автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Повышение эффективности теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов с целью улучшения условий труда локомотивных бригад

На правах рукописи

Рассказов Сергей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ КАБИН МАШИНИСТОВ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ УСЛОВИЙ ТРУДА ЛОКОМОТИВНЫХ

БРИГАД

Специальность 05.26.01 - Охрана труда (транспорт)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2005-4 12397

На правах рукописи

Рассказов Сергей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ КАБИН МАШИНИСТОВ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ УСЛОВИЙ ТРУДА локомотивных

БРИГАД

Специальность 05.26.01 - Охрана труда (транспорт)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации (РГОТУПС).

Научный консультант: доктор военных наук, профессор

Купаев Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Попов Владимир Георгиевич доктор технических наук, профессор Нисаев Игорь Петрович

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательс-

кий институт железнодорожной гигиены МПС России (ВНИИЖГ)

Защита диссертации состоится «02» декабря 2004 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 218.009.03 в Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения (РГОТУПС) по адресу: 125993, г. Москва, ул. Часовая 22/2, ауд. 344

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного открытого технического университета путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации (РГОТУПС).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

Автореферат разослан «02» ноября 2004 г.

"аЩ-

НОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

¡БИБЛИОТЕКА СП< 09

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн.наук, профессор

А.С. Космодамианский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Российские железные дороги осуществляют свыше 80% грузооборота и более 40% пассажирооборота нашей страны, причем в среднем грузооборот железных дорог возрастает на 3-5% в год. В связи с этим Президент РФ В.В.Путин на заседании Государственного совета 29 октября 2003 года отмечал: «Наша задача - развитие ... транспортной отрасли, ее комплексная модернизация, модернизация подвижного состава, включая вагоны и локомотивы нового поколения».

Современные тенденции развития железнодорожного транспорта России связаны не только с увеличением грузооборота и пассажирооборота, но и с повышением скоростей движения и увеличением веса поездов. В связи с этим резко возрастает интенсивность работы локомотивных бригад. Их условия труда по микроклиматическим параметрам не соответствуют условиям термодинамического комфорта и относятся к третьему классу (вредные условия труда). В летний и зимний периоды времени года в кабинах машинистов электровозов создается неравномерный температурный режим, появляются локальные зоны значительно перегретого воздуха. Кроме этого, на ухудшение самочувствия локомотивных бригад оказывает влияние не только перепад температур воздуха, но и температур стенок ограждающих конструкций в кабинах машинистов, который является следствием плохого качества тепловой изоляции.

Одним из способов создания в кабинах машинистов подвижного состава комфортных термодинамических условий труда является установка систем круглогодичного кондиционирования воздуха. Однако решение этой важной научно-технической задачи не представляется возможным без совершенствования легких ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов. При этом необходимо исключить возможность увеличения толщины лобовой, боковых и поперечной стенок кабин машинистов, а также пола и потолка, так как они будут увеличивать общую массу конструкций и уменьшать полезный объем помещения кабин. Кроме того, нельзя использовать теплоизоляционные материалы, обеспечивающие только прочность, легкость, долговечность и невысокую стоимость конструкций. При их проектировании необходимо предусматривать надежную теплотехническую защиту, ее экологическую и пожарную безопасность, влагоизоляцию, защиту от коррозии и распространения вибраций, проникновения шума, а также удобство и

простоту монтажа и ремонта кабин машинистов электровозов. Поэтому внедрение более эффективных ограждающих конструкций, на основе использования теплоизоляционных пористых материалов нового поколения, приобретает в настоящее время важное народнохозяйственное значение и будет способствовать росту экономического эффекта от их применения. Кроме этого, эксплуатационные затраты на обогрев (охлаждение) кабин машинистов, за счет снижения тепловых потерь через наружные ограждения, в зимнее время или уменьшения перегрева кабин в летнее время года могут быть значительно снижены.

Экономия энергетических ресурсов рассматривается правительством Российской Федерации как важнейшая национальная, техническая и экономическая проблема. Следует отметить, что приоритетные направления научно-технического развития железнодорожного транспорта России, на период до 2006 года, предусматривают создание новых видов тягового подвижного состава обеспечивающего безопасность движения поездов с применением энергосберегающих технологий. Поэтому совершенствование ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов является актуальной научно-технической задачей.

Цель исследований. Улучшение условий труда локомотивных бригад на основе совершенствования ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи исследований:

обобщение опыта применения легких ограждающих конструкций тягового подвижного состава на электрической тяге;

экспериментальная оценка теплотехнических и других характеристик перспективного теплоизоляционного материала нового поколения (пеноизола) в системе ограждающих конструкций;

разработка методики расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта России;

разработка вариантов легких ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов и исследование их эксплуатационных характеристик;

разработка практических рекомендаций по применению легких ограждающих конструкций кабин машинистов современных электровозов.

Методика исследований. В диссертационной работе основными методами исследования являлись: метод системного анализа; теплотехнические методы оценки коэффициентов теплопередачи сложных ограж-

дающих конструкций; положения теории вероятностей и математической статистики.

Объект исследования: ограждающие конструкции кабин машинистов электровозов железнодорожного транспорта.

Предмет исследования: теплоизоляционные свойства ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов.

Научная новизна работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании выбора конструктивного исполнения ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов на основе методики оценки их теплотехнических защитных свойств.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается обоснованностью исходных посылок, а также удовлетворительным совпадением результатов проведенных теоретических исследований с результатами выполненных экспериментов.

Практическая ценность работы заключается в разработке новых конструктивных решений легких ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов с улучшенной теплотехнической защитой на основе использования теплоизоляционного материала нового поколения «пеноизола», обеспечивающих улучшение условий труда локомотивных бригад.

Реализация работы. Основные положения и технические решения использованы: при ремонте ограждающих конструкций электровозов в локомотивном депо «Рыбное» Московской железной дороги, а также при капитальном ремонте электровозов в локомотивном депо «Брянск-2» Брянского отделения Московской железной дороги.

Разработанные теоретические и практические рекомендации используются в учебном процессе в лекционных курсах дисциплин «Экология» и «Безопасность жизнедеятельности» в Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации (РГОТУПС).

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта;

2. Результаты проведенных экспериментов по совершенствованию ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов;

3. Практические рекомендации по совершенствованию легких энергосберегающих ограждающих конструкций кабин машинистов современных электровозов.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы были доложены, рассмотрены и одобрены на научно-тех-

нической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (г. Екатеринбург, 2003 г.), заседаниях кафедры «Охрана труда» РГОТУПС (2002 -2004 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 170 страницах машинописного текста, включая 29 рисунков и 26 таблиц, а также 9 приложений. Список использованной литературы насчитывает 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении: обоснована актуальность темы диссертации; сформулированы цель и задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту; указаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе излагаются: состояние и история вопроса; анализ ранее выполненных исследований, посвященных применению ограждающих конструкций на тяговом подвижном составе; анализ физико-географических особенностей регионов РФ; факторы, влияющие на возрастание роли ограждающих конструкций в подвижном составе железнодорожного транспорта и основные требования, предъявляемые к ним. При этом анализ ранее выполненных исследований показал, что на тяговом подвижном составе железнодорожного транспорта в настоящее время используются одно- и многослойные ограждающие конструкции на основе стального перфорированного листа и различных теплоизоляционных материалов: пенопласта, капронового волокна, войлока, стекловолокна, пенополиуретана, пенополистирола и минеральной ваты. В связи с увеличением скоростей движения и меняющимися условиями эксплуатации ограждающих конструкций тягового подвижного состава железнодорожного транспорта, последние могут оказаться в сложном температурном диапазоне—от +42 до -57 °С при влажности воздуха до 90%. В результате этого происходит резкое ухудшение работы теплотехнической защиты ограждающих конструкций кабин тягового подвижного состава. В зависимости от используемой теплоизоляции в ограждающих конструкциях она частично или полностью оказывается не эффективной. При этом обеспечить в кабинах тягового подвижного состава нормируемые значения температур воздуха не представляется возможным. Поэтому в настоящее время актуальным остается вопрос повышения эффективности теплотехнической защиты кабин машинистов тягового подвижного состава.

Значительный вклад в решение задач расчета и совершенствования ограждающих конструкций кабин тягового подвижного состава внесли такие ученые, как Бутаков Г.В., Берников Г.И., Гаршин И.М., Зворыкин М.А., Иоэльсон Е.Б.. Китаев Б.Н., Лебедянский Л.Л., Ниточкин А.Е., Пительгузов H.A., Сидоров Ю.П., Третьяков А.П., Фокин К.Ф., Шевандин М. А. и др. Их работы были посвящены: исследованию вопросов распространения тепловых полей в ограждающих конструкциях; разработке научных положений связанных с определением потерь тепла через ограждающие конструкции кабин электровозов; выявлению особенностей распространения тепловых потоков в ограждающих конструкциях и оценке их коэффициентов теплопередачи.

Исследования показали, что решение задачи, связанной с повышением эффективности теплотехнической защиты ограждающих конструкций оказывается невозможным без совершенствования методики расчета коэффициентов теплопередачи сложных ограждений. При этом анализ литературных источников показал, что к настоящему времени разработано значительное количество методов и методик расчета коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций подвижного состава. Однако их применение затруднительно из-за излишней сложности, низкой точности, значительного количества исходных данных, невозможности оценки влияния неметаллических включений. В наибольшей мере современным требованиям к проведению подобных расчетов отвечают теоретические основы расчета коэффициентов теплопередачи, базирующиеся на принципе тепловых потоков проходящих через ограждающие конструкции (автор — профессор Ю.П. Сидоров). Однако и они являются достаточно сложными. Именно поэтому в настоящее время назрела необходимость в разработке методики для оценки коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций подвижного состава.

Таким образом, настоящая работа посвящена разработке методики расчета коэффициентов теплопередачи сложных ограждающих конструкций тягового подвижного состава железнодорожного транспорта, учитывающей не только распределение тепловых полей, но и применяющиеся на практике различные технологические включения из различных конструкционных материалов, а также разработке практических рекомендаций по совершенствованию теплотехнических свойств кабин тягового подвижного состава с целью оптимального выбора легких ограждающих конструкций при проектировании новой техники или ее капитальном ремонте.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям теплоизоляционного материала «пеноизола» с целью выявления возможности

его применения в многослойных ограждающих конструкциях тягового подвижного состава. При этом в рамках темы диссертационной работы под лабораторным экспериментом следует понимать инженерно-технический метод исследования теплотехнических и физико-технических свойств легкого пористого материала нового поколения «пеноизола» путем контролируемого воздействия на его опытные образцы и окружающую среду вредных производственных факторов с использованием специальной приборной базы. Главной целью проведения эксперимента являлось выявление коэффициента теплопроводности «пеноизола» и предлагаемых к использованию ограждающих конструкций.

Теплотехнические испытания исследуемого изоляционного материала проводились по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 7076-87 при достижении стационарного режима по нижеследующему циклу: определение коэффициента теплопроводности на образцах в естественном состоянии, после их выдержки над зеркалом воды (с учетом влагопоглощения) и испытаний на теплопроводность в сухом состоянии. Для исключения воздействия стен и пола лаборатории на рассеивание теплового потока от исследуемой теплоизоляционной конструкции и большей точности проведения эксперимента исследуемая теплоизоляционная конструкция размещалась на удалении > 1,5 мот поверхностей пола и стен помещения и была подвешена на специально изготовленном устройстве.

В исследовательской установке в качестве датчиков температуры использовалось двенадцать термопар типа «хромель-копель» с диапазоном рабочих температур от -40 до +600 °С. Каждая используемая в эксперименте термопара предварительно прошла тарировку. При испытаниях применялось устройство контроля температуры (УКТ 38).

В результате проведенных испытаний был получен ряд температурных значений, которые в большей или меньшей степени отличались одно от другого.

Коэффициент теплопроводности ( Я.) в стационарном режиме рассчитывался по формуле:

где: <2 - мощность электронагревателя, Вт;

8 - толщина исследуемого теплоизоляционного материала, м; Г, - средняя температура на внутренней поверхности исследуемого материала, С0;

Х- ® 5 Вт/м• °С,

(1)

?2 - средняя температура на наружной поверхности исследуемого материала, С"; Б - площадь исследуемого теплоизоляционного материала, м2.

Результаты расчетов коэффициента теплопроводности «пеноизола» представлены в табл. 1.

Таблица 1

Коэффициенты теплопроводности исследуемого теплоизоляционного материала «пеноизола»

№ Мощность Толщина Среднеариф- Среднеариф- Площадь Среднеариф-

п/п электронаг- материала, метич. метич. исследуе- метич.

ревателя, б, м температура температура мого коэффициент

2, Вт на внутрен- на наружной образца И.м2; теплопро-

ней поверх- поверхности водности

ности материала, С0 материала, С° Л, Вт/м С°;

1 0,0784 0,018 32,5585 31,9347 0,0332 0,0342

Для установления наиболее типичного значения температуры на поверхностях теплоизоляционного материала использовалась математическая обработка полученных данных с применением элементов вариационной статистики.

В результате обработки полученных экспериментальных данных было установлено, что коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала «пеноизола» с вероятностью Р=99,7% составляет 0,03 0,034 Вт/м2-С°, что в настоящее время является одним из лучших показателей среди применяемых материалов в качестве теплоизоляции в ограждающих конструкциях тягового подвижного состава железнодорожного транспорта.

На основании проведенных испытаний «пеноизола» на теплопроводность в естественном и сухом состоянии, а также после выдержки образцов над зеркалом воды видно, что коэффициент теплопроводности исследуемого материала составляет от 0,0315 до 0,0373 Вт/м • °С (в естественном состоянии), от 0,0302 до 0,0358 Вт/м °С (после выдержки образцов над зеркалом воды) и 0,0311 до 0,0369 Вт/м °С (в сухом состоянии). Полученные значения коэффициентов теплопроводности свидетельствуют о том, что используемый в настоящее время в качестве теплоизоляционного материала в ограждающих конструкциях пенопласт

уступает по своим теплотехническим характеристикам «пеноизолу» более чем на 34%.

В ходе проведения исследований влажность в естественном состоянии материала составляла не более 14,4% (по массе). После выдержки образцов над зеркалом воды влажность материала достигала 24%. В период проведения испытаний на теплопроводность влажность снижалась и составляла в среднем 13,6%, т.е. находилась на уровне влажности материала в естественном состоянии. Полученные в ходе экспериментов данные свидетельствуют о возможности интенсивной сушки теплоизоляционного материала и быстром установлении, при переувлажнении, в нем исходной влажности.

Кроме теплоизоляционных свойств нового материала, которые были получены в ходе проведения эксперимента, в последующем определялись характеристики горючести, воспламеняемости и дымообразующей способности «пеноизола», а также испытания на вибропрочность и звукопоглощающую способность. В результате проведенных исследований было установлено, что теплоизоляционный материал «пеноизол» относится к материалам со слабой горючестью (группа Г1), умеренной воспламеняемостью (группа В2) и умеренной дымообразующей способностью (группа Д2).

Экспериментальными исследованиями доказано, что «пеноизол» является в достаточной мере вибропрочным материалом. В ходе его испытаний в течении 80 часов при ускорении 1 g, амплитуде в 1,5 мм и частотах от 10 до 100 Гц разрушений материала (его распыления и отслоения от ограждающей конструкции) не наблюдалось.

Экспериментальные исследования по выявлению коэффициента звукопоглощения «пеноизола» показывают, что его характеристики значительно (в 2,3.. .2,4 раза) выше, чем у пенопласта. Это является основанием для успешного применения «пеноизола» в ограждающих конструкциях подвижного состава железнодорожного транспорта.

Проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о том, что «пеноизол» может успешно применяться в ограждающих конструкциях подвижного состава железнодорожного транспорта.

Третья глава посвящена разработке методики расчета коэффициентов теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта.

В настоящее время для расчета коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта используется несколько методик, в т.ч. теоретические осно-

вы, разработанные в МИИТе в 80-х годах. Проведенные автором диссертационной работы исследования позволили сократить время проведения инженерных расчетов по определению тепловых потерь в сложных ограждающих конструкциях подвижного состава железнодорожного транспорта за счет использования дополнительных коэффициентов, учитывающих конструктивные размеры и теплотехнические свойства материалов имеющихся в ограждениях ребер жесткости. Разработанная методика была апробирована при расчете ограждающих конструкций в которых использовались теплоизоляционные материалы с коэффициентом теплопроводности X от 0,03 Вт/м-°С и выше. Так как на процесс теплопередачи оказывает влияние соотношение теплопроводности изоляционного материала и материала используемого в качестве ребер жесткости, то при внедрении в качестве основы теплоизоляции «пеноизола», у которого коэффициент теплопроводности значительно ниже, потребовалась корректировка в использовании данных ранее разработанных методических основ. Это вызвано, прежде всего, тем, что в конструкциях ограждений используются деревянные и пластмассовые элементы, теплопроводность которых близка к теплопроводности используемых в настоящее время теплоизоляционных материалов.

В диссертационной работе представлена методика расчета коэффициентов теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта при использовании теплоизоляционного материала «пеноизола», которая позволила получить новые значения коэффициентов теплопередачи ребер жесткости К уписываемых в виде аппроксимационных полиномов третьей степени:

К = -а + в ■ Н - с ■ Н2 + ■ И3, Вт/м2 • °С, (2)

где: а, в, с, (1 — численные значения коэффициентов, зависящие от геометрических параметров ребер жесткости (приведены в диссертационной работе);

А — высота ребра жесткости.

Полученные в ходе исследований полиномы для ребер жесткости ограждающих конструкций значительно расширяют пределы оценки их коэффициентов теплопередачи и способствуют рациональной компоновке кабин. При этом, зная влияние, которое оказывают имеющиеся в ограждающих конструкциях теплопроводные мостики, по формуле (3) определяется эквивалентный коэффициент теплопередачи сложного ограждения:

п

__ кири +

К=-И--Вт/м2-К, (3)

где: К — эквивалентный коэффициент тешгопередачи сложного ограждения, Вт/м2,К; Ки — коэффициент тешгопередачи изоляции, Вт/м2К; Fa — площадь занимаемая теплоизоляцией, м2; KPi —коэффициент теплопередачи /-го ребра, Вт/м2К; F{ — площадь г'-го ребра жесткости в теплоизоляционном материале, м2.

С целью оценки влияния длины ограждающей конструкции на коэффициент теплопередачи, его численное значение, отнесенное к единичной длине ограждения, определяется по формуле (4):

kjfs + zkp.25,

К =-Ы-, Вт/мЧС, (4)

S

где: S — ширина ограждения, м;

28,- — удвоенная толщина ребра жесткости, м.

В общем случае, когда в ограждении шириной S, м находятся п, шт. металлических ребер жесткости, формула для определения эквивалентного коэффициента теплопередачи стенки электровоза принимает вид (5):

__н 2S*

K = KH+ZKpi-^ , Вт/м2, (5)

;=1 о

где: п—количество ребер жесткости, шт.

Для проведения расчетов коэффициент теплопередачи ребер жесткости К, Вт/м2 К, может определяться по графикам, приведенным в третьей главе диссертационной работы на рис. 3.2.. .3.5 в зависимости от толщины 2 8, м, и высоты h, м, ребра, а коэффициент теплопередачи изоляции Кя, Вт/м2 К—по методу элементарных сечений.

Разработанная методика позволяет проводить расчеты коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций с учетом влияния не толь-

ко различных теплоизоляционных материалов, но и теплопроводных мостиков из стали, с учетом искажений температурного поля в слое ограждения, а также с учетом использования в качестве ребер жесткости других технологических материалов (стеклопластик, дерево, углепластик и др.).

В целях упрощения производства расчетов, на основе экспериментальных данных, по определению численного значения коэффициентов теплопередачи сложного ограждения, имеющего теплопроводные включения, получены аналитические расчетные формулы, позволяющие более полно учесть распределение температурного поля в ограждающих конструкциях с учетом теплопроводных включений и повысить на 16...22% точность производимых расчетов, что является вкладом в научные достижения.

В диссертационной работе разработан моделируемый на ПЭВМ теплотехнический процесс, позволяющий с достаточной степенью точности в лабораторных условиях оценивать эффективность предлагаемых ограждающих конструкций с учетом минимальных экономических затрат, а также производить выбор оптимальных технологических решений и рекомендаций по их применению.

В четвертой главе на основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены практические рекомендации по совершенствованию защитных свойств кабин машинистов электровозов от неблагоприятных факторов. Рассмотренные в первой и второй главе диссертации факторы и требования, влияющие на эффективность использования ограждающих конструкций, позволили определить основные направления их совершенствования. Одним из них является совершенствование имеющегося в наличии изоляционного материала.

Проведенный во второй главе диссертации сравнительный анализ изоляционных материалов позволяет сделать вывод о достаточно высоких теплоизоляционных свойствах материала нового поколения типа «пеноизол», который по своим теплотехническим свойствам является в настоящее время наиболее предпочтительным к применению теплозащитным материалом.

Вторым фактором, позволяющим совершенствовать ограждающие конструкции, является рациональное использование теплопроводных мостиков из различных материалов с различными толщинами и высотами.

Долголетняя практика эксплуатации электровозов убеждает в том, что с целью повышения ремонтопригодности кабины машинистов электровозов должны изготавливаться модульного типа.

При этом наружные и внутренние обшивки кабин (или только внутренние) предлагается изготавливать из стеклопластика. Стеклопласти-ковые обшивки кабин в период эксплуатации транспортных средств более эффективно выдерживают поперечные и продольные колебания без образования усталостных микротрещин и последующего разрушения кабин. При этом наружная и внутренняя стеклопластиковые обшивки, каждая из которых выполнена как одно целое, должны быть связаны между собой комплексной противошумной, пожаробезопасной, экологически чистой теплотехнической защитой. Это может быть достигнуто тем, что слои комплексной защиты должны бьггь выполнены из поливи-нилхлоридного волокна и пеноизола различной толщины и удельного веса.

Теплотехническая защита должна состоять из нескольких защитных слоев. При этом первый защитный слой, расположенный у стенки каркаса, должен иметь удельный вес 0,35-0,45 г/см3. Второй (внутренний) слой должен быть выполнен из «пеноизола» имеющего плотность 0,010,04 г/см3. Третий защитный слой должен бьггь жестко прикреплен к месту внутренней обшивки и иметь удельный вес для передней и боковых стенок 0,08-0,13 г/см3, для задней стенки — 0,35-0,45 г/см3.

Предлагаемое устройство комплексной защиты внутреннего салона кабины машиниста электровоза показано на рис. 1.

На лист 1 наружной обшивки наклеен первый слой 2 поли-винилхлоридного негорючего волокна с удельным весом 0,330,45 г/см3. Второй слой 3 выполнен из «пеноизола» с плотностью 0,010,04 г/см3 и размещен между первым и третьим слоем 4, жестко прикреп-

Рис. 1. Комплексная защита внутреннего салона кабины машиниста электровоза:

1 — стальной лист; 2, 4 — поливинилхлоридное волокно; 3 — пеноизол; 5 — перфорированный (сплошной) стальной лист

ленным к листу 5 внутренней обшивки кабины, который может быть выполнен перфорированным или сплошным. Общая толщина комплексной защиты может достигать 80 мм, а соотношение толщин слоев соответственно равно 0,3:0,6:0,1.

Анализ исследований, посвященных устройству и эксплуатации ограждающих конструкций кабин машинистов показал, что с целью снижения уровня шума в кабине машиниста электровоза ее задняя стенка должна быть выполнена в виде акустической панели усиленной теплотехнической защитой. При этом задняя стенка кабины машиниста электровоза должна состоять из лицевого экрана, стенки выполненной из конструкционного материала и помещенного между ними профилированного листа, звеньев образующих резонансные полости. К стенке, выполненной из конструкционного материала должна жестко примыкать теплотехническая защита. При этом лицевой экран и промежуточный лист должны быть выполнены с перфорациями (отверстиями), а в резонансные полости на внутренней поверхности экрана и в примыкающих к нему профилях листа должен помещаться звукопоглощающий материал «пеноизол». Профили должны быть выполнены с переменной шириной, определяемой расчетным путем. Акустическая панель работает как совокупность последовательно соединенных резонансных звукопогло-тителей (типа резонаторов Гельмгольца).

Измените шага профиля по ширине панели должно быть выполнено в соответствии с изменением текущей частоты. Объем резонансных полостей акустической панели также определяется расчетным путем.

Наличие звукопоглощающего материала в полостях акустической панели приводит к расширению частотной области эффективного поглощения звука. Наличие перфораций в профильном листе, сообщающих резонансные полости с образованными профильным листом со стенкой дополнительными полостями, в которые также помещен звукопоглощающий материал, приводит к расширению частотной области эффективного поглощения звука. В результате происходит существенное расширение области эффективного звукопоглощения (на 1517%).

Эффективность теплотехнической защиты задней стенки кабины машиниста электровоза оценивалась по методике расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта изложенной в главе 3. Результаты расчетов показывают, что эффективность теплотехнической защиты задней стенки кабины машиниста электровоза может быть повышена на 19-23%.

С целью снижения веса, обеспечения противопожарной безопасности, повышения долговечности и эффективности теплотехнической защиты пол кабины машиниста электровоза должен выполняться в виде щитков, каркас которых может быть выполнен в виде двух металлических коробов, соединенных между собой и образующих Т-образное сечение.

При этом щиток должен состоять из двух выполненных их легкого металла коробов, соединенных между собой резьбовыми крепежными деталями, образующих Т-образное сечение. Коробы должны быть снабжены перегородками жесткости и заполнены «пеноизолом».

Верхнее и нижнее основание щитка должны быть выполнены с выемками в которых может быть размещено покрытие из листового материала (линолиум, резина и др.). В этих основаниях должны быть выполнены технологические ниши для захвата щитка при их подъеме специальными приспособлениями.

Таким образом, предлагаемое устройство кабины машиниста электровоза будет более ремонтопригодным. Ее теплотехнические характеристики, по сравнению с существующими аналогами, будут выше на 20...23%.

Экономическая оценка повышения теплотехнической защиты кабин машинистов электровозов за счет использования теплоизоляционного материала нового поколения («пеноизола») в легких ограждающих конструкциях кабины машиниста одного электровоза оценивается по формуле (6):

Э = Р-(31+32),руб/год, (6)

где: Э — годовой экономический эффект, руб/год;

Р — экономия в результате внедрения нового теплоизоляционного материала на одном электровозе, руб./год;

?1 — затраты на восстановление кабин машинистов электровозов в период проведения заводского ремонта второго объема (КР-2) с использованием теплоизоляционного материала (пеноизола), руб;

32 — затраты на восстановление кабин машинистов электровозов в период проведения заводского ремонта второго объема (КР-2) с используемым в настоящее время теплоизоляционным материалом (пенопластом), руб.

Расчеты показывают, что в результате замены пенопласта на «пено-изол» при проведении заводского ремонта второго объема (КР-2), мо-

жет быть получен годовой экономический эффект с учетом прямых затрат за счет экономии на обогрев кабины машиниста одного электровоза, более 11000 рублей.

Кроме учета прямых и косвенных затрат при определении экономического эффекта необходимо учитывать нанесение ущерба электровозам от возможных чрезвычайных ситуаций (пожаров). С учетом этого годовой экономический эффект может оцениваться по формуле (7):

Э = Р -(3, +32+3ЧС), руб/год, (7)

где: — затраты на восстановление электровозов после чрезвычайных ситуаций (пожаров), руб.

Расчеты показывают, что годовой экономический эффект на один электровоз, с учетом чрезвычайных ситуаций (пожаров), может достигать 17200...23500 руб/год.

Данные обстоятельства убеждают в эффективности применении «пе-ноизола» в ограждающих конструкциях кабин машинистов электровозов как в настоящее время, так и на ближайшую перспективу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена решению научной задачи имеющей важное народно-хозяйственное значение для железнодорожного транспорта — повышение эффективности теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов с целью улучшения условий труда локомотивных бригад.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и выводы:

1. В настоящее время на электроподвижном составе железнодорожного транспорта широкое применение в качестве ограждающих конструкций кабин машинистов получили одно- и многослойные конструкции на основе теплоизоляционных материалов и стального перфорированного листа. В связи с увеличением скоростей движения и целым рядом конструктивных несовершенных решений подвесок электроподвижного состава и пути, произошло значительное возрастание воздействия на локомотивные бригады шума и вибраций, ухудшение теплотехнических, экологических и других характеристик ограждающих конструкций кабин машинистов. При этом предел огнестойкости ограждающих конструкций крайне низок, что требует их дальнейшего совершенствования.

2. Основными требованиями, предъявляемыми к ограждающим конструкциям современного и перспективного подвижного состава являются: обеспечение минимальной массы панелей и толщины конструкций; высокие теплотехнические, звукоизолирующие и вибропогло-щающие характеристики ограждений, стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды, высокие пожаротехнические характеристики; применение в конструкциях экологически безопасных материалов с низкой себестоимостью, высокой прочностью при относительно низком значении модуля упругости и низким коэффициентом влаго-водопоглощения. При этом для нормализации температурных условий в кабинах машинистов электровозов необходима разработка принципиально новых ограждающих конструкций с использованием нового перспективного теплоизоляционного материала «пеноизола», позволяющего обеспечить нормируемые значения средних температур воздуха в кабинах машинистов в любой период года.

3. Уточнение теплотехнических и физико-технических свойств «пеноизола» в ограждающих конструкциях подвижного состава железнодорожного транспорта потребовало проведения лабораторных экспериментов, в ходе которых было установлено:

коэффициент теплопроводности «пеноизола» составляет 0,03... 0,037 Вт/м °С, что является лучшим показателем среди применяемых материалов в качестве теплоизоляции в ограждающих конструкциях подвижного состава железнодорожного транспорта;

«пеноизол» обладает высокими противопожарными характеристиками. Он относится к материалам со слабой горючестью (группа Г1), умеренной воспламеняемостью (группа В2) и умеренной дымообразующей способностью (группа Д2);

«пеноизол» является в достаточной степени вибропрочным и звукопоглощающим материалом. При этом коэффициент его звукопоглощения в 2,3...2,4 раза выше, чем у пенопласта. Эти качественные характеристики «пеноизола» обеспечивают его успешное применение в ограждающих конструкциях подвижного состава железнодорожного транспорта.

4. В целях решения практических задач, связанных с выбором рациональных схем теплотехнических защит ограждающих конструкций и проведения оптимизационных расчетов, разработана «Методика расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта». На основе проведенных экспериментов, в целях упрощения производства расчетов, получены расчетные формулы, обеспечивающие более пол-

ный учет распределения температурного поля в ограждающих конструкциях с учетом различных теплопроводных включений, в том числе: формула для определения дополнительного коэффициента теплопередачи ребра жесткости, позволяющая учесть распределение температурного поля в ограждающих конструкциях в зависимости от типа материала теплопроводных включений; формула для определения коэффициента теплопередачи сложного ограждения. При этом точность расчетов повышена на 16...22%.

5. Выявлена неоднородность теплотехнической защиты ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов ВЛ85, устранение которой обеспечит повышение уровня безопасности труда локомотивных бригад. При этом в ходе проведения заводского ремонта второго объема (КР-2) или заводского ремонта с полной разборкой (КР-П) особое внимание должно уделяться замене существующих теплопроводных мостиков на мостики из оптимальных профилей из других энергоемких материалов, утеплению стен и потолка с использованием «пеноизола» различной плотности.

6. Кабины машинистов электровозов, с целью повышения уровня их ремонтопригодности, должны изготавливаться модульного типа. При этом наружная и внутренняя обшивки, каждая из которых должны быть выполнены как одно целое, должны быть связаны между собой эффективной теплотехнической, пожаробезопасной, противошумной, экологически чистой защитой.

7. Установлено, что потери тепла через ограждения кабины машиниста электровоза, при отрицательной температуре воздуха, могут достигать 2,7.. .6,2 кВт. Применение «пеноизола» снижает суммарные тепловые потери на 20.. .24%. При этом вклад потерь тепла излучением через окна достигает 2,5%, а инфильтрационным воздухом -22...23%. Применение в ограждающих конструкциях «пеноизола» компенсирует потери тепла за счет инфильтрационного воздуха, что подтверждает его высокую теплотехническую эффективность.

8. Годовой экономический эффект от замены пенопласта на «пено-изол» в ограждающих конструкциях кабины машиниста одного электровоза может достигать'10-12 тыс. рублей, а с учетом чрезвычайных ситуаций (пожаров на электровозах) - 17...23 тыс. рублей в год.

Научные публикации по теме диссертации:

1.Купаев В.И., Рассказов C.B. Способы повышения качественных показателей ограждающих конструкций сооружений желез-

нодорожного транспорта // Наука и техника транспорта. 2003. № 3. — С. 3-6.

2. Рассказов C.B. Компьютерное моделирование теплофизи-ческих процессов в сложных ограждающих конструкциях железнодорожного транспорта // Наука и техника транспорта. 2003. № 3. — С. 15-18.

3.Рассказов C.B. Методика расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта // Техника и технология. 2004. №5. —С. 12-23.

4. Рассказов C.B. Практические рекомендации по повышению защитных свойств кабин машинистов электровозов нового поколения от неблагоприятных факторов // Техника и технология. 2004. № 5. С. 24-31.

Рассказов Сергей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ КАБИН МАШИНИСТОВ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ УСЛОВИЙ ТРУДА ЛОКОМОТИВНЫХ БРИГАД

Специальность 05.26.01 - Охрана труда (транспорт)

Тип. зак. S00, Изд.зак. 123 Тираж 100 экз.

Подписано в печать 22.10.04 Гарнитура Times. Офсет Усл.печ.л. 1,25 Формат 60х90'/16

Издательский центр РГОТУПСа, 125993, Москва, Часовая ул., 22/2

Типография РГОТУПСа, 125993, Москва, Часовая ул., 22/2

I i I

f Í

г

i !

i ¡

! I

Р194 13

РНБ Русский фонд

2005-4 12397

Введение.

1. Состояние вопроса о защитных свойствах энергосберегающих легких ограждающих конструкций тягового подвижного состава железнодорожного транспорта.

1.1 Анализ исследований, посвященных вопросам применения ограждающих конструкций на тяговом подвижном составе железнодорожного транспорта.

Ф 1.2 Физико-географические особенности регионов РФ, оказывающие влияние на условия эксплуатации ограждающих конструкций тягового подвижного состава железнодорожного транспорта.

1.3 Современные взгляды на возможность применения легких ограждающих конструкций. Требования, предъявляемые к ограждающим конструкциям тягового подвижного состава.

1.4 Факторы, определяющие возрастание роли ограждающих конструкций на подвижном составе железнодорожного транспорта. Научная задача исследования.

Выводы по главе.

- 2. Экспериментальная оценка теплотехнических и физико-^ технических защитных свойств теплоизоляционного материала нового поколения «пеноизола».

2.1 Экспериментальная установка и условия проведения теплотехнического эксперимента.

2.2 Теплотехнические испытания «пеноизола». Результаты обработки эксперимента.

2.3 Противопожарные испытания теплоизоляционного материала «пеноизола».

2.4 Вибрационные испытания «пеноизола».

2.5 Звукопоглощающие испытания «пеноизола».

2.5.1 Определение коэффициента звукопоглощения «пеноищ зола».

2.6 Анализ результатов проведения экспериментов.

Выводы по главе.

3. Методика расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта.

3.1 Назначение методики расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта.

3.2 Исходные данные, используемые в методике расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта

3.3 Основные математические зависимости, формулы и алгоритм расчета теплопередачи ребра жесткости ограждающих конструкций.

3.4 Функционирование методики расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта.

3.5 Анализ достоверности методики расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта.

3.6 Расчет коэффициента теплопередачи кабин машинистов электровозов В JI85.

Выводы по главе.

Российские железные дороги осуществляют свыше 80% грузооборота и более 40% пассажирооборота нашей страны. В среднем грузооборот железных дорог возрастает на 3-5% в год. В связи с этим Президент РФ В.В.Путин на заседании Государственного совета 29 октября 2003 года отмечал: «Наша задача - развитие . транспортной отрасли, ее комплексная модернизация, модернизация подвижного состава, включая вагоны и локомотивы нового поколения».

Современные тенденции развития железнодорожного транспорта России связаны не только с увеличением грузооборота и пассажирооборота, но и с повышением скоростей движения и увеличением веса поездов /1,37/. В связи с этим значительно возрастает интенсивность работы локомотивных бригад. Проводимые работы по аттестации рабочих мест локомотивных бригад на грузовых и пассажирских электровозах свидетельствуют, что их условия труда по микроклиматическим параметрам не соответствуют существующим критериям термодинамического комфорта и в соответствии с принятой классификацией относятся к третьему классу (вредные условия труда). Это происходит из-за того, что в летний и зимний периоды года в кабинах машинистов электровозов создается неравномерный температурный режим, появляются локальные зоны значительно перегретого воздуха, что создает определенный дискомфорт в работе локомотивных бригад. Другим фактором, оказывающим влияние на ухудшение самочувствия локомотивных бригад, является значительный перепад между температурой воздуха в кабине машиниста и температурой стенок легких ограждающих конструкций кабины, который возникает из-за плохого качества тепловой изоляции и имеющихся неплотностях в ограждающих конструкциях.

Одним из способов создания в кабинах машинистов тягового подвижного состава термодинамических комфортных условий труда является установка систем круглогодичного кондиционирования воздуха для поддержания требуемых значений микроклиматических параметров. Однако решение этой задачи не представляется возможным без совершенствования легких ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов и, прежде всего, использующегося в качестве среднего слоя в ограждающих конструкциях теплоизоляционного материала. При совершенствовании легких ограждающих конструкций кабин машинистов необходимо исключить возможность увеличения толщины лобовой, боковых и поперечной стенок, а также пола и потолка, так как они будут увеличивать массу кабины, и уменьшать полезный объем помещения. Кроме того, нельзя использовать теплоизоляционные материалы, обеспечивающие только прочность, легкость, долговечность и невысокую стоимость конструкции. При проектировании легких ограждающих конструкций необходимо также предусматривать надежную теплотехническую защиту, ее экологическую и пожарную безопасность, влагоизоляцию, защиту от коррозии и уменьшение вибраций, проникновения шума, а также удобство и простоту монтажа и ремонта, как самих ограждений, так и оборудования кабины машиниста электровоза. Именно поэтому внедрение новых более эффективных легких ограждающих конструкций на основе использования теплоизоляционных пористых материалов нового поколения приобретает в настоящее время важное народнохозяйственное значение и будет способствовать росту экономического эффекта от их использования. Одним из важнейших путей экономии топливно-энергетических ресурсов является сокращение тепловых потерь через ограждающие конструкции как эксплуатируемого, так и вновь строящегося подвижного состава железнодорожного транспорта. Решая проблемы экономии энергетических ресурсов с помощью совершенствования теплотехнической защиты кабин машинистов электровозов, использования легких высокоэффективных теплоизоляционных материалов нового поколения возможно окупить финансовые затраты, потраченные на их разработку, а в дальнейшем - получать чистую экономическую прибыль.

Применение высокоэффективных теплоизоляционных материалов не только делает возможным создавать легкие ограждающие конструкции, позволяющие обеспечивать в кабинах машинистов электровозов нормируемые Гостами РФ микроклиматические характеристики, но также позволяет сократить эксплуатационные затраты на обогрев (охлаждение) кабин машинистов с помощью снижения тепловых потерь через наружные ограждения в зимнее время или уменьшения перегрева кабин в летнее время. Экономия энергетических ресурсов рассматривается в настоящее время как важнейшая национальная техническая, экологическая и экономическая проблема /70/. При этом мероприятия, обеспечивающие энергосбережение, имеют в настоящее время более высокую рентабельность по сравнению с наращиванием энергоресурсов.

В приоритетные направления научно-технического развития железнодорожного транспорта Российской Федерации входят перспективные планы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ рассчитанные до 2006 года и связанные с созданием новых видов тягового подвижного состава, обеспечением безопасности движения поездов и применением энергосберегающих технологий.

Исследованию вопросов распространения тепловых полей в ограждающих конструкциях и их совершенствованию посвящены работы Бутакова Г.В., Бухтеева В.Ф., Берникова Г.И., Гаршина И.М., Гришиной JI.A., Зворыкина М.А., Иоэльсона Е.Б., Китаева Б.Н., Лебедянского JI.JL, Ниточкина А.Е., Пительгузова Н.А., Попова М.С., Дж. Роббера, Сапожникова С.А., Сидорова Ю.П., Третьякова А.П., Фаерштейна Ю.О., Фокина К.Ф., Шевандина М.А., Шустера А.А., и других.

Выше названные исследователи уделяли значительное внимание определению потерь тепла через ограждающие конструкции кабин электровозов, оценке коэффициентов теплопередачи на внешней и внутренней сторонах ограждений, особенностям распространения тепловых потоков в сложных ограждающих конструкциях, решению ряда других научных задач и проблем.

Суть научной задачи, решаемой в диссертации, заключается в повышении эффективности теплотехнической защиты кабин машинистов электровозов на основе проведения теоретических и экспериментальных исследований.

В качестве объекта исследования выбраны ограждающие конструкции кабин машинистов электровозов железнодорожного транспорта. Предметом исследования в данной диссертационной работе являются теплоизоляционные свойства ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов.

Решаемая научная задача - повышение эффективности теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов с целью улучшения условий труда локомотивных бригад.

Целью исследований является улучшение условий труда локомотивных бригад на основе совершенствования ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи исследования: обобщение опыта применения легких ограждающих конструкций тягового подвижного состава на электрической тяге; экспериментальная оценка теплотехнических и других характеристик перспективного теплоизоляционного материала нового поколения («пенои-зола»); разработка инженерной методики оценки теплотехнических характеристик легких ограждающих конструкций, применяемых на тяговом подвижном составе железных дорог; совершенствование легких ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов и исследование их эксплуатационных характеристик; разработка практических рекомендаций по применению легких энергосберегающих ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов.

Научная новизна работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании выбора конструктивного исполнения ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов на основе методики оценки их теплотехнических защитных свойств.

Основным методом исследования являлся метод системного анализа, теплотехнические методы оценки коэффициентов теплопередачи сложных ограждающих конструкций положения теории вероятностей и методов математической статистики.

Рамками исследования являлись: исследование проводилось применительно к эксплуатации тягового подвижного состава на Западно-Сибирской, Красноярской и Южно-Уральской железных дорогах при низких температурах (до -50°С), поскольку они по своему географическому положению и экономическому значению занимают центральное место среди грузовых перевозок железнодорожным транспортом России. Определение коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций проводилось с учетом конструктивных особенностей кабин машинистов грузовых электровозов BJI85. Кроме этого выявлялись: коэффициент теплопроводности, коэффициент звукопоглощения, вибропрочность, горючесть, воспламеняемость и дымообразующая способность теплоизоляционного материала «пеноизола».

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 170 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков, 26 таблиц, 9 приложений. Список использованной литературы насчитывает 105 наименований.

Результаты работы могут быть использованы при совершенствовании ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта России, в научных изысканиях, в производственной деятельности при проведении заводского ремонта второго объема (КР-2) электровозов, в учебном процессе РГОТУПС и его филиалах, в научно-методических материалах кафедры.

Дальнейшие исследования в этой области могут быть направлены на: создание многослойных эффективных теплотехнических ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта; разработку программного обеспечения комплексной методики оценки защитных свойств ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта от неблагоприятных производственных факторов.

Аспирант кафедры

Охрана труда» РГОТУПС

С.В.Рассказов

23 »сеитября 2004г.

170

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное комплексное исследование, посвященное решению научной задачи имеющей важное народно-хозяйственное значение для железнодорожного транспорта России - повышение эффективности теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов с целью улучшения условий труда локомотивных бригад, позволило сформулировать следующие основные выводы:

1. В настоящее время на электроподвижном составе железнодорожного транспорта широкое применение в качестве ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов получили одно-и многослойные конструкции на основе теплоизоляционных материалов и стального перфорированного листа. В связи с увеличением скоростей движения и целым рядом несовершенных конструктивных решений подвесок электроподвижного состава и пути произошло значительное возрастание воздействия на локомотивные бригады шума и вибрации, ухудшение теплотехнических, экологических и других характеристик ограждающих конструкций кабин машинистов. При этом предел огнестойкости ограждающих конструкций крайне низок, что требует их дальнейшего совершенствования. В связи с этим следует считать, что наиболее перспективный теплоизоляционный материал, применяемый в ограждающих конструкциях подвижного состава должен обладать пониженной горючестью, низкой деформативностью, высокими теплотехническими характеристиками, вибростойкостью, звукопоглощением и высокой экологической безопасностью.

2. Подавляющее большинство существующих методов и методик расчета коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта сложны в применении, обладают низкой точностью, значительным количеством исходных данных и невозможностью оценки влияния неметаллических включений на величину коэффициента теплопередачи. Это потребовало разработки оперативной инженерной методики расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта с учетом неметаллических включений и сложных физико-географических особенностей регионов России.

3. Исследования показали, что основными требованиями, предъявляемыми к ограждающим конструкциям современного и перспективного подвижного состава железнодорожного транспорта являются: обеспечение минимальной массы панелей и толщины конструкций; высокие теплотехнические, звукоизолирующие и вибропоглощающие характеристики ограждений, стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды, высокие пожаротехнические характеристики; применение в конструкциях экологически безопасных материалов с низкой себестоимостью, высокой прочностью при относительно низком значении модуля упругости и низким коэффициентом влаго-водопоглогцения. При этом для нормализации температурных условий в кабинах машинистов электровозов необходима разработка принципиально новых ограждающих конструкций с использованием нового перспективного теплоизоляционного материала «пеноизола», позволяющего обеспечить нормируемые значения средних температур воздуха в кабинах машинистов в любой период года.

4. Уточнение теплотехнических и физико-технических свойств «пеноизола» и выявление его поведения в ограждающих конструкциях подвижного состава железнодорожного транспорта потребовало проведения лабораторных экспериментов, в ходе которых было установлено: коэффициент теплопроводности «пеноизола» составляет 0,03.0,033 Вт/м -°С, что является лучшим показателем среди применяемых материалов в качестве теплоизоляции в ограждающих конструкциях подвижного состава железнодорожного транспорта; пеноизол» обладает высокими противопожарными характеристиками. Он относится к материалам со слабой горючестью (группа Г1), умеренной воспламеняемостью (группа В2) и умеренной дымообразующей способностью (группа Д2); пеноизол» является в достаточной степени вибропрочным и звукопоглощающим материалом. При этом коэффициент его звукопоглощения в 2,3. .2,4 раза выше, чем у пенопласта. Эти качественные характеристики «пеноизола» обеспечивают его успешное применение в ограждающих конструкциях подвижного состава железнодорожного транспорта России.

5. В целях решения практических задач, связанных с выбором рациональных схем теплотехнических защит ограждающих конструкций и проведения оптимизационных расчетов, разработана «Методика расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта». На основе проведенных экспериментов, в целях упрощения производства расчетов, получены расчетные формулы, обеспечивающие более полный учет распределения температурного поля в ограждающих конструкциях с учетом различных теплопроводных включений, в том числе: формула для определения дополнительного коэффициента теплопередачи ребра жесткости, позволяющая учесть распределение температурного поля в ограждающих конструкциях в зависимости от типа материала теплопроводных включений; формула для определения коэффициента теплопередачи сложного ограждения. При этом точность расчетов повышена на 16. .22%.

С целью упрощения применения на практике методики и повышения скорости счета, разработан ее компьютерный вариант, определяющий порядок действий пользователя направленный на проведение достоверных исследований.

6. Проведенными исследованиями выявлена неоднородность теплотехнической защиты ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов ВJI85, устранение которой обеспечит повышение уровня безопасности труда локомотивных бригад. При этом в ходе проведения заводского ремонта второго объема (КР-2) или заводского ремонта с полной разборкой (КР-П) особое внимание должно уделяться замене существующих теплопроводных мостиков на мостики из оптимальных профилей из других энергоемких материалов, утеплению стен и потолка с использованием «пеноизола» различной плотности.

7. Кабины машинистов электровозов, с целью повышения уровня их ремонтопригодности, должны изготавливаться модульного типа. При этом наружная и внутренняя обшивки должны быть выполнены как одно целое и связаны между собой эффективной теплотехнической, пожаробезопасной, вибростойкой, противошумной и экологически чистой защитой.

8. Исследованиями установлено, что потери тепла через ограждения кабины машиниста электровоза, при отрицательной температуре воздуха, могут достигать 2,7.6,2 кВт. Применение «пеноизола» снижает суммарные тепловые потери на 20. .24%. При этом вклад потерь тепла излучением через окна достигает 2,5%, а инфильтрационным воздухом - 22. 23%. Применение в ограждающих конструкциях «пеноизола» компенсирует потери тепла за счет инфильтрационного воздуха, что подтверждает его высокую теплотехническую эффективность.

9. Исследования показали, что с целью снижения уровня шума в кабине машиниста электровоза и повышения ее защитных теплотехнических характеристик задняя стенка кабины должна быть выполнена в виде акустической панели с использованием профилей переменной ширины. Наличие перфораций в профильном листе и «пеноизола» в полостях повысит эффективность частотной области поглощения звука на 15. 17%.

Пол кабины машиниста электровоза, с целью снижения веса кабины, обеспечения долговечности в эксплуатации, противопожарной безопасности и теплотехнической защиты, должен быть выполнен в виде соединенных между собой металлических коробов имеющих Т-образное сечение. При этом в целях более эффективного повышения звуко- и виброизоляции, пол кабины машиниста должен опираться на упругие резиновые элементы с модулем сдвига 0,5±0,1 МПа, у которых отношение суммы площадей горизонтальных опорных поверхностей гиперболоида к площади его боковых поверхностей по высоте должно быть равно 1,15. 1,25.

10. Возможный годовой экономический эффект от замены пенопласта на «пеноизол» в ограждающих конструкциях кабины машиниста одного электровоза может достигать 11 тыс. рублей, а с учетом чрезвычайных ситуаций (пожаров на электровозах) - 17.23 тыс. рублей в год.

Таким образом, в ходе исследования решена важная научно-производственная задача, посвященная повышению эффективности теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций кабин электровозов с целью улучшения условий труда локомотивных бригад.

1. АбрамовА.А. История железнодорожного транспорта: Уч. пос. М.: РГОТУПС, 2003. - 309 с.

2. Амосов С.И. Ослабление изолирующего слоя врезами. Работа НИЕС. 1953 31 с.

3. АнаньевВ.А., БалуеваЛ.Н., ГальперинА.Д.и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика: Уч. пос. М.: Арина, 2000. - 206 с.

4. А.с. № 360252. Способ экспериментального определения среднего коэффициента теплопередачи кузова транспортного средства / С.А. Сапожников, В.М.Черкез. 1972.

5. БахидиЛ. Тепловой микроклимат помещений. М.: Стройиз-дат, 1981.- 248 с.

6. БогословскийВ.Н. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа, 1982. - 415 с.

7. БогословскийВ.Н., АвдеевГ. К., Бухарова Н.В. Теплотехнический расчет ограждений, содержащих теплопроводные включения. М.: МНИИТЭП, 1977. - 369 с.

8. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1980. - 974 с.

9. Бухтев В.Ф. Исследование температурного поля в кабине машиниста тепловоза при работе в зимних условиях. Труды МИИТа. М., 1974. С. 3-13.

10. Бухтев В.Ф. Исследование факторов, влияющих на температурное поле кабины машиниста тепловоза в жарких условиях. Сб. трудов МИИТа. М., 1974. С. 14-22.

11. Васильев В.И. Введение в вычислительную теплофизику: Уч.пос. 4.1: Прямые задачи тепломассопереноса. М., 1997. - 82 с.

12. Вентцель Е.С. Исследование операций. М., Советское радио, 1972. -552 с.

13. Верников Г.И., Сапожников С.А., Шустер А. А. Развитие методов контроля теплотехнических качеств вагонов. Труды ВНИ-Ив. Вып. 50. -М., 1983. С. 80-87.

14. Верников Г.И., Попов М.С. Влияние скорости движения на воздухообмен и теплопотери вагона. Труды ВНИИв. М.,1978. С.З-10.

15. Ускоренный метод определения коэффициента теплопередачи ограждений вагона с теплоизолированным кузовом / Верников Г.И., Сапожников С.А., Шустер А.А., Китаев Б.Н.Холодильная техника., № 8 М., 1983. С. 15-17.

16. Гейц И.В. Охрана труда. Учебно практическое пособие. М., Дело и Сервис, 2004, - 560 с.

17. ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ. Шум. Общие требования безопасности. -М.,1983.

18. ГОСТ 12.1.044-89 ССБТ. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. М.,1989.

19. Клочкова Е. А. Охрана труда на железнодорожном транспорте. Учебник. М., 2004 г, 411с.

20. ГОСТ 25898-83 Материалы и изделия строительные. М.,1983.

21. ГОСТ 12.2.056-81 ССБТ. Электровозы и тепловозы колеи 1520 мм. Требования безопасности. М., 1981.

22. ГОСТ 16350-80 Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей. М.,1980.

23. ГОСТ 30290-94 Материалы и изделия строительные. М., 1994.

24. ГОСТ 30244-94 Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть (СТ СЭВ 2437-80). М.,1994.

25. ГОСТ 30402-96 Материалы строительные. Метод испытания на воспламеняемость. -М.,1996.

26. ГОСТ 17516.1-90 Изделия электротехнические. Общие требования в частности стойкости к механическим внешним воздействующим факторам.-М., 1990.

27. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. — М.: Изд-во стандартов, 1988.

28. Гришина Л.А., Матвеев Л.И. Влияние конструктивных особенностей ограждений кабин электровозов на коэффициент теплопередачи // Известия Сев.-Кавк. Научного центра высшей школы. 1983. № 3. -48 с.

29. Гришина Л.А. Влияние воздушных зазоров на эффективную теплопроводность ограждающих конструкций кабин электровозов // ЦНИИ ТЭИ МПС. -М. № 3179, 2002. -17 с.

30. ЛецкийЭ.К. Информационные технологии на железнодорожном транспорте. Учебник. М., 2000, 680с.

31. ГутерР.С.,Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1970. -432 с.

32. Данилов Н.Д. Тепловая защита зданий и сооружений: Уч. пос. Якутск, 1999. - 64 с.

33. Драгун В.Л. Термографические исследования и компьютерное моделирование тепловых процессов в теплотехнике, технологии и биомедицине. Диссертация на соискание ученой степени д-ра техн. наук в форме науч. докл. :01.04.14. -Минск, 1993. -80 с.

34. Евстифеев В.Н., Вербицкая Н.А. Методические рекомендации по определению теплофизических комфортных условий работы операторов строительных и дорожных машин. . М., ВНИПИ труда в строительстве Госстроя СССР. 1983. - 186 с.

35. Ермилов О.В. Повышение безопасности труда на предприятиях Северной железной дороги. Диссертация на соискание ученой степени канд-та техн. наук:05.26.01. М., 2003. - 244с.

36. Железнодорожный транспорт: Энциклопедия/ Гл.ред. Н.С.Конарев.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. 559 с.

37. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975.- 934 с.

38. Иоэльсон Е.Б. Транспортные холодильные установки. -М.: ОНТИ, 1935.-С.16

39. Исследование и оптимизация тепловых процессов в подвижном составе. Отчет МИИТа. М., 1984. - 47 с.

40. Исследование и усовершенствование теплоизоляционных свойств ограждений кабины локомотива и определение оптимальных тепловых нагрузок. Отчет МИИТа. М., 1984. - 76 с.

41. КаганерМ.Г. Тепломассообмен в теплоизоляционных конструкциях. М.: Энергия, 1979. 387 с.

42. Карасева Л.В.,Михалкович Л.Н. Теплофизиче-ские основы проектирования ограждающих конструкций. Уч.пос. -Ростов-н/Д, 1997.-76с.

43. Кирпичников Е.Г., Демина Е . М ., Ратнер Е.М. и др. Физиолого-гигиеническое обоснование норм микроклимата в кабине магистрального локомотива. Сб. научн. трудов. М.: Транспорт, 1984. С. 6973.

44. КопаневИ.Д. Снежный покров на территории CCCP.-JL: Гидрометеоиздат, 1978.-181 с.

45. Коркин В.Д., Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. . Словарь технических терминов и словосочетаний по отоплению, вентиляции, охлаждению, кондиционированию, теплоснабжению и строительной теплофизике. -М.: АВОК-ПРЕСС, 2001.- 340 с.

46. Кортиков Н.Н. Теоретические основы теплотехники. Численные методы решения задач сопряженного теплообмена. Уч. пос. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003.-33 с.

47. Костерев Ф.М., Кушнырев В.И. Теоретические основы теплотехники. -М.: Энергия, 1978. 176 с.

48. Купаев В.И., Рассказов С.В. Способы повышения качественных показателей ограждающих конструкций сооружений железнодорожного транспорта // Наука и техника транспорта. 2003. № 3.- С. 3 6.

49. К у р н о О г. Основы теории шансов и вероятностей. М.:Наука, 1970.-384 с.

50. Левин А.Б., Семенов Ю.П. Теплотехнический справочник студента. М., 2002. -96 с.

51. Лиопо Т.Н., Цаценко Г.В. Климатические условия и тепловое состояние человека Л.: Гидрометеоиздат, 1971.- 43 с.

52. Лопатина Е.Б., Чубуков Л.А., ШвареваЮ.Н. Природно-климатическая дифференциация территории СССР по условиям жизнедеятельности человека // Сб. научн. трудов «Вопросы географии. Климат и человек» № 89.- М.: Мысль. 1972. 476 с.

53. Купаев В.И.,Рассказов С.В. Исследование условий безопасности на железнодорожном транспорте. Отчет по НИР, инв. № 2399.РГОТУПС, М., 2004. 43 с.

54. Информационно-справочный сборник законодательных актов и нормативных документов по охране труда (по состоянию на 01.01.04 г.) Мелиоратор, Я., 2004, 634 с.

55. Кудрин В.А., Прохоров А.А. Охрана труда работников локомотивных бригад и обеспечение безопасности движения поездов на железных дорогах. Руководство. М.: ВНИИЖГ, 2000, 108 е.

56. Руководство по обеспечению пожарной безопасности эксплуатируемого тягового подвижного состава. Департамент локомотивного хозяйства МПС РФ, ВНИИЖТ, М.: 2001. - 192 с.

57. Лосавио Н.Г., Галкина О.В. Гигиеническая оценка микроклимата в кабинах и салонах Российских электропоездов // Материалы научно практич. конф. «Актуальные проблемы здравоохранения на железнодорожном транспорте». Муром, 1999. — 148 с.

58. Пожарная безопасность. М.:ФГУ ВНИИПО МВД России, №1.2001.

59. Ляшков В.И. Теоретические основы теплотехники. Уч.пос. М.: Машиностроение-1, 2002. 259 с.

60. Лунин А . И . Обобщенная теория нестационарных температурных полей и динамические методы определения теплофизических свойств материалов. Монография. Ковров: ГОУ ВПО КГТА, - 2003. - 247 с.

61. Маханько М.Г., Хенач А.,Шмидт М.М. Кондиционирование воздуха пассажирских вагонов и на локомотивах. М., Транспорт, 1981.- 254 с.

62. Маханько М.Г. Поступление тепла в кабину тепловоза 2ТЭ121 от солнечного излучения // Указатель ВИНИТИ. М., 1985. № 3. -102 с.

63. Методические рекомендации по выбору средств обеспечения микроклимата на подвижном составе железнодорожного транспорта и путевых машинах. ЦУВСС 6/11 от 12.05.00. - М., 2000. - 46 с.

64. Ниточкин А.Е. Расчет изоляции рефрижераторных судов. Холодильное дело. М., № 3. 1955. - 86 с.

65. OCT 24.050.15-79. Методика определения среднего коэффициента теплопередачи ограждения конструкции кузова пассажирского вагона в условиях стоянки. М., 1979. - 26 с.

66. П о п о в В . М . Теплотехника: Уч. пос. Воронеж, 2001. - 92 с.

67. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. Справочник. М.: Энергия, 1978. 244 с.

68. Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения / Под ред.В .Г.Гагарина и И.В.Бессонова // Сб.докл.четвертой науч.-практ.конф.,27-29 апр,1999 г. М., 1999. -382 с.

69. Разработка технических требований к теплоизоляции ограждений и к системе кондиционирования воздуха кабины тепловоза. Отчет МИИТа.-М., 1985.-40 с.

70. Рассказов С.В. Компьютерное моделирование теплофи-зических процессов в сложных ограждающих конструкциях железнодорожного транспорта // Наука и техника транспорта. 2003. №3.-С. 15-18.

71. Рассказов С.В. Методика расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта. М., Техника и технология № 5, 2004г.

72. Рассказов С.В. Практические рекомендации по повышению защитных свойств кабин машинистов электровозов нового поколения от неблагоприятных факторов. М., Техника и технология № 5, 2004г.

73. Российская энциклопедия по охране труда: В 2 т. Т. 1: А — О / Гл. ред. А.П.Починок. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. - 384 с.

74. Сапожников С.А. Влияние движения на теплотехнические качества пассажирских вагонов. Труды ВНИИв. М., 1972. - 96 с.

75. Краткий физико-технический справочник. Под ред. Яковлева К.П., М.: Изд-во ФТЛ, 1962. 686 с.

76. Семенов Б.А. Нестационарная теплопередача и эффективность теплозащиты ограждающих конструкций зданий. -Саратов, 1996. -173 с.

77. Сидоров Ю.П. Основы кондиционирования воздуха на предприятиях железнодорожного транспорта и в подвижном составе. М.: Транспорт Изд. 2-е, 1984. - 220 с.

78. СН №4249 Санитарные нормы вибрации в кабине машиниста тягового подвижного состава железнодорожного транспорта.

79. СН № 4252-87 Методические рекомендации по оценке потенциальной биологической опасности полимерных материалов, используемых в пассажирском вагоностроении.

80. СН 2.2.4/2.1.8.562-96 Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.

81. СН ЦУВСС 6/27 от 30.08.96 изм.№ 1 ЦУВСС 6/3 от 13.06.02 Санитарные правила, регламентирующие физические и химические факторы среды на подвижном составе железнодорожного транспорта на уровнях, обеспечивающих безопасность работающих и пассажиров.

82. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и география.

83. СНиП 21-01 -97 Пожарная безопасность зданий и сооружений.

84. Советкин В.Л. Теплофизические свойства веществ: Уч. пос., Свердловск, УПИ. 1990. 98 с.

85. Стерлин М.Д. Управление теплофизическими процессами: новые модели и алгоритмы. СПб.: Изд-во С.-Петерб. гос. техн. ун-та, 1997. -118 с.

86. СтыриковичМ.А. Теплотехника и теплофизика. Экономика энергетики и экология. Избран, тр. М.: Наука, 2002. -319 с.

87. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности сооружений. М.: АВОК-Пресс, 2002. -194 с.

88. ТамплонФ.Ф. Металлические ограждающие конструкции. Уч. пос. Свердловск: Изд. УПИ им. С.М.Кирова, 1976. -156 с.

89. Теоретические основы теплотехники: Межвуз.сб.науч.тр./ Под ред.В.П.Семенова Магнитогорск: Урал. гос. техн. ун-т УПИ, Магнитогор. гос. ун-т, 2000. -121 с.

90. Теория и техника теплофизического эксперимента / Г о р т ы ш ов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Идиатуллин Н.С.и др.; Под ред. Щукина В.К. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 64 с.

91. Теплотехника: Учебник / Под ред. В.Н.Луканина. -4-е изд., испр. -М.: Высшая школа, 2003. -671 с.

92. Теплообмен и теплофизические свойства материалов. Материалы Всесоюз.семинара / Под ред.А.В.Горина, Ю.А.Коваленко. Новосибирск, 1992.-283 с.

93. Теплофизические измерения в начале XXI века // Четвертая Ме-ждунар.теплофиз.шк.,24-28 сент.2001 г. Тез.докл., 4.1. Тамбов, 2001. - 183 с.

94. Теплофизические измерения в начале XXI века // Четвертая Ме-ждунар.теплофиз.шк.,24-28 сент.2001 г. Тез.докл., 4.2. Тамбов, 2001. - 179 с.

95. Теплофизика. Уч.пос. / Под ред.А.К.Карышева. М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2002. - 107 с.

96. Тетеревников В.И. Разработка и исследование теплофи-зических моделей тепломассообмена человека с окружающей средой применительно к решению задач вентиляции и кондиционирования воздуха. Л.: Дисс. докт. техн. наук. - 486 с.

97. Тепло и массобмен. Технический справочник / Под ред.

98. B.А.Григорьева, В.М.Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 342 с.

99. Тимошенкова Е.В.К вопросу о точности измерений теплотехнических параметров кабин подвижного состава // Медицина труда, гигиена и эпидемиология на железнодорожном транспорте. Сб. научно-практических работ. -М., 2001. 214 с.

100. Тимошенкова Е.В. Выбор системы обеспечения микроклимата в помещениях подвижного состава для летнего режима эксплуатации. Дис. канд. техн. наук: 05.14.04/МИИТ. -М.,2002. 153 с.

101. Худяков А.Д. Теплозащита зданий в северных условиях. Уч. пос. М.: Ассоц.строит.вузов, 2001. 107 с.

102. Швыдкий В.С.,Ладыгичев М.Г., Шаврин В.

103. C. Математические методы теплофизики. Учебник. М., Машиностроение-1.2001.-231 с.