Сумський державний університет

Аль-хавалдех Абдалла Сулейман

УДК 621.65

дослідження і розробка
гідродинамічних очисників
моторних масел

05.05.17 – Гідравлічні машини і гідропневмоагрегати

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Суми – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаському гірнично-металургійному інституті
Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: Заслужений працівник народної освіти
України, доктор технічних наук,
професор Фінкельштейн Зельман Лазарович ,
Донбаський гірничо-металургійний інститут

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,
професор Петренко Володимир Анатолійович,
Кіровоградський державний технічний
університет

кандидат технічних наук, доцент
доцент Євтушенко Анатолій Олександрович,
Сумський державний університет

Провідна організація: Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут”

Захист дисертації відбудеться “4” грудня 2001 р. о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Сумського державного університету.

Автореферат розісланий “31” жовтня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Савченко Є.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність теми. Вирішення найважливіших завдань, що стоять перед промисловістю, тісно пов'язане з підвищенням надійності обладнання, що використовує в якості робочих середовищ і мастил різноманітні рідини. Як приклад, це стосується двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ), де єдиними носіями абразивних часток є моторні мастила, паливо та охолоджуючі рідини.

Особливо багато абразивних часток в рідині спостерігається в умовах роботи при високій забрудненості ї високій температурі повітря, що оточує машину. Це характерно для сільськогосподарських, будівельних, шляхових, гірничих та інших машин, які експлуатуються в жарких кліматичних умовах. До країн з таким кліматом відносяться Україна та Йорданія.

Методи і засоби очистки рідин розробляються самостійно у всіх галузях промисловості, хоча завдання, які стоять перед очисниками, спільні. Необхідним є впорядкування методів та засобів очистки не по галузям, а по технічним ознакам, які враховують особливості роботи окремих машин. Загальними вимогами до очисників є гряземісткість, сприйняття максимальної крупності та концентрації забруднення на вході, вимоги до тонкості очистки фільтрату. У всіх випадках прийняття рішення щодо тієї чи іншої схеми очистки, вибору принципу відокремлення забруднених часток з рідини носить компромісний характер.

Аналіз показав, що в даний період промисловому комплексу, поряд з уже існуючими, потрібен новий клас очисників. По характеристикам, які від нього вимагаються (необмежена гряземісткість при одночасно високому степені очистки), найбільш придатною базою є гідродинамічні фільтри. Використання їх в різних галузях промисловості підтвердило високу ефективність і, одночасно, виявило обмеження в області їх використання. Зокрема, потрібен пошук шляхів інтенсифікації робочого процесу для покращення масогабаритних показників. В цьому відношенні створення очисників, які розглядаються, для їх використання в ДВЗ, є актуальною задачею, вирішення якої є важливою складовою реалізації програми створення нового класу очисників.

Фільтри, робочий процес яких є об'єктом даного дослідження, можуть бути також більш перспективними для очищення рідин, які заливаються в машину, і для регенерації відпрацьованих нафтопродуктів. Комплексний підхід до захисту ДВЗ від абразивних забруднень як в самій машині, так і при заливці забезпечить підвищення працездатності гідрофікованих машин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота є частиною наукової програми Донбаського гірничо-металургійного інституту (ДГМІ), зокрема кафедри гірничої енергомеханіки і обладнання та Галузевої лабораторії мастильних матеріалів і робочих рідин Мінтопенерго України при ДГМІ, що спрямована на розробку засобів та способів очищення робочих рідин. Наведені в дисертації результати є складовою частиною НДР, державний реєстраційний №01004001278 “Розробка теорії автономної самогенеруючої очистки з використанням гідродинамічних процесів для розподілу двофазних рідин”, де автор був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є науково-методичне обгрунтування шляхів інтенсифікації робочого процесу гідродинамічних очисників моторних мастил і розробка на їх основі малогабаритних очисників для використання в двигунах внутрішнього згорання.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- визначити умови, що забезпечують збереження степені очистки рідини, яка фільтрується, постійною по довжині фільтроелемента;

- визначити можливість і умови забезпечення саморегенерації нерухомого фільтроелемента при періодичній гідродинамічній очистці рідини;

- визначити можливості і умови забезпечення саморегенерації фільтроелемента, який обертається, при періодичній повнопоточній гідродинамічній очистці рідини;

- дослідити стійкість потоку в гідродинамічному очиснику з фільтроелементом, який обертається;

- на основі результатів виконаного дослідження розробити малогабаритні роторні очисники моторних мастил для використання в двигунах внутрішнього згорання;

- вдосконалити методику та засоби проведення експериментального дослідження робочого процесу гідродинамічних очисників моторних мастил;

- провести перевірку отриманих науково-методичних результатів експериментальним шляхом.

Об'єктом дослідження є робочий процес гідродинамічних очисників при наявності відсмоктувальної перегородки.

Предмет дослідження – засоби очистки рідин, що основані на комбінованому використанні фільтраційних та гідродинамічних процесів.

Методи дослідження. Поставлені задачі дослідження вирішувались шляхом математичного і фізичного моделювання процесу гідродинамічної очистки рідини в роторних очисниках. Математичне моделювання здійснювалось на базі рівнянь руху з малими числами Рейнольдса нестисливої однорідної ізотермічної рідини. Фізичне моделювання здійснювалось шляхом стендових і промислових випробувань натурних зразків роторних очисників на моторних мастилах, Оцінка параметрів рідини, яка фільтрується, проводилась по вдосконаленій, в ході проведення даного дослідження, методиці Донбаського гірничо-металургійного інституту.

Наукова новизна отриманих результатів:

- визначені умови, що забезпечують інтенсифікацію робочого процесу в гідродинамічних фільтрах та реалізуються шляхом раціонального профілювання зазору між фільтроелементом та корпусом;

- доведена можливість і визначні умови, дотримання яких забезпечує наявність постійної саморегенерації очисників при періодичному фільтруванні або короткочасову припинення витрати рідини через відсмоктувальну перегородку;

- встановлено, що для очисників з нерухомим фільтроелементом зменшення в'язкості рідини, яка очищається, є фактором, що покращує очистку, а для очисників з фільтроелементом, який обертається - дестабілізуючим процес;

- досліджено явище втрати стійкості потоку в гідродинамічному очиснику з фільтроелементом, який обертається, та встановлено діапазон кутових частот обертання фільтроелементу, при якому робота очисника є ефективною.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій. Адекватність отриманих розрахункових залежностей робочому процесу. який досліджується, обумовлена застосуванням математичних моделей, що базуються на загальних положеннях гідромеханіки, а також результатами співставлення розрахункових даних з відомими та власними експериментальними даними. Достовірність отриманих експериментальних результатів обумовлена використанням відпрацьованих практикою методів дослідження і задовільною похибкою вимірювання величин.

Наукове значення роботи полягає в тому, що отримані нові розрахункові та експериментальні результати є необхідною і достатньою умовою для здійснення подальшої мінімізації масогабаритних характеристик гідродинамічних фільтрів при збереженні всіх інших показників якості їх роботи. Отримані результати доповнюють теорію робочого процесу гідродинамічних фільтрів математичним описом руху двохфазних середовищ зі змінною продуктивністю між дисками з відсмоктувальними поверхнями, які обертаються.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці методики розрахунку і створенні нових конструкцій малогабаритних гідродинамічних фільтрів для очищення моторних мастил, що придатні до експлуатації в існуючих конструкціях двигунів внутрішнього згорання, при заливці цих масел та їх регенерації. Розроблені пристрої пройшли стендові випробування на АвтоВАЗі (м. Тольятті), Головному спеціалізованому конструкторському бюро дизелебудудування ГСКБД (м. Харків), промислові випробування в Луганскьводпром (м. Алчевськ), використовуються в центральній регенераційній станції нафтопродуктів Донецької залізниці.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. В роботі [1] автором описані принципові схеми повнопоточних та неповнопоточних фільтрів для систем змащування двигунів внутрішнього згорання. В роботі [2] автором розроблена гідравлічна схема подачі мастильних матеріалів в дизелях локомотивів. В роботі [3] автором наведені гідродинамічні схеми неповнопоточної очистки мастильних матеріалів ДВЗ. В роботах [4, 5] автором обгрунтовані можливі схеми очистки мастил в ДВЗ з урахуванням використання неповнопоточних гідродинамічних фільтрів. В роботі [6] автором запропонована теорія і методика розрахунку оптимальних параметрів щілини між корпусом і фільтроелементом в гідродинамічних фільтрах. В роботі [7] наведена теорія і методика розрахунку критичної швидкості появи стрибка тиску у гідродинамічних фільтрах, що обертаються. В роботі [8] автор наводить методику гідродинамічної очистки мастил в бензинових та дизельних двигунах. В деклараційних патентах [9,10] внесок автора визначений у встановленому порядку. Постановка задачі, розрахункові та експериментальні дослідження, аналіз результатів проведені здобувачем спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались та обговорювались на IV Республіканській науково-технічній конференції "Гидроаэромеханика в инженерной практике" (м. Суми, 1999 р.) та IX Міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы развития рельсового транспорта" (Крим, м. Алушта, 1999 р.), на науково-технічних конференціях Донбаського гірничо-металургійного інституту (м. Алчевськ, 1998, 1999, 2000 рр.), на семінарах кафедр "Транспорт" та "Хіммотологія" Московського агротехнічного університету ім. В.П. Горячкіна, на технічних радах - "Луганскьводпром", АвтоВАЗ, ГСКБД.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано десять робіт, у тому числі сім статей в спеціалізованих виданнях, що затверджені переліком ВАК України, і два деклараційні патенти України.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, шести розділів, висновків, переліку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації 195 сторінок, у тому числі 32 рисунків на 3 сторінках, 3 додатки на 25 сторінках, перелік використаних джерел з 77 найменувань на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність дослідження робочого процесу та розробки нових конструктивних схем гідродинамічних очисників моторних мастил. Сформульовані мета і задачі дослідження, наводиться загальна характеристика дисертаційної роботи.

В першому розділі виконується аналіз впливу забрудненості робочих середовищ на працездатність різного роду машин, їх довговічність, зміну протікання технологічних процесів. Дослідження показали, що лише підвищеною забрудненістю робочих рідин пояснюється 50% відмов літаків, 65% - кермового управління автомобілів, 70% - тракторів, до 80% - екскаваторів.

Інформаційно-аналітичний огляд показує, що вплив забрудненості на функціонування рідин та систем, що використовують рідини, є складним багатофакторним явищем. Погіршення характеристик рідин і умов роботи обладнання відбувається відразу по декільком параметрам.

В силу великої поширеності ДВЗ особливо актуальною задачею є забезпечення такої чистоти їх палив та моторних мастил, які могли б істотно знизити аварійність та підвищити строк служби двигунів, що доглядаються.

Важливою умовою розробки засобів та методів підвищення ресурсу ДВЗ є дослідження джерел надходження забруднень в системи змащування та подачі палива, фактичної їх кількості та аналіз існуючих пристроїв для зниження рівня забруднення. Джерелами надходження забруднення є: зовнішні, що постійно потрапляють з повітрям під час заливки рідини, внутрішні, що пов'язані із зношенням механізмів в процесі роботи, та інкреторні, тобто викликані старінням самої рідини, руйнуванням фільтроелементів і тому подібні. Крім того, завжди присутні залишки технологічних паст та забруднень, що залишаються в системі після її виготовлення або ремонтів. Дослідження надходження забруднень в рідину на етапах її приготування, транспортувань на проміжні сховища та заливки в машину показало, що на кожному наступному етапі прогресивно збільшується забрудненість, що робить недоцільним установку очисників на попередньому етапі. Особливо збільшується забрудненість гідросистем при роботі ДВЗ в сильно запиленому середовищі та в жаркому кліматі, що є характерним як для України, так і, особливо, для Йорданії, де автомобільний транспорт є єдиним видом транспорту і де дуже мало доріг з твердим покриттям.

Оскільки в традиційних системах очистки підвищення тонкості очищення в два рази в п'ять разів збільшує витрати на системи очистки, багато робіт присвячено встановленню вимог до чистоти рідин, методів їх контролю та експрес-інформації про їх стан. Більшість досліджень, виходячи з техніко-економічних можливостей очистки та прийнятного ресурсу ДВЗ, допускають використання рідин 12 класу чистоти по ГОСТ 17216-71 (номінальна тонкість очистки до 25 мкм), хоча з технічної точки зору ці вимоги є явно заниженими і необхідним є 9 клас чистоти (номінальна тонкість очистки 10 мкм).

Задача забезпечення високого рівня очистки рідин може бути вирішена за допомогою механічних фільтрів, які, щоправда, хоча і дозволяють забезпечити потрібну тонкість очистки, мають низьку грязеємність і практично не регенеруються. Поміж засобів очистки, що використовують силові поля, найбільше застосування отримали центрифуги, що мають значну грязеємність. Однак вони не забезпечують належну тонкість очистки і потребують великих працезатрат на технічне обслуговування. Найбільш перспективним напрямом є використання гідродинамічного способу очистки, що отримує все більше застосування завдяки саморегенерації, меншому перепаду тиску на фільтроелементі та більшій тонкості очистки порівняно з традиційними очисниками.

Порівняльний аналіз сукупності галузей застосування існуючих засобів очистки з потребами різних галузей промисловості, що враховує різноманітність умов експлуатації та фактор впливу середовища, з одного боку, и приймаючий до уваги вимоги до чистоти робочих рідин, з другого боку, показує необхідність в межах всього промислового комплексу створення нового класу очисників. Виявлені вимоги до характеристик таких очисників дозволяють зробити висновок, що базою для його створення можуть слугувати принцип дії та існуючі конструкції гідродинамічних фільтрів. Застосування їх в ДВЗ обумовлює необхідність додаткових обмежень по їх масогабаритним характеристикам.

У другому розділі формулюються основні задачі, вирішенню яких присвячена дисертація. Приводиться обгрунтування вибору об'єкта та способа проведення дослідження. В якості пристрою, що підлягає розвитку, вибрано очисник роторний ОР-01, що може працювати як в неповнопоточному, так і в повнопоточному режимі (рис. 1). Очисник складається з кришки 1 (з патрубком вводу рідини 3 та патрубком 2 виводу фільтрата). Всередині кришки на підшипниках 4 встановлений полий ротор 5, на якому закріплений циліндричний фільтроелемент 6. Ущільнення 7 розділяє порожнини чистої та забрудненої рідини, ущільнення 8 запобігає витоку мастила. Крім того, має місце корпус 9 та бункер 10 зі зливною пробкою .

Як загальна задача дослідження визначена задача напрацювання науково-методичного забезпечення вирішення задачі створення нового класу очисників, в цілому, і мінімізації їх масогабаритних характеристик з метою використання для очистки моторних мастил в ДВЗ, зокрема. Першою стала задача визначення умов, які забезпечують збереження ступеня очистки рідини, яка фільтрується, сталим по довжині фільтроелемента. Другою проблемою було визначення умов забезпечення саморегенерації нерухомого фільтра при періодичній гідродинамічній очистці. Третьою окремою задачею дослідження стала задача визначення можливості та умов забезпечення саморегенерації фільтроелемента, що обертається, при періодичному повнопоточній гідродинамічній очистці рідини.

Проблемою, що обумовила зміст четвертої задачі, стало явище виникнення нестійкості потоку в гідродинамічних повнопоточних очисниках. Визначення факторів та умов, що забезпечують сталість вказаного потоку, є необхідною складовою вирішення загальної задачі дослідження.

Прикладною частиною, або п’ятою самостійною задачею дослідження, стало створення методики розрахунку і конструювання малогабаритних фільтрів для очистки моторних мастил. Відповідно, самостійною задачею дослідження стала перевірка отриманих рішень експериментальним шляхом. Останнє, в свою чергу, викликало потребу в доопрацюванні методики та засобів проведення експериментального дослідження на аналізу отриманих результатів. Відповідно, прийнятий спосіб проведення дослідження – розрахунково-аналітичний з послідуючою перевіркою результатів експериментальним шляхом.

В третьому розділі наводиться опис результатів розрахунково-аналітичної частини виконаного дослідження. З метою визначення умов, що забезпечують зберігання степеня очистки постійним по довжині фільтроелемента, проведено розрахунок руху частки, що розташована в забрудненій зоні. При цьому приймались припущення: рідина є нестисливою, однорідною, ізотермічною; частки є однорідними та кулькоподібними; відсутні інерційні, електростатичні, поверхневі та адгезійні сили; не враховується вплив стінок, взаємодія часток, що рухаються, броунівський рух, можливий дрейф частки через її обертання, товщина фільтроелемента; отвори в фільтрі вважаються круглими. Розрахунки проведені при малих числах Рейнольдса. Вектор швидкості частки визначався як векторна сума швидкостей потоків через велику кількість отворів в фільтроелементі і швидкості повздовжнього потоку.

Рух рідини через круглий отвір для зручності розглядався в координатах сплющеного еліпсоїда. Функція току такого руху

,

де та – криволінійні координати будь-якої точки простору , з яких визначає сімейство софокусних сплющених сфероїдів; – сімейство софокусних однопорожнинних гіперболоїдів обертання; – кут в площі, що є перпендикулярною осі отвору; – об’ємна витрата рідини через отвір.

Після перетворень отриманні швидкості руху частки в будь-якій точці заповненого рідиною простору в напрямі до отвору в декартових координатах:

, ,

де та – відповідно, швидкості руху частки в напрямі до осі отвору та паралельно ній.

Підсумовуючи в кожній точці знайдену складову швидкості зі швидкістю повздовжнього потоку (вздовж поверхні фільтроелемента) , була визначена сумарна повздовжня швидкість і кут нахилу дотичної до траєкторії руху частки

.

Аналіз проведених розрахунків дозволив умову затримання частки фільтром надати у вигляді

,

де – діаметр частки, – радіус отвору.

З урахуванням седиментації максимально можливий діаметр частки, що проникає через фільтроелемент (абсолютна тонкість очистки), визначається за залежністю

,

де – густина рідини; – динамічна в’язкість; – прискорення вільного падіння.

Перепад тиску на фільтроелементі по формулі Сімпсона – Роска дорівнює

,

де витрата рідини через отвір в поверхні фільтроелемента

.

Тут – витрата рідини через фільтроелемент; – площина фільтроелемента; – найкоротша відстань між краями сусідніх отворів.

Умовою мінімізації масогабаритних показників неповнопоточних фільтрі є сталість швидкості в зазорі між корпусом і фільтроелементом на відстані від поверхні фільтроелемента.

Беручи до уваги вищевказану умову і вважаючи, що на початку в фільтр потрапляє витрата рідини, частина якої фільтрується, а частина – відкидається, що забезпечує необхідну повздовжню швидкість, а також враховуючи граничні умови (у стінок щілини швидкості дорівнюють нулю, а на осі щілини швидкість є максимальною), отримано вираз для визначення необхідної повздовжньої швидкості

.

де – початкова висота щілини,  – діаметр циліндричного фільтроелемента.

Оскільки , після перетворень отримане рівняння, що дозволяє профілювати щілину з умови забезпечення сталої по довжині тонкості очистки

,

де – відстань від вхідного торця фільтроелемента до точки, де визначається висота щілини ; – довжина фільтроелемента; коефіцієнт , що визначається за залежністю

.

Однією з основних задач, що вирішувалась в ході проведення даного дослідження, було визначення умов забезпечення саморегенерації фільтроелемента при різних схемах гідродинамічної очистки рідини. Однією з них є гідродинамічна очистки для гідросистем, де періодично з’єднується насосна лінія з гідродвигуном.

На рис. 2 показана частка забруднення, яка закрила отвір під час з’єднання насосної лінії з гідродвигуном. Найгірші умови для її змиву (після від’єднання гідродвигуна) в гідродинамічному режимі будуть, якщо діаметр частки є співвимірним з діаметром комірки. На частку діють сила лобового опору в повздовжньому напрямі і сила, що діє на нижню поверхню частки вертикально вгору, . Обидві сили викликані збуренням потоку виступаючою частиною частки. Струмінь потоку рідини, що набігає на частку, деформується і відривається від її поверхні, породжуючи в прилеглих до частки зонах обертовий рух рідини, що змінює гідродинамічний тиск і силу тертя.

Враховуючі відомі рівняння М.Є. Жуковського для сил лобового опору і підйомної сили, а також силу ваги частки , силу, що викликана перепадом тиску на фільтрі , виходячи з умови рівноваги моментів сил при змиві відносно точки А (), після ряду перетворень отримуємо

.

Знаючи закон розподілу повздовжніх швидкостей по перерізу зазору між корпусом і фільтроелементом та величину , можна визначити по середню швидкість повздовжнього потоку і по ній витрату, необхідну для самоочистки фільтроелемента.

Саморегенерація повнопоточного фільтроелемента, що обертається, за надзвичайно високої забрудненості вхідної рідини також може забезпечуватись періодичним запиранням фільтра за допомогою золотника, що регулюється перепадом тиску, працючому насосі. Для цього необхідно мати акумулятор в лінії подачі рідини на фільтр. Задача зводиться до визначення кутової швидкості фільтроелемента, що забезпечує саморегенерацію за час заповнення акумулятора, який має заздалегідь задані розміри.

На частку (рис. ), що є співвимірною за розмірами з розмірами отвору і закрила цей отвір, діють сили лобового опору і підйомна сила , величина яких визначається за відомими формулами М.Є. Жуковського. Крім того, на частку діє відцентрова сила ( – маса частки, де  – густина матеріалу частки; – колова швидкість на поверхні фільтроелемента; – радіус фільтроелемента), сила тертя , де  – коефіцієнт тертя частки і матеріалу фільтруючої перегородки;  – сила, що викликана перепадом тиску.

Вважаючи початком координат центр ваги частки, а умовою рівноваги при відриві рівняння рівності моментів , отримано

, де

Ця формула пов’язує мінімально необхідну величину частоти обертання з геометричними параметрами фільтроелемента, величиною і матеріалом часток, що затримуються, параметрами рідини і потрібною пропускною спроможністю фільтра.

Виходячи з гіршого випадку , отримано

, де

Цей час є розрахунковим для визначення конструктивної місткості акумулятора

,

де – корисна місткість акумулятора; – показник політропи; – заданий степінь зміни тиску в акумуляторі.

Найбільший ефект по тонкості очистки і продуктивності дають фільтри з фільтроелементами, які обертаються з підкритичною кутовою швидкістю. Разом з тим, при перевищенні критичної кутової швидкості виникає нестійкість, вихори, стрибкоподібно збільшується перепад тиску на фільтроелементі. Тому однією з задач в даній роботі стала задача дослідження стійкості потоку в очисниках, що розглядаються.

В теоретичній гідродинаміці прийнято визначати стійкість по критерію

.

де – ширина зазору між концентричними циліндрами. При цьому, згідно наявних даних, існує перехідна зона, в якій наявність струменя співіснує з ламінарним потоком до .

Досвід роботи роторних очисників показав, що їх критична кутова швидкість істотно перевищує передбачувану теорією. Пояснюється це ефектом відсмоктування, при якому, по-перше, існує більш тонкий граничний шар, що має меншу схильність до вихроутворення, по-друге, створюються профілі швидкостей, що володіють більш високою межею стійкості. З метою забезпечення можливості урахування вказаної особливості робочого процесу роторних очисників була виконана оцінка максимально прийнятної величини частоти обертання фільтроелемента з заданими геометричними та гідродинамічними параметрами.

У випадку рівномірного відсмоктування по довжині фільтроелемента безрозмірний коефіцієнт витрати дорівнює , де – колова швидкість фільтроелемента і – швидкість відсмоктування. Для плоскої нестисливої течії, при рівномірному розподілі швидкостей повздовжньої течії, рівняння руху має вигляд

,

де – координата в напрямі швидкості (перпендикулярно поверхні фільтроелемента). Розв’язання цього рівняння

.

де – товщина пограничного шару (в нашому випадку ).

Товщина втрати імпульсу , в нашому випадку . Дотична напруга на стінці дорівнює і, як наслідок, не залежить від в’язкості.

Згідно критерію Ульріха, стійкість граничного шару . З урахуванням , і , відповідно, маємо

.

З цього витікають, на перший погляд, парадоксальні висновки, що стабілізуюча дія відсмоктування тим вища, чим менші розміри фільтроелемента і більша витрата через нього, а товщина граничного шару вище при підвищенні в’язкості. Але вони відповідають дійсності і к.т.н. Є.А. Поляковим підтверджені експериментально.

У четвертому розділі описані нові конструкції гідродинамічних фільтрів і схеми їх використання в карбюраторних та дизельних ДВЗ для регенерації моторних мастил.

На рис. 4 наведена схема очистки моторних мастил неповно поточним фільтром. Тут: 1 – маслобак, 2 – фільтр всмоктування, 3 – насос, 4 – гідродинамічний фільтр, 5 – редукційний клапан, 6 – зливний канал, 7 – лінія фільтрату, 8 – змащуванні об’єкти, 9 – відстійник-очисник. Для цієї схеми був розроблений фільтр (рис. 5), взаємозамінний з серійними мастильними фільтрами легкових автомашин, що випускаються АвтоВАЗом (м. Тольятті). Описаний також неповнопоточний мастильний фільтр ФД, що створений як альтернатива центрифузі для тракторів середньої потужності Т75М, ЮМЗ-6 та інших.

Розроблені фільтри не потребують заміни фільтроелемента, його регенерації, технічного обслуговування на протязі терміна служби машини. На них не залишається бруд, не збільшується перепад тиску, тонкість очистки в 2-3 рази вища, ніж величина клітинок в фільтруючій сітці.

З метою підсилення гідродинамічного ефекту були запропоновані два нових технічних рішення в яких за рахунок циркуляції рідини, що скидається, збільшується швидкісний потік вздовж поверхні фільтроелементу і, відповідно, тонкість очистки.

У п’ятому розділі аналізуються існуючі способи взяття проб рідини в запилених середовищах, методи контролю та експрес-інформації про вміст по масі механічних домішок та їх гранулометричний склад. За участю автора були запропоновані пристрої для запобігання потрапляння забруднень з повітря при взятті проб, вдосконалена методика використання фотоколориметрів для експрес –аналізу складу механічних домішок у рідині.

В даному розділі описані стенд для дослідження засобів очистки рідини, стенд, на якому проводились приймальні та ресурсні випробування фільтра для легкових автомобілів і стенд для дослідження працездатності гідродинамічного фільтра для дизельних двигунів транспорту середньої потужності. Детально описані методики проведення випробувань на цих стендах.

У шостому розділі наводяться результати експериментального дослідження робочого процесу гідродинамічних очисників на стендах і за методикою, що описані в п’ятому розділі.

Дослідження повнопоточних фільтрів ОР-01 при частоті обертання 48 с-1 на рідинах з в’язкістю 1.5, 7.7,20 мм2/с на сітках з розміром клітинок 80, 40, 12 мм при витратах 10, 30, 40 л/хв показали: номінальна тонкість очистки 15-25 мкм при 30 л/хв і 80 мкм; самоочистки всіх клітинок включно до 12 мкм сітки саржевого плетіння; забрудненість неочищеної рідини, що подається на фільтр, не обмежується ні за крупністю, ні за концентрацією.

Промислові випробування повнопоточного фільтру ОР-01 проводилися на дільниці обкатки двигунів СМД – 60 тресту “Промводчермет” Луганської області. Якщо при використанні сепараторів СМ1-3000 одне й теж саме мастило до здачі на регенераційну станцію використовувалось три рази, то при застосуванні ОР-01 - п’ять разів, причому в першому випадку масова концентрація механічних домішок складала при здачі 2%, в другому – 1,52%.

Випробування гідродинамічного фільтра на стенді фірми “Фіат”, що встановлений на АвтоВАЗі, за значно суворішою методикою ( подача забруднень в мастило М8ГІ подавались не поступово на протязі декількох годин, як це передбачено методикою, а зразу дозою 57 г на 6 літрів) показали, що вперше в світовій практиці був створений і пройшов випробування мастильний автомобільний фільтр, що не потребує заміни або регенерації на протязі всього терміну служби автомобілів. Фільтр пройшов приймальні і ресурсні випробування за ТУ 37.35.9.020-84, що відповідають світовим вимогам. За час випробувань забезпечувався ефект змивання забруднень з поверхні фільтроелемента, перепад тиску на фільтроелементі був меншим ніж у серійному фільтрі і в процесі випробувань не змінювався. Витрата потоку, що скидався і забезпечував самоочистку поверхні фільтра, складала 12% від витрати мастила, що поступила на фільтр.

Випробування фільтру ФД для дизельних двигунів тракторів середньої потужності проводились на стендах ГСКБД (м. Харків). Було встановлено, що гідродинамічний ефект мав місце на номінальних і більш великих витратах, тобто мала місце періодична гідродинамічна очистка. В зв’язку із зміною витрати, що подається на фільтр, збільшується перепад тиску на фільтроелементі і збільшується витрата, що йде на змив часток. Поток, що залишався, достатній для забезпечення надійної роботи двигуна. Тонкість очистки збільшилась з 80-120 мкм при очистціцентрифугами до 25-30 мкм в гідродинамічному і до 40 мкм в механічному режимах роботи при очистці фільтром ФД.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведені теоретичні узагальнення і нове рішення наукової задачі, яка заключається в визначенні і науково-методичному обгрунтуванні шляхів інтенсифікації робочого процесу гідродинамічних очисників моторних мастил, розробці на основі отриманих результатів малогабаритних очисників для використання в двигунах внутрішнього згорання.

Головні наукові і практичні результати роботи заключаються в наступному:

1. Встановлено, що в межах існуючого промислового комплексу необхідно створити новий клас очисників. Вимоги, що були виявлені під час дослідження цього класу очисників вказують на те, що базою для його створення можуть бути гідродинамічні фільтри. Вирішення проблеми створення нового класу очисників доцільно починати з вирішення задачі мінімізації малогабаритних характеристик існуючих гідродинамічних фільтрів. В якості об'єкту дослідження під час вирішення такої задачі визначені гідродинамічні очисники моторних мастил двигунів внутрішнього згорання.

2. Доведена можливість підвищення ефективності робочого процесу гідродинамічних фільтрів шляхом раціонального профілювання зазору між фільтроелементом та корпусом. Встановлено, що висота зазору між фільтроелементом та корпусом повинна змінюватись за параболічною залежністю.

3. Досліджено робочий процес у неповнопоточних гідродинамічних фільтрах та встановлений функціональний зв'язок між пропускною здатністю, що потребується, та тонкістю очистки, допустимим перепадом тиску, геометричними розмірами фільтра та характеристикою матеріала фільтроелемента.

4. Встановлено, що для фільтрів з фільтроелементом, що обертається, існує межа кутової швидкості, після якої в зазорі між корпусом та фільтроелементом виникають вихорові явища, що стрибкоподібно підвищує перепад тиску на фільтрі зі значним погіршенням умов очистки.

5. Показано, що для очисників з нерухомим фільтроелементом зниження в'язкості рідини, що очищується, є фактором покращуючим очистку, а для очисників з фільтроелементом, що обертається – дестабілізуючим її.

6. Доведена можливість постійної саморегенерації очисників при періодичному гідродинамічному фільтруванні чи короткочасному припиненні подачі рідини через відсмоктувальну перегородку і був розроблений метод розрахунку періодичного змиву, як для неповнопоточних, так і для повнопоточних фільтрів. Розроблені додаткові пристрої, що забезпечують наведений вище режим.

7. На базі існуючих гідродинамічних фільтрів і результатів виконаного дослідження запропоновані нові системи очищення мастил та палива для карбюраторних та дизельних двигунів, для робочих та спеціальних рідин загальнопромислового обладнання. Показано, що застосування нових систем очистки дозволяє відмовитись від їх технічного обслуговування, виключає забруднення фільтроелементів, знижує та стабілізує перепад тиску на фільтрі.

8. Удосконалені та перевірені методи відбору проб нафтопродуктів та контролю гранулометричного складу механічних домішків в нафтопродуктах. Проведені стендові та промислові випробування засобів очистки рідин, результати яких експериментальним шляхом підтвердили достовірність результатів аналітичної частини досліджень. Впровадження запропонованих розробок показало, що строк окупності запропонованих гідродинамічних систем очистки не перевищує 2,5-3 місяці.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1 Финкельштейн З.Л., Аль-хавалдех Абдалла Сулейман. Гидродинамическая очистка смазочных масел двигателей внутреннего сгорания. //Весник НТУУ "КПИ", "Машиностроение".-Киев, 1999. - Вып.36, Т.1-С.110-114.

2 Финкельштейн З.Л., Аль-хавалдех Абдалла Сулейман. Гидродинамическая очистка моторных масел автомобилей.// Вісник Східноукраїнського державного університету-Луганськ, 1999. - №1-С.156-160.

3. Аль-хавалдех Абдалла Сулейман. Гидродинамические схемы неполнопоточной очистки смазочных масел ДВС. // Сборник научных трудов ДГМИ – Алчевск, 1999. - Вып.9.-С.75-80.

4. Аль-хавалдех Абдалла Сулейман. Гидродинамический фильтр для очистки масел легковых автомобилей. // Весник ХГПУ. - Харьков, 1999. - Вып.62. - С.32-36.

5. Аль-хавалдех Абдалла Сулейман. Испытания гидродинамических фильтров для очистки масел. // Сборник научных трудов ДГМИ –Алчевск, 1999.-Вып.10. - С. 147-152.

6. Финкельштейн З.Л., Аль-хавалдех Абдалла Сулейман. Исследование устойчивости потоков в гидродинамических очистителях с вращающимся фильтроэлементом. // Весник ХГПУ-Харьков, 2000. - Вып. 89. - С.70-79.

7. Финкельштейн З.Л. Аль-хавалдех Абдалла Сулейман. Методика расчета параметров гидродинамических неполнопоточных фильтров.//Вісник СумДУ. - Сумы, 2000. - № 15 - С. 15-19.

8.

9. Деклар. пат. 35195А України, МКИ В01D 35/22, B 01D 33/06 / Фільтр для тонкої очистки рідин. З.Л. Фінкельштейн, Аль-хавалдех Абдалла Сулейман (JO), В.П. Бондаренко. - №99094889; Заявл. 01.09.99; Опубл. 15.03.01, Бюл. №2. – 2с.

10. Деклар. пат. 35196А України, МКИ В01D 29/00 / Самоочисний фільтр. З.Л. Фінкельштейн, Аль-хавалдех Абдалла Сулейман (JO), В.П. Бондаренко. - №99094890; Заявл. 01.09.99; Опубл. 15.03.01, Бюл. №2. – 2с.

АННОТАЦИЯ

Аль-хавалдех Абдалла Сулейман. Исследование и разработка гидродинамических очистителей моторных масел. – Рукопись.

Диссертация на соискание учений степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 – гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. – Сумский государственный университет, Сумы, 2001.

Диссертация посвящена вопросу научно-методического обоснования путей интенсификации рабочего процесса гидродинамических очистителей моторных масел и разработке на их основе малогабаритных очистителей для использования в двигателях внутреннего сгорания.

В настоящее время промышленному комплексу, наряду с уже существующими, требуется новый класс очистителей. По требуемым характеристикам от него наиболее подходящей базой являются гидродинамические фильтры. Применение их в различных отраслях промышленности подтвердило высокую эффективность и, одновременно, выявило ограничение в области их применения. Создание рассматриваемых очистителей для их использования в двигателях внутреннего сгорания является важной составной частью реализации программы создания нового класса очистителей.

Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность интенсификации рабочего процесса гидродинамического фильтра путем рационального профилирования зазора между фильтроэлементом и корпусом. Установлено, что высота зазора между фильтроэлементом и корпусом должны меняться по параболической зависимости. Выполнение данного условия обеспечивает сохранение степени очистки фильтруемой жидкости постоянной по длине фильтроэлемента.

Доказана возможность и определены условия обеспечения саморегенерации неподвижного фильтроэлемента при периодической неполнопоточной гидродинамической очистке жидкости. Установлена функциональная связь между требуемой пропускной способностью и тонкостью очистки, допустимым перепадом давления, геометрическими размерами фильтра и характеристикой материала фильтроэлемента.

Доказана возможность и определены условия обеспечения саморегуляции вращающегося фильтроэлемента при периодической полнопоточной гидродинамической очистке жидкости. Установлено, что для фильтров с вращающимся фильтроэлементом, существует порог угловой скорости, после которого в зазоре между корпусом и фильтроэлементом возникают вихри, что скачкообразно повышает перепад давления на фильтре и значительно ухудшает условия очистки. Получена зависимость для определения указанного порога угловой скорости вращения фильтроэлемента.

Самостоятельным научным результатом проведенного исследования является установленный факт – для очистки с неподвижным фильтроэлементом снижение вязкости очищаемой жидкости является фактором, улучшающим очистку, а для очистителей с вращающимся фильтроэлементом – дестабилизирующим процесс.

Практическим результатом проведенного исследования стала разработка методики расчета и создание новых конструкций малогабаритных гидродинамических фильтров для очистки моторных масел, пригодных к эксплуатации в существующих двигателях конструкциях двигателей внутреннего сгорания, при заливке этих масел и их регенерации.

Дано описание фильтра, взаимозаменяемого с серийными масляными фильтрами легковых машин, выпускаемых АвтоВАЗом. Описан также масляный фильтр ФД, который был разработан как альтернатива центрифуги для тракторов ДТ-75М, ЮМ3-6 и других. В последнем случае переделки сводятся к выкручиванию из корпуса двигателя центрифуги и завинчиванию на ее место фильтра ФД. С целью усиления гидродинамического эффекта предложено также два новых технических решения, в которых с помощью циркуляции сбрасываемой жидкости увеличивается скоростной поток вдоль поверхности фильтроэлемента и, соответственно, тонкость очистки фильтруемой жидкости.

Полученные результаты проверялись экспериментально. Для этого понадобилось усовершенствовать методику и средства проведения экспериментального исследования. С участием автора данной работы предложены устройства для предотвращения попадания загрязнений из воздуха при взятии проб. А также усовершенствована методика использования фотоколориметров для экспресс-анализа содержания механических примесей в жидкости. Экспериментальная проверка осуществлялась на стендах: стенд ДГМИ для исследования средств проведения приемочных и ресурсных испытаний фильтров легковых автомобилей, стенд ГСКБД (г. Харьков) для испытания фильтров дизельных двигателей тракторов средней мощности.

Проведенные стендовые и промышленные испытания исследуемых средств очистки жидкостей подтвердили достоверность результатов аналитической части исследования. Установлено, что применение новых систем очистки позволяет отказаться от их технического обслуживания, исключает засорение фильтроэлементов, снижает и стабилизирует перепад давлений на фильтре. Внедрение предложенных разработок показало, что срок окупаемости предлагаемых гидродинамических систем очистки не превышает 2,5-3 месяца.

Ключевые слова: гидродинамический фильтр, рабочий процесс, массогабаритные характеристики, саморегенерация, моторное масло.

АНОТАЦІЯ

Аль-хавалдех Абдалла Сулейман. Дослідження і розробка гідродинамічних очисників моторних мастил. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.05.17 – гідравлічні машини та гідропневмоагрегати. – Сумський державний університет, Суми, 2001.

Дисертація присвячена питанню науково-методичного обгрунтування шляхів інтенсифікації робочого процесу гідродинамічних очисників моторних мастил та розробці на цій основі малогабаритних очисників для використання в двигунах внутрішнього згорання.

Визначені умови, що забезпечують збереження степеня очистки рідини, яка фільтрується, постійного по довжині фільтроелемента. Визначені умови забезпечення саморегенерації фільтроелемента як при періодичній неповнопоточній, так і при повнопоточній схемах гідродинамічної очистки рідини. Визначені умови сталості потоку в гідродинамічних очисниках з фільтроелементом, що обертається. Розроблені нові конструктивні схеми малогабаритних роторних очисників моторних мастил. Вдосконалена методика, створені засоби для експериментальної перевірки отриманих результатів. Видані рекомендації по впровадженню результатів дослідження в виробництво.

Ключові слова: гідродинамічний фільтр, робочий процес, масогабаритні характеристики, саморегенерація, моторне мастило.

SUMMARY

Al-havaldeh Abdalla Suleyman. Research and development of hydrodynamic cleaners of motor oils. – The manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.05.17 – hydraulic machines and hydraulic and pneumatic units. Sumy State University, Sumy, 2001.

This thesis is dedicated to the problem concerning scientific and methodical justification of ways of intensifying the working process of hydrodynamic cleaners of motor oils and development on this basis the small-dimensional cleaners for application in internal combustion engines. The conditions assuring the constant fineness of cleaning the liquid being filtered along the length of a filter element were determined. The conditions assuring the self-regeneration of the filter element in the periodical non-full-flow scheme as well as in the full-flow scheme of hydrodynamic cleaning the liquid were obtained. The conditions of stability of flow in the hydrodynamic cleaners with the rotating filter element were obtained. The new design schemes of small-dimensional rotor cleaners of motor oils were developed. The technique was upgraded and the means for experimental test of the obtained results were created. The recommendations concerning application of the results of research in industry were given.

Key words: hydrodynamic filter, working process, weight and dimension characteristics, self-regeneration, motor oil.

Підп. до друку __ .08.2001 г.