автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Пневмотранспортная машина для уборки снега с междупутий станций

СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ _ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ_

Н^^ 19"''''" Ня правах рукописи

ГЛОТОВ Виктор Анатольевич

ПНЕВМОТРАНСПОРТНАЯ МАШИНА ДЛЯ УБОРКИ СНЕГА С МЕЖДУПУТИЙ СТАНЦИЙ

Специальность 05.22. 06 — Железнодорожный путь

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК 1995

Работа выполнена в Сибирской государственной академии путей сообщения.

Научный руководитель

Кандидат технических наук, профессор Н. Б. Мокин

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор A.A. Комаров

Кандидат технических наук А.Р. Гербер

Ведущая организация: Московский государственный университет путей сообщения.

Защита состоится " / " г. ч мин

на заседании специализированного^совета К114.02.02 в Сибирской государственной академии путей сообщения по адресу: 630023, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191

Автореферат разослан " ЯУ " 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета

д-р техн. наук, проф. В.А. Грищенко

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность работы

В зимний период при снегопадах и метелях понижается перерабатывающая способность станций, происходит перенасыщение их подвижным составом, ухудшается маневренность снегоуборочной техники, что еще больше усложняет работу станций. Это приводит к избыточному насыщению участков поездами, затрудняет их передвижение, а при длительных экстремальных погодных условиях и непринятии своевременных мер часто приводит к транспортным пробкам с последующим длительным восстановлением нормального ритма движения.

На сети дорог эксплуатируется около 1000 снегоуборочных машин, закрепленных в основном за сортировочными, пассажирскими и крупными участковыми станциями. На станциях расходуется до 80 % средств, затрачиваемых на снегоборьбу. И все же здесь происходит 99 % сбоев в движении из-за снегопадов и метелей.

Ежесуточно для обеспечения работоспособности стрелок во время снегопадов привлекается 20...30 тыс. чел. Это объясняется тем, что уборка снега и засорителей с междупутий, особенно в горловинах, около стрелочных переводов практически не механизирована и требует значительных затрат ручного труда. Накапливающиеся на междупутьях валы снега (высотою до 1 м п более) способствуют интенсивному заносу пути при последующих снегопадах и метелях. Этот снег периодически вручную перебрасывают на путь, откуда его забирают снегоуборочной машиной СМ-2. Работа людей в опасной зоне приводит к несчастным случаям.

Создание средств механизации для уборки снега с междупутий затруднено наличием здесь целого ряда устройств (приводы стрелочных переводов, светофоры и др.), препятствующих перемещению рабочих органов. Нужны нетрадиционные методы уборки. Необходимо, чтобы машина занимала горловину непродолжительное время (менее 10 мин) и обеспечивала захват не менее ширины междупутья.

1.2. Цель работы

Разработка и исследование пневмотранспортной машины с установкой всасывающего типа для уборки снега с междупутий станций, преимущественно в их горловинах.

С этой целью были поставлены следующие задачи: разработка принципиальной схемы машины и определение ее основных параметров;

исследование свойств снега как объекта фрезерования, транспортирования и осаждения;

аналитическое исследование движения в воздушном потоке частиц снега, обладающих начальной скоростью;

разработка методики расчета параметров снегоуборочной пневмотранспортной системы всасывающего типа;

исследование эффективности гравитационного осаждения снега и определение размеров осадительной камеры;

экспериментальная проверка результатов теоретических исследований.

1.3. Методика исследования

Работа основана на анализе и обобщении отечественного и зарубежного опыта разработки и эксплуатации снего- и подметально-уборочных машин, на теоретических и экспериментальных исследованиях.

Теоретические исследования основываются на анализе свойств убираемого снега и установлении характеристик транспортируемых частиц. Моделирование процесса гравитационного осаждения проводилось с использованием аппарата гидромеханики и вероятностного метода определения концентрации аэрозоля. Определение параметров пневмотранспорта снега выполнено на основе методик, использующих принцип разделения общих потерь давления в системе на независимые составляющие.

Достоверность полученных результатов оценивалась сравнением расчетных данных с фактическими, полученными на специально созданной установке.

1.4. Научная новизна

Разработана пневмотранспортная машина всасывающего типа для уборки снега с междупутий станций. Получены аналитические зависимости скорости движения и перемещения частиц, обладающих начальной скоростью, в горизонтальном трубопроводе и осадительной камере, а также зависимость для определения конечной

скорости падения пылевидных частиц транспортируемого снега.

Предложена методика расчета основных параметров пнев-мотранспортной установки всасывающего типа с короткой трассой.

1.5. Практическая ценность работы

Разработанная машина убирает снег с междупутий станций, включая горловины.

Исследования пневмотранспорта и гравитационного осаждения снега могут быть использованы для расчета и разработки систем всасывающего и нагнетательного типов.

1.6. Реализация результатов работы

По результатам исследований разработан технический проект машины. В настоящее время по согласованию с МПС и совместно с ЦКБ " Путьмаш" ведется доработка рабочей документации для изготовления опытного образца машины.

1.7. Апробация работы

Основное содержание работы, а также отдельные ее положения и разделы докладывались и были одобрены на научно-технической конференции "Транссиб и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте" (Новосибирск, НИИЖТ, 1991 г.), техническом совещании Главного управления пути МПС (1995 г.), техническом совете Службы пути Западно-Сибирской железной дороги (1988, 1991 г.г.), заседаниях кафедры "Механизация путевых, по-грузочно-разгрузочных и строительных работ" НИИЖТа (1987, 1989 г.г.).

1.8. Публикации

По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, получен один патент.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Анализ средств механизации для уборки снега со станционных путей и междупутий

Работа по созданию снегоуборочных средств для железных дорог была начата еще в конце прошлого века. В 1879 г. инженер С.С. Гендель построил плуговой снегоочиститель, а машинист Беренс в том же году продемонстрировал первую модель роторного снегоочистителя. В 80-90 гг. на дорогах России работали снегоочистители

инженеров Лобачевского, Якубенко, Бурковского. В 1910 г. инженером А.Н. Шумиловым разработан проект снегоуборочной машины с транспортерной подачей снега на платформы.

В послевоенные годы для удаления снега с путей создан большой парк машин, в разработке которых приняли участие коллективы ПТКБ ЦП, ВНИИЖТа, ЦУМЗ и других организаций. Наибольшую известность получили разработки инженеров М.Ф. Гавриченко, В.Х. Балашенко, И.Н. Федотова, снеготаялки системы Б.Н. Арутюнова, воздуходувки инж. Ф.С. Беличенко, газовые обогреватели системы И.Д. Букшпуна.

Вопросы кинематики, энергоемкости, производительности рабочих и загрузочных устройств рассмотрены в работах проф. С.А. Соломонова (МИИТ), О.Н. Буковца (Минское НПТ "Дормаш"), Ю.Н. Орлова (Академия коммунального хозяйства им. Памфилова), проф. Н.В. Мокина и доц. А.П. Филатова (СГАПС).

На дорогах Европы широко применяются снегоочистители и снегоуборщики фирм "Шмидт" (ФРГ), "Рольба" (Швейцария), "Генцель" (Норвегия), "Вильмет" (Финляндия), "Джордан" (Швеция); Северной Америки — машины типа "Расил", фирм "Тэкон Индастриз", "Брос Бойлер", "Этей", "Кершо", "Тампер"; в Японии— снегопогрузчики ЬБЛи и снегоочистители МС11-1500 и У-2-У.

На зарубежных, дорогах широко распространены машины на комбинированном ходу, навесные устройства, гидравлический привод и самоходность. Исследуются такие нетрадиционные методы очистки, как использование водяных струй (непрерывных и ударных), ультразвука, транспортно-очистительных средств на воздушной подушке, источников света высокой интенсивности и др.

На отечественных дорогах широко применяется метод выдувания снега с пути.

Большой практический интерес представляет метод механического разрушения снега или засорителей с транспортированием их в накопительную емкость посредством воздушного потока по трубам.

2.2. Выбор принципиальной схемы машины

Обязательным условием организации снегоуборочных работ является соблюдение графика движения поездов и запланированного режима маневровой работы. Опыт эксплуатации машин типа СМ-2 показывает, что в условиях интенсивного движения поездов она работает на станции около 6...8 мин в течение 1 ч, остальное время находится в ожидании маршрута. Очистить междупутья у

одного стрелочного перевода за это время может машина с технической производительностью 120 т/ч.

Трудности создания рабочего оборудования для уборки снега с междупутий предопределены тем, что здесь расположены различные устройства, весьма важные для работы станций и обеспечения безопасности движения. Для уборки снега вокруг них нужен рабочий орган с податливой (гибкой) режущей частью н возможностью точных перемещений в нескольких направлениях. В качестве рабочего органа может быть принята цилиндрическая щетка с тросовыми лопастями.

Из условий ограничения массы и габаритов диаметр рабочего органа принят 0,8 м. Ширина рабочего органа (0,8 м) определена из условия обеспечения производительности 120 т/ч, при толщине убираемого слоя 0,3 м.

Для работы щеточного органа на междупутье требуется специальная подвеска или манипулятор с необходимым числом степеней свободы, а также гибкая, геометрически изменяемая трасса передачи снега от места его забора до осадительном емкости. Манипулятор перемещает щетку по ширине междупутья, вверх-вниз (для "перешагивания" препятствий и регулирования толщины срезаемого слоя), а также переводит ее на противоположное междупутье. Перемещать рабочий орган вдоль междупутья можно рабочим ходом машины. Это обеспечивает непрерывность уборки, упрощает конструкцию связи щетки и трассы с емкостью, но усложняет управление движением машины (поезда), требует защитных мер и устройств для предотвращения наезда щеткой на препятствия (устройства), расположенные на междупутье.

Для безопасного обхода препятствий скорость машины принята 0,55 м/с, величина поперечного хода манипулятора (1,2 м) определена из условия обеспечения ширины очищаемой полосы — 2,8 м. Угол отклонения всасывающего трубопровода и рабочего органа принят 45° (из условия "перешагивания" препятствий высотой 1 м). Вертикальное перемещение рабочего органа за счет телескопично-сти всасывающего трубопровода принято 0,5 м.

Скорости телескопического подъема и отворота равны максимальной скорости рабочего хода машины (0,55 м/с).

Гибкость трассы при перемещении сыпучего груза наилучшим образом обеспечивает пневмотранспорт. Он конструктивно прост, но имеет высокую энергоемкость, повышенный износ трубопроводов при работе с абразивными материалами, склонность к залипа-нию отдельных видов груза в трубопроводах..

В целях снижения энергоемкости процесса применяется схема пневмотранспорта всасывающего типа — в трассу включена герметичная емкость для отделения снега от ррздушного потока. Выбор данной схемы оправдан еще и тем, что она позволяет при установке фильтров в емкости использовать машину в летний период для уборки засорителей с междупутий.

Для повышения производительности машины и предотвращения накапливания в емкости снега, теряющего сыпучие свойства, решено уборку и перегрузку снега в накопительную емкость вести одновременно и непрерывно; в схему включить шлюзовые устройства, обеспечивающие герметичность осадительной емкости при разгрузке, и конвейер (скребковый) — для подачи к ним груза.

Принципиальная схема машины показана на рис. 1.

/ г 3 4 5

Рис. 1. Схема общего устройства машины: 1 —осадительная емкость; 2 — конвейер скребковый; 3 — фильтры (устанавливаются летом при уборке засорителей); -/ — вентилятор: 5 — конвейер перегрузочный; 6 — накопительный полувагон; 7—силовая установка; 8 — платформа; 9 —шлюзы; 10 — заборный орсан в рабочем положении; 11 — заборный орган в транспортном положении

На четырехосной платформе размещены силовая установка, оса-дительная емкость и перегрузочный конвейер. На передней части осадительной емкости смонтирован с возможностью поперечного перемещения манипулятор со всасывающим трубопроводом и заборным органом, выполненным в виде цилиндрической тросовой щетки. Внутри осадительной емкости размещен скребковый конвей-

ер, под ее дном — шлюзы, а у заднего торца — вентилятор. Спереди машина имеет кабину управления.

Машина сцеплена с накопительным полувагоном (концевым саморазгружающимся полувагоном снегоуборочного поезда СМ-2). Передвижение машины осуществляется локомотивом. Если скорость поезда превысит 2 км/ч, то автоматически срабатывает тормозная система и поезд останавливается.

При работе манипулятор устанавливают поперек пути, щетку — на необходимое расстояние от конца шпал и на высоту, зависящую от толщины снежного покрова. Тросовыми лопастями рабочий орган режет снег, вбрасывает его во всасывающий трубопровод, откуда потоком воздуха снег уносится в осадительную емкость. В емкости скорость воздуха уменьшается, снег выпадает из потока, захватывается скребками конвейера и попадает к шлюзам, перегружается на транспортер и далее—в накопительный полувагон.

Если рабочий орган встретит препятствие на междупутье и касательное (горизонтальное) сопротивление на щетке станет больше номинальной силы резания в 1,4 раза (700 И), то срабатывает автоматическое устройство, отводящее рабочий орган в противоположную по сравнению с направлением движения поезда сторону.

Для обхода встречающихся на междупутье препятствий (светофоров, приводов стрелочных переводов и др.) кроме отворота используется телескопический подъем рабочего органа, а также поперечный сдвиг манипулятора.

2.3. Гравитационное осаждение снега в емкости машины

Из воздушного потока в системе машины снег отделяется гравитационным осаждением, так как другие способы (в фильтрах, циклонах) не приемлемы из-за специфических свойств снега (слипания, смерзания и т.д.). Осадительные камеры, как правило, . имеют большие размеры. Для определения ее рациональных размеров проведено математическое моделирование процессов транспортирования и осаждения частиц снега разных размеров и плотности.

Предварительно принимается: частицы имеют шарообразную форму, а движения их в камере по вертикали и горизонтали осуществляются независимо.

При выполнении математического моделирования использована расчетная схема (рис. 2).

На вертикальном участке трубопровода (начальный участок движения) скорость воздуха постепенно повышается и не оказывает заметного влияния на частицы. Поэтому принято, что разгон

частиц начинается в горизонтальной части трубопровода (Ув° = const), куда они попадают с начальной скоростью, равной окружной скорости щетки (10 м/с). В конце трубопровода скорость частиц увеличивается. В камере воздушный поток расширяется — на начальном участке скорость воздуха на оси струи постоянна (площадки с постоянной скоростью уменьшаются), на основ-

Рис. 2. Расчетная схема к определению величины горизонтального перемещения частиц в осадителыюй камере: 1г — длина горизонтального участка всасывающего трубопровода, м; 7У —длина начального участка воздушной струн в осадителыюй камере, м; 1„ — длина основного учасша струп, м; /, —длина участка осаждения частиц, м; Уч°—начальная скорость частиц в транспортном трубопроводе, м/с; Г„" — скорость воздуха в транспортном трубопроводе, м/с; — скорость горизонтального движения частицы, м/с; V,-—конечная скорость падения частицы, м/с; У, —скорость вертикально-, го движения частицы, м/с; V„ — скорость воздуха в осадителыюй камере, м/с; К, — скорость частиц на выходе из трубопровода, м/с; Хо— горизонтальное перемещение частиц на начальном участке струи, м; X—горизонтальное перемещение частиц па основном участке струи, м; X,- — горизонтальное перемещение частиц за промежуток времени А1 (А1=сот1) на основном участке струи, м; У—вертикальное перемещение частиц при ускоренном падении, м; КА. — вертикальное перемещение частиц с конечной скоростью падения Ук, м; Го.5у — ордината точек, в которых скорость воздушной струи равна половине от ее значения на оси в данном сечении, м; Ят - расстояние от оси всасывающего трубопровода до дна емкости, м; О — диаметр трубопровода, м; Л — вертикальное перемещение частиц от начала выпадения их из потока до касания дна емкости, м

ном —падает. Частицы тормозятся, а когда сила воздушного потока становится недостаточной для их надежного транспортирования (Ув <1,5 Ук), то выпадают из потока под действием собственного веса. При достижении конечной скорости падения Ук частицы осаждаются равномерно.

Вертикальное перемещение частиц и их скорость определялись по известным зависимостям для случая, когда начальная скорость частиц по вертикали равна нулю.

Уравнение горизонтального движения:

х лпг

т— = \ИКс——У„, (1)

Л 4

где Кс — коэффициент аэродинамического сопротивления; — диаметр частиц м; У,х— относительная скорость частиц (У„ - Ух), м/с.

Решением уравнения (для начальных условий I = О, УХ=У,„ Х=0) получены зависимости для определения скорости движения Ух и горизонтального перемещения X частиц, обладающих начальной скоростью Уч:

у =1 К+Ь'(У?-УвУч)

Ы(У„- у„) + 1 '

(3)

где Ь- ЪKcpJAd,pч (р„— плотность воздуха, кг/м3, рч— плотность частицы, кг/м3); Ъ — Ы (У„ -Уч) + 1.

Конечная скорость падения частиц определялась по номограмме профессора Б.Н. Лобаева.

Расчеты произведены как для данной схемы (рис.2), так и для случая рассеивания потока специальным устройством при следующих условиях: 7/т = 2,5 м; £> = 0,31 м; Уч" = 10 м/с; У„° = 20 м/с; /г = = 2,47 м.

Выполненные расчеты показывают:

а) участок осаждения / пылевидных частиц (с1ч< 1 мм) при действии свободной воздушной струи составляет 11,4...32,2 м (для частиц (1Ч < 0,2 мм / > 32,2 м), причем большую часть пути частицы перемещаются, не выпадая из потока; участок осаждения зернистых частиц (¿ч= 1...10 мм) — 5,9...10,3 м;

б) установка гасителя потока резко сокращает участок осаждения пылевидных и несколько уменьшает участок осаждения зернистых частиц. При его установке на расстоянии 0t94 м от торца трубопровода длину камеры можно принять равной 6 м;

в) из-за сильной турбулентности потока в камере, вызванной ее малыми габаритами и наличием гасителя, необходимо проведение дополнительных расчетов по определению эффективности осаждения пылевидных частиц.

Эффективность осаждения пылевидной части снега (d4 < 1 мм) при наличии турбулентности потока и V„ = const определяется фракционным составом и конечной скоростью падения частиц. Так как с течением времени под влиянием нагрузок и колебаний температуры частицы изменяют форму и размеры, определение этих характеристик затруднительно.

Фракционный состав снежной массы, осаждаемой в емкости, зависит как от типа убираемого снега, так и от степени его разрушения при фрезеровании н транспортировании. Как показал проведенный анализ, машина не разрушает самих кристаллов, а разрушает лишь связи между ними, поэтому пылевидная фракция (d„ < 1 мм) состоит в основном из зерен мелкозернистого снега и обломков свежевыпавших кристаллов. Доля последних не может быть велика, так как при использовании создаваемой машины предполагается уборка лежалого снега (периодичность уборки снежных валков — несколько суток).

При анализе формы кристаллов, полученных в процессе опытов, установлены их аналоги по классификации, разработанной Магоно и Ли, для которых расчетом по известным зависимостям получены значения конечных скоростей падения в зависимости от диаметра. В результате обработки данных значений методом регрессионного анализа получена осредненная зависимость для расчета конечных скоростей падения VK пылевидных частиц.снега, м/с:

VK = 0,213 + 1,0714,, (4)

где el,, — диаметр наименьшей окружности, описанной вокруг частицы, мм.

При использовании формулы (4) можно не определять форму и плотность частиц.

Для определения количественного соотношения между пылевидными (ls < 1 мм) и более крупными (1 < 4 < 20 мм) фракциями сухого фрезерованного снега проведен ряд экспериментов по получе-

нию картины осаждения его в накопительной емкости (при наличии гасителя потока).

Наблюдалось образование сугроба с вершиной, расположенной на расстоянии 1,35 м от передней стенки емкости. Прослеживалась четкая граница на расстоянии 3 м, далее которой снег отлагался равномерно (толщиной около 0,01 м).

Из соотношения объемов снега, осаждаемого на первых трех метрах и остальной длине камеры, установлено, что 3...5 % сухой снежной массы в зимний период в процессе фрезерования и транспортирования по трубам превращается в пылевидную фракцию.

Получен гранулометрический состав пылевидной части осажденного в емкости снега, плотность которого до уборки составляла 365...453 кг/м3. Установлено, что наиболее близкие составы имеют нефрезерованный метелевый снег (просеивание 5 мин) и свежевы-павший мелкозернистый (просеивание 15 мин). Их составы могут быть использованы при определении эффективности осаждения снега плотностью 150...350 кг/м3.

По полученным данным рассчитана эффективность осаждения пылевидной части снега с использованием парциальных коэффициентов очистки (осаждения) различных фракций т|„:

где г - число точек, для которых рассчитывается концентрация частиц; пк - отношение концентрации частиц данного размера в расчетной точке выходного сечения камеры к их концентрации во входном сечении.

Расчеты показали, что при установке отражателя, длине камеры б м, высоте 3 м, скорости воздуха 0,60 м/с эффективность осаждения сухой снежной массы в зимний период составляет 99,8 %. При этом эффективность осаждения пылевидной фракции по расчету состав-' ляет 96,2 %, по экспериментам — 94,5%. Расчетом получено: при скорости воздуха < 0,3 м/с можно добиться практически полного осаждения даже легкого (свежего) снега.

2.4. Пневматическое транспортирование снега

По условиям компоновки манипулятора диаметр труб создаваемой машины принят 0,31 м, а скорость воздуха — 20 м/с. При этих данных расход воздуха составляет 1,509 м3/с (5430 м3 /ч).

(5)

о

Принят вентилятор ВЦ-6-28-6, 3-0,1 с расходом в номинальном режиме 1,944 м'/с (7000 м3 /ч) и давлением 7500 Па.

Режим работы воздуходувной установки в вентиляционной сети определяется графически при совместном рассмотрении характеристик сети и вентилятора. По аналогии с вентиляционной сетью использовано понятие характеристики сети пневмотранспортной системы машины при условии обеспечения заданной производительности по грузу (Я = const).

Расчетом по известной методике при транспортировании частиц снега со скоростью витания 1,5 м/с в трассе машины (диаметр трубопровода 0,31 м; длина горизонтального участка 2,65 м; высота подъема груза 2,5 м) получены параметры системы (рабочая точка, рис. 3): расход 1,11 м3/с (4000 м3/с), давление 7420 Па; скорость воздуха в трубопроводе 14,7 м/с.

Таким образом, скорость воздуха во всасывающем трубопроводе машины, полученная данным расчетом, недостаточна. Если ориентироваться только на расчет, то необходимо выбрать вентилятор с большим расходом воздуха в рабочей точке. Для корректировки параметров создаваемой машины проведена серия опытов на специально созданной установке (рис. 4). Тележку, загруженную снегом, перемещали к рабочему органу с заданной скоростью, лопасти которого срезали снег и вбрасывали его во всасывающий трубопровод. На входе в емкость поток ударялся в гаситель, расширялся, скорость воздуха уменьшалась до 0,58—0,62 м/с. При этом происходило интенсивное выпадение снега на дно емкости. Пылевидный снег уносился к задней стенке, а незначительная его часть — через вентилятор в атмосферу. Скорость тележки регулировалась изменением передаточного отношения привода тяговой лебедки.

Для измерения давления в емкости и на выходе из системы (при работе на чистом воздухе) использовался U-образный жидкостный манометр. Результаты экспериментов приведены в.табл.1.

Среднее значение динамического напора на выходе системы составило 1300 Па, средняя скорость потока — 44,4 м/с. Эти данные позволили определить рабочие точки системы (см. табл.2). Рабочий орган при работе на снеге плотностью до 450 кг/м3 вырезал слой толщиной 220 мм при различных скоростях тележки. При производительности установки до 100 т/ч вырезанный снег забирался системой в осадительную камеру. Переброс при производительности до 144 т/ч незначителен, и при 77=149...151 т/ч составил «5 %. Выброс снега в атмосферу через вентилятор <1 % (масса снега в уловителе 0,15 кг при 200 кг снега, осажденного в камере за один опыт).

О - расход Еоздуха, 103 м3/ч

Рис. 3. Аэродинамическая характеристика вентилятора ВЦ-28-6.3-0,1 и характеристики сети машины при производительности 120 т/ч Характеристики сети при транспортировании частиц снега:

I—, — I, = 1 мм (предварительный расчет Кит = 1,5 м/с); —4 = 2 мм; —/, = 5мм; -

— / = 10 мм

Рис. 4. Схема экспериментальной установки: /— манометры; 2—вентилятор; 3 — выходное колено; 4— вакуумная емкость; 5 — гаситель; б— всасывающий трубопровод; 7—рабочий орган; 8 —тележка

Таблица I

Результаты экспериментов

№ Плотность Температу- Скорость Произво- Скорость Снижение

п.п. снега, кг/м3 ра воздуха, тележки, дитель- воздуха, давления в

м/с ность, т/ч м/с камере, Па

1 — -9 — >32 1280

2 438 0 0.72 100 >32 4200

3 435 0 1,04 143 29..31 4520

4 238 -7 1,23 92,5 >32 4150

5 371 -6 1,23 144 31...31 4550

6 371 -6 1,23 144 31...32 4550

7 453 -4 1,23 151 >32 4050

8 405 -4 1,04 133 >32 4450

9 365 -4 1.04 120 >32 3890

10 387 -4 1,04 127 >32 3890

11 403 -5 0,72 92 >32 3800

12 416 -5 0,72 . 14,6 >32 3960

13 389 -5 0,72 . .149 30...31 4500

14 — -5 — — — 1270

Примечание. Опыты проводились при атмосферном давлении 100129...100726 Па.

При помощи экспериментальных данных проверена адекватность используемой методики и проведена ее корректировка. Установлено, что параметры частиц (г/, = 1 мм, Увит= 1,5 м/с, Уч = V,- Утт) требуют уточнения. В действительности преобладают более крупные частицы размером 2...20 мм со скоростями витания

Таблица 2

Параметры вентилятора при различных режимах работы установки

П, т/ч р,, кг/м3 2, м./ч Л/1, Па Р, Па Л кВт Ч

92,5 238 9550 4150 6240 24,5 0,68

92,0 403 10000 3800 6080 25,4 0,67

120,0 365 9900 3890 6130 25,1 0,68

151,0 453 9780 4050 6210 24,9 0,69

149,0 389 9150 4500 6400 23,3 0,71

Примечание. Др — падение давления в осадптелыюП камере (см. табл. 1).

2,9... 10,2 м/с. Скорость их в транспортном трубопроводе в 2...3 раза меньше скорости воздуха. Кроме того, в методике не учтено давление, необходимое для разгона воздуха за вентилятором.

Предложено: внести в методику зависимости для нахождения скорости частиц в транспортном трубопроводе (см. п. 2.3) и конечную скорость падения частиц размером 1...20 мм определять ло номограмме проф. Б.II. Лобаева. учесть потери на разгон воздуха за вентилятором.

После дополнения методики и изменения характеристики груза разница между экспериментальными и расчетными результатами по давлению уменьшилась с 22 до 2,5 %.

Для установления всасывающей способности машины при работе как на легком, так и уплотненном снеге, произведены расчеты для частиц с линейными размерами/г =2... 10 мм.

Как видно из рис. 3, машина обеспечивает транспортирование всех частиц фрезерованного снега при максимальном КПД воздуходувной установки (г| = 0,74... 0,75). Скорость воздуха в трубопроводе достаточна как для транспортирования сухого (V« > 1,5Кк), так и мокрого снега (Ув > 18 м/с).

2.5. Методика расчета основных параметров пневмотранспорпюн установки всасывающего типа

Методика позволяет определять основные параметры установки, предназначенной для перемещения фрезерованного снега по трассе длиною до 10 м. В качестве исходных данных необходимы минимально допустимая скорость транспортирования груза, предельная расходная концентрация потока, плотность, размер и форма транспортируемых частиц, их начальная скорость в трубопроводе. Методика может быть использована для расчета систем пневмотранспорта как снега, так и других сыпучих грузов.

Диаметр транспортного трубопровода определяется в зависимо-

сти от выбранной расходной концентрации снеговоздушного потока (9... 17 кг/кг), производительности установки и минимально до-иустимой скорости воздуха (18...20 м/с).

В методике использован принцип разделения полных потерь давления в системе Нг на независимые составляющие:

Н£ = Нв + Нр+ //„ + н„ + нвх + неых,

где Н, — сопротивление движению чистого воздуха; Нр— сопротивление разгону груза; Нм— сопротивление движению из-за трения груза о стенки трубы; Нп — сопротивление подъему груза; Нвх — сопротивление входов; Нвых — сопротивление выходов.

Скорость частиц в конце всасывающего трубопровода/'используется при нахождении сопротивления разгону груза Нл) определяется по зависимостям (2), (3) для выбранных значений расхода <2-Диаметр частиц ¿¡ч принимается: йч = 0,001 м для плотности снега рс= 100...200 кг/м3; г/„ = 0,002...0,003 м при рс = 200...300 кг/м3; йч = 0,005...0,010 м при рс = 300...450 кг/м3.

Снижение силы воздушного потока из-за наличия твердой фазы (груза) в трубопроводе учитывается снижением значения комплексного коэффициента Ь (см. формулы (2), (3)): в 2,5 раза при концентрации снего-воздушного потока ц < 3 кг/кг; в 3 раза при р = =3...8 кг/кг; в 4...5 раза при ц >10 кг/кг.

Скорость витания частиц Ук размером Ач = 1...10 мм определяется по номограмме проф. Б.Н. Лобаева без учета коэффициента формы Кф.

Определение характеристики сети установки производится по нескольким значениям полных потерь давления, рассчитанных для различных значений расхода воздуха. . . .

Выбор воздуходувной установки производится методом подбора таким образом, чтобы при наложении аэродинамической характеристики вентилятора на характеристику сети, построенную в том же масштабе, рабочая точка попадала в интервал максимальных значений КПД вентилятора, а значение скорости воздуха в трубопроводе удовлетворяло требованиям: К„ > 18 м/с и У„ > 1,5УК. При этом следует выбирать вентилятор с меньшей мощностью привода.

В рабочей точке аэродинамической характеристики воздуходувной установки определяют значения полного давления р, расхода воздуха <2 и мощности привода вентилятора Р.

2.6. Экспериментальные исследования отдельных систем создаваемой машины и использование полученных результатов при разработке технической документации

Большинство принципиальных решений, примененных в создаваемой машине, были опробированы на макетных образцах пнев-мотранспортной машины ПСМ-1 и ПСМ-1М, а также во время стендовых испытаний (см. п. 2.4). По результатам испытаний были уточнены характеристики машины, на основании которых разработан технический проект.

В 1988-91 гг. при участии автора на Западно-Сибирской железной дороге испытаны машины ПСМ-1 и ПСМ-1 М, имеющие пнев-мотранспортные системы комбинированного типа. На них опробированы такие конструктивные элементы, как рабочий орган, манипулятор, автоматическое устройство, обеспечивающее подъем рабочего органа и обход им скрытых в снегу препятствий (массив балласта, льда или лежащих в снегу одиночных шпал и рельсов).

Заложенные в машину принципиальные решения показали хорошую эффективность.

Стендовые испытания экспериментальной установки (см. рис. 4) показали, что использование всасывающей схемы пневмотранспорта позволяет увеличить производительность в 3...4 раза при повышении мощности привода на 25...30 % по сравнению с вариантом, в котором груз пропускали через вентилятор .

На основании выводов, сделанных по испытаниям макетных образцов машин ПСМ-1, ПСМ-1М и экспериментальной установки, при участии автора разработан технический проект универсальной пневмотранспортной машины с производительностью 120 т/ч снега. В техническом проекте реализована принципиальная схема, описанная в п. 2.2.

В качестве базы принята четырехосная платформа с дизель-генераторной группой снегоуборочной машины СМ-2.

Заборный орган выполнен в виде цилиндрической щетки с гибкими (тросовыми) лопастями, объединенными в восемнадцать двухлопастных кассет, размещенных равномерно по окружности по шесть штук на одной трети длины щетки.

Для ослабления ударного взаимодействия тросов с материалом и очищаемым основанием каждые 6 лопастей повернуты относительно предыдущих на 20°.

Манипулятор обеспечивает все необходимые перемещения рабочего органа (см. п. 2.2).

Величины каждого из указанных перемещений определены гео-

метрическими построениями, при этом учтены поперечные габариты машины, возможность размещения на манипуляторе всасывающего трубопровода диаметррм 0,31 м, получения очищаемой полосы, превышающей ширину самого широкого междупутья на станции, возможность обхода и "перешагивания" рабочим органом препятствий на междупутье (1 м).

Осадительная камера герметична. Верхняя ее часть в поперечном сечении вписывается в габарит подвижного состава Т-1, а нижняя — выполнена с учетом ширины перегрузочного конвейера. Камера имеет длину 6 м.

Скребковый конвейер расположен внутри осадительной камеры и служит для подачи груза к шлюзовым камерам, его производительность равна 120 т/ч.

Для облегчения монтажа, демонтажа и ремонтов предусмотрены четыре шлюзовые камеры: две передние, занимающие всю ширину днища вакуумной камеры, и две аналогичные задние. Шлюзовые камеры работают так, что когда две передние разгружаются, две задние — загружаются, и наоборот. Груз выпадает из разгружающейся шлюзовой камеры на перегрузочный пластинчатый конвейер и транспортируется им в вагон-накопитель.

В настоящее время, по согласованию с МПС совместно с ЦКБ "Путьмаш", ведется доработка технической документации для последующего изготовления опытного образца.

2.7. Экономический эффект от применения пневмотранспортной машины

Расчет выполнен на сравнении двух вариантов работы:

снег вблизи стрелочных переводов на расстоянии до 2 м от рельсов очищают вручную и собирают в валки на обочине или в колее пути с последующей уборкой снегоуборочной машиной СМ-2;

снег убирают создаваемой пневмотранспортной машиной вблизи стрелочного перевода на расстоянии до 3,5 м от оси пути в обе стороны.

Годовой экономический эффект от внедрения одной пневмотранспортной машины ПСМ (в ценах на I кв. 93 г.) составляет 4304 тыс. р.

Если машина работает на уборке снега на станции 6...8 мин в течение 1 ч, то ее эксплуатационная производительность составляет 144...192 т за 12-часовую смену. Она заменяет 35 рабочих, занятых тяжелым физическим трудом в зоне повышенной опасности.

Заключение

1. В зимний период скапливающийся на станционных междупутьях снег затрудняет работу и способствует интенсивному заносу пути при последующих снегопадах и метелях.

Анализ средств механизации показал, что машин, убирающих снег с междупутий станций, преимущественно в горловинах у стрелочных переводов, как в нашей стране, так и за рубежом, нет: снег перебрасывается вручную на путь с последующей уборкой снегоуборочным поездом СМ-2.

2. Выявлены принципиальные схемные решения машин этого технологического назначения, а также конструктивные решения отдельных узлов.

3. На основании теоретических и экспериментальных исследований сформулированы следующие требования к создаваемой машине:

производительность 120 т/ч или 33,33 кг/с;

максимальная рабочая скорость - 2 км/ч или 0,55 м/с;

время занятия машиной горловин станций 6...8 мин;

ширина очищаемой полосы 2,0 м;

максимальная толщина снега убираемого за один проход 0,3 м;

максимальная высота "перешагиваемых" препятствий 1,0 м.

4. Разработана принципиальная схема машины с установкой рабочего оборудования на четырехосной платформе, оснащенной электростанцией мощностью 100 кВт.

Рабочее оборудование представляет собой сочетание манипулятора со щеточным рабочим органом и пневмотранспортной системы всасывающего типа.

5. Установлено, что пневиотранспортная система всасывающего. типа обеспечивает производительность машины П= 120 т/ч с мощностью привода в 3...4 раза меньшейв сравнении с установкой комбинированного типа (при пропуске груза через вентилятор).

Осаждение снежной массы осуществлено гравитационным способом в вакуумной осадительной емкости.

6. Аналитический расчет пневмотранспортной системы по известным методикам дает завышенные значения общих потерь давления. Установлено, что причина такого несоответствия в неверном определении параметров транспортируемых частиц в трубопроводе.

Опытным путем получено: до 5 % снежной массы в процессе фрезерования и транспортирования превращается в пылевидную

часть (d4 < 1 мм), близкую по фракционному составу метелевому и свежевыпавшему мелкозернистому снегу. Основная же масса фрезерованного снега состоит из частиц размером 1...20 мм, плотностью 400...450 кг/м3, скорость витания которых составляет 1,5... 10,2 м/с.

Теоретическим рассмотрением движения материальной частицы в воздушном потоке, обладающей начальной скоростью, получены-зависпмости для определения перемещения и скорости движения частицы в горизонтальном трубопроводе и осадительнон камере. По ним установлено, что скорость частиц размером 1...20 мм, вбрасываемых в трубопровод длиной 2,47 м рабочим органом с начальной скоростью 10 м/с, в 2...3 раза ниже скорости воздуха в трубопроводе.

7. В качестве корректировки известной методики предложено: дополнить ее зависимостями для определения скорости частиц в транспортном трубопроводе; диаметр транспортируемых частиц принимать в зависимости от плотности убираемого снега (í/,,= 1mm при р,< 200 кг/м3, í/., = 1 ...2,5 мм при р(. =200...300 кг/м3; г/„= 2.5...10 мм при р, = 300...450 кг/м3); их скорость витания определять по номограмме проф. Б.II. Лобаева без учета коэффициента формы; учитывать снижение силы воздушного потока из-за наличия в нем твердой фазы уменьшением величины комплексного коэффициента b в зависимости от концентрации аэросмеси ( в 2,5 раза npijí/<3 кг/кг. в 3,0 раза при ц = 3...8 кг/кг, в 4...5 раза при р >10 кг/кг); учесть потери на разгон воздуха за вентилятором; определять рабочую точку воздуходувной установки с использованием характеристики сети пнев-мотранспортной системы.

При корректировке различие экспериментальных данных от расчетных уменьшилось с 22 до 2,5 %. Возникающая при расчете ошибка носит систематический характер и является безопасной, так как завышает необходимое давление воздуходувной установки.

8. Совместным рассмотрением движения частиц снега диаметром 0,2... 10 мм, плотностью 400...700 кг/м3 в горизонтальном трубопроводе длиной 2,47 м (скорость воздуха 20 м/с) с начальной скоростью 10 м/с и последующего их осаждения в емкости с высоты 2,5 м под действием компактной воздушной струи, выходящей из того же трубопровода, получено, что длина участка осаждения частиц составляет 5,9...32,2 м. Добиться осаждения частиц в емкости длиной 6 м и поперечным сечением 6,8 м2 можно лишь при условии гашения энергии потока с помощью специальных устройств.

В качестве такого устройства предложен отражатель потока, устанавливаемый в емкости на расстоянии менее 1 м от окончания всасывающего трубопровода.

Проведенные расчеты и эксперименты показали, что при такой установке отражателя эффективность осаждения снега в емкости длиной 6 м, высотой 3 м, при скорости воздуха 0,60 м/с и расположении входного отверстия вентилятора на высоте 2,4...2,7 м составляет 99,8 %.

Расчетами получено: при скорости воздуха в емкости менее 0,3 м/с можно добиться практически полного осаждения даже легкого (свежего) снега.

Для увеличения эффективности осаждения снега в камерах длиной до 10 м предложено устанавливать отражатели потока, снижать высоту входа транспортного трубопровода, обеспечивать скорость воздуха в камере не более 0,5...0,6 м/с.

9. По известным зависимостям расчетами получены значения конечных скоростей падения для различных типов кристаллов в зависимости от их диаметра. В результате обработки данных значений методом регрессионного анализа получена осредненная зависимость для расчета конечных скоростей падения Ук пылевидных частиц фрезерованного снега. При использовании данной зависимости не нужно определять плотность частиц й их форму.

10. Экспериментально проверены щеточный рабочий орган, манипулятор, автоматическое устройство, обеспечивающее подъем рабочего органа и обход им скрытых в снегу препятствий. Испытания показали их работоспособность и высокую эффективность.

11. Разработан технический проект машины с производительностью по снегу 120 т/ч.

Машина имеет манипулятор со щеточным рабочим органом и пневмотранспортную систему всасывающего типа. Манипулятор доставляет рабочий орган до середины самого широкого станционного междупутья. Уборка и разгрузка снега и засорителей ведутся непрерывно при перемещении машины.

12. Годовой экономический эффект от внедрения одной машины составляет 4304 тыс. р. (в ценах на I кв. 1993 г.).

Если машина работает на уборке снега на станции 6...8 мин в • течение 1 ч, ее эксплуатационная производительность составляет 144... 192 т за 12-часовую смену. Она заменяет 35 рабочих, занятых тяжелым физическим трудом в зоне повышенной опасности.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Глотов В.А. Осаждение снега в емкости уборочной машины // Вонр. создан, и модернизации строит, и путев, машин. Новосибирск, 1994. С. 12-18.

2. Мокни H.H., Глотов В.А., Филатов А.П. Машина для уборки снега и засорителей с междупутий станций // Вопр. созд. и модернизации строит, и путев, машин. Новосибирск, 1994. С. 5-12.

3. Глотов В.А., Филатов А.П., Мокип Н.В. и др. Машина убирает снег с междупутий // Путь и путев, хоз-во. 1992. N 12. С. 38-40.

4. Разработка пневматического оборудования для уборки снега с междупутий станций и узлов. Отчет о НИР (НИИЖТ): Рук. Н.В. Мокин. N ГР. 0185.0004872; Инв. N 02.89. 0040061. Новосибирск, 1989. 115 с. Исп. В.А. Глотов, А.П. Филатов, Л.П. Пташкип, К.И. Троценко.

5. liant. 1752Н47, МКИ Е01Н 8/00. Машина для уборки железнодорожных путей. В.А. Глотов, А.П. Филатов, Н.В. Мокни (РФ).

6. Разработка универсальной пневмотранспортной машины для уборки снега и засорителей на станциях: Отчет о НИР (НИИЖТ): Рук. Н.В. Мокин. N ГР 0192.000.7022; Инв. N 02.89.0040061, Новосибирск, 1991. 75 с. Исп. В.А. Глотов, А.П. Филатов, Д.О. Чуркин, А.Г. Пух.