CC BY
60
А-А
А
~ 7
10 9
Рис. 5. Схема центробежного триера:
1 — бункер; 2 — крестовина; 3 — вал; 4 — триерные цилиндры;
5 — обод; 6 — кольцо; 7 — желоб; 8 — корпус; 9,10 — приемники соответственно коротких и длинных примесей
2
8
Обрабатываемый материал поступает сначала из бункера на крестовину, затем по направляющим — в несколько взаи-моуравновешенных триерных цилиндров.
При вращении крестовины против хода часовой стрелки цилиндры прижимаются центробежной силой к кольцу и обкатываются по нему. При этом короткие примеси выносятся ячейками цилиндров в желоба 7 и через выпускное устройство поступают в приемник 9. Длинные примеси перемещаются по винтовой линии цилиндрических поверхностей в приемник 10.
Рассмотренные схемы триеров (лопастного, ленточного, колотоидного, центробежного) существенно отличаются от классических — барабанного и дискового.
По данным ВНИИЗХ, колотоидный триер обладает 2,5 раза большей удельной производительностью по сравнению с цилиндрическим, но значительно сложнее по устройству. Дисковые триеры просты по конструкции, но имеют большую массу и повышенную энергоемкость. Ленточный триер достаточно качественно разделяет материал, но имеет повышенный процент повреждения зерна. А центробежные триеры до сих пор не получили широкого применения из-за очень сложной конструкции.
В связи с этим остается открытым вопрос о работе над классическими цилиндрическими и дисковыми триерами, которые достаточно просты и эффективны в работе. Резервы их производительности и качества очистки еще не исчерпаны. Это подтверждается множеством предложений инженеров по модернизации ячеек, поверхности триеров и внедрению различных систем интенсификации процесса разделения.
Список литературы
1. А.с. 169335 СССР, МПК В 07 В 13/02. Центробежный триер непрерывного действия / З.Л. Тиц, М.К. Еременко. — № 833009/30 — 15; заявл. 25.04.1963; опубл. 11.03.1965, Бюл. № 6. — 2 с.
2. А.с. 209126 СССР, МПК В 07 В 13/02. Лопастной триер / Л.С. Солдатенков, Л.И. Котляр, Н.В. Георги, Г.К. Кравченко. — № 1105089/30 — 15; заявл. 24.09.1966; опубл. 17.01.1968, Бюл. № 4. — 2 с.
3. А.с. 378184 СССР, МПК В 07 В 13/02. Триер / А.Г. Громов, В.С. Бурдейный. — № 1380883/30 — 15; заявл. 01.12.1969; опубл. 18.04.1973, Бюл. № 19. — 2 с.
4. Кленин Н.И., Сакун В.А. Сельскохозяйственные машины. — М.: Колос, 1994. — 751 с.
5. Теория, конструкция и расчет сельскохозяйственных машин / Е.С. Босой, О.В. Верняев, И.И. Смирнов, Е.Г. Султан-Шах; Под ред. Е.С. Босого. — М.: Машиностроение, 1977. — 568 с.
УДК 631.3: 621.892.096
В.П. Коваленко, доктор техн. наук, профессор Е.А. Улюкина, канд. хим. наук, доцент И.А. Королев, аспирант
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»
РАЗРАБОТКА ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
В настоящее время для очистки различных жидкостей и газов широко применяют новые высокопористые полимерные материалы, имеющие пространственно-глобулярную структуру — ПГС-полимеры [1]. Важнейшие преимущества ПГС-
полимеров по сравнению с другими пористыми полимерными материалами: совершенная пористая структура с равномерным распределением пор при весьма малых отклонениях (до 10 %) от номинального размера; высокая тонкость очистки (от 20 А до
47
20 мкм) при достаточно высокой пропускной способности; высокая механическая прочность (до 30 МПа на давление и до 20 МПа на разрыв); возможность получения изделий заданной формы; возможность регенерации путем обратной промывки или продувки; наличие гидрофобных и адсорбционных свойств, позволяющих задерживать эмульсионную воду и продукты окисления углеводородов, образующиеся в процессе старения рабочей жидкости.
Для определения возможности использования фильтроэлементов, изготовленных из ПГС-полимеров, в фильтрах гидравлических систем сельскохозяйственной техники необходимо исследовать процесс фильтрования рабочей жидкости через пористые перегородки из ПГС-полимеров. Учитывая структуру ПГС-полимеров, при исследовании можно допустить, что диаметры всех пор равны между собой и не изменяются по толщине материала. Тогда фильтрационный материал из ПГС-полимера можно рассматривать как однородную пористую структуру с фиксированным размером пор.
Фильтрование рабочей жидкости, содержащей твердые частицы, может происходить при постоянном перепаде давления на пористой перегородке и изменяющейся скорости фильтрования, при постоянной скорости фильтрования и переменном перепаде давления на пористой перегородке или же при переменных перепадах давления на пористой перегородке и скорости фильтрования.
В гидравлических системах тракторов и сельскохозяйственных машин рабочие жидкости подаются насосами объемного типа — шестеренными или аксиально-поршневыми [2], поэтому фильтрование происходит при постоянной скорости потока рабочей жидкости и характеризуется выражением
Ар = /(т) при Wф = сош1 ,
(1)
где Ар = рвх - рвых — перепад давления на фильтроэле-менте, Па; р , р — давление соответственно на вхо-
вх вых
де в фильтроэлемент и на выходе из него, Па; т — продолжительность процесса фильтрования, с; Wф = Q/Sф — скорость фильтрования (фиктивная скорость потока), м/с; Q — пропускная способность фильтроэлемента, м3/с; £ф — рабочая поверхность фильтроэлемента, м2.
Конкретный вид зависимости (1) определяется взаимодействием частиц загрязнений, находящихся в рабочей жидкости, с порами фильтроэле-мента. Основные виды такого взаимодействия [3] представлены в табл. 1.
Согласно данным табл. 1 основные виды взаимодействия частиц загрязнений и пор при фильтровании следующие:
• полное закупоривание пор частицами загрязнений, размеры которых больше диаметра пор, т. е. dч > dп;
• частичное закупоривание пор частицами загрязнений, имеющих размеры меньше диамет-
ра пор и отлагающихся на их внутренней поверхности, т. е. dч < ^п;
• образование над входом в поры сводиков из частиц, имеющих размеры большие, меньшие или равные диаметру пор, т. е. dч < dп и dч > dп;
• образование осадка на поверхности фильтрующего материала из частиц, имеющих размеры меньшие, большие или равные диаметру пор, т. е. < < и < > <^.
Вследствие полидисперсности содержащихся в рабочей жидкости загрязнений процесс ее фильтрования может происходить одновременно или последовательно по двум или нескольким из перечисленных видов. Однако в виду того, что в рабочих жидкостях гидравлических систем загрязнения содержатся в сравнительно небольших количествах, т. е. эти жидкости являются малоконцентрированными суспензиями, можно сказать, что взаимодействие содержащихся в них частиц загрязнений с порами фильтроэлемента происходит только с полным или частичным закупориванием пор, а взаимодействие с образованием сводиков или отложением осадка, характерное для высококонцентрированных суспензий, можно исключить из рассмотрения.
Поскольку размеры частиц загрязнений в рабочей жидкости могут колебаться в широких пределах, их взаимодействие с порами фильтроэлемента вероятно будет происходить одновременно по двум видам — с полным и частичным закупориванием пор. Целесообразно рассматривать это взаимодействие как вероятностный процесс, определяемый соотношением размеров частиц и диаметра пор.
Основное уравнение процесса очистки рабочей жидкости фильтрованием с постоянной скоростью будет иметь вид [4]:
^=кТЛрь, d т т
(2)
где кт — постоянная фильтрования (коэффициент пропорциональности), Па-(Ь-1); Ь — показатель степени, определяемый видом фильтрования: при полном закупоривании пор Ь = 2, при частичном закупоривании Ь = 3/2.
Проинтегрировав выражение (2), получим
Т = -
1
кт (Ь -1)
\Ь-1
ь-1
Лр
(3)
Отсюда находим ресурс работы фильтроэле-мента:
• при полном закупоривании пор
(4)
т1 =
Таблица 1
Номер вида взаимодействия частиц загрязнений и пор материала
Вид взаимодействия частиц загрязнений и пор материала
Соотношение размера частиц d4 и диаметра пор dп
dч > dn d.. < d„
Полное закупоривание пор
Частичное постепенное закупоривание пор
Промежуточный вид (образование сводиков)
Отложение осадка
5(1+2)
Одновременное полное или частичное (постепенное) закупоривание пор
6(1+3)
Одновременное полное закупоривание пор и образование сводиков
при частичном закупоривании пор
т, =■
кт
Л/Лр0 ТЛр
(5)
Сравнивая ресурс работы фильтроэлемента в обоих случаях, после преобразования получим
1
т2
Лр2 + Лр02
т1
11 2
(6)
2Лр2 Лр2
Величины Лр02 и Лр2 — положительные числа, следовательно, их сумма меньше удвоенного произведения. Соотношение коэффициентов: кт1 > кт2. Поэтому ресурс работы фильтроэлемента при фильтровании с частичным закупориванием пор больше, чем при фильтровании с полным закупориванием пор.
Чтобы обеспечить фильтрование рабочей жидкости с частичным закупориванием пор, целесооб-
разно применять фильтроэлемент многоступенчатой конструкции, используя для каждой из ступеней такой фильтрационный материал с различным диаметром пор, чтобы в каждой ступени осуществлялся указанный процесс. Для рассматриваемых гидравлических систем можно ограничиться двухступенчатыми фильтроэлементами, учитывая при этом, что гидравлические системы оборудованы фильтрами грубой очистки, удаляющими из рабочей жидкости наиболее крупные частицы загрязнений.
Оптимальное соотношение между диаметрами пор первой и второй ступеней фильтроэлемен-та для очистки рабочих жидкостей в гидравлических системах сельскохозяйственных машин можно определить, руководствуясь следующими соображениями. Коэффициент отфильтровывания частиц загрязнений г-го размера для случая, когда все поры фильтрационного материала имеют одинаковый диаметр, можно найти при помощи вероятностной формулы
Фі = 1 - N P(i),
(7)
1
2
3
4
1
1
т
т
2
1
где Фі = -
коэффициент отфильтровывания
частиц загрязнении г-го размера; ию, п{ф — число частиц г-го размера соответственно до и после фильтроэлемента; N — общее число частиц в рабочеИ жидкости; P(i) — вероятность прохода частиц i-го размера через поры фильтрационного материала.
Вероятностная оценка возможности задержки частиц в порах зависит от соотношения размера частицы и диаметра поры. Нгуен Ван Тхамом экспериментально получены значения вероятности прохода частиц загрязнении через пору (табл. 2).
Учитывая данные табл. 2, можно определить размеры пор первоИ и второИ ступенеИ фильтро-элементов.
Условие задержки всех частиц заданного размера имеет вид
1 d < d < d .
3 п ч п
Требования, предъявляемые к чистоте рабочих жидкостеИ гидравлических систем, можно установить на основании данных о зазорах в сборочных единицах и агрегатах этих систем (табл. 3).
Из табл. 3 видно, что в наиболее ответственных сопряжениях минимальные значения зазоров составляют 5.. .8 мкм; отсюда тонкость очистки рабочеИ жидкости должна быть 5 мкм. Следовательно, вторая ступень фильтроэлемента должна иметь указанную тонкость очистки, что обеспечивает-
Таблица 2
Соотношение размеров поры и частицы di] / dп Вероятность прохода частиц і-го размера через пору P(i)
Более 1I3 0
Менее 1I3 1
1I3 0,75
ся при диаметре пор этоИ ступени менее или рав-ноИ 15 мкм. Примем диаметр пор второИ ступени фильтроэлемента 15 мкм. Частицы загрязнениИ, поступающие на вторую ступень, должны быть менее 15 мкм. Для обеспечения данного условия примем диаметр пор первоИ ступени фильтроэлемента 45 мкм. Тогда частицы загрязнениИ, поступающие на первую ступень, должны быть менее 45 мкм. Это условие обеспечивается наличием в гидравлических системах тракторов и сельскохозяИственных машин фильтров грубоИ очистки, изготовленных из сетки № 0,1 или № 0,125 с размером ячеек соответственно 100 и 125 мкм.
Для наиболее рационального технического обслуживания фильтроэлементов (одновременноИ их замены или регенерации) следует предусмотреть равноресурсную работу обеих ступенеИ. Условие равноресурсноИ работы двухступенчатоИ системы из последовательно включенных ступенеИ с одина-ковоИ пропускноИ способностью имеет вид
G
m1
G
m2
Фі ( -Фі )Ф2
(8)
где Gm1, Gm2 — удельная грязеемкость соответственно первой и второй ступеней фильтроэлемента, гЛм2.
Одинаковый ресурс работы обеих ступеней фильтроэлемента обеспечивается при соблюдении условия
GmlSl
Gm2 S2
m1
Таблица З
Элемент гидравлической системы Зазор, мкм
минимальный максимальный
Распределители с ручным управлением 8 23
То же, с электромагнитным управлением 8 12
Предохранительные клапаны 20 30
Гидрозамки 20 30
Плунжерные пары подъемников 15 34
Шестеренные насосы:
торцевое уплотнение 5 8
торцевая поверхность шестерен 2 3
зазор между зубьями 20 80
Радиально-поршневые насосы 5 12
Аксиально-поршневые насосы:
торцевой распределитель 2 5
плунжерная пара 5 12
(9)
1 m2
где S1, S2 — рабочая поверхность соответственно первой и второй ступеней фильтроэлемента, м2; m1, m2 — масса загрязнений, задержанных соответственно первой и второй ступенями фильтроэлемента, г.
Корпуса фильтров, установленных в гидравлических системах, имеют цилиндрическую форму, поэтому первую ступень фильт-роэлемента следует выполнить в виде цилиндра. Удельная пропускная способность второй ступени будет меньше, чем удельная пропускная способность первой ступени, вследствие более высокой тонкости фильтрования, поэтому вторая ступень должна иметь более развитую рабочую поверхность. Поскольку свойства ПГС-полимеров позволяют изготавливать из них изделия практически любой геометрической формы, вторая ступень фильтроэлемента может быть выполнена в виде гофрированной поверхности с вертикальными или горизонтальными
n
гофрами. Из технологических соображений вторую ступень фильтроэлемента целесообразно изготовить в виде набора дисков чечевичного типа, рабочая поверхность которого имеет форму двух усеченных конусов. Изготавливать такие диски можно из двух симметричных частей, а площадь их поверхности рассчитывать по стереометрическим формулам, согласно которой тело сложной конфигурации разбивают на более простые, например, по схеме, приведенной на рис. 1.
В соответствии с приведенной схемой площадь рабочей поверхности всего диска
.(10)
Площадь рабочей поверхности второй ступени 52 = пБ^, (11)
где п — число дисков.
Габаритные размеры фильтроэлементов первой и второй ступеней выбирают, исходя из эксплуа-
Рис. 1. Расчетная схема для определения рабочей поверхности половины диска второй ступени фильтроэлемента:
к1 — высота опорной части, м; к2 — высота наклонной части, м; й3 — высота боковой части, м; — диаметр
диска, м; ¿2 — диаметр опорной части, м;
¿3 — диаметр отверстия, м
тационных параметров гидравлической системы, условия равноресурсности обеих ступеней и конструктивных соображений. Общий вид фильтро-элементов для очистки рабочих жидкостей в гидравлических системах тракторов и сельскохозяйственных машин показан на рис. 2.
Использование фильтроэлементов данной конструкции взамен применяемых в настоящее время сетчатых фильтроэлементов позволит существенно повысить чистоту рабочей жидкости для гидравлических систем сельскохозяйственной техники и снизить износ сопряженных деталей сборочных единиц и агрегатов этих систем.
Результаты стендовых испытаний тонкости очистки образцов фильтроэлементов из ПГС-полимеров приведены в табл. 4.
Испытания проводили на рабочей жидкости МГЕ-10А с искусственным загрязнителем (50 % цинковой пыли и 50 % кварцевой пыли). Из приве-
1
Рис. 2. Фильтроэлемент для очистки рабочих жидкостей в гидравлических системах:
1 — крышка; 2- первая ступень фильтроэлемента; 3 — вторая ступень фильтроэлемента; 4 — пружина
Таблица 4
4
Место отбора пробы Количество загрязнений, ед./мл, по интервалам размеров частиц, мкм
1...5 5.10 10.15 15.20 20.25 25.30 30.35 35.40 40.45 45.50 >50
До фильтрования После фильтрования То же -»- 57 700 20 195 15 444 22 143 1923 Отс. Отс. Отс. 808 Отс. Отс. Отс. 548 Отс. Отс. Отс. 173 Отс. Отс. Отс. 144 Отс. Отс. Отс. 115 Отс. Отс. Отс. 58 Отс. Отс. Отс. 58 Отс. Отс. Отс. 58 Отс. Отс. Отс. 144 Отс. Отс. Отс.
Таблица 5
Показатель качества Значение показателей качества рабочей жидкости
свежей (по ОСТ 38012) после наработки после фильтрования
Кинематическая вязкость при 50 °С, мм2/с 10 (не менее) 7,3 11
Кислотное число, мг КОН/г сТ оТ 1,3 0,7
Содержание механических загрязнений, % 0,003 0,007 0,002
Содержание воды, % Отс. Следы Отс.
денных данных видно, что номинальная тонкость очистки всех трех испытанных образцов составляла 5 мкм при коэффициентах отсева в интервале размеров частиц 1...5 мкм соответственно 0,65, 0,73 и 0,62. В остальных интервалах размеров частиц коэффициент отсева составил 1.
Проверяли также эффективность фильтроэле-ментов из ПГС-полимеров для восстановления эксплуатационных свойств рабочей жидкости за счет удаления из нее вредных примесей. Испытания проводили на рабочей жидкости, слитой из гидравлической системы после наработки 1000 ч (табл. 5).
Приведенные в табл. 4 и 5 результаты испытаний опытных образцов фильтроэлементов, изготовленных из ПГС-полимеров, свидетельствуют об их высокой эффективности при очистке рабочей жидкости от твердых частиц загрязнений и от эмуль-
сионной воды, а также об их способности восстанавливать такие показатели рабочей жидкости, как вязкость и кислотное число. Целесообразно провести эксплуатационные испытания указанных фильт-роэлементов в реальных условиях работы гидравлических систем тракторов и сельскохозяйственных машин.
Список литературы
1. Коваленко В.П., Лесной К.Я., Гусев С.С., Леонов
И.Н. Использование ПГС-полимеров для очистки жидкостей в сельскохозяйственном производстве // Вестник МГАУ «Технический сервис АПК». — 2003. — № 1. — С. 10-16.
2. Хорош А.И., Хорош И.А. Гидропривод сельскохозяйственной и дорожной техники. Часть 1 / Объемные гидромашины. — Красноярск: КГАУ, 2000. — 140 с.
3. Жужиков В.А. Фильтрование. — М.: Химия, 1980. — 400 с.
УДК 631.354
О.Н. Дидманидзе, доктор техн. наук, профессор Д.В. Варнаков, аспирант
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБОБЩЕННОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ОБЛАСТИ ДОСТАТОЧНОЙ НАДЕЖНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Эффективность использования автомобиля в значительной степени определяется работоспособностью двигателя. Для соответствующей количественной оценки качества работы двигателя как сложной технической системы, его параметрической надежности, целесообразно ввести обобщенный показатель, характеризующий эффективность функционирования. Под областью работоспособности понимается такая область, в которой двигатель продолжает устойчиво работать при изменении внешних эксплуатационных условий.
Для сложных технических систем характерно постепенное снижение эффективности. Чтобы определить отказ сложной технической системы, необходимо задать допустимую границу снижения эффективности ее работы. Тогда состояние выхода значений эффективности за эту границу можно считать отказом.
Конкретные значения внешних факторов, при которых техническая система переходит из состояния работоспособности в состояние неработоспособности, считают границей области работоспособности двигателя. Границы области работоспособности определяются значениями внутренних
52
параметров (качеством составляющих техническую систему элементов). Замеряя в процессе эксплуатации область работоспособности, можно контролировать состояние элементов технической системы. Таким образом осуществляется количественная оценка влияния изменения внутренних параметров на обобщенный параметр.
Под запасом работоспособности (надежности) АВ понимают такое отклонение внешних факторов от их номинальных значений, которое приводит к переходу параметров, характеризующих работу двигателя, в область неустойчивой работы. Количественно запас надежности АВ можно представить в виде:
АВ = ВКР - , (1)
Вн
где Вкр = Мф); Вн = ^«н).
Если известны запас надежности и его изменение во времени, а также уровень запаса надежности, при котором наступает параметрический отказ технической системы, то можно заранее предсказать момент наступления неработоспособности
