CC BY
30
УДК 621.85:629.114.2.02
УЛУЧШЕНИЕ РЕЖИМА СМАЗКИ ДЕТАЛЕЙ ТРАНСМИССИИ ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА
И. А. Спицын, доктор техн. наук, профессор;
А. А. Орехов, канд. техн. наук, доцент; М. В. Чушкин, инженер
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8 (841) 628-561, е-таіі: spicn@mail.ru
Описана конструкция теплового аккумулятора фазового перехода, предназначенного для улучшения режима смазки деталей трансмиссии, установка, методика и результаты лабораторных исследований его работоспособности.
Ключевые слова: трансмиссия, масло, температура, износ, тепловой аккумулятор фазового перехода, работоспособность.
При эксплуатации тракторов и автомобилей большое значение уделяется поддержанию соответствующих тепловых режимов в различных функциональных системах. Это связано с непрерывным повышением энергонасыщенности современных машин и их всесезонным использованием в различных климатических зонах страны. Большинство функциональных систем трактора и автомобиля в процессе эксплуатации в той или иной степени нагреваются и выделяют тепло в окружающую среду. С другой стороны, при низких температурах окружающей среды увеличивается износ деталей трансмиссии и часто оказывается невозможным использование машин без специальной подготовки, особенно после их длительной стоянки [1-5].
Рациональная температура работы трансмиссионного масла составляет +70...80 °С. Но эта температура устанавливается через 2.3,5 часа работы трактора [6-7]. Таким образом, улучшение показателей трансмиссии, особенно при низких температурах окружающего воздуха, возможно за счет сокращения продолжительности прогрева масла до рабочих температур путем предпускового подогрева и обеспечения нужного теплового состояния трансмиссии во время работы [8].
В настоящее время в нашей стране и за рубежом начат выпуск тепловых аккумуляторов фазового перехода (ТАФП), предназначенных для предпускового разогрева двигателей и отопления салона (кабины) транспортного средства при неработающем двигателе и условиях низких температур окружающего воздуха. Такие ТАФП небольшими партиями производит российская компания «АвтоПлюсМади» (г. Москва) под названием «устройство облегчения пуска автомобильного двигателя» для бен-
зиновых и дизельных двигателей с рабочим объёмом до 4,0 л. Известны также ТАФП объёмом 4,6; 5,0; 7,5; 9,0 л, выпускаемые по лицензии канадской фирмой «CENNAUR Thermal Systems Ine».
Анализ конструкций ТАФП показал, что они используются только для разогрева охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателей и не решают задачи разогрева трансмиссионного масла в смазочных системах трансмиссий. Для решения этой проблемы нами предлагается тепловой аккумулятор фазового перехода [9].
ТАФП (рис. 1) представляет собой теплообменный аппарат, состоящий из наружного 1 и внутреннего 2 корпусов, между которыми располагается слой тепловой изоляции 3. Во внутреннем корпусе 2 располагаются трубопроводы-змеевики с охлаждающей жидкостью 5 и трансмиссионным маслом 6, соединенные с резервуаром 4 и имеющие входной и выходной патрубки, причём на входном патрубке трубопровода-змеевика 6 установлены насос 8 для подачи трансмиссионного масла из картера коробки передач (КП) и датчик температуры, свободное пространство внутреннего корпуса 2 заполнено фазопереходным теплоаккумулирующим материалом 7.
Рис. 1. Тепловой аккумулятор фазового перехода
Работа ТАФП осуществляется следующим образом. При работе ДВС охлаж-
92 Технические науки
дающая жидкость циркулирует через трубопровод-змеевик 5, отдавая часть своей тепловой энергии теплоаккумулирующему материалу 7, который, нагреваясь в твердой фазе до температуры плавления, плавится, а затем нагревается в жидкой фазе до определённой температуры, при которой происходит тепловое равновесие между ним и охлаждающей жидкостью в трубопроводе-змеевике 5, одновременно происходит подогрев трансмиссионного масла в трубопроводе-змеевике 6 и резервуаре 4. Аккумулирование теплоты осуществляется за счет наличия в конструкции ТАФП слоя тепловой изоляции 3.
При прогреве двигателя после остановки насос 8, приводимый в работу от бортовой электрической сети мобильной техники, осуществляет прокачку холодного масла из картера КП в трубопровод-змеевик 6 и подаёт подогретое масло из резервуара 4 в картер КП. В процессе теплообмена замещаемого трансмиссионного масла с теплоаккумулирующим материалом последний претерпевает обратимый фазовый переход из жидкого состояния в твердое, отдавая трансмиссионному маслу скрытую теплоту кристаллизации. При достижении температуры трансмиссионного масла в картере коробки передач +70 оС установленный температурный датчик 10 подаёт сигнал на заслонку 9, которая перекрывает циркуляцию масла. Одновременно осуществляется прокачка охлаждающей жидкости из радиатора системы охлаждения ДВС через трубопровод-змеевик 5, которая в свою очередь нагревается до рабочей температуры двигателя.
Наличие в трубопроводе-змеевике 6 резервуара 4 позволяет при пуске двигателя после длительной остановки обеспечить подачу подогретого трансмиссионного масла в картер КП, что позволяет сократить время его разогрева до рациональной тем-
пературы и, следовательно, уменьшить износ деталей КП.
Широкое использование тепловых аккумуляторов возможно в том случае, если их стоимость минимальна, а эффективность (равномерность теплоотдачи, КПД и др.) максимальна. Главную роль в повышении эффективности играют аккумулирующие материалы, так как все остальное оборудование для теплового аккумулирования является вторичным и зависит от способа аккумулирования тепла [10].
Наиболее используемые вещества и материалы для теплового аккумулирования бывают следующих типов: теплоемкостного типа, фазопереходного типа и вещества, претерпевающие химические преобразования. Наиболее привлекательными являются вещества, претерпевающие фазовые превращения, так как они обладают скрытой теплотой фазовых переходов. Примеры использования плавящихся веществ в тепловых аккумуляторах показывают, что запасы теплоты в таких установках могут быть на порядок выше, чем при использовании веществ, не претерпевающих фазовых превращений [11].
На основании исследований в качестве теплоаккумулирующего вещества нами выбрана гидроокись бария (Ва(ОН)8Н20), имеющая температуру фазового перехода Тф= 78 оС и темп охлаждения в 1,4.1,8 раз меньше, чем едкий натрий и тригидрат ацетата натрия [12].
Исследование работоспособности ТАФП проводили на лабораторной установке [13].
В емкости 3 охлаждающая жидкость нагревалась электронагревателем 2, посредством лабораторного автотрансформатора типа ЛАТР 1, до температуры 90±2 °С. Затем по трубопроводу 6 охлаждающая жидкость центробежным водяным насосом 4 с приводом от электродвигателя 5 подавалась в ТАФП 7 через трубопроводы-зме-
її
в
ї2
Рис. 2. Установка для исследования работоспособности ТАФП
Нива Поволжья № 1 (22) февраль 2012 93
евики 5 (рис. 1), где происходил нагрев фазопереходного теплоаккумулирующего материала (ФТАМ). Масло из емкости 8 (рис. 2) поступало в редуктор 13, затем гидронасосом 9 с приводом от электродвигателя 10 по трубопроводу 6 подавалось также в ТАФП через трубопроводы-змеевики 6, где происходил его нагрев. Температура ФТАМ и температура масла регистрировали потенциометром 12 с хромель-копелевыми термопарами 11 (рис. 2).
Исследование работоспособности ТАФП проходило в 3 этапа. На первом этапе (зарядка ТАФП) проводился нагрев теплоаккумулирующего вещества (гидроокиси бария) с помощью циркулирующей через тепловой аккумулятор воды, температура которой равнялась +90±2°С. При этом фиксировалось время нагрева гидроокиси бария до температуры +80±2°С, при которой она переходила в жидкую фазу и наиболее оптимально аккумулировала тепловую энергию.
На втором этапе включался гидронасос и через уже заряженный тепловой аккумулятор, начинало циркулировать трансмиссионное масло тМ-2-18 (ТЭп-15 ГОСТ 23652-79) до достижения установившейся температуры. На данном этапе фиксировали время нагрева и значение установившейся температуры масла.
На третьем этапе фиксировалось время самоохлаждения гидроокиси бария.
Было проведено 3 опыта по три серии в каждом для объема трансмиссионного масла 40 литров (это соответствует его объему в картере трансмиссии трактора МТЗ-80) при различных начальных температурах окружающего воздуха до достижения установившейся температуры масла.
При исследовании работоспособности ТАФП в лабораторных условиях было установлено, что подзарядка теплоаккумуля-тора занимала в среднем 65±15 минут. Динамика температуры трансмиссионного масла в ёмкости 8 при различных температурах окружающего воздуха представлена на рисунке 3.
При начальной температуре окружающего воздуха -10 °С через 20 мин разогрева температура трансмиссионного масла равнялась +12 °С, а через 120 мин - +48 °С, затем стабилизировалась. При 0°С через 20 мин разогрева температура масла равнялась +22 °С, а через 120 мин - +50 °С. При +10 °С через 20 мин разогрева температура масла равнялась +26 °С, а через 120 мин - +55 °С, затем стабилизировалась.
Во время проведения исследований через тепловой аккумулятор продолжала
циркулировать вода, в результате чего температура фазопереходного теплоаккумулирующего вещества в ТАФП оставалась на уровне +80±2 °С.
Рис. 3. Динамка температуры трансмиссионного масла при различных температурах окружающего воздуха:
1 - при Тов=-10 °С:
Тм = -8,5606 +1,0006г -0,00646г2+0,0000161 г3;
2 - при Тов=0 °С:
Тм=1,80303+0,916468г -0,00639г2+0,0000167г3;
3 - при Тов=+10 °С:
Тм =11,4697+0,592857 г -0,00237 г2+0,00000284 г3
После зарядки ТАФП тепловая энергия сохранялась довольно продолжительное время, за 24 часа температура теплоаккумулирующего вещества с +80±2 °С снижалась до +70±2 °С при температуре окружающего воздуха +10°С. При температуре окружающего воздуха -10 °С за тот же промежуток времени температура теплоаккумулирующего вещества снижалась с +80±2 °С до +65±2 °С. В реальных условиях эксплуатации трансмиссий тракторов, оборудованных ТАФП, предполагается са-моразогрев трансмиссионного масла за счет его барботирования зубчатыми колесами коробки передач, что позволит сократить время его разогрева до рациональных значений температуры (+60...+75 °С) [8].
Итак, при исследовании работоспособности ТАФП было установлено, что при отрицательной начальной температуре окружающего воздуха температура трансмиссионного масла достигала положительных значений уже через 10 мин работы установки. Следовательно, ТАФП вполне работоспособен и способствует повышению температуры масла в начальный период и улучшению режима смазки деталей трансмиссии, что, согласно имеющимся данным [14-16 и др.], позволит повысить технический ресурс ее агрегатов и топливную экономичность трактора в связи с уменьше-
94 Технические науки
нием затрат мощности на привод деталей трансмиссии
Литература
1. Пасечников, Н. С. Эксплуатация тракторов в зимнее время / Н. С. Пасечников, И. В. Болгов. - М.: Россельхозиздат, 1972.
- 143 с.
2. Цуцоев, В. И. Эксплуатация сельскохозяйственной техники зимой / В. И. Цу-цоев. - М.: Колос, 1981. - 191 с.
3. Цуцоев, В. И. Зимняя эксплуатация тракторов и автомобилей / В. И. Цуцоев. -3-е изд., доп. - М.: Моск. рабочий, 1983. -111 с.
4. Чешуин, Л. В. Исследование температурных режимов работы ступенчатых трансмиссий тракторов типа «Беларусь» в условиях зимней эксплуатации: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Л. В. Чешуин. -Барнаул, 1970. - 27 с.
5. Кисленко, А. К. Исследование влияния температурных режимов смазки на эксплуатационные параметры ступенчатых трансмиссий гусеничных тракторов класса 4 тонны в условиях зимней эксплуатации: автореф. дис. . канд. техн. наук / А. К. Кисленко. - Омск, 1973.- 33 с.
6. Орехов, А. А. Оценка температурных условий работы масел в агрегатах трансмиссий тракторов / А. А. Орехов, И. А. Спи-цын, П. А. Власов // Современные проблемы науки в АПК: материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и специалистов сельского хозяйства. - Пенза, 1999. -С. 31-33.
7. Матвеев, В. В. Исследование температурного режима масла в трансмиссиях тракторов при эксплуатационных условиях / В. В. Матвеев, В. Ф. Плаксин, Г. А. Ленивцев, В. Ф. Глазков // Исследование режимов смазки трансмиссий сельскохозяйственных тракторов: Известия Куйбышевского СХИ. - Куйбышев, 1971. - Т. 30, вып. 3.
- С. 88-91.
8. Терморегулирование топливно-смазочных материалов в системах мобильных машин / Под ред. П. А. Власова, А. П. Уха-нова, И. А. Спицына. - Пенза: РИО ПГСХА, 2001. - 140 с.
9. Пат. 65190 111 Ри, МПК Р 24 Н 7/00. Тепловой аккумулятор фазового перехода / М. В. Чушкин, И. А. Спицын, А. А. Орехов (Ри).
- № 2007113321/22; заявлено 09.04.2007; опубл. 27.07.2007, Бюл. № 21. - 3 с.
10. Левенберг, В. Д. Аккумулирование тепла / В. Д. Левенберг, М. Р. Ткач, В. А. Голь-дрем. - Киев: Техника, 1991. - 112 с.
11. Колесниченко, И. П. Выбор теплоаккумулирующих веществ / И. П. Колесниченко // Техника в сельском хозяйстве. - 2005.
- № 4. - С. 10-13.
12. Спицын, И. А. К вопросу применения теплового аккумулятора фазового перехода в трансмиссиях тракторов / И. А. Спи-цын, А. А. Орехов, М. В. Чушкин // Нива Поволжья. - 2007. - № 4(5). - С. 43-47.
13. Пунин, А. В. Установка для исследования работоспособности теплового аккумулятора фазового перехода / А. В. Пу-нин, М. В. Чушкин, А. А. Орехов, И. А. Спицын // Сб. материалов науч. студ. конф. -Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - С. 184-185.
14. Масло подогреешь - топливо сэкономишь / П. А. Власов, И. А. Спицын, С. В. Аша-ков, А. А. Орехов // Сельский механизатор.
- 2000. - № 3. - С. 2, 25.
15. Орехов, А. А. Влияние температуры трансмиссионного масла на топливную экономичность дизеля / А. А. Орехов, П. А. Власов, И. А. Спицын // Материалы 46-й научно-технической конф. молодых учёных и студентов инженерного факультета. -Пенза: РИО ПГСХА, 2001. - С. 43-44.
16. Чехманов, А. П. Методика и результаты определения потерь мощности в трансмиссиях тракторов в условиях стендовых испытаний / А. П. Чехманов, И. А. Спи-цын, А. А. Орехов // Материалы 46-й научно-технической конф. молодых учёных и студентов инженерного факультета. - Пенза: РИО ПГСХА, 2001. - С. 27-28.
Нива Поволжья № 1 (22) февраль 2012 95
