Моделирование и повышение эффективности функционирования саморегенерирующихся фильтров в смазочных системах судовых дизелей Бойко Сергей Петрович

Введение к работе

Актуальность работы. Рост цилиндровой и агрегатной мощности и, следовательно, прокачки масла через систему смазки (СС) судовых дизелей, полная автоматизация и длительная безразборная эксплуатация их с диагностикой остаточного ресурса, применение долгоработающих моторных масел (ММ) со сменой по браковочным показателям, сжигание низкосортных топлив предопределили первосте-пенность применения саморегенерирующихся фильтров (СРФ) в составе комбинированной системы тонкой очистки масла (КСТОМ) для достижения ею высоких функциональных характеристик.

Особый интерес представляют СРФ для систем очистки масла автоматизированных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), особенно средней и большой мощности. Это агрегаты, у которых удаление отложений с фильтровых элементов (ФЭ) механизировано, и они длительно сохраняют функциональную результативность без обслуживания, т.е. имеют длительный ресурс автономной работы. К тому же у них высокая удельная и общая пропускная способность, поэтому их показатели по габаритам и массе в диапазоне производительности 15–100 м³/ч превосходят фильтры со сменными ФЭ в 2–5 раз.

Актуальность рассматриваемой темы с научных позиций состоит в необходимости исследования рабочих процессов СРФ с учетом специфики его функционирования в системе «дизель–эксплуатация–топливо–масло–очистка» (ДЭТМО), так как результативность процессов фильтрования и регенерации тесным образом связана с указанными звеньями. Ранее эффективность использования СРФ в СС двигателя рассматривалась без учета влияния звеньев системы ДЭТМО на очистительную и регенерацион-ную способность, а также срок автономной работы фильтра. Важным аспектом рассмотрения результативности СРФ в СС двигателя является оценка его совместной работы с очистителем промывочного, а следовательно, и циркуляционного масла из-за его использования для регенерации ФЭ.

Степень разработанности темы исследования. Моделирование эффективности комплекса «СРФ – очиститель промывочного масла (ОПМ)» с учетом их взаимодействия для реализации возможностей и преимуществ каждого из агрегатов в ресурсосберегающем маслоиспользовании ранее не проводилось. Расчет процессов фильтрования и регенерации СРФ осуществлялся на упрощенном эмпирическом подходе без рассмотрения совместного действия всех механизмов отсева загрязнений и промывочного процесса.

Сравнение эффективности различных фильтровальных материалов (ФМ) при использовании в СРФ до настоящего времени не осуществлено. Иллюстрация их фильтровальных и регенерационных особенностей отсутствует, и поэтому имеются трудности в подборе для СРФ материалов, отвечающих требованиям полнопоточного маслоочистителя (МО) судовых дизелей.

Процесс регенерации СРФ практически не изучен. Механизмы промывки ФЭ исследованы недостаточно полно. Нет методик, позволяющих рассчитывать коэффициент регенерации с учетом режимных параметров промывки, конструктивных и ре-генерационных особенностей ФЭ, адгезионных свойств отложений, мощности (промывочного индекса) потока, смывающего их.

Объектом исследования являются системы и агрегаты очистки смазочного масла двигателей внутреннего сгорания.

Предмет исследования – рабочие процессы саморегенерирующихся фильтров и эффективность их функционирования в составе комбинированных маслоочи-стительных комплексов (КМОК) смазочных систем судовых дизелей.

Цель диссертационной работы состоит в обеспечении ресурсосберегающего маслоиспользования с повышением эффективности и автономности функционирования КМОК в смазочных системах судовых форсированных дизелей путем совершенствования конструкций и интенсификации рабочих процессов СРФ.

В исследовании, исходя из возросших требований к качеству очистки ММ в автоматизированных тронковых дизелях с высоким наддувом, работающих на низкосортных видах топлива, поставлены следующие задачи:

1 Создать инженерные методы расчета и моделирования эффективности фильтро
вания и регенерации СРФ при их функционировании в СС судовых дизелей.

1. Оптимизировать и обосновать параметры поровых структур ФМ, способствующих повышению отсеивающей и регенерационной способностей тканых фильтровых сеток (ТФС) полотняного переплетения.

2. Моделированием рабочих процессов обосновать показатели режимов фильтрования и противоточной регенерации, способствующих полной реализации возможностей СРФ при очистке моторных масел ДВС.

3. Разработать новые научно-технические решения по совершенствованию рабочих процессов и конструкций СРФ, повышающих эффективность их функционирования в смазочных системах судовых дизелей.

4. Оценить моторную эффективность СРФ в составе автоматизированных комбинированных маслоочистительных комплексов судовых форсированных дизелей.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

– разработана модель двухступенчатого фильтрования масла через поровую структуру сложной конфигурации с внешним и внутренним задерживающими участками, позволяющая с высокой точностью рассчитывать тонкость, фракционные коэффициенты и полноту отсева ТФС полотняного переплетения;

– проведена идентификация безразмерной координаты отсева, что дает возможность по упрощенной схеме моделировать течение суспензии в порах ТФС и выделение дисперсной фазы (ДФ) из фильтровального потока рассмотрением совместного действия ситового эффекта, вторичного уноса, химмотологической и адгезионной групп отсева;

– повышена с использованием специальных табулированных функций точность теоретической оценки эффективности очистки масла СРФ учетом распределений размеров пор ТФС и частиц ДФ загрязнений по различным законам – Вейбулла, логарифмически нормальному, нормальному;

– сформулированы показатели эффективности и разработана модель противо-точной регенерации СРФ, достоинство которой состоит в идентификации интенсивности (скорости и времени) действия промывочного потока на удаление загрязнений из пор ФМ в зависимости от их дисперсного состава и адгезионных свойств отложений;

– получено выражение для оценки промывочного индекса СРФ, характеризующего условия его эффективного функционирования в СС судовых дизелей со сроком автономной работы не менее 3 тыс. ч;

– разработаны новые научно-технические решения по совершенствованию конструкций СРФ и повышению эффективности их совместной работы с центробежными очистителями – центрифугами с напорным сливом и самоочищающимися сепараторами (СОЦС) промывочного масла.

Теоретическая значимость проведенного исследования состоит в уточнении существующих моделей фильтрования и регенерации СРФ, использующих ТФС полотняного переплетения. При моделировании этих процессов реализованы методики, вносящие вклад в расширение представлений об изучаемых явлениях, показывающие возможность аналитического и расчетно-экспериментального описания их эффективности.

Достоинством разработанной модели фильтрования является возможность упрощенной оценки очистительной способности СРФ. При этом действие основных механизмов отсева загрязнений объединены и идентифицированы с учетом интегрального эффекта задерживания загрязнений обоими фильтровальными участками капилляров сложной конфигурации с различными законами распределения их определяющего размера. Фракционные коэффициенты и полнота отсева ТФС при очистке ММ рассчитываются по моделям, рассматривающим химмотологическое взаимодействие ДФ с поро-вой структурой через электрокинетическую группу отсева при разных соотношениях размера частиц и капилляров.

Теоретическая ценность представленного процесса регенерации состоит в увязке факторов, формирующих его эффективность с позиций конструкции и режимов функционирования промывочного устройства, адгезионных свойств и дисперсной характеристики отложений. Достоинством полученной модели регенерации является нацеленность ее не только на идентификацию показателя результативности этого процесса, но и трансформирование ее на решение обратной задачи – определение условий и режимов функционирования СРФ, при которых возможна его эффективная работа.

Практическая ценность использования в судовых дизельных энергетических установках (СДЭУ) усовершенствованных автоматизированных маслоочистительных комплексов на основе СРФ и СОЦС (центрифуг) состоит в повышении надежности защиты судовых форсированных дизелей средней и повышенной частоты вращения от абразивного изнашивания при конвертировании их на тяжелые высоковязкие топлива (флотские и топочные мазуты). Альтернативы рассматриваемым КСТОМ, созданных на базе СРФ, особенно для автоматизированных форсироованных двигателей средней и большой мощности, нет, так как они дополнительно обеспечивают глубокую очистку ММ от мелкодиспергирован-ных зольных нерастворимых продуктов (НРП), ускоряющих его старение, что способствует увеличению срока службы и длительной стабилизации на низком уровне, из-за снижения скорости изнашивания деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), угара масла.

Авторские разработки и научно-технические решения по повышению эффективности процессов фильтрования и регенерации, реализованные в модулях СРФ-60 и СРФД-120, создают предпосылки для разработки конструкций и типоразмерных рядов автоматизированных очистителей, способных функционировать в СС судовых дизелей со сроком автономной надежной работы 3–5 тыс. ч.

Приведены расчетные зависимости по подбору состава и комплектации КСТОМ на базе разработанных СРФ, которые показывают с какой интенсивностью и на каких режимах необходимо центрифугировать промывочное масло автоматизированных фильтров для полной реализации их возможностей и обеспечения ресурсосберегающего маслоиспользования в судовых дизелях.

Выполненные исследования способствуют созданию СРФ высокого технического уровня. Систематизированы практические рекомендации для эффективности их использования в СДЭУ. Показаны пути совершенствования ФМ, обладающих высокими фильтровальной и регенерационной способностями. Обоснованы методы интенсификации промывки ФЭ саморегенерирующихся фильтров.

Методология и методы исследования. Работа предусматривает комплексный подход к повышению эффективности СРФ в составе КСТОМ. Применяли теорию планирования экспериментов, использовали математическое и экспериментальное моделирование.

Процесс старения ММ при его работе в дизеле в экспериментах на судах контролировали такими методами, как диализ, фотометрия, хромотография, инфракрасная и эмиссионная спектроскопия. Качественно-количественный состав НРП загрязнения ММ, эффективность СРФ и в целом КСТОМ определяли методом центрифугирования (ГОСТ 20684-75), лазерной нефелометрией, оптической и электронной микроскопией, в том числе с автоматизированным счетом частиц ДФ.

Моторные испытания СРФ в дизелях в сочетании с другими МО проводили по ОСТ 24.060.09-89. Износ деталей ДВС определяли с помощью метода искусственных баз (приборы УПОИ-6 и УПОИВ-2) снятием отпечатков и профилограмм, взвешиванием на аналитических весах ВЛА-200, микрометражом и спектральным анализом на установке МФС-7. Нагаро- и лакообразование в дизелях оценивали по модифицированному методу 344Т, разработанном ЦНИДИ.

На защиту выносятся следующие положения:

1 Методика расчета эффективности очистки (тонкости, фракционных коэффициентов и
полноты отсева) фильтрованием в СРФ при использовании ТФС полотняного переплетения.

5. Расчетно-экспериментальная модель процесса противоточной регенерации СРФ, функционирующих в СС судовых дизелей.

6. Результаты оптимизации поровой структуры ТФС с достижением высокой очистительной и регенерационной способности, данные сравнения их эффективности с аналогичными показателями других ФМ.

7. Выражение для расчета промывочного индекса СРФ, требуемого для обеспечения эффективного его функционирования в смазочных системах ДВС с нормативным сроком автономной работы не менее 3 тыс. ч.

8. Научно- технические решения по совершенствованию конструкций СРФ и повышению эффективности процессов фильтрования и регенерации, рекомендации по режимам и интенсивности очистки промывочного (циркуляционного) масла, способствующих длительному функционированию СРФ без обслуживания.

9. Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний на судах фильтровальных модулей СРФ-60 и СРФД-120 в сочетании с различными центробежными МО в СС судовых форсированных дизелей.

Высокая достоверность результатов исследования достигнута:

– использованием фундаментальных законов, апробированных классических методов гидродинамики, механики сплошных сред и дисперсионных систем;

– широкой апробацией расчетных зависимостей и хорошей сходимостью их с экспериментальными данными;

– экспериментальным подтверждением теоретических положений при исследовании рабочих характеристик опытных образцов СРФ и их элементов;

– адекватностью расчетных моделей и регрессионных зависимостей, доказанных по различным критериям;

– соблюдением принципов комплексного подхода, постулатов и основных положений теории планирования экспериментов при их корректном проведении;

– применением при проведении экспериментов и обработке опытных данных методик, одобренных Государственными стандартами и отраслевыми нормативными документами;

– использованием в экспериментах современной поверенной на эталонах и прошедшей метрологическую аттестацию измерительной аппаратуры.

Личный вклад соискателя состоит в разработке моделей и выявлении закономерностей процессов фильтрования и противоточной регенерации СРФ при очистке ММ в ДВС. Им получены выражения, отражающие влияние геометрии переплетения тканых фильтровых сеток, режимных факторов противоточной промывки ФЭ на эффективность функционирования СРФ в СС судовых дизелей.

Диссертант разработал и реализовал на практике представленные новые научно-технические решения по совершенствованию конструкций фильтровальных модулей СРФ-60 и СРФД-120, повышению эффективности и автономности их работы в СС судовых дизелей совместно с центробежными МО. Соискателем самостоятельно получены и проанализированы результаты эксплуатационных испытаний пилотных образцов СРФ в судовых дизелях.

Апробация результатов работы осуществлялась ежегодно на научно- практических конференциях «Молодежь. Наука. Инновации» (Владивосток: МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2013–2017); «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (СПб.: ГУМРФ, 2015–2017). Основные положения работы докладывались на региональных, российских и международных конференциях и симпозиумах: «Наука. Инновации. Техника и технологии: проблемы достижения и перспективы» (Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2015); Fibrat 11 и 12 «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток: ДВО РАТ, 2015, 2017).

Реализация результатов работы. Основные положения выполненных исследований и разработки соискателя по СРФ нашли применение при модернизации КСТОМ дизелей на судах Дальневосточного бассейна. Замена фильтров грубой очистки (ФГО) на МО саморегенерирующегося типа особенно результативна для форсированных ДВС с высокой степенью автоматизации, так как позволяет повысить срок необслуживаемой работы очистителей в их СС до 5 тыс. ч. Разработанные диссертантом методики показывают, как можно добиться хорошего согласования параметров перспективных СРФ с характеристиками штатных СОЦС, определить эффективные режимы их совместной работы.

Предложения по ресурсосберегающему маслоиспользованию в судовых дизелях на основе СРФ переданы судоходным компаниям. ООО «NORFES–MARINE SERVICE» подтвердило экономическую целесообразность внедрения на судах СРФ конструкций МГУ им. адм. Г.И. Невельского, разработанных с участием автора рассматриваемой работы.

Результаты исследований диссертанта и созданные им стенды эффективной очистки ММ используется в учебном процессе вуза, где выполнена диссертация, при чтении курса «Применение топлив и смазочных материалов на судах».

Публикации по теме диссертации представлены двадцатью одной печатной работой, включая пять статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, семь статей в сборниках трудов высших учебных заведений, девять докладов в материалах российских и международных конференций, и одним патентом на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и шести приложений. Содержание работы изложено на 232 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков, 19 таблиц, список литературы составляет 138 наименований.