CC BY
21
УДК: 621. 431. 74-729. 3
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОГО МАСЛЯНОГО ФИЛЬТРА, ФУНКЦИОНИРУЮЩЕГО В СОСТАВЕ КОМПЛЕКСА «ДИЗЕЛЬ-
ТОПЛИВО-МАСЛО»
Кича Г. П. , д. т. н. , профессор, заведующий кафедрой «Судовые двигатели внутреннего сгорания», ФГБОУВО «Морской государственный университет им. адм. Г. И. Невельского», e-mail: Kicha@msun. rn
Семенюк Л. А. , аспирант кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания», ФГБОУ ВО «Морской государственный университет
им. адм. Г. И. Невельского»
Таращан Н. Н. , к. т. н. , доцент кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания», ФГБОУ ВО «Морской государственный
университет им. адм. Г. И. Невельского»
Приведены результаты оптимизации по экономическому критерию параметров комбинированного фильтра при очистке моторного масла в судовых дизелях разной форсировки. Учтено влияние на выбор оптимальной тонкости отсева полнопоточной секции комбинированного фильтра интенсивности байпасного фильтрования масла, уровня форсировки дизеля, качества и моторных свойств применяемых горюче-смазочных материалов. Оптимизация параметров комбинированного масляного фильтра осуществлена по условию минимизации эксплуатационных расходов, связанных с эффективностью функционирования системы очистки масла в дизелях.
Ключевые слова: оптимизация фильтра, моделирование, фильтрование, комбинированная очистка масла, система смазки.
PARAMETER OPTIMIZATION FOR COMBINED LUBRICATION FILTER AS FUNCTIONING WITHIN «DIESEL ENGINE-FUEL OIL-LUBE OIL» COMPLEX
Kicha G. , Doctor of Techniques, professor, head of the Marine Internal Combustion Engines chair, FSEIHE «Maritime State University named
after admiral G. I. Nevelskoi»
Semeniuk L. , the post-graduate student, Marine Internal Combustion Engines chair, FSEI HE «Maritime State University named after admiral
G. I. Nevelskoi»
Tarashchan N., Ph. D., associate professor Marine Internal Combustion Engines chair, FSEI HE «Maritime State University named after admiral
G. I. Nevelskoi»
The outcomes of optimization, as per economic criterion, of combined lubrication filter parameters when purifying engine oil in marine Diesel engines of various extent of boosting have been given. The impact of the intensity of by-pass oil filtering, extent of engine boosting, quality and engine properties of deployed combustible and lubricating materials on the selection of optimum filter rating of the full-flow section of combined filter has been taken into account. The combined lubrication filter parameter optimization has been done, focusing on minimizing the operational costs pertaining to the efficiency of oil purification systems in Diesel engines.
Keywords : filter optimization, modeling, filtering, combined oil purification, lubrication system.
В судовых дизелях последнего поколения широкое распространение получила комбинированная система тонкой очистки масла (КСТОМ), что обусловлено возросшими требованиями к тонкой очистке моторного масла (ММ) в форсированных двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с высокими экономичностью и ресурсными показателями.
Форсирование по наддуву, особенно при низком угаре смазочного масла, требует глубокой его очистки от нерастворимых высокодисперсных зольных продуктов. Иначе значительно, до 0, 5—1, 2 тыс. ч, сокращается срок службы масла и интенсивно растёт его угар. При применении в некоторых типах ДВС полнопоточных систем тонкой очистки масла с номинальной тонкостью отсева 40-60 мкм его угар за 8-12 тыс. ч работы может возрастать с 0, 7 до 5, 2 г/(кВт-ч) [1], т. е. фильтрование полного потока не стабилизирует этот процесс из-за интенсивного изнашивания поршневых маслосъёмных колец.
Форсирование судовых дизелей средней и повышенной частоты вращения (и=10-20 с-1) до р =2 МПа приводит к ужесточению, особенно при работе на низкосортных высоковязких топливах, требований к термоокислительным и моюще-диспергирующим свойствам ММ. Легирование их многофункциональными зольными присадками способствует тому, что полнопоточный фильтр уже не способен обеспечивать глубокую очистку масла от нерастворимых продуктов (НРП) его старения и неполного сгорания топлива (зольных сажевых конгламератов). В результате дизели не вырабатывают заданные их техническими условиями ресурсные показатели [1, 2].
Для увеличения ресурсных показателей судовых тронковых форсированных дизелей предлагается использовать КСТОМ, сочетающие достоинства полно- и частичнопоточной схем очистки ММ. Задачей частичнопоточного фильтра в КСТОМ является глубокая очистка масла от мелкодисперсных НРП, которые полнопоточный фильтр не задерживает [3]. Назначение полнопоточного фильтра состоит в надёжной защите подшипников дизеля от попадания механических примесей с размерами, превышающими зазоры в парах трения и толщину приработочного слоя полуды. При невыполнении этой функции возможны задиры шеек коленчатого вала и проворачивание вкладышей подшипников двигателя[1].
В работах [2-4] показаны особенности функционирования КСТОМ, сочетающих преимущества и достоинства как полно- так и частичнопоточного фильтрования. Целью данной статьи является определение функциональных параметров комбинированного масляного фильтра (ФМК), при которых его способность надёжно защищать двигатель от абразивного изнашивания и обеспечивать заложенные конструкцией ресурсные показатели двигателя могут быть реализованы. Бесспорно, что для выполнения этого требования параметры эффективности ФМК должны выбираться с учётом форсировки дизеля и качества применяемых горюче-смазочных материалов. Очень важно их оптимизировать в зависимости от условий работы ФМК в составе комплекса «дизель-топливо-масло» (ДТМ).
О том, как каждое звено рассматриваемого комплекса взаимодействует с комбинированным маслоочистителем (МО) видно из исследований [2, 3]. В них экспериментальным моделированием идентифицировано влияние номинальной тонкости отсева Дн полнопоточного фильтра и удельной интенсивности фильтрования £цчастичнопоточного МО, байпасно подключённогок системе смазки (СС) малоразмерного дизеля, на изнашивание двигателя и срок службы полнопоточных фильтрующих элементов (ФЭ). Эксперимент проводился с искусственным загрязнением масла, что несколько умоляет его ценность.
В работе [4] задача подбора оптимальных рабочих параметров ФМК получила дальнейшее развитие, где результаты лабораторных испытаний были распространены (транслированы) на работу комбинированного фильтра в условиях эксплуатации дизеля на судах. Использовалась довольно сложная схема трансформации результатов лабораторного эксперимента на судовые испытания, привязки их к дизелям широкого диапазона форсировки при различных сочетаниях звеньев ДТМ. Рассматривалась работа ДВС на топливах широкого группового и фракционного составов, начиная с дизельного ДЛ и кончая топочным мазутом М-100. При этом в СС использовались уни-
фицированные масла групп Г2-Д2 (ГОСТ 17479. 1-85).
Приведенные в работах [2, 4] результаты лабораторных и эксплуатационных экспериментов весьма интересны. Но учитывая большую сложность их обобщения, весьма условную привязку к звеньям комплекса ДТМ через узловую точку, имеется необходимость провести объединение разрозненных экспериментальных материалов на базе одной модели. В работе [4] это сделано ступенчато, с использованием масштабирования и вспомогательных аппроксимаций, что приводит к дополнительным погрешностям при обобщении данных опытов.
Основу предлагаемого моделирования составляют зависимости по скорости изнашивания И основных деталей двигателей и сроку службы Тфэ ФЭ полнопоточного фильтра, полученные путём обобщения экспериментальных результатов двух уровней (лабораторного и моторного на судах) [4, 5]. Эти показатели в некоторой степени могут совокупно характеризовать эффективность ФМК при его функционировании в СС дизеля. Системное взаимодействие фильтра со звеньями комплекса ДТМ подтверждает, что существуют значения Дн и gц, при которых ресурсные и экономические, по расходу масла и ФЭ, показатели дизеля самые высокие.
Анализ результатов испытаний ФМК [3, 4] позволил заключить, что основными параметрами его эффективности могут выступать тонкость отсева Дн и удельная интенсивность очистки g приходящаяся на единицу загрязнения масла НРП. Параметр gц может регулироваться скоростью фильтрации потока масла через частичнопоточные ФЭ, их тонкостью отсева, подбором характеристик применяемого фильтровального материала [5].
При моделировании уровни и интервалы варьирования факторов, характеризующих эффективность комбинированного фильтрования масла, а также условия функционирования ФМК в составе комплекса ДТМ, приведены в табл. 1. Рангом 0 закодирован ФМК, номинальная тонкость отсева полнопоточной секции которого составляет 30 мкм. Тонкость отсева 15 и 45 мкм для полнопоточных ФЭ с предельными (минимальным и максимальным) значениями Дн, которые характерны для ФМК, обозначены рангами -1 и +1.
Таблица 1. Уровни и интервалы варьирования факторов
Фактор Кодовое значение Интервал варьирования Уровни факторов
Нижний -1 основной 0 Верхний +1
Номинальная тонкость отсева ^н, мкм х1 15 15 30 45
Удельная интенсивность очистки ^Ф, отн. ед. х2 40 0 40 80
Форсировка дизеля Ртпв , МПа Х3 0, 75 0, 5 1, 25 2, 0
Качество топлива отн. ед Х4 0, 9 0, 2 1, 1 2, 0
Качество маслаМ, ранг Х5 1 -1 0 +1
Интенсивность очистки частичнопоточной секции ФМК для ранга 0 задана в относительных единицах цифрой gц=40. Она соответствует средней удельной интенсивности очистки ММ от НРП (ГОСТ 20684-75) частичнопоточным фильтрованием. Интенсивность очистки от НРП определялась относительно скорости загрязнения масла этими же продуктами. Интенсивность очистки, закодированная знаками -1 и +1, соответствует значениям gц=0 и 80, т. е. при ранге -1 частично поточная секция фильтра как бы отключается, а при +1 её показатель gцпо сравнению со средним значением удваивается.
Качество применяемого в дизеле топлива задавали показателем Кт, который представляет средневзвешенную интегральную величину от его зольности, содержания серы, фракционного и группового составов, задаваемых относительно значений этих величин у базового топлива [1, 6]. Коэффициенты весомости каждого показателя при формировании К приняты одинаковыми.
Эксплуатационные свойства масел типа М-10(14)-Г2(цс), выпускаемых по ГОСТ 12337-84, задавались рангом М = (-1). Ранг (0) соответствовал маслу М-10(14)-Д2(цл20), а его значение (+1) - М-14-Д2(цл30).
В качестве функции отклика при построении в обобщённой модели полного комплекса «фильтр-дизель-топливо-масло» (ФДТМ) взяты скорость изнашивания дизеля И и срок службы Тфэ полнопоточных ФЭ комбинированного фильтра. Интегральный показатель И представляет в безразмерном виде, относительно средней базы отчёта (х =0), скорость изнашивания цилиндровых втулок, поршневых колец и вкладышей мотылёвых подшипников. В показателе И скорости изнашивания разных деталей объединены при одинаковых значениях коэффициента весомости скорости изнашивания каждой группы пар трения. Скорость изнашивания деталей фиксировалась взвешиванием и методом искусственных баз [6].
Срок службы ФЭ оценивался по данным статистической обработки значений этого показателя при длительных моторных испытаниях дизелей в эксплуатации на судах. Он приведён в относительных единицах (%) относительно базового варианта ФДТМ (х=0), который определялся сроком работы элементов при достижении на рабочих режимах СС перепада давлений на фильтре 0, 18 МПа [1].
Для математического описания рассматриваемых процессов выбран полином второй степени. На основе априорной информации [4, 5] при планировании эксперимента предложено использовать некомпозиционный план второго порядка для пяти факторов [7]. Матрица планирования представлена табл. 2.
Таблица 2. Матрица планирования и результаты эксперимента
№ Х0 Дн Х1 gц Х2 Рте Х3 кт Х4т м Х5 И Л И Тф„ Л Тфэр
1 + + + 0 0 0 173, 4 169, 4 185,8 195,6
2 + + - 0 0 0 235, 8 227, 8 96, 44 96, 33
3 + - + 0 0 0 73, 6 77, 67 73, 57 70, 43
4 + - - 0 0 0 221, 7 221, 8 34, 15 21, 03
5 + 0 0 + + 0 171, 5 188, 5 65, 31 76, 77
6 + 0 0 + - 0 56, 78 53, 19 171, 8 172, 8
7 + 0 0 - + 0 82, 25 80, 69 109, 1 103, 7
8 + 0 0 - - 0 27, 23 5, 077 286, 9 271, 0
9 + 0 + 0 0 + 62, 58 67, 6 162, 6 173, 9
10 + 0 + 0 0 - 87, 14 88, 4 80, 62 70, 21
11 + 0 - 0 0 + 151, 7 151, 4 71, 14 76, 51
12 + 0 - 0 0 - 211, 3 207, 2 35, 28 18, 94
13 + + 0 + 0 0 239, 1 223, 5 133, 4 137, 3
14 + + 0 - 0 0 104, 9 111, 6 222, 7 224, 7
15 + - 0 + 0 0 145, 7 140, 6 60, 05 61, 83
16 + - 0 - 0 0 79, 62 96, 7 100, 3 99, 84
№ Х0 Дн Х. ёц Х2 Рте Х, кт Х4 м Х5 И э Л И гф Л гф
17 + 0 0 0 + + 113, 3 115, 9 110, 3 101, 1
18 + 0 0 0 + - 157, 7 169, 0 54, 72 65, 84
19 + 0 0 0 - + 37, 51 25, 29 290, 2 278, 2
20 + 0 0 0 - - 52, 23 48, 72 143, 9 152, 2
21 + 0 0 0 0 0 103, 2 100, 3 101, 4 99, 88
22 + 0 0 0 0 0 98, 46 100, 3 102, 7 99, 88
23 + 0 0 0 0 0 102, 7 100, 3 98, 66 99, 88
24 + 0 + + 0 0 94, 73 91, 55 96, 2 88, 47
25 + 0 + - 0 0 45, 44 48, 71 160, 7 169, 2
26 + 0 - + 0 0 229, 7 227, 9 42, 1 32, 25
27 + 0 - - 0 0 110, 2 114, 8 70, 32 76, 71
28 + + 0 0 + 0 208, 9 205, 9 123, 5 116, 9
29 + + 0 0 - 0 88, 26 113, 4 324, 7 303, 9
30 + - 0 0 + 0 190, 7 170, 0 55, 56 71, 97
31 + - 0 0 - 0 44, 07 51, 63 146, 2 148, 4
32 + 0 0 + 0 + 109, 1 111, 9 119, 2 118, 9
33 + 0 0 + 0 - 151, 9 161, 3 59, 11 58, 47
34 + 0 0 - 0 + 52, 31 45, 03 199, 1 201, 7
35 + 0 0 - 0 - 72, 84 72, 19 98, 73 100, 9
36 + + 0 0 0 + 176, 3 181, 5 225, 4 230, 2
37 + + 0 0 0 - 175, 6 169, 3 111, 8 118, 4
38 + - 0 0 0 + 77, 88 82, 13 101, 5 98, 77
39 + - 0 0 0 - 178, 3 170, 9 50, 32 49, 39
40 + 0 + 0 + 0 98, 39 91, 56 89, 06 71, 88
41 + 0 + 0 - 0 32, 58 32, 99 234, 2 244, 5
42 + 0 - 0 + 0 238, 6 239, 7 38, 98 38, 36
43 + 0 - 0 - 0 78, 99 87, 36 102, 6 129, 3
44 + 0 0 0 0 0 97, 62 100, 3 103, 6 99, 88
45 + 0 0 0 0 0 101, 9 100, 3 97, 27 99, 88
46 + 0 0 0 0 0 102, 4 100, 3 102, 3 99, 88
Ь 5541 390, 8 -810, 0 623, 6 843, 6 -306, 3
Ьи 5536 801, 9 594, 7 -500, 6 -1053 644, 8
Функции отклика И и ^определялись по расчётным зависимостям, приведенным в исследованиях [4, 5]. Они получены путём сращивания моделей, идентифицирующих экспериментальные данные лабораторных и эксплуатационных испытаний дизелей, СС которых оборудованы ФМК.
Таблица 3. Значения сумм 1 Ч^ЗЩТ) для определения коэффициентов взаимодействия факторов и квадра-
тичные эффекты
XX, , X2 х1х2 х1х3 х1х4 х1х5 х2х3 х2х4 х2х5 х3х4 х3х5 х4х5 х1х1 х2х2 х3х3 х4х4 х5х5
Ь, , Ь..„ 85, 68 68, 01 -25, 86 101, 1 -70, 24 -93, 76 34, 99 59, 68 -22, 27 -29, 73 2413 2145 1773 1678 1867
Ь„„ Ь,,г 49, 89 -49, 13 -110, 6 62, 45 -36, 25 -81, 64 46, 08 71, 34 -40, 26 -90, 67 2045 1573 1994 2346 1913
Математическая обработка этих результатов методом наименьших квадратов проводилась с целью сглаживания данных разноплановых экспериментов при достройке моделей [4] и их объединении с аппроксимацией некоторых промежуточных значений рассматриваемых функций отклика в исследуемом факторном пространстве.
Величины^ 1 необходимые для расчёта коэффициентов уравнений, приведены в нижней части табл. 2 и в табл. 3. Они
получены по формулам, изложенным в пособии [7]. Уравнения регрессии по функции отклика И и Тфэ при представлении факторов в кодированном виде имеют вид :
у =100, 32+24, 42х-50, 62х,+38, 97х ■+52, 72х-19, 14х>21, 42х,х,+17, 0х,х-6, 46х,х4+25, 27х,х-17, 55х,х-23, 44х,х4+8, 74х,х>14,
•'и ' ' 1 ' 2 ' 3 ' 4 ' 5 ' 1 2 ' 1 3 ' 14' 15' 2 3' 24' 25'
92х3х4-7, 43х4х5+47, 38х12+25, 03х22-6, 0х32-13, 15х42 +2, 56х52; (1)
у =101, 38+50, 12х +37, 17х-31, 29х-65, 87х+40, 3х+12, 42:х,х-12, 28х,х-27, 66х,х4+15, 61х,х-9, 06х,х-20, 41х,х4+11, 51х,х>17,
•'г ' ' 1 ' 2 ' 3 ' 4 ' 5 ' 12' 13' 14' 15' 23' 24' 25'
83х3х4-10, 06х3х5-22, 66х4х5+16, 88х12+22, 41х22+12, 68х32+42, 02х42+5, 93х52. (2)
Дисперсию воспроизводимости ' вычислительного эксперимента определяли по результатам шести опытов в центре плана (опыты21-23 и 44^16):
=36 =41
■уи
и,,-! 5-1
где - и - — суммы квадратов отклонений параметров И и Т от средних их значений в центре плана; число опытов в центре
Остаточные суммы квадратов отклонений
3414 Брт= 3890
определялись построчным суммированием параметров И и
Т и далее использовались для нахождения дисперсии адекватности
и 3+14-130
«-21- (е-1)
< ЗВЭ9-205
где N - число опытов; к- число коэффициентов аппроксимированного полинома.
Адекватность полученных моделей проверяли по Р-критерию. Расчётное значение критерия Фишера
— =4, 5<4,6 Рр =— =4, 5<4, 6
р// 4„ 36 . Р ^г 41
Следовательно, полученные модели адекватны при 5%-ном уровне значимости.
Определение доверительных интервалов коэффициентов уравнений регрессии показало, что в зависимости Тфэ (х.) все коэффициенты значимы, а выражение для расчёта И требует исключить коэффициентыЬ14, Ь35, Ь45и Ь55, которые статически не значимые. После их исключения уравнение (1) пересчитывается с использованием метода наименьших квадратов по схеме, изложенной в работе [7]. Окончательно, при представлении в натуральном виде, оно примет следующий вид
;/= 13В, 9 - 12ДЗАН -1,41^ + Ю1,1р^+ 92,71К,. - 78.42М-
+ - + 0,22Мяф +
-- : - -!-:":- "" '- .■ " '- (3)
Уравнение (2) зависимости срока службы элементов Тфэот рассматриваемых параметров, выраженных в натуральном виде, примет вид :
(4)
Насколько полученные зависимости (3) и (4) адекватны реальным условиям работы ФМК в судовых дизелях при их эксплуатации на судах проиллюстрируем на примере двигателя 524Т8 (5ЧН24/32; № = 530кВт; п= 16, 7с-1; р =1, 25 МПа; К =1, 1; М=0), т. е. при работе на масле М-14-Д,(цл20) и топливе - флотском мазуте Ф-12 (ГОСТЮ585-99).
0_16_32_48_64_дф, отн.ед.
И, %
150
15 21 27 33 39 А„, мкм
Рисунок 1. Влияние тонкости и интенсивности фильтрования моторного масла на изнашивание дизеля
Показатели большинства факторов при эксплуатации этого двигателя на танкере типа «Самотлор» были близки к средним значениям х. при проведенном моделировании. Как видно из рис. 1, экспериментально полученная зависимость И от параметра Д ФМК довольно близка к расчётной зависимости (3), представляющей результаты моделирования. В диапазоне ^=30-45 мкм расчётная и экспериментальная кривые практически совпадают. В зоне Дн=15-30 мкм все расчётные точки И за исключением Дн=25 мкм находились в поле рассеивания экспериментальных данных со средним квадратичным отклонением Дн =±5, 2 %, определённых с 5 %-ным уровнем значимости.
«Физика» процесса полнопоточного фильтрования ФМК соблюдается. При Д =24-27 мкм наблюдается минимум изнашивания вкладышей рамовых и мотылёвых подшипников. Это обусловлено тем, что при Д <25 мкм возможны режимы работы ФМК с перепуском масла через предохранительные клапан при пусковых режимах работы двигателя.
Зависимость И иллюстрирует значительную роль в снижении изнашивания цилиндровых втулок и поршневых колец интенсивности очистки масла частичнопоточным фильтрованием. При gц>60 влияние этого показателя ФМК на функцию отклика И ослабевает, что указывает на необходимость его ограничения при подборе параметров фильтра. Расчётные и экспериментальные значения И в зависимости от gц находились, в основном, в поле рассеивания экспериментальных данных.
Зависимость Тфэ (Дн) и Тфэ (¿д) (рис. 2) параболического типа в диапазоне изменения факторов х1 и х2 от (-1) до (+1) практически равноценны по характеру влияния на эту функцию отклика. С повышением Дн и gцпараметр Тфэ увеличивается с одинаковой интенсивностью. Значительных отклонений экспериментальных значений Тфэ от рассчитанных по полученной модели не наблюдается. Прогнозирование срока службы полнопоточных ФЭ хорошо согласуется с экспериментальными данными по этому параметру, полученными в результате натурных эксплуатационных испытаний КСТОМ в дизеле 524Т8.
В целом оценивая результаты моделирования комплекса ФДТМ с позиций оценки моторной эффективности ФМК можно отметить хорошую согласованность рассчитанных по моделям (1) и (2) данных с экспериментальными результатами, полученными в опытах [2, 3]. Расхождение между ними находилось в диапазоне 3-16 %. Наибольшее отклонение по И соответственно опыту 12, наименьшее 24 (см.
табл. 2). По показателю Гфэ расхождение между расчётными данными по модели (2) и используемыми в качестве исходных для моделирования, приведенных в работе [5], находилось в диапазоне 2-15 %. Минимальное расхождение соответствовало позиции 6 компьютерного эксперимента, максимальное отклонение наблюдалось в опытах 8 и 27. Приближение к экспериментальным данным у рассчитанных по полученным моделям более высокое.
О 16 32 40 48 64 отн.ед.
15 21 27 30 33 39 Д„, мкм
Рисунок 2. Влияние тонкости отсева и интенсивности частичнопоточного фильтрования на срок службы полнопоточных ФЭ
Выполненная оценка функций отклика И и Тфэс позиций идентификации влияния на них параметровДн и гцФМК довольно правдоподобна. Влияние же других факторов на И и Тфэусловное. Оно характеризует в большей мере среднестатистическое воздействие рше, Кт, М на эти функции отклика. В реальном дизеле, в зависимости от особенностей его конструкции, материалов, режимов эксплуатации, специфики применяемых топлив и ММ, влияние этих показателей на И и Тфэможет претерпевать изменения и искажать их роль, действиена функции отклика, зафиксированное в моделях (1) и (2).
Можно утверждать, что работа на топливах и маслах, рекомендованных к применению в конкретном двигателе, не нарушает значительно картину общего влияния ФМК на дизель. В этом случае допустимо реальные скорости изнашивания основных деталей двигателя и срок службы ФЭ(в часах) для любого сочетания звеньев комплекса ФДТМ прогнозировать по параметрам И и Тфэ, определённых при конкретной фиксации условных значений факторов х.. Зная расчётные значения показателей И и Тфэв безразмерном и натуральном виде для конкретного состояния факторного пространства, можно оценивать функции отклика его любой зоны и переводить их в натуральные величины.
Для оценки и повышения результативности функционирования комбинированного фильтра в составе комплекса ФДТМ вводится экономический критерий Э, который тождественен эксплуатационным расходам, обуславливаемым эффективностью МО. Обоснование и методика его формирования приведена в работе [5]. В ней показано, что статьи отдельных эксплуатационных расходов при функционировании дизеля хорошо коррелируют с показателями И и Тфэ, поэтому зависимости (1) и (2) можно объединить и использовать для оптимизации состава и параметров ФМК.
Объединение моделей (1) и (2) в Э по зависимости (5) приведено без учёта статистической незначимости некоторых коэффициентов. Преобразование уравнений (1) и (2) в Э приводит к суммированию однотипных коэффициентов регрессий и некоторые из них могут выйти из зоны незначимости.
Условные эксплуатационные расходы дизеля Э, на которые влияет эффективность комбинированного маслоочистителя, можно представить зависимостью
Э=АЯИ+ВТ 7Т110+
" т , (5)
где АИ - коэффициент, обусловливающий расходы на сменно-запасные части, моточистку и другие коррелирующие с износом (показателем И) дизеля затраты; ВТ - коэффициент, определяющий затраты на полно- и частичнопоточные ФЭ и масло, связанные с эффективностью ФМК и системы смазки в целом, хорошо коррелирующие с Тфэ.
Обобщение результатов эксплуатационных испытаний маслоочистительного комплекса показало, что для комбинированного фильтрования можно принять АИ= 0, 5 иВТ= 0, 5[5]. Базой отчета (Э = 100 %) принята система ДЭТМО со значениями факторов на основном уровне, при котором обеспечивается функционирование дизеля с ресурсными и экономическими показателями, удовлетворяющими требованиям ГОСТ 10448-80.
После аппроксимации в выражении (5) второго слагаемого с обратной на прямопропорциональную зависимость расходов по маслу от Тфэ в выражении (5) формула для расчета Э может быть представлена следующим образом
у =100, 22-10, 20х-52, 12х+32, 62х,+48, 59х-28, 76х>24, 09х,х,+3, 9х,х-10, 89х,х4+19, 52х,х-15, 97х,х-22, 89х,х4+14, 41х,х>12,
у э ' ' 1 ' 2 ' 3 ' 4 ' 5 ' 1 2 ' 1 3 ' 14 ' 15 ' 2 3 ' 2 4 ' 25 '
22х3х4-7, 06х3х5-10, 85х4х5+25, 12х2+34, 24х22-5, 28х32-12, 96х42+4, 82х52. (6)
Перевод факторов в натуральный вид позволяет представить зависимость (6) в виде
3= 164,5 — — 2,Шдг -+ 57, Мд^ + 116 1 К, — 57,19М +
0104Двдр + +0135Днкпе -0,91ДНКГ + 1,34^-0,53^™ -0,64^ + а,ЗЙ5фМ + +1в,1ртеКг -М1ртм - 12,0йКгМ+ И,11Д£ + 0,02^-
. (7)
Взятие производных dЭ/dДи dЭ/dg¡в уравнении (7) и приравнивание их к нулю позволило получить следующие выражения для нахождения оптимальных параметров ФМК
Дор( =38, 8-0, 182гц-1, 58рте+3, 68К-5, 91М ; (8) г °р = 71, 5 - Д + 13, 21р "+16К-9М . (9)
0цшах ' ' 'н ' * те т ~ '
Определяемый по (9) показатель г характеризует максимальное значение интенсивности очистки частичнопоточных ФЭ. Дальнейшее ее повышение не дает экономического эффекта, так как сопровождается стабилизацией изнашивания дизеля. При этом расходы на частичнопоточные ФЭ при комбинированном фильтровании с увеличениемг^растут.
Анализ выражения (8) показывает, что дополнительное фильтрование ММ по частичнопоточной схеме очистки способствует снижению показателя полнопоточных ФЭ. В диапазоне варьирования от 0 до 80 при основном уровне остальных факторов ¿Б^ составляет 14, 4 мкм. Оптимальное значение Б при среднем значении рассматриваемых факторов ровно 33, 0 мкм (рис. 3). Если факторы находятся на облегчающих или утяжеляющих функционирование СС уровнях Бо ( соответствует 25, 86и 40, 2мкм.
Рисунок 3. Зависимость оптимальной тонкости отсева ФМК и Э . от интенсивности полнопоточного фильтрования, форсировки
дизеля, качества применяемого топлива и масла
Ухудшение качества топлива способствует повышению показателя Б . В рассматриваемом диапазоне варьирования Кт изменение оптимального значения номинальной тонкости отсева при значениях остальных факторов на основном уровне соответствует 8, 3 мкм. Дрейф этого показателя составляет чуть более 58 % изменения при варьировании g.
Форсировка дизеля заметного влияния на изменениеБ^ не оказывает. Хотя экспериментом установлено снижение показателя почти на 3 мкм при форсировке дизеля по среднему эффективному давлению от 0, 5 до 2 МПа. Такое явление объясняется возрастанием требований к качеству очистки ММ при увеличении механической напряженности работы трибосопряжений форсированного дизеля.
Смещение Б полнопоточного фильтра в сторону понижения при дополнительном фильтровании масла частичнопоточными ФЭ обусловлено уменьшением грязевой нагрузки на него. При этом в результате одновременного снижения скорости изнашивания дизеля и роста Гфа оптимальное значение смещается в сторону меньшего значения этого показателя.
15 20 25 30 35 40 А„, мкм Рисунок 4. Поверхность функции отклика Э комбинированногомаслоочистительного комплекса ДВС
Ухудшение качества топлива способствует более интенсивному поступлению в масло НРП. При этом возрастает абразивность и снижается дисперсность нерастворимой фазы загрязнений. Эти факторы способствуют интенсификации изнашивания деталей ДВС и снижают срок службы ФЭ. Реакция ФМК на эти явления, как показали результаты моделирования, проявляется в повышении значений Б.
Поверхность функции отклика Э в зависимости от факторов Бн и gj иллюстрирует рис. 4. Она приведена для дизеля с рте=1, 25 МПа при его работе на масле М-14—Д2(цл20) (М=0) и сжигании флотского мазута Ф-12 (Кт=1, 1). Поверхность в координатах Э(Бн, gj) построена по уравнению (6). Она имеет форму вогнутой чаши. Наибольшее значение Э наблюдается по координатным углам за исключением точки с параметрами 0н=20 мкм и gJ=80.
Наибольшее изменение Э в поле факторного пространства наблюдается при н=20 мкм при увеличении g¡ от 0 до 80. Для Он=45 мкм в этом же диапазоне изменения интенсивности очистки Эпт наблюдается при gJ=52.
Зона наиболее выгодных режимов работы ФМК находится в диапазоне Бн=25, 8-40, 2 мкм. С увеличением g что благоприятно сказывается на Э, значение показателя уменьшается, т. е. требуемая для эффективной очистки ММ номинальная тонкость отсева полнопоточных ФЭ должна возрастать (тонкость отсева повышается с уменьшением значений показателя Б ). Этому процессу способствует снижение грязевой нагрузки на полнопоточный ФЭ, что наблюдается при повышении gj.
Выводы
1. Моделированием эффективности комбинированного фильтрования ММ в судовых дизелях по результатам их испытаний на судах выявлена зависимость скорости изнашивания двигателей и срока службы полнопоточных ФЭ от номинальной тонкости отсева и интенсивности глубокой очистки масла от НРП. Полученные зависимости масштабированы на условия применения комбинированного масляного фильтра в среднеоборотных дизелях сфорсировкой по среднему эффективному давлению от 0, 5 до 2 МПа при использовании топлив и ММ разного качества.
2. Объединением показателей И и Тфэ в единый экономический критерий Э осуществлена оптимизация ФМК по номинальной тонкости отсева Бо ( при фильтровании полного потока масла в зависимости от интенсивности его очистки частичнопоточными ФЭ, форсировки
дизеля, качества применяемых топлив и масел. Выявленная оптимальная тонкость отсева находится в диапазоне 25, 8-40, 2 мкм и при показателях g рте, Кт и М на среднем уровне соответствует 33, 0 мкм. Утяжеление условий функционирования ФМК способствует росту Б . При уменьшении грязевой нагрузки на полнопоточные ФЭ оптимальная величина Бн снижается.
3. На основании проведенногомоделирования получена зависимость максимальной интенсивности gjnax очистки масла частичнопоточными ФЭ от факторов D , p , К и М, при которой влияние дополнительного фильтрования на показатель Э ослабевает и дальнейшее увеличение g нерационально. Предложено этот показатель при работе ФМК в зоне от 40 до£цпаограничивать по условию задания такой интенсивности фильтрования, чтобы не достигался браковочный показатель масла по содержанию НРП.
Литература:
1. Кича, Г. П. Тонкая очистка масла в ДВС комбинированным фильтрованием: результаты исследований и перспективного развития / Г. П. Кича, Н. М. Свистунов // Двигателестроение. - 1981. - № 12. - С. 17-23.
2 Таращан, Н. Н. Идентификация области рационального использования комбинированной тонкой очистки моторного масла в судовых дизелях / Н. Н. Таращан, Г. П. Кича // Вестник морского государственного университета. - Владивосток: МГУ, 2012. - Вып. 52. - С. 46-54.
3 Кича, Г. П. Стохастическая капиллярная модель очистки моторного масла в судовых дизелях фильтрованием / Г. П. Кича, Н. Н. Таращан, А. В Надежкин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2015. - № 1. - С. 91-97.
4 Таращан, Н. Н. Моделирование в дизеле эффективности очистки моторного масла комбинированным фильтрованием / Н. Н. Таращан // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2011. - № 1. - С. 191-196.
5 Кича Г. П. Оптимизация рабочих параметров комбинированного фильтра приочистке моторного масла в судовых дизелях / Кича Г. П. , Н. Н. Таращан // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2015. - № 3. - С. 143-149.
6 Кича, Г. П. Ресурсосберегающее маслоиспользование в судовых дизелях / Г. П. Кича, Б. Н. Перминов, А. В. Надежкин. - Владивосток: Изд-во мор. гос. ун-та, 2011. - 372 с.
7 Спиридонов, А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов / А. А. Спиридонов. - М. : Машиностроение, 1981. - 184 с.
8. Кича, Г. П. Повышение эффективности тонкой очистки моторного масла в судовых тронковых дизелях комбинированным фильтрованием / Г. П. Кича, Н. Н. Таращан, А. В. Надежкин. - Владивосток: Изд. Мор. гос. ун-та, 2015. - 175 с.
