CC BY
3
УДК 629.4.069
В. А. Мина ков, В. О. Носков, В. К. Фоменко, В. А. Четвергов
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ИСКРОГАСИТЕЛЯ ГРУЗОВОГО ЛОКОМОТИВА СЕРИИ 2ТЭ10 И ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОЖАРА
Аннотация. Рассмотрена конструкция системы искрогашения дизелей типа Д100, установленных на тепловозах серии 2ТЭ10, и выполнена оценка вероятности попадания искр в атмосферу после прохождения искрогасителя локомотива. Искрогаситель служит для исключения попадания искр выпускных газов в атмосферу. От исправной работы искрогасителя зависят степень пожароопасности на локомотиве и безопасность следования поездов в целом. При неисправной работе искрогасителя в совокупности с неисправной работой узлов дизеля локомотива возрастает вероятность попадания искр в атмосферу и. как следствие, повышается вероятность возникновения пожаров вдоль железнодорожных путей.
В статье выполнен анализ эффективности работы системы искрагашения, применяемой на грузовых локомотивах серии 2ТЭ10. Рассмотрена схема газовоздушного тракта тепловоза и выполнен анализ траектории движения искры, вылетающей из выхлопного коллектора локомотива. По результатам анализа установлено, что с учетом габаритов локомотива и профиля железнодорожного пути дальность полета искры из выхлопного коллектора локомотива может составлять от 8 до 26 м при скорости ветра до 6 м с. Представлены результаты исследования нагретых частиц, вылетающих из глушителя тепловоза. Исследования выполнены в процессе испытаний локомотива на всех режимах работы дизель-генераторных установок, близких к номинальной мощности. В процессе испытаний зафиксирован вылет твердых частиц из выхлопной системы в размере, не превышающем 5 мм. Приведено распределение температурного поля по поверхности искрогасителя и вычетающих частиц нагара с помощью инфракрасного приемника - тепловизора. По результатам испытаний установлено, что температура на внутренней поверхности искрогасителя при работе двигателя на номинальной мощности находится в пределах 250 - 260 °С, а температура нагретых частиц снижается на 65 °С с 253 до 188 °С за время полета не более двух секунд.
Представленные в статье данные подтверждают важность контроля системы искрогашения на локомотивах, с целью исключения возникновения пожара и повышения безопасности эксплуатации поездов.
Ключевые слови: тепловоз, искрогаситель, дизель, повышение безопасности, пожароопасность, тепловизиониый контроль.
Vitalii A. Minakov, Vitally О. Noskov, Valentin К. Fomenko, Vitaliy A. Chetvergov
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF THE SPARK EXTINGUISHER OF THE 2TE10 SERIES FREIGHT LOCOMOTIVE AND ASSESSMENT OF THE
PROBABILITY OF A FIRE
Abstract. The design of the spark extinguishing system of diesel engines of the D100 type installed on diesel locomotives of the 2 ТЕ 10 v i series is considered and the probability of sparks entering the atmosphere after passing the spark extinguisher of the locomotive is estimated. The spark extinguisher is used to exclude the ingress of exhaust gas sparks into the atmosphere. The degree of fire hazard on the locomotive and the safety of the train as a whole depends on the proper operation of the spark extinguisher. In case of faulty operation of the spark extinguisher in conjunction with the faulty operation of the diesel engine components of the locomotive, the probability of sparks entering the atmosphere increases and, as a result, the probability of fires along the railway tracks increases.
The article analyzes the efficiency of the spark extinguishing system used on 2TE10 series freight locomotives. The scheme of the gas-air path of the locomotive is considered and the analysis of the trajectory of the spark flying out of the exhaust manifold of the locomotive is performed. According to the results of the analysis, it was found that, taking into account the dimensions of the locomotive and the profile of the railway track, the range of the spark from the exhaust manifold of the locomotive can be from 8 to 26 m, with a wind speed of up to 6 m s. The results of the study of heated particles flying out of the muffler of the locomotive are presented. The research was carried out in the process of testing the locomotive in all operating modes of diesel generator sets close to the rated power. During the tests, the departure of solid particles from the exhaust system in a size not exceeding 5 mm was recorded. The distribution of the temperature field over the surface of the spark extinguisher and the outgoing carbon particles using an infrared thermal imager
2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ни №4(56) 2023
receiver is given. According to the test results, it was found that the temperature on the inner surface of the spark extinguisher when the engine is running at rated power is in the range of250-260 ° C. And the temperature of the heated particles decreases by 65 0 С from 253 0 С to 188 0 С during the fright of no more than two seconds.
The data presented in the article emphasize the importance of controlling the spark extinguishing system on locomotives, in order to avoid fire and improve the safety of train operation.
Keywords: diesel locomotive, spark extinguisher, diesel, safety improvement, fire hazard, thermal imaging control.
Пожары на локомотивах - это происшествия, связанные с возгоранием или появлением открытого огня на железнодорожном подвижном составе, приводящие к остановке движения и требующие применения экстренных мер по тушению огня и устранению последствий. Последствия, к которым могут привести пожары, имеют не только значительные материальные потери, к которым относится задержка движения поездов или порча подвижного состава, но могут привести и к травмам или гибели людей. Необходимо отметить, что тяжесть последствий пожаров на локомотиве и вне его зависит от множества факторов, таких как грамотные действия локомотивных бригад при пожаре, техническое состояние системы пожаротушения, наличие исправных узлов систем пожарной сигнализации и пожаротушения на локомотиве и др. Возникновение пожара на железнодорожном транспорте нарушает процесс эксплуатации и бесперебойность движения, что идет вразрез со стратегией развития железных дорог [1].
В настоящее время актуален вопрос о последствиях возгораний растительности, расположенной вблизи железнодорожной инфраструктуры, при эксплуатации-железнодорожного транспорта. Статистические данные за последние годы указывают на отсутствие снижения числа пожаров на железнодорожном транспорте. Причины возгораний на локомотивах различные и в большинстве случаев возникают из-за технических неисправностей оборудования. Если рассматривать электровозы, то чаще всего причиной возгорания являются короткое замыкание в силовых цепях, повреждение силовых кабелей и круговой огонь в тяговых электродвигателях. На тепловозах к уже указанным причинам можно отнести неисправность системы смазки дизеля и турбокомпрессора, утечки топлива, в результате чего может произойти попадание горящего вещества (искр) в атмосферу и на крышу локомотива.
Попадание искр в атмосферу может привести к возгоранию как самого локомотива, так и окружающих его объектов и сухой травы, расположенных вдоль железной дороги. Часто причинами видимого огня или наличия искр в выпускном тракте двигателя является работа дизель-генераторной установки (ДГУ), имеющей неудовлетворительное техническое состояние узлов, на номинальных режимах дизеля.
Для гашения образующихся искр в выпускном тракте дизеля, уносимых с отработавшими газами в атмосферу, служит искрогаситель (рисунок 1) [2 - 4].
Рисунок 1 - Искрогаситель тепловоза серии 2ТЭ10: а - вид сверху; б - вид сбоку; в - чертежный размер
Работа искрогасителя заключается в дожигании искр в корпусе до того, как они попадут в атмосферу. От исправной работы искрогасителя зависят степень пожароопасности на локомотиве и безопасность следования поездов в целом [7].
При неисправной работе искрогасителя в совокупности с работой двигателя, имеющего неисправности в узлах, на номинальных режимах возрастает вероятность возникновения возгорания объектов, расположенных вдоль железнодорожного полотна. Для моделирования и расчета дальности и времени полета искры на рисунке 2 приведена схема направления движения горючего вещества (искры), вылетающего из искрогасителя локомотива.
Рисунок 2 - Схема направления движения искры
На рисунке 2 обозначена скорость выхлопных газов К, скорость ветра К, скорость искры Уг, таким образом, скорость движения искры можно определить так:
(1)
Направление вылета искры из выхлопного тракта локомотива определяется углом а к горизонту:
* Уу
а = агс1§—.
(2)
Преобразуя представленную на рисунке 2 схему в систему координат, движение искры можно описать так:
ёГ
(3)
(4)
где И.юк - высота локомотива;
# - ускорение свободного падения, м/с2.
Учитывая, что в момент падения искры х = Ь, у = 0. где £ - дальность полета искры, получим расстояние полета искры до падения на землю, м,
L = v.cosat^
время полета искры до падения на землю, с,
t = (vz sin a + yj(vz sin af + 2ghmK J1 ¡g. (6)
Результаты расчета параметров движения искры, вылетающей из выхлопного коллектора грузового локомотива серии 2ТЭ10М, с учетом технических характеристик (высота локомотива - 4,9 м, высота железнодорожного полотна - 1,8 м) представлены в таблице.
Параметры движения искры
Скорость ветра, м/с Угол вылета искры к горизонту Скорость искры до падения на землю, м/с Расстояние полета искры до падения на землю, м Время падения, с
2 1,47 20,09 8,8 4,44
3 1,42 20,2 13,3 4.44
4 1,37 20,39 17,7 4.44
5 1,32 20,61 22,2 4,44
6 1,27 20,88 26,6 4,44
Г1о результатам расчета с учетом габаритов локомотива и профиля железнодорожного пути установлено, что дальность полета искры из искрогасителя локомотива составляет от 8 до 26 м при скорости ветра до 6 м/с.
Вероятность возникновения возгорания сухой растительности от попадания искры зависит от размеров и температуры раскаленного вещества.
Оценка параметров раскаленной частицы, вылетающей из искрогасителя, выполнена в процессе испытаний локомотива на режимах работы дизель-генераторных установок, близких к номинальной мощности, где зафиксирован вылет твердых частиц из газовоздушного тракта. Оценка размера выявленных твердых частиц нагара приведена на рисунке 3.
5 5
1 2 3 мм 5 Размер частиц -►
б
Рисунок 3 - Оценка размера выявленных твердых частиц нагара: а - измерение твердых частиц; б - гистограмма распределения частиц
По результатам замера твердых частиц нагара установлено, что размер наибольшей частицы нагара не превышал 5 мм.
Следует отметить, что согласно ГОСТ 33754-2016 удельный средневзвешенный выброс твердых частиц не нормируется для данных двигателей и, следовательно, на данном этапе сложно выполнить оценку технического состояния двигателя внутреннего сгорания локомотива или работы системы искрогашения. Однако данный факт указывает на то, что в выпускных трактах дизелей присутствуют отложения нагара, которые выбрасываются в атмосферу в виде твердых раскаленных частиц потоком уходящих отработавших газов.
Стоит отметить, что при исследовании локомотива в цилиндрах дизеля происходило полное и равномерное сгорание топливно-воздушной смеси по всем цилиндрам, гак как давление сгорания (вспышки) находилось в пределах нормы, температура отработавших газов не превышала регламентированных 430 °С, а разность температуры по цилиндрам не превышала 8 °С.
При проведении испытаний с помощью тепловизионной камеры Testo 875-2i выполнена оценка параметров температурного поля искрогасителя и частиц нагара. По результатам испытаний определено распределение температуры на внутренней поверхности корпуса искрогасителя (рисунок 4) и температуры раскаленной частицы нагара из газовоздушного тракта тепловоза (рисунок 5). Установлено, что температура на внутренней поверхности искрогасителя при работе двигателя на номинальной мощности находится в пределах 250 -260 °С.
Испытания проходили на !5-й позиции контроллера машиниста (КМ) при отсутствии видимых языков пламени. Нагретые частицы нагара из газовоздушного тракта обнаружены только на крыше локомотива [5, 6].
253.4
249.7 182,9
231.8 114,4
Рисунок 4 - Распределение температуры на внутренней поверхности корпуса искрогасителя на 15-й позиции контроллера машиниста: а - термограмма корпуса искрогасителя; б - корпус искрогасителя; в - температура корпуса искрогасителя
188.3 158.8 156.6 Э6.1 47.3
Рисунок 5 - Распределение температуры нагретой частицы нагара из газовоздушного тракта тепловоза 2ТЭ10У № 0250: а - термограмма искры; 6 - температура искры
Согласно полученным термограммам температура частиц нагара понизилась на 65 °С - с 253 до 188 °С, при этом за время полета и фиксации искры прошло не более 2 с. Следует отметить, что размер частицы 5 мм не изменился с момента падения до момента полного остывания частицы, что в свою очередь указывает на то, что данная частица не содержит химического состава, способного к дальнейшему окислению и преобразованию внутренней энергии химического соединения в дополнительную тепловую энергию при температуре ниже 250 °С. Вместе с тем довольно быстрое остывание частицы и отсутствие уменьшения ее размеров при остывании указывают на отсутствие процесса тления частицы нагара.
Время до полного остывания частицы определяется как т = — с1чСр, где ~ критерий
Я
Фурье; Я - коэффициент теплопроводности частицы; ¿/ч - диаметр частицы; С теплоемкость материала частицы; р - плотность частицы.
При расчете времени полного остывания с учетом исходных данных, полученных по результатам испытаний, установлено, что до полного остывания частицы нагара с момента ее попадания на крышу локомотива проходит время г = 2,6 с.
Выводы сделаны на основании п. 5 прил. 3 «Метод определения возникновения пожара (взрыва) в пожаровзрывоопасном объекте» ГОСТ 12.1.004-91 «Система стандартов безопасности груда. Пожарная безопасность. Общие требования» [9].
Учитывая результаты проведенных исследований о работе системы искрогашения на локомотиве и результаты теоретических исследований полета искры из искрогасителя тепловоза, можно сделать вывод о том, что вероятность возникновения пожара на прилегающей к железнодорожным путям территории при исправной работе дизеля узлов локомотива исключена. Стоит отметить, что оценку работоспособности искрогасителя в процессе эксплуатации локомотивов не проводят, ограничиваясь только внешним осмотром на текущем ремонте в объеме ТР-1, и при необходимости выполняют его очистку от нагара [8].
Для снижения вероятности возникновения пожара от вылетающих раскаленных частиц в атмосферу необходимо выполнять следующее:
комиссионный осмотр на предмет наличия исправной системы искрогашения, ее соответствия технической документации с указанием даты установки, технических характеристик, информации о техническом состоянии, последнем проведенном ремонте или обслуживании;
проверку исправности систем искрогашения на тепловозе с указанием даты и записью в журнал ТУ-28;
полный разбор системы искрогашения не реже чем на каждом ТР-2;
проверку работы системы искрогашения на реостатных или сдаточных испытаниях дизель-генераторной установки локомотива с записью в журнал ТУ-28 [10].
Представленные результаты подчеркивают важность контроля системы искрогашения на локомотивах с целью исключения возникновения пожара и повышения безопасности эксплуатации поездов.
Список литературы
1. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года. Утв. распоряжением Правительства Российской Федерации 17 июня 2008 г. № 877-р. -Москва : Правительство Российской Федерации; Транспорт, 2008. - 171 с. - Текст : непосредственный.
2. Семенов, А. П. Разработка модели управления жизненным циклом локомотивов с использованием современных методов технического диагностирования / А. П. Семенов. -Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2020. - № 3 (43). - С. 58-65.
3. Пассажирский тепловоз ТЭП70 / В. Г. Быков, Б. Н. Морошкин, Г. В. Серделевич, Ю. В. Хлебников. - Москва : Транспорт, 1976. - 232 с. - Текст : непосредственный.
4. Тепловоз ТЭ10М. Руководство по эксплуатации. - Москва : Транспорт, 1985. — 421 с. -Текст: непосредственный.
5. Устройство и ремонт тепловозов : учебник / Л. А. Собенин, В. И. Бахолдин, О. В. Зинченко, А. А. Воробьев. - Москва : Академия, 2004. - 416 с. - Текст : непосредственный.
мая т ИЗВЕСТИЯ Транссиба ■ /
ш
6. Теория и конструкция локомотивов / Г. С. Михальченко, В. Н. Кашников, В. С. Косов, В. А. Симонов. - Москва : Транспорт, 2006. - 584 с. - Текст : непосредственный.
7. Асламова, В. С. Системный анализ причин возникновения пожаров на локомотивах ОАО «РЖД» / В. С. Асламова, Е. Ю. Фролова. - Текст : непосредственный // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2018. - № 4 (60). - С. 63-70.
8. Кононов, В. Е. Справочник машиниста тепловоза / В. Е. Кононов, А. В. Скалин, Н. М. Хугорянский. - Москва : Транспорт, 2005. - 293 с. - Текст : непосредственный.
9. ГОСТ 12.1.004-91. Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования. - Москва : Стандартинформ, 2006. - 68 с. - Текст : непосредственный.
10. Аврунин, А. Г. Тепловозные дизели 2Д100 и 1 ОД 100 / А. Г. Аврунин. - Москва : Транспорт, 1970. - 320 с. - Текст : непосредственный.
References
1. Russian Federation. Government. Strategy for the development of railway transport in the Russian Federation until 2030. Moscow, Transport Publ., 2008, 171 p. (In Russian).
2. Semenov A.P. A mode! develop for the locomotives life cycle managing of using modern technical diagnosis methods. Izvestiia Transsiba - Journal ofTranssib Railway Studies, 2020, no. 3 (43), pp. 58-65 (In Russian).
3. Bykov B.G. Passazhirskij teplovoz TEP70 [Passenger diesel locomotive ТЕР70]. Moscow, Transport Publ., 1976, 232 p. (In Russian).
4. Teplovoz TE10M. Rukovodsh>o po ekspluatacii. [TE10M diesel locomotive. User Manual], Moscow, Transport Publ., 1985, 421 p. (In Russian).
5. Sobenin L.A., Bahoidin V.I., Zinchenko О. V., Vorob'ev A.A. Ustrojstvo i remont teplovozov: uchebnik [Construction and repair of diesel locomotives: textbook], Moscow, Academy Publ., 2004, 416 p. (In Russian).
6. Mihalchenko G.S., Kosov V.S., Simonov V.A. Teoriya i konstrukciya lokomotivov [Theory and design of locomotives], Moscow, Transport Publ., 2006, 584 p. (In Russian).
7. Aslamova V.S., Froiova E.U. System analysis of the causes of fires on locomotives of JSC «Russian Railways» [Sistemnyj analiz prichin vozniknoveniya pozharov na lokomotivah ОАО «RZHD»]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyj analiz. Model irovanie - Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, no. 4 (60), pp. 63-70 (In Russian).
8. Kononov V.E. Spravochnik mashinista teplovoza [Diesel locomotive Driver's Handbook], Moscow, Transport Publ., 2005, 293 p. (In Russian).
9. National Standard 12.1.004-91. The system of occupational safety standards. Fire safety. General requirements. Moscow, Standartinform Publ., 2006, 68 p. (In Russian).
10. Avrunin A.G. Teplovoznye dize/i 2D100 i 10D100 [Diesel of locomotives 2D100 and I0DI00]. Moscow, Transport Publ., 1970, 320 p. (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Минаков Виталии Анатольевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск. 644046, Российская Федерация
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Локомотивы», ОмГУПС.
Тел.:+7 (3812) 37-60-82.
E-mail: [email protected]
Носков Виталии Олегович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
8
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Minakov Vitaiii Anatolievich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Locomotives», OSTU. Phone:+7 (3812) 37-60-82. E-mail: [email protected]
Noskov Vitaliy Olegovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
ИЗВЕСТИЯ Тран<ЩГО|^^НК6)
Старший преподаватель кафедры «Локомотивы», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812)37-60-82.
E-mail: [email protected]
Фоменко Валентин Константинович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Локомотивы», директор Института повышения квалификации и переподготовки, ОмГУПС.
Тел : +7(3812)37-60-82.
E-mail: [email protected]
Четвергов Виталий Алексеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор
Тел:+7(3812)37-60-82.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Анализ эффективности работы искрогасителя грузового локомотива серии 2ТЭ10 и оценка вероятности возникновения пожара / В А. Минаков, В О Носков, В. К. Фоменко, В. А. Четвергов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2023. -№4(56).-С. 2-9.
Senior Lecturer of the department «Locomotives», OSTU.
Phone: +7(3812) 37-60-82.
E-mail: vitalik_noskov@mail ru
Fomenko Valentin Konstantinovich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Locomotives», director of the Institute of Advanced Training and Retraining, OSTU.
Phone: +7(3812)37-60-82.
E-mail: [email protected]
Chetvergov Vitaliy Alekseevich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Doctor of Sciences in Engineering, professor.
Phone:+7(3812)37-60-82.
E-mail: Chetvergov VA@omgups. ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Minakov V.A., Noskov V.O., Fomenko V.K., Chetvergov V.A. Analysis of the efficiency of the spark extinguisher of the 2TE10 series freight locomotive and assessment of the probability of a fire. Journal of Transsib Railway Studies, 2023, no. 4 (56), pp. 2-9 (In Russian).
УДК 629.039.58
А. А. Ковалев, А. В. Андрюков
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), г. Екатеринбург, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ
Аннотация. Наибольшее количество отказов на контактной сети происходит из-за недостатков в эксплуатационной работе, отклонении в технических параметрах элементов системы. Значительная часть нарушении связана с внешними климатическими факторами, например, с гололедом, который существенно повышает нагрузку на провода. Гололед является основным препятствием в процессе передачи тока по контактным проводам. Несмотря на то, что его продолжительность в течение года невелика, серьезные последствия, которые могут возникнуть в результате гололедообразования, требуют тщательной подготовки к борьбе с ним. Гололедообразование на контактном проводе ухудшает токосъем, вызывая образование электрической дуги. В статье приведена классификация состояний контактной сети, которая позволит правильно оценить работоспособность системы и обеспечит правильные условия эксплуатации устройств контактной сети. По классификационному признаку выделено три вида состояния: работоспособное, предотказное и неработоспособное. На основе метода «псевдосостояний» был рассмотрен процесс возникновения отказов контактной сети по причине гололедообразования в виде графа состояний и переходов, который позволит повысить надежность устройств контактной сети на участках железнодорожных магистралей и спланировать мероприятия по предотвращению гололедообразования на проводах контактной подвески. Предложена структурная схема надежности при токосъеме, отличающаяся тем, что предлагаемая математическая модель процесса отказов устройств контактной сети будет иметь ряд обоснованных допущений и упрощений, позволяющих решить систему уравнений. По разработанной математической модели
мая т ИЗВЕСТИЯ Транссиба 9
=
