Введение:
На данный момент существуют различные конструкции фильтров, они имеют свои преимущества и недостатки. Когда мы говорим слово «фильтр», на мысль приходит представление сетчатого элемента с порами, гофрированной бумаги в виде сепаратора, которые очищают масло от примесей, тяжелых частиц и фракций.
Последний фильтр используется один раз, пока поверхность окончательно не засориться. В конце использования фильтр из гофрированной бумаги заменяют новым, что приводит к финансовым тратам и потерями времени на их замену. Кроме того, в конце времени использования фильтра мы получаем не до конца очищенное масло, что способствует ухудшению характеристик системы и механизма. Помимо данных фильтров существуют центробежные фильтры для очистки масла, которые установлены на технике.
Гидродинамические фильтры во многом превосходят центробежные, так как обслуживание данных фильтров не требует больших затрат и времени. Гидродинамические фильтры работают согласно законам гидродинамики движения жидкостей.
Вопросами разработки гидродинамического фильтра занимались такие ученные как: Финкельштейн З. Л, Байрамов М. Б, Девисилов В. А и др. По данной тематике существуют достаточно много литературных источников. Целью исследования является выбор наиболее оптимального варианта конструирования гидродинамического фильтра с последующем улучшением фильтрующей поверхности. Из статьи следует, что для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: - изучается система смазки двигателей тракторов, в т. ч. с центробежным фильтром для очистки масла; -конструируется гидродинамический фильтр для очистки масла, и описываются особенности его работы; - предоставляются рекомендации по варианту конструкции гидродинамического фильтра для последующего внедрения.
Система смазки двигателей тракторов
Система смазывания выполняет следующие функции:
- обеспечивает на всех режимах работы двигателя работоспособность узлов трения путем подачи необходимого количества масла под оптимальным давлением к трущимся поверхностям, предотвращая появление сухого или граничного трения, задиров детали;
- уменьшение силы трения и износ трущихся пар;
- удаляет с поверхности трения продукты износа и коррозии, а также абразивные частицы;
- удаляет с поверхности деталей и агрегатов продукты термического разложения;
- охлаждает узлы трения и детали двигателя;
- защищает детали двигателя от коррозии. [Ксеневич, 2001: 175]
Смазка в двигателях происходит за счет моторных масел, которые имеют такие эксплуатационные свойства, как смазывающие и вязкостно – температурные, термоокислительную стабильность, моющие, антиокислительные и антикоррозионные. [Кузнецов, 2004: 91]
Наглядное представление системы смазывания показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Циркуляционная комбинированная система смазывания двигателя.
1 – сливной клапан; 2 – перепускной клапан; 3 – кран; 4 -центробежный фильтр; 5 – указатель; 6 – сверление; 7 – компрессор; 8 – топливный насос; 9 – щуп; 10 – кран включения; 11 – золотниковый клапан с термодатчиком; 12 – гидромуфта привода вентилятора; 13 – поддон картера; 14, 16 – редукционные клапаны; 15 – радиатор; 17 – насос прокачки масла центробежного фильтра; 18 – двухсекционный насос; 19 – дифференциальный клапан; 20 – полнопоточный фильтр; 21 – главная масляная магистраль; 22 – перепускной клапан.
Центробежные очистители (центрифуги) производят очистку масла от более тяжелых примесей за счет действия центробежных сил. На автомобильных и тракторных двигателях ставят центрифуги, имеющие 5000…8000 мин-1 оборотов, тонкость очистки при этом может достигать 1…3 мкм. Центрифуги в подавляющем большинстве случаев имеют гидравлический привод. По типу гидравлического привода ротора центрифуги разделяются на реактивные и реактивно – активные, использующие принцип гидравлической турбины.
В центрифугах с реактивным приводом вращение ротора осуществляется за счет реакций струй масла, выходящего под давлением с большой скоростью из тангенциально направленных жиклеров. Масло, вытекающее из жиклеров, сливается в поддон двигателя. Недостатком этого вида очистки является аэрация масла, вытекающего струями из жиклеров. У реактивно – активных центрифуг такого недостатка нет, у них отсутствует наружный сопловой аппарат, а масло, поступающее в ротор центрифуги, направляется на лопасти турбины. Давление в системе ограничивает перепускной клапан.
Для того чтобы система очистки масла была довольно компактной и не требовала бы дополнительных фильтров, возникает необходимость замены существующего центробежного фильтра на гидродинамический фильтр с реактивными соплами, где движение жидкости осуществляется за счет перепада давления в системе.
Гидродинамический фильтр – это универсальный фильтр, который работает за счет законов гидродинамического движения жидкости по поверхностям элементов фильтра. Ротор фильтра очищает засоренную поверхность фильтра создаваемыми потоками жидкостных сил (продольными и центробежными).
Сконструированный фильтр очищает масло от примесей. Для наглядного представления спроектирована модель фильтра с использованием программы «SOLIDWORKS».
На рисунке 2 представлены результаты проектирования.
Рисунок 2. 3D модель гидродинамического фильтра.
На модели фильтра (рисунок 2) представлен не только сам фильтр, но и всасывающий насос с баком неочищенной жидкости и баком очищенной жидкости. Изображенная на модели установка имеет опознавательные цвета: красный, бирюзовый, желтый и голубой.
Под цветами деталей модели представлены следующие элементы:
- красный – неочищенное масло;
- бирюзовый – гидродинамический фильтр;
- желтый – всасывающий насос высокого давления;
- синий – очищенное масло.
Процесс работы установки происходит таким образом: масло всасывается насосом высокого давления, проходит через нижний патрубок бака, далее масло проходит по патрубку вверх, проникая в гидродинамический фильтр. Масло очищается и через верхний патрубок сливается в бак.
Разрабатываемый фильтр предполагается использовать в наиболее распространенных тракторах в народном хозяйстве марки МТЗ.
Рисунок 3. Схема гидродинамического фильтра.
1 – корпус; 2 – верхняя крышка; 3, 4, 5 – патрубки не очищенной жидкости; 6 – патрубок очищенной жидкости; 7 – сетчатый фильтр саржевого плетения тканный; 8 – полая труба; 9 – сепаратор.
По схеме фильтра (рисунок 3) видно, что жидкость движется вокруг полой трубы, образуя вихри Тейлора, за счет чего и происходит гидродинамический эффект.
Реактивные сопла производят центробежное вращение и продольное перемещение жидкости вдоль сетчатого элемента, регенерируя ее. Этот эффект дает преимущество и ставит гидродинамический фильтр выше центрифуг.
Расчетные формулы движения жидкости
Существуют ламинарный и турбулентный режим движения жидкости. Ламинарное движение жидкости происходит без перемешивания и пульсаций, то есть слоями. Турбулентный режим движения происходит с перемешиваниями жидкости, а именно происходит диффузия.
Теоретический закон распределения скоростей по сечению потока с ламинарным режимом в трубе выражается формулой (1):
u = γ × i(r2 - y2)/(4 × μ) , (1)
где u – скорость движения слоя жидкости; i - гидравлический уклон; r - радиус трубы; - динамический коэффициент вязкости.
Распределение скоростей выражается следующей формулой (2):
(umax - u)/u* = (1/x) ln[r/(r - y)], (2)
где u*- динамическая скорость; x - универсальная постоянная Прандтля, равная, по опытам Никурадзе, 0,4.
Динамическую скорость можно определить по формуле (3):
u* = v√λ/8, (3)
Формулы взяты из источника [Савин, 1978: 32]
Итоги работы:
По результатам исследований гидродинамического фильтр выбран один из опытных вариантов конструкции фильтра.
Гидродинамический фильтр имеет достаточно много преимуществ по сравнению с другими фильтрами.
Достоинства:
- непрерывная регенерация фильтра;
- отсутствие расходных материалов и комплектующих для обеспечения непрерывной и бесперебойной эксплуатации фильтра;
- нержавеющая сетка в качестве фильтрующего материала;
- саморегулируемость числа оборотом ротора в зависимости от степени загрязненности жидкости и перепада давления;
- возможность регулирования степени очистки без замены сетки.
Гидродинамический фильтр будет внедрятся на тракторы "Беларус" МТЗ - 82. Тягового класса: 1,4;
с мощностью двигателя: 59,25 кВт (80 л. с). Данный фильтр с перечисленными выше достоинствами пойдет на замену центробежного фильтра, установленного в системе смазки двигателей тракторов марки МТЗ.
Список литературы
Ксеневич И. П. Тракторы. Конструкция: Учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению «Наземные транспортные системы» и специальности «Автомобиле- и тракторостроение». Москва : МГТУ «МАМИ», 2001. 821 с.
Кузнецов А. В. Топливо и смазочные материалы. Москва : КолосС, 2004. 199 с.
Савин И. Ф., Сафонов П. В. Основы гидравлики и гидроприводов : учебник для строительных техникумов. Москва : Высш. школа, 1978. 222 с.
vector99. narod : Гидродинамические фильтры / химико - лабораторное оборудование. URL: http://vector99.narod.ru/about.html. (дата обращения: 13.07.2022)