Петербургского агроуниверситета (2003 г.).
Публикации, По основным положениям диссертации опубликовано 6 печатных работ и 2 свидетельства на полезную модель.
Защищаемые положения.
Конструктивно - технологическая схема устройства для очистки наружных поверхностей сельскохозяйственной техники, параметры и режимы его работы;
Теоретическое обоснование и экспериментально установленная зависимость параметров установки для акустико-кавитационнои очистки наружных поверхностей сельскохозяйственной техники.
Технология акустико-кавитационнои очистки наружных поверхностей за счет использование ультразвука.
Результаты исследований и испытаний разработанного способа в лабораторных и натурных испытаниях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, рекомендаций, списка использованной литературы (143 наименований) и приложений. Работа изложена на 137 страницах основного машинописного текста, содержит 53 рисунка, 12 таблиц, 18 страниц приложений.
Анализ применяемых конструкций и средств механизации для очистки машин
Струйные моечные установки в основном предназначены для мойки гру зовых автомобилей и другой мобильной техники [ 88, 133 ]. Рабочим органом струйной моечной установки являются насадки в виде сопел (форсунок), вмон тированных в систему неподвижных или подвижных трубопроводов - коллек торов, по которым к соплам подводится вода или моющий раствор. Моечные проездные установки характеризуются тем, что обрабатываемая машшт перемещается с помощью конвейера пли своим ходом через моечную установку. При этом элементы струйного устройства сопла, через которые на обмываемые поверхности подается вода (моющая жидкость), совершают колебательные или круговые движения. Стационарные моечные установки выполняются как в виде портальной рамы, так и в виде отдельных стоек, стационарно укрепленных на фундаменте моечного поста и несущих рабочие органы (коллекторы с соплами -или щетка ми) и вентиляторы для обдува (сушки) автомашин после мойки. Передвижные моечные установки представляют собой самоходное шасси автомобиля, на котором монтируются рабочие органы (коллекторы с соплами). Они находят применение для мойки грузовых автомобилей и автобусов, работа которых осуществляется в отрыве от основной базы (при работе автомобилей в период уборочной компании). Струйные установки низкого давления, для процессов наружной очистки загрязненных поверхностей техники, в настоящее время практически не выпус каются и не используются, так как они неэффективны, их применение связано с низкой производительностью и низким, недостаточным, качеством очистки.
Подавляющее большинство предлагаемых на рынке установок — это аппараты среднего и высокого давлений, которые универсальны и широко используются в промышленных н бытовых целях. Характерным представителем водоструйных машин, применяемых в небольших хозяйствах, га моделей отечественного производства, являются модель 1110 (рисунок 1.9). Она представляет собой стащгонарную установку состоящую щ вихревого насоса, установленного на раме и силового агрегата, мощностью 2.2 кВт. Установка 1110 позволяет удалять все виды загрязнений па стационарных площадках и оборудованных постах мойки, обеспечивая два режима очистки -веерообразный и кинжальный.
Для удаления загрязнеїшй, с наружных поверхностей сельскохозяйственной и другой техники в полевых условиях, отечественной промышленностью выпускается передвижная моечная машина 1112 (рисунок 1.10), которая способна производить забор ID естественных водоемов. Включает в себя вихревой насос, установленный на передвижной тележке и силовой агрегат мощностью 7 кВт. Очистка прогаводится при помощи моечного пистолета, который работает также в двух режимах очистки - кинжальный и веерообразный. Кинжальный режим очистки предназначен для удаления сильносвязных загрязнений, веерообразный режим для смачивания или удаления слабосвязных загрязнений. Моечная установка снабжена двумя нагнетательными шлангами, которые позволяют производить очистку сразу двум операторам.
Более современной водоструйной моечной установкой является шланговая передвижная установка модели М125 (рисунок 1.11). Она предназначена для мойки техники всех типов, цехов промышленных и сельскохозяйственных предприятий, оборудования. Конструкция Ml25 включает: плунжерный насос, электродвигатель, передвижную тележку на колесах, специальный барабан для крепления шлангов и моечный пистолет. Вода от насоса, вращаемого электродвигателем, по шлангу поступает к моечному пистолету под высоким давлением, далее формируется и выбрасывается на объект загрязнения;
По такому же принципу работают установки 149 (В5С - 1500), модель 149-1 (ВЗС-1500). Отличительной особенностью модели М125 от 1112 является наличие баков для моющих растворов. К недостаткам отечественных моделей можно отнести сравнительно большую материалоемкость, скромные технические показатели ( таблица 1.1) по сравнения с зарубежными аналогами. Более широкую гамму моечных установок высокого давления представляют зарубежные фирмы, (таблица 1.2) Одной из лидирующих компаний по производству моечного оборудования является фирма «КЕРХЕР». Зарубежные фирмы предлагают широкий выбор моечных аппаратов высокого давления. По сравнению с нашими аналогами зарубежные образцы более компактные и более легкие, превосходящие по техническим показателям за счет применения современных материалов и технологий. Указанные в таблицах 1.1 и 1.2 установки работают от сети 220 В /50 Гц, максимальная температура воды на входе должна быть не более 60 С. Установки высокого давления производятся различными фирмами в разных странах, однако большинство установок имеют схожие технические характеристики (таблица 1.3 ) Большинство передвижных установок высокого давления имеют передвижную тележку, на которой размещены двигатель, насос высокого давления, передаточная муфта или редуктор. К установкам прилагается шланг высокого давления и гидромонитор, устройство для направления сформированной в сопле струи к очищаемому объекту.
Стационарные моечные установки высокого обладают схожими техническими характеристиками с передвижными, могут закрепляться на горизонтальных и вертикальных поверхностях. Все установки высокого давления частично или полностью покрыты защитными кожухами препятствующими попаданию воды на поверхность составляющих ее агрегатов в процессе очистки.
Теоретические исследования стабилизации кавитационных процессов в струе моющей жидкости
Натурные испытания проводились с целью практического подтверждения теоретіпіескіїх обоснований и лабораторных исследований процесса очистки наружных поверхностен сельскохозяйственной техники, определение эксплуатационных показателей установки акустико-кавитащюнного действия, сравнительные испытания предлагаемой технологии с существующими, определение эксплуатационных характеристик предлагаемой установки.
В задачи испытаний входило: 1. Определение эксплуатационных характеристик конструкции акустико кавитационной установки для наружной очистки поверхностей сельскохозяй ственной техники. 2. Выявление эффективных технологических параметров мойки предлагаемой установки. 3. Разработка технологии наружной очистки сельскохозяйственной техники. 4. Статистическая обработка данных полученных в процессе проведения испытаний наружной очистки сельскохозяйственной техники. 5. Обработка полученных показателей технологий очистки различных видов сельскохозяйственных машин при проведении сравнительных испытаний с использованием различных моечных установок. Испытания проводились в ОАО «Старожилово агроснаб.» Старожилов-ского района Рязанской области. Конструкция устройства позволяет работать в двух режимах — струйный и акустико-кавитационный. Струйный режим очистки наружных поверхностей хорошо изучен, поэтому наибольшее внимание уделялось акустико-кавитационному режиму очистки, выявлению параметров при которых качество и эффективность очистки будут максимальными. Использование акустико-кавитациошюго режима осуществлялось на различном удалении от объекта очистки. Интервал удалений находился в пределах 0.,.900-мм. Расстояние до объекта очистки фиксировалось с помощью линейки закрепленной при помощи хомутов на гидромониторе. В качестве рабочей жидкости использовалась водопроводная вода температура которой находилась в пределах 18-20 С. В качестве объектов исследований были взяты широко применяемые в сельскохозяйствеїшом производстве картофелеуборочный комбайн КПК2-0І, гусеничный трактор ДТ-75 и колесный трактор МТЗ-80. Выбранная сельскохозяйственная техника состоит из большого количества узлов и агрегатов, типичных для большинства сельскохозяйственных машин и на их поверхности встречаются все виды загрязнений, характерные для сельского хозяйства. Для получения информации с достоверной вероятностью 0,9 при коэффициенте вариации 0,1 и относительной ошибке 0,1 испытание проводилось на трех единицах каждой марки сельскохозяйственной техники. При проведеіши исследований использовались современные измерительные приборы и оборудование, прошедшие в установленном порядке государственную проверку и необходимую в процессе эксперимента тарировку. Для выявления эффективных технологических параметров мойки сель скохозяйственной техники и определения эксплуатационных характеристик моечной машины фиксировались следующие значения: - время мойки; - расход моющей жидкости; - затраты электроэнергии; - качество очищенной поверхности. Бремя моечной операции и всего технологического цикла очистки сельскохозяйственных машин фиксировалось секундомером. За этот период времени определялся расход моющей жидкости по водомеру УВК-32, количество израсходованной электроэнергии по прибору ДП-100. Качество очищенной поверхности оценивалось на эталонных участках поверхности машин с фиксированной площадью, характеристика которых по исследуемым маркам сельскохозяйственных машин приведена в таблице 3.3. Методика оценки качества мойки сводилась к тому, что чистый, сухой тампон первоначально взвешішался, затем им протиралась насухо площадь, ограниченная трафаретной рамкой (целлофан, толщиной 0,4 мм, соответствующий размеру измеряемой поверхности), наложенной на эталонный участок. Далее тампон проходил сушку, для уменьшения в нем влаги, до парамет ров, при которых он находился, в первоначальном состоянии. Для этих целей использовалась сушильная камера с ртутным термометром 4-1966 и гигрометром М-68. Сушка тампона проводилась при температуре 80 С до уменьшения относительной влажности в пределах 40%. После этого обтирочный тампон окончательно взвешивался на электронных весах ВЛКТ-500г-М. По полученным результатам проводилась оценка качества мойки эталонного участка в соответствии с ГОСТ 18206-78, ОСТ-18000-84.
Методика натурных испытаний
На основании полученных экспериментально данных в лабораторных условиях создана конструкция устройства для очистки наружных поверхностей техники, на которое получено авторское свидетельство на полезную модель № (приложение ). Устройство представлено на рисунке 4.7
Устройство состоит из корпуса 1, на переднем торце которого установлен конусный насадок II. В корпусе установлен золотник 2, выполненный с продольными каналами 17 и снабженный полым конусом 12 на переднем торце и конусным стержнем 13 с закрепленной на нем втулкой-резонатором 14. Корпус 1 неподвижно закреплен на рукоятке 5, внутри которой проходит подводящий канал 4 с присоединительным штуцером 6 и двумя каналами 10 для выбора различных режимов очистки. На рукоятке устройства закреплен посредством оси 3 нажимной рычаг 7, кинематически связанный через шток 8 с золотником 2 и служащий для перехода устройства в акустико-кавитационный или струйный режим.
Устройство работает следующим образом. Жидкость к устройству подается насосом высокого давления через подводящий шланг, прикрепляемый к штуцеру 6. При статическом положении нажимного рычага 7, жидкость по подводящему каналу 4, далее через режимный канал Б поступает в переднюю полость 15 откуда, выбрасывается через коїгусньїй насадок 11 наружу, формируясь в виде струи. Устройство работает в струйном режиме очистки.
При нажатии на нажимной рычаг 7 , золотник 2 перемещается вперед, перекрывая канал Би вытесняя жидкость из передней полости 15. Жидкость через канал А поступает в полость 9 , откуда через продольные каналы 17 золотника проходит в полость 16, образованную двумя конусами ( полым 12 и конусом стержня 13) и заканчивающуюся кольцевым каналом. При выходе из кольцевого канала жидкость, сформировавшаяся в виде кольца, попадает на втулку-резонатор 14, в результате чего происходит резонансное возбуждение упругих элементов конструкции втулки 14 (лепестков). При резонансном возбуждении упругих лепестков втулка-резонатор является источником мощного ультразвука. В результате достигается возможность акустико-кавитационного режима воздействия на загрязненные поверхности.
Для определения эффективности очистки при использовании разработанного устройства, проводились испытания для определения зависимости степени очистки от расстояния до очищаемого объекта. При этом проводился сравнительный анализ трех режимов очистки: Струйный режим очистки осуществлялся при использовании формирующего сопла. Давление у насадки (сопла) составляло 3.5 МПа. Кавитационный режим очистки достигался за счет специального гидродинамического сопла, в котором образование кавгггационньїх пузырьков происходит из -за резкого шменения підродпнамического и статического давлений вследствие больших местных скоростей. Давление у гидродинамической навигационной насадки составляло 7,5 МПа. Акустнко-кавитационный режим очистки осуществлялся при использовании экспериментальной установки с акустико-кавитационным соплом. Давление у насадки составляло 5,8 Мпа. Полученные результаты представлены на графике (рисунок 4.8) Из графика видно, что применение струйной формирующей конструкции не позволяет достичь высокого качества очистки. При помощи струйной очистки возможно удаление лишь 60% всех загрязнений, преимущественно это слабосвязные и среднесвязные загрязнения. Моющее действие струн значительно снижается при увеличеіши расстояния до объекта очистки. При удалении струеформирующего сопла от объекта очистки на 40 см на очищаемой поверхности остается более 50% загрязнений. Применение явления кавитации для наружной очистки позволяет значительно повьісіггь качество очищаемой поверхности. При использовании гидродинамической конструкции пленка загрязнений разрушается за счет энергии пщ-родииамических кавитационных пузырьков, которые при слопывании обладают высокой эрозионной активностью. Основная масса гидродинамических кавитационных пузырьков схлопывается на небольшом удалении от гидродинамического кавнтационного сопла. По этому эффективная и достаточная очистка находится в небольшом интервале удалений от очищаемой поверхности. Из графика видно что этот интервал находіггся на удалении 70-100мм. Выдерживать данный интервал при практическом применении гидродинамической кон- струкции представляется затруднительным и требует дополнительных приспособлений. Как показали испытания акустико-кавитационное сопло позволяет расширить диапазон удаления от объекта очистки при сохранении высокого качества очистки по сравнению с гидродинамической и струйной конструкцией. Это связано с различными механизмами кавитационных разрушений. Эффект интенсивного удаления загрязнений с поверхности очищаемого объекта наблюдается при нахождении гидроакустического сопла на расстоянии 0...60 см.( рисунок 4;8). Основным фактором при удалении загрязнений является кавитация: Под действием ультразвукового поля в фазе разрежения ультразвуковой волны в жидкости образуются кавитационные пузырьки двух видов: 1 - пузырьки пульсации которых сопровождаются возникновением интенсивных ударных волн. 2 - крупные пульсирующие пузырьки. Наличие двух видов кавитационных пузырьков предполагает различный механизм разрушения пленок загрязнений. При кавитационной очистке в ультразвуковом поле можно выделить механизмы: Эрозионного разрушения -при пульсациях кавитационных пузырьков первого вида, образуется в результате схлопывания интенсивная ударная волна разрушающая пленку загрязнения за счет проникновения. Отслоения — механизм при котором загрязнения отделяются от объекта очистки за счет пульсаций кавитационных пузырьков второго вида под действием ультразвукового поля. Струйной очистки -механизм деления крупных неустойчивых пузырьков с их последующим схлопыванием в результате которого ударные волны действуют по касательной к загрязнению, оставляя « расчищенные дорожки».
Результаты натурных испытаний
В ходе проведения лабораторных.исследований было установлено что, оптимальными параметрами установки акустико-кавитационного действия, для достижения максимальной степени очистки наружных поверхностей сельскохозяйственных машин , являются ширина кольцевого канала D= 0,09-0,1 мм, расстояние от кольцевого канала до лепестка резонаторной втулки 1=5.65 мм, толщина лепестка втулки d=0.52 мм и давление моющей жидкости Р=5.75 МПа. Также установлено, что максимальная степень очистки акустико-кавитационной установкой и повышение производительности достигается в большем диапазоне удалений сопла от очищаемой поверхности по сравнению с гидродинамическими кавитационными конструкциями, который составляет со-ответственно0,4-0,6 м, при этом степень повреждаемости лакокрасочного покрытия акустико-кавитационной струей при кратковременном воздействии незначительна, при длительном воздействии более 1500 с, она составит 40%, что будет достигнуто за год ежедневной мойки сельскохозяйственной машины.
В ходе сравнения экспериментальной установки акустико-кавитационной очистки наружных поверхностей исследуемых марок сельскохозяйственных машин с другими моечными установками установлено, что экспериментальная установка позволяет сократить трудоемкость процесса на 0,3-0,4 чел/ч по сравнению с установками высокого давления «Oertzen 316 С» и «Керхер HD 650», затраты электроэнергии по сравнению с водо-пескоструйной OERTZEN 200Е снизятся в среднем на 40-50 %, а расход воды в 4-5 раз. При этом время мойки составляет для картофелеуборочного комбайна КПК 2-01—42,5 мин, трактора МТЗ-80 - 30.5 мин, ДТ75 - 32.5 мин.., а годовой экономический эффект от внедрения экспериментальной установки акустико-кавитационного действия составил для трактора МТЗ-80 735 руб. , для картофелеуборочного комбайна КПК2-01 -1123руб., для трактора ДТ-75 - 752руб.
В связи с поставленной целью исследований, на основании полученных теоретических и экспериментальных данных в ходе выполнения поставленных задач можно сделать следующие выводы: 1. Для качественной наружной очистки сельскохозяйственной техники наиболее перспективными являются струйные технологии, связанные с применением явления кавитации, за счет которого возможно значительно повысить механическое воздействие струи на загрязнения при сравнительно небольших энергетических затратах, но они обладают существенными недостатками - нестабильность кавитационных процессов и низкая производительность. 2. Стабилизировать кавитационные процессы и повысить производительность кавитационной очистки, за счет увеличения площади воздействия, возможно при использовании акустико - кавитационных сопел (насадок), состоящих ш кольцевого канала и цилиндрической многолепестковой ре-зоиаторной втулки, создающей в моющей струе ультразвуковое поле за счет резонанса лепестков, возбуждаемых потоком жидкости, выходящим из кольцевого канала.. 3. Оптимальными установленными параметрами установки акустико-кавитациопного действия, для достижения максимальной степени очистки наружных поверхностей сельскохозяйственных машин, являются ширина кольцевого канала D= 0.095лш, расстояние от кольцевого канала до лепестка резонаторной втулки 1=5.65мм , толщина лепестка втулки І=0.52мм и давление моющей жидкости./ =5.75 МПа. 4. В ходе испытаний установлено, что максимальная степень очистки аку-стико-кавитащюниой установкой и повышение производительности достигается в большем диапазоне удалений сопла от очищаемой поверхпости по сравнению с гидродинамическими кавитационными конструкциями и составляет соответственно0,4-0,6 м 5. Степень повреждаемости лакокрасочного покрытия акустико-кавитационной струей при кратковременном воздействии незначительна, при длительном воздействии более 1500 с , она составит 40%, что будет достигнуто за год ежедневной мойки сельскохозяйственной машины. 6. В ходе сравнения экспериментальной установки акустико-кавитационной очистки наружных поверхностей исследуемых марок сельскохозяйственных машин с другими моечными установками установлено, что экспериментальная установка дозволяет сократить трудоемкость процесса на 0,3-0,4 чел/ч по сравнению с установками высокого давления «Oertzen 316 С» и «Керхер НЕ) 650», затраты электроэнергии по сравнению с водо-пескоструйной OERTZEN 200Е снизятся в среднем на 40-50 %, а расход воды в 4-5 раз. При этом время мойки составляет для картофелеуборочного комбайна КГОС 2-01 - 42,5 мин, трактора МТЗ-80 - 30,5 мин, ДТ75 -32.5 мин. 7. Годовой экономический эффект от внедрения экспериментальной установки акустико-кавитационного действия составил для трактора МТЗ-80 735 руб„ для картофелеуборочного комбайна КПК2-01 -П23руб„ для трактора ДТ-75 - 752руб.
