Научная статья

УДК 66.067.3

2022

Байрамов
Жахангир Мехралиевич

бакалавриат, Петрозаводский государственный университет
(Петрозаводск, Российская Федерация),
fridan.adval@mail.ru

Конструирование гидродинамического фильтра для очистки масла

Научный руководитель:
Черняев Леонид Алексеевич
Рецензент:
Селиверстов Александр Анатольевич
Статья поступила: 26.05.2022;
Принята к публикации: 03.11.2022;
Размещена в сети: 25.12.2022.
Аннотация. В статье рассматривается процесс конструирования гидродинамического фильтра для дальнейшего использования его на технике. Автор показывает конструкцию фильтра, особенности его работы и расчетные формулы процесса движения жидкости в фильтре. В результате проектирования фильтра представлена 3D модель гидродинамического фильтра в программе «SOLIDWORKS». Фильтры данных классов все еще совершенствуются и дорабатываются, имеют важную значимость в отраслях производства. Так же автор рассматривает вопрос дальнейшего исследования фильтрации процессами центробежных сил и перепадов давления.
Ключевые слова: Гидродинамический фильтр, конструирование, очистка масел, центробежный фильтр, гидродинамика, расчетные формулы.

Для цитирования: Байрамов Ж. М. Конструирование гидродинамического фильтра для очистки масла // StudArctic forum. 2022. T. 7, № 4. С. 41–46.

 

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(r- 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* = vλ/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)



Просмотров: 427; Скачиваний: 79;