CC BY
26
УДК 629.424.1 : 66.067.1
РЯБКО К.А., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) РЯБКО Е.В., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Фильтрация масла тепловозных дизелей
Ryabko K.A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DRTI) Ryabko E.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DRTI)
Filtration of oil of diesel engines
Введение
Применяемые в настоящее время агрегаты очистки масла в тепловозных дизелях можно классифицировать по схеме их включения в циркуляционную масляную систему и по физической
сущности протекающего в них процесса очистки масла. Классификация агрегатов очистки масла приведена на рис. 1 [1]. По схеме включения в циркуляционную масляную систему агрегаты очистки подразделяются на частичнопоточные и полнопоточные.
Рис. 1. Классификация агрегатов очистки масла тепловозных дизелей Сборник научных трудов ДОНИЖТ, 2019 № 55
Частичнопоточные агрегаты
очистки включаются в циркуляционную систему смазки параллельно (на ответвлении) и очистке в них подвергается незначительная часть масла, которая идет на смазку деталей. Очищенное масло направляется в картер дизеля или циркуляционный масляный бак, где смешивается с отработанным маслом, улучшая его свойства. Для пропуска определенного количества масла с циркуляционной системы на очистку необходимы дополнительные устройства, например, калиброванное отверстие.
Полнопоточные агрегаты очистки включаются в циркуляционную масляную систему последовательно. При этом все масло, которое идет на смазку деталей, подвергается очистке. Большинство полнопоточных агрегатов очистки оборудуются перепускными клапанами, через которые, в случае значительного увеличения
гидравлического сопротивления, часть неочищенного масла проходит в магистраль смазки.
По физической сущности процесса очистки масла от загрязнений, агрегаты очистки можно подразделить на фильтры и силовые очистители [ 1].
В фильтрах очистка масла осуществляется путем пропускания (фильтрации) его через фильтрующую перегородку, изготовленную из различных материалов: металлических сеток, набора металлических пластин, тонкослойных и толстослойных волокнистых и полимерных материалов, металлокерамики. В зависимости от степени очистки масла различают: фильтры-маслоприемники, отделяющие доли примесей с размерами более 250 мкм; фильтры грубой очистки, удаляющие частицы примесей с размерами более 50 мкм; фильтры тонкой очистки удаляют частицы
примесей с размерами более 5.. .10 мкм. При фильтровании загрязнения оседают на фильтрующей перегородке фильтра [1].
В силовых очистителях очистка масла от примесей реализуется под действием гравитационных,
центробежных, магнитных и других сил. В зависимости от природы сил, действующих на частицы загрязнений, различают: гравитационные,
центробежные, магнитные,
электростатические, химические,
ультразвуковые очистители.
Основным преимуществом
силовых очистителей перед фильтрами является отсутствие в них сменного фильтрующего элемента. Недостатками являются дополнительные затраты энергии, повышенная сложность конструкции и стоимость изготовления.
Анализ последних исследований и публикаций
Анализ литературных источников показал, что фильтрация масла тепловозных дизелей имеет ряд особенностей. Одним из основных видов износа деталей дизелей является абразивный износ. От качества фильтрации дизельного масла в большей степени зависит наличие в нем абразивных примесей. В связи с этим актуальными являются исследования по изучению процесса очистки масла тепловозных дизелей в фильтрах.
Цель работы
Выполнить анализ тепловозных агрегатов очистки масла и привести методику определения параметров пористой среды полнопоточного фильтра тепловозного дизеля, позволяющую выполнить оценку
возможности применения
перспективных фильтрующих
элементов.
Основная часть
В настоящее время заметна тенденция к интенсификации рабочего процесса в дизелях. Это увеличивает удельные давления и
теплонапряженность основных деталей дизеля, ухудшает условия работы масла.
При работе в тяжелых условиях в масле происходят физико-химические процессы, приводящие к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Кроме того, в циркулирующее масло поступают твердые частицы износа, лаковые пленки, посторонние примеси, которые при попадании на детали дизеля вызывают абразивный износ. В настоящее время на базе многочисленных исследований [2-4] сложилось мнение, что одним из основных видов износа деталей дизелей является абразивный износ. Поэтому для надежной защиты дизеля от попадания в него вместе с циркуляционным маслом вредных примесей применяется: непрерывная очистка масла и периодическая очистка масла.
Непрерывная очистка
циркуляционной смазки применяется на всех без исключения тепловозных дизелях. Используется три системы непрерывной очистки циркуляционной смазки: частичнопоточная,
полнопоточная, комбинированная.
Наиболее широкое
распространение получила
комбинированная система очистки, которая характеризуется наличием различных ступеней очистки, то есть многоступенчатостью. Такая
многоступенчатость обеспечивает
достаточно надежную защиту деталей
дизеля от попадания на них опасных частиц загрязняющих примесей. Существуют грубые и тонкие ступени очистки циркуляционной смазки. Ступень грубой очистки выполняет предохранительную функцию: масло в этом случае освобождается от частиц загрязнений с размерами более 50 мкм. В ступени тонкой очистки масло очищается от частиц загрязнений с размерами более 5.10 мкм.
Периодическая очистка масла применяется на мощных судовых и стационарных дизелях. Она включает в себя сепараторы тонкой очистки масла, которые включаются в работу периодически через определенное время. Как правило, агрегаты периодической очистки масла автономные. Они не включены в циркуляционную масляную систему тепловозного дизеля, но
функционируют вместе с агрегатами непрерывной очистки масла.
Агрегаты очистки должны удовлетворять следующим
требованиям: невысокая стоимость; технологичность конструкции; малые габариты и малый вес; максимальная грязеемкость; безотказная (в пределах технически обоснованного срока службы масла до замены) работа без обслуживания (очистки и замены фильтрующих элементов); стабильная (по времени) и надежная очистка масла от твердых частиц загрязнений с размерами более 5.10 мкм;
эффективное отделение жидких продуктов старения масла и воды при минимальном отделении от масла присадок; минимальный объем работ по обслуживанию (быстрая, не требующая сложных операций восстановления очистных свойств, замена
фильтрующих элементов или очистка от отложений) обеспечение постоянной пропускной способности и
минимального гидравлического
сопротивления в течение длительного времени эксплуатации; наличие автоматической защиты от
повышенного перепада давления и сигнализации по загрязнению; взаимозаменяемость с другими типами агрегатов очистки (не только отечественного, но и зарубежного производства).
На тепловозных дизелях в качестве основных применяются два метода очистки циркулирующего масла: фильтрации и центрифугирование. Эти два метода применяются при частичнопоточном и полнопоточном включениях агрегатов очистки в циркуляционную масляную систему. Исключение составляют фильтры грубой очистки масла, через которые, согласно их назначения, пропускается весь поток масла, поступающего на смазку деталей тепловозного дизеля.
Общим требованием включения в систему агрегатов очистки является обеспечение допустимого значения вязкости масла, поступающего в тот или иной агрегат очистки. Практически это требование в тепловозных дизелях обеспечивается температурой масла, которую желательно поддерживать в пределах 70...90 °С, что соответствует вязкости большинства дизельных масел (20 сСт и более). Также немаловажным требованием является исключение поступления воздуха (картерных газов) вместе с маслом в агрегаты очистки. Последнее имеет меньшее значение для фильтров грубой очистки [5, 6].
После детального анализа агрегатов очистки масла тепловозных дизелей рассмотрим непосредственно процесс его фильтрации, от протекания которого в большей степени зависит применение различных схем очистки.
Фильтрация - это процесс разделения суспензии на жидкую и
твердую фазы при прохождении этой жидкости через пористую среду. Разделение неоднородных систем на жидкую и твердую фазы происходит в фильтрах с помощью фильтрующих элементов, изготовленных из пористых материалов. Отличительной
особенностью пористой среды является наличие сквозных пор, через которые протекает жидкость, а твердые частицы суспензии с размерами большими или равными размеру сквозных пор в поперечном сечении задерживаются на поверхности или в порах.
Пористую среду имеет большое количество соединенных друг с другом пустот и каналов различной конфигурации и размеров. Примером пористых сред, применяемых при фильтровании циркуляционных масел, может служить войлок, фетровые материалы, металлокерамические
материалы, различные бумаги, полимерные материалы и т.п. В соответствии с рекомендациями Мейнгольда [7, 8] пористые среды по типу порового пространства, которое они содержат, можно подразделить на пустоты, капилляры и форс-пространства. Пустоты
характеризуются тем, что при фильтровании стенки не оказывают значительного влияния на
гидродинамические явления,
происходящие внутри них. Капилляры характеризуются тем, что в процессе фильтрования стенки оказывают значительное влияние на
гидродинамические процессы внутри них, но молекулярная структура фильтруемых жидкостей не
учитывается. Форс-пространства
характеризуются тем, что в процессе фильтрования стенки оказывают значительное влияние на
гидродинамические процессы внутри них с учетом молекулярной структуры фильтрованной жидкости.
Как видно из рисунка 2, поры в пористой среде могут быть: сквозные, через которые проходит фильтруемая жидкость, слепые, заканчивающиеся внутри пористой среды; внутренние
(глухие), не сообщающиеся с внешней поверхностью пористой среды. Кроме того, поры могут быть подразделены на упорядоченные, неупорядоченные или соединённые друг с другом.
Рис. 1. Схема элемента пористой среды полнопоточного фильтра масляной системы тепловоза
Пористая среда характеризуется рядом геометрических свойств [7, 8].
Пористость - отношение объема пустот к общему объему пористой среды характеризуется коэффициентом пористости:
т =
V
V
(1)
где V] - объём пустот;
V - объем пористой среды (тела). Пористость выражается в процентах или в долях. Объем пористой среды определяется как:
V = V + Vм
м ■
(2)
где Vм - объем собственно материала пористой среды.
Внутренняя пористость -отношение объема внутренних пор к объему пористой среды. Она характеризуется коэффициентом
внутренней пористости:
т =
v1_
V'
(3)
где V2 - объем внутренних пор.
Внешняя пористость это отношение суммарного объема сквозных и слепых пор к объему пористой среды. Она характеризуется коэффициентом внешней пористости:
т2 =
Уз + V V
где
У3 - объем сквозных пор;
У4 - объем глухих пор. Общий объем пор определить как:
(4)
можно
При определении параметров фильтрации считают, что жидкость полностью заполняет поры
фильтрующего материала. При этом расход жидкости через элементарную площадку должен быть равен действительному расходу. Скорость фильтрования дизельного масла тепловоза через пористую среду, определяется по формуле:
А0
(6)
VI = У2 + Уз + У4.
(5)
Если фильтрование возможно только при участии сквозных пор, то под понятием пористости понимают внешнюю пористость, которая характеризуется коэффициентом т2.
Геометрически невозможно
описать пористую среду, то есть трудно найти такую функцию, которая описала бы поверхность, состоящую из системы пор. Поэтому структуру пор следует принимать произвольно, в зависимости от того, какие свойства поверхности необходимо описать. При этом все свойства этой поверхности описать практически невозможно.
При определении размера пор удобно пользоваться геометрическим параметром - диаметром поры. Более правильным является понятие о трубчатообразной форме поры. Только в сечении трубок можно получить диаметр, но это чисто условное понятие, так как в действительности концентрическая окружность в сечении не получается. В связи с чрезвычайной сложностью поровой структуры трудно найти закономерность в распределении пор. Поэтому скорость течения фильтруемой жидкости в любое время определить практически невозможно.
где \ф - средняя скорость протекания
жидкости через пористую среду с площадью А£;
АQ - действительный расход фильтруемой жидкости через площадь
М.
Допуская, что поры равномерно распределены по объему фильтров, что характеризуется коэффициентом
пористости т2, среднюю скорость масла в порах можно определить по формуле:
АQ
п т •ДО
(7)
где \ф - средняя скорость жидкости в
порах в границах площадки А5.
Данная зависимость известна как гипотеза Дюпюи-Форхгеймера [7, 8]. Сравнивая уравнения (6) и (7), получаем, что средняя скорость течения дизельного масла в фильтре определяется по формуле:
^ф = т
(8)
Дальнейшим направлением
исследований является анализ процесса фильтрации в пористой среде полнопоточного фильтра тепловозного
V
п
дизеля с учетом особенности уменьшение диаметра пор в результате адсорбции твердых частиц к стенкам поровых каналов.
Выводы
Выполнен анализ тепловозных агрегатов очистки масла, которые можно классифицировать по схеме включения в циркуляционную масляную систему и по физической сущности протекающего в них процесса фильтрации.
Рассмотрены параметры процесса фильтрации дизельного масла, от которых в большей степени зависит применение различных схем очистки. Отличительной особенностью пористой среды полнопоточных фильтров тонкой очистки дизельного масла тепловозов является наличие сквозных пор, через которые протекает жидкость, а твердые частицы суспензии с размерами большими или равными размеру сквозных пор в поперечном сечении задерживаются на поверхности или в порах.
Приведенная методика
определения параметров пористой среды полнопоточного фильтра тепловозного дизеля позволит выполнить оценку возможности применения перспективных
фильтрующих элементов.
Список литературы:
дизелеи и пути повышения их надёжности / Л.Б. Леонтьев,
A.Л. Леонтьев, В.Н. Макаров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - 2016. -№ 1(35). - С. 129-138.
3. Овчаренко С.М. Моделирование процесса накопления продуктов износа в моторном масле тепловозного дизеля Д49 / С.М. Овчаренко, В.А. Минаков // Известия Транссиба. - 2014. -№ 3(19). - С. 31-36.
4. Сковородников Е.И. Метод безразборного контроля величины износа трущихся деталеИ тепловозных дизелеи / Е.И. Сковородников, С.М. Овчаренко // Наука и техника транспорта. - 2006. - № 2. - С. 64-73.
5. Волков А.В. Новыи метод расчета тонкости отсева дизельных фильтров / А.В. Волков, Р.А. Дьяков,
B.В. Перелынтейн // Двигателестроение, 1982. - №6. - С. 2930.
6. Венцель Е.С. Улучшение качества и повышение сроков службы нефтяных масел / Е.С. Венцель,
C.Г. Жалкин, Н.И. Данько. - Харьков: УкрГАЖТ, 2003. - 168 с.
7. Удлер Э.И. Фильтрующие топливно-масляные элементы из бумаги и картона / Э.И. Удлер, В.И. Зуев. -Томск: Изд-во Том. Ун-та, 1983. - 140 с.
8. Удлер Э.И. Фильтрация углеводородных топлив. - Томск: Изд-во Томск. Ун-та, 1981. - 152 с.
1. Григорьев М.А. Очистка масла в двигателях внутреннего сгорания / М.А. Григорьев. - М.: Машиностроение, 1983. - 147 с.
2. Леонтьев Л. Б. Влияние эксплуатационных факторов на отказы подшипников скольжения коленчатых валов судовых среднеоборотных
Аннотации:
В статье выполнен анализ системы фильтрации дизельного масла тепловозов. Рассмотрена классификация агрегатов очистки масла. Приведена методика определения параметров пористой среды полнопоточного фильтра тепловозного дизеля, коэффициенты внутренней и внешней пористости, общий
объем пор, скорость фильтрования дизельного масла тепловоза через пористую среду, средняя скорость масла в порах, средняя скорость течения дизельного масла в фильтре. Данная методика позволит выполнить оценку возможности применения перспективных фильтрующих элементов.
Ключевые слова: тепловоз, дизель, масляная система, фильтрация, пористость
The article analyzes the diesel engine oil filtration system. The classification of oil
purification units is considered. The methodology for determining the parameters of the porous medium of a full-flow diesel filter, the coefficients of internal and external porosity, the total pore volume, the speed of filtering diesel oil of a diesel locomotive through a porous medium, the average speed of oil in the pores, and the average flow rate of diesel oil in the filter are presented. This technique will allow you to evaluate the possibility of using advanced filter elements.
Keywords: diesel locomotive, diesel, oil system, filtration, porosity
УДК 622.532:629.4.02
ЛАХИН А.М., к.т.н., доцент (Донецкий национальный технический университет) ПАЛАМАРЧУК Т.Н., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного
транспорта)
Принципы и схемы построения унифицированного типоразмерного ряда цетробежных насосов блочно-модульной конструкции с расширенной экономичной и бескавитационной рабочей зоной
Lahin A.M., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DONNTU) Palamarchuk T.N., Senior Lecturer (DRTI)
Principles and schemes for constructing a unified standard-size range of centrifugal pumps of a modular design with an expanded economical and cavitation-free working area
Введение
Главным требованием при создании нового типа лопастного насоса для систем водоснабжения, насосных установок ТЭС и АЭС, водоотливных комплексов шахт и рудников, систем заводнения нефтяных пластов и перекачивания товарной нефти, систем охлаждения ДВС и др. является обеспечение его высокой
экономичности на строго заданном, расчетном режиме. Этот базовый принцип конструирования приводит к
тому, что к уже существующему типовому ряду насосов добавляются новые машины, проектирование и изготовление которых предопределят значительные капитальные и
эксплуатационные затраты.
Насосные установки этих систем требуют периодического изменения их режимов работы. Например, рабочие подачи водяных насосов систем охлаждения тепловозных дизелей, относительно номинального значения подачи Qном, могут меняться в широких пределах - от 0,2 до 1,2^ном.
