Підвищення ефективності систем охолодження тягового електроустаткування локомотивів удосконаленням повітроочищувачів

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів. Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2003. Захищаються наукові положення та інші результати досліджень у галузі очищення повітря стосовно систем повітряного охолодження тягових електричних машин та апаратів локомотивів, що викладені в 10 наукових статтях, 3 авторських свідоцтвах СРСР та патенті РФ. Дисертація присвячена проблемі підвищення сепараційних та експлуатаційних показників систем охолодження тягового електроустаткування локомотивів. Її вирішення здійснене у напрямі зменшення матеріалоємності фільтрів контактної дії при одночасному підвищенні їх технічних характеристик, а також створення патентоспроможного інерційного повітроочищувача так званого балістичного типу, що поєднує високі сепараційні та аеродинамічні якості зі здатністю до самоочищення від забруднень в експлуатації. Виконані теоретично-розрахункові дослідження, проведений великий обсяг емпіричних досліджень над елементами, моделями та натурними відсіками повітроочищувачів локомотивів, що дозволило довести їх оцінні показники до необхідного рівню. Зіставлення техніко-економічних характеристик фільтрів контактної дії та балістичних повітроочищувачів довело перевагу інерційного очищення повітря практично при довільному реальному пиловому забрудненні атмосферного повітря.

Ключові слова: локомотив, тягове електроустаткування, система охолодження, повітроочищувач, аеродинаміка, сепарація, кварцовий пил, крапельна волога, сніг, характеристики.

АННОТАЦИЯ

Кущенко А.В. Повышение эффективности систем охлаждения тягового электрооборудования локомотивов совершенствованием воздухоочистителей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2003.

Защищаются научные положения и другие результаты исследований в области очистки воздуха применительно к системам воздушного охлаждения тягового электрооборудования локомотивов, которые изложены в 10 научных статьях, 3 авторских свидетельствах СССР и патенте РФ.

Проведенный анализ известных технических решений в области локомотивостроения позволил выявить недостатки как отечественных контактных, так и зарубежных инерционных воздухоочистителей крупных транспортных средств. Это, соответственно, большая материалоемкость при низкой удельной воздушной нагрузке и достаточно сложная геометрическая форма при недостаточном проходном сечении каналов между рабочими элементами, обеспечивающими сепарацию, что исключает самоочищаемость таких устройств в эксплуатации.

На первом этапе работы, принимая во внимание несоответствие результатов расчетов, выполняемых по выражениям, предлагаемым разными авторами для определения коэффициента инерционного осаждения пылевых частиц на цилиндрическом препятствии, а также их недостаточное соответствие имеющимся экспериментальным данным, для указанного показателя была получена оригинальная параметрическая зависимость от определяющих факторов влияния.

Математическое моделирование аэродинамических и сепарационных процессов в сетчатой многослойной набивке фильтра контактного действия (ФКД) осуществлялось реализацией авторской системы уравнений в полных дифференциалах, учитывающих взаимное влияние и взаимозависимость текущего радиуса запыленной нити, запаса жидкого наполнителя и эффективности очистки воздуха. Уравнения полностью определяются в результате экспериментального нахождения неизвестных констант: коэффициента отражения пылевых частиц от нити и поправочного коэффициента, корректирующего размер слоя "связанного" жидкого наполнителя. Их решение позволяет качественно верно определять технические характеристики разных вариантов многослойных набивок ФКД.

При теоретическом освещении вопросов сепарации пылевых частиц в баллистическом воздухоочистителе (БВО) применялся традиционный подход, заключающийся в исследовании их траекторий численным решением системы нелинейных дифференциальных уравнений движения материальной точки в газовой среде с учетом возможного отражения частицы от поверхности каналов проточной части. С учетом выпуклости и значительной кривизны поверхности входного сопла, обуславливающих пространственный характер втекающего воздушного потока, распределение скорости воздуха на данном участке получено (с использованием теоремы о равенстве циркуляции скорости по контуру струи потоку вихря через него) вдоль поверхности характерной сферы. Кроме того, особенностью предложенного метода является учет неизокинетичности обтекания воздушным потоком сепаратора загрязнений, выполненный посредством суперпозиции поля скорости, создаваемого препятствием, как источником в приближении потенциальности течения, и поля скорости основного потока в диффузоре с последующим нормированием результата.

В результате реализации математической модели рабочего процесса БВО определены рациональный диаметр его горловины и размер сепаратора, а также профиль сопла. Кроме того, получена фракционная и общая эффективность очистки воздуха от кварцевой пыли с удельной поверхностью 280 м 2/кг (соответственно, полное улавливание всех частиц крупнее 8 мкм и около 90 %),

В результате проведенных исследований найдены композиции облегченных кассетных фильтров с набивкой из металлических сеток и стеклосеток пылеемкостью 9,7и 8,8 кг/м 2 соответственно. Для мощных локомотивов получена композиция глубоко (на 146 мм) гофрированной набивки ФКД из стеклосеток пылеемкостью 20 кг/м 2, обеспечивающая расчетный ресурс по пробегу в эксплуатации более 40 тыс. км для районов с повышенной запыленностью.

При помощи ортогонального планирования эксперимента получена регрессивная зависимость аэродинамического сопротивления и эффективности очистки элемента БВО от 4-х определяющих геометрических факторов влияния. Регрессия аэродинамического сопротивления имеет локальный экстремум, что позволило получить систему линейных уравнений связи между факторами и, как следствие, осуществить их аналитическое определение в точке минимума. Результатом этой части работы является создание оптимизированного по аэродинамическому сопротивлению БВО, обеспечивающего номинальную величину данного параметра 350-370 Па при эффективности очистки воздуха от пыли 89,5 %.

Проведены также стендовые исследования и доводка отсеков воздухоочистки локомотивов, оборудованных созданными элементами воздухоочистителей, выполненные на их моделях, а также макетных или натуральных образцах. Данный цикл работ позволил усовершенствовать их аэродинамическую схему и произвести необходимые обобщения. При этом рационализированы и доведены до уровня существующих требований воздухоочистители СО ТЭО тепловозов ТЭ 127, 2ТЭ 121, ТЭП 70, дизель-поезда ДЭЛ-01, электровоза ЭП 200.

В результате технико-экономического анализа целесообразности применения контактной или инерционной очистки воздуха на тепловозе 2ТЭ 116 установлено преимущество инерционных баллистических воздухоочистителей практически при любой реальной величине запыленности атмосферного воздуха, в связи с чем их следует использовать как унифицированные.

Внедрение созданных воздухоочистителей на тепловозе 2ТЭ 116 позволит получить годовой экономический эффект в размере не менее 2150 грн./г в расчете на одну секцию.

SUMMARY

Kushenko A.V. Perfecting the Locomotive system of cooling the driving electric machines and devices by use of contact and inertial cleaning air. - Manuscript.

Thesis in competition of the candidate of technical science on a specialty 05.22.07 - rolling stocks and train traction. East Ukrainian National University. Lugansk, 2003.

Scientific position, which presented in 10-th scientific - technical articles 3-th author's certificate of the USSR and patent of the Russian Federation.

This dissertation is devoted to problem of rise of a separation exponential of driving electric devices and locomotive unit cooling system. This problem was solve by reducing masses and dimensions of contact filter simultaneously with increase of technique characteristic by filters, and making patent ability inertia air cleaner by ballistics type, wish unit high separation and aerodynamics index and ability to self cleaner from contamination during exploitation. The mathematical dissertation of operation process of air cleaner was modification essentially, the computation research was made, grate volume of the empirical research by elements, blocks and unit of air cleaners was executed. It awed up to air cleaner qualitative estimation to necessary level.

Technical-economy characteristics by the contacts and ballistics air cleaners was compared. Advantage has inertial cleaner. Developed air cleaner has use serials practical all locomotive of HC "Luganskteplovoz" and electric- locomotive "ЭП 200" by joint-stock company "Kolomzavod" Russian Federation.

Keywords: locomotive, aerodynamic, air cleaner, ballistics, inertia, cooling, filter, driving electric machines.

Размещено на Allbest.ru