автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Комбинированная очистка топлива в топливных системах машин, эксплуатируемых в сельском хозяйстве

На правах рукописи

Готовцева Татьяна Александровна

КОМБИНИРОВАННАЯ ОЧИСТКА ТОПЛИВА В ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМАХ МАШИН, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ОКТ 2013

005535382

Москва-2013

005535382

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный Исаенко Виктор Дмитриевич

руководитель кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

профессор кафедры «Автомобили и тракторы» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Официальные Коваленко Всеволод Павлович

оппоненты: доктор технических наук, профессор, Федеральное

государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

Галко Сергей Анатольевич

кандидат технических наук, доцент, 25 Государственный научно-исследовательский институт химмотологии МО РФ, г. Москва

Ведущая Государственное научное учреждение Всероссийский

организация научно-исследовательский институт использования

техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита состоится 18 ноября 2013 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, дЛба, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина».

Автореферат разослан « // » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.С. Дорохов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эксплуатация сельскохозяйственной техники на загрязненном дизельном топливе ускоряется износ топливной аппаратуры, увеличивается количество отказов топливных систем, что влечет за собой простои техники.

Повышение качества очистки дизельного топлива возможно на основе более глубокого фильтрования топлива фильтроэлементами объемного типа на стадии грубой очистки, т.е. разработки системы комбинированной фильтрационной очистки топлива в виде комбинаций фильтров поверхностного и объемного типа.

Обоснованный подбор ступеней (фильтров грубой и тонкой очистки) может обеспечить существенное повышение эффективности комплексной очистки топлива при сохранении или снижении уровня затрат на очистку в сравнении с одноступенчатой фильтрацией.

Цель исследования. Разработка комбинированной фильтрационной очистки топлива повышенной эффективности в топливных системах машин, эксплуатируемых в сельском хозяйстве.

Объект исследования. Топливные системы машин с дизельными двигателями, эксплуатируемые в сельском хозяйстве, ожидаемое повышение надежности которых обеспечивается применением двух-, многоступенчатой комбинированной очистки топлива.

Предмет исследования. Процессы комбинированной очистки топлива с использованием фильтроэлементов объемного типа повышенной эффективности.

Методы решения задач. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы и натурные эксплуатационные испытания процессов фильтрации топлива; дифференциальные и алгебраические уравнения, пакеты прикладных программ MS Excel.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. На основе моделирования фильтрационных процессов предложен критерий оценки целесообразного качества очистки топлива в топливных системах машин по суммарным затратам на очистку топлива и ремонт топливной аппаратуры.

2. Получены аналитические зависимости пропускной способности, качества очистки и ресурса топливного фильтроэлемента новой конструкции из деформируемого пористого материала, обладающего повышенным ресурсом.

3. Получены математические модели процессов фильтрации топлива топливными фильтроэлементами грубой (ФГО) и тонкой (ФТО) очистки, а также в их комбинациях, описывающие совместную работу ФГО и ФТО по условиям равной грязеёмкости и кратного ресурса при их взаимном влиянии.

4. Разработана методика расчета и проектирования комбинированной очистки топлива в топливных системах сельскохозяйственных машин, позволяющая оптимизировать состав средств фильтрационной очистки топлива.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предлагаемый способ конструктивной модернизации топливных систем сельскохозяйственных машин позволяет значительно снизить простои машин, по-

вышая безотказность топливных систем за счет повышения качества очистки топлива от механических примесей и воды.

2. Предложенная новая конструкция секционного фильтра с переменной пористостью, а также разработанные методы его расчета и оптимизации применимы для создания более эффективных топливных фильтров, а также фильтров смазочных, гидравлических систем мобильных машин и другой техники.

3. Предлагаемая методика расчета и проектирования комбинированной системы очистки топлива для топливных систем сельскохозяйственных машин применима для разработчиков на стадии создания комбинированной системы очистки топливных систем машин с повышенной надежностью.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований и разработки используются в ООО «Сибирское зерно», СПК «Нелюбино» (Томская область). Методика расчета и проектирования комбинированной системы очистки топливных систем сельскохозяйственных, дорожных, строительных и других машин используется в учебном процессе Томского государственного архитектурно-строительного университета при подготовке специалистов по направлению «Наземные транспортно-технологические средства».

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается использованием физически обоснованных математических моделей, экспериментальными исследованиями, сопоставлением результатов экспериментальных исследований с итогами аналитических расчетов с использованием обоснованных алгоритмов расчета.

На защиту выносятся:

1. Критерий оценки целесообразного качества очистки топлива в топливных системах машин.

2. Новая конструкция секционного топливного фильтроэлемента, выполненного из деформируемого пористого материала, обладающего повышенным ресурсом, защищенная патентом на изобретение.

3. Математические модели процессов фильтрации топлива в топливных фильтроэлементах грубой (ФГО) и тонкой (ФТО) очистки и в их комбинациях.

4. Результаты экспериментальных лабораторных исследований структурных характеристик и фильтрационных свойств деформируемых открытопористых пенополиуретанов отечественного производства, а также результаты эксплуатационных испытаний фильтроэлементов новой конструкции на их основе.

5. Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний топливных систем машин с одноступенчатой и двухступенчатой комбинированной очисткой топлива.

6. Методика расчета и проектирования комбинированной фильтрационной очистки топлива в топливных системах машин.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на II Международной научно-практической конференции «Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса», г. Новокузнецк, КузГТУ, 2012 г.; 15-й Международной научно-практической конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика», Санкт-Петербург, 2013 г.; Всероссийской научно-практической кон-

ференции «Машиностроение России: инновационно-технологические и организационно-экономические проблемы развития», Пенза, 2013 г.; на семинарах механико-технологического факультета ТГАСУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 3 в изданиях рецензируемых ВАК, и патент РФ.

Объем работы. Диссертация изложена на 159 страницах и включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 91 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность выбранного направления исследования, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена анализу факторов, оказывающих влияние на безотказность топливных систем сельскохозяйственных машин и износ топливной аппаратуры. Высокая загрязненность топлива оказывает преобладающее влияние на надежность топливных систем. Проведен анализ средств защиты топливных систем машин от влияния указанных факторов.

Обзор исследований и технических решений, связанных с созданием комбинированных систем очистки топлива, показал отсутствие систематизированного подхода.

Во второй главе предложен критерий оценки целесообразного качества очистки топлива.

Ухудшение качества очистки топлива (увеличение do.95) приводит к снижению ресурса плунжерных пар ТНВД, что увеличивает затраты на ремонт ТНВД в эксплуатации машин. Одновременно увеличение do.95 увеличивает ресурс топливных фильтроэлементов, что снижает затраты на техническое обслуживание топливных систем по замене фильтроэлементов. Имеется область оптимальных значений, минимизирующих суммарные эксплуатационные затраты на очистку топлива:

Т,3 = Зпп+Зф э, (1)

где Зт — затраты на приобретение и замену плунжерных пар ТНВД при ремонте, руб.; Зфэ - затраты на приобретение и замену фильтроэлементов при техническом обслуживании топливных систем машин, руб.

Затраты на сменяемые плунжерные пары (3„„) определяются из выражения:

3"п = (Ц"п + tp""Cp ^ Тпн (1,22 — 0,55г/ 0 95)' (2)

где Цпп - оптовая цена (стоимость) комплекта заменяемых плунжерных пар, руб.; tpm ~ трудоемкость ремонта ТНВД, чел.-ч; ср - часовая ставка рабочего, руб./чел.-ч; Трм- нормативный ресурс машины; Тт — нормативный ресурс пар до замены, мото-ч.

Затраты на сменяемые фильтроэлементы (Зфэ) и техобслуживание топливной системы рассчитываются по формуле:

Зфэ = {Цфэ + Зрфэ) Пфэ, (3)

где Цфэ - оптовая цена фильтроэлемента, как произведение стоимости единицы объема фильтроэлемента Сфэ на его объем Q,jn, руб.; Зрфэ - затраты на ремонт фильтроэлемента, руб.; Пф3 — количество заменяемых фильтроэлементов.

Цфэ~сфэ£!фэ> пфэ~ ; ^рфэ-{рфэср- (4)

хфэ

Здесь 1рфэ— трудоемкость ремонта фильтроэлемента, чел.-ч. Характер кривой суммарных затрат ЕЗ на рисунке 1 показывает, что область минимальных затрат по качеству очистки топлива лежит в диапазоне номинальной 95%-й тонкости очистки фильтром: 4-10 мкм.

3,

30 25 20 15 10 5

95 М

Рисунок 1 — Сравнительные затраты на одноступенчатую очистку топлива в зависимости от тонкости очистки

За основу разработки комбинированных систем очистки топлива в топливных системах машин принята схематизация, по которой повышение безотказности системы топливных систем при одновременном повышении качества очистки достигается применением дополнительного пористого фильтроэлемента, устанавливаемого в фильтр грубой очистки (ФГО) (первая ступень очистки), и фильтроэлемента тонкой очистки в фильтре тонкой очистки (ФТО) (вторая ступень очистки).

При этом, учитывая малый срок службы (ресурс) фильтроэлементов объемного типа известных конструкций, требуется разработка новых конструкций фильтроэлементов, обладающих повышенным ресурсом. Предлагается две схемы комбинированной системы очистки топлива (рисунок 2).

Для рассматриваемых схем предложена конструкция секционного фильтроэлемента, обладающего управляемой эффективностью очистки топлива и повышенным ресурсом, что достигается целенаправленным формированием пористой структуры, обеспечивающим процесс фильтрования топлива с постепенным закупориванием пор (рисунок 3).

ФГО ФТО

(объемный) (бумажный)

ФГО ФТО

(объемный) (объемный)

Схема 1

ФГО - объемного типа новой конструкции с повышенным ресурсом

ФТО - поверхностного типа (бумажный) Схема 2

ФГО - объемного типа новой конструкциии с повышенным ресурсом

ФТО - объемного типа новой конструкции с повышенным ресурсом

Рисунок 2 - Схематизация комбинированной системы очистки топлива

71

1Г

Рисунок 3 - Общий вид наборного секционного фильтроэлемента: 1 — трапециевидная секция; 2 - пружина; 3,4- крышка

Моделирование фильтрационных процессов комбинированной очистки топлива проведено на основании известных ранее, а также полученных в настоящей работе аналитических зависимостей, описывающих гидравлические свойства фильтроэлементов, показателей их эффективности по задержке полидисперсных загрязнений из топлива и их ресурса как времени работы до замены.

На основе известного уравнения фильтрации Дарси, записанного в дифференциальной форме для условно сплошного цилиндрического пористого фильтроэлемента, с учетом линейного увеличения степени обжатия фильтроматериала

от периферии к центру и уменьшения проницаемости получена формула, описывающая его гидравлическую характеристику:

1-

д^УяУгРо гн\

Кп

1-

— л -п

d-1

lnt/ + (l-n)

(5)

где Ар0 — перепад давления на фильтроэлементе; Ун — расход топлива; \'т - кинематическая вязкость; рт - плотность топлива; К0 - коэффициент проницаемости

_ п., — с1,

фильтроматериала в свободном состоянии;

г.1 — —S-- rl — —-

п — ' , — соотношение степ. а.

пеней обжатия фильтроматериала на входе и выходе фильтроэлемента и соотношение наружного и внутреннего диаметров фильтроэлемента соответственно.

С использованием известных общих зависимостей получена формула номинальной 95%-й тонкости очистки топлива для рассматриваемого фильтроэлемента:

¿095 =79,43л/466, (6)

где с/0,95 - номинальная тонкость очистки, определяемая размером частиц, 95% которых задерживается фильтром; пв - степень обжатия фильтроматериала на выходе из фильтроэлемента.

Конструкция фильтроэлемента обеспечивает процесс фильтрования с постепенным закупориванием пор, что повышает его ресурс при работе от начального Ар0 до конечного Арк перепада давления за время Тфэ. Предложенное описание этого закона фильтрования с постепенным закупориванием пор имеет вид:

&Ро . „ _ °Ф _ °Ф

- ---п^ _

АРк

;о ^tfWoPr

Мсо*яРг т„ =—1-

ЯфЧсрРз

(7)

{1~т1Тфо)

где Оф - объем пористой структуры фильтроэлемента; \(/ср - средняя по объему пористость, с0 — массовая концентрация загрязнений на входе в фильтроэлемент; т| — эксплуатационный коэффициент очистки топлива; Xq — эмпирические коэффициенты эксплуатационных испытаний на ресурс; VH — номинальный расход топлива.

Ресурс объемного фильтроэлемента, работающего с постепенным закупориванием пор, описывается формулой:

N-0,5"

1

тп

1-

АР.. АРо.

(8)

Из выражения (8) получена формула зависимости безразмерного ресурса фильтроэлемента Т от соотношения диаметров с1 при различных степенях обжатия фильтроматериала пв, позволяющая оптимизировать геометрические размеры фильтроэлементов:

Т=тх = — 4

1

Vo

-1-1 Уо

п + 1

1-

1+Ь

d-1

In с/ ^ - (1 —

Ар

•(9)

д— _ А/7 ГгУгрг

Здесь ^Р ~ . , где Арц——— - параметр, имеющий размерность Др1( 2 7ШЛ0

давления, включает основные характеристики процесса фильтрации топлива.

Условиями экономичности двухступенчатой комбинированной очистки топлива будут:

1) Грязеемкость сменных фильтроэлементов ФГО и ФТО должна быть одинакова: Оф1 = С?ф2 при г)1 = 0,5г|2:

'Ф1 _ Л1

(10)

Сф2 Л2-Л1

Одинаковое количество загрязнений задерживается в ФГО и ФТО, если эффективность очистки топлива по коэффициенту очистки в ФГО составляет половину эффективности ФТО.

2) Ресурс фильтроэлементов ФГО и ФТО до замены должен быть одинаковым или кратным.

Реализация этого условия позволяет выбрать объемы (размеры) фильтроэлементов ФТО и затем ФГО, обеспечивающие равный или кратный ресурс ФГО для любой из предложенных комбинаций по отношению к ФТО.

Необходимый объем 2ф2 ФТО, обеспечивающий заданный ресурс Т2 до замены, и необходимый объем <2ф1 ФГО, обеспечивающий ресурс ФГО кратным ресурсу ФТО, определяются:

- для комбинации по схеме 1на рисунке 2:

ЛСоК-^КТгРт

;ф2

0,5у0р3

1п

АРо

М^срРз

1-

Ар*

АРо

(11)

(12)

где Ар > 1 — коэффициент кратности ресурса ФГО по отношению к ФТО; - для комбинации по схеме 2 на рисунке 2:

Л-0,5~

а

_ ч

ф2

УсрРз

1-

АРо

Ч'срРз

1-

г Л Л4*'5

Ал чАРоу

(13)

(14)

Здесь эмпирические коэффициенты эксплуатационных испытаний.

В третьей главе изложены методики экспериментальных исследований дизельного топлива и элементов системы очистки топлива.

Экспериментальные исследования выполнены на лабораторном оборудовании и стендах, а также на сельскохозяйственных машинах в условиях эксплуатации, позволяющие оценить эффективность предлагаемой комбинированной системы очистки топлива с использованием стандартных и разработанных методов.

Определение проницаемости открытопористого пенополиуретана ППУ-ЭО-130 фильтроэлемента проводилось по методике ГОСТ 25283-93, а пористости - с помощью специального прибора и ГОСТ 12432-77 методом пропитки.

Дисперсный состав загрязнений в топливе изучался методом микроскопии. Номинальная 95%-я тонкость очистки топлива опытным фильтром грубой очистки определялась с использованием искусственного загрязнителя (кварцевой пыли с удельной поверхностью 5600 см2/кг).

Счетная концентрация частиц загрязнений определялась с использованием автоматического анализатора частиц ГРАН-152.1, а массовая — по ГОСТ 10577—78 «Нефтепродукты светлые. Методы определения содержания механических примесей. Метод А».

Содержание воды в топливе определялось гидридкальциевым методом по ГОСТ 8287-83 «Нефтепродукты светлые. Количественное определение содержания воды».

Гидравлические испытания нового фильтра грубой очистки проводились на специальном стенде.

Эксплуатационные испытания фильтроэлементов и их комбинаций проводилась на тракторах МТЗ-82, занятых на сельхозработах в весенне-летний периоды эксплуатации. Опытные фильтроэлементы периодически снимались для стендовых испытаний и оценки грязеемкости.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность моделей, описывающих процессы фильтрации и эффективность очистки топлива в комбинированной системе очистки.

Экспериментально в лабораторных условиях оценивались структурные и фильтрационные характеристики серийных пенополиуретанов ППУ-30-130, ППУ-75-НО, ППУ ЭРП.

Экспериментальные зависимости коэффициента проницаемости К = fin) и пористости ¥ =fin) адекватно описываются кривыми на рисунке 4.

Путем обработки экспериментальных результатов установлена следующая зависимость К и с/о,95 от п для трех испытуемых ППУ:

* _5,6 4К~0

К ~-> «0 95 - -Г!-

п п . (15)

Гидравлические стендовые испытания опытных образцов фильтроэлементов предлагаемой конструкции (рисунок 3) одних и тех же размеров, но с разной степенью обжатия фильтроматериала, показали их удовлетворительную сходимость с расчетной гидравлической характеристикой (рисунок 5).

Рисунок 4 — Экспериментальные и расчетные зависимости проницаемости и пористости от степени обжатия фильтроматериапа: о - ППУ 30-130; + - ППУ 75 НО; А - ППУ ЭРП

Aft «По_Q1

'о

✓ у' о

о / у/°

о / о / ^ 'о ' о о

, „ -1 О -- _<7, - з-— о О__— L——--о

20 40 60 80

Рисунок 5 - Расчетные и экспериментальные гидравлические характеристики опытных элементов

Для каждого экспериментального значения Ар и ()т обратным пересчетом определялись значения Хд — параметра, определяющего темп роста гидравлического сопротивления фильтроэлемента. На рисунке 6 представлены расчетные и экспериментальные ресурсные характеристики фильтроэлементов в обобщенный форме с использованием коэффициента >ч/= 0,86, показывающие удовлетворительную сходимость.

Др/ДР» 31 01

03

Рисунок 6 - Расчетные и экспериментальные ресурсные характеристики топливных фильтроэлементов по результатам эксплуатационных испытаний

Практические расчетные зависимости эксплуатационного ресурса фильтроэлементов предложенной конструкции до замены имеют вид:

ЪфэУсрУз

0,86г|с0Унрг

1-

АРк

(16)

где Арк — критическое гидравлическое сопротивление фильтроэлемента до замены. Экспериментальная проверка выбора соотношения параметров фильтроэлементов грубой (ФГО) и тонкой (ФТО) очистки топлива, обеспечивающих равную грязеемкость ФГО и ФТО и равный или кратный ресурс ФГО и ФТО при заданном качестве очистки топлива по тонкости фильтрации, показала, что при правильном выборе параметров ФГО и ФТО в комбинированных системах очистки топлива можно получить равномерное распределение загрязнений, что улучшает качество очистки топлива, приводит к повышению надежности топливных систем

и к их экономичности по затратам на сменяемые прецизионные пары элементов топливной аппаратуры.

С целью сравнительной оценки надежности топливных систем в штатном и комбинированном исполнениях по схемам, представленным на рис. 2, были привлечены шесть тракторов МТЗ-82. Из них два трактора имели штатную систему очистки топлива, два - выполненную по схеме 1, и два - выполненную по схеме 2 (рисунок 2). Результаты обработки информации по отказам топливной системы тракторов представлены на рисунке 7. Использовались стандартные методики из теории вероятности и математической статистики.

0.8

§0.6 Л

Е

о о

X

¡0.4

о. о m

0.2

300 600 900 1200 1500 1800 Наработка трактора

Рисунок 7 — Функции вероятностей безотказной работы элементов топливной системы: 1 - штатное исполнение; 2 - комбинация фильтров из ППУ; 3 — комбинация фильтров (ФГО из ППУ + ФТО с бумажным ФЭ)

рт

Наработка топливной системы трактора до отказа, как величина случайная, характеризуется законом ее распределения. По критерию согласия х2 Пирсона распределение наработки машин и их систем соответствует нормальному закону. Установлено, что при равновероятном событии, когда вероятности отказа и безотказной работы равны между собой, т.е. F(t) = Р(т) = 0,5, средняя наработка на отказ штатной топливной системы составляет 760 мото-ч при комбинации: по схеме 2 (рисунок 2) — 1125 мото-ч, тогда как по схеме 1 (рисунок 2) — 1500 мото-ч, что в 1,48—1,97 раза выше наработки ТС на отказ при штатной системе очистки соответственно.

Пятая глава посвящена технико-экономическому обоснованию выбора и проектированию комбинированных систем очистки топлива.

Суммарные затраты на эксплуатацию топливной системы с комбинированной системой очистки топлива складываются из убытков (У„р), возникающих в связи с простоями трактора в ожидании ремонта топливной системы, затрат на сменяемые плунжерные пары (Зпп), затрат на сменяемые фильтроэлементы (Зфэ) и техобслуживание топливной системы:

^З=у„р+Зт+Зфэ. 17)

Убытки от простоя в ожидании восстановления топливной системы можно представить как:

Упр=ТрсД„рСчП, (1В)

где Трс — суточное время работы трактора, ч; Д„р - простой в ремонте, дни; С„ — часовой доход предприятия при выполнении трактором работ сельхозназначения, руб./ч; п — количество сходов трактора в ремонт по причине неисправности топливной системы за нормативный ресурс машины, зависящее от наработки т0ТК на ее отказ, т.е.:

н = (19)

тотк

Затраты на сменяемые плунжерные пары определяются из выражения (2).

Затраты на сменяемые фильтроэлементы и техобслуживание топливной системы определяются из выражений (3) и (4).

Суммарные затраты, рассчитанные по вышеприведенной методике, составляют:

— на штатную ТС трактора МТЗ-82 - 255449,24 руб.;

— на комбинированную систему очистки топлива по схеме 1, рисунок 2, установленную на трактор МТЗ-82 — 136658 руб.;

— на комбинированную систему очистки топлива по схеме 2, рисунок 2, установленную на трактор МТЗ-82 — 174927 руб.

Таким образом, общие затраты на поддержание ТС в работоспособном состоянии при применении комбинированной системы очистки топлива снижаются в 1,46—1,86 раз по сравнению со штатной системой очистки.

Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований, включая эксплуатационные испытания, позволил разработать рекомендации по модернизации топливных систем путем организации комбинированной двухступенчатой фильтрационной очистки дизельного топлива. Эти рекомендации легли в основу разработанной методики расчета и проектирования комбинированных систем очистки топлива, которая, в основном, сводится к совокупному расчету и выбору параметров фильтроэлементов грубой и тонкой очистки топлива по предложенным формулам с целью получения максимального технико-экономического эффекта.

Разработан алгоритм, а также программа расчета и проектирования комбинированных систем очистки для машин с дизельными двигателями в редакторе электронных таблиц Microsoft Excel.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Целесообразная эффективность качества очистки топлива в топливных системах машин, характеризуемая номинальной тонкостью фильтрации топлива, определяется суммой минимальных затрат на изнашиваемые детали топливной аппаратуры и топливные фильтры. Предложен критерий оценки целесообразного качества очистки топлива, определяющий требования к системе фильтрации топлива.

2. Предложена и запатентована новая конструкция секционного топливного фильтроэлемента объемного типа из деформируемых открытопористых пенополиуретанов (ППУ), обеспечивающих фильтрование с постепенным закупориванием пор, и, как следствие, повышенный ресурс до замены.

3. Дальнейшее повышение технико-экономической эффективности и качества очистки топлива можно получить созданием комбинированной системы очистки с более эффективной двухступенчатой фильтрацией топлива фильтрами объемного и поверхностного типа. Предложены варианты таких комбинаций. Разработаны математические модели процессов фильтрации топлива в топливных фильтрах грубой (ФГО) и тонкой (ФТО) очистки, а также в их комбинациях, описывающих совместную работу ФГО и ФТО по условию равной грязеемкости и ресурса.

4. Экспериментально изучены фильтрационные свойства открытопористых пенополиуретанов отечественного производства с описанием их фильтрационных показателей в зависимости от степени обжатия. Получено математическое описание гидравлических свойств, показателей эффективности и ресурса этого фильтроэлемента.

5. Сравнительными эксплуатационными испытаниями машин, оснащенных одноступенчатой и комбинированной двухступенчатой фильтрационной очисткой, установлено, что комбинированная система обеспечивает более глубокую очистку топлива от загрязнений при соизмеримых суммарных объемах средств фильтрации, при этом ресурс фильтроэлементов из ППУ более чем в два раза превышает ресурс бумажных фильтроэлементов.

6. Предложена методика расчета и проектирования комбинированной очистки топлива в топливных системах машин.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих изданиях, рецензируемых ВАК:

1. Готовцева, Т.А., Обеспечение чистоты дизельного топлива при эксплуатации машин [Текст] / Т.А. Готовцева, Э.И. Удлер, В.Д. Исаенко, П.В. Исаенко // АТП. - 2013. -№ 2. - С. 39-42 (0,5 п.л./ОДп.л.).

2. Готовцева, Т.А. Технико-экономическое обоснование эффективности топливных фильтров [Текст] / Т.А. Готовцева, Э.И. Удлер С.А., Зыков, П.В. Исаенко // Международный научный журнал. — 2013. - № 5. - С. 82-87 (0,7 п.л./0,2 пл.).

3. Готовцева, Т.А. Топливные фильтроэлементы на основе деформируемых пенополиуретанов [Текст] / Т.А. Готовцева, Э.И. Удлер, С.А. Зыков, В.Д. Исаенко // Международный научный журнал. — 2013. - № 5. — С. 87-94 (0,8 п.л./0,2п.л.).

4. Пат. 2458727 РФ, МПК ВОЮ 27/04 (2006.01). Фильтрующий элемент [Текст] / Т.А. Готовцева, Э.И. Удаер, Д.А. Макаров, П.В. Исаенко; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ТГАСУ». - № 2011109547/05; заявл. 14.03.2011; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23.-2 е.: ил.

Публикации в других изданиях:

1. Готовцева, Т.А. Требования к качеству очистки дизельного топлива в топливных системах машин [Текст] / Т.А. Готовцева, Э.И. Удаер, П.В. Исаенко // Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса: матер. II Международной научно-практической конференции. — Новокузнецк: КузГТУ, 2012.-С. 313-320 (0,6 п.л./0,2 пл.).

2. Готовцева, Т.А. Системная защита дизельного топлива от мехпримесей [Текст] / Т.А. Готовцева, Э.И. Удлер, В.Д. Исаенко, П.В. Исаенко // Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса: матер. II Международной научно-практической конференции. - Новокузнецк: КузГТУ, 2012. - С. 307-313 (0,5 п.л./0,1 пл.).

3. Готовцева, Т.А. Математические модели оценки эффективности комбинированной системы очистки топлива мобильных машин [Текст] / Т.А. Готовцева, Э.И. Удлер, В.Д. Исаенко, П.В. Исаенко // Сб. науч. трудов. -Пенза: Межотраслевой научно-информационный центр, 2013. — С. 94—98 (0,5 пл./0,1 пл.).

4. Готовцева Т.А. К вопросу снижения износа топливной аппаратуры дизелей мобильных машин [Текст] / Т.А. Готовцева, Э.И. Удаер, В.Д. Исаенко, П.В. Исаенко // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: материалы 15-й Международной научно-практической конференции. — Санкт-Петербург: Плазмоцентр, 2013. - С. 370-374 (0,5 п.л./0,2 пл.).

Подписано к печати 08.10.2013. Формат 60x84/16. Усл.-печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 931.

Отпечатано в издательском центре ФГБОУ ВПО МГАУ 127550, Москва, ул. Тимирязевская, д. 58

Минобрнауки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

На правах рукописи

04201362938

КОМБИНИРОВАННАЯ ОЧИСТКА ТОПЛИВА В ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМАХ МАШИН, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ

В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Специальность 05.20.03 - технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - кандидат технических наук,

ст. науч. сотрудник В.Д. Исаенко

Томск 2013

Содержание

Введение............................................................................................................................................5

1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследования........................................8

1.1 Общая характеристика загрязненности дизельного топлива при эксплуатации машин..................................................................................................................8

1.2 Анализ влияния загрязнений топлива на работу и надежность машин..................................................................................................................................................13

1.3 Функциональные особенности дизельного топлива......................................22

1.3.1 Требования, предъявляемые к качеству топлива........................................22

1.3.2 Требования, предъявляемые к чистоте дизельного топлива................25

1.4 Способы и средства, обеспечения чистоты топлива в топливных системах машин..........................................................................................................................26

1.5 Фильтрационная очистка топлива............................................................................31

1.5.1 Фильтрующие материалы..................................................................................................31

1.5.2 Фильтрующие элементы......................................................................................................35

1.6 Выводы. Цель и задачи исследования......................................................................40

2 Теоретические основы моделирования комбинированных систем очистки топлива............................................................................................................................43

2.1 Критерий оценки целесообразного качества очистки топлива..................................................................................................................................................43

2.2 Моделирование комбинированной системы очистки дизельного топлива................................................................................................................................................51

2.2.1 Эффективность комбинированной очистки топлива по задержке загрязнений......................................................................................................................................53

2.2.2 Влияние комбинированной системы очистки на износ топливной аппаратуры..........................................................................................................................................56

2.2.3 Ресурс фильтров в комбинированных системах очистки топлива.. 59

2.3 Фильтр повышенной эффективности для комбинированной очистки топлива............................................................................................................................63

2.4 Моделирование процессов фильтрационной очистки топлива в фильтроэлементе секционного типа..........................................................................67

2.4.1 Оценка гидравлических свойств....................................................................................67

2.4.2 Эффективность очистки топлива....................................................................................71

2.4.3 Оценка ресурса фильтроэлемента..............................................................................72

2.5 Теоретические предпосылки оптимизации комбинированной очистки топлива в топливных системах машин................................................76

2.5.1 Рекомендуемые комбинации ступеней очистки топлива........................76

2.5.2 Условия экономичности двухступенчатой комбинированной очистки топлива..............................................................................................................................77

2.6 Выводы и задачи экспериментальных исследований..............................80

3 Методика экспериментальных исследований..................................................82

3.1 Объект и предмет исследования....................................................................................82

3.2 Методики оценки загрязненных топлив..................................................................83

3.2.1 Определение дисперсного состава механических примесей..............83

3.2.2 Определение массовой концентрации загрязнений........................................85

3.2.3 Определение счетной концентрации частиц загрязнения......................87

3.2.4 Методика определения содержания воды в топливе..................................88

3.3 Методики определения характеристик пористой структуры фильтрующего материала фильтроэлемента..................................................91

3.3.1 Определение коэффициента пористости................................................................91

3.3.2 Определение коэффициента проницаемости....................................................92

3.3.3 Методика исследования гидравлических свойств фильтра..................94

3.4 Методики оценки эффективности фильтра............................................................96

3.4.1 Определение тонкости и коэффициента фильтрации..................................96

3.4.2 Определение ресурса фильтра........................................................................................97

3.5 Методика эксплуатационных испытаний..............................................................99

3.5.1 Планирование натурного эксперимента..................................................................99

3.6 Выводы..................................................................................................................................................101

4 Результаты экспериментальных исследований комбинированных систем очистки топлива..........................................................................................................102

4.1 Параметры структуры и фильтрационные свойства деформируемых пористых материалов для секционного топливного фильтроэлемента..........................................................................................102

4.1.1 Проницаемость и пористость ППУ............................................................................103

4.1.2 Качество очистки топлива....................................................................................................104

4.2 Гидравлические свойства секционного наборного

фильтроэлемента............................................................ 107

4.3 Ресурсные лабораторные испытания фильтроэлементов.......... 109

4.4 Ресурсные эксплуатационные испытания фильтроэлементов...... 111

4.5 Эксплуатационные испытания двухступенчатых комбинированных систем очистки топлива............................ 114

4.6 Влияние комбинированной очистки топлива на безотказность топливных систем машин................................................... 116

4.7 Выводы......................................................................... 127

5 Технико-экономическое обоснование выбора и проектирования

комбинированных систем очистки топлива.......................... 129

5.1 Сравнительная оценка затрат на комбинированную очистку топлива......................................................................... 129

5.1.1 Штатная система очистки (ФТО из бумаги)............................ 130

5.1.2 Комбинированная система очистки, состоящая из ФГО на основе ППУ-ЭО-13 0 и ФТО из бумаги........................................... 131

5.1.3 Комбинированная система, состоящая из ФГО и ФТО из ППУ-30-130....................................................................................................................................132

5.2 Задачи проектирования комбинированной очистки топлива в топливных системах машин. Исходные данные....................... 134

5.3 Проектирование комбинированной двухступенчатой системы фильтрационной очистки топлива....................................... 137

5.3.1 Расчет комбинации фильтроэлементов поверхностного и объемного типа............................................................... 138

5.3.2 Расчет комбинации секционных фильтроэлементов объемного типа.............................................................................. 141

5.4 Пример расчета комбинированной системы очистки топлива.... 142

5.5 Экономическая эффективность усовершенствованной топливной системы........................................................................ 147

5.6 Выводы......................................................................... 150

Общие выводы............................................................... 152

Библиографический список................................................ 154

Введение

Дальнейшее развитие агропромышленного комплекса Российской Федерации будет направлено на достижение продовольственной безопасности страны, расширение сырьевого производства при обеспечении качества сельскохозяйственной продукции.

Сельское хозяйство страны постоянно пополняется сельскохозяйственными машинами, тракторами и автомобилями, которые являются самыми массовыми потребителями дизельных топлив, производимых в РФ.

На всех этапах производства, снабжения, хранения и применения дизельного топлива в него попадают и образуются загрязнения в виде механических примесей, воды и других веществ, которые вызывают потери топлива, износы и простои машин.

Особое влияние загрязненное топливо оказывает на топливные системы машин, оснащенные прецизионной аппаратурой, вызывая повышенный износ топливных нагнетательных и подкачивающих насосов, забивку фильтров, коррозию и др. явления.

Исследованиям в области обеспечения чистоты нефтепродуктов посвящены работы Рыбакова К.В., Коваленко В.П., Удлера Э.И., Григорьева М.А., Симоненко A.A., Зыкова С.А. и других исследователей.

Большинство работ, посвященных очистке дизельного топлива в топливных системах машин, направлено на совершенствование известных гравитационных и фильтрационных средств очистки, рассматриваемых автономно.

Комбинированная фильтрационная очистка - двухступенчатая (или многоступенчатая) малоизучена, что может представлять научный и практический интерес, т.к. правильный, обоснованный подбор ступеней (фильтров грубой и тонкой очистки) может обеспечить существенное повышение эффективности комплексной очистки топлива при сохранении или снижении затрат на очистку в сравнении с одноступенчатой фильтрацией.

В связи с этим настоящая работа посвящена разработке комбинированной очистке топлива в топливных системах сельскохозяйственных машин с оптимизацией выбора параметров фильтров грубой (ФГО) и тонкой (ФТО) очистки традиционных и новых конструкций.

На основании литературного обзора сформулированы задачи теоретического и экспериментального исследования. Теоретический анализ проблемы позволил произвести математическое моделирование процессов двухступенчатой очистки топлива комбинированной фильтрацией в топливных системах машин с применением более эффективного топливного фильтроэлемента объемного секционного типа из деформируемых пенополиуретанов.

Экспериментальные лабораторные исследования подтвердили правомерность и адекватность полученных моделей. Эксплуатационные испытания показали достаточную эффективность и преимущества предлагаемой комбинированной очистки топлива в топливных системах сельскохозяйственных машин.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. На основе моделирования фильтрационных процессов предложен критерий оценки целесообразного качества очистки топлива в топливных системах машин по минимальным суммарным затратам на очистку топлива и ремонт топливной аппаратуры.

2. Получены аналитические зависимости пропускной способности, качества очистки и ресурса топливного фильтроэлемента новой конструкции из деформируемого пористого материала, обладающего повышенным ресурсом.

3. Разработаны математические модели процессов фильтрации топлива в топливных фильтроэлементах грубой (ФГО) и тонкой (ФТО) очистки, а также в их комбинациях, описывающие совместную работу ФГО и ФТО по условиям равной грязеемкости и кратного ресурса при их взаимном влиянии.

4. Разработана методика расчета и проектирования комбинированной очистки топлива в топливных системах сельскохозяйственных машин, позволяющая оптимизировать состав средств фильтрационной очистки топлива.

На защиту выносятся:

1. Критерий оценки целесообразного качества очистки топлива в топливных системах машин по минимальным суммарным затратам на очистку топлива и ремонт топливной аппаратуры.

2. Новая конструкция секционного фильтроэлемента, защищенная патентом на изобретение, выполненного из деформируемого пористого фильтроматериала и обладающего повышенным ресурсом.

3. Математические модели процессов фильтрации топлива в топливных фильтроэлементах грубой (ФГО) и тонкой (ФТО) очистки, а также в их комбинациях, описывающие совместную работу ФГО и ФТО по условиям равной грязеемкости и кратного ресурса при их взаимном влиянии.

4. Результаты экспериментальных лабораторных исследований структурных характеристик деформируемых открытопористых пенополиуретанов отечественного производства, а также результаты натурных и эксплуатационных испытаний фильтроэлементов новой конструкции на их основе.

5. Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний топливных систем машин с одноступенчатой и двухступенчатой комбинированной очистки топлива с целью оценки их работоспособности и влияния на безотказность машин.

6. Методика расчета и проектирования комбинированной фильтрационной очистки топлива в топливных системах машин.

Работа выполнена по плану программы инновационных исследований в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет» по направлению «Проблемы повышения надежности наземных транспортно-технологических средств».

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования

1.1 Общая характеристика загрязненности дизельного топлива при эксплуатации машин

Основной парк сельскохозяйственного, автотранспортного, дорожно-строительного и других комплексов состоит из мобильных машин, большая часть которых оснащена дизельными двигателями. Процесс работы двигателя машин сопряжен с подачей в камеру сгорания дизельного топлива посредством топливной системы, состоящей из топливного бака, топливных насосов (низкого и высокого давления), фильтров предварительной, грубой и тонкой очистки топлива и трубопроводов [1,2,3].

Действующий стандарт (ГОСТ 305-82) не допускает присутствие в дизельном топливе механических загрязнений (более 0.005 % по массе) и воды. Однако в товарном топливе уже на стадии отгрузки в железнодорожные цистерны может содержаться в 1 мл до 15000 твердых частиц загрязнений размером от 3 до 50 мкм и до 100 г воды на одну тонну топлива [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и др]. Однако качественное и количественное содержание загрязнений в дизельном топливе на всем его «жизненном пути» может значительно различаться - это зависит от районов потребления, способов хранения и других факторов, что следует из результатов работ Барышева В.П., Григорьева М.А., Кадырова С.М., Коваленко В.П., Рыбакова К.В., Удлера Э.И. и других ученых [8, 9, 11, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20,21].

В качестве примера в таблице 1.1 и 1.2 приведены данные по загрязненности дизельного топлива в зависимости от географического расположения места потребления и способов хранения.

Таблица 1.1

Загрязненность дизельного топлива в отдельных регионах [8]

Место отбора пробы Содержание механических примесей, % (масс)

Ростовская обл. Московская обл. Оренбургская обл. Узбекская ССР Алтайский край Владимирская обл.

Нефтебаза 0.0009 0.0006 0.001 0.00227 0.001 0.00268

Нефтебаза совхоза 0.0025 0.0058 0.0018 0.00306 0.0028 0.00336

Склад тракторной бригады 0.00401 0.0067 0.0026 0.00825 0.0057 0.00856

Бак трактора (донная проба) 0.022 0.0327 0.009 0.016 0.0096 0.0125

Таблица 1.2

Баланс загрязненности дизельного топлива на складах потребителей [22]

Потребитель Климатическая зона Среднее содержание загрязнений, % (масс)

В цистерне При хранении При выдаче При заправке

С/х предприятие Средняя 0,002 0,001 0,011 0,019

То же Южная 0,0034 0,0011 0,0015 0,003

Тепловозные депо 0,0045 0,0008 0,004 0,0013

Авторы работ [13, 23, 24] показывают, что в баках машин сельхозназначения, имеющих достаточно большую наработку, размер частиц может достигать 500 мкм, однако до 90-95 % составляют частицы размером до 45-50 мкм. В других работах [15, 16, 25] также показано, что если на этапе производства

нефтепродуктов содержание в них загрязнений может составлять до 0,004 % (масс), то в процессе транспортирования, хранения и использования загрязнения могут превышать это количество в десятки и сотни раз.

Следует отметить, что одной из причин высокого содержания загрязнений механического характера в топливных баках является высокая запыленность атмосферного воздуха в зоне работы машин. Например [26], при выполнении технологических работ запыленность воздуха у воздухозаборника может колебаться от 0.3 до 1.5 г/м в зависимости от конструктивного расположения топливного бака. При отсутствии или неработоспособном состоянии средств защиты баков в них поступает огромное количество пыли во время «малого дыхания». Поэтому и на выходе из бака дизельное топливо может иметь высокую концентрацию загрязнений как по массе, так и по гранулометрическому составу, что требует тщательной его очистки топливными фильтрами, конструктивно предусмотренными у машин для обеспечения требования ГОСТ 305-82 [1, 7, 23 и др.].

Между массовым содержанием механических примесей, содержащихся в топливе, и их гранулометрическим составом существует определенная корреляционная связь. Причем состав частиц носит полидисперсный характер и обладает известной стабильностью независимо от места и способа хранения. Например, из таблицы 1.3 следует, что при хранении топлива на нефтебазах содержанию загрязнений С=0,00254 % (масс) соответствует 31330 шт/мл.

К сожалению, проблема обеспечения необходимой чистоты дизельного топлив