Расчет параметров работы центробежного фильтра масляной системы дизеля

3. Крылов, А. Н. О некоторых дифференциальных уравнениях математической физики [Текст] / А. Н. Крылов. - М.-Л.: ГИТТЛ, 1950. - 359 с.

4. Шевченко, В. Я. Виброзащита локомотива от случайного ударного воздействия комбинированным подвешиванием с использованием пневматических рессор [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / В. Я. Шевченко. - Омск, 1987. - 164 с.

5. Цыпкин, Я. З. Основы теории автоматических систем [Текст] / Я. З. Цыпкин. -М.: Наука, 1977. - 560 с.

6. Нехаев, В. А. Особенности поведения диссипативной механической системы при действии импульсного возмущения [Текст] / В. А. Нехаев, Н. В. Закерничная // Сборник рефератов депонированных рукописей / Центр военно-научной информации МО РФ. - М., 2008. -Вып. 83.

References

1. Pakhomov M. P. Issledovanie vertikal'nykh kolebanii i vozdeistvie elektrovozov na put' (Research of vertical fluctuations and the impact on the electric path): Doctor's thesis, Moscow, 1958, 311 p.

2. Panovko Ia. G., Gubanova I. I. Ustoichivost' i kolebaniia uprugikh sistem: Sovremennye kontseptsii, paradoksy i oshibki (Stability and oscillations of elastic systems: Modern concepts, paradoxes and errors). Moscow: Nauka, 1987, 352 p.

3. Krylov A. N. O nekotorykh differentsial'nykh uravneniiakh matematicheskoi fiziki (On some differential equations of mathematical physics). Moscow: GITTL, 1950, 359 p.

4. Shevchenko V. Ia. Vibrozashchita lokomotiva ot sluchainogo udarnogo vozdeistviia kom-binirovannym podveshivaniem s ispol'zovaniem pnevmaticheskikh ressor (Locomotive vibration protection from accidental impact com bined with suspending use of air springs). Ph. D. thesis, Omsk, 1987, 164 p.

5. Tsypkin Ia. Z. Osnovy teorii avtomaticheskikh sistem (Fundamentals of the theory of automatic systems). Moscow: Nauka, 1977, 560 p.

6. Nekhaev V. A., Zakernichnaia N. V. Features dissipative behavior of the mechanical system under the action-Wii pulse disturbance [Osobennosti povedeniia dissipativnoi mekhanicheskoi sis-temy pri deist-vii impul'snogo vozmushcheniia]. Sbornik referatov deponirovannykh rukopisei -Collection of abstracts of manuscripts deposited, 2008, no. 83.

УДК 629.424:621.001.5

С. М. Овчаренко, И. Н. Денисов, В. А. Минаков

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ФИЛЬТРА МАСЛЯНОЙ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЯ

Надежность работы тепловозного дизеля в основном определяется надежностью работы деталей ци-линдро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Качественная очистка моторного масла в процессе эксплуатации от механических примесей, обеспечиваемая фильтрами грубой и тонкой очистки и центробежными фильтрами, снижает скорость износа деталей. В статье приведены результаты моделирования работы центробежного фильтра, позволяющие оценить эффективность его работы и качество отсева частиц разных размеров в процессе эксплуатации.

При работе дизеля масло загрязняется частицами пыли и износа деталей двигателя, продуктами неполного сгорания (кокс, сажа) и окисления. Продукты загрязнения разделяются на органические и неорганические. Органические состоят из термического разложения, окисления и полимеризации масла и продуктов неполного сгорания, неорганические - из

почвенной пыли и частиц износа деталей. Будучи загрязненным, масло, предназначенное для уменьшения трения, само начинает ускорять износ смазываемых им трущихся деталей, поэтому очень важно вовремя улавливать и отделять от масла посторонние примеси [1].

Для очистки масла тепловозные дизели снабжаются масляными фильтрами. В основном масляные системы тепловозных дизелей имеют три типа фильтрующих элементов: фильтр тонкой очистки (ФТО), фильтр грубой очистки (ФГО) и центробежный фильтр (ЦФ).

Наибольший эффект очистки масла достигается посредством применения ЦФ. Центробежные аппараты обеспечивают достаточную тонкость очистки масла и возможность их неоднократного применения. Под действием центробежных сил механические примеси в масле, имеющие больший удельный вес, чем само масло, отбрасываются на стенки неподвижного корпуса фильтра и откладываются на его поверхности в виде густой масляной суспензии обычно черного цвета. Центробежные фильтры имеют, как правило, производительность 3 -10 м /ч. Как показывают исследования [2, 3], качество очистки масла, оцениваемое по таким параметрам как тонкость отсева и коэффициент отсева, обеспечиваемое центробежным фильтром в сравнении с обычными фильтрами, примерно в 1,5 - 2 раза выше. Высокая тонкость очистки, от 3 - 5 мкм, является существенным достоинством центрифуг. Главное отличие ЦФ от других типов фильтров заключается в отсутствии фильтрующих элементов, их работу выполняет центробежное поле.

Центробежное поле, в отличие от гравитационного, не является однородным. Силовые линии центробежного поля направлены по радиусам и располагаются от ротора к противоположным стенкам центрифуги, имеющим форму концентрических цилиндров (рисунок 1). За счет этого скопление отложений равномерно распределяется на стенках ротора (рисунок 2).

Рисунок 1 - Силовое поле центрифуги

Рисунок 2 - Зона осаждения частичек в роторе

Процесс отложений характеризуется напряженностью центробежного поля, то есть си-

2.

лой, действующей на единичную массу в некоторой точке п [2], мм/сек :

Е = г - ю2,

где г1 - расстояние отданной точки от центра центробежного поля ( от оси вращения), мм; п - п

ю =

30

- угловая скорость вращения поля, Рад/сек;

п - число оборотов центрифуги, мин-1.

Исследования [3, 4] показывают, что для оценки эффективности работы центрифуги основным ее показателем является фактор разделения ¥р, представляющий собой отношение ускорений центробежного и гравитационных полей:

34 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 2(22) 2015

= _

где g = 9,8 - ускорение силы тяжести, м/сек .

г = Е

2

П

Рисунок 3 - Зависимость фактора разделения от частоты оборотов центрифуги

Чем больше значение фактора разделения, тем интенсивнее происходит процесс центрифугирования. На основании уравнений (1) и (2) построен график, на котором изображена зависимость фактора разделения от числа оборотов центрифуги (рисунок 3). Из представленной зависимости видно, что увеличение фактора разделения центрифуги напрямую зависит от ее угловой скорости.

Размеры и плотность загрязняющих примесей имеют равномерное распределение в масле, поступающем в ротор (монодисперсная система) [3]. При центрифугировании такой суспензии за время нахождения жидкости в роторе центрифуги на стенках ротора отложатся только те частицы, которые располагались в начальный момент движения жидкости вдоль ротора, в зоне потока на расстоянии от оси вращения, большем некоторого радиуса гц (рисунок 2). При этом выполняется условие гс < гц < Rц., где Rц.— радиус внутренней поверхности ротора; гс - внутренний радиус слоя жидкости в роторе.

Оценкой эффективности работы ЦФ служит коэффициент отсева. Полнота отсева (коэффициент отсева) представляет собой долю загрязняющих примесей в жидкости, удерживаемых из масла фильтром. Коэффициент отсева представляет собой отношение площади сечения зоны потока к площади полного потока с учетом коэффициента разделяемости смеси [ 3, 4]:

Я1

^ = А,

Я1 - г1

'с

---ГЕС

где А = 1 - е 9 - коэффициент разделяемости; F - разделяющий фактор; Ес - разделяемость смеси. Разделяющий фактор выражается как:

Г = а-т,

где т - время пребывания масла в роторе, сек.

Время пребывания масла в роторе - это время от начала поступления масла в ротор из системы до выхода масла из фильтра, который можно выразить уравнением, с:

ж

т =

- \ -

Я

где ^ - высота ротора, мм;

Q - объемный расход масла в единицу времени, м3/ч.

Разделяемость смеси определяется способностью выделения загрязняющих примесей от масла и выражается через отношение плотности частиц к динамической плотности масла:

№ 2(22) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 35

2015

Е =

а -

где ц - динамическая вязкость жидкости, Пас; рч -плотность частицы, кг/см2; рм- плотностей масла, кг/см3.

Динамическая вязкость (абсолютная вязкость) является произведением кинематической вязкости и плотности масла, где кинематическая вязкость принимается как постоянная, определяемая опытным путем (Пас):

Р1 - и,

А

где рР - плотность при температуре испытания, г/см и - кинематическая вязкость, мм2/сек. Зависимость величины коэффициента разделяемости смеси от изменения величины FEc, представлена на рисунке 4.

Из описанных ниже уравнений можно заключить, что величина А характеризуется главным образом от параметров плотности масла, плотности примесей масла и технических характеристик центрифуги.

Таким образом, учитывая все ниже описанные уравнения, коэффициент очистки центробежного фильтра рассчитывается как:

3

10

20 FEc

30

40

50

Рисунок 4 - Зависимость величины А от изменения величины БЕ,.

Я

2

( =

Я2 - г2

-"ц 'с

-[1 - е

)

] .

Изменяя частоту оборотов центрифуги и динамическую вязкость масла, получаем изменения коэффициента отсева в зависимости от диаметра частиц (рисунок 5, 6). 1

Ф

0,8 0,6 0,4 0,2

.

,2 И4

,3 ^^ -- И5

^ И6

Ф

20

40

й

м6к0м -р-

80

135

7

й

10 15

2м0км3 0 50 80 —

Рисунок 5 - Изменение коэффициента отсева относительно диаметра частиц: ц1-9 Пас; ,2 - 10 Пас; - 11 Пас; - 12 Пас; - 13 Пас; ,6 - 14 Пас

Рисунок 6 - Изменение коэффициента отсева относительно частоты оборотов ЦФ: п1 - 4000мин-1; п2 - 4500мин-1; п3 - 5000мин-1; п4 - 5500мин-1; п5 - 6000мин-1; п6 - 6500мин-1

0

0

0

36 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(22) 2015

= _

Эффективную работоспособность центрифуги можно оценить числом осветления. Число осветления характеризует способность центрифуги полностью очищать (осветлять) жидкость за определенный момент времени [3], см/с;

В =

1<2р8

Яц - гс

ж-и. - (Я1 - г1) V Я

, г

цс

где Qp - производительность центрифуги, м /ч; g - ускорение силы тяжести, м/с2.

Производительность центрифуги для полной очистки в ней жидкости от частиц загрязнения [3], м /ч:

Яр =

1 1 11 Л -

г

ц

Зная значения числа осветления 5, при котором масло полностью очищается от загрязняющих примесей (рисунок 7) и средние размеры частиц этих примесей, находящихся в масле, определяем оптимальное количество оборотов ротора центрифуги для получения боль-

шего эффекта при очистке, мин-1:

п =

1800 - g Яр

В-ж1 О-

2 2

где О - рабочий объем ротора, выражается как О - гс),

мм

80

й

40

20

0

N П7 П6 \

п4 П3

\ П п

10000

8000 7000 6000 5000 4000 п 3000 2000 1000 0

0,00 0,02 0,03 в

0,06

10 20 30 40 й_

70

Рисунок 7 - Отношение диаметра частиц к числу осветления масла: п1 - 4750 мин-1; п2 - 5000 мин-1; п3 - 5250 мин-1; п4 - 5500 мин-1; п5 - 5750 мин-1; п6 - 6000 мин-1; п7 - 6250 мин-1

Рисунок 8 - Отношение числа оборотов центрифуги к диаметру частиц в масле: т1 - 50с; т2 - 20с; т3 - 10с; т4 - 5 с; т5 - 3с;т6 - 1с; Т7 -0,5с

Полученная в результате расчета номограмма оптимального числа оборотов ротора центрифуги в зависимости от диаметра частиц в моторном масле при различных значениях т (рисунок 8) показывает, что увеличение времени пребывания жидкости в роторе положительно влияет на качество очистки.

№ 2(22) 2015

0

На тепловозном дизеле 1-ПД4 в полнопоточных реактивных центрифугах время нахождения потока жидкости в роторе т составляет 1 - 3 сек (5500 - 6000 мин-1). Как показывают результаты расчета (рисунок 8) этого времени вполне достаточно для того, чтобы осаждать частички размером 7 - 9 мкм.

Нерастворимые органические загрязняющие инородные примеси в работающем моторном масле составляют до 90 % всех примесей, из которых около 80 % имеют диаметры до 3 - 5 мкм [2]. Таким образом, для того, что бы повысить качество очистки мелкодисперсных частичек и коэффициент очистки ЦФ в целом, необходимо учитывать: частоту оборотов ротора центрифуги, вязкость масла время пребывания масла в роторе.

Таблица 1 - Коэффициент отсева ЦФ дизеля типа 1-ПД4

""Хл (мин-1) й?(мкм)ч\ 5000 5250 5500 5750 6000 6250 П (мин-1)'-''''

менее 1 0,000022 0,000024 0,000027 0,000029 0,000032 0,000035 0,5

0,000044 0,000049 0,000054 0,000059 0,000064 0,000069 1

0,000133 0,000147 0,000161 0,000176 0,000192 0,000208 3

1 - 5 0,000956 0,001054 0,001157 0,001264 0,001377 0,001494 0,5

0,001911 0,002107 0,002312 0,002527 0,002751 0,002985 1

0,005721 0,006306 0,006918 0,007559 0,008227 0,008924 3

5 - 10 0,003916 0,004317 0,004736 0,005175 0,005634 0,006111 0,5

0,007815 0,008612 0,009448 0,010321 0,011232 0,012181 1

0,023243 0,025592 0,028048 0,030611 0,033280 0,036054 3

10 - 20 0,012503 0,013775 0,015106 0,016498 0,017949 0,019459 0,5

0,024830 0,027336 0,029956 0,032689 0,035534 0,038491 1

0,072431 0,079514 0,086877 0,094512 0,102408 0,110559 3

более 20 0,235789 0,254793 0,273892 0,293014 0,312092 0,331066 0,5

0,391984 0,417272 0,441849 0,465640 0,488590 0,510660 1

0,678151 0,700499 0,720945 0,739676 0,756864 0,772671 3

В результате расчета получены зависимости коэффициентов отсева для ЦФ дизеля типа 1-ПД4 от частоты оборотов, времени нахождения потока жидкости в роторе и размера загрязняющих примесей (см. таблицу 1). Таким образом, приведенные зависимости позволяют повысить достоверность метода безразборной оценки степени износа деталей дизеля по результатам спектрального анализа моторного масла, а именно, повысить точность расчетов по определению количества продуктов износа, задержанных фильтрующими элементами в процессе их работы.

Список литературы

1. Овчаренко, С. М. Моделирование работы и оценка эффективности систем очистки моторного масла различных серий тепловозов [Текст] / С. М. Овчаренко // Вестник РГУПС / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. - Ростов-на-Дону, 2006. - № 1. - С. 21 - 27.

2. Качанова, Л. С. Совершенствование очистки отработанного моторного масла центробежными аппаратами [Текст]: Дис... канд. тех. наук: 05.20.03. - Зерноград, 2004. - 152 с.

3. Григорьев, М. А. Очистка масел и топлива в автотракторных двигателях [Текст] / М. А. Григорьев. - М.: Машиностроение, 1970. - 271 с.

4. Стребков, С. В. Применение топлива, смазочных материалов и технических жидкостей в агропромышленном комплексе: Учебное пособие [Текст] / С. В. Стребков, В. В. Стрельцов. - Белгород: Белгородская ГСХА, 1999. - 404 с.

38 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(22) 2015

—— = 1 V

References

1. Ovcharenko S. M. Modeling and evaluation of the effectiveness of cleaning systems of motor oil different series of diesel locomotives [Modelirovanie raboti I ocenka effectivnosti systemi ochistki motornogo masla razlychnih seriy teplovozov]. Vestnik RGUPS - Bulletin of RSTU, 2006, no. 1, pp. 21 - 27.

2. Kachanova L. S. Sovershenstvovanie ochistki otrabotannogo motornogo masla tsentrobezh-nymi apparatami (Improvement of purification of used engine oil centrifugal machines). Ph. D. thesis, Zernograd, ACHGAI, 2004, 120 p.

3. Grigorev M. A. Ochistka masel i topliva v avtotraktornykh dvigateliakh (Oils and fuels in automotive engines). - Moscow: Machinostroenie, 1970, 271 p.

4. Strebkov S. V. Primenenie topliva, smazochnykh materialov i tekhnicheskikh zhidkostei v agropromyshlennom komplekse (The use of fuels, lubricants and technical liquids in agriculture). Belgorod: Belgorodskaya GSHA, 1999, 404 p.

УДК 620.192.63

В. В. Харламов, П. К. Шкодун, И. В. Шестаков

ТЕСТИРОВАНИЕ МЕЖВИТКОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЯКОРНОЙ ОБМОТКИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО МЕТОДУ ВОЛНОВОГО ОТКЛИКА

Целью работы, результаты которой приведены в данной статье, является установление пригодности метода волнового отклика для диагностирования межвитковой изоляции якорной обмотки тягового электродвигателя постоянного тока, а также разработка адекватной модели тестируемой обмотки для последующего исследования сложных физических процессов, происходящих в процессе диагностирования. В статье приведена методика фиксации волновой затухающей характеристики (отклика) в якорной обмотке электродвигателя постоянного тока. Предложена схема замещения якорной обмотки применительно к рассматриваемому методу диагностирования. Приведен волновой отклик, полученный экспериментально при испытаниях на физической модели. Представлен волновой отклик, полученный при моделировании эксперимента в программной среде ЫаЬаЬ. Выполнен анализ результатов реального и имитационного моделирования, который позволяет судить об адекватности предложенной схемы замещения якорной обмотки. впоследствии данная схема замещения будет использована для имитационного моделирования повреждений изоляции тягового электродвигателя применительно к методу волнового отклика.

Тяговый электродвигатель (ТЭД) является важнейшей частью подвижного состава железных дорог. Критическим элементом, а также источником наибольшего числа отказов ТЭД является система изоляции. По статистике около 30 % отказов электродвигателей связано с нарушением изоляции. Скрытые процессы деградации в изоляции могут вызывать повреждения, затраты на исправление которых по стоимости могут быть сравнимы с созданием новой машины [1].

Изоляция в процессе эксплуатации подвергается комплексному воздействию многих факторов, что в конечном итоге приводит к ее деградации [2]. Однако это не означает, что ТЭД немедленно выходит из строя. Проблемы с изоляцией могут вызывать существенное снижение КПД электрической машины, появление локальных нагревов (которые, в свою очередь, существенно ускоряют процессы деградации), нарушение герметичности конструкции и структуры изоляции с повышением степени ее увлажненности.

Повсеместный переход от планово-предупредительного обслуживания к обслуживанию по техническому состоянию предъявляет новые требования к методикам исследования изоляции. Так, современные методы должны не только устанавливать факт несоответствия изоляции требованиям, но и указывать на причину несоответствия. Именно поэтому формированию современных комплексных методов диагностирования уделяется сейчас большое внимание.