Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса о защитных свойствах энергосберегающих легких ограждающих конструкций тягового подвижного состава железнодорожного транспорта 15
1.1 Анализ исследований, посвященных вопросам применения ограждающих конструкций на тяговом подвижном составе железнодорожного транспорта 15
1.2 Физико-географические особенности регионов РФ, оказывающие влияние на условия эксплуатации ограждающих конструкций тягового подвижного состава железнодорожного транспорта 24
1.3 Современные взгляды на возможность применения легких ограждающих конструкций. Требования, предъявляемые к ограждающим конструкциям тягового подвижного состава... 31
1.4 Факторы, определяющие возрастание роли ограждающих конструкций на подвижном составе железнодорожного транспорта. Научная задача исследования 40
Выводы по главе 49
2. Экспериментальная оценка теплотехнических и физико-технических защитных свойств теплоизоляционного материала нового поколения «пеноизола» 54
2.1 Экспериментальная установка и условия проведения теплотехнического эксперимента
2.2 Теплотехнические испытания «пеноизола». Результаты обработки эксперимента 59
2.3 Противопожарные испытания теплоизоляционного материала «пеноизола» 68
2.4 Вибрационные испытания «пеноизола» 76
2.5 Звукопоглощающие испытания «пеноизола» 78
2.5.1 Определение коэффициента звукопоглощения «пеноизола» 79
2.6 Анализ результатов проведения экспериментов 81
Выводы по главе 84
3. Методика расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта 87
3.1 Назначение методики расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта 88
3.2 Исходные данные, используемые в методике расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта 91
3.3 Основные математические зависимости, формулы и алгоритм расчета теплопередачи ребра жесткости ограждающих конструкций 94
3.4 Функционирование методики расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта 113
3.5 Анализ достоверности методики расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта 120
3.6 Расчет коэффициента теплопередачи кабин машинистов электровозов ВЛ85 124
Выводы по главе 132
4. Практические рекомендации по совершенствованию защитных свойств кабин машинистов электровозов от неблагоприятных факторов 134
4.1 Повышение теплотехнических защитных свойств кабин машинистов электровозов в период проведения заводского ремонта второго объема (КР-2) 134
4.2 Практические рекомендации по повышению защитных свойств кабин машинистов электровозов нового поколения от неблагоприятных факторов 138
4.3 Экономическая оценка предлагаемых технических решений по повышению защитных свойств кабин машинистов элек тровозов от неблагоприятных факторов 150
Выводы по главе 158
Заключение 162
Список литературы 170
Приложения 183
Материалы внедрения 212
- Физико-географические особенности регионов РФ, оказывающие влияние на условия эксплуатации ограждающих конструкций тягового подвижного состава железнодорожного транспорта
- Теплотехнические испытания «пеноизола». Результаты обработки эксперимента
- Исходные данные, используемые в методике расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта
- Практические рекомендации по повышению защитных свойств кабин машинистов электровозов нового поколения от неблагоприятных факторов
Введение к работе
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, явля-
5 ется 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, потрачен-
ные на их разработку, а в дальнейшем - получать чистую экономическую
прибыль.
Применение высокоэффективных теплоизоляционных материалов не
только делает возможным создавать легкие ограждающие конструкции, по
зволяющие обеспечивать в кабинах машинистов электровозов нормируемые
Гостами РФ микроклиматические характеристики, но также позволяет сокра-
м тить 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
7 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 Л.А., Зворыкина М.А., Иоэльсона Е.Б., Китаєва Б.Н., Лебедянского Л.Л., Ниточкина А.Е., Пителыузова 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 матема-тической статистики.
Рамками исследования являлись: исследование проводилось примени
тельно к эксплуатации тягового подвижного состава на Западно-Сибирской,
Красноярской и Южно-Уральской железных дорогах при низких температу
рах (до -50С), поскольку они по своему географическому положению и эко
номическому значению занимают центральное место среди грузовых пере-
ф возок железнодорожным транспортом России. Определение коэффициентов
теплопередачи ограждающих конструкций проводилось с учетом конструктивных особенностей кабин машинистов грузовых электровозов ВЛ85. 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.
Во введении обоснованы актуальность и новизна темы диссертации, сформулирована научная задача исследования, указана цель работы и задачи исследования, раскрыта структура диссертации и изложены научные результаты, выносимые на защиту, а также их реализация.
В первой главе, «Состояние вопроса о защитных свойствах энергосберегающих легких ограждающих конструкций тягового подвижного состава железнодорожного транспорта», проведен анализ исследований, посвященных вопросам применения ограждающих конструкций на тяговом подвижном составе, исследованы физико-географические особенности регионов РФ, оказывающие влияние на условия их эксплуатации, определены факторы, влияющие на возрастание роли ограждающих конструкций в подвижном составе железнодорожного транспорта и требования, предъявляемые к ним.
Во второй главе, «Экспериментальная оценка теплотехнических и физико-технических защитных свойств теплоизоляционного материала нового поколения «пеноизола»», определены условия проведения теплотехнического эксперимента и разработана необходимая для его проведения экспериментальная установка. Представлены результаты теплотехнического эксперимента с последующей математической обработкой полученных данных при помощи элементов вариационной статистики. Кроме того, приведены резуль-
таты противопожарных, вибрационных и звукопоглощающих испытаний теплоизоляционного материала «пеноизола» с последующем анализом полученных в ходе экспериментов результатов.
В третьей главе, «Методика расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта», представлены исходные данные и назначение разрабатываемой методики; основные математические зависимости, формулы и алгоритм расчета теплопередачи ребра жесткости ограждающих конструкций; условия функционирования методики и ее компьютерный вариант, реализованный в рамках программы «Delphi». Кроме этого, проведен анализ достоверности методики расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта и представлены данные расчетов коэффициентов теплопередачи кабин машинистов на примере электровоза В Л 85.
В четвертой главе, «Практические рекомендации по совершенствованию защитных свойств кабин машинистов электровозов от неблагоприятных факторов», представлены способы повышения теплотехнических защитных свойств кабин машинистов электровозов в период проведения заводского ремонта второго объема (КР-2); практические рекомендации по повышению защитных свойств кабин машинистов электровозов нового поколения от неблагоприятных факторов, где предложены новые технические решения легких ограждающих конструкций пола, потолка, лобовой, боковых и попереч-
12 ной стенок кабин машинистов электровозов; осуществлена экономическая
оценка предлагаемых технических решений по повышению защитных
свойств кабин машинистов от неблагоприятных факторов.
В заключении обобщены результаты проведенного исследования и определены возможные направления дальнейших исследований. Сделан вывод о том, что в целом работа посвящена решению важной научной задачи имеющей большое значение для совершенствования железнодорожного транспорта России.
Практическая ценность работы заключается в разработке новых конструктивных решений легких ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов с улучшенной теплотехнической защитой на основе исрользо-вания теплоизоляционного материала нового поколения «пеноизола», обеспечивающих улучшение условий труда локомотивных бригад.
Личный вклад автора заключается в постановке данного исследования; разработке основных его научных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, в самостоятельном выполнении всех этапов исследования, включая эксперименты, их обработку и внедрение полученных результатов.
Результаты проведенных исследований внедрены:
При ремонте кабин машинистов электровозов в локомотивном депо «Рыбное» Московской железной дороги.
При капитальном ремонте электровозов в локомотивном депо «Брянск-2» Брянского отделения Московской железной дороги.
13
3. В учебном процессе РГОТУПС МПС РФ в лекционных курсах
дисциплин «Экология» и «Безопасность жизнедеятельности».
Основные результаты проведенных научных исследований были доложены на научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», заседаниях кафедры «Охрана труда» РГОТУПС (2002-2004 гг.).
Основные положения диссертации опубликованы в четырех печатных работах, опубликованных в журналах «Наука и техника транспорта» и «Техника и технология»:
Купаев В.И., Рассказов СВ. Способы повышения качественных показателей ограждающих конструкций сооружений железнодорожного транспорта // Наука и техника транспорта. 2003г.№ 3. - С. 3-6.
Рассказов СВ. Компьютерное моделирование теплофизических процессов в сложных ограждающих конструкциях железнодорожного транспорта // Наука и техника транспорта. 2003г.№ 3. - С. 15-18.
Рассказов СВ. Методика расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта // Техника и технология. 2004. № 5. - С. 12-23.
4. Рассказов СВ. Практические рекомендации по повышению защит
ных свойств кабин машинистов электровозов нового поколения от неблаго
приятных факторов // Техника и технология. 2004. № 5. - С. 24-31.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
#
Методика расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта;
Результаты проведенных экспериментов по совершенствованию ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов;
Практические рекомендации по совершенствованию легких энергосберегающих ограждающих конструкций кабин машинистов современных электровозов.
Диссертационная работа выполнена в Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации (РГОТУПС).
Автор выражает глубокую благодарность за консультации в период разработки основных положений диссертационной работы научному руководителю профессору В.И. Купаеву.
Физико-географические особенности регионов РФ, оказывающие влияние на условия эксплуатации ограждающих конструкций тягового подвижного состава железнодорожного транспорта
Железные дороги России имеют разветвленную сеть, которая протянута с севера на юг и с запада на восток. Именно поэтому тяговый подвижной состав работает в условиях воздействия различных природно-климатических факторов. К основным из них относятся климат, направление и скорость движения ветра, рельеф местности, залесенность и пр.
Проведенные многочисленные исследования /36,45,52,53/
свидетельствуют о том, что наиболее неблагоприятными, с точки зрения воздействия на локомотивные бригады вышеуказанных природно-климатических факторов, являются северный, южный и дальневосточный регионы Российской Федерации.
Работа локомотивных бригад на Северной железной дороге характеризуется продолжительной зимой и прохладным летом, большим количеством выпадающих осадков, значительной облачностью и частыми туманами.
Зимний период на севере составляет пять месяцев и характеризуется устойчивыми морозами, постоянным снежным покровом и значительной облачностью. Зимой выпадает 111-118 мм осадков в основном в виде снега. Видимость в этот период составляет менее 10 км. Ветры преимущественно юго-западные и северные, их средняя скорость составляет 5-7 м/с.
Весенний период на севере длится, как правило, два месяца и характеризуется прекращением устойчивых морозов, повышением температуры и началом таяния снежного покрова. Весной выпадает 44...49 мм осадков в виде снега и дождя. Видимость в весенний период достигает 10...12 км и более. Ветры преимущественно юго-восточные. Их средняя скорость составляет 5 м/сек.
Летний период на севере длится три месяца и характеризуется устойчивой положительной среднесуточной температурой воздуха. Летом выпадает 132-155 мм осадков в виде моросящих дождей. Видимость во все летние месяцы хорошая и составляет свыше 10 км. Ветры преобладают юго-восточные. Их средняя скорость составляет 5-6 м/с. Характеристика погодных условий Северного региона в летний период приведена в таблице 1.3.
Осенний период в Северном регионе делится два месяца и характеризуется понижением температуры воздуха и появлением заморозков. Осенью выпадает 86-101 мм осадков в виде моросящих затяжных дождей.
В отличии от Северного региона России расположенные на южном направлении железные дороги имеют климат на большей части территории умеренный. Весенний период длится два месяца и характеризуется среднемесячной температурой от +2,5 до +10,0 С. Ветры преобладают восточные, северо-восточные и юго-западные. Их средняя скорость составляет от 2 до 11 м/с.
Среднемесячное количество осадков, мм 30-40 40-45 Летний период на юге России длится с мая по сентябрь и характеризуется жаркой погодой. Самыми жаркими месяцами являются июль и август, когда температура воздуха достигает +39+42С. Видимость составляет более 10 км. Ветры в летний период преобладают в основном северо-восточные и юго-западные, реже западные и восточные. Их средняя скорость составляет 1,2-8,0 м/с. Характеристика погодных условий в летний период года юга России приведена в таблице 1.6.
Для Южного региона осенний период наступает в начале октября и длится до конца ноября. Он характеризуется теплой солнечной погодой. Видимость в осенний период составляет более 10 км. Ветры в осенний период преобладают в основном восточные, северо-восточные и юго-западные со скоростью 1,4-9,0 м/с.
На юге России зимний период длится с декабря до конца февраля и характеризуется холодной погодой с частыми метелями, сочетающимися с оттепелями. Осадки выпадают в виде дождя и снега. Неустойчивый снежный покров (до 5...7, реже 10 см) появляется в середине декабря. Видимость зимой составляет более 10 км. Ветры в зимний период преобладают в основном восточные, северо-восточные и юго-западные. Их средняя скорость ветра достигает 7,0-10,0 м/с. Характеристика погодных условий зимнего периода юга России приведена в таблице 1.8.
Лето на большей части территории Дальневосточного региона начинается в июне и продолжается в среднем 3...3,5 месяца. Среднемесячные температуры июня и августа составляют +10,0...+16,7С, в июле +13,0...+19,ГС. Абсолютный максимум температуры составляет +28,0+38,0С, абсолютный минимум соответственно -4,0...+2,0С. Ветры в летний период преимущественно северо-западных, западных и северных направлений, имеющие скорость 1,5...2,5 м/сек.
Теплотехнические испытания «пеноизола». Результаты обработки эксперимента
Испытания проводились по ранее указанному ГОСТ 7076-87 в соответствии с нижеследующим циклом по определению коэффициента теплопроводности на образцах: 1. в естественном состоянии; 2. после выдержки образцов над зеркалом воды (с учетом влагопоглощения) и испытаний на теплопроводность; 3. в сухом состоянии.
В результате проведенных испытаний был получен ряд температурных значений, которые в большей или меньшей степени отличались один от другого. Для установления наиболее типичного значения температуры на поверхностях теплоизоляционного материала вычислялось ее среднее арифметическое значение по формуле: где: М - среднее арифметическое значение температуры, С; /- значения температуры, С; п - количество наблюдений, шт. Расчеты показали, что среднее арифметическое значение температуры составляет:
Однако, для суждения об изучаемой величине одного среднего арифметического значения температуры недостаточно. Величины отклонений отдельных значений температуры от их среднего арифметического значения, оценивались разностью между отдельными значениями температуры и их средним арифметическим значением по формуле: X = t-M, (2.2) где: Х- величины отклонений отдельных значений температуры, С; t - значениями температуры, С; М - среднее арифметическое значение температуры, С. Из приведенной формулы видно, что чем большее значение величины X будет получено для ряда наблюдений, тем изменчивее сам признак, т.е. некорректно сделаны в ходе эксперимента замеры. При этом алгебраическая сумма всех отклонений должна быть равна нулю, т.е. Х = О.
Для определения степени изменчивости ряда значений температуры вычислялась одна из ее наиболее важных величин в вариационной статистике - среднее квадратическое отклонение по формуле: = ±J , (2.3) где: т - среднее квадратическое отклонение температуры, С; Xі- сумма квадратов всех отклонений температуры от среднего арифметического значения температуры; п - количество измерений. Благодаря возведению в квадрат, знаки у всех членов этой суммы положительные. Эта величина характеризует собой среднее квадратическое отклонение наблюдаемой величины от ее среднего арифметического значения, т.е. степень разбросанности, рассеянности ряда значений. Знак (±) показывает, что отклонения имеют место как в одну, так и в другую сторону: ет = ±Ш = ±/!Ж = 0)536 V п V 560
В данном случае среднее арифметическое значение следует признать с высокой вероятностью за истинное значение наблюдаемого признака. Полученные в результате математической обработки данные свидетельствуют о том, что с вероятностью не менее 68% результат испытаний не будет отклоняться от найденного М больше, чем на одно значение сигмы, т.е. будет находиться в диапазоне температур между 32,2+0,53=32,73С и 32,2-0,53=31,67С. С вероятностью 95,4% полученное значение будет отклоняться от М не более, чем на два значения а, т.е. будет лежать в пределах между 32,2+(2-0,53)=33,26С и 32,2-(2-0,53)=31,14С. Для повышения достоверности результатов испытаний «пеноизола» используем предел значений температур, стремящийся к ±3сг, т.е. к 99,7%. При этом значения будут лежать в интервале между 32,2+(3-0,53)=33,79С и 32,2-(3-0,53)=30,61С. Таким образом, почти с полной достоверностью можно утверждать, что новое значение даст результат, лежащий в пределах от 30,61 до 33,79С.
При многократном повторении измерений температуры на поверхностях теплоизоляционного материала существует возможность ошибки наблюдений. Поэтому в последующем определялась средняя ошибка среднего арифметического, которая представляет собой предел среднего квадратического значения величины при возрастании числа наблюдений до бесконечности.
Противопожарные испытания теплоизоляционного материала «пеноизол» проводились на базе факультета МЧС Военно-инженерного университета МО РФ. При этом в ходе испытаний теплоизоляционного материала на пожарную безопасность определялись: термический анализ образцов материалов и веществ с целью их идентификации перед испытаниями на пожарную опасность (входной контроль); группа горючести согласно ГОСТ 30244 - 94; группа воспламеняемости согласно ГОСТ 30402 - 96; коэффициент дымообразования согласно ГОСТ 12.1.044 - 89; При проведении термического анализа были выбраны следующие условия эксперимента: температура воздуха- 18 С; атмосферное давление - 102 кПа; относительная влажность - 53 %; скорость нагревания - 20 С/мин; температурный диапазон нагревания - 30+800 С; держатель образца - платиновый тигель; термопара - «хромель - копель»; атмосфера - азот, расход газа - 50 мл/мин; скорость съема информации во время эксперимента - 30 точек/мин. Термический анализ испытуемых образцов проводился на термовесах ТГА-951. При обработке полученных в ходе эксперимента данных фиксировались процент потери массы вещества при фиксированных температурах (+100...+500 С), температура (С) потери массы вещества 5, 10, 20, 50 % массы и зольный остаток (%) при +800 С Основные результаты проведенных исследований представлены в таблице 2.4.
В ходе проведения экспериментов, при определении группы горючести теплоизоляционного материала, «пеноизол», четыре вертикально ориентированных образца размером (1000x190) мм закреплялись в держателе и подвергались воздействию газовой горелки мощностью 88 МДж/ч в течение 10 минут.
Испытания на воспламеняемость проводились в соответствии с ГОСТ 30402-96. Сущность метода испытаний заключалась в определении параметров воспламеняемости «пеноизола» при заданных стандартом уровнях воздействия на поверхность образца лучистого теплового потока и пламени источника зажигания. Параметрами воспламеняемости материала являются: критическая поверхностная плотность теплового потока и время воспламенения /27/. Для классификации материалов по группам воспламеняемости использовалась критическая поверхностная плотность теплового потока. Горючие строительные материалы, в зависимости от критической поверхностной плотности теплового потока, подразделяются на три группы воспламеняемости: Bl, В2, В3(табл 2.8).
Исходные данные, используемые в методике расчета коэффициента теплопередачи сложных ограждающих конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта
В последующем под исходными данными, используемыми в методике, будем понимать постоянные и переменные физико-технические, теплотехнические и другие характеристики ограждающих конструкций кабин машинистов электровозов ВЛ85 и внешней среды оказывающих влияние на формирование микроклиматических условий в кабинах машинистов подвижного состава железнодорожного транспорта. При этом к внешним факторам относятся: физико-географические регионы России и климатические условия эксплуатации локомотивов; рельеф местности; углы и скорости набегания воздушного потока на поверхности ограждающих конструкций. К внутренним факторам относятся: неоднородность ограждающих конструкций; наличие в них теплопроводных включений; теплообмен внутри кабин машинистов. Кроме этого следует учитывать в ходе проведения расчетов, что величина теплопоступлений в кабину машиниста характеризуется коэффициентом теплопередачи, который в свою очередь зависит от термического сопротивления ограждающих конструкций кабины машиниста, теплотехнических свойств материалов применяемых в ограждениях, а также степенью заполнения слоя изоляции ограждения всевозможными технологическими теплопроводными элементами. К исходным данным следует также отнести: местоположение ограждающих конструкций в кабине машиниста; геометрические размеры основных элементов кабин и теплотехнических вставок; конструктивное исполнение ограждающих элементов; применяемые технологические конструкционные материалы и скрепления, пр.
В свою очередь исходные данные, используемые при проведении расчетов, подразделяются на постоянные и переменные величины. Так, к постоянной величине относится стационарный режим нагрева кабины машиниста. Это объясняется объективно существующими основными допущениями, используемыми в методике и сформулированными в параграфе 3.1. настоящей главы.
К переменным величинам, используемым в методике, относятся: плотность теплоизоляционного материала; его коэффициент теплопроводности; толщина; коэффициент свободной конвекции; имеющиеся в теплотехнической защите ребра жесткости соответствующих геометрических размеров, форм и конфигураций, изготовленных из различных конструкционных материалов характеризующихся соответствующими коэффициентами теплопроводности; другие данные.
В основу вывода дифференциального уравнения теплопроводности изолированного ребра жесткости положен закон сохранения энергии. При этом процесс распространения тепла в ребре жесткости в элементарный момент времени в пределах элементарного объема описывается методом математической физики.
Процесс распространения тепла в ограждающих конструкциях с теплопроводными включениями достаточно сложен и поэтому теоретически трудно определить величину коэффициента теплопередачи от поверхности ребер, входящего в уравнение (3.7). Дифференциальное уравнение (3.7) решается приближенным методом, который позволит получить аналитическое выражение используемое на практике.
Определение коэффициентов полинома связано с физикой рассеивания теплоты в изоляционном материале. Решение дифференциального уравнения теплопроводности позволяет определять температуры в изолированном ребре при известном коэффициенте теплопередачи. Экспериментальные исследования, приведенные в работах /37-39/ показали, что величина эквивалентного коэффициента теплопроводности рассеивания от поверхности ребра в изоляцию зависит от высоты ребра и его коэффициента теплопроводности.
Анализ графиков рис.3.2 и рис.3.3 показывает, что значение коэффициента теплопередачи ребра жесткости тем выше, чем больше его высота и конструкционная толщина, и наоборот. При этом оптимальным следует считать использование высот ребер жесткости, которые лежат в интервале значений от 0,02 до 0,05 м. Оптимальное значение толщин ребра жесткости может выбираться по вышеприведенным графикам.
Практические рекомендации по повышению защитных свойств кабин машинистов электровозов нового поколения от неблагоприятных факторов
Требования, которые предъявляются к современным ограждающим конструкциям электровозов, определяют новые перспективные направления технического совершенствования ограждающих конструкций и практические рекомендации по их применению. Рассмотренные в предыдущих главах работы факторы и требования, влияющие на эффективность использования ограждающих конструкций, позволили определить основные направления их совершенствования. Одним из основных направлений является совершенствование теплоизоляционного материала. Проведенный во второй главе диссертации сравнительный анализ изоляционных материалов позволяет сделать вывод о достаточно высоких теплоизоляционных свойствах материала нового поколения типа «пеноизол». Анализ данных таблицы 4.1 позволяет сделать вывод о том, что «пеноизол» по своим теплозащитным свойствам является в настоящее время наиболее предпочтительным к применению технологическим материалом для повышения защитных свойств кабин машинистов электровозов нового поколения от неблагоприятных факторов.
Вторым фактором, позволяющим совершенствовать ограждающие конструкции, является рациональное использование теплопроводных мостиков из различных материалов, с различными толщинами и высотами. Сравнительный анализ коэффициентов теплопередачи «пеноизола» и пенопласта, широко применяемого в настоящее время в качестве изоляционного материала, с учетом толщины и высоты теплопроводных мостиков, представлен на рис. 4.1 и 4.2. . График зависимости коэффициентов теплопередачи ограждении от высоты теплопроводных мостиков Анализ графиков, представленных на рис. 4.1 и рис. 4.2 показывает, что имеется ярко выраженная зависимость коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций от типа изоляционного материала. При этом коэффициент теплопроводности «пеноизола» на 12-16% ниже, чем у пенопласта.
Анализ графических зависимостей, представленных на рис.4.1 показывает, что с увеличением высоты имеющихся в ограждающих конструкциях теплопроводных мостиков резко возрастает теплопередача ограждения. При этом значения коэффициентов теплопередачи ограждающей конструкции увеличиваются в зависимости от толщины ребер жесткости. Однако это увеличение не значительно и составляет 3.. .9%. На графиках рис.4.2 ( S=const) представлена зависимость коэффициента теплопередачи ограждающей конструкции от высоты ребра жесткости. Анализ этих зависимостей позволил сделать вывод о том, что при максимальном значении 8 имеется наименьшее влияние теплопроводного мостика на теплопередачу ограждающей конструкции, что является наиболее приемлемым вариантом для реализации плана заводского ремонта второго объема (КР-2).
Долголетняя практика эксплуатации электровозов убеждает в том, что с целью повышения ремонтопригодности кабины машинистов электровозов должны изготавливаться модульного типа (прил. 4.1). При этом наружные и внутренние обшивки кабин (или только внутренние) предлагается изготавливать из стеклопластика. Следует отметить, что стеклопластиковые обшивки кабин в период эксплуатации транспортных средств более эффективно выдерживают поперечные и продольные колебания без образования усталостных микротрещин и последующего разрушения кабин /74/. 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 быть выполнены из поливинилхлоридного волокна и «пеноизола» различной толщины и удельного веса /74/.
Проведенные исследования показывают, что теплотехническая защита должна состоять из нескольких защитных слоев. При этом первый защитный слой, расположенный у стенки каркаса, должен иметь плотность 0,35-0,45 г/см . Второй (внутренний) слой должен быть выполнен из «пеноизола» имеющего плотность 0,01-0,04 г/см3. Третий защитный слой должен быть жестко прикреплен к месту внутренней обшивки и иметь плотность 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 в приложении 4.2. При этом на лист 1 наружной обшивки наклеен первый слой 2 поливинилхлоридного негорючего волокна с плотностью 0,35 - 0,45 г/см3. Второй слой 3 выполнен из «пеноизола» с плотностью 0,01 - 0,04 г/см3 и размещен между первым и третьим слоем 4, жестко прикрепленным к листу 5 внутренней обшивки кабины, который может быть выполнен перфорированным или сплошным. Третий слой должен иметь плотность 0,08 -0,13 г/см3 - для передних и боковых стенок и 0,35 - 0,45 г/см для задней стенки кабины. Общая толщина комплексной защиты может достигать 80 мм, а соотношение толщин слоев соответственно равно 0,25:0,65:0,1.
Анализ исследований /19,22,43,46,97/, 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.
