Resource-saving technology and technical devices for restoring of operational features of lubricating and cooling fluids

Full Text

Введение В процессе эксплуатации изменяются первоначальные размеры и качество деталей и узлов сельхозмашин, из-за чего их работоспособность частично или полностью утрачивается. Тракторы работают в самых тяжелых и неблагоприятных условиях эксплуатации, которые характеризуются: - широким диапазоном климатических факторов - температура воздуха от -40 до 40 °С, влажность от 54 до 81%; - большой запыленностью воздуха (от 0,05 до 1 мг/м2) и большим количеством абразива в почве; - большой динамической нагрузкой на агрегаты вследствие больших и нестабильных сопротивлений почвы и случайного характера нагружения. Следствием воздействия этих факторов становится резкое увеличение износов агрегатов и узлов трактора, возрастание потока поломок и отказов. В этих сложных условиях сохранение работоспособности тракторов и сельхозмашин и их эффективное использование возможны только при применении научно обоснованных методов технического обслуживания и ремонта. При ремонте и восстановлении деталей применяется в основном механическая обработка с помощью лезвийных инструментов. При механической обработке наружных цилиндрических поверхностей используют точение, шлифование, притирку, полирование. Внутренние цилиндрические поверхности обрабатывают сверлением, развертыванием, растачиванием, притиркой, хонингованием, шлифованием, протягиванием. Плоские поверхности - строганием, полированием, фрезерованием, опиливанием, шабрением, шлифованием. Эти операции выполняются на токарных, фрезерных, сверлильных и шлифовальных станках. Производительность, например, токарного станка ограничивается стойкостью режущего инструмента. Для повышения стойкости инструмента при обработке металлов резанием следует пользоваться охлаждающими и смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ). Цель исследования Цель исследования состоит в разработке технических средств и технологии электромагнитной очистки СОЖ. Материалы и методы Возрастающие требования к точности изготовления и ремонта деталей связаны с важнейшей проблемой рациональной эксплуатации СОЖ. Это один из главных факторов увеличения производительности и обеспечения высокого качества продукции. Также следует отметить, что СОЖ играют существенную роль в технологических процессах механической обработки, обеспечивая теплоотвод в зоне резания, что способствует увеличению ресурса режущего инструмента и повышению скорости резания. Нанесение смазывающей пленки между режущим инструментом, стружкой и обрабатываемой деталью приводит к снижению износа и повышению качества обработки поверхностей [1, 2]. В рамках технологического процесса механической обработки порядка 10-20% СОЖ расходуется на безвозвратные потери - испарение, проливы, унос или утечки. Оставшаяся часть отработавших жидкостей может стать непригодной для повторной эксплуатации без дополнительной обработки, поскольку в большинстве случаев подвержена комплексу сложных физико-химических изменений в результате термических и химических воздействий или механических загрязнений. Опыт эксплуатации СОЖ показывает, что характер их изменений в результате использования при механической обработке может варьироваться от простого механического загрязнения внешними примесями или внутренними продуктами износа до глубоких химических превращений, ухудшающих эксплуатационные свойства СОЖ. Характер таких изменений зависит от особенностей технологического оборудования, режимов обработки, а также от состава и режима циркуляции СОЖ. После цикла использования СОЖ подвергаются обязательной очистке от металломагнитных примесей, после чего производится анализ их физико-химических свойств. Как правило, СОЖ со значительными химическими изменениями заменяются свежими, с незначительными - частично разбавляются [2]. Использование очищенных или регенерированных СОЖ позволяет обеспечить эффективное удаление загрязнений из рабочей зоны (стыка между обрабатываемой деталью и режущей кромкой рабочего инструмента), предотвратить повреждение обрабатываемых поверхностей и препятствовать образованию наростов на режущей кромке инструмента, в результате чего повышается чистота поверхности и продлевается рабочий ресурс режущего инструмента. Существующие методы очистки СОЖ весьма энергоемки, требуют сложных и дорогостоящих установок, имеют низкую производительность и не позволяют получить высокую степень очистки от металломагнитных частиц. Наиболее перспективный способ очистки СОЖ - сепарирование. Его недостаток заключается в низком качестве очистки от малых металломагнитных частиц из-за конструкционного исполнения устройств, не позволяющих очищать СОЖ в пределах всего рабочего канала (желоба) установки. На сегодняшний день используется несколько различных способов очистки технологических жидкостей, при этом их выбор определяется составом СОЖ, характером и степенью их загрязнения, а также требованиями к степени очистки и особенностями технологического процесса, такими как гранулометрический состав примесей, расход СОЖ, кратность циркуляции, температура и др. При этом в большинстве случаев очистка основывается на физических (в редких случаях - на физико-химических) методах. В рамках технологических процессов очистки СОЖ на машинно-технологических станциях (МТС) применяются методы осаждения, флотации, фильтрации, центрифугирования и сепарации. При осаждении загрязняющих примесей в основу технологического процесса положена сила тяжести. Данный метод применяется, как правило, в целях предварительной очистки. Используются специальные емкости - отстойники, включаемые в схему подачи СОЖ в условиях установившегося потока. Процесс осаждения позволяет упростить последующие стадии очистки СОЖ. Оценка эффективности процесса осаждения производится по критериям полноты очистки и скорости осаждения частиц, определяемой в соответствии с уравнением Стокса. Метод наиболее эффективен в том случае, если плотность загрязняющих частиц выше плотности очищаемой жидкости. При очистке СОЖ методом флотации используется свойство соединения загрязняющих частиц с пузырьками воздуха или легкими частицами (например с небольшими включениями масла в эмульсии), в результате чего они поднимаются к поверхности емкости, где можно произвести их механическое удаление из СОЖ с использованием специального приспособления. Данный метод, особенно с применением пропускания воздуха через раствор СОЖ, эффективен для удаления неметаллических примесей, плотность которых сопоставима или меньше плотности очищаемой СОЖ. Очистка методом фильтрации позволяет удалять из жидкостей любые механические примеси вне зависимости от их происхождения или физико-химических свойств. Метод характеризуется также отсутствием (в большинстве случаев) необходимости прерывания установившегося потока СОЖ, используемого в технологическом процессе механической обработки. Степень очистки регулируется размерами пропускающих ячеек фильтрующих элементов и количеством ступеней очистки. Наибольшую степень и скорость очистки обеспечивают фильтры, работающие под давлением. Эффективность фильтрации СОЖ оценивается по степени очистки, определяемой отношением массовой доли задержанных системой фильтрации частиц к общей массе загрязнения, а также потерями давления циркуляционной системы в модуле фильтрации. Недостатки метода заключаются в необходимости частой замены или промывки фильтрующих элементов, а также значительных потерях напора СОЖ, что приводит к повышению мощности насосов системы циркуляции с пропорциональным увеличением стоимости оборудования и энергетических затрат. Очистка СОЖ методом центрифугирования с точки зрения физики процесса представляет собой, в зависимости от конструкции применяемого оборудования, осаждение или фильтрование дисперсной системы загрязненной СОЖ под действием центробежных сил. В том и другом случаях процесс центрифугирования обладает соответствующими преимуществами и недостатками, свойственными осаждению или фильтрованию, при этом оборудование может иметь циклический или непрерывный тип действия. Центрифугирование характеризуется рядом ключевых технологических параметров, которые определяют кинетику процесса, - это фактор разделения, т.е. величина, характеризующая интенсивность центробежного поля, скорость центрифугирования, а также степень (или производительность) очистки. В ходе предыдущих исследований [4] разработаны теоретические предпосылки и способ очистки СОЖ электромагнитным полем. С целью изучения процесса очистки СОЖ электромагнитным полем в лаборатории кафедры электрификации и автоматизации сельского хозяйства Курганской ГСХА разработана и изготовлена экспериментальная установка электромагнитного сепаратора, защищенная патентом РФ на изобретение № 2516608. На основе анализа существующих установок по очистке СОЖ предложена конструкция электромагнитного сепаратора УМС-4М (рис. 1), технические характеристики которого приведены ниже. Технические характеристики сепаратора УМС-4М Производительность, л/ч ………………………….. 100-120 Напряжение переменного тока, подаваемое на выпрямительное устройство, В ……………….. 220 Напряжение постоянного тока, подаваемое на катушки намагничивания, В …………………… 198 Магнитная индукция на концентраторах, мТл ……….. 100-130 Периодичность очистки, ч ……………………………… 2-3 Угол наклона магнитной системы, град. ……………… 0-45 Масса сепаратора, кг ……………………………………. 45 Электромагнитный сепаратор работает следующим образом [3-5]. При подаче постоянного напряжения на катушки П-образных электромагнитов на концентраторе магнитного поля, выполненном в виде магнитного фильтра, за счет полюсных наконечников создается неоднородное магнитное поле с высоким значением магнитной индукции, и зона сепарации пронизывается по всей длине и ширине рабочего канала (желоба) магнитным потоком. Сепарируемая жидкость подается в зону сепарации и протекает равномерным слоем по концентратору магнитного поля. В зоне сепарации магнитные и немагнитные частицы притягиваются к полюсу в направлении сходимости магнитных силовых линий и оседают в магнитном фильтре за счет плотно спрессованных ферромагнитных сеток. Очищенная жидкость поступает в приемник. Фильтр очищают от магнитных и немагнитных частиц путем их смывания водой после сепарации. Управление установкой осуществляется при помощи пульта. Для экспериментальных исследований разработаны и изготовлены сменные однотипные концентраторы магнитного поля (рис. 2). Они представляют собой набор плоских металломагнитных сеток, расположенных параллельно рабочему каналу. Геометрические размеры концентратора магнитного поля соответствуют форме рабочего канала: длина l = 450 мм, ширина a = 100 мм, высота h = 20 мм. Тип установки - передвижной, ее можно устанавливать как в машиннотракторной мастерской, так и непосредственно на пункте технического обслуживания сельхозтехники. Результаты и их обсуждение Линия регенерации СОЖ представлена на рис. 3. Проводимая на районных МТС очистка СОЖ предполагает их накопление в специальном резервуаре и отстаивание с последующей сепарацией в электромагнитном сепараторе УМС-4М. Затем проводится обогащение регенерированной СОЖ. Учитывая, что срок службы СОЖ не превышает 30 дней, данную технологию можно считать ресурсосберегающей, а способ очистки в электромагнитном поле - достаточно экономичным [6]. Функционально-статистический анализ показал, что электромагнитный сепаратор УМС-4М не содержит признаков функциональной недостаточности. Экономическая эффективность предлагаемой технологии очистки СОЖ достигается благодаря снижению технологической себестоимости, повышению производительности технологического процесса и эффективности (качества) очистки СОЖ. Годовой экономический эффект от внедрения электромагнитного сепаратора УМС-4М в циркуляционные системы станков ООО «Курганский метизный завод «Сибмаш» (г. Курган) составил 48 тыс. руб. (в ценах 2014 г.) при сроке окупаемости капиталовложений 1,5 года. Выводы Предложен электромагнитный сепаратор УМС-4М для очистки СОЖ, защищенный патентом РФ на изобретение № 2516608. Разработаны новые конструкционные технические средства - сетчатые концентраторы неоднородного магнитного поля, обеспечивающие эффективность очистки от металломагнитных частиц до 98% при производительности установки до 40 л/ч. Предложена схема технологической линии очистки СОЖ для предприятий агропромышленного комплекса (с.-х. производственных комбинатов, МТС и др.).

About the authors

V. I Charykov

Kurgan State Agricultural Academy

Email: rectorat@mail.ksaa.zaural.ru
DSc in Engineering Kurgan, Russia

S. A Sokolov

Kurgan State Agricultural Academy

PhD in Engineering Kurgan, Russia

A. A Evdokimov

Kurgan State Agricultural Academy

Engineer Kurgan, Russia

References

Supplementary files