Восстановление эксплуатационных свойств фильтрующих элементов для очистки рабочих жидкостей гидравлических систем сельскохозяйственных машин

Следует отметить, что опытные лемехи при наработке 20,5 га не достигли предельного износа. Их эксплуатация была прекращена в связи с прекращением пахоты из-за выпадения снега. Потенциально, по экспертной оценке, их остаточный ресурс составил: трапециевидного лемеха из стали 65Г — не менее 15 га, опытных лемехов из стали 40Х — около 20 га. Наработка серийных лемехов П-702, установленных на плуге одновременно с опытными образцами, составила 5.. .7 га. Их выбраковывали главным образом из-за износа или изгиба носка. Таким образом, ресурс опытных лемехов по сравнению с серийными лемехами П-702 выше не менее чем в 5.6 раз.

Выводы

1. Применяемая в настоящее время сталь Л53 для изготовления лемехов при существующем конструктивном исполнении не отвечает требованиям высокой износостойкости и долговечности из-за деформации и изломов.

2. Наиболее экономически целесообразными по критерию минимальной стоимостной оценки, износостойкости и более высокой ударной вязкости являются стали 40ХС, 40Х и 30ХГСА.

3. Интенсивность изнашивания лемехов из стали 40Х примерно в 1,5 раза ниже, чем лемехов из стали 65Г.

4. Изменение угла заточки лезвия лемеха в значительной мере увеличивает его работоспособность. На опытных образцах после наработки 20,5 га толщина лезвийной части лемеха из стали 65Г составляла 4,5 мм, а из стали 40Х — 4 мм, т. е. потенциально остаточный ресурс по лезвию лемеха составил соответственно не менее 15 и 20 га.

5. Применение упрочняющих пластин из стали Х12 обеспечивает повышение прочности носовой части лемеха, нормальную заглубляемость и ста-

бильную глубину вспашки. В результате интенсивность изнашивания носка и лезвийной части становятся одинаковыми и обеспечивается равностой-кость различных участков лемеха.

6. Износостойкость носовой части лемеха повысилась более чем в 3 раза при изготовлении лемеха из стали 40Х и упрочнения его пластиной из стали Х12.

7. Применение конусной надставки на носке лемеха позволило значительно повысить его конструкционную износостойкость, при этом интенсивность изнашивания носка по сравнению с наплавкой уменьшилась в 3,5 раза, а по сравнению с упрочняющей пластиной — на 11 %.

Список литературы

1. Горячкин, В.П. Собрание сочинений / В.П. Горяч-кин. — Т. 1. — М.: Колос, 1965. — 720 с.

2. Основы теории и расчета сельскохозяйственных машин на прочность и надежность / Под ред. П.М. Волкова, М.М. Тененбаума. — М.: Машиностроение, 1977.

3. Синеоков, Г.Н. Теория и расчет почвообрабатывающих машин / Г.Н. Синеоков, И.М. Панов. — М.: Машиностроение, 1987. — 332 с.

4. Розенбаум, А.Н. Исследование износостойкости сталей для режущих органов почвообрабатывающих орудий / А.Н. Розембаум. — М.: ВИСХОМ, 1969. — 123 с.

5. Бернштейн, Д.Б. Лемехи плугов. Анализ конструкций, условий изнашивания и применяемых материалов / Д.Б. Бернштейн, И.В. Лискин // Сельскохозяйственные машины и орудия. Серия 2. — 1992. — Вып. 3. — С. 35.

6. Марочник сталей и сплавов / Под ред. А.С. Зубен-ко. — М.: Машиностроение, 2001. — 670 с.

7. Семин, А.М. Определение механических свойств металлов по характеристикам твердости / А.М. Семин. — М.: СГУ, 2000.

8. Стали и сплавы. Марочник / Под ред. В.Г. Сорокина, М.А. Гервасьева. — М.: Интермет инжиниринг, 2001. — 608 с.

9. Костецкий, Б.И. Износостойкость металлов / Б.И. Костецкий. — М.: Машиностроение, 1980. — 52 с.

УДК 631.3.004.67

В.П. Коваленко, доктор техн. наук, профессор Е.А. Улюкина, канд. хим. наук, доцент И.А. Королев, аспирант

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Для очистки рабочих жидкостей, используемых при эксплуатации гидравлических систем тракторов и другой сельскохозяйственной техники разработаны высокоэффективные фильтрующие элементы

на основе полимерных материалов с пористой глобулярной структурой — ПГС-полимеры [1]. Однако в процессе эксплуатации гидравлических систем происходит постепенная забивка пор фильтрую-

щего элемента твердыми частицами загрязнении, блокирование их микрокаплями воды и насыщение поровоИ структуры фильтрующего элемента углеводородными загрязнениями, что приводит к прекращению его функционирования в нормальном режиме. Это выражается в увеличении перепада давления на фильтрующем элементе до предельно допустимого значения из-за роста гидравлического сопротивления пористой перегородки; одновременно поровая скорость потока рабочеи жидкости повышается до величины, при которой происходит частичный унос задержанных ранее частиц (проскок загрязнений через фильтроэлемент).

Для восстановления эксплуатационных свойств пористой перегородки целесообразно промывать ее обратным потоком рабочей жидкости с целью удаления задержанных в порах твердых частиц и блокирующих поры микрокапель воды, что более эффективно, чем продувка сжатым воздухом.

Удаление из пор твердых частиц загрязнений возможно при условии приложения к ним силы, которая будет больше сил, удерживающих частицы в поре за счет адгезионных и механических связей с ее стенкой. Наиболее прочно связаны со стенкой поры частицы, располагающиеся на нижней образующей вертикальной поры, на которые совместно воздействуют адгезионные и гравитационные силы.

Частица, расположенная на нижней образующей вертикальной поры, при промывке фильтрующего элемента испытывает воздействие со стороны потока жидкости, вызванное лобовым сопротивлением частицы, и под влиянием гидродинамических сил потока смещается относительно поверхности контакта за счет качения или скольжения. Отрыв частицы от поверхности поры и ее перемещения возможны, если сумма сил гидродинамического воздействия жидкости на частицу в направлении потока превысит силу трения частицы о внутреннюю поверхность поры. Это условие имеет вид

> /(С - А + ),

где — сила гидродинамического воздействия потока, Н; / — коэффициент трения частицы о стенку поры; С = caJigpч — сила тяжести (гравитационная) частицы, Н; А = соб/^рм — подъемная (архимедова) сила, действующая на частицу, Н; соб — коэффициент объема (постоянная, зависящая от формы частицы); I — характерный линейный размер частицы, м; рч, рм — плотность соответственно частицы и масла, кг/м3; ^ад — сила адгезии частицы, Н.

За характерный линейный размер частицы обычно принимают диаметр равнобедренного шара. Допустив, что частицы загрязнений имеют сферическую форму, получим

я

"об

==4,

Действующую на частицу разность гравитационной и подъемной силой, называемую объемной силой, представим в виде:

Гоб = С - А = 6 "Рм).

6

Значение силы трения частицы о стенку поры зависит от ее сцепления с поверхностью стенки, которое обусловлено объемной и адгезионной силами, при этом на адгезионную силу влияют многие факторы, не поддающиеся всестороннему учету. Поэтому в настоящее время отсутствуют теоретические положения, позволяющие определить силу адгезии частиц загрязнений в капиллярах, а экспериментальные исследования данного процесса затруднены вследствие многообразия влияющих на него факторов и не дают достаточно достоверных результатов. Имеющиеся в литературе данные о влиянии силы адгезии на процесс удаления частиц загрязнений носят противоречивый характер. Так, в работе [2] указано, что при промывке загрязненных поверхностей в атмосферной среде сила адгезии мелких частиц загрязнений может значительно превышать силу тяжести: Гад >> С. Сведения о соотношении этих сил при удалении частиц загрязнений из пористых перегородок потоком жидкости, когда размеры частицы соизмеримы с диаметром пор, отсутствуют. В то же время экспериментальные данные, приведенные в работе [3], свидетельствуют о том, что сила адгезии частиц к поверхности в жидкой среде на несколько порядков меньше силы адгезии, приложенной к этим частицам в воздухе. Там же указано, что в жидкой среде удерживаемые на поверхности стенки частицы подвергаются воздействию расклинивающего давления, обусловленного молекулярными (Ван-дер-ваальсовскими) воздействиями твердой фазы на граничный слой жидкости, причем значение этого давления соизмеримо со значением силы адгезии и действует в противоположном этой силе направлении.

Предположим, что при взаимодействии частицы со стенкой поры сила адгезии существенно меньше объемной силы, под действием которой частица удерживается на этой стенке, и рассмотрим действие на частицу гидродинамических сил потока жидкости при промывке пористой перегородки.

В общем случае равнодействующая сил, приложенная к частице со стороны установившегося потока жидкости, определяется силами давления и трения:

Гт = |он dS + |он dS,

где dч — диаметр частицы, м. 108-

где S—площадь поверхности частицы, м2; ан, ак — соответственно нормальное и касательное напряжение, Па.

Для частиц неправильной или округлой формы, плохо обтекаемых потоком со скоростью более 1 м/с, сумма сил, приложенных к ним со стороны потока, практически определяется только первым слагаемым выражения (3) [3]:

К = ФРмСп 1

где ф — коэффициент лобового сопротивления; сп — коэффициент поверхности (постоянная, зависящая от формы частицы); w — скорость потока, м/с.

С учетом принятых допущений имеем сп = п; I = ач; w = wп.

Тогда для сферической частицы

К=фр„

Давление противотока при промывке фильтро-элемента, необходимое для создания этой силы

4 К

Рвх.п =—2 = ФР»

пап

^ 2 -2 wп,

ап

где Рвх п — давление противотока на внутренней поверхности фильтроэлемента при его промывке.

Когда частица расположена на стенке поры, в воздействующем на нее потоке возникает поперечный градиент скорости dwn/dy, вследствие чего происходит несимметричное обтекание частицы этим потоком. Нижняя ее часть будет оказывать большее давление (рис 1, а).

Подъемная сила, вызванная поперечным градиентом скорости

dwп 3

К = Рм ^ ау

Частица оторвется от стенки поры, когда подъемная сила превысит объемную силу, определяемую выражением (2). Для этого случая характерно неравенство

dwn 3 4я 3

Рл~аууг 3 ~ т^(Рч"Рм).

Решая полученное уравнение, определим скорость потока жидкости, при которой частица оторвется от стенки поры:

^ ^ 28ач

Найденная с помощью формулы (9) скорость потока, необходимая для отрыва частицы от стенки, должна быть обеспечена на уровне горизонтальной оси частицы и может не соответствовать средней скорости потока. Однако учитывая, что разме-

ры поры соизмеримы с диаметром частицы, можно считать, что эта разность невелика и компенсируется некоторым повышением поровой скорости потока жидкости при промывке по сравнению с ее значением, полученным по формуле (9).

После отрыва частицы от стенки поры поток, обтекающий частицу, приобретает осесимметрич-ный характер, и частица под действием объемной силы стремится к повторному осаждению на стенку поры (рис. 1, б), однако при достаточно большой скорости течения жидкости этого не происходит, так как гидродинамическая составляющая системы сил, действующих на частицу, значительно больше объемной составляющей этой системы.

Если повторное осаждение частицы все же произойдет, то возникший после этого поперечный градиент скорости вновь вызовет ее отрыв от стенки поры.

Помимо удаления из пористой перегородки твердых частиц загрязнений, при регенерации фильтрующего элемента необходимо также удалить с его наружной поверхности микрокапли воды, не прошедшие через гидрофобную пористую перегородку. Оставшаяся на перегородке вода частично выпадает в отстой под действием гравитационной силы, а частично удерживается на поверхности перегородки за счет адгезии, так как все известные водоотталкивающие материалы, в том числе и ПГС-полимеры, не обладают абсолютной гид-рофобностью, а в процессе эксплуатации снижают свои гидрофобные свойства за счет оседания на их поверхности смолистых углеводородных соединений и других веществ, находящихся в рабочей жидкости в виде суспензии или коллоидного раствора.

Поверхностное свойство перегородки характеризуется краевым углом смачивания — углом между поверхностью этой перегородки и касательной к точке ее контакта с жидкостью, отсчитываемым в направлении жидкости (рис. 2).

Для отрыва микрокапли воды от поверхности пористой перегородки за счет создания противотока жидкости необходимо затратить энергию, равную работе адгезии, которая представляет собой разность между работами адгезии воды и рабочей жидкости к поверхности перегородки.

^ -^ _К06 G - А

а б

Рис. 1. Схема обтекания частицы потоком масла:

а — на стенке поры; б — после отрыва от стенки поры

109

Рабочая жидкость

Перегородка

Рис. 2. Схема взаимодействия капли воды и гидрофобной перегородки в среде рабочей жидкости:

9 — краевой угол смачивания, град; 8в — поверхностное натяжение воды, Н; 8ж — поверхностное натяжение масла, Н; 8вж — межфазное натяжение поверхности раздела фаз вода — рабочая жидкость, Н

Энергию, которую необходимо затратить для отрыва капли воды от перегородки, можно найти из выражения

^ав " ^аж = °в - Ож + Овж СОв e,

где wав, wаж — удельная работа адгезии соответственно воды и рабочей жидкости к поверхности перегородки, Дж/м2.

В выражении (10) рассмотрены поры с единичным периметром, поэтому, умножив обе части этого выражения на длину линии контакта по периметру поры на поверхности раздела фаз вода — рабочая жидкость», получим силу, которую необходимо приложить для удаления микрокапли воды с поверхности перегородки:

= К -°ж + °ВжСО8 ек,

где I — диаметр поры, м.

Сила, действующая на микрокаплю воды при ее отрыве от вертикальной гидрофобной перегородки, равна сумме двух величин: гидродинамической силы противотока рабочей жидкости и эффективной гравитационной силы.

Гидродинамическую силу горизонтального потока для ламинарного течения рабочей жидкости в пористой перегородке можно представить в виде

= Sк ДРП,

где АР = Р - Р — перепад давления потока жид-

^ п вх.п вых.п г ^ ^ ^

кости на пористой перегородке при противоточной промывке, Па; Р и Р — давление потока жидкости

вх.п вых.п

соответственно на внутренней и внешней поверхностях пористой перегородки при противоточной промывке, Па;

Sк — площадь контакта капли воды с пористой перего-

к2 родкой, м .

Действующая на каплю эффективная гравитационная сила представляет собой совокупность объемной силы и силы сопротивления среды.

110-

Объемная сила, действующая на каплю сферической формы, по аналогии с выражением

Роб =643g(Рв "РмX

где dк — диаметр микрокапли воды, м; рв — плотность воды, кг/м3.

Силу сопротивления среды при достаточно малых размерах микрокапель, осаждающихся в условиях ламинарного движения, можно рассматривать как сумму сил трения между микрокаплей воды и рабочей жидкостью:

8

где X — коэффициент сопротивления среды; wос — скорость осаждения капли, м/с.

Тогда эффективная гравитационная сила

2

СЭф = Роб - т = £ [4gdк

Результирующая сила, действующая на каплю при очистке вертикальной гидрофобной перегородки противотоком,

рр =

\/С2Ф + Рт2 .

Тогда давление на внутренней поверхности фильтроэлемента, создаваемое для удаления блокирующих его микрокапель воды, можно получить из выражения

4 ^

Р >

вхп _

2

При противоточной промывке фильтроэлемен-та с целью его регенерации давление Рвх п следует принимать по большему значению из полученных по формулам (6) и (17).

В работе [4] обоснована целесообразность использования для очистки гидравлических жидкостей двухступенчатого фильтра с элементами из ПГС-полимеров, первая ступень которого имеет цилиндрическую форму, а вторая выполнена в виде набора дисков чечевицеобразной формы с коническими рабочими поверхностями.

Формулы (1).. .(17) применимы и для двухступенчатого фильтра, но его целесообразно исследовать в разобранном виде, чтобы исключить скопление загрязнений, вымытых противотоком из второй ступени, в пространстве между ступенями. Разборка двухступенчатого фильтра с элементами из ПГС-полимеров достаточно проста и заключается в снятии верхней крышки и извлечении второй ступени, однако раздельная регенерация первой и второй ступеней требует использования несложных по конструкции приспособлений.

Вестник ФГОУ ВПО МГАУ № 3'2008

Список литературы

1. Коваленко, В.П. Разработка фильтроэлементов для очистки рабочих жидкостей в гидравлических системах сельскохозяйственной техники / В.П. Коваленко, И.А. Королев, Е.А. Улюкина // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Серия «Агроинженерия». — 2008. — № 1. — С. 47-52.

2. Белянин П.Н. Промышленная чистота машин / П.Н. Белянин, В.М. Данилов. — М.: Машиностроение, 1982. — 224 с.

3. Тимиркеев Р.Г. Промышленная чистота и тонкая фильтрация рабочих жидкостей летательных аппаратов / Р.Г. Тимиркеев, В.М. Сапожников. — М.: Машиностроение, 1986. — 152 с.

4. Коваленко, В.П. Очистка рабочих жидкостей в гидравлических системах тракторов и сельскохозяйственных машин / В.П. Коваленко, Е.А. Улюкина, И.А. Королев, Ю.А. Холуев: сб. науч. тр. межд. науч.-техн. конф. «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей». — СПб: СПбГАУ, 2007. — С. 365-373.

УДК 631.145:626/627

B.И. Балабанов, доктор техн. наук, профессор

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»

C.В. Лилкова-Маркова, доктор техн. наук, доцент Д.Д. Киндова-Петрова, старший ассистент

Университет по архитектуре, строительству и геодезии

АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКОМ УСТОЙЧИВОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ СЕЛЬСКИХ КОММУНИКАЦИЙ

В АПК для транспортировки жидких веществ (материалов) широко используют различные трубопроводы. Области применения этих трубопроводов следующие:

• гражданское водоснабжение (для холодного и горячего водоснабжения, отопления, канализации, дренажа и др.);

• для ирригационных систем;

• на животноводческих фермах и молокозаводах;

• в сельскохозяйственной технике (гидравлический и пневматический приводы тормозов, гидроприводы рабочих органов комбайнов и экскаваторов и т. д.).

При строительстве и эксплуатации важно обеспечивать высокие надежность и безопасность трубопроводов, проходящих через земли сельскохозяйственного назначения:

• магистральных трубопроводов для транспортировки нефти, нефтепродуктов и природного газа;

• напорных трубопроводов в гидроэнергетическом строительстве и ряд других трубопроводов. Вследствие отсутствия необходимых прочностных расчетов на этапах проектирования и строительства, применяемых конструкционных материалов, тяжелых условий эксплуатации, отсутствия эффективной системы мониторинга, обслуживания и ремонта трубопроводы многих предприятий АПК находятся в критическом состоянии, что негативно влияет на работоспособность предприятий. В связи с этим необходимы, с одной стороны, точный расчет статической прочности и динамической устойчиво-

сти трубопроводов на этапе их строительства, с другой, — постоянно действующая система их диагностики и мониторинга, активный поиск и разработка новых материалов и технологий для изготовления и восстановления трубопроводов.

В данной статье приведена методика прочностного расчета динамической устойчивости напорных трубопроводов, транспортирующих различные жидкие материалы.

Система труба — транспортируемая жидкость представляет собой единое целое. Поэтому при изучении деформаций трубопровода надо применять дифференциальные уравнения, в которых учтено влияние транспортируемой жидкости.

Ведущими мировыми учеными в этой области считаются S.S. Chen [1] и M.P. Paidoussis [2]. Так, S.S. Chen исследовал статические схемы трубопроводов, принятые в виде непрерывных балок. M.P. Paidoussis ввел в систему эластичную опору. В работах В.А. Джупанова и С.В. Лилковой-Марковой [3] рассмотрена деформация труб, представленных в виде консольных балок с добавленными линейными эластичными опорами.

По технологическим причинам кроме основных статических оснований (опор) под трубопроводами предусматривают промежуточные эластичные опоры. Установлено, что под трубопроводами через каждые пять участков длиной а необходимо размещать одну неподвижную опору (рисунок).

Поэтому в данной статье рассмотрена балка (труба) на неподвижных и эластичных опорах.