Поліпшення тягово-економічних характеристик локомотивів шляхом підвищення коефіцієнту корисної дії системи подачі піску

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені Володимира Даля

Поліпшення тягово-економічних характеристик локомотивів шляхом підвищення коефіцієнту корисної дії системи подачі піску

Спеціальність 05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Бугаєнко Віктор Васильович

УДК 621.891:539.3

Луганськ 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Осенін Юрій Іванович,

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля,

завідуючий кафедри „Гідрогазодинаміка”

Офіційні опоненти: - Павленко Альберт Прокопович, доктор технічних наук, професор, генеральний директор науково-промислового підприємства „Вібротранс ЛТД”;

- Малахов Олег Володимирович, кандидат технічних наук, доцент, завідуючий кафедри ”Автоматизації та компютерно-інтегрованих технологій” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Захист відбудеться 24 грудня 2010р. о 13-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля за адресою: кв. Молодіжний, 20а, Луганськ, 91034

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля за адресою: кв. Молодіжний 20а, Луганськ, 91034

Автореферат розісланий 23 листопада 2010р.

В. о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради проф. Носко П.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Забезпечення нормальних умов експлуатації рухомого складу залізниць передбачає необхідність підтримання коефіцієнту зчеплення коліс з рейками на постійно високому рівні. Ця умова задовольняється завдяки багатьом чинникам, серед яких найбільш ефективним і дешевим засобом, який зберігся з часів створення перших локомотивів та безальтернативно використовується на залізничному транспорті у наш час, є подача кварцового піску в місце контакту коліс з рейками. Майже усі типи тягового рухомого складу залізниць (у тому числі надсучасні високошвидкісні електропоїзди) оснащуються системами подачі піску, які забезпечують необхідний коефіцієнт зчеплення під час розгону потягу і при його гальмуванні.

Актуальність. Підвищення швидкості руху поїздів обумовлює нові вимоги до систем подачі піску, у першу чергу спрямовані на досягнення високих показників ефективності та економічності.

Доставка піску в контакт колеса з рейкою у сучасних умовах експлуатації рухомого складу характеризується підвищенням впливу аеродинамічних процесів на траєкторію руху часток піску до зони контакту колеса з рейкою та, як наслідок цього, зростанням непродуктивної витрати піску та зниженням його ефективної дії щодо стабілізації коефіцієнту зчеплення колеса з рейкою.

Прості розрахунки показують, що при гальмуванні високошвидкісного потягу зі швидкості 250 км/год до повної зупинки витрата піску становить близько 10 кг, а за добовий період експлуатації, відповідно, 800 кг. При цьому, за існуючими даними, кількість піску, що не потрапляє до місця контакту колеса з рейкою, становить в середньому від 20 до 60% від загальної кількості піску, що подається під колеса рухомого складу.

У зв'язку з цим суттєво загострюється ряд проблем, основою яких є непродуктивна витрата піску та які можна поділити на три групи:

1. Конструкційні:

- необхідність використання пісочних бункерів великої ємності та ускладнення конструкції рухомого складу;

- зростання маси екіпажної частини рухомого складу;

2. Економічні:

- забруднення піском баластової призми рейкового шляху;

- підвищення рівня зношування робочих поверхонь коліс і рейок;

- збільшення витрат на придбання, підготовку та транспортування піску.

3. Експлуатаційні:

- зниження реалізуємого коефіцієнта зчеплення коліс із рейками;

- порушення графіку руху поїздів.

Вирішення цих проблем можливо за умови підвищення коефіцієнта корисної дії системи подачі піску (ККД системи подачі піску), що визначається співвідношенням кількості піску, який потрапляє в місце контакту, до загальної кількості поданого піску, яка обумовлюється продуктивністю системи подачі піску.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами.

Дисертаційна робота виконувалась у відповідності до науково-дослідних робіт: ДН-32-03 ''Створення перспективних конструкцій засобів рейкового транспорту і обґрунтування їх ефективності на підставі модульної інформаційної системи" (держ. реєстрація № 01031U00422), ДН-29-06 «Розробка теорії фізико-хімічних процесів тертя при силовому контакті в процесах кочення й ковзання» (держ. реєстрація № 0106U00289), КДН-14-05 «Автоматизована система керування (АСК) надійністю і діагностики рухомого складу (РС) на стадії проектування та експлуатації» (держ. реєстрація № 0105U08785).

Мета і задачі дослідження Підвищення коефіцієнту корисної дії системи подачі піску тягового рухомого складу залізниць при умові забезпечення максимальної ефективності використання піску по відношенню до коефіцієнту зчеплення коліс з рейками.

Для досягнення мети сформульовані такі задачі:

1. Розробка математичної моделі руху частки піску в струмені повітря, який рухається з великою швидкістю, близькою до швидкості звуку, що має місце на початковій ділянці каналу подачі піску. Теоретичне дослідження руху часток піску в струмені повітря.

2. Розробка математичної моделі та теоретичне дослідження руху частки піску у просторі між вихідним отвором системи подачі піску і місцем контакту колеса з рейкою під впливом потоку транспортуючого повітря і потоку, що набігає.

3. Експериментальні дослідження руху часток піску у каналі подачі піску і просторі за його вихідним отвором і місцем контакту колеса з рейкою. Визначення впливу відстані від вихідного отвору каналу подачі піску до місця контакту колеса з рейкою і розмірів часток піску на ККД системи подачі піску.

4. Експериментальне визначення швидкості часток піску у просторі близько вихідного отвору каналу подачі піску, встановлення зв'язку швидкості часток різних розмірів з середньою швидкістю транспортуючого потоку повітря у вихідному отворі каналу подачі піску.

5. Розробка конструкції форсунки для подачі піску у місце контакту колеса з рейкою, яка забезпечує регулювання продуктивності і швидкості руху часток піску в залежності від швидкості руху локомотива і наявних погодних умов.

6. Експериментальне дослідження експлуатаційних характеристик запропонованої форсунки для подачі піску, визначення залежності продуктивності форсунки від параметра регулювання та характеристик потоку транспортуючого повітря.

7. Розробка загальних рекомендацій щодо підвищення ККД системи подачі піску.

Об'єкт дослідження: - процеси руху часток піску під впливом потоку транспортуючого повітря та потоків повітря, що виникають під час пересування рухомого складу.

Предмет дослідження: - закономірності впливу параметрів потоку повітря, розмірів часток піску, їх швидкості, конструктивних параметрів системи подачі піску на ефективність доставки піску у місце контакту колеса з рейкою.

Методи дослідження. Вирішення сформульованих у роботі задач здійснювалось на основі: математичного моделювання за допомогою диференціальних рівнянь з урахуванням критеріїв гідромеханічної подібності і чисельних методів їх рішення; методів статистичної обробки експериментальних даних; методів випробування натурних діючих моделей пристроїв подачі піску; методів фотозйомки для визначення швидкості руху часток піску біля вихідного отвору каналу подачі піску; пневмометричних засобів вимірювання швидкості потоку повітря.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Удосконалена математична модель руху частки піску на початковій ділянці каналу подачі піску в струмені повітря, швидкість якого близька до швидкості звука, яка враховує стискальність повітря.

2. Дістало подальший розвиток математичне моделювання процесу руху частки піску в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і місцем контакту колеса з рейкою, враховані закономірності зміни швидкості транспортуючого потоку повітря в осьовому і поперечному напрямах.

3. Вперше встановлена закономірність впливу середньої швидкості транспортуючого потоку повітря в каналі подачі піску на величину середньої швидкості руху часток піску вузьких фракцій.

4. Вперше встановлена закономірність впливу стискальності повітря, швидкість якого близька до швидкості звука, на параметри руху часток піску на початковій ділянці каналу подачі піску.

Практичне значення і впровадження результатів дослідження

1. Запропонована конструкція форсунки для подачі піску у місце контакту колеса з рейкою, яка дозволяє регулювати кількість подаваного піску і швидкість його часток у широкому діапазоні під час руху локомотива (патент України на корисну модель № 35830).

2. Встановлене сполучення конструктивних та режимних параметрів форсунки з кількістю поданого піску.

3. Експериментальні і теоретичні дослідження впливу гранулометричного складу піску на коефіцієнт корисної дії системи подачі піску, дозволили зробити практичні рекомендації по вибору фракцій необхідних розмірів, що дозволяє зменшити непродуктивні витрати піску на тяговому рухомому складі.

4. Встановлений вплив довжини каналу подачі піску на ефективність доставки часток піску у місце контакту колеса з рейкою, розроблені рекомендації для визначення оптимальної довжини каналу, що дозволяє зменшити непродуктивні витрати піску.

5. Експериментально встановлений зв'язок між швидкістю руху частки піску її розміром і середньою швидкістю транспортуючого потоку повітря у вихідному отворі каналу системи подачі піску, що дозволяє обрати найбільш ефективне сполучення режимних параметрів системи подачі піску відповідно до погодних умов і швидкості руху потяга.

6. Розроблені в дисертації методики, залежності і рекомендації щодо використанню піску на тяговому рухомому складі залізниць прийняті на ХК «ЛУГАНСЬКТЕПЛОВОЗ» та впроваджені в навчальному процесі при виконанні курсових та дипломних проектів студентів спеціальності «Рухомий склад та спеціальна техніка залізничного транспорту».

Особистий внесок здобувача Приведені в дисертаційній роботі основні результати досліджень отримані здобувачем самостійно.

Автором виконаний аналіз конструкцій сучасних пристроїв для подачі піску в область контакту між колесом і рейками, які використовуються на тяговому рухомому складі [1]; виконані експериментальні дослідження руху потоку повітря з вмістом піску в каналах систем подачі піску [2]; удосконалена математична модель процесу руху частки піску в струмені повітря, швидкість якого близька до швидкості звука, врахований вплив стискальності повітря на швидкість руху частки, проведені теоретичні і експериментальні дослідження руху часток піску різних розмірів в струмені повітря на початковій ділянці каналу подачі піску [5, 6]; розроблена математична модель руху часток піску в струмені транспортуючого повітря в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і місцем контакту колеса локомотива з рейкою, розраховані їх траєкторії з використанням експериментально визначених значень початкової швидкості часток, швидкості транспортуючого потоку повітря [5]; розроблена математична модель руху часток піску під впливом потоку повітря, що набігає, і бокового вітру в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і місцем контакту колеса локомотива з рейкою, виконані розрахунки траєкторій руху часток [3, 5, 6, 11], встановлений вплив довжини вихідного каналу подачі піску на ефективність доставки піску до місця контакту колеса з рейкою [5], проведені дослідження для визначення впливу гранулометричного складу піску на ефективність його доставки у місце контакту колеса з рейкою [5, 6], запропоновані конструкції форсунок для подачі піску в місце контакту колеса з рейкою з спроможністю регулювати кількість поданого піску і швидкість руху його часток під час руху локомотива [7, 8, 9, 10].

Апробація результатів роботи Результати досліджень повідомлені, обговорені і схвалені на XII Міжнародній науково-практичній конференції „ Гідромеханіка в інженерній практиці” (м. Луганськ 2007 р.), 69 Міжнародній науково-практичної конференції „Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту” (м. Дніпропетровськ, 2009р.).

У повному обсязі результати і висновки дисертації доповідалися на розширеному засіданні кафедри „Гідрогазодинаміка” СНУ ім. В. Даля.

Публікації Основний зміст дисертації опублікований у 11 роботах, з яких 6 статей у наукових фахових виданнях, 4 патенти України на корисну модель, 1 тези доповіді на конференції.

Структура і об'єм дисертації Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, з 123 найменувань на 11 сторінках, додатків на 8 сторінках. Загальний об'єм дисертації 145 сторінок, з яких126 сторінок основного тексту, робота має 35 рисунків, 3 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі дисертації зроблено розгорнутий аналіз стану проблеми використання кварцового піску на рухомому складі залізниць для поліпшення коефіцієнту зчеплення коліс з рейками та, виходячи з цього, сформульована мета і задачі дослідження.

Констатується, що значний внесок в вирішення цієї проблеми зробили вчені: Голубенко О.Л., Горбунов М.І., Ісаєв І.П., Каменев М.М., Коняєв О.М., Лужнов Ю.М., Маслієв В.Г., Малахов О.В., Осенін Ю.І., Петров С.Ю., Павленко А.П., Самме Г.В., Тартаковський Е.Д., Ткаченко В.П.

Попередніми дослідженнями доведено, що для одержання максимально можливого коефіцієнту зчеплення коліс з рейками в їх контакт необхідно подавати кварцовий пісок з продуктивністю, яка на будь якій швидкості руху забезпечує однакову кількість піску в контакті. Виконання цієї вимоги можливо тільки за умови залежності продуктивності системи подачі піску від швидкості руху транспортного засобу, що позитивно впливає, як на процес зчеплення коліс з рейками, так і на економію піску.

Сучасні системи подачі піску (в яких не передбачена зміна продуктивності в залежності від швидкості руху потяга) мають змінний ККД, який має неоднакові значення на різних швидкостях руху потяга і, відповідно, змінюється від мінімального значення (при рушанні з місця) до максимального (на максимальній швидкості руху).

Зміна продуктивності системи подачі піску в залежності від швидкості руху потяга дозволяє підвищити ККД системи на усіх режимах руху потяга. Але проблему підвищення ККД не можна вважати вирішеною тільки за рахунок зміни продуктивності системи подачі піску у зв'язку з тим, що цей захід не в повній мірі впливає на непродуктивні витрати піску, які обумовлені наявністю сил аеродинамічного походження, що виникають під час руху часток піску відносно повітря. Ці сили складають головний чинник непродуктивних витрат піску.

Складність розв'язання саме цього завдання полягає у тому, що частка піску рухається в струмені повітря, швидкість якого значно змінюється, як в осьовому, так і в поперечному напрямку. На рух частки піску також впливають потоки повітря, які обумовлені рухом потяга і наявними погодними умовами.

Враховуючи наведене, вирішення задачі лежить у площині декількох аспектів: теоретичному моделюванню процесу руху частки піску в струмені повітря, експериментальному визначенні окремих параметрів струменя повітря, параметрів руху, як окремої частки піску, так і пісчано-повітряного струменя, розробці на цьому підґрунті практичних рекомендацій та засобів їх конструктивно-технологічної реалізації.

Другий розділ присвячений теоретичному моделюванню процесу руху частки піску на етапах її шляху до місця контакту колеса локомотива з рейкою.

Для теоретичного дослідження процесу руху частки піску на початковій ділянці каналу подачі піску була розроблена математична модель взаємодії частки піску з струменем повітря, який витікає з сопла з високою швидкістю, близькою до швидкості звука. В сучасних пристроях для подачі піску використовується повітря під тиском 0,3 - 0,6 МПа. При таких значеннях тиску, швидкість потоку повітря на виході з сопла перебільшує значення 300 м/с. Таке ж значення має швидкість повітря відносно частки піску в початковий момент її взаємодії зі струменем повітря. У зв'язку з цим, при визначенні параметрів руху частки, необхідно враховувати стискальність повітря. Також необхідно враховувати відмінність форми частки піску від сферичної. Система рівнянь для розрахунку параметрів руху частки піску з урахуванням стискальності повітря і коефіцієнту форми виглядає наступним чином

, (1)

де upx і upy - компоненти швидкості частки;

д - розмір частки;

u - швидкість потоку повітря;

б - кут нахилу вісі каналу до горизонту;

і р - питома маса повітря і частки піску, відповідно;

g - прискорення свобідного падіння;

Ш - коефіцієнт гідравлічного опору частки з урахуванням відмінності форми частки від сферичної.

Визначення величини коефіцієнту гідравлічного опору Ш виконувалось з урахуванням стискальності повітря, при значеннях числа Рейнольдса Re>800. В цьому випадку була використана формула аналогічна формулі Ейлера для коефіцієнту гідравлічного опору сферичного тіла

, (2)

де М - число Маха;

k - показник адіабати для повітря

З урахуванням швидкості руху частки піску формула для визначення числа Маха виглядає так

, (3)

де - швидкість звуку в повітрі, яка визначена по значенням повних параметрів стану повітря транспортуючого потоку.

При зниженні швидкості руху частки піску відносно потоку повітря вплив доданка швидко зменшується і формула для коефіцієнта гідравлічного опору приймає звісний з літератури вигляд
Ш =1,1.

В діапазоні значень числа Рейнольдса 20?Re?800 для визначення коефіцієнта гідравлічного опоручастки піску була використана формула

(4)

Швидкість транспортуючого повітря визначалася по звісним закономірностям для затопленого турбулентного струменя з урахуванням швидкості потоку повітря uС, який інжектується

, (5)

де u0 - швидкість транспортуючого повітря на виході з сопла;

ц - напівкут розкриття струменя транспортуючого повітря;

x, y - координати частки піску.

На рис. 1 приведена розрахункова схема, а на рис. 2 і рис. 3 - результати розрахунку швидкості часток і їх траєкторій.



Рис. 1. Розрахункова схема

Рис. 2. Результати розрахунку швидкості частки піску розміром д= 0,63 мм (1 - з урахуванням стискальності повітря, 2 - без урахування стискальності)

Результати розрахунку показують, що зростання швидкості частки піску відбувається досить швидко, при її взаємодії з частиною струменя повітря, яка має високу швидкість. Не урахування стискальності повітря дає похибку при визначенні швидкості частки більш ніж 20%. Розрахована швидкість частки піску добре співпадає з експериментально визначеною швидкістю (експериментально визначена швидкість частки розміром д = 0,63 мм біля вихідного отвору каналу подачі піску становила 18,3 м/с).

Розраховані траєкторії часток піску вказують на те, що відбуваються зіткнення часток піску зі стінками каналу по якому вони транспортуються, що підтверджується результатами експерименту.



Рис. 3. Розраховані траєкторії частки піску розміром д= 0,63 мм (1 - з урахуванням стискальності повітря, 2 - без урахування стискальності)

Для теоретичного дослідження руху піску в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і у місцем контакту колеса з рейкою була розроблена математична модель руху частки піску в струмені транспортуючого повітря під впливом сили інерції і сил аеродинамічного походження. Математична модель складалася з системи диференціальних, допоміжних рівнянь і початкових умов, які були визначені експериментально.

, (6)

де щ - кутова швидкість частки піску.

Кутова швидкість частки піску визначалась з використанням експериментально вимірюваних значень швидкості руху частки біля вихідного отвору каналу подачі піску upxo, виходячи з того, що під час удару частки об стінку каналу швидкість поверхні частки в місці контакту зі стінкою дорівнювалась нулю

.

Коефіцієнт гідравлічного опору частки визначався в залежності від значення числа Рейнольдса:

, якщо 20?Re?800, (7)

Ш = 1,1 при Re>800 (8)

Для визначення швидкості повітря в струмені транспортуючого потоку, в залежності від координат знаходження частки, була використана формула

. (9)

Значення кута розширення струменя ц = 17о20' приймалося виходячи з експериментально визначеного співвідношення максимальної umax і середньої uср швидкості повітря на виході з каналу подачі піску . Значення швидкості повітря u0 приймалось рівним середньої швидкості повітря у вихідному отворі каналу подачі піску uср. На рис. 4 приведена розрахункова схема, а на рис. 5 - розраховані, без урахування сили тяжіння, траєкторії часток піску різних розмірів, для випадку розташування вісі «y» в горизонтальній площині, при швидкості повітря u0 = 42 м/с, з використанням експериментально визначених значень швидкості часток upxo.

Рис. 4. Розрахункова схема

а)

б) в)

д) є)

Рис. 5. Траєкторії часток піску у просторі за вихідним отвором каналу подачі піску (1 - траєкторії часток, 2 - границі області контакту між колесом і рейкою, 3 - границі струменя транспортуючого повітря)

Отримані результати показують, що частки піску розміром д = 1,6 - 0,63 мм на відстані 500 мм ще утримуються в області, де має відбуватися контакт між колесом і рейкою. Більш дрібні частки д = 0,4 мм починають виходити з області контакту на відстані 400 мм, а частки д = 0,315 мм - на відстані 270 мм від вихідного отвору каналу подачі піску.

Для урахування впливу зовнішніх факторів на рух частки піску в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і у місцем контакту колеса з рейкою була розроблена математична модель руху частки при взаємодії з потоком повітря, що набігає, швидкість якого в основному обумовлена швидкістю руху локомотива, і боковим потоком повітря.

На основі даної моделі був проведений розрахунок параметрів руху часток піску різних розмірів, які рухаються з різними початковими швидкостями, при різних швидкостях руху локомотива і швидкості бокового потоку повітря (розрахункова схема приведена на рис. 6).

, (10)

де upx, upy, upz - компоненти швидкості частки піску;

ux, uz - компоненти швидкості потоку повітря.

Значення компоненти швидкості потоку повітря ux приймалось рівним швидкості руху потяга UO, а компоненти uz - швидкості бокового вітру UZ.

Коефіцієнт гідравлічного опору частки визначався в залежності від значення числа Рейнольдса:

, якщо 30<Re?400,

Ш = 1,1 при Re>400

Рис. 6. Розрахункова схема

На рис. 7 приведені, розраховані за допомогою даної моделі, відхилення траєкторій часток піску різних розмірів від геометричного місця контакту часток з рейкою (y = 0 мм; z = 0 мм; x = 250 мм).

а) б)

в) д)

Рис. 7. Результати розрахунку значень відхилення траєкторій часток

піску від геометричного місця контакту часток з рейкою (1 - д = 0,63 мм; 2 - д = 1,0 мм; 3 - д = 1,6 мм)

Отримані математичні моделі дозволяють провести аналіз параметрів руху частки піску з подальшою оптимізацію експлуатаційних характеристик системи подачі піску, а саме: - здійснити підбор гранулометричного складу піску, визначити необхідну початкову величину швидкості часток піску, залежно від відстані розташування вихідного отвору каналу подачі піску до місця контакту колеса з рейкою, і швидкості руху локомотива, з метою підвищення ефективності доставки часток піску в область контакту колеса локомотива з рейкою.

У третьому розділі приведені результати експериментальних досліджень ефективності доставки піску у місце контакту колеса з рейкою. Був виконаний аналіз гранулометричного складу піску, який потрапляє в область контакту колеса з рейкою в залежності від відстані розміщення вихідного отвору каналу подачі піску до місця контакту колеса з рейкою, довжини каналу подачі піску, при різних значеннях тиску живлення сопла потоку транспортуючого повітря. Для проведення досліджень була створена установка, яка складалася з системи подачі піску з регульованою продуктивністю, пристрою для уловлювання піску з координатним механізмом переміщування.

Отримані результати доводять залежність ККД доставки піску від довжини каналу подачі піску. Найкращі результати по ефективності доставки, з досліджених варіантів, були досягнуті при відносній довжині каналу l/d = 23 - 28, найбільш низькі - при l/d = 18. Збільшення відносної довжини каналу l/d = 23 до l/d = 28 дозволяє підвищити ефективність доставки піску від 1 до 3 відсотків на різних режимах роботи системи подачі піску. Зниження відносної довжини каналу з l/d = 23 до l/d = 21 знижує кількість піску, який потрапляє в область контакту, на 3 - 5,5 відсотків.

Подальше зниження довжини каналу з l/d = 21 до l/d = 18 різко зменшує ефективність доставки піску в область контакту колеса з рейкою - на 20 - 25 відсотків. Збільшення відстані вихідного отвору каналу подачі піску від місця контакту збільшує непродуктивні витрати піску при всіх значеннях відносної довжини каналу. Результати експерименту представлені на рис. 8.

а) в)

Рис. 8. Результати експериментального визначення ефективності доставки піску в область контакту колеса з рейкою (Gк/G -кількість піску доставленого в область контакту відносно загальної кількості поданого системою, 1 - l/d = 18, 2 - l/d = 21, 3 - l/d = 23, 4 - l/d = 28.)

По результатам експерименту і теоретичним розрахункам можна зробити висновок, що в початковій частині каналу частки піску перетерплюють часті зіткнення зі стінками каналу, через наявність поперечних складових швидкості. При переміщенні піску вздовж каналу поперечні складові швидкості частки зменшуються через гідравлічний опір повітря і дисипацію енергії в результаті зіткнення зі стінками каналу, а сили аеродинамічного походження, які надавали часткам піску поперечні складові швидкості зменшуються (розподіл швидкості потоку повітря в поперечному перетині каналу стає більш рівномірним). Результати експерименту показують, що для стабілізації руху пісчано-повітряного потоку в каналі подачі піску достатньо забезпечити його відносну довжину l/d = 23.

При експериментальному дослідженні впливу гранулометричного складу піску на ефективність його доставки до місця контакту колеса з рейкою були відібрані проби з піску, який потрапив в область контакту колеса з рейкою і який вийшов за межи області контакту. Фракційний склад проб піску визначався за допомогою ситового аналізу. Результати експерименту представлені на рис. 9. Аналіз результатів доводить, що використовувати частки фракцій з розміром менше ніж 0,4 мм недоцільно тому, що вже на відстані 200 мм від вихідного отвору каналу подачі піску 50 відсотків часток виходять за область контакту колеса з рейкою. Для зниження непродуктивних витрат піску доцільно використовувати фракції з розміром часток 2,5 - 0,63 мм.



а)

б)

в)

Рис. 9. Результати експериментального визначення фракційного складу піску, який потрапив в область контакту колеса з рейкою в залежності від відстані між вихідним отвором каналу подачі піску і місцем контакту

Для розрахунків параметрів руху часток в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і місцем контакту колеса з рейкою необхідно визначити швидкість часток різних розмірів на виході з каналу. Для вирішення цієї задачі була використана фотозйомка. Фотографувався пісчано-повітряний потік з низьким змістом піску вузької фракції, що дало змогу сфотографувати траєкторії окремих часток. На рис. 10 представлені експериментально визначені значення середньої швидкості часток піску окремих фракцій на виході з каналу подачі піску відносною довжиною l/d = 23 при середньої швидкості потоку повітря 42 м/с.



Рис. 10. Значення середньої швидкості часток окремих фракцій піску

Для визначення параметрів роботи системи подачі піску в залежності від умов експлуатації локомотива необхідно встановити зв'язок між середньою швидкістю транспортуючого потоку повітря і швидкістю часток піску окремих фракцій. Були проведені експериментальні дослідження залежності швидкості руху часток окремих фракцій піску від середньої швидкості транспортуючого потоку повітря, біля вихідного отвору каналу подачі піску. На рис. 11 приведені отримані результати.

Рис. 11. Розподіл середніх значень швидкості часток окремих фракцій в залежності від середньої швидкості потоку повітря на виході з каналу подачі піску (1 - д = 0,63...0,4 мм; 2 - д = 1,0...0,63 мм; 3 - д = 1,6...1,0 мм)

В дослідженому діапазоні значень середньої швидкості повітря uср і розмірів часток піску, відносні значення середньої швидкості часток окремих фракції uрср змінювались в діапазоні: - д = 0,63...0,4 мм - (uрср/uср) = 0,57...0,50; д = 1,0...0,63 мм - (uрср/uср) = 0,53...0,44; д = 1,6...1,0 мм - (uрср/uср) = 0,38...0,33.

Четвертий розділ присвячений дослідженню характеристик запропонованої форсунки для подачі піску в місто контакту колеса з рейкою (патент України на корисну модель № 35830). У відповідності з патентом була виготовлена діюча модель форсунки (рис.12), були визначені її характеристики при різних значеннях тиску живлення сопла транспортуючого потоку повітря з різними значеннями параметра регулювання продуктивності S, який дорівнюється відносній площі отвору каналу подачі додаткового повітря 1. На рис. 13 і рис. 14 представлені характеристики форсунки для подачі піску, які були визначені в результаті проведених експериментів.

Рис. 12. Схема моделі форсунки для подачі піску

Рис. 13. Продуктивність системи подачі піску в залежності від тиску живлення сопла транспортуючого потоку повітря і параметра регулювання продуктивності S (1- S =0; 2 - S = 0,15; 3 - S = 0,33; 4 - S = 0,51; 5 - S = 1 )



Рис. 14. Продуктивність системи подачі піску G в залежності від загальної (з урахуванням інжектованої) витрати транспортуючого потоку повітря Q (1- S =0; 2 - S = 0,15; 3 - S = 0,33; 4 - S = 0,51; 5 - S = 1 )

ВИСНОВКИ

В роботі вирішена актуальна задача залізничного транспорту, яка спрямована на поліпшення тягово-економічних характеристик локомотивів за рахунок підвищення коефіцієнту корисної дії системи подачі піску сучасних локомотивів для стабілізації на високому рівні характеристик зчеплення коліс з рейками. Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації направлені на вирішення цієї задачі полягають в наступному:

1. Удосконалена математична модель руху частки піску на початковій ділянці каналу подачі піску в струмені повітря, швидкість якого близька до швидкості звука. Врахований вплив стискальності повітря на величину аеродинамічного опору частки за рахунок зростання хвильового опору. Встановлена закономірність впливу стискальності повітря на параметри руху частки. Врахування стискальності повітря, при визначенні швидкості часток піску, дозволяє підвищити точність розрахунків швидкості, що підтверджується результатами проведених експериментів.

2. Дістало подальший розвиток математичне моделювання процесу руху частки піску в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і місцем контакту колеса з рейкою. Враховані закономірності зміни швидкості транспортуючого потоку повітря в осьовому і поперечному напрямах. Виконані теоретичні і експериментальні дослідження показали, що при взаємодії часток піску із струменем транспортуючого повітря в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і місцем контакту колеса з рейкою, частки піску набувають нормальні, по відношенню до вісі каналу, складові швидкості, які зростають при зменшенні розмірів частки.

3. Вперше встановлена закономірність відхилення напрямку руху часток, від співвісного з віссю каналу подачі піску при взаємодії часток піску із струменем транспортуючого повітря в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і місцем контакту колеса з рейкою. Відхилення напрямку руху часток, зростає зі збільшенням відстані від вихідного отвору каналу і посилюється при зменшенні розмірів часток. Частки піску розміром д = 1,6 - 0,63 мм на відстані 500 мм ще утримуються в області, де має відбуватися контакт між колесом і рейкою. Більш дрібні частки д = 0,4 - 0,315 мм починають виходити з області можливого контакту вже на відстані 270 мм від вихідного отвору каналу подачі піску.

4. Вперше експериментально встановлена закономірність впливу середньої швидкості транспортуючого потоку повітря в каналі подачі піску на величину середньої швидкості руху часток піску вузьких фракцій. В дослідженому діапазоні значень середньої швидкості повітря uср=27...53 м/с, відносна середня швидкість часток піску складала по фракціям: д=0,63...0,4 мм - (uрср/uср) = 0,57...0,50; д = 1,0...0,63 мм - (uрср/uср) = 0,53...0,44; д = 1,6...1,0 мм - (uрср/uср) = 0,38...0,33.

5. Дослідження показали, що гранулометричний склад піску визначається в залежності від типу тягового рухомого складу залізниць і обумовлюється встановленою максимальною швидкістю його експлуатації:

- маневрові локомотиви (швидкість до Uo = 60 км/год): д = 0,63…1,6 мм, початкова швидкість часток Upo ? 20 м/с;

- магістральні локомотиви (швидкість до 100 км/год): д = 0,63 …1,6 мм, початкова швидкість часток Upo ? 20 м/с;

- швидкісні поїзди (швидкість 200 км/год): д = 1,0…1,6 мм, початкова швидкість часток Upo ? 18 м/с;

- високошвидкісні поїзди (швидкість 300 км/год): д = 1,0…1,6 мм, початкова швидкість часток Upo ? 20 м/с.

6. Адекватність запропонованих математичних моделей підтверджується результатами експерименту. Розбіжність результатів розрахунків і отриманих експериментальних даних не перебільшує 10...20 відсотків.

7. Проведені експериментальні дослідження доводять, що довжина каналу подачі піску суттєво впливає на ефективність його доставки в місце контакту колеса з рейкою. Оптимальним співвідношенням довжини каналу до його діаметру слід вважати l/d = 23. Збільшення відносної довжини каналу l/d = 23 до l/d = 28 дозволяє підвищити ефективність доставки піску від 1 до 3 відсотків, але потребує суттєвого підвищення тиску живлення сопла транспортуючого потоку повітря, яке необхідне для подолання додаткового гідравлічного опору каналу. Зниження відносної довжини каналу з l/d = 23 до l/d = 21 знижує кількість піску, який потрапляє в область контакту, на 3 - 5,5 відсотків. Подальше зниження довжини каналу з l/d = 21 до l/d = 18 різко зменшує ефективність доставки піску в область контакту колеса з рейкою - на 20 - 25 відсотків.

8. На підставі теоретико-експериментальних досліджень визначені необхідні (за конструктивними критеріями та ККД) відстані від місця розташування вихідного отвору каналу подачі піску до зони контакту колеса з рейкою для різних видів рухомого складу, в залежності від встановлених швидкостей їх експлуатації.

9. Запропонована конструкція форсунки для подачі піску у місце контакту колеса з рейкою, яка дозволяє регулювати кількість піску, що подається, і швидкість його часток у широкому діапазоні під час руху локомотива (в дослідженої області характеристик форсунки діапазон зміни продуктивності складав від 100 г/хв до 2200 г/хв ) (патент України на корисну модель № 35830).

10. Отримані в дисертації рекомендації та висновки у вигляді методик, закономірностей, залежностей, рекомендацій та пропозицій щодо конструкції систем подачі піску прийняті на ХК «Луганськтепловоз» та впроваджені в навчальному процесі при виконанні курсових та дипломних проектів за спеціальністю «Рухомий склад та спеціальна техніка залізничного транспорту».

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Бугаенко В.В., Соснов И.И. Использование пневматических пескоподающих форсунок в системах улучшения сцепления колёс с рельсами. Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ, 2005. - Т. 1. - №8. - с. 103 - 108.

2. Бугаенко В.В., Осенин Ю.И., Соснов И.И. О движении песковоздушной смеси в коммуникациях пескоподающих систем локомотивов. Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ, 2007. -№3 (109). Ч. 2. - с. 38 - 43.

3. Бугаєнко В.В., Осенін Ю.І. Дослідження впливу гранулометричного складу піску на ефективність роботи піскоподаючої системи локомотива. Вісн. Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна. - Дніпропетровськ, 2009. - № 28. - с. 12 - 16.

4. Viktor Bugaenko, Yriy Osenin, Stanislaw Sosnowski. An influence of characteristics of two-component flow on the supply effectiveness jf abrasive material into the contact area of a locomotive wheel and rail. Polish Academy of sciences branch in Lublin. TECA Commission of motorization and power industry in agriculture Lublin university of technology. The Volodymir Dahl East-Ucrainian national university of Lugansk. Lublin 2009. Volume IX. p. 11 - 16.

5. Бугаєнко В.В. Дослідження ефективності доставки абразивного матеріалу в область контакту колеса локомотива з рейкою. Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім.В. Даля. - Луганськ, 2010.- №11(153). Ч. 2. - с. 38 - 52.

6. Бугаєнко В.В. Дослідження руху піску в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і місцем контакту колеса з рейкою. Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ, 2010. - №12 (154). Ч. 2. - с. 36 - 41.

7. Деклараційний патент на корисну модель № 6657. Україна, В61С15/10. Форсунка пісочниці локомотива /Бугаєнко В.В., Осенін Ю.І. Заявл. 25.10.2004. Опубл. 16.05.2005. Бюл. № 5.

8. Пат. на корисну модель № 19556. Україна, МПКВ61С 15/00. Форсунка пісочниці локомотива /Бугаєнко В.В., Осенін Ю.І., Соснов І.І. Заявл. 16.07.2006. Опубл. 15.12.2006. Бюл. № 12, 2006.

9. Пат. на корисну модель № 35824. Україна, МПКВ61С 15/00. Форсунка пісочниці локомотива /Бугаєнко В.В., Осенін Ю.І., Соснов І.І. Заявл. 09.04.2008. Опубл. 10.10.2008. Бюл. № 19.

10. Пат. на корисну модель № 35830. Україна, МПКВ61С 15/00. Форсунка пісочниці локомотива /Бугаєнко В.В., Осенін Ю.І., Соснов І.І. Заявл. . 09.04.2008. Опубл. 10.10.2008. Бюл. № 19.

11. Бугаєнко В.В., Осенін Ю.І. Дослідження впливу гранулометричного складу піску на коефіцієнт корисної дії піскоподаючої системи локомотива. Тези доповідей 69 Міжнародної науково-практичної конференції „Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту”. Днепропетровск, 2009. с. - 13.

пісок рух повітря локомотив

АНОТАЦІЯ

Бугаєнко В.В. Поліпшення тягово-економічних характеристик локомотивів шляхом підвищення коефіцієнту корисної дії системи подачі піску. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2010.

Дисертація присвячена дослідженню систем подачі піску локомотивів. В роботі набуло подальшого розвитку математичне моделювання процесу руху часток піску під впливом потоку повітря. Складена математична модель взаємодії часток піску з струменем повітря, швидкість якого близька до швидкості звука, з урахуванням стискальності повітря. Проведений порівняний аналіз параметрів руху частки піску визначених з урахуванням і без урахування стискальності повітря. Складена математична модель руху частки піску в струмені транспортуючого потоку повітря в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і місцем контакту колеса локомотива з рейкою. Приведені розраховані траєкторії часток різних розмірів, зроблені висновки щодо фракційного складу піску, який доцільно використовувати для забезпечення ефективної його доставки в місце контакту колеса з рейкою. Приведені результати експериментального визначення впливу довжини каналу подачі піску і відстані його вихідного отвору від місця контакту колеса з рейкою на ефективність доставки піску в область контакту колеса з рейкою. Проведений аналіз фракційного складу піску, який потрапляє в область контакту колеса з рейкою, в залежності від відстані до вихідного отвору каналу подачі піску. Приведені результати експериментального вимірювання швидкості часток піску різних розмірів біля вихідного отвору каналу подачі піску при різних значеннях середньої швидкості транспортуючого потоку повітря. Складена математична модель руху частки піску в просторі між вихідним отвором каналу подачі піску і місцем контакту колеса з рейкою під впливом потоку повітря. який набігає, і бокового вітру. Проведені розрахунки траєкторій часток піску різних розмірів, сформульовані рекомендації щодо розмірів часток піску і їх початкової швидкості в залежності від швидкості руху локомотива і сили бокового вітру. Запропонована конструкція пристрою для подачі піску з спроможністю зміни продуктивності і швидкості часток піску в залежності від швидкості руху локомотива, визначені експлуатаційні характеристики пристрою і вплив окремих його конструктивних параметрів на ефективність доставки піску у місце контакту колеса локомотива з рейкою.

Ключові слова: локомотив, колесо, рейка, частка піску, швидкість, пісочна форсунка, потік повітря.

АННОТАЦИЯ

Бугаенко В.В. Улучшение тягово-экономических характеристик локомотивов путём повышения коэффициента полезного действия системы подачи песка. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - Подвижный состав железных дорог и тяга поездов, Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2010.

Диссертационная работа посвящена исследованию систем подачи песка локомотивов, поиску возможностей повышения их коэффициента полезного действия.

Повышение скорости и обеспечение безопасности движения поездов на железных дорогах обуславливает необходимость поддержания коэффициента сцепления колёс с рельсами на постоянно высоком уровне. Это условие выполняется благодаря многим условиям, среди которых наиболее эффективным и дешёвым способом является подача кварцевого песка в место контакта колёс с рельсами.

Важным условием эффективной работы системы подачи песка является снижение потерь песка при его подаче в место контакта колёс с рельсами. На пути от выходного отверстия канала подачи песка до места контакта колёс с рельсами, на частицы песка воздействует транспортирующий поток воздуха, набегающий поток воздуха, скорость которого определяется скоростью движения локомотива, и боковой ветер, скорость и направление которого определяется существующими погодными условиями. В связи с этим траектории движения частиц подвергаются изменениям, которые зависят не только от перечисленных факторов, а и от размеров частиц песка. В связи с этим количество частиц песка, которые попадают в область контакта колёс с рельсами существенно меньше количества, поданного системой.

Вместе с тем, количество песка, которое необходимо подать в место контакта колёс с рельсами для обеспечения постоянно высокого их сцепления, также зависит от скорости движения локомотива и существующих погодных условий.

Выполненный анализ конструкций существующих устройств подачи песка в место контакта колеса с рельсом показал, что все они имеют ряд существенных недостатков. Самые существенные из них: - фиксированная продуктивность и отсутствие возможности регулирования скорости движения частиц песка в зависимости от условий эксплуатации локомотива, что является необходимым для обеспечения максимального сцепления колёс с рельсами и снижения непродуктивных потерь песка.

Исходя из вышеизложенного, была проведена работа по разработке конструкции устройства для подачи песка в область контакта колеса с рельсом с возможностью регулирования количества подаваемого песка и скорости движения его частиц в зависимости от требований, выдвигаемых условиями эксплуатации локомотива, для обеспечения стабильности его тяговых характеристик. Были проведены экспериментальные исследования лабораторной модели устройства, определены её эксплуатационные характеристики и влияние отдельных конструктивных параметров устройства на эффективность доставки песка в область контакта колеса с рельсом.

Были выполнены теоретические исследования движения частиц песка на пути к месту контакта колеса с рельсом.

Получило дальнейшее развитие математическое моделирование движения частиц песка под воздействием потока воздуха. Усовершенствованы существующие математические модели движения частиц песка в воздушном потоке с учётом конструктивно-режимных особенностей работы систем подачи песка локомотивов.

При составлении математической модели взаимодействии частицы песка с потоком воздуха околозвуковой скорости, которое имеет место на начальном этапе её движения, была учтена сжимаемость воздуха. Выполнен сравнительный анализ влияния сжимаемости на параметры движения частицы.

При расчётах параметров движения частиц песка в пространстве между выходным отверстием канала подачи песка и местом контакта колеса с рельсом, были использованы экспериментально установленные величины скорости потока воздуха и скорости движения частиц песка на выходе из отверстия канала.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния гранулометрического состава используемого песка на эффективность его доставки в область контакта колеса с рельсом. Сформулированы рекомендации по фракционному составу используемого песка в зависимости от скорости движения локомотива и существующих погодных условий.

Выполнены экспериментальные исследования по измерению скорости движения частиц песка отдельных фракций на выходе из канала подачи песка с использованием фотосъёмки. Установлена связь между средней скоростью частиц песка узких фракций и средней скоростью движения транспортирующего потока воздуха.

Ключевые слова: локомотив, колесо, рельс, частица песка, скорость, песочная форсунка, поток воздуха.

THE SAMMARY

Viktor Bugaenko. Improvement of traction-economic characteristics of locomotives by increase of efficiency of system of giving of sand. The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of a candidate technical science on a speciality 05.22.07 - Rolling railways equipment and trains traction. The East Ukrainian National University named after Vladimir Dahl, Lugansk, 2010.

Dissertational work is dedicated research of systems of giving of sand of locomotives, search of possibilities of increase of their efficiency.

The made analysis of designs of existing devices of giving of sand in a place of contact of a wheel with a rail has shown, that all of them have a number of essential lacks. Most essential of them: - the fixed efficiency and absence of possibility of regulation of speed of movement of particles of sand depending on speed of movement of the locomotive. In work the design of the device for sand giving in area of contact of a wheel with a rail which provides possibility of regulation of quantity of sand and speed of movement of its particles, depending on a mode of operation of the locomotive, for maintenance of stability of its traction characteristics is offered. Experimental researches of influence of separate design data of the device on efficiency of delivery of sand in area of contact of a wheel with a rail have been executed.

Theoretical researches of movement of particles of sand on a way to a place of contact of a wheel with a rail have been executed. Has received the further development mathematical modelling of movement of particles of sand under the influence of air stream. Existing mathematical models of movement of particles of sand in an air stream with the account of is constructive-regime features of systems of giving of sand of locomotives are improved. At interaction of particles of sand with a high-speed stream of air compressibility of air is considered. At calculations of parameters of movement of particles of sand in space behind an exhaust outlet of the channel of giving of sand, experimentally measured sizes of average speed of a stream and speed of particles of sand have been used.

Are executed theoretical and experimental researches of influence of fractional structure of used sand on efficiency of its delivery in area of contact of a wheel with a rail. Recommendations about fractional structure of used sand depending on speed of movement of the locomotive and existing weather conditions are formulated.

Experimental measurement of speed of movement of particles of sand of separate fractions on an exit from the channel of giving of sand with photographing use has been executed. Connection between average speed of particles of sand of narrow fractions and average speed of movement of a transporting stream of air is established.

Operational characteristics of the offered device for sand giving in area of contact of a wheel with a rail on laboratory model have been defined.

Keywords: the locomotive, a wheel, a rail, a sand particle, speed, a sand injector, air stream.

Підписано до друку 19.11.2010

Формат 60Ч90 1/16. Папір типограф. Гарнітура Times New Roman.

Друк офсетний. Умов. друк. арк..0,9.

Тираж 100 прим. Вид № №2512. Замовл. № 995

Видавництво Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля

Свід. про регістр. серія ДК № 1620 від 18.12.2003

Адреса видавництва: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Телефон 8(0642)41-34-12

Факс 8(0642)41-31-60

E-mail uni@snu.edu.ua

http://snu.edu.ua

Размещено на Allbest.ru

...