CC BY
55
УДК 537.427.6
К. К. Ким, И. С. Полунин
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНОГО РАЗГРУЗОЧНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОЛУВАГОНОВ
Дата поступления: 17.10.2017 Решение о публикации: 08.11.2017
Аннотация
Цель: Показать влияние гремучего газа и олефиновых соединений на эффективность работы элек-трогидроимпульсного разгрузочного комплекса для полувагонов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: добиться увеличения мощности деструктивной силы в канале разряда за счет использования водородно-углеродной смеси газа Н2О2 в электропатроне; определить параметры гремучего газа и его влияние на гидродинамические процессы в жидкости; создать конструкцию электропатрона. Методы: Так как большинство российских угольных залежей размещены вдали от выходов к морю (расстояние до ближайших портов составляет примерно 3,6-4,6 тыс. км), то в данной обстановке угледобывающие компании вынуждены пользоваться услугами железнодорожного транспорта. Отсюда возникают трудности разгрузки смерзшихся грузов из железнодорожных полувагонов в зимний период времени. Данная проблема очень актуальна и в связи с этим предлагается для восстановления сыпучести грузов применять дополнительно энергию взрыва гремучего газа для повышения силовых характеристик электрического импульсного разряда в жидкости и как следствие эффективности процесса восстановления сыпучести грузов. Результаты: Приведена блок-схема электрических соединений разгрузочного комплекса, как вариант исполнения для такой системы, а также рассмотрено применение высокоэффективного средства (ингибиторы), позволяющего управлять горением и взрывом водородно-воздушной смеси. Практическая значимость: На основе полученных данных возможно произвести расчет содержания количества олефиновых соединений для определения верхнего и нижнего пределов распространения пламени, а также границ времени импульса тока в канале разряда для более точного использования олефиновых соединений. Результаты могут быть применены при моделировании или лабораторных испытаниях.
Ключевые слова: Разгрузочный комплекс, «гремучий» газ, вагоноопрокидыватель, эффективность, электропатрон, канал разряда.
Konstantin K. Kim, D. Eng. Sci., professor; * Igor S. Polunin, postgraduate student, polunin.ig@gmail. com (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) ON EFFICIENCY IMPROVEMENT OF ELECTRO-HYDROIMPULSIVE DISCHARGING COMPLEX FOR OPEN-BOX CARS
Summary
Objective: Since the majority of Russian coalfields are away from outlets to the sea (the distance to the nearest ports comprises about 3,6-4,6 th. km), coal-mining companies have to command the services of railway transport in the present situation. Therefore, difficulties of discharging frozen coal from railway open-box cars emerge in winter period. To show the influence of firedamp and olefinic compounds on the efficiency of electric hydro-impulsive discharging complex operation for open-box cars. In order to achieve the goal in question it is necessary to solve the following tasks: to try for destructive power augmentation in discharge channel by means of applying carbonic-hydrogen blend of Н2О2 gas in the light socket; to determine the parameters of firedamp and its influence on hydrodynamic processes in fluid; to create the design of a light socket. Methods: The problem in question is quite topical and thus it is suggested to additionally apply firedamp explosion energy for gas looseness recovery to improve power characteristics of electric pulsed discharge in liquid and as a consequence the efficiency of goods
looseness recovery process. Results: Block-diagram of discharging complex electrical connections was presented, as an alternative of embodiment for such system, as well as application of highly-effective facilities (inhibitors) was examined, making it possible to control combustion and explosion of hydrogen-air mixture. Practical importance: On the basis of the obtained data it is possible to perform calculations on the content of olefinic compounds quantity in order to identify upper and lower limits of flame propagation, as well as the time limits of current impulse for more precise application of olefinic compounds. The results may be applied in modeling and laboratory tests.
Keywords: Discharging complex, firedamp, car dumper, efficiency, light socket, discharge channel.
Введение
От конструкции вагонов напрямую зависит сохранность грузов, эффективность и скорость перевозок, безопасность движения поездов, использование грузоподъемности и вместимости на максимум, обеспечение комплексной механизации погрузочно-разгрузочных работ и сокращение простоя вагонов под грузовыми операциями.
Выделяют следующие способы разгрузки полувагонов с углем с помощью: 1) ковшовых экскаваторов и грейферов; 2) разгрузочных люков; 3) элеваторных ковшов; 4) вагоноопро-кидывателей.
Выбор типа технологии выгрузки угля определяется климатическими условиями региона, требуемой производительностью и конструктивными особенностями вагонов.
С наступлением первых заморозков в портах Российской Федерации обостряется проблема выгрузки смерзшихся грузов, подавляющим большинством которых является экспортный уголь. Перерабатывающая способность многих портов в зимний период снижается более чем в 2 раза.
На способе разгрузки вагоноопрокидывате-ля основан разгрузочный комплекс (КЛ 120633, Б65067/30, МПК B65G69/20) [1-5]. При разгрузке смерзшихся сыпучих грузов в зимнее время, например угля или щебня, в данном разгрузочном комплексе есть вероятность примерзания разгружаемого груза к стенкам полувагона, что, в свою очередь, ведет к возникновению аварийных ситуаций при перевороте полувагона в вагоноопрокидывателе. В связи с отмеченным недостатком существующий раз-
грузочный комплекс характеризуется низкой эффективностью.
Цель работы - показать влияние «гремучего» газа и олефиновых соединений на эффективность работы электрогидроимпульсного разгрузочного коплекса для полувагонов. Для ее достижения необходимо решить следующие задачи:
- добиться повышения мощности деструктивной силы в канале разряда за счет использования водородно-углеродной смеси газа Н^ в электропатроне;
- определить параметры «гремучего» газа и его влияние на гидродинамические процессы в жидкости;
- создать конструкцию электропатрона.
Разгрузочный комплекс, основанный на способе разгрузки вагоноопрокидывателя, и его модернизация
Разгрузочный комплекс КЛ 120633 содержит боковой вагоноопрокидыватель (рис. 1), включающий в себя рамный мост с колоннами для ротора с приводами его вращения, накаты надвига и схода полувагонов, расположенные по обоим торцам бокового вагоноопрокиды-вателя, соединенного тягой с устройством для очистки путей от просыпи сыпучих материалов, и толкатель полувагонов.
Недостатком данного разгрузочного комплекса является небольшая разрушающая способность канала разряда, вызывающая некачественное разрыхление смерзшегося груза и аварийные ситуации, что ведет к низкой эффектив-
Рис. 1. Общая схема разгрузочного комплекса: 1 - вагоноопрокидыватель; 2 - полувагон; 3 - устройство для очистки путей от просыпи сыпучих материалов;
4 - толкатель полувагонов
ности такого комплекса. Поэтому было предложено следующее конструктивное решение.
Усовершенствованный разгрузочный комплекс дополнительно содержит (рис. 2) источник постоянного тока, ЭВМ, установленные на рамном мосту вагоноопрокидывателя. Электропатрон состоит из корпуса, в котором установлены электроды, датчика давления и детектора утечки водорода. Первый электрод электропатрона соединен с положительным выходом источника постоянного тока, второй электрод - с отрицательным выходом источника постоянного тока, датчик давления - с первым выходом ЭВМ, а детектор утечки водорода - со вторым выходом, вход ЭВМ предназначен для подключения к источнику переменного тока.
Параметры «гремучего» газа
Для того чтобы использовать «гремучий» газ - смесь 2 об.Н + 1 об.О, с пределами температурного воспламенения 560-570 °С, в предлагаемом методе были найдены опытные данные скорости «гремучего» газа [6-10]:
• скорость распространения взрывной волны для этой смеси равна 2810 м/с;
• скорость взрывных волн, подобно скорости звука, не зависит от начального давления;
• применение олефиновых соединений позволяет управлять горением и взрывом гремучей смеси. В качестве наиболее эффектив-
ных ингибиторов применительно к горению смесей водорода в воздухе предлагается использовать олефиновые соединения, например бутилен С4 Н8.
Принцип действия
В начальный момент времени от источника постоянного тока на первый электрод подается положительный потенциал, а на второй - отрицательный. В цепи начинает протекать ток, и на электроде с положительным потенциалом будет выделяться кислород, а на электроде с отрицательным потенциалом - водород. Иными словами, в электропатроне происходит электролиз воды, что приводит к образованию смеси газов водорода (Н2) и кислорода (О2):
НР - Н2 + 0,502.
Применение олефиновых соединений позволяет замедлить реакцию горения «гремучего» газа на необходимое время. Все зависит от процентного соотношения их во взрывчатой смеси. Практика показывает, что примеси олефинов в количестве даже нескольких процентов снижает верхний концентрационный предел распространения пламени, т. е. затрудняет раннее воспламенение «гремучего» газа [11-16].
Затем конденсаторная батарея разряжается через коммутатор на электропатрон, в котором инициируется искровой разряд (рис. 3). В результате искрового разряда распространяется
4
чь
Переменный ток
Рис. 2. Блок-схема электрических соединений разгрузочного комплекса: 1 - источник постоянного тока; 2 - ЭВМ; 3 - электропатрон; 4 - корпус электропатрона; 5 - электроды; 6 - датчик давления; 7 - датчик утечки водорода; 8 - источник переменного тока; 9 - конденсаторная батарея; 10 - коммутатор
ударная волна, вызванная как электрогидравлическим эффектом (эффектом Юткина), так и взрывом «гремучего» газа, который, благодаря олефиновым соединениям, воспламеняется в определенные границы времени стадии заднего фронта (а-Ъ) порядка 30 мкс. Эта волна передается смерзшемуся грузу полувагона, разрушая и рыхля последний.
Заключение
Использование водородно-углеродной смеси газа Н2 О2 в электропатроне позволяет повысить разрушающую мощность электропатрона
и, как следствие, эффективность разрушения смерзшегося груза разгрузочного комплекса № 120633. Таким образом, создается возможность снизить количество и мощность конденсаторных установок, что приведет к снижению материальных затрат и повысит КПД разгрузочного комплекса.
Для заметного торможения процесса требуются малые количества ингибиторов, при которых другие свойства реакционных смесей фактически не изменяются и не заслоняют эффект ингибирования как в режимах воспламенения и распространения пламени, так и в режиме детонации.
I, А
Л 1 \ b
' \
| 1 1 1 \ \
1 1 \ \ a
1 \
1 1 1 \ \ \
0 1 ✓ 1 \ \ \ t, мкс
\ Т
— т
Рис. 3. График импульса тока в канале разряда
Ингибиторы коррозионно безопасны, не токсичны и недороги. Они успешно прошли тестовые испытания.
Библиографический список
1. Полезная модель «Разгрузочный комплекс» RU 120633, МПК В65G67/30, В65G69/20 : патент / К. К. Ким, М. А. Шпилев ; заявитель и патентообладатель Петерб. гос. ун-т путей сообщения. - Заявл. 05.05.2012 г. ; опубл. 27.09.2012 г. - Бюл. № 27.
2. Ким К. К. К вопросу об эффективной технологии разгрузки смерзшегося угля / К. К. Ким, М. А. Шпилев // Транспорт Российской Федерации. - 2012. - № 1 (38). - С. 66-67.
3. Ким К. К. Рыхление смерзшегося угля элек-трогидравливческим методом / К. К. Ким, М. А. Шпилев // Мир транспорта. - 2013. - № 2. - С. 48-56.
4. Ким К. К. Анализ пространственно-временной структуры напряженного состояния смерзшегося угля при воздействии квазиточечных импульсных
источников нагружения / К. К. Ким, М. А. Шпилев // Электроснабжение и электрооборудование транспорта. - 2013. - № 4. - С. 12-18.
5. Ким К. К. Электрогидроимпульсная установка для разрыхления смерзшегося угля / К. К. Ким, М. А. Шпилев // Вестн. Моск. гос. техн. ун-та им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2016. -Вып. 106. - С. 123-131.
6. Льюис Б. Горение, пламя и взрывы в газах. -2-е изд. / Б. Льюис, Г. Эльбе ; пер. с англ. ; под ред. К. И. Щелкина, А. А. Борисова. - М. : Мир, 1968. -592 с.
7. Глинка Н. Л. Общая химия / Н. Л. Глинка. - Л. : Химия, Ленингр. отд., 1985. -702 с.
8. Юткин Л. Я. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности / Л. Я. Юткин. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд., 1986. -253 с.
9. Семкин Б. В. Основы электроимпульсного разрушения материалов / Б. В. Семкин, А. Ф. Усов, В. И. Курец. - СПб. : Наука, 1993. - 276 с.
10. Поздеев В. А. Прикладная гидродинамика электрического разряда в жидкости / В. А. Поз-деев. - Киев : Наукова думка, 1980. - 192 с.
11. Кондриков Б. Н. Взрывные превращения электрической энергии / Б. Н. Кондриков, А. И. Вов-ченко, В. Э. Анников, В. В. Иванов. - Киев : Наукова думка, 1987. - 128 с.
12. Наугольных К. А. Электрические разряды в воде / К. А. Наугольных, Н. А. Рой. - М. : Наука, 1971. - 154 с.
13. Вовк И. Т. Управление электрогидроимпульс-ными процессами / И. Т. Вовк, В. Б. Друмирецкий, Е. В. Кривицкий, Л. Е. Овчинникова. - Киев : Науко-ва думка, 1984. - 188 с.
14. Бум Ф. А. Физика взрыва / Ф. А. Бум, К. П. Станюкович, Б. И. Шехтер. - М. : Гос. изд-во физ-мат. лит., 1959. - 800 с.
15. Арсентьев В. В. К теории импульсных разрядов в жидкой среде / В. В. Арсентьев // Журн. прикл. математики и теор. физики. - 1965. - № 5. -С. 51-57.
16. Сажин Б. С. Химическое подавление воспламенения и взрыва водородно-воздушной и метено-воздушной смесей / Б. С. Сажин, В. В. Козляков, Д. Л. Раков, В. Н. Саранцев // Успехи в химии и химической технологии. - 2011. - Т. XXXV, № 6 (122). - С. 112-115.
References
1. Poleznayamodel "Razgruzochniy kompleks" RU 120633, MPK B65G67/30, B65G69/20: patent [Utility model "Discharging complex" RU 120633, IPC B65G67/30, B65G69/20]: patent / К. К. Kim, М. А. Shpi-lev; patent applicant and patent holder Petersburg State Transport University. - Appl. 05.05.2012; publ. 27.09.2012. - Bul. N 27. (In Russian)
2. Kim K. K. & Shpilev M.A. K voprosu ob effek-tivnoy tekhnologii razgruzky smerzshegosya uglya [On effective workable technology of discharging frozen coal]. Transport of the Russian Federation, 2012, no. 1 (38), pp. 66-67. (In Russian)
3. Kim K. K. & Shpilev M. A. Rykhleniye smerz-shegosya uglya elektrogidravlycheskym metodom [Frozen coal ripping by means of electro-hydraulic method]. Mir transporta [The world of transport], 2013, no. 2, pp. 48-56. (In Russian)
4. Kim K. K. & Shpilev M.A. Analyz prostranstven-no-vremennoy struktury napryazhennogo sostoyaniya
smerzshegosya uglya pry vozdeistvii kvazitochech-nykh impulsnykh istochnikov nagruzheniya [The analysis of spatiotemporal structure of frozen coal stress condition under the influence of quasi-zero-dimensional impulsive energy sources of loading]. Ekektrosnab-zheniya i elektrooborudovaniya transporta [Electric power supply and transport electrical equipment], 2013, no. 4, pp. 12-18. (In Russian)
5. Kim K. K. & Shpilev M.A. Elektrogidroimpul-snaya ustanovka dlya razrykhleniya smerzshegosya uglya [Electrical hydro-impulsive unit for ripping frozen coal]. VestnikMosk. gos. tekh. un-ta im. N. E. Baumana [Proceedings of Bauman Moscow State Technical University. Mechanical engineering series], 2016, issue 106, pp. 123-131. (In Russian)
6. Lewis B. & Elbe G. Goreniye, plamya i vzryvy v gazakh. 2-ye izd. [Combustion, flames and explosions of gases. 2nd ed.]. Tr. from Eng.; ed. by K. I. Shchel-kin, A.A. Borisov. Moscow, Mir Publ., 1968, 592 p. (In Russian)
7. Glinka N. L. Obshchaya khimiya [General chemistry]. Leningrad, Chemistry, Leningr. sec., 1985, 702 p. (In Russian)
8. Yutkin L. Y. Elektrogidravlycheskiy effect i yego primeneniye vpromyshlennosty [Electrohydraulic effect and its application in industry]. Leningrad, Mechanical engineering, Leningr. sec., 1986, 253 p. (In Russian)
9. Semkin B. V., Usov A. F. & Kurets V. I. Osnovy elektroimpulsnogo razrusheniya materialov [The foundations of electro-impulsive rupture of materials]. Saint Petersburg, Nauka Publ., 1993, 276 p. (In Russian)
10. Pozdeyev V. A. Prikladnaya gidrodinamika elektricheskogo razryada v zhidkosty [Applied hydrodynamics of electrical discharge in fluid]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1980, 192 p. (In Russian)
11. Kondrikov B. N., Vovchenko A. I., Anni-kov V. E. & Ivanov V. V. Vzryvniye prevrashcheniya elektricheskoy energii [Explosive transformations of electric power]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1987, 128 p. (In Russian)
12. Naugolnykh K.A. & Roy N.A. Elektrycheskiye razryady v vode [Electrical discharges in water]. Moscow, Nauka Publ., 1971, 154 p. (In Russian)
13. Vovk I. T., Drumiretskiy V. B., Krivitskiy E. V. & Ovchinnikova L.Y. Upravleniye elektrogidroimpul-snymy protsessamy [Electro-hydroimpulsive processes
control]]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1984, 188 p. (In Russian)
14. Bum F.A., Stanyukovich K. P. & Shekhter B. I. Fizika vzryva [Physics of explosions]. Moscow, Gos. izd-vo fiz-mat. lit. (State Publishing House of Literature on physics and mathematics) Publ., 1959, 800 p. (In Russian)
15. Arsentyev V. V. K teorii impulsnykh razryadov v zhydkoy srede [On the theory of impulsive discharges in liquid medium]. Zhurn. prikl. matematiky i teor.
fiziky [Journal of appl. mathematics and theor. physics], 1965, no. 5, pp. 51-57. (In Russian)
16. Sazhyn B. S., Kozlyakov V. V., Rakov D. L. & Sarantsev V. N. Khimicheskoye podavleniye vosplame-neiya i vzryva vodorodno-vozdushnoy i metano-voz-dushnoy smesey [Chemical suppression of flaming and explosion of hydrogen-aerial and methane-aerial mixtures]. Progress in chemistry and chemical engineering, 2011, vol. XXXV, no. 6 (122), pp. 112-115. (In Russian)
КИМ Константин Константинович - д-р техн. наук, профессор; *ПОЛУНИН Игорь Сергеевич -аспирант, polunin.ig@gmail.com (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
