Халтурин, Дмитрий Владимирович. Совершенствование топливных систем мобильных машин при эксплуатации в условиях пониженных температур

Краткое описание

Халтурин, Дмитрий Владимирович. Совершенствование топливных систем мобильных машин при эксплуатации в условиях пониженных температур : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.02 / Халтурин Дмитрий Владимирович; [Место защиты: Том. гос. архитектур.-строит. ун-т].- Томск, 2012.- 166 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/4261

Минобрнауки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Томский государственный архитектурно-строительный университет»
04201 270926
ХАЛТУРИН Дмитрий Владимирович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ
МОБИЛЬНЫХ МАШИН ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В УСЛОВИЯХ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор
В.Д. Исаенко
Томск 2012
Содержание
Введение 4
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 8
1.1. Требования, предъявляемые к дизельному топливу для мобильных
машин 8
1.2. Общая характеристика загрязненности дизельного топлива 9
1.2.1. Характеристика загрязненности дизельного топлива механическими
примесями при эксплуатации мобильных машин 9
1.2.2. Общая тенденция загрязненности дизельного топлива водой 15
1.3. Влияние загрязненности топлива на работоспособность топливных
систем машин 19
1.4. Влияние пониженных температур на свойства топлива 23
1.5. Обеспечение работоспособности машин в условиях низких температур 26
1.5.1. Способы пускового подогрева 26
1.5.2. Фильтрационная очистка топлива 28
1.5.3. Фильтрующие материалы 29
1.5.4. Фильтрующие элементы 31
1.6. Основные характеристики топливных фильтров 33
1.7. Выводы. Цель и задачи исследования 36
2. Теоретические предпосылки совершенствования топливных систем мобильных машин, эксплуатируемых при пониженных температурах 38
2.1. Схема модернизированной топливной системы 38
2.2. Анализ эффективности очистки топлива 39
2.3. Анализ процесса подогрева топлива 42
2.3.1. Процесс подогрева топлива в системе 43
2.4. Теоретическое обоснование выбора элементов подсистемы подогрева
топлива 47
2.5. Теоретические предпосылки разработки фильтра грубой очистки
топлива с подогревом 51
2.5.1. Описание конструкции фильтроэлемента с подогревом 51
2.5.2. Теория фильтрации топлива в фильтроэлементе новой конструкции..54
2.5.3. Теоретическая оценка эффективности и ресурса фильтра новой
конструкции 57
2.6. Выводы и задачи экспериментальных исследований 62
3. Методики экспериментальных исследований 64
3.1. Объект и предмет исследования 64
3.2. Методика определения характеристик пористой структуры
фильтрующего материала 66
3.2.1. Определение коэффициента проницаемости 66
3.2.2. Определение пористости 68
3.2.3. Определение размера пор 70
3.2.4. Методика исследования гидравлических свойств фильтроматериалов и фильтров 72
3.3. Методы оценки чистоты дизельного топлива 74
3.3.1. Определение счетной концентрации частиц загрязнений в топливе ....74
3.3.2. Методика определения содержания воды в топливе 76
3.4. Методика определения дисперсного состава загрязнений 78
3.5. Методика оценки эффективности очистки 80
3.5.1. Определение полноты отсева загрязнений 80
3.5.2. Определение тонкости очистки 82
3.6. Методика эксплуатационных испытаний 84
3.6.1. Выбор объекта исследований 84
3.6.2. Методика натурных тепловых испытаний модернизированной
топливной системы машины 87
3.6.3. Методика оценки эксплуатационного ресурса и грязеемкости
топливных фильтров грубой очистки 90
3.7. Выводы 90
4. Результаты лабораторных и эксплуатационных испытаний 92
4.1. Параметры пористой структуры нетканого иглопробивного материала 92
4.1.1. Проницаемость 92
4.1.2. Распределение пор по размерам 93
4.1.3. Результаты гидравлических испытаний топливного фильтра новой
конструкции 96
4.2. Сравнительная оценка эксплуатационной загрязненности топлива
механическими примесями при штатной и усовершенствованной топливных системах 99
4.3. Сравнительная оценка обводненности топлива серийной и
модернизированной топливных систем 107
4.4. Результаты натурных испытаний топливной системы с подогревом . 109
4.5. Результаты исследования эффективности фильтра грубой очистки... 111
4.6. Результаты сравнительных ресурсных испытаний
топливных фильтров 112
4.7. Оценка влияния модернизированной топливной системы на
надежность машин 115
4.8. Выводы 122
5. Расчет и проектирование модернизированной топливной системы ... 125
5.1. Задачи проектирования топливной системы 125
5.2. Выбор основных параметров элементов топливной системы,
обеспечивающих повышение ее надежности 125
5.2.1. Выбор фильтра тонкой очистки топлива 125
5.2.2. Выбор геометрических параметров элементов топливной системы... 128
5.2.3. Расчет требуемой мощности нагревателей топлива в элементах
системы 128
5.3. Выбор основных параметров фильтра грубой очистки 129
5.3.1. Выбор основных геометрических параметров фильтра 129
5.3.2. Выбор материала и размеров для электропроводной подложки
спирально навитого фильтровального материала 130
5.4. Гидравлические расчеты фильтра грубой очистки 131
5.4.1. Расчет гидравлической характеристики фильтроэлемента 131
5.4.2. Гидравлический расчет фильтра в сборе с корпусом 132
5.5. Пример расчета модернизированной топливной системы 138
5.6. Оценка экономической эффективности модернизированной
топливной системы 145
5.7. Выводы 147
Общие выводы 147
Литература 150
Приложение 161
Введение
Современные технологии производства работ по созданию материаль¬ных благ не обходятся без массового использования мобильных машин, ра¬ботающих на дизельном топливе в автотранспортном, дорожно-стро¬ительном и сельскохозяйственном комплексах.
Производительность машин тесно связана с их надежностью, опреде-ляемой как безотказность. При этом практикой эксплуатации машин уста-новлено, что до 50 % отказов мобильных машин различного назначения при¬ходится на их топливные системы, что связано с высокой загрязненностью топлива механическими примесями, водой и другими компонентами в про¬цессах транспортирования, хранения и заправки техники.
Эксплуатация машин в условиях пониженных температур увеличивает количество отказов топливных систем за счет проявления эффектов инееоб- разования в топливных баках машин, кристаллизации свободной воды в топ¬ливе, парафинизации топлива, приводящих к забивке фильтров тонкой очи¬стки. Повышается вязкость топлива и ухудшается его прокачиваемость на линиях топливоподачи и в форсунках.
В этой связи настоящая работа посвящена разработке способа модер¬низации топливных систем мобильных машин, позволяющего повысить их безотказность при работе машин в условиях пониженных температур. Сущ¬ность модернизации заключается в оснащении традиционных топливных систем средствами управляемого подогрева топлива, зависящего от темпера¬туры окружающей среды, а также установкой более эффективного фильтра грубой очистки топлива новой конструкции, выполняющего одновременно функции нагревателя топлива.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. На основе метода моделирования тепловых и фильтрационных про¬цессов обоснован способ модернизации топливных систем мобильных ма¬шин, повышающих их надежность при пониженных температурах эксплуа¬тации, основанный на двухступенчатом управляемом подогреве топлива и более эффективной двухступенчатой фильтрационной очистке топлива от механических примесей и воды.
2. Обоснована конструкция и создана математическая модель навивно¬го топливного фильтра грубой очистки с управляемой эффективностью очи¬стки и повышенным ресурсом, выполняющего одновременно функции нагре¬вателя топлива.
3. Получены аналитические зависимости разогрева топлива при отри¬цательных температурах двухступенчатой системой нагревателей, позво¬ляющие производить подбор параметров нагревателей в соответствии с кон¬структивными параметрами элементов топливной системы.
4. Получены аналитические зависимости пропускной способности, ка¬чества очистки и ресурса фильтра грубой очистки новой конструкции, позво¬ляющие оптимизировать выбор его конструктивных параметров.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в сле-дующем:
1. Предлагаемый способ конструктивной модернизации топливных систем мобильных машин позволяет значительно снизить простои машин при их эксплуатации в условиях пониженных температур и повысить их без¬отказность за счет тепловой подготовки и повышения качества очистки топ¬лива от механических примесей и воды.
2. Предложенная новая конструкция навивного фильтра с переменной пористостью и электроподогревом, а также разработанные методы его расче¬та и оптимизации применимы для создания более эффективных топливных фильтров, а также фильтров смазочных, гидравлических систем мобильных машин и другой техники.
3. Предлагаемая методика проектирования модернизированных топ-ливных систем мобильных машин для условий эксплуатации при понижен-ных температурах применима для разработчиков на стадии создания усовер¬шенствованных топливных систем машин с повышенной надежностью.
На защиту выносится:
1. Предлагаемый способ конструктивной модернизации топливных систем мобильных машин, обеспечивающий повышение надежности машин при эксплуатации в условиях пониженных температур.
2. Новая конструкция фильтра грубой очистки топлива повышенной эффективности, выполняющего дополнительные функции нагревателя толива.
3. Результаты математического моделирования процессов подогрева и двухступенчатой фильтрации топлива в модернизированной топливной системе.
4. Результаты экспериментальных лабораторных исследований и на-турных испытаний элементов модернизированной топливной ситемы, а так-же сравнительных эксплуатационных испытаний топливных систем машин.
5. Методика проектирования модернизированных топливных систем мобильных машин, эксплуатируемых в условиях пониженных температур.
Работа выполнена по плану программы инновационных исследований в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный архи¬тектурно-строительный университет» по направлению «Наземные транс¬портно-технологические средства»

Список литературы

Общие выводы
1. Дальнейшее повышение надежности топливных систем мобильных машин, эксплуатируемых при пониженных температурах окружающей сре-ды, возможно путем поддержания теплового режима топлива, исключающего повышение его вязкости, парафинизации и кристаллизации свободной воды в топливе. Необходимо также повышение эффективности двухступенчатой очистки топлива фильтрами грубой очистки.
2. Разработан способ модернизации топливных систем мобильных ма-шин, предусматривающий включение в топливные системы управляемого по-догрева топлива при пониженных температурах, а также более эффективного фильтра грубой очистки, исполняющего и функции нагревателя топлива.
3. На основании теоретического анализа получено математическое описание процессов управляемого подогрева топлива в модернизированной топливной системе, а также фильтрационных процессов в фильтре грубой очистки новой конструкции, что позволяет целенаправленно компоновать модернизированную топливную систему.
4. Экспериментально доказана адекватность математических моделей процессов управляемого подогрева топлива в топливных системах и получе-ны аналитические зависимости закономерностей подогрева топлива, приме-нимые для выбора нагревателей топлива.
5. Экспериментально изучены фильтрационные свойства нетканого иг-лопробивного материала (ТУ 8397-001-05204776-01), показана его примени-мость в качестве пористой среды для фильтра грубой очистки топлива новой конструкции. Уточнены аналитические зависимости, применимые для оцен¬ки гидравлических свойств, эффективности и ресурса фильтроэлемента для фильтра грубой очистки.
6. Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний серийной и усовершенствованной топливных систем фронтальных погрузчиков ПБМ-800 на базе тракторов МТЗ-80 показали, что предлагаемая модернизация топливных систем указанных машин снижает общую загрязненность в магистральном топ¬ливе машин в 3,2 раза, обводненность различных элементов топливной систе¬мы в - 3,2...6,4 раза.
7. Разработана методика проектирования усовершенствованных топ-ливных систем мобильных машин, ориентированная на выбор параметров нагревателя и фильтра грубой очистки топлива новой конструкции.
Показано, что экономическая эффективность усовершенствования топливных систем машин на примере фронтальных погрузчиков ПБМ-800 на базе тракторов МТЗ-80 составляет 21340,48 руб./год на одну машину.