Совершенствование очистки рабочих жидкостей гидравлических систем на основе использования материалов пористой глобулярной структуры

На современном этапе развития агропромышленного комплекса добиться рентабельности сельскохозяйственного производства можно только при высокоэффективном использовании техники. Однако следует учитывать, что в настоящее время большинство сельскохозяйственных предприятий находится в сложной экономической ситуации, в связи с чем их машинно-тракторный парк практически не обновляется. Поэтому эффективность проведения сельскохозяйственных работ зависит от технического состояния имеющейся в наличии сельскохозяйственной техники, работоспособности ее узлов и агрегатов, среди которых важную роль играет гидрооборудование.

Гидравлические приводы получили широкое распространение в различных областях техники, в том числе и для обеспечения функционирования рабочих органов сельскохозяйственных машин. Преимуществами гидравлических приводов являются более низкие энергетические затраты по сравнению с другими типами приводов, возможность передачи значительных усилий с высоким передаточным отношением, обеспечение бесступенчатой работы, снижение инерционности системы, уменьшение массы и габаритных размеров агрегатов, упрощение их конструкции, достаточно надежная защита от перегрузок и т. п.

В то же время сложность конструкции гидравлических приводов обуславливает повышенные требования к эксплуатационным показателям масел, используемых в качестве рабочих жидкостей гидравлических систем тракторов и сельскохозяйственных машин, от чего зависит в значительной степени надежность гидравлического привода и работоспособность машины в целом. Важным показателем качества рабочих жидкостей является их чистота, однако этот показатель может существенно снижаться в процессе использования рабочей жидкости по прямому назначению, то есть при функционировании гидравлической системы во время эксплуатации сельскохозяйственной техники. Это приводит к интенсивному износу деталей гидромашин (гидронасосов, гидромоторов, гидроцилиндров), а также распределительных и регулирующих устройств, к забивке фильтров, засорению или зависанию клапанов.

Для повышения долговечности и безотказности агрегатов гидравлического привода за счет обеспечения чистоты рабочих жидкостей осуществляют ряд мероприятий профилактического и восстановительного характера. Профилактические мероприятия могут носить предупредительный характер, т. е. предотвращать попадание загрязнений в рабочую жидкость, и подготовительный, который заключается в очистке рабочей жидкости от загрязнений перед ее заливом в гидравлическую систему. Восстановительные мероприятия предусматривают очистку рабочей жидкости непосредственно в гидравлических системах в процессе эксплуатации сельскохозяйственных машин.

Профилактические мероприятия играют важную роль в обеспечении чистоты рабочих жидкостей, поскольку в процессе нефтескладских, транспортных и заправочных операций загрязненность этих жидкостей может существенно возрасти. Это происходит за счет контактирования рабочей жидкости с запыленным и влажным атмосферным воздухом, коррозии внутренних поверхностей неф-тескладского и транспортного оборудования, некачественной зачистки этого оборудования от отложений перед заливом в него рабочей жидкости и т. п. Устранение указанных причин попадания в рабочие жидкости загрязнений относится к мероприятиям предупредительного характера, которые способны значительно снизить загрязненность рабочих жидкостей путем установки на складских и транспортных емкостях воздушных фильтров и влагоотделителей, применения при изготовлении этих емкостей внутренних антикоррозионных покрытий или использования корозионностойких материалов, регулярной зачистки и промывки складских резервуаров и трубопроводов, транспортных цистерн и расходной тары. Однако эти мероприятия, снижая загрязненность рабочих жидкостей, не в состоянии полностью ее устранить. Подготовительные мероприятия включают в себя очистку рабочих жидкостей различными методами в силовых полях (гравитационном, центробежном, электрическом, магнитном и т. п.) и с помощью пористых перегородок (путем фильтрования). На практике в сфере сельскохозяйственного производства используются очистка рабочих жидкостей от загрязнений в гравитационном поле (отстаивание) и фильтрование жидкостей через пористые перегородки из различных материалов, другие методы очистки жидкостей на подготовительном этапе не получили распространения. Максимальная эффективность профилактических мероприятий достигается путем комплексного использования предупредительных и подготовительных методов. Однако даже при высокой эффективности профилактических мероприятий они не в состоянии обеспечить необходимый уровень чистоты рабочих жидкостей в процессе эксплуатации гидравлических систем из-за образования при работе гидроагрегатов или попадания в систему извне загрязнений различного характера. В связи с этим широкое распространение получили восстановительные мероприятия, заключающиеся в постоянной или периодической очистке рабочей жидкости в гидравлической системе во время работы этой системы. Для очистки рабочих жидкостей в гидравлических системах могут применяться такие методы, как центрифугирование, магнитная очистка, электроочистка, фильтрование через пористые перегородки, а также комбинации этих методов. Выбор типа очистителя зависит, в первую очередь, от конструкции гидравлической системы и условий ее эксплуатации, однако на современном этапе повсеместное распространение для очистки рабочих жидкостей получили фильтры, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с другими средствами очистки жидкостей — простотой устройства, отсутствием потребности в посторонних источниках энергии, широким диапазоном рабочих давлений и температур. Эффективность работы фильтров практически не зависит от свойств частиц загрязнений, находящихся в очищаемой рабочей жидкости, и определяется только соотношением между размерами этих частиц и размерами пор фильтрующей перегородки, то есть функциональные характеристики фильтров непосредственно зависят от свойств фильтрующих материалов, используемых при очистке рабочих жидкостей.

Вопросам очистки нефтепродуктов методом фильтрования для повышения надежности техники посвящены работы В. И. Алешина, В. И. Барышева, Г. Ф. Большакова, Г. В. Борисовой, М. А. Григорьева, Ю. И. Дмитриева, В. П. Зезекало,.

Б.С. Квашнина, В. П. Коваленко, Г. П. Кичи, Ю. А Микипориса, Е. А. Пучина, A.C. Полякова, А. И. Руденко, К. В. Рыбакова, И. В. Титова, Э. И. Удлера, 3.JI. Фин-кельштейна и многих других ученых. Особо следует отметить фундаментальные работы В. А. Жужикова [1], давшего подробный анализ процессов фильтрования различных жидкостей через пористые среды. В трудах перечисленных авторов и других работах содержатся результаты глубоких теоретических и экспериментальных исследований в рассматриваемой области. В указанных трудах подчеркивается, что для эффективной работы фильтров необходимо использовать высококачественные фильтрационные материалы, обеспечивающие высокую степень очистки жидкости при достаточно низком гидравлическом сопротивлении. Однако в настоящее время многие предприятия, выпускавшие достаточно эффективные фильтрационные материалы, прекратили их изготовление в связи с экономическими и организационными затруднениями. Это вынуждает зачастую использовать для укомплектования фильтров гидравлических систем фильтро-элементы зарубежного производства, а при изготовлении отечественных фильт-роэлементов применять импортные фильтрационные материалы, что значительно удорожает процесс очистки рабочих жидкостей.

В последнее время в данной области наметился определенный прогресс, так как некоторые отечественные производители занялись организацией выпуска фильтрационных материалов, как традиционных (бумага, картон и т. п.), так и альтернативных, ранее не применявшихся в гидравлических системах (главным образом пористых полимеров различного состава). Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности применения этих материалов для очистки рабочих жидкостей гидравлических систем тракторов и сельскохозяйственных машин является весьма актуальной задачей.

Целью работы является повышение эффективности процесса очистки рабочей жидкости в гидравлических системах тракторов и сельскохозяйственных машин.

Объектом исследования служат новые фильтрационные материалы отечественного производства с оптимальными технико-экономическими характеристиками для использования в фильтрах гидравлических систем.

Предметом исследования являются процессы тонкой очистки рабочих * жидкостей в гидравлических системах тракторов и сельскохозяйственных машин с применением фильтроэлементов из новых фильтрационных материалов с пористой глобулярной структурой.

Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании уточненной классификации загрязнений в рабочих жидкостях и обобщенных критериев оценки фильтрационных материалов для очистки этих жидкостей, в разработке физико-математической модели процесса фильтрования рабочей жидкости через полимерные материалы с пористой глобулярной структурой, а также в экспериментальном подтверждении целесообразности использования новых фильтрационных материалов при создании фильтроэлементов для очистки рабочих жидкостей.

Практическая ценность работы состоит в разработке конструкции и создании типоразмерного ряда фильтроэлементов с требуемыми характеристиками для очистки фильтрованием рабочих жидкостей гидравлических систем и в разработке рекомендаций по их подбору и применению.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Загрязнения, содержащиеся в рабочих жидкостях гидравлических систем мобильных машин, являются одной из основных причин отказов узлов и агрегатов этих систем при их эксплуатации в сельскомхозяйстве. Разработана уточненная классификация загрязнений в рабочих жидкостях, позволяющая систематизировать процессы загрязнения рабочей жидкости на различных этапах ее жизненного цикла и оценить влияние на эти процессы внутренних и внешних факторов, исследованы закономерности кинетики процесса накопления загрязнений в рабочей жидкости и разработаны требования к ее чистоте.

2. Из способов очистки рабочих жидкостей при эксплуатации сельскохозяйственной техники наиболее пригодным является фильтрование этих жидкостей, однако выбор перспективных фильтрационных материалов затрудняется отсутствием критериев для их комплексной оценки, поэтому на основании анализа функциональных и структурных свойств этих материалов разработаны соответствующие комплексные показатели — критерий очистки Ко, который является критерием подобия фильтрационных материалов, и интегральный показатель качества Кинх, характеризующий экономическую эффективность использования фильтрационных материалов.

3. Проведенные исследования показали перспективность использования для очистки рабочих жидкостей гидравлических систем принципиально нового класса высокопористых полимерных материалов с пространственно-глобулярной структурой — ПГС-полимеров, имеющих высокие технико-экономические показатели и несложных в производстве. Обоснована целесообразность изготовления фильтроэлементов из этих материалов двухступенчатыми.

4. Разработана физическая модель процесса фильтрования рабочей жидкости через пористый полимерный материал, позволившая обосновать требуемую тонкость очистки первой и второй ступеней фильтроэлемента и выбрать для его изготовления ПГС-полимеры с размером пор 45 мкм для первой ступени и 15 мкм для второй ступени.

5. Предложена математическая модель в виде системы уравнений материального баланса, кинетики процесса фильтрования рабочей жидкости и гидродинамики этого процесса, найденных для первой ступени фильтроэлемента, выполненной в виде полого цилиндра, и для второй ступени, выполненной в виде пакета чечевично-дискового типа, что позволяет определить основные параметры и характеристики каждой ступени (грязеемкость, ресурс работы, максимально допустимый перепад давления).

6. Разработаны методики проведения экспериментальных исследований, включающих исследование фактической загрязненности рабочих жидкостей гидравлических систем при транспортно-складских, заправочных операциях и в процессе эксплуатации сельскохозяйственной техники, исследование физико-химических и эксплуатационных свойств ПГС-полимеров, комплексную оценку качества фильтрационных материалов по критерию очистки Ко с применением закона распределения Вейбулла-Гнеденко. Разработано и изготовлено лабораторно-стендовое оборудование для проведения указанных исследований.

7. Анализ проб рабочих жидкостей гидравлических систем и применяемых в этих системах моторных масел на всех этапах их жизненного цикла показал, что их загрязненность постоянно увеличивается, причем в заводских условиях превалируют продукты коррозии оборудования, при транспортно-складских операциях значительно возрастает количество атмосферных загрязнений, а при эксплуатации гидравлических систем появляются продукты износа деталей системы, а также загрязнения органического происхождения.

8. Исследования свойств ПГС-полимеров показали их высокую прочность (около 20 МПа при растяжении свыше 2,4 МПа при сжатии) совместимость с рабочими жидкостями требуемые гидравлические и фильтрационные показатели — удельную пропускную способность 0,069 м3/м2*с при тонкости фильтрования 5мкм и 0,201 м /м *с при тонкости фильтрования 15 мкм, а так же способность удалять из продукта свободную воду и органические загрязнения. Комплексная оценка по критерию очистки Ко показала преимущества образца из композиции розерцина и формальдегида.

9. Эксплуатационные испытания опытных образцов фильтроэлементов для очистки рабочих жидкостей гидравлических систем показал, что загрязненность рабочей жидкости при их использовании снижается в среднем на 11,2%, а по наиболее износоопасным частицам — более чем на 20%, что позволяет уменьшить износ сопряженных деталей в 1,8 раза тем самым снижает затраты на очистку рабочих жидкостей. Годовой экономический эффект составляет 1531 руб. на одну гидравлическую систему в год.

10. Разработана техническая документация на изготовление различных типоразмеров фильтроэлементов для очистки рабочей жидкости в гидравлических системах тракторов и сельскохозяйственных машин. На конструкцию фильтроэлемента подана заявка на изобретение № 2 008 123 496/15 (28 434) от 17.06.2008 года. Рассм. ЭЗС. от 10.09.2008, www.fips.ru.