автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Исследование гидродинамики и разработка автоматизированной системы фильтрации масла форсированных тепловозных двигателей

На правах рукописи

РП5 О Я Г?;-*-»

ШУТКОВ Александр Евгеньевич

Исследование гидродинамики и разработка

автоматизированной системы фильтрации масла форсированных тепловозных двигателей

Специальность 05.22.07 -Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта.

Научный руководитель - кандидат технических наук

Лаптев Владимир Александрович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Минаев Борис Николаевич (МИИТ); кандидат технических наук, Никольский Николай Константинович (ВНИТИ)

Ведущее предприятие - Брянский машиностроительный завод

Защита диссертации состоится У/" 2000 года в 13 часов

на заседании диссертационного совета Д114.01.02 при Государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта по адресу: 129851, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская, д. 10, Малый конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке института.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направить по адресу диссертационного совета института.

Автореферат разослан " ^" года.

Ученый секретарь

диссертационного совета, /^—7—>

доктор технических наук

гРебешок

Актуальность проблемы. В современных условиях грузоперевозок на ж/д транспорте возросла роль ресурсосберегающих технологий. В частности, необходим режим экономии эксплуатационных затрат при использовании тягового подвижного состава в связи с повышением цен на запасные части и с прекращением функционирования ряда предприятий, выпускавших необходимые комплектующие. Это делает актуальной проблему уменьшения износа деталей тепловозной энергоустановки - дизеля. Современный подход к данной проблеме - применение автоматизированных фильтровальных устройств, позволяющих уменьшить износ за счет уменьшения тонкости отсева, сократить затраты на обслуживание системы смазки и устранить проблему утилизации сменных фильтроэлементов. Диссертационная работа связана с тематикой НИР ВНИИЖТ МПС.

Задачами исследования являлись следующие:

1. Разработка инженерного метода расчета и рационального выбора параметров фильтрующих каналов, используемых в современных самоочищающихся фильтрах (СОФ). Экспериментальная проверка теоретически х результатов исследования. Разработка конструкторских решений, направленных на рациональное использование особенностей гидродинамики (гидродинамической несимметрии) этих каналов.

2.Исследование схемных решений по системе смазки с целью выбора рациональной схемы, минимизирующей уровень загрязнений масла, и выявления системных эффектов применения СОФ. Разработка конструкторских средств усиления этих эффектов.

3. Экспериментальное исследование различных схем системы смазки тепловозного дизеля с СОФ.

Объектом исследования являлись самоочищающиеся фильтры, предназначенные для использования в системах смазки форсирован-

ных тепловозных дизелей, а также схемные решения по их применению в указанных системах.

Методика исследования основана на применении теоретической гидродинамики и системного подхода к оценке схемных решений и выбору свойств элементов автоматизированной системы смазки. При этом выбор конструкторских параметров ло фильтру осуществлялся с учетом требований, предъявляемых к нему со стороны дизеля и системы смазки. Анализ систем производился с использованием средств нелинейного программирования и теории автоматического управления.

Научная новизна. В результате исследования:

1. Разработан инженерный метод расчета параметров фильтрующих каналов призматической формы с учетом особенностей их гидродинамики. По результатам испытаний идентифицированы параметры математической модели (компоненты сил трения при работе канала в режиме раздаточного коллектора).

2. Выявлено определяющее влияние продолжительности циклической промывки участков фильтрующей поверхности на уровень загрязнений масла и фильтрационную нагрузку СОФ.

• 3. Впервые предложено применение СОФ в качестве средства для дегазации масла на основе позитивного использования фильтрационного эффекта.

4. Выявлена возможность использования схемных решений по системе смазки для создания и усиления системных эффектов, сопровождающих применение СОФ для тепловозных ДВС.

Практическая ценность работы. Результаты исследования использованы при совершенствовании системы фильтрации масла дизелей тепловозов 2ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70 и др.

Апробация работы. Полученные результаты докладывались на научно-технической конференции преподавательского состава МГОУ (г. Коломна, 1999 г.) и на Всероссийской научно-лрактической конференции "Совершенствование подвижного состава и его обслуживание" (С.Петербург, 1999 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в четырех статьях и защищены четырьмя патентами на изобретения.

Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов и списка используемой литературы. Работа изложена на 248 страницах и содержит 120 рисунков, 3 таблицы и 154 наименования использовавшихся литературных источников.

Основное содержание работы.

В первой главе на основе анализа отечественного и зарубежного опыта фильтрации масла в тепловозных ДВС обосновывается целесообразность повышения тонкости фильтрации, что существенно увеличивает срок службы пар трения. В случае использования традиционных фильтров со сменными фильтрующими элементами улучшение тонкости фильтрации сопряжено с резким увеличением расходов на их частую замену. По этой причине в современных ДВС, особенно в форсированных дизелях (с наддувом), для полнопоточной очистки масла стали применять автоматизированные самоочищающиеся фильтры (СОФ), не требующие до двух лет обслуживания в эксплуатации. В гаком фильтре непрерывная очистка фильтрующей поверхности автоматизирована, что и позволяет улучшить тонкость очистки по сравнению со случаем использования сменных фильтроэлементов. Даже если тонкость фильтрации сохраняется на прежнем уровне, автоматизация полнопоточного очистителя остается целесообразной и следует общей

тенденции развития технических систем, поскольку сокращает эксплуатационные затраты на обслуживание фильтровального комплекса.

Представлена классификация и выполнен сравнительный анализ основных типов конструкции отечественных и зарубежных СОФ. Обосновывается необходимость разработки методов расчета гидродинамики и выбора рабочих параметров СОФ в составе автоматизированной системы фильтрации для заданных условий эксплуатации тепловозов.

Традиционные подходы к выбору фильтрующей поверхности на основе ее пропускной способности и обеспечения стандартной скорости фильтрации игнорируют проблему гидродинамической несимметрии, впервые поставленную и изучавшуюся А. С. Лышевским и А. В. Остапенко. Поэтому в настоящей работе находят свое продолжение последующие разработки И. Е. Идельчиком, Г, А. Петровым, В. Г. Турчино-вичем, П. И. Быстровым, В. С. Михайловым и Е. А. Шутковым теории движения жидкости в каналах с путевым расходом. Для описания гидродинамики самоочищающегося фильтра подчеркивается необходимость в формулировке общей задачи о характере течения в призматических фильтрующих модулях, учитывающей движение среды как в направлении вовнутрь, так и вовне фильтрующего элемента, а также возможность наличия транзитного потока в режиме работы элемента в качестве раздающего коллектора, для которого при решении требуется учитывать силы вязкого трения.

Анализ разнообразных схем систем смазки, с СОФ на отечественных и зарубежных тепловозах приводит к выводу о необходимости их теоретического исследования с целью выбора рациональных схемных решений.

Во второй главе исследуются особенности гидродинамики процессов фильтрации и регенерации сетчатой поверхности в фильтроэле-

ментах наиболее распространенной формы. Получены основное уравнение течения среды и его решение при наиболее общей постановке задачи. Исследуется распределение параметров течения по длине фильтроэлемента. Приводятся конструкторские решения, направленные на рациональное использование особенностей гидродинамики (гидродинамической несимметрии) этих каналов.

а)

б)

Рис.1.

Расчетные схемы для случая раздающего и сборного коллектора показаны на рис. 1а), а для случая сборного коллектора - на рис. 16).

Исходное уравнение гидродинамики того и другого коллекторов выглядит как

ф - йи ч и с10 .

- + р-и--+ р •(1-гг)-----+Я-

ск сЫ ' 0 ск г 4-Л

-2

/>~=о.

(I)

Для течений в раздающем и сборном коллекторах задачи в безразмерном виде формулируются на основе этого уравнения с учетом условия неразрывности соответственно следующим образом:

¥2

Р + Р'^'П'Ч'

= 0;

*(0) = 1; <?(!) = 0

\

й Г - р + о-

Г

Я,

Р+Р-^-ч2

= 0;

(3)

Используются следующие обозначения: ^ - линейная координата вдоль оси канала, приведенная к его длине Ь\

- давление внутри канала; р - плотность жидкости;

п- /0 - площадь "живого" сечения рабочей поверхности, через которое осуществляется течение среды;

кс - коэффициент "живого" сечения фильтрующей поверхности; ?0з) ~ расход среды в поперечном сечении ^, приведенный к полному расходу (2о через коллектор;

Г] = 1+К--——--коэффициент, характеризующий вязкое взаимо-

4 -£>-и-/0

действие аксиального потока жидкости со стенками канала; и - эквивалентный диаметр призматического канала; д0 - малый расход жидкости, дросселируемой через торец, противоположный выходному торцу сборного коллектора; Ей - критерий Эйлера;

= р-----критерии, равный отношению динамическои составляющей потерь давления внутри канала к перепаду статического давления на фильтрующей поверхности в случае ее линейной характе-

ристики (то есть линейной зависимости указанного перепада от скорости движения среды через поверхность);

2 (л- /о)2

1*1-" кРитеРии' равный отношению динамическои составляющей потерь давления внутри канала к перепаду статического давления на фильтрующей поверхности в случае ее квадратичной характеристики.

Для случая раздающего коллектора с линейной характеристикой боковой поверхности распределение скорости течения через эту поверхность выглядит как

«•/о X-

1

(4)

Со5'

«VI

1

Ей-1/2

(1-0

К

Ей — <

2

при условии, что--Н1 > 0 => Ей > — Т) =---,

ц 2 16-кс 2

В случая квадратичной зависимости перепада статического давления на боковой поверхности от скорости течения через нее решение для скорости имеет вид

бо'Ю„* - л/л

п-/0 -sinfo) . -Vñ)

cosco

(5)

к

1

. Еи-\/2 . „ 1

при условии, что И--> и => Ьи >—Т| =

г] 2 16 кс 2

В общем случае линейно-квадратичной характеристики, для изменения вдоль оси канала расхода жидкости решение удается получить

лишь в параметрическом виде:

г-ю-н

2 • Н

а = ■ ягс#[ехр(с)]+ ссу • ■ (I - £), (6)

Агзк{2.• со• Я) = -М-■ аг^\2• со • Я + л/4 • со2 -Я2 +1)+ю . -ТЙ» л/Л р

откуда распределение вдоль канала радиальнои скорости определяется с помощью соотношения

^--ЙЬ.М). (7,

»■/о ^

Решения краевой задачи для сборного коллектора с линейной и квадратичной характеристиками проницаемой поверхности имеют, соответственно, следующий вид:

Г г~т л

<?0

Еи +

1

(8)

=д0 • сй(ш . • §)+ X2 + £« + !■• ^(св . •

. . ,, . ______. (9)

р -у ^ 2 11 Р ;

Показано, что наличие ненулевого транзитного потока через заглушённый торец канала вызывает увеличение радиальной скорости течения через боковую поверхность вблизи этого торца вследствие сифонного эффекта подсоса жидкости. В этом случае скорость для линейной и квадратичной характеристики проницаемой поверхности воз-

растает соответственно в 1 4--

Еи + -2

■Ч1 и в |1+—-

Еи + -2

раз по срав-

нению со скоростью при д0 =0.

Наиболее простым является случай квадратичной характеристики проницаемой поверхности. Для него результаты расчета распределения радиальной скорости, приведенной к средней, в режиме фильтрации и регенерации представлены на рис.2.

1,6 1.4 1.2 1

!» 0,8 0.6 0.4 ОД О

02

0.4 0.6 5

0.8

Рис.2. Распределение вдоль канала безразмерной радиальной скорости в режиме фильтрации и регенерации.

Видно, что именно те области фильтрующей поверхности, которые загрязняются наиболее интенсивно (скорость течения через них в режиме фильтрации максимальна), при регенерации промываются наименее интенсивной частью потока. В этом и состоит эффект гидродинамической несимметрии течения в каналах с проницаемой боковой поверхностью. •

Рис.3.

Предлагаемые в работе конструкторские решения позитивно используют неравномерность течения для эффективного восстановления наиболее загрязненных участков рабочей поверхности. В режиме фильтрации (см. рис.За.) вход со стороны торцовой камеры 8 ввода фильтруемой среды открыт, а второй вход закрыт. Этим достигается течение фильтруемой жидкости из камеры 8 через рабочую поверхность 10 фильтроэлемента изнутри наружу в область 6 фильтрата. При этом наиболее интенсивно загрязняется та область фильтрующей поверхности, которая расположена ближе к закрытому входу. В режиме регенерации фильтроэлемента (см. рис.36.) вход со стороны торцовой камеры 8 ввода фильтруемой среды закрыт, а второй вход подключен к каналу 16 отвода задержанных фракций. При промывке фильтроэлемента жидкость движется из области 6 фильтрата через рабочую поверхность 10 фильтроэлемента к открытому входу в канал отвода загрязнений. При этом, поскольку наиболее интенсивным является течение вблизи открытого торца, эффективно промывается наиболее загрязненная часть фильтрующей поверхности.

Эффект гидродинамической несимметрии не снимает требования достаточно большого значения (не менее 7.. 11 м/с) скорости течения потока регенерации через рабочую поверхность для отрыва частиц загрязнений. Представлены конструктивные меры по увеличению данного параметра за счет дополнительного способа регенерации фильтрующей поверхности посредством тангенциального воздействия на нее фильтруемой средой.

В третьей главе исследуется динамика загрязненности в системах смазки с различными схемными решениями: без утилизатора загрязнений, с утилизатором в отдельном контуре и с утилизатором, включенным байпасно после масляного насоса, а также случай размещения утилизатора в канале регенерации СОФ. Рассматривается системный эффект дегазации масла при совместной работе СОФ и центробежного очистителя как утилизатора загрязнений. Представлен теоретически обоснованный вывод о целесообразности установки этого очистителя в канал регенерации, что обеспечивает минимальный уровень фильтрационной нагрузки на фильтр, минимальный общий уровень загрязнений в картерном масле, а также позволяет осуществлять более эффективную дегазацию масла.

Анализ многообразия принципиальных схем организации совместной работы СОФ и центробежного очистителя приводит к выводу о предпочтительности варианта схемы согласно рис.4. Она объединяет в себе тривиальное схемное решение, согласно которому поток регенерации сбрасывается в емкость 2, и решение с размещением центробежного очистителя 10 в канале регенерации 8 автоматизированного фильтра 4. То, какая из этих двух схем реализуется в конкретный момент времени определяется состоянием клапана 12, управление открытием которого осуществляется по каналу управления 13. Клапан 12

обеспечивает стабилизацию давления масла на входе в дизель 5 при увеличении частоты вращения коленчатого вала. Во время перепуска по каналу 14 избыточного расхода масла интенсифицируется промывка поверхности б в СОФ обратным током фильтрата. Такой режим "шоковой" промывки фильтрующей шторы позволяет позитивно использовать имеющийся запас производительности масляного насоса 1. Поскольку большую часть времени тепловоз эксплуатируется на режимах холостого хода и малых нагрузок, то режим работы со сбросом потока регенерации непосредственно в картер включается лишь при холодных пусках двигателя и при работе на режимах, близких к номинальной мощности дизеля.

Рис.4. Система смазки с СОФ и центробежным очистителем. Для случая включения СОФ и центробежного очистителя (центрифуги, сепаратора, автоматизированной электроцентрифуги и др.) согласно схеме, показанной на рис.4, динамика изменения массы т загрязнений и их концентрации с в картерном масле описывается следующим образом:

с1т т Л — + — - р-О с, Ж 7

(10)

(И)

где

(2 - расход масла во всасывающем патрубке 9 насоса 1; С - масса масла в емкости 2; р- плотность масла;

с - массовая доля в масле, содержащемся в емкости 2, той части твердых частиц, размер которых превышает размер сквозных отверстий сетчатой фильтрующей поверхности 6;

В- масса этих частиц, поступающих в единицу времени в масло из дизеля 5;

Т - время одного прохода устройства самоочистки 7 вдоль фильтрующей поверхности 6;

ш - мгновенное значение массы загрязнений, находящихся в момент

времени t на поверхности 6;

()к - расход через управляемый клапан 12;

Qc - производительность центробежного утилизатора загрязнений;

фс- коэффициент сепарации в центробежном утилизаторе;

£>рег - суммарный расход масла через канал регенерации.

Решения данной системы уравнений имеют вид асимптотических кривых, приближающихся к установившимся значениям:

- В-Т

т = (12)

Фс

5 = (,з,

р-й-Ф. Р-&-Ф, в

Сравнение с аналогичными решениями для случаев других схем показывает, что в системе согласно рис.6 при закрытом клапане 12 и масса частиц на фильтрующей поверхности 6 в СОФ, и концентрация загрязнений в емкости 2 будут меньше в 0,!0,с (или Q|Qlf) раз по сравнению с другими схемами. (Для дизеля, например, типа Д49 это

отношение превышает число 10.) Расчеты показывают, что введение клапана 12, который согласно статистическим исследованиям режимов нагружения грузовых магистральных тепловозов находится в открытом состоянии около 0,5% общего времени работы двигателя, не отменяет предпочтительности схемы согласно рис.4.

Применение СОФ позволяет использовать полезным образом известный в технике "фильтрационный эффект" для уменьшения в смазочном масле не только пузырьковой фазы присутствующих в нем газов, но также и растворенных жидких и газовых загрязнений.

Исследование переходных процессов в динамике дисперсной газовой фазы в картерном масле и на фильтрующей поверхности при скачкообразном изменении частоты вращения коленчатого вала показывает, что использование центробежного фильтра в канале регенерации приводит к многократному уменьшению содержания дисперсной газовой фазы в масле по сравнению со схемами с иным способом включения центробежного фильтра.

При построении математической модели динамики дисперсной фазы вводятся следующие обозначения:

0,н - расход масла на выходе из масляного насоса перед СОФ; Qц - расход масла через центробежный фильтр; Qc - расход масла в потоке регенерации;

с - мгновенное значение доли дисперсной газовой фазы в картерном масле, определяемой как отношение объема всех пузырьков в масле к объему масла;

Р - растворимость газов в масле при давлении в подпоршневом пространстве дизеля, то есть равновесная доля растворенных газов, определяемая как отношение объема растворенных газов к объему масла;

р0 и р абсолютное давление в масле, находящемся в картере, и в самоочищающемся фильтре соответственно;

V - мгновенное значение объема пузырьков, задержанных самоочищающимся фильтром, приведенное к давлению рй в картерном масле; Ум - объем масла в картере дизеля;

Т - время одного прохода устройства самоочистки вдоль всей фильтрующей поверхности в режиме ее регенерации; / - текущее время процесса;

п - общий объем пузырьков, поступающих в масло в единицу времени из дизеля;

г - доля объема этих пузырьков, растворяющаяся в масле з единицу времени.

С учетом этих обозначений динамика дисперсной газовой фазы может быть описана следующей системой уравнений:

¿с 1

(15)

- для схемы с отводом потока регенерации в картер и фугированием масла на байпасе перед входом в СОФ и

¿с

Гм-~ + вн-с=М, (17)

где

Г = 0-{Р-Ро), О8)

- для схемы с фугированием масла в канале регенерации СОФ.

Представленные графически решения (см. рис.5) наглядно свидетельствуют в пользу последней схемы. Этот теоретический результат нашел практическое подтверждение в натурных испытаниях указанных систем на тепловозном дизеле 16ЧН26/26 с самоочищающимся фильтром типа 6.46 немецкой фирмы ВоП&КксЬ, проведенные ОАО ХК "Коломенский завод". Результаты испытаний представлены на рис.6.

О ТОО 200 ЗЭО 400 500 600 700 Количвс7Эо оборотов привада ыэхзнизма саыоочистки

Рис.5. Переходные процессы в системах управления дегазацией масла при сбросе и набросе нагрузки.

3.5

3

с* 2,5

5

2 2

X 3"

<0

1 1

0,5

0

шшш

Схема с отводом потока самосчистки в картер

Схема с отводом потока

самоочнспо* нэ центробежные фильтры

Рис.6. Результаты испытаний дизеля 16ЧН26/26 по оценке влияния

схем системы смазки на аэрацию масла. Существенным фактором, определяющим величину фильтрационной нагрузки СОФ, является период (или частота) промывки фильт-

рующей поверхности устройством самоочистки. С точки зрения обеспечения наиболее благоприятных условий работы СОФ, более предпочтительной является та конструкция, которая стабильно обеспечивает высокочастотную самоочистку. Испытания СОФ (фирм Moatti и Boll&Kirch) с различными типами устройств самоочистки подтвердили такой вывод.

В четвертой главе анализируются результаты лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний СОФ в составе различных систем смазки. Эти испытания позволили вывить дополнительные особенности применения СОФ.

При использовании СОФ с регенерацией фильтроэлементов обратным током фильтрата в составе двухнасосной схемы системы смазки (типа применяемой на тепловозном дизеле 16ЧН26/26) оказалось целесообразным устанавливать СОФ после второго масляного насоса. В этом случае уровень давления фильтрата был выше, чем в случае установки СОФ в первом контуре. После первого насоса может быть предусмотрен фильтр грубой очистки масла, защищающий СОФ от крупных загрязнений при эксплуатации дизеля в особо тяжелых условиях и от случайных загрязнений системы при ее обслуживании.

Смываемые в СОФ загрязнения необходимо утилизировать, стремясь уменьшить их повторное попадание в картерное масло.

В соответствии с требованиями стандарта ISO/DP 4548-11 фильтрующая поверхность СОФ должна выдерживать повышенный перепад давления (до 10 кГ/см2) и обладать достаточным запасом усталостной прочности при циклическом реверсировании потока жидкости. Эти свойства фильтрующей поверхности необходимо проверять при периодических испытаниях каждого фильтра.

Конструкция СОФ должна исключать или компенсировать неизотропность фильтрующей поверхности относительно направления движения фильтруемой среды. Основные выводы.

1. Уменьшение тонкости отсева - средство увеличения ресурса тепловозного дизеля. Однако, уменьшение номинальной тонкости фильтрации фильтрами со сменными фильтроэлементами, например, с 40 мкм до 25 мкм в пять раз уменьшает пробег тепловоза до их замены (2 тыс. км вместо 10 тыс. км) или при сохранении пробега на прежнем уровне требует пятикратного увеличения количества фильтро-элементов (80 элементов вместо 16). Решением проблемы является использование самоочищающихся фильтров. Это позволяет в перспективе уменьшить тонкость отсева до 5.. 10 мкм, что повышает ресурс пар трения в 1,5..2 раза.

2. Используемые на зарубежных тепловозных дизелях самоочищающиеся фильтры масла характеризуются общей конструктивной особенностью: для их фильтрующих поверхностей характерна гидродинамическая несимметрия. Указанная несимметрия приводит при фильтрации к наиболее интенсивному течению жидкости через один участок этой поверхности, а при регенерации - через другой. Различие скоростей при этом может достигать 7.. 10 крат. Результатом является постепенное накопление загрязнений с последующим отказом фильтра, несмотря на непрерывную промывку.

3. Разработанная в ходе настоящего исследования математическая модель фильтрующих каналов, учитывающая эффект гидродинамической несимметрии, удовлетворительно согласуется с результатами эксперимента и позволяет осуществлять рациональный выбор параметров этих каналов с целью уменьшения указанного эффекта.

4. Применение разработанных а данном исследовании математической модели фильтрующих каналов и конструкторских решений по самоочищающимся фильтрам позволило позитивно использовать (без подавления) эффект гидродинамической несимметрии фильтрующих каналов. Указанные решения учитывают особенности работы таких фильтров в составе тепловозных дизелей.

5. Предложенный конструктивный способ использования эффекта тангенциальной фильтрации дополняет существующий метод промывки рабочей поверхности при ее регенерации обратным током фильтрата и позволяет повысить эксплуатационную надежность самоочищающегося фильтра. Этот дополнительный способ дает возможность использовать энергию входного потока очищаемой среды для уменьшения адгезии загрязнений к фильтрующей поверхности.

6. Применение самоочищающегося фильтра в системе смазки ДВС сопровождается фильтрационным эффектом, который был позитивно использовать для дегазации масла. Выявленное новое потребительское свойство самоочищающегося фильтра позволяет в 2.5..3 раза уменьшить содержание в масле газов и летучих примесей, уменьшить его коррозионную активность и увеличить в 2..2,5 раза срок службы масла до замены.

7. Разработанная математическая модель динамики накопления твердых и газовых загрязнений в масле при использовании самоочищающегося фильтра позволяет осуществлять рациональный выбор параметров .привода механизма самоочистки, минимизирующих концентрацию указанных загрязнений в масле и фильтрационную нагрузку на фильтр.

8. Цели, преследовавшиеся при конструировании системы смазки тепловозного дизеля с самоочищающимся фильтром, включают созда-

ние новых системных эффектов, обеспечивающих эксплуатационную надежность автоматизированной системы фильтрации. К способам использования подобных эффектов относятся предложенные в настоящем исследовании:

8.1. утилизация смываемых загрязнений в центробежном очистителе, включаемом непосредственно в поток самоочистки;

8.2. использование избыточной производительности масляного насоса для улучшения промывки фильтрующей поверхности обратным током фильтрата ("шоковая" промывка);

8.3. использование каналов перепуска и каналов охладителя терморегулятора масла для управления регенерацией фильтрующей поверхности при неравномерном распределении времени работы тепловоза на различных режимах нагрузки.

9. Годовой экономический эффект от применения на тепловозе автоматизированной системы фильтрации масла обеспечивает окупаемость внедрения указанной системы за 1,4 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лаптев В. А., Шутков А.Е. Фильтрация масла в системах смазки транспортных ДВС // Вестник ВНИИЖТ. 1999. № 1. С. 20 -25.

2. Шутков А. Е. Центробежный очиститель масла тепловозных дизелей / Локомотив, 1998, №9, с. 24 - 26.

3. Лаптев В.А., Шутков А.Е. Использование автоматизированной фильтрации масла в системах смазки транспортных двигателей / Программа и тезисы научно-практической конференции "Совершенствование подвижного состава и его об-

служивание", Санкт-Петербург, 1999, с. 35 - 36.

4. Шутков Е. А., Шутков А. Е. Использование системных эффектов при автоматизированной фильтрации ДВС / "Научная конференция профессорско-преподавательского состава МГОУ (тезисы)", Коломна, 1999, с. 93.

5. Патент 1Ш № 2080907 С1. Опубликован 10.06.97 в БИ № 16.

6. Патент 1Щ № 2097100 С1. Опубликован 27.11.97 в БИ № 33.

7. Патент 1Ш № 2106895 С1. Опубликован 20.03.98 в БИ № 8.

8. Патент БШ N2 2114679 С1. Опубликован 10.07.98 в БИ № 19.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ.

1-1. Тонкость фильтрации и износ.

1-2. Обзор типовых вариантов конструкции СОФ

1-3. Гидродинамическая несимметрия течения в канале с путевым расходом: Обзор.

1-4. Обзор типовых вариантов топологической структуры системы смазки.

1-5. Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. ГИДРОДИНАМИКА ПРИЗМАТИЧЕСКИХ ФИЛЬТРУЮЩИХ КАНАЛОВ.

2-1. Основное уравнения гидродинамики течения в канале с проницаемыми стенками и постановка задачи.

2-2. Решение для раздающего коллектора.

2-2-1. Случай линейной характеристики проницаемой поверхности

2-2-2. Случай квадратичной характеристики

2-2-3. Случай линейно-квадратичной характеристики

2-3. Решение для сборного коллектора.

2-4 Экспериментальное исследование гидродинамики течений

2-5 Применение модели к фильтроэлементам Воьь&Ктсн и яеььим1х

2-6 Зависимость скорости жидкости, необходимой для отрыва частиц, от их размера

2-7 Конструкторские решения, учитывающие эффект гидродинамической несимметрии

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ПО СИСТЕМЕ СМАЗКИ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ НА ЗАГРЯЗНЕННОСТЬ МАСЛА.

3-1. Случай отсутствия утилизации загрязнений.

3-2. Утилизация путем организации специального контура сепарации масла

3-3. Утилизация при помощи центрифуги, включенной байпасно перед СОФ

3-4. Утилизация при помощи сепаратора, установленного в канале регенерации СОФ

3-5. Применение центробежного очистителя и самоочищающегося фильтра в качестве средства для дегазации масла в ДВС

3-6. Варианты по рациональной компоновке системы смазки, повышающие эффективность работы СОФ и усиливающие системные эффекты

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОФ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ СМАЗКИ.

4-1. эксплуатационные испытания самоочищающихся фильтров СМ250А34/12815 и СМ99780 (Моаттг) с дизелями 12ЧН26/26 и 16ЧН26/

4-2. Лабораторные и стендовые испытания самоочищающихся фильтров типа 6.46 (Воьь&Клясн), и ЬАМ280 (МоаттО

4-3. Оценка полезного эффекта от внедрения на тепловозах автоматизированной системы полнопоточной фильтрации масла

ВЫВОДЫ.

В современных условиях грузоперевозок на железнодорожном транспорте возросла роль ресурсосберегающих технологий. В частности, необходим режим экономии эксплуатационных затрат при использовании тягового подвижного состава в связи с повышением цен на запасные части и с прекращением функционирования ряда предприятий, выпускавших необходимые комплектующие. Это делает актуальной проблему уменьшения износа деталей тепловозной энергоустановки - дизеля. Современный подход к данной проблеме -применение автоматизированных фильтровальных устройств, позволяющих уменьшить износ за счет уменьшения тонкости отсева, сократить затраты на обслуживание системы смазки и устранить I проблему утилизации сменных фильтроэлементов. Диссертационная работа связана с тематикой НИР ВНИИЖТ МПС.

Задачами проведенного исследования являлись следующие:

1. Разработка инженерного метода расчета и рационального выбора параметров фильтрующих каналов, используемых в современных СОФ. Экспериментальная проверка теоретических результатов исследования. Разработка конструкторских решений, направленных на рациональное использование особенностей гидродинамики (гидродинамической несимметрии) этих каналов.

2. Исследование схемных решений по системе смазки с целью выбора рациональной схемы, минимизирующей уровень загрязнений масла, и выявления системных эффектов применения СОФ. Разработка конструкторских средств усиления этих системных эффектов.

3. Экспериментальное исследование различных схем системы смазки тепловозного дизеля с СОФ. 5

В результате исследования:

1. Разработан инженерный метод расчета параметров фильтрующих каналов призматической формы с учетом особенностей их гидродинамики. По результатам испытаний идентифицированы параметры математической модели (компоненты сил трения при работе канала в режиме раздаточного коллектора)

2. Выявлено определяющее влияние продолжительности промывки участков фильтрующей поверхности на уровень загрязнений масла и фильтрационную нагрузку СОФ.

3. Впервые применен СОФ в качестве средства для дегазации масла на основе позитивного использования явления фильтрационного эффекта.

4. Выявлена возможность использования схемных решений по системе смазки для создания и усиления позитивных системных эффектов, сопровождающих применение СОФ для ДВС.

В диссертации использованы материалы научно-исследовательских работ за период с 1995 по 1999 годы по договору со Всероссийским научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта, по договору с ОАО "Коломенский завод", по договору с Центральным аэрогидродинамическим институтом.

Автор глубоко признателен заместителю руководителя отделением "Тепловозов" Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта, кандидату технических наук В. А. Лаптеву, заведующему лабораторией Всероссийского научно-исследовательского института тепловозов и путевых машин, кандидату технических наук Е. А. Шуткову, начальнику сектора систем ОГКМ ОАО "Коломенский завод" А. В. Шепелеву, заместителю начальника 6 отделения гидродинамики Гос НИЦ ЦАГИ, академику РАЕН, доктору технических наук О. П. Шорыгину и коллегам за организационную и научную помощь при проведении настоящей исследовательской работы, а также за активный и живой интерес к ней.