Проектирование строительных и дорожных машин

Для очистки топлива от механических примесей и воды в топливной системе устанавливаются последовательно два фильтра. Фильтр первичной (грубой) очистки устанавливается перед топливоподкачивающим насосом и задерживает сравнительно крупные механические частицы размерами более 20–50 мкм, составляющие 80–90 % всех примесей в топливе. Фильтр вторичной (тонкой) очистки, устанавливаемый перед топливным насосом высокого давления, очищает топливо от мельчайших механических примесей размерами до 2–6 мкм.

По мере загрязнения фильтров грубой очистки увеличивается их сопротивление, вследствие чего подача топлива к топливоподкачивающему насосу затрудняется.

Вфильтрах тонкой очистки топлива в качестве фильтрующих элементов применяются пакеты из фетровых дисков, каркасы с поглощающей механические примеси набивкой (например, минеральной ватой), каркасы с нитчатой или тканевой обмоткой и т. д.

По мере загрязнения фильтрующих элементов увеличивается тонкость фильтрации топлива, но при этом увеличивается сопротивление фильтра. Перепад давления в чистом фильтре тонкой очистки составляет 10–15 кПа (0,1–0,15 кГ/см2), при его загрязнении сопротивление может достигать 50–70 кПа. Так как давление, создаваемое топливоподкачивающим насосом, как правило, не превышает 60–70 кПа (0,6–0,7 кГ/см2), при сильном загрязнении фильтрующего элемента подача топлива в двигатель может практически прекратиться. В связи с этим фильтры должны периодически промываться, а фильтрующие детали заменяться новыми.

Втопливной системе питания применяются металлические топливопроводы и специальные резиновые шланги в гибкой оплетке. Соединение топливопроводов между собой и с агрегатами топливной системы производится при помощи специальных резьбовых соединений.

Система питания воздухом. Долговечность работы двигателя в значительной мере зависит от количества пыли, попадающей в двигатель с воздухом. Проникая в цилиндр двигателя, частицы пыли вызывают интенсивный абразивный износ цилиндров, поршневых колец, шеек и подшипников коленчатого вала. Износ приводит к падению мощности, увеличению расхода топлива и смазки, снижению срока службы двигателя.

290

Для очистки воздуха от пыли и подвода его к цилиндрам двигателя служит воздушная система питания. В систему входят воздухоочистители, впускные коллекторы, устройства для отсоса пыли из пылесборников воздухоочистителей. Воздухоочистители должны свободно пропускать в цилиндр воздух и задерживать находящуюся в нем пыль.

Под запыленностью воздуха понимается количество пыли, в г, содержащееся в 1 м3 воздуха. Степень очистки воздуха оценивается количеством пыли, задержанной воздухоочистителем, отнесенным к количеству пыли, поступившей в воздухоочиститель с атмосферным воздухом.

Степень запыленности воздуха зависит от многих факторов (дорожных условий, конструкции ходовой части, скорости движения машины) и резко меняется по высоте. Так, при движении гусеничной машины по пыльной дороге на высоте 0,25 м запыленность за кормой машины достигает 8 г/м3, а на высоте 2 м – 0,5 г/м3. Воздух для питания двигателя обычно поступает на высоте немногим более 1 м, где запыленность редко превышает 4 г/м3. Если запыленность воздуха не превышает 0,001 г/м3, то пыль практически не влияет на износ двигателя.

Наиболее трудной задачей при разработке воздухоочистителя является обеспечение очистки воздуха от мельчайших частиц пыли, осаждение которых вызывает значительные трудности. Экспериментально установлено, что практически безвредными для работы двигателя являются пылинки размером 0,001 мм. Такие пылинки не могут осесть на землю даже при отсутствии ветра, а частицы размером 0,002–0,003 мм не могут осесть при незначительном ветре, их осаждение в естественных условиях происходит только под действием тумана, дождя или снега. В воздухоочистителях осаждение таких частиц неизбежно приводит к усложнению метода очистки воздуха и самой конструкции воздухоочистителя. Конструкция современного воздухоочистителя должна удовлетворять следующим основным требованиям:

обеспечивать высокую (почти 100%-ю) степень очистки воздуха от находящейся в нем пыли;

иметь минимальное и стабильное во все время работы двигателя сопротивление проходу воздуха;

291

длительно работать без промывки;

обеспечивать малую трудоемкость работ по обслуживанию; обладать малым весом и габаритами.

Степень очистки воздуха воздухоочистителем характеризуется коэффициентом пропуска пыли

1 R .

Для обеспечения требуемой долговечности работы двигателя необходимо, чтобы = 0,1–0,2 %, не более. Вторым существенным показателем качества воздухоочистителя является его сопротивление прохождению воздуха, характеризуемое перепадом давления р. Сопротивление воздухоочистителя обусловливает потерю до 5 % мощности двигателя. Часть мощности затрачивается на преодоление сопротивления воздухоочистителя, часть теряется в связи с ухудшением наполнения цилиндров двигателя воздухом, что в конечном счете приводит к неполному сгоранию топлива. По мере загрязнения воздухоочистителя его сопротивление возрастает. Соответственно возрастают и непроизводительные потери мощности. Максимально допустимая величина сопротивления воздухоочистителя на номинальных режимах работы двигателя составляет р = 10–12 кПа. Для газотурбинных двигателей в силу особенностей их конструкции сопротивление воздухоочистителя не должно превышать 3–4 кПа. При этом допускается пропуск пыли до 3–4 %.

На рис. 14.3 показан характер изменения степени очистки воздуха и сопротивления воздухоочистителя от режима его работы (расход воздуха) и степени загрязнения (время работы).

По способу отделения пыли от воздуха воздухоочистители могут быть подразделены на инерционные, фильтрующие и комбинированные, имеющие две или более ступеней очистки. В зависимости от того, смачиваются ли элементы воздухоочистителя маслом или жидкостью, их называют сухими или мокрыми (масляными).

На современных гусеничных и колесных машинах чаще всего применяются комбинированные воздухоочистители с двумя ступенями очистки. В первой ступени из воздуха удаляются наиболее крупные и тяжелые частицы пыли, во второй – мелкие пылинки.

292

Существенным преимуществом сухого инерционного способа очистки воздуха является то, что сухая пыль может быть легко выброшена из пылесборника в атмосферу путем отсоса. Это особенно важно при большой запыленности воздуха, когда необходимо непрерывное удаление пыли в процессе всей работы двигателя. Отсос пыли осуществляется при помощи вентиляторов системы охлаждения или эжекционного устройства, действующего от выпускных газов двигателя.

Современные циклонные воздухоочистители обеспечивают степень очистки воздуха не более R = 0,98 при сопротивлении до 5 кПа. Это может быть достаточно для некоторых типов газотурбинных двигателей, в которых наличие пыли в воздухе вызывает в основном повышенный износ проточной части компрессора. Для поршневых двигателей требуется, чтобы воздухоочиститель обеспечивал степень очистки воздуха до R = 99,8–99,9 %, поэтому инерционные воздухоочистители в этом случае используются лишь как первая ступень очистки. В качестве второй ступени применяются масляные или сухие фильтрующие элементы.

На строительных машинах для тонкой очистки воздуха чаще применяются кассеты с проволочной или другого типа набивкой.

Преимуществом мокрого способа очистки воздуха является использование сил сцепления между частицами пыли и маслом. Эти силы проявляются, когда частицы пыли, петляя по хаотично расположенным каналам в набивке кассеты или в слоях проволочной сетки, касаются смоченной маслом проволоки и задерживаются на ней.

14.3. Системы охлаждения двигателя

Естественное рассеивание тепла поверхностями двигателя и отвод тепла в масло не обеспечивают поддержания в нужных пределах температуры деталей двигателя и агрегатов моторной установки. В связи с этим возникает необходимость в системе охлаждения – совокупности устройств, обеспечивающих принудительный отвод тепла от нагревающихся деталей двигателя. При перегреве двигателя может происходить снижение коэффициента наполнения, калильное зажигание, пригорание масла и повышение потерь на трение. Переохлаждение двигателя может привести к снижению экономичности, повышению жесткости работы, смолообразованию.

294

В двигателях внутреннего сгорания гусеничных и колесных машин применяется как жидкостное, так и воздушное охлаждение.

При жидкостном (водяном) охлаждении тепловое состояние двигателя оценивается температурой охлаждающей жидкости на выходе из двигателя. Допустимая температура охлаждающей жидкости в закрытых системах может достигать 120° С, в открытых системах –

90–95 °С.

При воздушном охлаждении тепловое состояние двигателя оценивается по температуре головки наиболее нагреваемого цилиндра или на выходе охлаждающего воздуха. Допустимая температура цилиндра 220 °С, а температура воздуха 90–120 °С. Допустимое время непрерывного действия предельных значений температуры при работе двигателя составляет 5–15 мин.

Проектируемая система охлаждения должна обеспечивать:

температурные характеристики двигателя на всех скоростных и нагрузочных режимах в пределах, заданных техническим условиями;

минимальный расход мощности на охлаждение;

малый вес и габариты;

эксплуатационную надежность, определяемую сроком службы, простотой и удобством регулирования и обслуживания, а также стабильностью основных технических показателей системы в процессе работы;

технико-экономическую целесообразность, определяемую сложностью конструкции, технологией изготовления и монтажа, расходом конструкционных и эксплуатационных материалов.

Техническими условиями предусматриваются допустимые пределы перегрева и переохлаждения двигателя при вполне определенных так называемых критических параметрах окружающего воздуха. Предельные значения температуры окружающего воздуха для системы охлаждения гусеничных и колесных машин можно считать

+45 °С и –45 °С.

Большинство двигателей отечественных гусеничных и колесных строительных машин имеют жидкостное охлаждение, которое по сравнению с воздушным имеет следующие преимущества:

более легкий пуск двигателя в условиях низкой температуры окружающего воздуха;

более равномерное охлаждение двигателя;

295

возможность применения блочных конструкций цилиндров;

упрощение компоновки и возможность изоляции воздушного тракта;

меньший шум при работе двигателя.

К недостаткам жидкостной системы охлаждения относятся:

большая чувствительность к изменению температуры окружающего воздуха,

потребность в охлаждающей жидкости,

опасность ее подтекания и замерзания,

повышенный коррозийный износ цилиндров вследствие более низкой температуры их стенок.

Жидкостная вентиляторная система. Жидкостная система охлаждения обеспечивает теплоотдачу от нагретых деталей двигателя в охлаждающую жидкость, перенос тепла от двигателя к радиатору и рассеивание тепла радиатором. В соответствии с этим система охлаждения состоит из двух частей: теплопереносной и теплорассеивающей. Агрегаты и узлы теплорассеивающей части называются радиаторной установкой и включают радиатор, вентилятор, воздухопритоки и воздухоотводы, а также органы регулирования интенсивности охлаждения.

В моторных установках гусеничных машин чаще применяются жидкостные вентиляторные системы охлаждения с принудительной циркуляцией жидкости. Эти системы являются закрытыми, или замкнутыми, т. е. жидкостный тракт не имеет постоянного сообщения

сатмосферой, что способствует уменьшению расхода жидкости. Циркуляция воды между двигателем и радиатором обеспечивается центробежным насосом. В расширительном бачке имеется запас жидкости для компенсации ее убыли в контуре двигатель–ра-диатор из-за испарения и возможных утечек. Парообразование ослабляет эффективность работы системы охлаждения, поэтому пар из рубашки двигателя и радиатора отводится в паровоздушное пространство расширительного бачка.

Превышение сверх нормы давления в системе может привести к нарушению ее герметичности и разрушению, понижение – к недопустимому парообразованию. Поддержание давления в необходимых пределах осуществляется при помощи двойного паровоздушного клапана, который устанавливается в наиболее высокой точке

296

водяной системы. Часто он монтируется в пробке заливной горловины расширительного бачка или верхнего бачка радиатора.

Паровой клапан этого устройства открывается, когда давление в системе превышает атмосферное на 20–60 кПа и выше. Воздушный клапан открывается, когда в системе (при охлаждении двигателя) образуется разрежение 1–4 кПа. Перепады давления, при которых открываются клапаны, обеспечиваются подбором параметров и натяга клапанных пружин. Наличие избыточного давления в жидкостном тракте системы охлаждения двигателя приводит к повышению температуры кипения жидкости и способствует увеличению эффективности охлаждения, уменьшению потерь жидкости, снижает возможность появления в потоке жидкости пузырьков воздуха и пара. На рис. 14.4 представлен график зависимости температуры кипения воды и водоэтиленгликолевых смесей различной концентрации (антифризы) от избыточного давления в жидкостном тракте системы охлаждения.

Рис. 14.4. Зависимость температуры кипения t охлаждающих жидкостей от избыточного давления р в системе охлаждения

Регулирование расхода жидкости. Интенсивность охлаждения жидкости, а следовательно, и двигателя регулируется изменением расхода жидкости или воздуха, проходящих через радиатор, регулирование расхода жидкости осуществляется при помощи термостатов с двойным клапаном, обеспечивающим циркуляцию жидкости через радиатор (по большому кругу) при ее температуре на вы-

297

ходе из двигателя не ниже 65–70 °С. При более низкой температуре жидкость направляется из водяной рубашки головки цилиндрового блока к насосу и обратно в водяную рубашку двигателя.

Запуск и прогрев холодного двигателя с термостатом в системе охлаждения при минусовой температуре наружного воздуха сопровождается интенсивным охлаждением радиатора, циркуляция жидкости через который в начале прогрева весьма ограничена. В связи с этим, если в качестве охлаждающей жидкости используется вода, возможно ее замерзание в трубках радиатора, и тогда радиатор выходит из строя. В этом случае необходимо прекратить продувку радиатора воздухом, приостановив на время прогрева двигателя действие вентилятора или перекрыв воздушный тракт.

Для регулирования расхода воздуха в системе охлаждения используются жалюзи. При вентиляторной системе охлаждения на расход воздуха можно также воздействовать изменением числа оборотов или углов атаки лопастей вентилятора.

Расчет радиаторной установки. Расчет включает:

определение количества тепла, отводимого жидкостью;

расчет радиатора;

оценку сопротивления воздушного тракта;

подбор вентилятора по требуемому расходу воздуха и сопротивлению воздушного тракта.

Расчетным режимом радиаторной установки является режим, соответствующий работе двигателя на максимальной мощности. При установившемся тепловом состоянии двигателя количество тепла Q, отводимого от нагретых деталей охлаждающей жидкостью, принимают равным количеству тепла, рассеиваемого радиатором, т. к. отвод тепла соединительными трубопроводами не превышает 2–3 % от Q.

Для определения количества тепла, уносимого охлаждающей жидкостью, имеется несколько сравнительно простых формул, учитывающих некоторые конструктивные параметры и режимные факторы, например

Q q Ne ge Hè , 3,6 103

где Nе – эффективная мощность, кВт;

gе – удельный расход топлива, г/(кВт-ч);

298

Ни – низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

q – относительная теплопередача в окружающую среду (для дизелей q = 0,16 = 0,25, для бензиновых двигателей q = 0,20–0,30).

Для практических целей с допустимой точностью можно считать

Q a Ne ,

где а – опытный коэффициент, равный для дизелей 0,45–0,90, для бензиновых двигателей 0,8–1,4.

При определении расчетного количества тепла, подлежащего рассеиванию радиатором, вводят коэффициент запаса = 1,10–1,15, тогда

Qð Q .

Теплорассеивающая способность радиатора зависит от большого числа факторов: размеров, типа, конструкции и качества изготовления охлаждающей решетки, скоростей жидкости и воздуха, организации воздушного потока, продувающего радиатор, и т. д. При плохом контакте между трубками и пластинами оребрения теплопередача ухудшается на 20–30 %. Сильная запыленность радиатора также снижает теплопередачу на 10 %.

На рис. 14.5, а изображены экспериментальные кривые, характеризующие зависимость отводимого тепла Q и воздушного сопротивления р радиатора от глубины l охлаждающей решетки. При l > 150 мм тепловая эффективность радиатора начинает заметно понижаться, тогда как аэродинамическое сопротивление его продолжает расти по примерно линейному закону.

Рис. 14.5. Характеристики радиатора

299