В нагревательных устройствах с поверхностно-распределенными резистивными элементами, обычно называемыми пленочными электронагревателями (ПЭН), резистивный элемент в виде сплошной тонкой пленки или определенного узора равномерно покрывает практически всю поверхность устройства, полностью снимая противоречия и обусловленные ими недостатки нагревательных устройств с протяженными элементами. Равномерное распределение резистивного элемента и минимальная разница между температурами нагревающей поверхности и окружающей среды исключают необходимость использования дополнительных устройств для теплообмена с окружающей средой и определяют основные преимущества пленочных нагревателей: ПЭН нагреватели не сжигают кислород, не изменяет влажность; не требуют каких-либо технических воздействий в течение всего срока работы, тем самым исключаются материальные затраты на обслуживание ПЭН-системы нагревания [1-3]. Конструкция очень простая, поэтому ломаться в ней просто не чему; легкий монтаж и демонтаж с возможностью последующей сборки и эксплуатации; полное отсутствие продуктов сгорания и необходимости их отвода; ПЭН функционируют совершенно беззвучно, не выделяя никаких вредных веществ; оборудование не занимает полезной площади, увеличивая рабочие и другие полезные пространства; электромагнитные поля приборов находятся на фоновом уровне и значительно меньше многих бытовых электроприборов; ПЭН нагреватели не боятся перепада напряжения и временного отключения;  быстро нагреваются; высокая производительность (до 15^оС/ч); температурой можно легко управлять [4].

Основными конструктивными частями нагревателя являются: подложка, изготовленная из тонколистового диэлектрического материала или из металлического листа с электроизоляционным покрытием; резистивный электронагревательный функциональный элемент, изготовленный в виде тонкой сплошной или узорчатой пленки; защитная оболочка, изготовленная в виде тонкослойной газонепроницаемой изоляции; контактные электроды, которые через токоподводы подводятся к сети электрического тока (рис. 1).

Подложка может быть выполнена из достаточно прочного и теплопроводящего материала, обеспечивающего целостность конструкции при минимальной инерционности в рабочей области температур. Такими материалами являются тонкие каменные, керамические, стеклянные и ситалловые листы, покрытые стеклоэмалью или другим электроизоляционным слоем, металлические листы толщиной 0,5…0,8 мм, электротехнический картон, асбест, пластмасса и резина [5,6].

Рисунок 1 – Классическая модель ПЭН: 1 – несущий электроизоляционный слой (подложка); 2 – резистивный электронагревательный элемент; 3 – защитный электроизоляционный слой; 4 – контактные электроды

Выбор резистивного материала, предназначенного для формования нагревательного элемента ПЭН, осуществляется в зависимости от ожидаемой рабочей температуры и гибкости нагревателя. Так, в «жестких» ПЭН с высокой рабочей температурой в качестве нагревательного элемента используют вытравленную определенным узором металлическую фольгу или нанесенную на подложку любым способом металлическую пленку. Металлическую фольгу закрепляют на керамическую подложку органической связкой, стеклом или другими связующими материалами. Для нанесения (формования) металлической пленки используют трафаретную печать, вакуумное, воздушно-капельное или плазменное напыление, электролитическое осаждение и т.д. Для фиксации металлической пленки на подложку часто используют метод спекания. Для формования «жестких» нагревательных элементов сравнительно высокотемпературных ПЭН используют также композиции, состоящие из электропроводящих, диэлектрических и связующих компонентов.

В «гибких», сравнительно низкотемпературных ПЭН в качестве нагревательного элемента используют резистивные композиции, содержащие разнородные электропроводящие порошки, органические пленкообразующие и связующие материалы. Подложка и электроизоляционное защитное покрытие таких ПЭН также изготовляются из органических полимерных материалов.

В качестве токоподводов нагревательных элементов ПЭН используют металлические сетки, решетки, проволоку, фольгу, пленку и т.д. Металлические сетки и пленки преимущественно накладывают на резистивный слой через токопроводящую пасту, решетки, фольгу и проволоку – на подложку под резистивной пастой. При нанесении токопроводящей пленки пользуются трафаретной печатью, воздушно-капельным или плазменным напылением, электролитическим осаждением и т.д.

В качестве электроизоляционных защитных материалов нагревательных элементов ПЭН используются стеклоэмали, диэлектрические оксиды, горные породы и глины, органические полимеры, а также материалы самой подложки. Важно, чтобы защитное покрытие, обладая высокими электроизоляционными свойствами и газонепроницаемостью, не содержало токсичных веществ, и было химически пассивным по отношению к резистивному материалу и токоподводам [7].

Применительно к гидросистеме мобильных машин, нами предлагается размещать на внешних поверхностях гидробаков, всасывающих и нагнетательных патрубках ПЭН-элементы, позволяющие эффективно регулировать температуру рабочей жидкости [8]. На рис. 2 представлена возможная конструкция трубчатого поточного электронагревателя.

Рисунок  2 –  Схема трубчатого поточного электронагревателя: 1 – фланец; 2 – токоподводящий хомут; 3 – металлический патрубок; 4 – ПЭН-элемент; 5 – резиновая уплотнительная прокладка; 6 – резистивная пленка; 8 – тонкослойная электроизоляция; 9 – герметизирующая стеклоэмаль

Она содержит металлический патрубок 1, на внешней поверхности которого находится пленочный электронагреватель, который представляет собой тонкослойное изоляционное покрытие 8 и ПЭН-элемент 4. Сверху на ПЭН-элементе – герметизирующая стеклоэмаль 9, увеличивающая безопасность поражения электрическим током и препятствующая попаданию в  нагреватель влаги. Электронагреватель снабжен токопроводящими электродами 2 в виде хомутов из материала с высокой электропроводностью (латунь) и заземляющим выводом.

Подобная конструкция трубчатого поточного электронагревателя может быть реализована, например, на всасывающем патрубке насоса гидросистемы трактора Т-150К. При работе трактора в условиях низких температур окружающей среды рабочая жидкость гидросистемы, находящаяся непосредственно внутри всасывающего патрубка разогревается и поступает в насос, создавая разряжение на «входе» насоса и увлекая за собой «холодную» рабочую жидкость. Кроме того, в процессе циркуляции рабочей жидкости происходит дополнительный ее разогрев, что обеспечивает рациональные условия смазки трущихся поверхностей агрегатов гидросистемы, снижая тем самым их изнашивание.

,

,                    (1)

где η – КПД гидросистемы; η_об – объемный КПД; η_гид – гидравлический КПД; Р_m – теоретическое давление; Q_m – теоретический расход; Р_поm – потерянное давление; Q_уm – расход утечек.

Для последовательно соединенных трубопроводов второй член равенства (1) можно записать в следующем виде:

,                        (2)

где λ_i – коэффициент сопротивления по длине на i-ом участке; l_i – длина i-го участка;
d_i – диаметр i-го участка; γ – удельный вес рабочей жидкости; υ_i – средняя скорость жидкости на i-ом участке.

Коэффициент λ для ламинарного режима определяется по формуле [2]:

,

где А – коэффициент, зависящий от формы трубопровода.

Полагая, что для всех участков гидросистемы режим движения жидкости ламинарный, перепишем равенство (2) в виде:

,

где ν_i – коэффициент кинематической вязкости на i-ом участке трубопровода.

Если принять ν_i на каждом участке равным среднеинтегральному значению , которое выражается зависимостью:

,

где W – объем жидкости гидросистемы, то можно вынести за знак суммы:

.

Практически же для гидросистемы сельскохозяйственных машин, у которых нагрев масла за один цикл прохода через всю гидросистему не превышает одного градуса, за можно принять среднюю вязкость по баку.

При установившемся движении член будет постоянным, обозначим его через С₁.

Далее, принимая во внимание , запишем величину объемных потерь по формуле:

,                    (3)

где b_j – ширина j-го зазора; δ_j – величина j-го зазора; L_j – длина j-го зазора; ΔP_j – перепад давления в j-м зазоре.

Отбросим последний член в равенстве (1), ввиду его малости по сравнению с остальными членами, и перепишем его с принятыми обозначениями:

.                        (4)

Зависимость коэффициента вязкости от температуры выражают интерполяционным уравнением [3]:

,

Считая, что ρ = ρ_о, имеем , тогда равенство (4) запишется:

,                (5)

Для нахождения максимального η необходимо, чтобы:

,

откуда

.            (6)

Разделив обе части равенства (4) на текущее значение , получим после преобразования:

,

т.е. оптимальному значению вязкости соответствует равенство:

.

С целью определения оптимальной вязкости для конкретного гидропривода был взят трактор Т-150К с раздельно-агрегатной гидросистемой навесного устройства.

Величины С₂ и С₁ для этого трактора оказались равны соответственно 2∙10¹⁰ кг/с∙м³ и 2,51∙10^-9 м⁵/с² [4].

Теоретическая производительность насоса НШ-50А-3Л при n = 40 с^-1 равна 107,2 л/мин. Номинальное рабочее давление равно 16 МПа [5]. Оптимальное значение по формуле (6) равно:

.

Таково значение вязкости при температуре 75^о для масла М-10Г₂ [6].

Таким образом, анализ формулы КПД (причем КПД механический принят за const), показывает, что существует такое значение температуры рабочей жидкости, при котором величина его окажется максимальной.

Рабочая жидкость присутствует практически во всех системах  современного автомобиля, выполняя свои функции и обеспечивая долговечность этих систем. В качестве рабочей жидкости в системах мобильных машин используется различное масло (моторное, трансмиссионное, гидравлическое) на минеральной и синтетической основе, охлаждающие жидкости (от дистиллированной воды до антифризов), тормозные жидкости (минеральные, гликолевые и силиконовые),  жидкости, омывающие лобовое стекла и фары автомобиля (вода, незамерзающие жидкости) ну и электролит в аккумуляторной батарее [1-3].

Рабочая жидкость автоматической коробки передач представляет собой специальное гидравлическое масло, которое не только передает крутящий момент от двигателя на КП и далее, но и гасит колебания и вибрации, возникающие при работе АКП. Кроме того масло в АКП смазывает трущиеся поверхности, охлаждает все детали, защищает от коррозии, удаляет продукты изнашивания и выполняет управляющие функции.

Техническое состояние масла в АКП обуславливает полноценное функционирование этого сложного механизма, его надёжность и долговечность. Периодичность замены рабочей жидкости регламентируется производителем  АКП и может колебаться от нескольких тысяч километров пробега автомобиля (как правило, не менее 40 тыс. км.) до выработки АКП своего полного ресурса (может колебаться до 300 тыс. км.), то есть без замены масла. Но все производители настоятельно рекомендуют проверять состояние рабочей жидкости АКП и при необходимости «освежать» её или заменять полностью.

Периодичность замены жидкости в АКП зависит от многих факторов – от условий эксплуатации машины (степень загруженности, условия окружающей среды, осуществляемый вид работ и так далее), от вида применяемой рабочей жидкости (минеральная, синтетическая или полусинтетическая), от наличия (отсутствия) проливов (утечек) масла с АКП, от степени изношенности деталей АКП и так далее [1-2, 4-7]. Рачительный хозяин может сокращать рекомендуемый срок замены масла АКП «освежая» его, частично заменив свежим маслом.

Считается, что полностью заменить рабочую жидкость АКП невозможно без её демонтажа и разборки, так как часть жидкости остаётся в гидротрансформаторе  устроенному по принципу чернильницы «непроливайки» (если еще кто помнит что это такое). То есть, замена сводится к максимальному обновлению объема масла в АПК.

Замена рабочей жидкости АКП у различных машин имеет свои особенности. Некоторые производители АКП не предусматривают сливных отверстий в картере АКП и замена, в таком случае, осуществляется путем откачивания жидкости с последующим (или параллельным) закачиванием свежей. Для этого оборудование должно обладать компрессором и соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой. Сложность такой замены заключается в обеспечении как можно большего объема откачки масла с АКП, удалении продуктов изнашивания, оседающих на дне картера коробки и подведении откачивающего трубопровода ко наиболее низко расположенной точке внутренней поверхности картера АКП.

Аналогичная ситуация и с моторными и трансмиссионными маслами. Эти жидкости выполняют, в основном, защитную функцию, смазывая, охлаждая, отводя продукты износа и предотвращая коррозию деталей машин.

Моторное масло подвержено наибольшему износу среди всех технических жидкостей, используемых в мобильных машинах. Это обусловлено тем, что в процессе эксплуатации ДВС, моторное масло насыщается продуктами горения топлива, попадающими в картер ДВС из камеры сгорания, частичным расходом масла «на угар», окислением масла под действием высоких температур и кислорода окружающей среды.

Периодичность замены моторного масла зависит от условий эксплуатации двигателя, его загруженности, типа масла и колеблется от 3 тыс. км. до 15 тыс. км. пробега автомобиля (или в моточасах, если работа двигателя по отношению к пробегу превалирует). В процессе эксплуатации контролируется уровень моторного масла, его состояние (визуально и тактильно), а также утечки масла через неплотности. Своевременная замена моторного масла способствует длительной и бесперебойной работе ДВС.

Трансмиссионные масла (механическая КП, редукторы мостов, главная передача, раздаточная коробка и т.д.) требуют замены значительно реже, чем моторные масла, так как при эксплуатации меньше изнашиваются, но, тем не менее, имеют свою периодичность, нарушение которой ведет к повышению изнашивания деталей трансмиссии и преждевременному выходу их из строя.

Сложность замены трансмиссионных масел заключается я в основном в доступе к сливным и контрольно-заливным отверстиям в корпусах агрегатов.

Охлаждающая жидкость в современных мобильных машинах представляет собой смесь дистиллированной воды с этиленгликолем в пропорциях, обеспечивающих не замерзание этой смеси при отрицательных температурах вплоть до -45С°.

Такие жидкости называют антифризами и благодаря пакетам присадок, добавляемым в них производителем, антифризы не только не замерзают и обладают хорошими охлаждающими свойствами, но и замедляют коррозию металлических частей системы охлаждения, снижают износ гидравлического насоса системы (помпы) и пенообразование в процессе работы. Кроме того, они защищают резинотехнические изделия, контактирующие с антифризом, от преждевременного старения и разрушения, снижают образование накипи и других отложений, продлевают срок службы антифриза и всей системы охлаждения в целом.

В современных автомобилях антифризы используются не только в зимний период, а круглогодично. Периодичность замены охлаждающей жидкости также как и других рабочих жидкостей мобильных машин зависит от условий эксплуатации, качества самой жидкости, степени изношенности и загрязненности системы охлаждения и так далее.

Производители рекомендуют менять охлаждающую жидкость от раза в три года до ежегодной замены [8]. Считается, что качественная охлаждающая жидкость, при нормальных условиях эксплуатации сохраняет свои свойства минимум два года. Тем не менее, состояние охлаждающей жидкости необходимо периодически контролировать и при необходимости менять её.

Контроль состояния охлаждающей жидкости осуществляется визуально (по цвету, прозрачности, консистенции), по запаху (изменение запаха или появление неприятного резкого запаха), по плотности, по косвенным признакам (перегрев ДВС, замерзание при недостаточно низкой температуре), определением кислотности (рН), по наличию посторонних примесей (эмульсий) и включений (мусор, частички металла и т.д.), ну и по уровню охлаждающей жидкости в расширительном бачке.

Замена охлаждающей жидкости сопряжена с такими нюансами как труднодоступность сливных отверстий на радиаторе и (или) блоке цилиндров у некоторых марок автомобилей. В результате этого, замена охлаждающей жидкости сопровождается её проливами на поверхность площадки обслуживания автомобиля. Большинство антифризов в своем составе содержат вещества, способные нанести вред жизни и здоровью человека и ущерб окружающей среде, в связи с этим наличие проливов во время замены охлаждающей жидкости, крайне нежелательно [1]. Это же касается и других рабочих жидкостей мобильных машин.

Тормозная система это основная система автомобиля, обуславливающая его активную безопасность. Рабочая жидкость  тормозной системы представляет собой основу (ее доля 93–98%) и различные добавок, присадок, иногда красителей (7–2%). В качестве основы минеральных тормозных жидкостей выступает смесь касторового масла со спиртом в пропорции 1/1. Гликолевые тормозные жидкости имеют в качестве основы полигликоли и их эфиры – группы химических соединений на основе многоатомных спиртов. Силиконовые тормозные жидкости изготавливаются на основе кремнийорганических полимерных продуктов.

Все тормозные жидкости обладают высокой гигроскопичностью («впитывают» влагу). За год они «впитывают» до 3% влаги, что резко отрицательно сказывается на их эксплуатационных свойствах. Поэтому, тормозные жидкости необходимо периодически менять, причем полностью, так как жидкость в тормозной системе практически не циркулирует и «освежить» её как в АКП затруднительно, а добавление жидкости в расширительный бачок не дает, практически ни какого, эффекта.

Периодичность замены тормозной жидкости колеблется от одного года до трех лет. При эксплуатации состояние тормозной жидкости контролируют по изменению её цвета, однородности, наличию осадка в расширительном бачке. Но поскольку жидкость не циркулирует по системе, то оценка её состояния в расширительном бачке весьма косвенна и не стоит ориентироваться только на нее.

Замена тормозной жидкости производиться путем прокачки системы, удаления старой жидкости и заполнением ее новой. Каких-то специализированных устройств замены тормозных жидкостей не предусмотрено, кроме вспомогательных приспособлений облегчающих данную операцию.

В качестве жидкости для отмывания остекления автомобиля и головного освещения в летний период времени используют воду или специализированые моющие жидкости, обладающие улучшенными моющими свойствами, а в зимнее время применяют незамерзающие омывающие жидкости на основе смешивания воды и спиртов. Специализированные и незамерзающие омывающие жидкости также содержат вещества малополезные для человека и окружающей среды.

Замену омывающих жидкостей практически не производят, за исключением случаев сезонного обслуживания техники. В основном омывающие жидкости только доливаю до нужного уровня. Какого-либо специализированного оборудования для этого не требуется (разве что воронка) и затруднений, как правило, не вызывает.

Аккумуляторные электролиты представляют собой водные растворы кислот или щелочей определенной концентрации и являются весьма агрессивными жидкостями. Современные аккумуляторные батареи, в основном, не требуют замены электролита при обслуживании. Чаще всего в аккумуляторную батарею добавляют дистиллированную воду до определенного уровня для поддержки требуемой концентрации и плотности электролита.

Как видим, рабочие жидкости, применяемые в агрегатах мобильных машин, содержат опасные для человека и окружающей среды вещества. Поэтому при замене этих жидкостей основной задачей становиться избежание проливов и потёков. Кроме того, для ряда марок машин необходимо предусмотреть возможность подведения рабочих органов устройств для замены жидкостей к сливным и заливным отверстиям (пробкам, кранам и так далее).

Существующие устройства для замены рабочих жидкостей мобильных машин, как правило, имеют узкую специализацию, то есть, спроектированы для замены конкретного вида жидкости либо под какие-то конкретные узлы и агрегаты. В идеале было проектирование универсального устройства или комплекса, способного осуществлять замену любых рабочих жидкостей мобильных машин, но это не возможно ввиду применения слишком разных по своим свойствам жидкостей, да и не рационально по причине большого разброса периодичности замены и объема заменяемых жидкостей.

Совершенствование устройств для замены рабочих жидкостей мобильных машин должно осуществляться по следующим направлениям:

1. Повышение степени универсальности оборудования.
2. Снижение материалоемкости и себестоимости.
3. Повышение удобства использования и обслуживания.
4. Упрощение конструкций.
5. Повышение ремонтопригодности.

Существующие конструкции устройств для замены рабочих жидкостей мобильной техники условно можно разделить на следующие группы:

1. Простые конструкции. Это устройства максимально простой конструкции, способные выполнять элементарные функции с использованием ручного труда. Эти приспособления позволяют осуществлять слив рабочей жидкости непосредственно в приемную емкость (корыто, бочка, ведро и т.д.), не имеют защиты от проливов, не могут отмерять объем жидкости для заправки.
2. Конструкции с мерными и дозирующими приспособлениями. Представляют собой в общем случае сливные ёмкости с мерной колбой или мерной линейкой, а также, опционально дополненные гибкими трубопроводами с запорной арматурой (кранами). В отличие от простых конструкций позволяют отмерять необходимый объем жидкости при замене и более комфортны в использовании.
3. Откачивающие конструкции. Значительно более сложные устройства, позволяющие откачивать за счет разряжения в трубопроводах рабочую жидкость с любого агрегата, не имеющего сливных отверстий. Как правило, имеют мерные устройства, контрольные индикаторы  давления и вакуума, позволяют проводить как слив жидкости, так и заполнение свежей жидкостью агрегаты машин.
4. Универсальные станции по замене жидкостей мобильных машин. Это наиболее сложные устройства, имеющие в своем составе две и более сливные емкости для различных рабочих жидкостей. Позволяют осуществлять замену, как самотеком, так и с помощью компрессора, откачивая и нагнетая рабочую жидкость.

Кроме того, все оборудование для замены рабочих жидкостей можно поделить на четыре подвида: мобильные, стационарные, универсальные и специальные.

В настоящее время не существует оборудования, позволяющего сочетать в себе все необходимые требования к ним, способного выполнять замену любых технических жидкостей в мобильных машинах, любым способом, в любом месте обслуживания. Поэтому работа по совершенствованию такого оборудования и по разработке новых конструктивных и технологических решений в этом плане является весьма актуальной.

Наиболее перспективными являются те устройства, которые позволяют осуществлять замену нескольких видов жидкостей (например, моторного, трансмиссионного и гидравлического масла) самотеком и путем откачивания (нагнетания), при этом достаточно мобильны для их транспортировки в место обслуживания.

Подобные конструкции существуют, но они энергозависимы (требуют наличия электроэнергии), имеют сложную конструкцию невысокой надежности, низкую мобильность и высокую стоимость.