Підвищення працездатності паливної апаратури тепловозних дизелів гідродинамічним диспергуванням палива

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Дизельне паливо за час маршруту від виробника до депо значно забруднюється і до баків тепловозів потрапляє паливо, яке не завжди відповідає вимогам стандартів по забрудненню. Тому необхідність очищення дизельного палива не викликає сумнівів.

При експлуатації тепловозів забруднювання палива пилом, піском та іржею спостерігається найбільше на складах, де заправлення тепловозів паливом і піском виконується безпосередньо близько або з мінімальними розривами. При цьому повітря постійно забруднене найдрібнішими часточками пилу, які розносяться по всій території екіпіровки і потрапляють у паливо.

У наш час при частому дефіциті коштів у підприємств залізничного транспорту виникає ситуація, коли локомотиви експлуатуються з низьким рівнем палива в баках (особливо маневрові). При екіпіруванні локомотивів струменем із заправного пістолета проходить взмучування води та механічних забруднень, які знаходяться на дні бака, а потім розповсюдження їх по всьому об'єму палива.

В таких умовах не виникає сумнівів щодо необхідності контролю за протизношувальними і антикорозійними властивостями дизельного палива та їх поліпшення. Зараз на тепловозах ці властивості палива підтримуються здебільшого фільтруванням та сепарацією, які далеко не завжди досить ефективно виконують свої функції, і забруднення в значній кількості потрапляють до паливної системи тепловозів.

Очевидно, що для підвищення працездатності паливної апаратури тепловозних дизелів виникає необхідність застосування принципово нового методу поліпшення протизношувальних та антикорозійних властивостей дизельного палива, наприклад, гідродинамічного диспергування, який запропонований та обґрунтований у цій дисертації.

Мета і задачі досліджень. Метою даної роботи є збільшення ефективності роботи тепловозних дизелів за рахунок підвищення працездатності їх паливної апаратури шляхом гідродинамічного диспергування палива.

Для досягнення вказаної мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Теоретично обґрунтувати доцільність диспергування змащуючих рідин які використовуються в паливній апаратурі тепловозних дизелів.

2. Встановити закономірність диспергування частинок домішок у дизельному паливі за допомогою гідродинамічного диспергатора (ГД).

3. Дослідити вплив гідродинамічного диспергування на протизношувальні, антифрикційні та фізико-хімічні властивості дизельного палива, а також на стан приповерхневих шарів деталей паливної апаратури тепловозних дизелів, які труться.

4. Дослідити вплив диспергування палива на зношення деталей ПНВТ та форсунок тепловозного дизельного двигуна.

5. На основі отриманих результатів досліджень розробити практичні рекомендації по застосуванню ГД для поліпшення властивостей дизельного палива на тепловозних дизелях.

1. Основні причини забруднення дизельного палива, класифікація забруднень за агрегатним станом і хімічним складом, вплив різноманітних забруднень на зношення вузлів тертя паливної апаратури дизелів

Показано, що паливо під час свого маршруту від виробника до паливних баків тепловозів постійно забруднюється. Забруднення у нього потрапляють як з атмосфери, так і з засобів перекачування, транспортування та зберігання.

Основними забрудненнями у паливі є механічні домішки й вода. Вміст механічних домішок в середньому складає 0,04-0,063% від маси палива, а вміст води може досягати 0,006-0,01%. У загальній масі механічних забруднень основну й найбільш небезпечну складають кварцовий пил (до 70%) та оксиди металів (до 15%). Аналіз гранулометричного складу механічних домішок показав, що найбільш небезпечними є часточки розміром 10-12 мкм (сумірні з розмірами робочих зазорів у парах тертя).

Наявність у дизельному паливі механічних домішок та води веде до абразивного й корозійного зношення прецизійних пар паливної апаратури тепловозів, що стає причиною погіршення її робочих параметрів та характеристик двигуна в цілому.

Аналіз існуючих засобів і методів очищення палива показав, що всі вони далеко не завжди достатньо ефективно поліпшують протизношувальні властивості палива.

Запропоновано для поліпшення властивостей дизельного палива подрібнювати механічні домішки до розмірів менших, ніж робочі зазори у парах тертя (5 мкм та менше). Для цього використовуються спеціальні пристрої - диспергатори. Аналіз різноманітних конструкцій диспергаторів показав, що для подрібнення домішок у дизельному паливі найбільш доцільно використовувати гідродинамічний диспергатор, у якому руйнування часток здійснюється за рахунок удару їх об перепону під час руху разом із паливом. Досвід свідчить, що ГД також досить ефективно видаляє воду з рідини, що обробляється.

Другий розділ присвячено теоретичному обґрунтуванню доцільності диспергування часток забруднень, які містяться у змащуючих рідинах (у даному випадку дизельному паливі). Для цього було використане рівняння залежності питомої сили тертя у точці контакту від характеристик змащуючої рідини:

, (1)

де - товщина шару тертя, м; - швидкість ковзання, м/с; - максимальний розмір частинок домішок, м; - діелектрична проникність дисперсного середовища; - товщина поверхневого адсорбованого молекулярного шару, м; - електрична стала, Ф/м; - потенціал виходу, В; - розмір частинок забруднень, м; - радіус дебаївського екранування заряджених частинок, м; - густина рідини, кг/м3; - об'ємна концентрація забруднень, м-3; - функція розподілу часток за розмірами; - питома сила тертя, що обумовлена теплопровідністю, дифузією тощо, Н/м2,

Це рівняння було проаналізовано з точки зору впливу на силу тертя ступеню дисперсності часток домішок, що містяться в ній. Величинами, що залежать від цього показника є:

,,

та,

де - відносна концентрація дисперсної фази; - відношення діелектричної проникності дисперсної фази до діелектричної проникності дисперсного середовища; - стала Больцмана, Дж/К; - температура поверхні пар тертя, К; - коефіцієнт покриття; , та - параметри функції розподілу. - заряд частинок, який теж є функцією розміру часток:

;

У результаті аналізу та відповідних перетворень було отримано рівняння, яке характеризує питому силу тертя з точки зору взаємодії тонкодисперсних часток з поверхнями тертя:

(2)

Вирішення рівняння (2) показало, що питома сила тертя у точці контакту при змащенні поверхонь диспергованою рідиною повинна бути в середньому у 1,2 рази менша, ніж при змащенні недиспергованою, при будь-якій концентрації забруднень.

Лабораторні дослідження на машині тертя СМЦ-2 підтвердили результати теоретичних досліджень і показали, що при змащенні зразків диспергованим дизельним паливом питома сила тертя у точці контакту знижується приблизно у 1,18 рази, а зношення зразків зменшується приблизно у 1,25 рази. Для обох показників спостерігається ефект їх насичення на рівні відносної концентрації забруднень приблизно 0,0025.

Відповідність між залежностями зношення пар і сили тертя від ступеня відносної забрудненості дає можливість стверджувати, що зношення залежить від ступеню дисперсності часток забруднень так само,

як і сила тертя, тобто із зменшенням розміру часток зношення зменшується. У процесі лабораторних досліджень було встановлено, що діелектрична проникність дизельного палива при збільшенні ступеню дисперсності частинок механічних домішок збільшується при будь-якій концентрації забруднень. Це дає змогу рекомендувати використання діелектричної проникності як протизношувального показника якості палива.

3. Методика та результати експериментальних досліджень впливу диспергування на властивості дизельного палива

Ефективність застосування ГД для подрібнення часток у дизельному паливі була досліджена методом аналізу гранулометричного складу часток до і після диспергування. Аналіз показав, що після обробки кількість часток розміром 5 мкм та менше зростає приблизно у 3,32-4,45 рази і одночасно кількість часток інших розмірів, встановлених ГОСТ 17216-71, зменшується у 3,16-4,45 рази.

, (3)

де - кількість часток забруднення розміром до 5 мкм у 100 см3 палива; - кількість часток забруднень розміром 5-10, 10-25 і т.д. мкм у 100 см3 палива.

Після обробки результатів аналізу гранулометричного складу забруднень було встановлено, що для кожного перепаду тиску на ГД існує номінальна кількість проходів палива через нього (табл.1), а рівняння для визначення , які були отримані в результаті обробки, дозволять підібрати найкращий режим диспергування з точки зору його ефективності.

Таблиця 1. Рівняння, що описують закономірність зміни коефіцієнта

Перевірка впливу диспергування на фізико-хімічні властивості палива (в'язкість, температура спалаху, фракційний склад) показала, що вплив цього процесу несуттєвий і всі показники лишаються у межах ГОСТ на паливо. Разом з цим диспергування збільшує електропровідність палива приблизно у 1,5-2 рази, що характеризує його здатність запобігати накопиченню статичного заряду на поверхнях тертя і тим самим запобігати їх електрокорозії.

Вплив гідродинамічного диспергування на протизношувальні й антифрикційні властивості дизельного палива був перевірений на машинах тертя 2070 СМТ-1 та СМЦ-2. Випробування проводились за чотирикульковою схемою та за схемою "ролик-колодка" відповідно, із виготовленням зразків із сталі ШХ-15, яка використовується при виготовленні прецизійних пар паливної апаратури тепловозних дизелів. Результати випробувань на машині СМТ-1 (табл. 2) показали зниження моменту сил тертя і зменшення діаметру плям зношення при змащенні кульок диспергованим паливом на відміну від товарного. При випробуванні за схемою "ролик-колодка" зношення зразків (табл.3), які змащувались обробленим паливом, зменшилось приблизно у 1,38 рази, а коефіцієнт тертя у 1,3 рази.

Таблиця 2. Результати випробувань на машині тертя 2070 СМТ-1

Таблиця 3. Дані по випробуванням на машині СМЦ-2

Примітка. В табл. 2 та 3 наведені усереднені значення за результатами чотирьох випробувань на кожному паливі.

Аналіз стану приповерхневих шарів тертя роликів, які використовувалися для випробувань на машині СМЦ-2, показав, що в результаті контакту з диспергованим паливом збільшується щільність дислокацій на поверхні, збільшується твердість поверхні та зменшується її шорсткість порівняно з роликами до випробувань та з тими, що контактували з товарним паливом.

Перевірка антикорозійних властивостей дизельного палива на приборі АП-1 показала, що після диспергування цей показник покращується приблизно у 1,4 рази. Також встановлено, що ГД досить ефективно видаляє з палива воду.

Випробування проводилися за прискореним методом, для чого із паливопроводу був виключений фільтр і всі домішки, які були в паливі і постійно поступали у нього від зносу брали участь у зношенні прецизійних пар. Було встановлено, що для того, щоб змоделювати напрацювання паливної апаратури до її першої перевірки в умовах експлуатації, час випробувань повинен скласти 320 годин, але попередній досвід випробувань показав, що для отримання результатів можна скоротити цей час до 150 годин.

У процесі стендових досліджень контролювалося зношення плунжера та нагнітального клапана ПНВТ і голки форсунки. Величина зношення визначалася за втратою цими елементами маси за час випробувань. Маса їх вимірювалася на вагах ВЛР-200г-М з точністю до ±0,0001г. Крім цього, перевірка щільності плунжерних пар до і після випробувань дала змогу зробити висновок щодо їх працездатності.

Під час випробувань проводився відбір проб палива, які піддавалися аналізу для визначення зміни його якості.

Результати зважування деталей паливної апаратури (табл.4) показали, що при роботі стенда на диспергованому паливі зношення плунжерів зменшується у 1,36 рази, клапанів - у 1,88 рази, і голок форсунок - у 1,77 рази, а середня швидкість зношування зменшується приблизно у 1,4 рази.

Таблиця 4. Зношення елементів паливної апаратури

Примітка. Наведені усереднені дані по чотирьох зразках кожної деталі.

Перевірка щільності плунжерних пар показала, що всі пари, які змащувались у процесі випробувань диспергованим паливом, після 150 годин роботи лишаються працездатними. Змащення пар недиспергованим паливом привело до втрати двома з них своєї працездатності за час випробувань, а ще дві знаходились у останній, найгіршій, групі по витоку з них палива.

Крім того, аналіз проб палива показав, що при проведенні випробувань на диспергованому паливі за однакові проміжки часу у ньому накопичується менша кількість заліза, що входить до складу сталі, з якої виготовлені елементи паливної апаратури. Наприкінці випробувань вміст заліза в паливі при застосуванні ГД був в 1,2 рази менший ніж без нього.

Результат аналізу гранулометричного складу забруднень у пробах палива показав, що при застосуванні під час випробувань ГД кількість часток забруднень розміром 5 мкм і менших більша, ніж без ГД, хоча і несуттєво, але кількість часток інших розмірів зменшується досить сильно у всіх діапазонах розмірів, визначених ГОСТ 17216-71. Незначне збільшення кількості часток розміром менше 5 мкм можна пояснити тим, що більша їх кількість при диспергуванні досягає таких розмірів, які при аналізі визначити неможливо.

Аналіз гранулометричного складу дозволив розрахувати коефіцієнт протизношувальних властивостей, індекс забрудненості і клас чистоти проб палива. Індекс забрудненості для диспергованого палива хоча і збільшується протягом випробувань, але не так інтенсивно, як для недиспергованого, і наприкінці випробувань має значення у 1,55 рази нижче. Коефіцієнт протизношувальних властивостей, навпаки, у диспергованого палива більший, і наприкінці випробувань перевищує значення коефіцієнту недиспергованого палива у 1,6 рази. Клас чистоти згодом у обох видів палива погіршується, але при диспергуванні процес погіршення протікає повільніше.

Таким чином, отримані результати лабораторних випробувань, у тому числі стендових, показали, що застосування ГД для обробки дизельного палива перед подачею його у систему живлення дизельних двигунів значно зменшує зношення деталей паливної апаратури: за швидкістю зношення - у 1,4 рази, за вмістом заліза у паливі - у 1,2 рази.

Це відбувається завдяки покращенню антифрикційних та протизношувальних властивостей дизельного палива, яке обробляється за допомогою ГД.

Перенесення результатів випробувань тракторного ПНВТ на тепловозні насоси здійснюється з використанням елементів теорії подібності (за постійністю співвідношення основних параметрів, які характеризують процес зношення, що протікає в ПНВТ).

У четвертому розділі подані практичні рекомендації щодо застосування ГД для поліпшення властивостей дизельного палива. Проведено аналіз існуючих конструкцій ГД з вказівкою на перевагу кожної з конструкцій. Зроблено висновок, що найбільш доцільно використовувати ГД із змінним соплом, що дозволить змінювати робочі характеристики диспергатора. Також перспективним є використання ГД з перепускним клапаном, що спростить конструкцію системи диспергування.

Розрахунки коефіцієнта ефективності диспергування й енерговитрат для різних режимів застосування ГД показали, що найбільш раціонально проводити диспергування при перепаді тиску на диспергаторі 0,4 МПа та циклічності обробки.

Визначено, що найбільш ефективно обробляти паливо безпосередньо перед подачею його у паливну систему дизеля, але оскільки паливо забруднюється і під час зберігання та виконання з ним транспортних операцій, має сенс застосовувати ГД і на проміжних етапах його шляху до паливних баків транспортних засобів. У зв'язку з цим наведені рекомендації щодо створення системи диспергування, яка розташована на мобільному візку. Така установка дасть можливість обробляти паливо, що зберігається на складах та в баках транспортних засобів при їх простоюванні.

У дисертації описано варіант застосування ГД на тепловозі. Обґрунтовано такий варіант на прикладі тепловоза 2ТЕ116. Подані рекомендації щодо розташування основних елементів системи диспергування. Показано, що встановлення на тепловозі додаткового споживача електроенергії (двигуна системи диспергування) не призведе до погіршення робочих характеристик дизеля. Враховуючи позитивний вплив диспергування на зношення пар тертя, можна рекомендувати збільшити час між плановими перевірками та ремонтами паливної апаратури дизелів приблизно у 1,4 рази.

Висновки

диспергування паливний тепловозний антифрикційний

На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень можна зробити такі загальні висновки:

1. Для надійної роботи рухомого складу залізниць при експлуатації необхідно забезпечити достатню працездатність дизелів, зокрема їхньої паливної апаратури. Цього можна досягти шляхом покращення протизношувальних властивостей дизельного палива, яке виконує функцію змащуючої рідини для пар тертя системи живлення тепловозних дизелів.

2. Існуючі засоби покращення протизношувальних властивостей дизельного палива шляхом очищення від частинок забруднень не можуть повною мірою вирішити проблему захисту пар тертя паливної апаратури від абразивного зношення.

3. Якщо частки забруднень, які залишилися у паливі під час його фільтрації, штучно диспергувати до розмірів 5 мкм і менше, то можна очікувати значного покращення протизношувальних властивостей палива. Про це свідчить позитивний досвід штучного диспергування часток забруднень, що входять до складу моторних мастил і робочих рідин гідроприводів.

4. Для штучного диспергування дизельного палива доцільно використовувати гідродинамічний диспергатор, який конструктивно простий, технологічний, а вбудування його в систему живлення дизелів не викликає особливих труднощів.

5. Диспергування частинок домішок у дизельному паливі підлягає експоненційній закономірності, а ефективність використання гідродинамічного диспергатора з точки зору подрібнення ним часток забруднень до потрібних розмірів значною мірою залежить від режиму диспергування. Найбільш ефективно здійснювати цей процес при перепаді тиску на диспергаторі 0,4 МПа та циклічності обробки =16.

6. Теоретичними дослідженнями отримано й експериментально підтверджено, що зі збільшенням ступеня дисперсності частинок забруднень зменшується значення питомої сили тертя, що призводить до зниження зносу.

7. Результати випробувань диспергованого палива на машинах тертя показали зниження у середньому в 1,35-1,38 рази зносу зразків зі сталі ШХ-15, яка використовується для виготовлення елементів паливної апаратури. При цьому коефіцієнт тертя між зразками знижується у середньому в 1,3-1,8 рази.

8. Гідродинамічний диспергатор ефективно видаляє з палива воду, що покращує його антикорозійні показники, це зумовлено локальним нагрівом палива в зоні удару його об перепону диспергатора.

9. Покращення протизношувальних властивостей дизельного палива підтверджено результатами стендових випробувань паливної апаратури: швидкість зношування її елементів знижується приблизно у 1,4 рази порівняно з тим варіантом, коли паливо не обробляється гідродинамічним диспергатором.

10. Гідродинамічний диспергатор не погіршує фізико-хімічних властивостей палива, підвищує його електропровідність, а контакт з поверхнями тертя диспергованого палива сприяє їх зміцненню, тобто підвищенню зносостійкості.

11. Гідродинамічний диспергатор для покращення властивостей палива доцільно використовувати у тепловозах не тільки під час їх експлуатації безпосередньо перед подачею у систему живлення дизеля, але й під час транспортування палива та зберігання його на складах.

12. За своєю ефективністю з точки зору покращення якості дизельного палива гідродинамічне диспергування може з успіхом конкурувати з такими традиційними методами як фільтрація або сепарування, а від сумісного використання обох методів в системі живлення дизелів тягового рухомого складу можна очікувати ще більш високої ефективності останніх при використанні їх у тепловозах.

13. Запропонований у дисертаційній роботі метод підвищення працездатності паливної апаратури дизелів тепловозів планується впровадити у депо Основа Південної залізниці на магістральних тепловозах ТЕП70 та 2ТЕ116 приписки цього депо та у колійній машинній станції №261 Одеської залізниці на колійних машинах ВПО-3000 і машинах типу ЩОМ, ПРБ, ПМГ.

14. Економічна ефективність впровадження гідродинамічного диспергування в системах живлення дизелів 5Д49 складає 6500 грн/рік на одну секцію тепловозів 2ТЕ116 та ТЕП70 приписки депо Основа Південної залізниці.

Література

1. Венцель Є.С., Жалкін С.Г., Кравець А.М., Садієв С.А. Підвищення протизношувальних властивостей дизельного палива гідродинамічним диспергіруванням // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2002. - Вип. 50. - С. 88-94.

2. Венцель Є.С., Кравець А.М. Стан приповерхневих шарів тертя при змащуванні їх диспергованим дизельним паливом // Автомобильный транспорт. Серия "Совершенствование машин для земляных работ". - Харьков: ХНАДУ, - 2003. - С. 64-66.

3. Кравець А.М. Антикорозійні та протизношувальні властивості диспергіруваного дизельного палива // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2003. - Вип. 55. - С. 81-84.

4. Березняков А.І., Кравець А.М., Венцель Є.С. Про кількісну оцінку ступеня диспергування системи і його вплив на дисипативні процеси // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2003. - № 3. - С. 11-14.

5. Березняков А.И., Венцель Е.С., Кравец А.М. О корреляции между триботехническими и электрическими параметрами узла трения // Трение и износ. - 2003. - Т.24, № 5. - С. 469-476.

6. Венцель Є.С., Кравець А.М., Храбрих В.Л. Підвищення зносостійкості паливної апаратури дизелів // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ. - 2003. - Вип.56. - С. 36-40.

Размещено на Allbest.ru