Анализ системы очистка воздуха и совершенствование технологии восстановления фильтрующих элементов (на примере автомобиля "КамАЗ")

Подставляя в формулу (2.23) сопротивление фильтрующих материалов (2.24), получим окончательную формулу для теоретического расчета давления воздушного потока необходимого для регенерации загрязненных картонных фильтрующих элементов автомобильных воздухоочистителей от пыли:

(2.25)

Полученное теоретическое уравнение будет использовано для определения уровней факторов при разработке оптимальной технологии регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740, в частности для расчета минимального значения давления струи воздуха.

2.2 Определение давления струи жидкости при регенерации фильтров водным раствором моющих средств

В процессе эксплуатации автомобилей воздушные фильтры загрязняются не только пылью, но и другими отложениями. Так, проведенный анализ состояния загрязненных фильтроэлементов автомобильных воздухоочистителей КамАЗ-740 показал, что 70% от их общего количества составляют фильтры, покрытые маслом и сажей/75/.

Масляные загрязнения, входящие в состав атмосферной пыли, оседают на поверхности фильтрующих элементов, закупоривая его поры и увеличивая сопротивление. Величина капель масляного тумана 0,03-0,1 мкм.

Сажа вследствие своей малой плотности способна длительное время находятся во взвешенном состоянии и поэтому имеется большая вероятность ее попадания в воздухоочиститель вместе с всасываемым воздухом. Частицы сажи величиной от 0,01 до 0,2 мкм, соединяясь с продуктами неполного сгорания топлива, образуют конгломераты размером 70-90 мкм, которые способствуют быстрому забиванию пор фильтрующего элемента воздухоочистителя, также увеличивая его сопротивление/76, 77/.

Очистка водными растворами синтетических моющих средств, несмотря на кажущуюся простоту, в действительности представляет собой сложный физико-химический процесс, не все стороны которого доступны количественному анализу.

Моющие вещества, адсорбируясь (осаждаясь) на поверхности раздела, понижают поверхностное натяжение, что облегчает смачивание поверхности и проникание моющего раствора между картоном и загрязнением, что в свою очередь приводит к отделению загрязнений от очищаемой поверхности. Смачивание способствует набуханию загрязнений, а это значительно облегчает удаление загрязнений во время смыва, поэтому смачивающая способность моющих средств имеет первостепенное значение.

Мерой смачивания служит косинус краевого угла, т.е. угла между касательной к поверхности масла, проведенной к точке, в которой соприкасаются все три фазы: твердая, масло и воздух /78/. Смачивание тем лучше, чем меньше краевой угол. Величина этого угла зависит от концентрации поверхностно-активного вещества в растворе.

Основную трудность удаления от поверхности загрязненных воздушных фильтров составляют масляные загрязнения, этому способствует наличие в маслах поверхностно-активных веществ, которые, как установил академик Ребиндар П.А. /79/, способны проникать даже в мельчайшие поверхностные трещины, образуя тем самым "зажиренную" поверхность даже тогда, когда внешне наличие масла не обнаруживается.

В основе каждого метода очистки используется определенный способ разрушения загрязнений и удаления их с поверхности. Очистка поверхности водными растворами синтетических моющих средств связана с затратой энергии на разрушение загрязнений (преодоление прочностных когезионных сил) и удаление загрязнений с поверхности (преодоление удерживающих адгезионных сил) /80/.

Удаление масляных загрязнений с поверхности нельзя осуществить теми методами, которые применяются в случае адгезии частиц пыли, т.е. путем приложения внешней силы, превышающей адгезионное взаимодействие, так как под действием внешней отрывающей силы происходит деформация капли масла и изменение площади ее контакта с поверхностью. В связи с этим оценка величины адгезии масла к поверхности по силе, как это имело место в случае адгезии частиц пыли, не пригодна. Поэтому адгезия масла к поверхности оценивается работой, которую надо затратить для отрыва масла от поверхности/81/.

При удалении масла с поверхности возможен либо адгезионный отрыв по границе масла - твердое тело, либо когезионный отрыв, когда нарушается граница масло-масло. Если отношение работы адгезии к работе когезии обозначить через:

W_а

Z_a=---------, (2.26)

W_к

где W_а - работа адгезии жидкости на границе с твердой фазой, Дж/м²;

W_к - работа когезии, которую надо затратить, чтобы преодолеть взаимодействие между собой молекул жидкости, Дж/м² то число Z_a можно назвать относительной работой адгезии жидкости. В случае Z_a < 1 (что означает W_а < W_к), реализуется лишь адгезионный отрыв жидкости, если же Z_a=1, что имеет место только при полном смачивании, когда краевой угол равен нулю, реализуется адгезионно-когезионный отрыв. Следовательно, работа адгезии в пределе равна работе когезии.

Рассчитаем относительную работу адгезии масла к поверхности фильтрующего элемента. Для этого в формуле (2.26) выразим работы адгезии и когезии их уравнениями/81/:

W_a=д_жг (1+cos?), (2.27)

где д_жг - величина поверхностного натяжения на границе жидкость - газ (т.е. на границе раздела масло-воздух), равная 0,063 Дж/м²;

? - краевой угол смачивания, т.е. угол, образуемой касательной к поверхности масла, проведенной через точку, в которой соприкасаются все три фазы - поверхность, масло, воздух, равный 107°.

W_к=2д_жг (2.28)

тогда получим Z_a =0,34.

Таким образом, относительная работа адгезии масла к поверхности картона получилась меньше единицы, следовательно, можно положить, что при удалении масла с поверхности фильтрующего элемента имеет место лишь адгезионный отрыв, определяемый уравнением (2.27).

В общем, работа очистки W_о (в данном случае такой работой является W_а) складывается из работы W_фх, совершаемой очищаемой средой за счет физико-химической активности и работы W_м, связанной с механическим воздействием среды на разрушение загрязнения и его связи с поверхностью (W_о=W_фх+W_м).

Чем физико-химически активнее очищающая среда, т.е. больше W_фх тем потребуется меньше механической энергии, и, наоборот, чем меньше W_фх , тем больше W_м необходимо затратить дяя достижения одинакового эффекта очистки.

В силу сказанного уравнение (2.27) можно представить следующим образом:

д_жг (1+cos?)= W_фх+W_м (2.29)

Поскольку работа W_фх, входящая в уравнение (2.29) зависит, как указывалось выше, от моюще-очищаемой активности среды, ее концентрации и температуры, необходимо выразить ее в зависимости от этих величин.

Для этого рассмотрим свободную поверхностную энергию, связанную с протеканием моющего процесса. Свободная поверхностная энергия (Е), равная произведению поверхностного натяжения (д) на величину поверхности (S):

E = д ^. S (2.30)

Если повышение или уменьшение концентрации растворенного вещества в поверхностном слое раствора (в общем случае на границе раздела фаз), отнести к единице поверхности (обозначив его через "Г", то количественное соотношение между величиной адсорбции "Г" и изменением поверхностного натяжения "д" с концентрацией раствора "С" описывается уравнением Гиббса/82/:

С dд

Г=------ --------, (2.31)

RT dC

где R - газовая постоянная, моль^.К

Т - абсолютная температура, К;

Г - адсорбция, равная 5,3^.10^-6 моль/м².

Уравнение (2.31) относительно величины поверхностного натяжения может быть представлено следующим образом:

dC

dд=RТГ------------ (2.32)

С

В результате интегрирования уравнения (2.32), получим величину поверхностного натяжения в виде:

д=RТГlnC (2.33)

Выражая работу W_фх через свободную поверхностную энергию (2.30) с учетом величины (2.33), получим:

Е

W_фх =------= RТГlnC (2.34)

S

Исходя из выражения (2.34) можно представить уравнение (2.29) относительно работы механического воздействия в виде:

W_м = д_жг (1+cos?)-RТГlnC (2.35)

Определяющим параметром механического воздействия струи является напор моющей жидкости. В связи с этим используя работу механического воздействия, определяемую по формулу (2.35) и учитывая, что она приходится на единицу площади контакта масла с поверхностью фильтра можно теоретически рассчитать давление струи моющего раствора (Р_ж) при регенерации загрязненных фильтров от масел, сажи и других отложений в зависимости от его концентрации, температуры и адгезионных свойств удаляемых масел по формуле

д_жг (1+cos?)-RТГlnC

Р_ж=-----------------------------, (2.36)

l

где l - толщина масляного загрязнения, м.

Полученное теоретическое уравнение будет использовано для определения уровней факторов при разработке оптимальной технологии регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740, в частности для расчета минимального значения давления струи моющего раствора.

2.3 Определение времени досушки промытых фильтров струей горячего воздуха

После мойки картонного фильтрующего элемента его необходимо просушить с целью удаления содержащейся в нем влаги путем ее испарения. В некоторых случаях перед сушкой материалов целесообразно предварительное обезвоживание их механическим способом (центрофугированием), которое было более экономично, чем тепловая сушка. Однако, одно механическое обезвоживание является недостаточным, так как оно обеспечивает только частичное удаление влаги (40-60%%)/83, 84, 85, 86/, поэтому часто комбинируют различные способы ее удаления - промытый фильтроэлемент центрифугируется до тех пор, пока от него прекратится отделение влаги, затем процесс досушки осуществляется продувкой горячим воздухом.

Б силу сказанного общая работа (W_а), необходимая для отрыва жидкости, находящейся на картонном фильтре, будет складываться из работы центрифугирования (W_ц) и работы, связанной с досушкой фильтра горячим воздухом (W_дос).

Известно, что общая работа, которую надо затратить для отрыва жидкости от твердой поверхности выражается уравнением (2.27).

W_а = д¹_жг (1+cos?₁),

где д¹_жг - величина поверхностного натяжения на границе

вода-воздух, равная 0,7 Дж/м²;

?₁ - краевой угол смачивания, равный 108°.

Тогда работа, связанная с досушкой фильтра горячим воздухом, представится следующим образом:

W_дос = д¹_жг (1+cos?₁)- W_ц (2.37)

Для определения работы, совершаемой центрифугированием, необходимо знать число оборотов центрифуги (n). Известно/85,86/, что для волокнистых фильтров эта величина равняется 500 об/мин. Зная обороты, можно легко рассчитать угловую скорость вращающегося картонного фильтрующего элемента (щ), т.е. она составит:

рn

щ = ------- (2.38)

30

На капли жидкости, находящиеся на картонном фильтре, при заданной угловой скорости щ будет действовать центробежная сила отрыва, равная:

F = M щ² ф₁, (2.39)

где М - масса капелек жидкости, находящихся в порах

фильтра, кг;

ф₁ - внутренний радиус фильтра, м.

Работа, затрачиваемая на удаление капли жидкости путем центрифугирования, определится:

W_ц = F ^. x (2.40)

Подставляя в формулу (2.40) значение силы из выражения (2.39) получим:

W_ц = M щ² ф₁х, (2.41)

Учитывая, что чем меньше размеры капель жидкости, находящихся на картонном фильтрующем элементе, тем больше нужна центробежная сила отрыва для их удаления, так как маленькие капли сильнее удерживаются молекулярными силами, рассчитываем работу центрифугирования для каплей жидкости меньшего размера, заведомо зная, что более крупные капли при данных параметрах вращения тем более удалятся. Минимальная величина капель жидкости приближается к размерам пор, следовательно, массу капли можно определить следующим образом:

М = V ^. с_ж (2.42)

где V - объем капли воды, м³;

с_ж - плотность воды, равная 1^.10³ кг/м³.

Объем капли воды, в свою очередь, определится из выражения:

рd²_nх

V = ---------- (2.43)

4

где d_n - диаметр поры картонного фильтрующего элемента,

равный 10^.10^-6 м.

Подставив значение массы М из формулы (2.42) с учетом (2.43) в формулу (2.41) получим выражение для определения работы, совершаемой центрифугированием:

, (2,44)

Тогда уравнение (2.37) с учетом того, что общая работа, затрачиваемая для отрыва жидкости от твердой поверхности, приходится на единицу площади контакта воды с поверхностью перепишется в виде:

, (2,45)

где S₁ - площадь соприкосновения жидкости с твердым телом,

равная 314^.10^-12 м².

Известно, что количество теплоты, необходимое для нагревания и испарения данной массы вода, определяется из выражения:

(2,46)

где М_ж - масса воды, которую нужно подогреть и превратить в пар, кг;

С_ж - удельная теплоемкость воды, равная 4,19^.10³ Дж/кг К;

Ч_ж - скрытая теплота парообразования, равная 2,38^.10⁶ Дж/кг

Т_1ж - исходная температура воды, К;

Т_2ж - требуемая температура воды, К.

Для нахождения оставшейся массы воды, которую нужно удалить досушкой фильтра горячим воздухом, подставим в выражение (2.41) вместо работы центрифугирования работу, связанную с досушкой фильтра из выражения (2.45) и проведя соответствующие преобразования, получим:

, (2,47)

С другой стороны количество теплоты, необходимое для нагревания воздуха калорифером в единицу времени, равно:

Q_кал=Q₁C_вс_в(Т_2в-Т_1в), (2,48)

где Q_кал - количество теплоты, выделяемое калорифером в единицу времени, Дж/с;

Q₁ - расход воздуха через форсунку, м³/с;

С_в - удельная теплоемкость воздуха равная 0,71.10³

Дж/кг, К;

с_в - плотность воздуха, равная 1,29 кг/м³;

Т_1в - исходная температура воздуха, К;

Т_2в - требуемая температура воздуха, К,

Тогда, разделив выражение (2,46) с учетом (2.47) на (2.48) и определяя расход воздуха в зависимости от его напора и диаметра форсунки, можно теоретически рассчитать необходимое время для досушки промытых фильтров (tс) струей горячего воздуха по формуле

, (2,49)

где м₁ - коэффициент расхода воздуха, зависящий от формы

насадка, равный 0,62;

d_ф - диаметр отверстия насадка, м;

Н₁ - напор воздуха перед форсункой, м.

Полученная теоретическая формула будет использована при разработке оптимальной технологии регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740, в частности для расчета времени досушки промытых фильтров струей горячего воздуха в зависимости от давления обдувочного воздуха, его температуры и сечения сопла.

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа исследований

С целью уточнения определяющих параметров процесса регенерации картонных фильтрующих элементов, полученных в теоретических исследованиях, установления оптимального режима технологии регенерации фильтроэлементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740, а также оценки эффективности работы регенерированных фильтров и ее влияния на износ цилиндропоршневой группы, необходимо выполнить ряд экспериментальных исследований.

На основании поставленной цели программа исследований включает решение следующих вопросов:

1. Определение давления струи продувочного воздуха при регенерации загрязненных фильтров от пыли.

2. Определение давления струи моющего раствора при регенерации загрязненных фильтров от масла, сажи и других отложений.

3. Определение времени досушки промытых фильтров струей горячего воздуха.

4. Определение оптимального режима технологии регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740.

5. Исследование аэродинамического сопротивления регенерированных фильтров.

6. Исследование пылеемкости и коэффициента пропуска пыли регенерированных фильтров.

7. Эксплуатационные исследования влияния эффективности работы регенерированных фильтров на интенсивность износа деталей цилиндропоршневой группы.

3.2 Методика исследований по определению основных параметров процесса регенерации картонных фильтрующих элементов

Для проведения экспериментальных исследований по уточнению основных параметров процесса регенерации картонных фильтрующих элементов, полученных в теоретических исследованиях, была предложена технологическая схема стенда/87/.

Стенд состоит из цилиндрического бака I (рис. 3.1), который с одной стороны закрывается крышкой 30, а с другой к нему присоединяется фланец 6. Внутри бака на фланце устанавливается на подшипниках вращающийся диск 5, на котором крепится загрязненный картонный фильтрующий элемент 3. В центре и снаружи установленного в баке картонного фильтрующего элемента пропущены через фланец 6 подвижные штанги 2,4 и 29, которые перемещаются при помощи цепного привода 14 через шатун 12. В верхней части штанг вмонтированы форсунки. К стенду подключены пять контуров: воздушный - холодный и горячий; жидкостный - моющий и промывочный; всасывающий. Воздушный контур включает: гибкий шланг 15, калорифер 17, компрессор 18, фильтр 19 и штангу с форсункой 4. Всасывающий контур включает: гибкий шланг 8, фильтр 9, вакуум-насос 10. Жидкостный моющий контур включает: штангу 29, гибкий шланг 20, вентиль 23, фильтр 24, насос 25, подогреватель 26, вентиль 27. Жидкостный промывочный контур включает: магистральный трубопровод, вентиль 22, гибкий шланг 20, штангу 29 и спускной вентиль 28.

Привод диска осуществляется через шкивы II и ременную передачу электродвигателем постоянного тока. Для замера давления и температуры воздуха и жидкости используются образцовые манометры 16 и 21 и термометр с ценой деления 1°С. Обороты вращающего диска контролируются показывающим тахометром типа ТЭ-204.

Работает стенд следующим образом. Открывается крышка 30 и на вращающийся диск 5 через прокладку прижимается картонный фильтрующий элемент. Затем крышка 30 закрывается при помощи легко-съемних барашков. Включается вакуум-насос 10, компрессор 18, электродвигатель и привод 14. При вращении картонного фильтрующего элемента воздух, выходящий из форсунки подвижной штанги 4 продувает фильтр, а удаленная пыль из фильтра засасывается всасывающим козырьком подвижной вакуумной штанги 2 и далее через фильтр 9 очищенный воздух уходит в атмосферу. Одновременно с вращением картонного фильтрующего элемента происходит плавное перемещение штанг 2 и 4 вдоль него при помощи приводного механизма 14. Такое перемещение штанги вдоль фильтра позволяет полностью очистить фильтр от пыли.

В случае загрязнения фильтроэлемента копотью, маслом, сажей на этом же стенде осуществляется его мойка. Для этого отключается соединительная планка 7 от подвижных штанг 2 и 4. Открывается вентиль 23 и 27, включается подогреватель 26, где находится моющий раствор и включается электродвигатель. При вращении картонного фильтрующего элемента струя моющей жидкости, выходящая из форсунки подвижной штанги 29, промывает его наружную часть по мере перемещения штанги 29 вдоль него. Стекающая жидкость поступает вновь в подогреватель 26 и далее насосом 25 через фильтр 24, где очищается от загрязнений по трубопроводу поступает вновь а подвижную штангу 29.

После мойки картонного фильтрующего элемента его необходимо прополаскивать. Для этого открывается вентиль 22 и 29 и при включенном электродвигателе промывают картонный фильтрующий элемент, промывочная вода сбрасывается в канализацию.

После промывки картонных фильтрующих элементов на этом же стенде производится их сушка. Промытый фильтроэлемент центрифугируется до тех пор, пока от него не прекратится отделение влаги, затем процесс досушки осуществляется продувкой горячим воздухом, для чего включается воздушный контур с включенным калорифером 17.

Рис. 3.1. Схема стенда для регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740 1-корпус; 2-штанга вакуумная; 3-КФЭ; 4-воздушная штанга; 5-вращающийся диск; 6-фланец; 7-соединительная планка; 8-гибкий шланг; 9-фильтр; 10-вакуумнасос; 11-шкив; 12-шатун; 13-звездочка; 14-механизм привода; 15-гибкий шланг; 16-манометр; 17-калорифер; 18-компрессор; 19-фильтр; 20-гибкий шланг; 21-манометр; 22-вентиль; 23-вентиль; 24-фильтр; 25-насос; 26-подогреватель; 27-вентиль; 28-спускной вентиль; 29-жидкостная штанга; 30-крышка.

Рис. 3.2. Экспериментальный стенд для регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740

По описанной схеме был изготовлен экспериментальный стенд (рис.3.2), на котором определялись основные параметры процесса регенерации: давление струи воздуха при регенерации фильтров от пыли, давление струи моющего раствора при регенерации фильтров от масляных загрязнений; время досушки промытых фильтров струей горячего воздуха.

3.2.1 Методика определения давления струи воздуха при регенерации фильтров от пыли

На основании теоретических исследований, изложенных выше, выведена формула (2.25) для расчета давления струи воздуха при регенерации фильтров от пыли. Для проверки достоверности этой формулы были проведены экспериментальные исследования на стенде для регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740.

Эксперимент проводился в следующем порядке. Включали продувочный контур. Открывали магистральный кран воздухопровода и по образцовому манометру устанавливали давление струи воздуха, определенное из теоретических исследований. При установившемся давлении струи воздуха продували загрязненный фильтр до прекращения отделения пыли, затем фильтр взвешивался и устанавливалось следующее значение давления струи воздуха с интервалом 10 кПа. Опыты повторялись до тех пор, пока не наступала стабилизация массы фильтра.

3.2.2 Методика определения давления струи моющего раствора

На основании теоретических исследований, изложенных выше, установлена зависимость (2.36) давления струи моющего раствора от его концентрации и температуры при регенерации загрязненных картонных фильтров от масла, сажи и других отложений. С целью уточнения этой зависимости были проведены экспериментальные исследования на стенде для регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740.

Эксперимент проводился следующим образом. Включали моющий контур. По образцовому манометру устанавливали давление струи моющего раствора, определенное из теоретических исследований и подогревали моющий раствор до необходимой температуры, которая поддерживалась автоматически при помощи дистанционного температурного датчика ТСМ-100. При заданных значениях давления струи моющего раствора и его температуры с учетом постоянной концентрации смывали загрязнения с поверхности фильтра до прекращения отделения загрязнений и предварительно просушив фильтр, взвешивали его. Затем устанавливалось следующее значение давления струи моющего раствора с интервалом 10 кПа и той же температурой. Опыты повторялись до тех пор, пока не наступала стабилизация массы фильтра. Аналогично проводились опыты для других температур моющего раствора с интервалом 2°С. Таким образом, была получена экспериментальная зависимость давления струи моющего раствора от его температуры при постоянной концентрации. Аналогичным образом была проведена серия опытов для получения экспериментальной зависимости давления струи моющего раствора от его концентрации с интервалом I г/л при постоянной температуре.

3.2.3 Методика определения времени досушки промытых фильтров струей горячего воздуха

На основании теоретических исследований, изложенных выше, получена зависимость (2.49) времени досушки промытых фильтров струей горячего воздуха от давления обдувочного воздуха, его температуры и сечения сопла.

С целью уточнения этой зависимости были проведены экспериментальные исследования на стенде для регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740.

Эксперимент проводился следующим образом. Включали продувочный контур с включенным калорифером. Открывали магистральный кран воздухопровода, по образцовому манометру устанавливали давление струи обдувочного воздуха, определенное механическими прочностными свойствами фильтра 300 кПа и при помощи латара по термометру устанавливали требуемую температуру обдувочного воздуха. При заданных значениях времени досушки фильтров струей горячего воздуха, определенном из теоретических исследований и его температуры с учетом постоянного давления сушили фильтр, после чего его взвешивали. Затем задавалось следующее время досушки фильтров с интервалом 3 секунды и той же температурой и опыты повторялись до тех пор, пока не наступала стабилизация массы фильтра. Аналогично проводились опыты для других температур обдувочного воздуха с интервалом 2°С. Таким образом, была получена экспериментальная зависимость времени досушки промытых фильтров струей горячего воздуха от его температуры при постоянном давлении. Аналогичным образом была проведена серия опытов для получения экспериментальной зависимости времени досушки фильтров струей горячего воздуха от его давления с интервалом 10 кПа при постоянной температуре.

3.3 Методика оптимизации технологии регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740 на основе математической теории планирования эксперимента

С целью установления оптимального режима технологии регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740 в зависимости от вида, выполняемого технологического процесса на регенерационном стенде проводилась оптимизация следующих параметров. При продувке фильтров от пыли: диаметра форсунки, давления струи продувочного воздуха, частоты вращения фильтрующего элемента и скорости перемещения штанги по фильтру. При мойке фильтров от масла и сажи: диаметра форсунки, давления струи моющего раствора, концентрации моющего раствора и температуры моющего раствора.

Решение данной задачи выполнялось с использованием методов математической теории шинирования эксперимента.

Обычные методы исследования направлены на отыскание детерминированной зависимости между интересующим нас параметром и влияющими на него факторами. При этом влияние факторов изучается раздельно, т.е. выбирается и варьируется какой-либо один фактор, а все другие фиксируются для данного опыта. Затем таким путем изучается влияние второго третьего и всех других факторов. При наличии большого числа факторов объем экспериментальной работы значительно возрастает и в то же время полученные выводы представляют собой лишь частный случай, так как такие методы исследований не позволяет выявить силу влияния каждого фактора, оценить роль их взаимодействия и отыскать оптимальное сочетание действующих факторов.

Планирование эксперимента позволяет значительно сократить число опытов без ущерба качеству информации, поскольку все факторы варьируются одновременно и получить математическую модель, которую можно использовать по оптимизации исследуемого процесса/88/.

Для построения математической модели необходимо выбрать параметр оптимизации и определить предельные значения действующих факторов. В качестве оптимизирующего параметра выбирается такой параметр, по которому оценивается исследуемый объект и который связывает факторы в математическую модель. Задача исследования состоит в том, чтобы созданием математической модели минимизировать этот параметр оптимизации путем соответствующего подбора факторов.

За оптимизирующий параметр выбиралась величина энергозатрат стенда. Определение предельных значений действующих факторов (так называемых уровней факторов) и величины энергозатрат производилось раздельно для каждого процесса.

При продувке фильтров от пыли: для определения минимального значения диаметра форсунки воспользовались формулой длины начального участка устойчивой струи, т.е. когда компактность струи еще сохраняется/89/:

, (3.1)

где Х_н - длина начального участка устойчивой струи, м; Ј - 12^о40¹;

D_о - диаметр отверстия входного сопла.

Если учесть, что у воздушных фильтров, используемых в КамАЗ-740, расстояние от перфорированной металлической решетки до фильтрующего элемента составляет 5 мм, толщина решетки I мм и минимально-допустимое расстояние от продуваемого сопла до решетки не должно быть менее 4 мм из-за неровностей внутренней поверхности картонных фильтров, то общее расстояние от фильтроэлемента до сопла составит 10 мм. Подставляя это значение в формулу (3.1) и решая ее относительно диаметра отверстия входного сопла, было найдено, что минимальное значение диаметра форсунки равно 1,9 мм.

Исходя из того, что картонный фильтрующий элемент снаружи и внутри защищен перфорированным металлическим кожухом с диаметром отверстия, равным 10 мм, то за максимальное значение диаметра форсунки принималась величина равная, 10 мм, так как при большем значении диаметра форсунки, часть напора струи воздуха будет попадать не неперфорированную поверхность.

В качестве минимального значения давления струи воздуха бралась величина, определенная из теоретических исследований.

Максимально-допустимое значение давления струи воздуха определялось механическими прочностными свойствами фильтра, эта величина не должна превышать 300 кПа/20/.

Для определения предельных значений скорости перемещения штанги (V_пер) и частоты вращения (щ) фильтрующего элемента были использованы следующие известные формулы:

, (3.2)

, (3.3)

из которых

,

,

где h - высота фильтрующего элемента, равная 0,385 м;

l_окр - длина окружности фильтрующего элемента, равная 0,785 м;

t_min - время, в течение которого при минимальном диаметре форсунки очистится от пыли заданный участок;

t_max - время, в течение которого при максимальном диаметре форсунки очистится от пыли заданный участок;

ф - радиус фильтрующего элемента, равный 0,125 м.

Поскольку значения щ_min и щ_max не представляется возможным непосредственно замерить на предлагаемом стенде, воспользуемся известной формулой перехода к числу оборотов:

рn

щ = ------- (3.4)

30

Таким образом, уровни, взятых на учет, факторов при продувке фильтров от пыли представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Уровни взятых на учет факторов при отделении пыли от картонных фильтрующих элементов струей сжатого воздуха

Наименование факторов и его обозначение	Уровни факторов
	- 1	+ 1
Х1 - диаметр форсунки, мм	1,9	10
Х2 - давление струи воздуха, кПа	180	300
Х3 - скорость перемещения штанги, м/с.10-2	0,28	0,41
Х4 - частота вращения, с-1	4,48	6,71

Величину параметра оптимизации (Э₁) (энергозатраты компрессора) определяли по формуле:

Э₁ = Н₂ ^. Т₁ , (3.5)

где Т₁ - время продувки (экспериментальные данные), с.

При мойке загрязненных фильтров от масла и сажи: для определения минимального значения диаметра форсунки воспользовались следующей формулой/91/:



, (3.6)

где Х_н - длина начального участка струи;

б - коэффициент структуры, равный 0,08;

R_о - радиус струи.

По конструктивным соображениям величина длины начального участка струи может быть не более 10 мм. Тогда из формулы (3.6) было найдено, что минимальное значение диаметра форсунки равно 2.4 мм.

В качестве минимального значения напора струи моющей жидкости бралась величина, определенная из теоретических исследований.

За максимальное значение диаметра форсунки принималась величина, равная 10 мм, как и в случае продувки от пыли.

Максимально-допустимая величина напора струи моющего раствора определялась прочностными свойствами картона из поискового эксперимента.

Как известно/92, 93/смыв загрязнений в виде масла и сажи рекомендуется делать теплым водным моющим раствором, температура которого должна быть 40-50°С с концентрацией 20-25 г/л. Увеличение температуры растворов положительно влияет на скорость очистки. Американский ученый Samuel Spring/94/утверждает, что с повышением температуры очищающих растворов на 11°С скорость очистки возрастает почти в два раза. Следовательно, минимальное значение температуры моющего раствора можно принять равным 40°С, а максимальное значение равным 50°С; минимальное значение концентрации моющего раствора 20 г/л, а максимальное 25 г/л.

Выбор моющего средства является одним из этапов моющего действия. Известно/95/, что при использовании правильно подобранных средств можно на 20-30% увеличить эффект очистки загрязнений с очищаемой поверхностью. Так одни и тот же моющий состав способен удалять какой-либо один из видов загрязнений и в то же время этот состав может не обладать моющей способностью по отношению к остальным видам загрязнений. Другими словами, не существует универсальных моющих составов, которые одинаково хорошо бы действовали во всех практически встречающихся условиях.

Учитывая характер загрязнений картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей (загрязнения не претерпевшие физико-химические превращения - масла с примесями частиц почвы), рекомендовать как наиболее целесообразное моющее средство для их удаления можно препарат типа МС, обладающего умеренной пенообразовательной способностью, но высоким моющим действием для данного типа загрязнений/96, 97, 98/.

Таким образом, уровни, взятых на учет факторов при мойке фильтров от масла и сажи представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Уровни взятых на учет факторов при отделении масла и сажи от картонных фильтрующих элементов струей моющего раствора

Наименование фактора и его обозначение	Уровни факторов
	- 1	+ 1
Х1 - диаметр форсунки, мм	2,4	10
Х2 - давление струи моющего раствора, кПа	110	200
Х3 - концентрация моющего раствора, г/л	20	25
Х4 - температура, моющего раствора, оС	40	50

Величину параметра оптимизации (Э₂) (энергозатраты циркуляционного насоса и энергозатраты, затраченные на подогрев моющего раствора) определяли по формуле:

Э₂=(N₁+N₄)Т₂, (3.7)

где Т₂ - время смыва (экспериментальные данные), с.

После выявления уровней факторов начинается новый процесс исследования - отыскание области оптимума при одновременном действии всех факторов. Наиболее распространенным является метод крутого восхождения, при котором движение осуществляется шагами последовательно и описывается линейными уравнениями/99/:

y=b₀+b₁x₁+b₂x₂+…… (3.8)

Перед началом эксперимента факторы кодируются с целью облегчения вычислительных работ для расчета коэффициентов. Кодирование факторов производится по формуле:

, (3,9)

где х_i - кодирован значение фактора;

X_i - натуральное значение фактора;

X_oi - натуральное значение фактора на нулевом уровне; К - натуральное значение интервала варьирования фактора.

, (3,10)

где Х_i - значение фактора на верхнем уровне;

X^н_i - значение фактора на нижнем уровне.

Затем составляется матрица планирования эксперимента для каждого процесса раздельно, в первых столбцах которой заносятся закодированные значения факторов, а в последнем столбце - экспериментальные значения параметра оптимизации, после чего рассчитываются коэффициенты регрессии модели (3.8):

(3.11)

где Ўu - значение критерия оптимизации, полученного в u-ом опыте;

N - количество опытов (число строк в матрице эксперимента).

, i=0,1,2,…n (3.12)

где X_iu - значение фактора X_i в u-ом опыте;

, j=0,1,2,…n (3.13)

Далее производится оценка адекватности модели факторов линейным приближением. Затем выполняется программа крутого восхождения по поверхности отклика. Результаты крутого восхождения дают основание предположить, что выбранный центр эксперимента (основной уровень факторов) находится либо вблизи области оптимума, либо вдали от нее. Если центр эксперимента находится вдали от области оптимума, то следует изменить уровни факторов и вновь выполнить программу крутого восхождения. Таким образом, в результате крутого восхождения будет достигнута область оптимума. Задачей последующего этапа является детальное изучение области оптимума, для чего линейного приближения уже недостаточно, так как в этой части поверхности доминирующими становятся коэффициенты регрессии, характеризующие эффекты взаимодействий, т.е. необходимо использовать планирование второго порядка. Математическая модель второго порядка будет иметь вид/88/:

(3.14)

где b_ij - эффекты взаимодействий;

b_ii - эффекты при квадратичных членах.

Затем составляется матрица планирования эксперимента по описанию области оптимума и после реализации эксперимента и получения значений критерия оптимизации проводится обработка данных и построение математической модели факторов второго порядка.

Расчет коэффициентов регрессии модели (3.14) производится методом наименьших квадратов/100/. Далее проверяется адекватность модели второго порядка и после получения адекватной математической модели второго порядка определяется значения факторов, обеспечивающих оптимальное протекание процесса регенерации загрязненных фильтров, для чего проводится графо-аналитический анализ полученного выражения с помощью двумерных сечений.

Предлагаемая методика позволит научно-обоснованно произвести расчет основных параметров регенерационного стенда, что будет способствовать установлению оптимального режима технологии регенерации картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателя КамАЗ-740.



3.4 Методы исследования эффективности работы регенерированных фильтроэлементов

С целью определения эффективности работы регенерированных фильтроэлементов сначала проводились эксплуатационные испытания новых, еще не работавших картонных фильтрующих элементов на автомобилях до предельно-допустимого сопротивления 7,0 кПа.

Затем часть фильтроэлементов регенерировали на стенде продувкой сжатым воздухом, а остальные промывкой моющим раствором.

Степень восстановления картонных фильтрующих элементов должна оцениваться следующими техническими показателями его работы:

- эффективностью очистки воздуха;

- аэродинамическим сопротивлением;

- продолжительностью работы до предельно-допустимого сопротивления.

Эти показатели подробно характеризуют эффективность работы воздушного фильтра.

Эффективность очистки принято выражать, согласно ГОСТ 8002-74/101/коэффициентом пропуска пыли (отношение массы пропущенной фильтром пыли к массе пыли, поступившей в него с потоком воздуха за определенный промежуток времени). В результате исследований/20/установлено, что коэффициент пропуска пыли характеризует дисперсный состав пыли, поступающей в двигатель.

Аэродинамическое сопротивление определяется разностью полных давлений до и после фильтра и выражается в Па или кПа. Для автотракторных двигателей предельная величина аэродинамического сопротивления воздушных фильтров регламентирована соответствующими стандартами.

Помимо коэффициента пропуска пыли и аэродинамического сопротивления, одним из основных показателей работы воздушного фильтра является продолжительность его работы до предельного сопротивления. Продолжительность работы фильтра пропорциональна его пылеемкости. Под пылеемкостью фильтра понимают массу пыли, которую он может задержать до предельного сопротивления.

Указанные показатели дадут возможность провести сравнительную оценку регенерированных и новых картонных фильтрующих элементов.

Кроме этого определялся ресурс регенерированных фильтров в километрах пробега автомобиля.

3.4.1 Исследование аэродинамического сопротивления

Аэродинамическое сопротивление фильтров исследовалось на стенде, отвечающем требованиям ГОСТ 8002-74 путем замера их сопротивления при различных значениях расхода воздуха без подачи пыли. Расход воздуха через картонный фильтрующий элемент измерялся стандартным соплом, а сопротивление U - образным водяным манометром с точностью 10 пА. Замеренное сопротивление приводилось к нормальным атмосферным условиям.

Для получения аэродинамической характеристики фильтров, их сопротивления определяли на пяти разных постоянных расходах воздуха, то есть на 20, 40, 60, 80, 100% расходах воздуха от номинального.

При каждом расходе воздуха, перед фиксацией значения сопротивления, фильтр проработал не менее пяти минут. При каждом фиксированном расходе воздуха фильтром производилось не менее трех параллельных определений аэродинамического сопротивления и определялось их среднее арифметическое значение.

3.4.2 Исследование пылеемкости и коэффициента пропуска пыли

Исследование пылеемкости и коэффициента пропуска пыли фильтров проводилось на безмоторной установке, смонтированной согласно ГОСТ 8002-74 на искусственно запыленном воздухе с помощью дозатора пыли. Для испытаний использовалась стандартная пыль с удельной поверхностью 5600 ± 150 см²/г (ГОСТ 8002-74).

Для установления влияния скорости фильтрации на коэффициент пропуска пыли, его значения определяли на двух постоянных расходах воздуха, то есть на 20 и 100% расходах воздуха от номинального.

Каждый опыт проводился с тремя фильтроэлементами. Масса пыли, введенной в фильтр за один опыт при разных расходах воздуха была одинаковой с допустимым отклонением ±10%, при этом время опыта на разных расходах воздуха было разным. За коэффициент пропуска пыли принималось среднее арифметическое значение трех опытов в каждом расходе воздуха. Для определения массы, пропущенной фильтром пыли, применялся абсолютный фильтрационный материал типа ФПП-Д. Величина фильтрующей поверхности абсолютного фильтра выбиралась из расчета максимальной скорости фильтрации, равной 1,0 м/с. За пылеемкость фильтра принималась масса пыли, уловленной фильтром при его работе до предельно-допустимого значения сопротивления.

3.4.3 Определение ресурса регенерированных картонных фильтрующих элементов воздухоочистителей двигателей КамАЗ-740

Главным критерием целесообразности применения регенерированных картонных фильтрующих элементов является их ресурс в километрах пробега автомобиля. Ресурс работы фильтроэлементов характеризуется их предельным гидравлическим сопротивлением. Поэтому для оценки ресурса работы фильтров в условиях эксплуатации определялось их сопротивление, для чего на двигатели автомобилей КамАЗ-5511 устанавливались пронумерованные новые и регенерированные фильтры и через определенные пробеги автомобилей замерялась величина гидравлического сопротивления посредством U-образного манометра с точностью 10 пА, подключенного к штуцеру индикатора засоренности. Замеры сопротивления производили при работе системы автомобиля КамАЗ-5511 на средних оборотах холостого хода двигателя.

Испытания проводились на технически исправных автомобилях вI условиях рядовой эксплуатации в летний и осенний периоды в автотранспортном предприятии Ташкентской обл. Спидометры подконтрольных автомобилей были опломбированы и в процессе испытаний постоянно контролировалась их исправность. Перед началом испытаний система очистки воздуха подвергалась проверке по герметичности воздуховодов и уплотнений.

3.5 Метод эксплуатационных исследований влияния эффективности работы регенерированных фильтров на интенсивность износа деталей цилиндропоршневой группы двигателей КамАЗ-740

От эффективности работы регенерированных фильтроэлементов зависит количество проникающих в двигатель частиц пыли, которые могут осаждаться на смазанной поверхности гильз цилиндров, заклиниваться между гильзой и кольцами и, участвуя в трении, ускорять износ трущихся деталей. В результате абразивного износа деталей цилиндропоршневой группы срок службы двигателей значительно сокращается. В связи о этим проводились исследования, связывающие эффективность работы регенерированных картонных фильтрующих элементов с износом деталей цилиндропоршневой группы.

Для определения износа деталей существует ряд методов/10, 103, 104, 105/. В практике эксплуатационных исследований автомобилей количественная оценка износов производится двумя способами: разбирают механизм и непосредственным замером определяют износ сопряженных деталей или оценивают износ деталей по косвенным признакам, не разбирая механизма. К первому способу оценки износа относятся микрометраж, метод искусственных баз, например, "вырезанных лунок", метод взвешивания, а ко второму способу - методы определения концентрации продуктов износа в масле при помощи спектрального анализа проб отработавшего масла.

Метод спектрального анализа не требует остановки и разборки двигателя, которая оказывает влияние на закономерности износа, а время, затрачиваемое на проведение исследований, с применением указанного способа намного меньше, чем в случае использования иных методов/105/. Принимая все это во внимание следует считать, что для намеченных исследований метод спектрального анализа является более приемлемым.

В основу метода спектрального анализа положена зависимость между концентрацией элементов индикаторов в отобранных пробах масла и интенсивностью изнашивания деталей цилиндропоршневой группы. Под элементами индикатора следует понимать такие элементы, изменение концентрации которых дает возможность определять интенсивность износа тех деталей, в состав материала которых они входят. Так по концентрации железа можно определить износ гильзы цилиндров, по концентрации - хрома - износ хромированных поршневых колец, а по концентрации алюминия - износ поршней.

Испытанию подвергали новые (не использованные) и регенерированные картонные фильтрующие элементы. Испытывали две группы автомобилей КамАЗ-5511 в реальных условиях эксплуатации. Первая группа автомобилей имела воздухоочистители с новыми картонными фильтрующими элементами, вторая группа - с регенерированными. Каждая группа включала в себя десять автомобилей КамАЗ-5511. Испытания проводили на автомобилях в условиях нормальной производственной деятельности автотранспортного предприятия в летний частично осенний периоды, главным образом, по дорогам с усовершенствованным покрытием в основном в одинаковых условиях, то есть на перевозке песка из карьера в районы строительства Ташкентской обл. Техническое состояние автомобилей и двигателей перед испытанием было примерно одинаковым, пробег двигателей до испытаний находился в пределах 20-40 тыс.км. Топливо и смазочные материалы применялись в соответствии с инструкцией по эксплуатации автомобилей. Перед началом испытаний система очистки воздуха подвергалась проверке по герметичности воздуховодов и уплотнений.

Во всех испытываемых фильтрах предусматривали возможность периодического контроля за ростом их сопротивления. Сопротивление воздушного фильтра замерялось U - образным водяным манометром с точностью 10 Па, подключенного к штуцеру индикатора засоренности. Замеры сопротивления производили при работе автомобиля на средних оборотах холостого хода двигателя. Предельное сопротивления воздушного фильтра принималось равным 7,0 кПа.

С целью систематического контроля за интенсивностью изнашивания деталей цилиндропоршневой группы у каждого двигателя из картера производился отбор проб масла в специальные емкости по 50 г через каждые 3 тыс.км пробега. Отбор проб проводился из прогретого двигателя сразу после прихода автомобиля из рейса на холостых оборотах.

В отобранных пробах масла определялось содержание продуктов износа с помощью спектрального анализа на установке МФС-7. Интенсивность изнашивания деталей двигателя по элементам индикаторам определялась согласно методике/106/.

, (3.15)

где К - интенсивность изнашивания деталей двигателя в

г/1000 км пути;

G_м - количество масла в двигателе;

С_о,С_t - исходная и текуўая концентрация элемента

индикатора в пробе масла, %;

G_уг - количество угоревшего масла (в данном случае вес

доливаемого масла);

n - количество отобранных проб;

G_пр - количество продуктов загрязнений в пробах масла, %;

S - пробег автомобиля, км.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Давление струи продувочного воздуха при регенерации картонных фильтров от пыли

В теоретических исследованиях была выведена формула (2.25) для расчета давления струи воздуха при регенерации фильтров от пыли. Согласно приведенной формуле было рассчитано давление продувочного воздуха для наиболее трудно удаляемых частиц пыли. Эта величина получилась равной 150 кПа. Однако экспериментально определенные величины давления струи воздуха при продувке составили 180 кПа.

Завышение опытных данных по сравнению с расчетными объясняется, по-видимому, следующими причинами. В том случае, если бы за отрыв частиц пыли с поверхностью фильтра были ответственны какие-либо одни силы, расчет этих сил был бы более точным. Однако, как это имеет место при регенерации картонных фильтрующих элементов, отрыв частиц от поверхности фильтрующего элемента обусловлен преодолением самых различных по своей природе и величине сил. Поэтому теоретические расчеты сил отрыва прилипших частиц пыли к фильтрующему картону и соответственно давления продувочного воздуха для удаления слоев осажденной пыли при регенерации картонных фильтрующих элементов не дают абсолютно точных результатов.

Следовательно, чтобы обеспечить удаление пылевого слоя с поверхности фильтра необходимо иметь превышенное давление продувочного воздуха над расчетной величиной. В соответствии с этим расчетная формула (2.25) приобретает следующий вид:



(4.1)

где К₁ - коэффициент запаса давления (К₁ = 1,2).

Полученная формула (4.1) позволяет с достаточной точностью определить давление струи воздуха при регенерации загрязненных фильтров от пыли.

4.2 Давление струи жидкости при регенерации фильтров водным раствором моющих средств

В теоретических исследованиях была выведена зависимость (2.36), увязывающая давление струи моющего раствора с его концентрацией и температурой при регенерации загрязненных воздушных картонных фильтров от масла, сажи и других отложений. Расчеты, полученные по формуле (2.36) имели некоторое расхождение с экспериментальными данными. Для того, чтобы она могла быть использована при расчетах давления струи моющего раствора с разными концентрацией и температурой, была произведена ее корректировка на ЭВМ МИНСК-22М, в результате которой были увязаны между собой эти параметры и формула (2.36) приняла следующий вид:

(4.2)

b_o=0,43 C=25^г/_л

b₁=1,35 Т₁=323 К