Управление газодинамическими и теплообменными процессами в пневматических системах подвижного состава для интенсификации влагоосаждения с помощью жалюзийных сепараторов

Актуальность темы

Современные и перспективные условия работы железнодорожного транспорта связаны с увеличением скоростей движения, а также веса, длины магистрального подвижного состава и уклонов при работе локомотивов в карьерах. Тенденции развития современного железнодорожного транспорта таковы, что организация эффективного и безопасного перевозочного процесса невозможна без надежной работы пневматических систем локомотивов, в практике эксплуатации которых возникают нарушения нормального режима работы, обусловленные наличием водяных паров в сжатом воздухе [1−7]. Их конденсация вызывает интенсивное образование ржавчины в осенне-зимний период, перемерзание магистралей и тормозных приборов, что реально угрожает безопасности движения, приводит к простою локомотивов, материальным ущербам.

В последнее десятилетие в связи с общим ухудшением экономического состояния в отрасли и, как следствие, отсутствием возможности внедрения новых технологий очистки сжатого воздуха, отвечающих критериям эффективности, надежности, экономичности, экологичности, минимизирующим влияние «человеческого фактора» — ошибок персонала, количество случаев отказов пневмооборудования по причине перемерзания увеличилось до критических величин. Так, например, количество отказов пневматического оборудования и перемерзание магистралей тягового подвижного состава только по Северо-Кавказской железной дороге в среднем составляет 390 случаев, по Восточно-Сибирской-510, по ЮжноУральской — 46, по Юго-Восточной — 38 [8, 80, 88, 89, 94, 95]. По ЗападноСибирской железной дороге ежегодные отказы тормозного оборудования по электровозам BJI10 составляют [80, 88, 89, 94, 95, 211]: краны для продувки главных резервуаров — 325- напорная магистраль -111- трубки к манометрам и песочницам — 283;

4 блокировка У сл. № 367 — 47- тормозная магистраль -33- тормозные цилиндры — 29- кран машиниста — 30.

Несмотря на многочисленные исследования, проводимые в области разработки технологии осушки сжатого воздуха от влаги, у специалистов нет единого мнения о том, какая технология является более приемлимой на подвижном составе.

Общеизвестно, что в существующих пневматических системах сжатый воздух на выходе из последнего главного резервуара перегрет относительно температуры окружающей среды на 8−10° С в теплонапряженных режимах [5]. Его дальнейше охлаждение и приводит к конденсации влаги. Многочисленными наблюдениями за продуваемым из главных резервуаров воздухом установлено, что сконденсированная влага находится в капельно-дисперсном состоянии (состоянии тумана) [8].

Из сказанного следует, что в пневмосистемах локомотива величина поверхности охлаждения должна быть увеличена [11].

Учитывая современный уровень развития методов расчета газодинамических процессов и вычислительной техники, а также актуальность поднимаемой в работе проблемы, представляется возможным постановка задачи о создании математической модели течения газа в цилиндрической трубе, которая позволит получить зависимость распределения температур по длине магистрали от величины поверхности охлаждения, дать качественную и количественную оценку исследуемых явлений.

Создание такой модели вооружит проектировщиков высокоэффективным инструментом управления качеством сжатого воздуха на этапах проектирования пневмосистем локомотивов подвижного состава.

Следовательно, разработка и внедрение современных технологий осушки сжатого воздуха на основе математического моделирования с учетом законов газодинамики, является актуальными и тесно связаны с проблемой создания современных отечественных локомотивов, что отражено в Постановлении Правительства Российской Федерации от 23.11.1996 года № 1400 О федеральной целевой программе «Разработка и производство подвижного состава нового поколения на предприятиях России (1996;2005 годы)» и «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте».

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является создание эффективной технологии осушки сжатого воздуха для пневмосистем локомотивов на основе разработанной математической модели течения газа в цилиндрической трубе и создания на ее основе конструкции, обеспечивающей реализацию предлагаемой технологии с обоснованием ее с позиций ресурсосбережения и охраны окружающей среды.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи: определить критерии оценки технологии осушки сжатого воздуха на подвижном составеразработать математическую модель, основанную на описании газодинамических процессов течения сжатого воздуха в цилиндрической трубе, позволяющую рассчитывать температурные режимы пневмосистем подвижного состава в зависимости от величины поверхности охлаждения и на стадии проектирования управлять качеством сжатого воздухана основе разработанной теории создать конструкцию главных резервуаров с жалюзийными сепараторами для реализации технологии механической осушки сжатого воздухавыполнить расчеты по определению температур точки росы, 'Л' координаты начальной точки конденсации и количеству осаждаемой влаги полыми главными резервуарами и с жалюзийными сепараторами для различных температур наружного воздуха и режимов работы компрессорапровести обоснование предлагаемой технологии осушки сжатого воздуха, основанное на принципах ресурсосбережения и экологичности.

Научная новизна. Новизна научных результатов, изложенных в диссертации заключается в следующем:

— создана математическая модель течения газа в цилиндрической трубе применительно к пневмосистемам подвижного состава;

— разработан аналитический метод решения задачи о движении газа в круглой цилиндрической трубе на основе полных нелинейных стационарных уравнений Навье-Стокса;

— решен комплекс задач по определению полей скоростей, давлений и массовых секундных расходов газа через любое сечение цилиндрических труб;

— на основе созданной автором математической модели решена задача по * определению поля температур в функции величины поверхности охлаждениярешение получено в виде инженерной формулы, что позволяет рекомендовать ее для широкого использования при проектировании пневмосистем локомотивов;

— по результатам теоретических разработок создана конструкция жалюзийных сепараторов, выполненная на уровне изобретения;

— в работе доказано преимущество механического способа осушки сжатого воздуха с помощью жалюзийных сепараторов над адсорбционным с позиции ресурсосбережения и охраны окружающей среды;

— универсальность полученной математической модели позволяет реализовать технологию механической осушки сжатого воздуха для любых пневмосистем локомотивов.

Методы исследования и достоверность полученных результатов.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также полученных результатов обеспечивается: а) использованием фундаментальных принципов и методов газодинамики и математикиб) достоверность расчетных результатов подтверждена сравнением с данными экспериментальных исследований, приведенными в работе, а также представленными в литературных источникахв) критическим обсуждением результатов работы с экспертами по локомотивостроению — ведущими специалистами ВНИИЖТа, ВЭлНИИ, ACTO, НПО «ДЭВЗ».

Практическая значимость и внедрение. Полученные в работе результаты имеют практическое значение при решении конкретных задач проектирования пневмосистем современных образцов грузовых, пассажирских, грузо-пассажирских, а также локомотивов карьерного транспорта. Разработанная на основе теоретических расчетов конструкция жалюзийных сепараторов, выполненная на уровне изобретения позволяет надежно защитить приборы и магистрали от перемерзания и имеет положительный опыт 19-летней эксплуатации на локомотивах карьерного и магистрального транспорта России и стран СНГ.

Главные резервуары с жалюзийными сепараторами установлены на магистральных локомотивах ДЭ1, выпускаемых НПО «ДЭВЗ» (Украина), ДСЗ, выпускаемых НПО «ДЭВЗ» (Украина) совместно с фирмой «Сименс» (Германия), локомотивах карьерного транспорта типа ПЭ2М, ОПЭ1А, ОПЭ1Б, ОПЭ1АМ.

В настоящее время в рамках договора между РГУПС и СКЖД № 419 от М' 01.01.2000 года «Повышение влагоосаждающей способности главных резервуаров локомотивов» проводится работа по оборудованию локомотивного парка СКЖД жалюзийными сепараторами.

Проведено сравнение материалои ресурсоемкости, а также экологичности выбранной технологии с адсорбционной осушкой сжатого воздуха.

По результатам1 некоторых разделов1 работы написаны учебно-методические пособия внедренные в учебный процесс.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на ежегодных международных научно — технических конференциях «Проблемы механики железнодорожного транспорта» (г.Днепропетровск, 1995 г.), «Проблемы развития локомотивостроения» (г.Москва, 1996 г.), «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (г.Новочеркасск, 1997 г., 2000 г.), «Проблемы рельсового транспорта» (Крым, 1999 г., 2000 г., 2001 г.), «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 2000 г.), «Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию регионов» (г.Вологда, 2001 г.), «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса Юга России» (г.Ростов-на-Дону 2001 г.), на заседаниях ACTO, НТС НПО «ДЭВЗ» (Украина) и ОАО «Трансмаш» (г. Москва).

Работа доложена и обсуждена на совместном заседании кафедр «В и ВХ», «Л и ЛХ», «ЭПС», «БЖД», «ТЭЖТ» РГУПСа, на докторском совете РГУПСа, на кафедре «Локомотивы» СамИИТа, на заседании автотормозного отделения ВНИИЖТа, на НТС ОАО «Лебединский горнообогатительный комбинат».

Публикации. По теме диссертации имеется 36 публикаций.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 271 странице основного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения и 4 приложений.

Список литературы

содержит 231 наименование.