Роль физики в профессии "Проводник на железнодорожном транспорте"

Размещено на http://www.allbest.ru

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ

«ТУЛЬСКИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ТЕХНИКУМ ИМ.Б.Ф. САФОНОВА»

Курсовая работа

«Роль физики в профессии «Проводник на железнодорожном транспорте»

Выполнила студентка группы ПК-21:

Хряпина Ирина

Проверила педагог по дисциплине физика

Юдаева О.Б.

2015 год

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Общие сведения об аккумуляторных батареях

1.1 Устройство кислотных аккумуляторных батарей

1.2 Устройство щелочных аккумуляторов

2. Физические законы применяемые в работе аккумуляторных батарей

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Современные пассажирские вагоны оснащены сложным электрическим, радио и холодильным оборудованием. В системах электроснабжения пассажирских вагонов для питания потребителей вагона во время стоянок и при небольших скоростях движения поезда служит аккумуляторная батарея (аккумулятор - это химический источник электрической энергии, который способен накапливать и сохранять электрическую энергию, а затем отдавать ее обратно).

Электрическая энергия аккумуляторных батарей используется для освещения, отопления и вентиляции помещений вагона, питания радиоаппаратуры и приборов, обеспечивающих безопасность движения поездов, охлаждения подаваемого в вагон воздуха, приведения в действие различных устройств, повышающих комфорт для пассажиров и облегчающий труд поездной бригады.

Для пассажирских вагонов применяются как щелочные, так и кислотные аккумуляторные батареи. Наибольшее применение получили щелочные аккумуляторные батареи, так как они изготавливаются из менее дефицитных материалов, а поэтому дешевле, чем кислотные.

На вагонах без кондиционирования воздуха с номинальным напряжением электрической сети 52 В устанавливают аккумуляторные батареи, состоящие из 26 кислотных или 38-40 щелочных аккумуляторов. На вагонах с кондиционированием воздуха с номинальным напряжением сети 112 В устанавливают батареи, состоящие из 56 кислотных или 82-86 щелочных аккумуляторов. электрический вагон аккумуляторный батарея

Будущий проводник должен знать, не только какие типы аккумуляторных батарей устанавливаются на различные типы вагонов, но и принципы работы аккумуляторных батарей по законам физики. Именно с этими законами физики мы и знакомились на уроках.

Тема моего курсового проекта «Роль физики в профессии «Проводник на железнодорожном транспорте».

Электрическое оборудование в современных пассажирских вагонах применяют для освещения, отопления, вентиляции помещения, подогрева подаваемого в вагон воздуха зимой и охлаждения его летом, охлаждения продуктов питания и питьевой воды, приготовление пищи и кипяченой воды, радиовещания и телефонной связи, облегчения труда поездной бригады, обеспечения безопасности движения поезда. Именно для обеспечения комфортных условий и безопасности во время движения на малых скоростях и стоянки поезда и нужны аккумуляторные батареи.

Цель исследования: на примере аккумуляторных батарей показать связь профессии «Проводник на железнодорожном транспорте» с законами физики.

В работе 2 основных раздела которые затрагивают такие важные аспекты как:

1. Общее сведения об аккумуляторных батареях

1.1 Устройство кислотных аккумуляторных батарей

1.2 Устройство щелочных аккумуляторов

2. Физические законы применяемые в работе аккумуляторных батарей

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЯХ

Аккумуляторная батарея (АКБ) предназначена для питания основных потребителей вагона на стоянках, в аварийных режимах, при малых скоростях движения поезда. Для пассажирских вагонов применяются кислотные и щелочные батареи, состоящие из определенного количества аккумуляторов, соединенных между собой последовательно. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать и сохранять электрическую энергию, полученную от вагонного генератора или другого зарядного агрегата, а затем отдавать ее.

Кислотные аккумуляторы бывают свинцовые, а щелочные - никель-железные и никель-кадмиевые. В вагонах последних годов постройки применяют АКБ марки KL-250 А*ч, напряжением 110 В, никель-кадмиевая щелочная. Максимальный зарядный ток 70 А*ч ±3. Максимальное зарядное напряжение АКБ (в зависимости от температуры наружного воздуха) 136-142В ±2 (чем холоднее на улице, тем меньше напряжение). Для защиты АКБ от разряда существует две ступени защиты. Ступень П срабатывает при разряде АКБ до 98 В, отключается кипятильник и кондиционер. Ступень I отключает остальные потребители, кроме цепей управления, сигнализации, освещения (аварийного), отопления, хвостовых фонарей. Возврат защиты производится при помощи пакетника управления путем переключения из положения «1» в положение «0» и обратно в положение «1». Кнопкой «Авария» пользоваться только в экстренных случаях. В обычных случаях отключение следует производить пакетником управления, из положения 1 в положение «0».

Аккумулятор представляет собой металлический конкурс, в котором помещены в электролит отрицательные и положительные пластины. Аккумуляторы монтируют попарно в деревянных ящиках и соединяют между собой последовательно медной шиной со свинцовым покрытием. С торцевой стороны ящика слева - плюсовой зажим, справа - минусовой. Зажимы служат для соединения межаккумуляторных перемычек. Деревянный ящик установлен на металлическом поддоне, защищенном от коррозии. Аккумуляторы при монтаже должны быть закреплены во избежание перемещений относительно друг друга, так как при перемещении нарушается изоляция, и ломаются перемычки.

При проверке работы электрооборудования перед отправлением в рейс проводник вагона проверяет по вольтметру на распределительном щите (переключатель вольтметра установлен в положение «батарея») величину электродвижущей силы, а по сигнализации замыкания на корпус вагона - состояние изоляции электрооборудования вагона. Затем включает потребители (вентиляция, освещение вагона) и через 10 минут измеряет напряжение аккумуляторной батареи под нагрузкой. Если АКБ заряжена полностью и исправна, ее напряжение при включении нагрузки измениться не значительно. Если она сильно разряжена и имеет неисправные аккумуляторы, то при включении нагрузки резко снизиться. В пути следования проводник вагона следит за режимами заряда и разряда АКБ по показаниям вольтметра.

1-шпильки

2-полюсные выводы

3-уплотняющие сальники

4-эбонитовые шайбы

5-наконечники

6-ответрсие для электролита

7-откидная пробка с клапаном для выхода газов

8-полублоки аккумулятора

9-десять положительных пластин

10-одинадцать отрицательных пластин

11-эбонитовые палочки

12-изолирующий чехол

13-металлический корпус

1.1 Устройство кислотных аккумуляторных батарей

Кислотные аккумуляторы различаются в основном конструкцией применяемых в них пластин (электродов). Они бывают нескольких типов: решетчатые намазнные, коробчатые, поверхностные и панцирные. Виды представлены на рисунке 1.

Положительные электроды отливают из чистого свинца в виде пластин с сильно развитой ребристой поверхностью. Решетки служат опорой активной массе, а также для проведения электрического тока и его равномерного распределения по активной массе.

Отрицательные электроды отливают из сплава с сурьмой, добавленной для повышения прочности. После заполнения решеток активным веществом пластины подсушивают и подвергают электрохимической обработке - формовке.

Для получения необходимых электрических характеристик каждый аккумулятор составляют из нескольких положительных и отрицательных пластин, собранных в полублоки.

В настоящее время на пассажирских вагонах из кислотных аккумуляторных батарей применяются батарей типа PzS(M) 350P.

Батарея 52 PzS(M) 350P состоит из 52 аккумуляторов PzS(M) 350P, соединенных последовательно шинами и гибкими перемычками.

Аккумулятор состоит из блока положительных и отрицательных электродов, изолированных друг от друга сепараторами, который помещен в пластмассовый бак из сополимера пропилена. Токовывод осуществляется через борны М12х1,5. Заливочное отверстие аккумулятора закрыто пробкой, которая обеспечивает удобную заливку электролита, свободный выход газов, не допускает выплескивания электролита и предохраняет от попадания посторонних предметов. В качестве электролита применяется водный раствор серной кислоты, которая заливается в исходном состоянии с плотностью 1,28 г/см3 при температуре плюс 30 оС. В процессе эксплуатации плотность во всем диапазоне температур и степени заряженности колеблется от1,17 до 1,3 г/см3.

Рисунок 1.2 - Кислотная батарея типа PzS 350P

1,8 - положительный и отрицательный выводы (борны); 2,7 - баретка положительных и отрицательных пластин; 3 -сепаратор; 4 - отрицательная пластина, намазного типа; 5 - ребра; 6 - корпус.

Аккумуляторы PzS(M) 350P являются кислотными свинцовыми аккумуляторами нового поколения, с положительными электродами панцирного типа и с отрицательными электродами намазного типа, в которых, по сравнению с традиционным составом активных масс из сплава свинца и сурьмы, увеличено процентное содержание сурьмы и введен кальций. При этом активные массы созданы из низкодисперсной сухой смеси перечисленных компонентов. Пробный химический состав в сочетании с более высоким уровнем зарядного напряжения аккумуляторов позволяет повысить отдачу по емкости свинцовых аккумуляторов при экстремальных отрицательных температурах и замедлить процесс сульфатации при глубоком разряде аккумуляторов в эксплуатации.

На крышке аккумулятора нанесены:

· Товарный знак;

· Тип аккумулятора;

· Знак полярности «+» у положительного вывода;

· Дата изготовления (квартал, год);

· Выдавливается надпись «Кислота»;

1.2 Устройство щелочных аккумуляторов

На пассажирских вагонах щелочные аккумуляторы получили наиболее широкое распространение, так как их выполняют из менее дорогих материалов и они легче в эксплуатации. В настоящее время эксплуатируются аккумуляторные батареи типов 90 KL 250 Р, 90 КL 375,84 КМ 300,ВНЖ 300.

Промышленность выпускает никель-железные аккумуляторы (НЖ) и никель-кадмиевые (НК). Оба электрода в этих аккумуляторах изготовляют в виде стальных никелированных рамок (рис. 1.3 и 1.4), в пазы которых впрессованы наполненные активной массой пакеты (ламели) из никелированной жести с большим количеством мелких отверстий для доступа электролита к активной массе. В аккумуляторах НК каждая отрицательная пластина расположена между двумя положительными, в аккумуляторах НЖ каждая положительная пластина -- между двумя отрицательными. Для предотвращения короткого замыкания между ними устанавливают сепараторы, выполненные в виде эбонитовых стержней или полихлорвиниловых сеток. В аккумуляторах ТПНЖ и ТПНЖК применяют панцирные положительные пластины. Каждая такая пластина заключена в специальный панцирь (чехол). Корпус, в который помещают пластины и электролит, также изготовляют из никелированной жести. Он имеет приваренную крышку с отверстиями для выводных штырей, для выхода газов и заливки электролита. Для придания корпусу механической прочности стенки его выполняют гофрированными. Корпус помещают в резиновый чехол, обеспечивающий изоляцию аккумуляторов друг от друга и от ящика, в котором устанавливают батарею.

Рис. 1.3. Полублоки отрицательных и положительных пластин (а) и общий вид (б) никель-железного аккумулятора ТПНЖ, применяемого на тепловозах: 1-- выводной штырь; 2 -- шпилька; 3-- положительные пластины; 4-- ламели; 5 -- сепараторы; 6 -- отрицательные пластины; 7 -- корпус; 8 -- резиновый чехол; 9 -- отверстие с пробкой для заливки электролита

Рис. 1.4. Полублоки положительных и отрицательных пластин (а) и общий вид (б) никель-кадмиевого аккумулятора НКН-100 для э.п.с: 1 -- отрицательные пластины; 2 -- соединительный мостик; 3 -- выводной штырь; 4 -- положительные пластины; 5 -- отверстие с пробкой для заливки электролита; 6 -- крышка; 7 -- сепаратор; 8 -- корпус; 9 -- резиновый чехол

Заливочное отверстие аккумулятора закрыто рабочей пробкой, которая обеспечивает удобную заливку электролита, свободный выход газов, не допускает выплескивание электролита и предохраняет от попадания посторонних предметов. В качестве электролита применяется 20% раствор едкого калия или едкого натрия с целью увеличения срока службы в электролит добавляют моногоидра лития. Поверхность электролита заливается индустриальным маслом И-20 слоем 4-5 мм для уменьшения выкипания (75-80 мл.). Для предохранения от коррозии корпус бака, выводные штыри 6 полублоков и другие соединительные детали никелируют. Корпус бака, кроме того, покрывают щелочестойким лаком.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В РАБОТЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Принято считать, что основные принципы работы, использующиеся и по сей день, были открыты в конце XVIII века итальянским физиком и естествоиспытателем Алессандро Вольтой (1745-1827). Именно тогда, работая в университете города Павия, он заинтересовался "животным электричеством", открытым несколькими годами ранее его соотечественником Луиджи Гальвани (в его честь электрохимические элементы питания часто называют гальваническими). Вольта доказал, что именно ток, вырабатываемый при контакте двух различных металлов, вызывает наблюдавшееся сокращение мышц в лягушачьих лапках. Этим он опроверг предположение Гальвани о том, что электричество вырабатывается в мышцах. Для того, чтобы доказать свою точку зрения, он поместил две пластины медную (Сu) и цинковую (Zn) в раствор серной кислоты (H₂SO₄). Вследствие химической реакции, происходящей между цинком и серной кислотой, на цинке образуется излишек электронов. Цинк заряжается отрицательно и является отрицательным полюсом. Раствор и медная пластинка, в него погруженная, заряжаются положительно. В результате возбуждается ЭДС, равная примерно одному вольту, которая сохраняется все время, пока цепь не замкнута.

Если замкнуть цепь, пойдет ток и внутри элемента усиленно начнет выделяться водород, покрывающий поверхность пластинок слоем пузырьков. Этот слой уменьшает напряжение на полюсах элемента. Такое явление носит название поляризации. Чем больше ток, тем сильнее поляризация и тем быстрее уменьшается напряжение элемента. Эта конструкция и стала первой батареей, вырабатывающей электричество за счет химического взаимодействия двух металлов в растворе. В 1800 г. он усовершенствовал ее, создав свой знаменитый "вольтов столб", первый источник постоянного тока. Он представлял собой 20 пар кружочков, изготовленных из двух различных металлов, проложенных кусочками кожи или ткани, смоченных в соляном растворе. В знак признания заслуг итальянского ученого, его именем была названа единица электрического напряжения - вольт.

Другие экспериментаторы обратили внимание на полученные результаты. Они усовершенствовали вольтов столб, создав новые типы батарей. Первый значительный прорыв был совершен французом Гастоном Плантэ. В 1859 г. он провел интересный опыт, внешне похожий на то, что проделал Вольта. В его гальваническом элементе в качестве электродов использовались свинцовые пластины, а электролитом являлась разбавленная серная кислота. Плантэ подключил к элементам источник постоянного тока, и некоторое время заряжал батарею. После этого прибор стал сам вырабатывать электричество, выдавая почти всю энергию, потраченную на зарядку. Причем подзаряжать его можно было много раз. Именно так и появился тот самый свинцовый аккумулятор.

В основе принципа действия различных типов аккумуляторов лежит явление электролиза, где используется его важное свойство - обратимость. Электролиз - изменение химического состава раствора при прохождении через него электрического тока, обусловленное потерей или присоединением электронов ионами.

Электрическим аккумулятором называют устройство, преобразующее электрическую энергию в химическую, которая в случае надобности может быть вновь преобразована в электрическую энергию. Процесс превращения в аккумуляторе электрической энергии в химическую называется зарядом аккумулятора. Обратный процесс превращения химической энергии в электрическую называется разрядом аккумуляторов. При заряде электрическая энергия подводится к аккумулятору от постороннего источника постоянного тока; при разряде запасенная химическая энергия аккумулятора преобразуется в электрическую, и во внешней цепи, подключенной к аккумулятору, появляется ток. Поэтому аккумуляторы относятся к химическим источникам электрического тока.

Аккумулятор как источник электрической энергии характеризуют следующие основные показатели: э. д. с, емкость, максимальный ток и внутреннее сопротивление.

Эдс аккумулятора, не включенного на нагрузку, составляет в среднем 2 Вольта. Она не зависит от величины аккумулятора и размера его пластин, а определяется различием активных веществ положительных и отрицательных пластин.

В небольших пределах эдс может изменяться от внешних факторов, из которых практическое значение имеет плотность электролита, т. е. большее или меньшее содержание кислоты в растворе.

Электродвижущая сила разряженного аккумулятора, имеющего электролит высокой плотности, будет больше эдс заряженного аккумулятора с более слабым раствором кислоты. Поэтому о степени заряда аккумулятора с неизвестной начальной плотностью раствора не следует судить на основании показаний прибора при измерении эдс без подключенной нагрузки.

Аккумуляторы имеют внутреннее сопротивление, которое не остается постоянным, а изменяется во время заряда и разряда в зависимости от химического состава активных веществ. Одним самым очевидным фактором сопротивления батареи является электролит. Поскольку сопротивление электролита зависит не только от его концентрации, но и от температуры, то и сопротивление аккумулятора зависит от температуры электролита. С увеличением температуры сопротивление уменьшается.

Наличие сепараторов также повышает внутренней сопротивление элементов.

Другим фактором, увеличивающим сопротивление элементов, является сопротивление активного материала и решеток. Кроме того, на сопротивление аккумуляторной батареи влияет степень заряда. Сульфат свинца, образующийся во время разряда как на положительных, так и на отрицательных пластинах, не проводит электричества, и его присутствие значительно повышает сопротивление прохождению электрического тока. Сульфат закрывает поры пластин, когда последние находятся в заряженном состоянии, и таким образом препятствует свободному доступу электролита к активному материалу. Поэтому, когда элемент заряжен, сопротивление его оказывается меньше, чем в разряженном состоянии.

ь Емкостью аккумулятора называют количество электричества, выраженное в ампер-часах (А-ч), которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при разряде до минимально допустимого напряжения на его выводах. Емкость определяется как произведение тока в амперах на время разряда в часах этим током. Например, если аккумулятор при токе разряда 10 А может работать 10 ч, то его емкость равна 10 А х 10 ч = 100 А-ч. Емкость аккумулятора зависит от размеров пластин, длительности времени разряда, величины разрядного тока, температуры и других факторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Аккумуляторная батарея предназначена для питания основных потребителей вагона на стоянках, в аварийных режимах и при малых скоростях движения поезда.

Аккумуляторные батареи размещаются под вагоном в специальных ящиках, оборудованных вентиляцией для удаления взрывоопасной смеси, образующейся при заряде батареи. Для пассажирских вагонов применяются кислотные и щелочные батареи, состоящие из определенного количества аккумуляторов, соединенных между собой последовательно. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать и сохранять электрическую энергию, полученную от вагонного генератора, а затем отдавать ее.

Проводник должен знать не только принципы работы и устройство аккумуляторных батарей, но и физические законы по которым они работают. Для этого будущему проводнику приходится изучать множество дисциплин, из них физика играет не малую роль. Ведь именно её законам подчиняется столь сложный и опасный механизм не только вагона но и работы аккумуляторов. Вышеперечисленные явления мы впервые изучали на уроках физики в разделе «Механика». Поэтому физика и её законы играют большую роль в моей будущей профессии.

В своём курсовом проекте я максимально постаралась раскрыть связь физики с аккумуляторными батареями вагона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Егоров, В.П. Эксплуатация электрооборудования пассажирских вагонов / В.П. Егоров. - М.: Транспорт, 2010.

2. Грищенко А.В. Электрические машины и преобразователи подвижного состава, 2010.

3. Межотраслевые правила по охране труда при работе в электроустановках. - Мн.: Дизайн ПРО, 2014.

4. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. - Мн.: Минэнерго, 2010.

5. Сокол Т.С. Охрана труда / Т.С. Сокол. - Мн.: Дизайн ПРО, 2011.

Размещено на Allbest.ru