Разработка системы термостабилизации полувагона
Коваленко Марк Витальевич, студент
Научный руководитель: Соловьев Вячеслав Алексеевич, доктор технических наук, профессор
Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет
В ходе исследования была разработана система термостабилизации полувагона, позволяющая прогревать стенки полувагона и сыпучий грунт внутри него. Была разработана тепловая модель в среде ANSYS Workbench. Подобрано необходимое электрооборудование и разработана функциональная схема системы.
Ключевые слова: полувагон, уголь, ANSYS.
Ежегодно с наступлением первых сильных морозов начинаются проблемы с разгрузкой смерзшихся сыпучих грунтов, перевозимых в полувагонах. В основном, проблемы при транспортировке и выгрузке угля из железнодорожных вагонов происходят из-за перепадов температур в Сибири и на Дальнем Востоке. Дальнепривозные угли поступают на станции в сильно замороженном состоянии (вследствие превышения допустимых значений влажности угля), что сразу же значительно затрудняет оперативную выгрузку вагонов.
Во время выгрузки зачастую используют рабочих с ломами, лопатами и прочим ручным инструментом; в целях ускорения процесса специалисты угольных терминалов осуществляют выгрузку вагонов так называемыми нетрадиционными, а точнее — недопустимыми методами: с помощью грейферов, экскаваторов и другой техники. Отсутствие качественных способов разрыхления угля приводит также к массовой повреждаемости полувагонов, по данным департамента вагонного хозяйства ОАО «РЖД», из-за подобных методов выгрузки смёрзшегося угля в портах ежегодно количество поврежденных вагонов исчисляется тысячами.
При этом производительность труда невысока и очень велика вероятность производственного травматизма. В ожидании выгрузки простаивают тысячи вагонов, в которых уголь уже смерзся до монолитного состояния.
В итоге, на разгрузку состава уходит большое количество времени, а в соответствии с уставом железнодорожного транспорта Российской Федерации за задержку по вине перевозчика подачи вагонов под выгрузку, а также за задержку уборки вагонов с мест выгрузки грузов на железнодорожных путях перевозчик уплачивает грузоотправителю, грузополучателю штраф в размере 0.2 от минимального размера оплаты труда (6204 рубля с 1 января 2016 года) за каждый час задержки каждого вагона. Таким образом, за простаивание продолжительностью всего в 1 день грузоперевозчик обязан заплатить около 30000 рублей.
В настоящее время для выгрузки смерзшегося угля из вагонов используются вагоноразмораживатели (рис. 1), где под воздействием высоких температур происходит оттаивание и размягчение угольного монолита. Достоинством таких размораживающих устройств является малая инерционность — с момента подачи напряжения на нагреватели до выхода на рабочую температуру проходит 2,5–3 минуты. Однако применение таких устройств не обходится без больших затрат электроэнергии, и кроме того за счет быстрого размораживания угля в полувагонах накапливается влага, которая зачастую не успевает испаряться, что в итоге негативно влияет на качественные свойства сырья.
Рис.1. Вагоноразмораживатели
Проанализировав существующие способы борьбы со смерзанием угля в полувагонах, мною и моим научным руководителем был предложен новый способ решения данной проблемы, согласно которому прогрев полувагона происходит в процессе его транспортировки. Для этого на фронтальной стенке полувагона необходимо установить нагревательный элемент трансформаторного типа (НЭТ). Напряжение на первичную обмотку НЭТ поступает от текстропно-редукторно-карданного привода (ТРКП). Такой тип привода считается наиболее надежным, применяется на купейных и некупейных вагонах. Вторичная обмотка НЭТ представляет из себя короткозамкнутый виток, который предлагается разместить вдоль ребер жесткости полувагона.
В ходе проектирования системы была разработана тепловая модель в среде ANSYS Workbench [1, 2, 4, 5, 7, 8], позволяющая оценить возможный эффект от применения предлагаемого способа. В качестве объекта моделирования был взят полувагон модели 12–127 (рис. 2), который применяется для перевозки угля и других сыпучих грунтов [3].
Рис. 2. Внешний вид полувагона модели 12–127
Исходя из результатов моделирования, уголь вблизи стенок полувагона прогревается до температуры +14 градусов Цельсия при нагреве вторичной обмотки до температуры +20. Процесс нагрева протекает при температуре окружающей среды -40 градусов Цельсия. Результаты моделирования приведены на рисунке 3.
Рис. 3. Результаты моделирования
Также в ходе исследования, для обеспечения контроля температуры нагревательного элемента было подобрано необходимое электрооборудование и разработана функциональная схема системы (рис. 4).
Рис. 4. Функциональная схема системы
В качестве устройства, обеспечивающего поддержание заданной температуры, применяется отечественный программируемый логический контроллер ПЛК110–220.32.К-М фирмы ОВЕН, который способен работать при низких температурах окружающей среды. В качестве датчиков температуры были выбраны термопреобразователи сопротивления ДТС3 той же фирмы. Для получения данных с датчиков необходим модуль ввода аналоговых сигналов МВ110–220.8АC той же фирмы. Контроллер опрашивает модуль ввода аналоговых сигналов по протоколу Modbus RTU [6,9,10]. Дискретные выходы контроллера представляют из себя транзисторный ключ, что позволяет подключить к ним твердотельное реле SA3–66200A серии Gold фирмы Norton Electronic, которое в свою очередь будет коммутировать высокие ток и напряжение на входе первичной обмотки трансформатора.
По результатам работы можно сделать вывод: предлагаемый способ является эффективным и позволяет в разы сократить процесс выгрузки угля без применения вагоноразмораживателей. Также способ позволяет снизить повреждаемость полувагонов, тем самым увеличивая их срок службы.
Литература:
- Буяка В. А. Инженерный анализ в ANSYS Workbench часть 1: учеб. пособие / В. А. Буяка, В. Г. Фокин, Е. А. Солдусова, Н. А. Глазунова, И. Е. Адвянов. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. — 271 с.
- Буяка В. А. Инженерный анализ в ANSYS Workbench часть 2: учеб. пособие / В. А. Буяка, В. Г. Фокин, Я. В. Кураева. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013. — 149 с.
- Вагонник [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.vagonnik.net.ru, свободный. — Загл. с экрана. Яз. рус. (дата обращения: 28.02.2016).
- Горелов В. Н. Проектирование деталей машин с использованием программного комплекса ANSYS: учеб. пособие / В. Н. Горелов, А. Н. Лукьянова. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. — 70 с.
- Ерофеев В. Т. Проектирование производства земляных работ / В. Т. Ерофеев. — АСВ, 2005. — 160 с.
- Копытов С. М. Использование контролёра ОВЕН СПК207 для обработки данных с датчика вибрации ZETLAB ZETSENSOR по протоколу MODBUS RTU / С. М. Копытов, А. В. Ульянов, М. В. Коваленко // Фундаментальные исследования. — 2016. — № 4–2. — С. 275–279.
- Морозов Е. М. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения / Е. М. Морозов, А. Ю. Муйземнек, А. С. Шадский. — М.: ЛЕНАНД, 2010. — 456 с.
- Решение прикладных задач термомеханики с применением программного комплекса ANSYS: методические указания к выполнению лабораторных работ / сост. е.Е. Красновский. — Москва: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. — 88 с.
- Ульянов А. В. Использование СПК207 для управления привода ОВЕН ПЧВ3 по протоколу Modbus RTU / А. В. Ульянов, М. В. Коваленко // Молодой ученый. — 2016. — № 5. — С. 86–92.
- Ульянов А. В. Управление шаговым двигателем с помощью NI MyRIO / А. В. Ульянов, М. В. Коваленко // Технические науки: теория и практика: материалы III междунар. науч. конф. (г. Чита, апрель 2016 г.). — Чита: Издательство «Молодой ученый», 2016. — С. 43–46.
