Determination of gas concentration in the lubricant of transmissions of energy-saturated agricultural tractors

Full Text

Введение Трансмиссия в автотракторной технике работает в тяжелых эксплуатационных режимах. А в случае функционирования в энергонасыщенных тракторах - еще более напряженнее. Для обеспечения безотказной работы необходимо исследовать условия ее эксплуатации, в частности наличие газа в системе смазки. Поэтому данный вопрос носит актуальный характер. Цель исследования Целью исследования является разработка методики определения количественного содержания газа в газомасляной смеси. Материалы, методы и результаты исследования Определение состава газомасляной смеси, под которым подразумевается удельное молярное соотношение газовой и масляной фаз, необходимо в первую очередь как для проведения расчетов систем смазки по методике, предложенной в ряде работ [1, 2], так и для оценки необходимой производительности откачивающих насосов принудительных систем смазки. В трансмиссиях тракторов и сельскохозяйственных машин состав газомасляной смеси может иметь различные значения, которые определяются, в основном, геометрическими размерами элементов сборочных единиц, скоростным режимом работы, температурой и сортом смазочного материала. Установить влияние указанных параметров можно путем регистрации состава газомасляной смеси при проведении испытаний как сборочных единиц, так и трансмиссий в целом, при установке на стенде или на тракторы или сельскохозяйственные машины. Выбор метода регистрации состава газомасляной смеси проводился исходя из анализа ряда работ [3, 4], в которых приводятся различные способы анализа состава двухфазных смесей. В результате анализа установлено 5 основных методов измерения, краткие сведения о которых приведены в табл. 1. Предъявляя требование универсальности метода, заключающейся в единой методике его применения, как в стендовых, так и в объектовых условиях, наибольший интерес представляет метод, связанный с отстоем проб, который приведен в табл. 1 под номером 5. Проведя выбор метода регистрации состава смеси, следует определить точку системы смазки, в которой будет проводиться регистрация. Точки для отбора проб должны быть легко доступны, а взятые из них пробы масла нести наибольшую информацию по поставленным вопросам. С этих позиций наибольший интерес представляют картеры сборочных единиц трансмиссий или области перед откачивающим насосом принудительных систем смазки. Отбор проб в любой другой точке связан со сложностью, требующей доработки конструкций, которые могут исказить картину протекающих процессов. Благодаря наличию в картере паровоздушного клапана, давление в нем будет практически равно атмосферному, в результате чего объемное содержание газов и пузырьков в смеси будет иметь наибольшее значение [5, 6]; к тому же малое значение давления облегчит проведение отбора пробы. Наличие сливных отверстий у большинства картеров сборочных единиц не вызывает каких-либо трудностей при отборе проб как в стендовых, так и в объектовых условиях. Основные процессы насыщения газом Определение концентрации газа в смазочном материале трансмиссий энергонасыщенных тракторов сельскохозяйственного назначения смазочного материала, как следует из анализа работы систем смазки, происходят именно в картерах сборочных единиц. В силу этого за точку отбора проб необходимо и достаточно взять поддон картера сборочной единицы. Физическое представление процесса определения газосодержания заключается в следующем. Насыщенное газовыми пузырьками масло вливается в мерный сосуд. После заполнения сосуда регистрируется полученный объем газомасляной смеси. Затем происходит процесс отстоя, в течение которого газовые пузырьки под действием выталкивающей силы стремятся подняться на поверхность жидкости. На поверхности пузырьки лопаются, и находящейся в них газ попадает в окружающую среду. Если в процессе отстоя имело место снижения температуры пробы, то возможно частичное растворение газа в смазочном материале. В конце процесса отстоя (полное исчезновение газовых пузырьков в смазочном материале) проводиться следующая регистрация объема. Соотношение объемов пробы до и после отстоя укажет относительное объемное содержание в смазочном материале газовых пузырьков. Следует отметить, что произвести мгновенный отбор пробы, как правило, невозможно. Значит, за время, в течение которого проводился отбор, часть газовых пузырьков успеет выделиться из смеси, и, следовательно, состав ее в пробе не будет соответствовать составу, который находится в трансмиссии. В таких случаях необходимо проводить запись изменения объема пробы во времени в процессе ее отстоя с целью последующей экстраполяции процесса до момента начала отбора пробы. Запись изменения объема аппроксимировалась зависимостью: (1) см объем газомасляной где V - объем газа; V смеси. Плотность смеси в каждый момент времени определяется соотношением: Рсм =Рм I1 -5) плотность смеси; р где р см масла. 5=- (2) + B, По результатам экспериментов аппроксимация бралась в виде: A x + a где т - время в секундах; А, В, а - коэффициенты аппроксимации. а = ■ Для определения коэффициентов аппроксимации А, В, а достаточно трех экспериментальных точек Ъх, 82 83, снятых во время тр т2, т3. Обозначив 51 - 52 = 812; 51 - 53 = 513, получим выражения для определения коэффициентов А, В, а: (Т2 "Т1)/ (Т3 V^i3 ) 812 (т1 + а)(т2 + а) Т1 )-512 / 513 A A- B = 5, x1 + а Более строго для анализа пробы можно воспользоваться и уравнением переноса газа маслом [3-6]. В это уравнения для пробы смеси div CVM = 0; YV = 0. Считая div j <к divCVT (молекулярный перенос газовых пузырьков происходит значительно менее интенсивно, чем перенос, обусловленный выталкивающими силами), получим уравнение концентрации газовых пузырьков для пробы газомасляной смеси: ^T = -divC VT =^^(CVвх). ox ox Пренебрегая изменением скорости газа по высоте пробы, окончательно принимаем: dc у dc дт г dx Краевые условия задаются в виде: X = 0; C = 0; т = 0; C = C0 . Для решения уравнения применяется преобразование Лапласа по переменной X: dc - - - + VSC = 0; C (O,S ) = C0/ S. Решение уравнения запишется в виде: C (т, S ) = CJ Sexp (-S ]vT d x). 0 1при t > a 0 при j < a Учитывая, что: e-as / S * V(t - а),где V(t - a) (3) получим: с (x, x ) = C0V ( x - jV d x). ш < CO о D. > D. I- О X о a; о. о ш где VCMo - объем смеси в начальный момент времени; F - площадь мерного сосуда. Величина VT определяется экспериментально по изменению уровня газомасляной смеси в сосуде. По экспериментальной зависимости (т) числен- X но определяется j\-T d т. о Проведенные расчеты показали удовлетворительное совпадение оценок плотности газомасляной смеси, полученных обоими методами. При этом, наименее трудоемка первая аппроксимация по формуле (2), что определило ее предпочтительное использование. Заключение Разработанная методика дает возможность определять концентрацию газа в смазочном материале, использующемся в трансмиссиях тракторов и сельскохозяйственных машин. Значение концентрации газа необходимо для реализации разработанной методики расчета систем смазки; одновременно дает и возможность оценить необходимую производительность откачивающих насосов сборочных единиц трансмиссий. Методика может быть использована при стендовых и ходовых испытаниях как отдельных сборочных единиц, так и трансмиссий в целом.

About the authors

S. N Shukhanov

Irkutsk State Agrarian University named after A.A. Ezhevsky

Email: Shuhanov56@mail.ru
DSc in Engineering

References

Supplementary files