В В Бугаенко - Дослідження ефективності доставки абразивного матеріалу в область контакту колеса локомотива з рейкою - страница 1

Страницы:
1  2  3 

УДК 621.891:539.3

Бугаенко В.В.

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ДОСТАВКИ АБРАЗИВНОГО МАТЕРІАЛУ В ОБЛАСТЬ КОНТАКТУ КОЛЕСА ЛОКОМОТИВА З РЕЙКОЮ

Розглянутий процес взаємодії часток піску з потоком транспортуючого повітря на початковій ділянці каналу подачі піску і в просторі між вихідним отвором каналу і місцем контакту колеса з рейкою. Розроблені математичні моделі руху часток на цих етапах, розраховані траєкторії їх руху. Проведені експериментальні дослідження залежності непродуктивних витрат піску від його гранулометричного складу і відстані вихідного отвору каналу подачі піску до місця контакту колеса з рейкою. На підставі отриманих результатів дані рекомендації по підбору гранулометричного складу піску для використання на тяговому складі залізниць. Рис. 9. Дж. 7

Ключові слова: пісок, частка, повітря, потік, струмінь, локомотив, швидкість, розмір.

Майже усі типи тягових транспортних засобів залізниць (в тому числі надсучасні високошвидкісні електропоїзди) оснащуються системами подачі піску, які забезпечують необхідний коефіцієнт зчеплення під час розгону потягу і при його гальмуванні. Час роботи систем подачі піску в загальному часі руху потягів складає більше 20 відсотків (в залежності від кліматичних та погодних умов).

Використання піску при експлуатації залізничного транспорту обумовлює такий виключно важливий його показник, як незалежність від погодних умов, що має особливе значення в конкурентній боротьбі залізниць з іншими засобами транспорту.

Важливою умовою ефективної роботи системи подачі піску є зниження втрат піску, що подається у місце контакту колеса локомотива з рейкою. На шляху від вихідного отвору системи подачі піску до місця контакту колеса з рейкою, частки піску взаємодіють із потоком транспортуючого повітря, що забезпечує переміщення піску а також, потоку, що набігає, швидкість якого визначається швидкістю руху локомотива та наявними погодними умовами. У зв'язку із цим, траєкторії руху часток перетерплюють зміни, яки залежать від параметрів потоку повітря, що забезпечує переміщення піску, швидкості руху локомотива, погодних умов й розмірів часток. Тому кількість часток піску, що попадають у місце контакту, істотно менше їх загальній кількості, поданою системою. За наявними даними, кількість піску, що не потрапляє у місце контакту, становить 20...80 % (залежно від режиму руху локомотива) від загальної кількості піску, що подається під колеса рухомого складу [1].

У зв'язку із цим виникає ряд проблем, основою яких є непродуктивна витрата піску:

- забруднення піском баластової призми рейкового шляху;

- підвищений рівень зношування робочих поверхонь коліс і рейок;

- зниження реалізованого коефіцієнта зчеплення коліс із рейками;

- економічні збитки від непродуктивної витрати піску.

Вирішення цих проблем можливо за умови підвищення ефективності роботи системи подачі піску, яка визначається співвідношенням кількості піску, що попадає в область контакту, до загальної кількості поданого піску.

Для підвищення ефективності роботи системи необхідно з'ясувати механізм взаємодії потоку повітря із частками піску в її каналах і за вихідним отвором каналу подачі піску.

Визначальними факторами, що впливають на величину й напрямок швидкості часток піску є їхні розміри й параметра потоку транспортуючого повітря.

Об'ємна концентрація піску, який знаходиться в потоці транспортуючого повітря, по результатам експериментальних досліджень, не перевищує одного відсотка У зв'язку з цим, їх впливом на формування поля швидкостей потоку повітря можна зневажити [2]. У цьому випадку, вивчення закономірностей руху піску в потоці повітря можна провести на основі аналізу закономірностей руху одиничних часток піску у відомім полі швидкостей транспортуючого повітряного потоку.

При аналізі руху часток піску були прийнято допущення, що частки не взаємодіють між собою.

При складанні рівнянь руху частки були врахований тільки сили ваги й сили гідродинамічної природи, що залежать тільки від осереднених значень параметрів повітряного потоку. При розмірах часток (б > 0,2мм), впливом турбулентних пульсацій на їх рух можна зневажити [3].

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. В сучасних пристроях для подачі піску використовується повітря під тиском 0,3...0,6 МПа. При таких значеннях тиску, швидкість потоку повітря на виході зсопла перебільшує значення 300 м/с. Такий же порядок має і відносна швидкість частки піску в початковий момент взаємодії зі струменем повітря. У зв'язку з цим, при розрахунках параметрів руху частки, необхідно враховувати стискальність повітря. Також необхідно враховувати відмінність форми частки піску від сферичної форми. Система рівнянь для розрахунку параметрів руху частки піску з урахуванням стискальності повітря і коефіцієнту форми виглядає наступним чином:

duPX    3 р dt      4   рР

<\Ju 2 py +(u - uPX )2 - (u - uPX )+g sin a

du Р

dt

3р

4    Pp-д

py

-g cosa +

4 р du

dy

-(u -      )-sgn y

(1)

де upx і upy- компоненти швидкості частки;

б - розмір частки;

u - швидкість потоку повітря;

а - кут нахилу вісі каналу до горизонту;

рі рр - питома маса повітря і частки піску, відповідно;

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

Визначення величини коефіцієнту гідравлічного опору V виконувалось з урахуванням стискальності повітря, при значеннях числа Рейнольдса Re>800. В цьому випадку була використана формула аналогічна формулі Ейлера для коефіцієнту гідравлічного опору тіла сферичної форми [4]:

k 2 ш = ЇДІ 1 +-M 2 1 2

(2)

де М - число Маха.

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

так:

M2 =

(u - uPX )2 + (uPY )2

(ao )2 - ((u - upx )2 + (upy )2

(3)

При    зниженні    швидкості руху частки піску    відносно    потоку повітря вплив

доданка — M2 швидко зменшується і формула для коефіцієнта гідравлічного опору приймає вигляд [5] V =1,1.

В діапазоні значень числа Рейнольдса 20<Re<800 для визначення коефіцієнта гідравлічного опору частки піску була використана формула [5]:

у =

4,36

Re02

(4)

Швидкість транспортуючого повітря визначалася для затопленого турбулентного струменя з урахуванням швидкості потоку повітря uc, який інжектується [6]:

0,3 + 0,14­

do

dO /2 + x-tg/2)

+uc

(5)

2

У

u

x

Розрахункова схема приведена на рис.1. Результати розрахунку (рис. 2) показують, що розгін частки піску відбувається досить швидко, при її взаємодії з частиною струменя повітря, яка має високу швидкість.

Рис. 1. Розрахункова схема

Не урахування стискальності повітря дає похибку при визначенні швидкості частки більш ніж 20%. Розрахована швидкість частки піску добре співпадає з експериментально визначеною швидкістю частки (експериментально визначена швидкість частки розміром 5 = 0,63 мм біля вихідного отвору каналу подачі піску становила 18,3 м/с).

Розраховані траєкторії часток піску (рис. 3) вказують на те, що відбуваються зіткнення часток піску зі стінками каналу по якому вони транспортуються, що підтверджується результатами експерименту.

20,0 18,0 16,0 14,0 о 12,0

ї 10,0 > 8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

0,000 0,001 0,002 0,003 0,004

t, с

Рис. 2. Результати розрахунку швидкості частки піску розміром 5= 0,63 мм (1 - з урахуванням стискальності повітря, 2 - без урахування стискальності)

3,0 2,0 1,0 0,0 2 -1,0 > -2,0 -3,0 -4,0 -5,0 -6,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

1

02

0 3

04

05

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X, мм

Рис. 3. Розраховані траєкторії частки піску розміром 5= 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 сил інерції і сил аеродинамічного походження. Математична модель складалася з системи диференціальних, допоміжних рівнянь і початкових умов, які були визначені експериментально.

duPX    3      р    Г~2      /        \2~ / \

-= — і///u py +\u-uPX) -(u-uPXj+gsma

dt     4   pP -8

duPY      3 р —— = — iff—-— dt       4   pP -8

2 py +(u - upx )2 - u

PY -gcosa +

4р

du

- + Q)

(6)де w - 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 а =-

2 ■ u

pxo

8

Коефіцієнт гідравлічного Рейнольдса [5]:

опору частки

4,36

визначався в залежності від значення числа

ц = —— , якщо 20<Re<800,

Re0,2

4J = 1,1 при Re>800.

Для визначення швидкості повітря в струмені транспортуючого потоку, в залежності від координат знаходження частки, була використана формула [7]

u0

г

0,3 + 0,14 ■

do

d/2 + x tg(pll)

(7)

Значення  кута  розширення струменя експериментально визначеного співвідношення

повітря

u

Ф = 1Ґ20 приймалося виходячи з = 1,1 на виході з каналу подачі піску [7].

Значення швидкості повітря u0 приймалось рівним середньої швидкості повітря у вихідному отворі каналу подачі піску ucp. Нижче (рис. 4) приведені розраховані траєкторії часток піску різних розмірів.

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

Були виконані експериментальні дослідження ефективності доставки піску у місце контакту колеса з рейкою.

Також  були   проведені   дослідження   впливу  довжини   каналу   подачі   піску, його

гранулометричного складу на ККД доставки піску у

40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40

 

 

У

 

 

 

z

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^,-

 

 

 

 

\

 

 

6 = 1,6 мм

X, мм

(а)

20 10 0 -10 -20 -30 -40

 

 

 

 

 

-

^

 

■^г-

-—7

 

 

 

 

 

^

^---^

 

___----'

 

< К

 

а?—\_3

 

1

Ю 50

 

 

 

 

 

 

^—

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

В В Бугаенко - Дослідження ефективності доставки абразивного матеріалу в область контакту колеса локомотива з рейкою