Диплом (Разработка влагоустроняющего комплекса тормозного компрессора КТ-7, КТ-7)

ВВЕДЕНИЕ

Надёжная и бесперебойная работа железнодорожного транспорта зависит в первую очередь от безотказного действия подвижного состава и его пневматических систем. Нормальное функционирование пневматического оборудования локомотива в большинстве случаев определяется степенью очистки сжатого воздуха от твёрдых примесей, масла и влаги. Особенно значительный вред приносит влага и масло. Влага, конденсирующаяся в воздушных магистралях, вызывает коррозию, а при отрицательных температурах замерзает в трубопроводах и пневматических аппаратах. Это создаёт аварийные ситуации и может приводить к остановке поезда на перегоне. Масло, попадая на электроизоляционные поверхности, вместе с влагой и пылью вызывает перекрытие по поверхности изоляции, утечки тока, разрушение аппаратов. Всё это причиняет значительный экономический ущерб.

Решение проблемы предотвращения замерзания влаги возможно либо введением в сжатый воздух жидкости с пониженной температурой замерзания (спирта), либо его осушением.

Введение в сжатый воздух спирта защищает пневматическую сеть от замерзания влаги, но не исключает конденсацию водяных паров. Очевидно, что полное решение проблемы возможно только путём осушения сжатого воздуха. Наиболее перспективным из методов осушения сжатого воздуха для локомотивостроения является короткоцикловая безнагревная адсорбция в стационарном слое адсорбента. В установках этого типа улавливание влаги происходит в слое адсорбента с после­дующей его продувкой сухим воздухом. При этом осуществляется регенерация адсорбента за счёт разности парциальных давлений паров воды в воздухе и в гранулах адсорбента.

В дипломном проекте рассмотрены проблемы подготовки сжатого воздуха в источнике создания высокого воздушного давления – тормозном компрессоре КТ-6; КТ-7 для всей пневмосистемы поезда включающей тормозную, питательную, импульсную магистрали, а так же систем: пескоподачи, электрических аппаратов, звуковых сигналов и собственных нужд (продувка) узлов локомотива. Проанализированы существующие методы и устройства для подготовки воздуха, дана их практическая оценка. Представлен проект модернизации компрессора за счет добавления в нижних бочках (левый и правый) кассет с адсорбирующим материалом. Нами подобран адсорбирующий материал на основе силиконого гидрогеля и приведены наши лабораторные исследования.

1 ПРОБЛЕМЫ ПОДГОТОВКИ СЖАТОГО ВОЗДУХА В ПНЕВМАТИ­ЧЕСКИХ МАГИСТРАЛЯХ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Рабочим телом пневматических систем локомотивов является воздух, состояние которого характеризуется давлением и температурой.

Атмосферный воздух [1] представляет собой смесь сухого воздуха с влагой. Именно в период создания воздуха во всасывающем и сжимаемом процессах происходит газомаслянная смесь (пары масла попадают в рабочий воздух из картера тормозного компрессора) с парами влаги. Влажность воздуха характеризуется количеством пара в единице его объема, например, в одном кубическом метре, т.е. удельном количестве пара в смеси. Это называется абсолютной влажностью воздуха.

При достаточном охлаждении и увлажнении воздуха находящийся в нем водяной пар становится насыщенным. С этого момента дальнейшее понижение температуры воздуха или увеличение содержания в нем влаги приводит к конденсации (выпадению) из воздуха ее избыточного количества в виде жидкой фазы. Поэтому количество пара, содержащегося в насыщенном влагой воздухе, является предельно возможным при данной температуре.

1.1 Компрессорные установки локомотивов

Источником сжатого воздуха на локомотиве является компрессорная установка, обеспечивающая его расход через кран машиниста на отпуск и зарядку тормозов, пополнение утечек, а также на все служебные нужды локомотива (действие песочниц, контакторов, сигналов и др. [2].

Компрессоры различают:

- по числу ступеней сжатия — одноступенчатые и двухступенчатые;

- по расположению и числу рабочих цилиндров;

- по типу привода - мотор-компрессоры (с электрическим двигателем), дизель-компрессоры (с приводом от дизеля), паровоздушные насосы.

Рисунок 1.1- Принципиальная схема двухступенчатого компрессора

На рисунке 1.1 показана схема двухступенчатого компрессора. Сжатие воздуха в таком компрессоре производится последовательно в двух цилиндрах с промежуточным охлаждением между ступенями. Изобразим в координатах давление р - объём V (рисунок 1.2) процесс сжатия воздуха и рассмотрим работу компрессора (рисунок 1.1 и 1.2).

При первом ходе вниз поршня 1 открывается клапан 3 и в цилиндр 2 первой ступени всасывается воздух из окружающей среды при постоянном давлении. Линия всасывания АС располагается ниже линии атмосферного барометрического давления на величину потерь на преодоление сопротивления всасывающего клапана. При ходе поршня вверх клапан 3 закрывается, объем рабочего пространства уменьшается и воздух сжимается по линии CD (линия сжатия) до давления в холодильнике 4, после чего открывается клапан 5 и происходит выталкивание сжатого воздуха в холодильник по линии нагнетания DF с постоянным противо­давлением.

В процессе последующего хода поршня 1 вниз происходит расширение оставшегося во вредном пространстве сжатого воздуха по линии FB до тех пор, когда давление в рабочей полости понизится и всасывающий клапан откроется атмосферным давлением. Далее процесс повторяется.

Аналогично работает вторая ступень компрессора со всасыванием воздуха из холодильника 4 по линии EF, сжатием по линии EG, нагнетанием в главный резервуар по линии GH, расширением во вредном пространстве второй ступени по линии HF'. Заштрихованная площадь характеризует уменьшение работы сжатия за счет промежуточного (межступенчатого) охлаждения воздуха.

При сжатии воздуха выделяется тепло. В зависимости от интенсивности сжатия и количества тепла, отбираемого от сжимаемого воздуха, сжатие может быть изотермическим, когда отводится все выделяющееся тепло и температура остается постоянной, адиабатическим, когда сжатие идет без отвода тепла, или политропическим с неполным отводом выделяющегося тепла.

Адиабатический и изотермический процессы сжатия являются теоретическими. В действительности процесс сжатия идет по политропе, имеющей переменный показатель.

Рисунок 1.2 - Теоретическая индикаторная диаграмма работы компрессора

Теоретическая производительность компрессора (м³/мин) определяется объемом, который описывает поршень при всасывании воздуха:

, (1.1)

где F – площадь поршня, м²;

S – ход поршня, м;

n – число ходов в минуту.

Действительная производительность компрессора

, (1.2)

где λ – коэффициент подачи компрессора.

Коэффициент подачи определяется произведением коэффициентов:

, (1.3)

Где λ_об – объемного наполнения,

λ_у , учитывающего снижение производительности от утечек (0,97 – 0,98

для исправных компрессоров),

λ_др – дросселирование воздуха в клапанах (0,92 – 0,95),

λ_Т – подогрева воздуха стенками компрессора к началу сжатия:

В свою очередь

, (1.4)

где – температура всасываемого воздуха;

– температура подогрева воздуха (обычно 10 – 15 °С).

Коэффициент подачи λ современных компрессоров с двухступен­чатым сжатием составляет 0,70 – 0,75.

На подвижном составе железных дорог Российской Федерации (применяются поршневые компрессоры типа КТ-6, КТ-7, КТ-6Эл, а на вновь разрабатываемых электровозах – компрессор типа ПК-5,25А и ВУ-3,5/10-1450. Применение этого компрессора позволяет не только улучшить массогабаритные показатели, но и исключить трудоемкий в обслуживании и ремонте понижающий редуктор.

1.2 Режимы работы компрессорной установки

В эксплуатации компрессор [2] работает в двух режимах: длительная непрерывная работа на обеспечение максимального расхода сжатого воздуха для отпуска и зарядки тормозов и работа с некоторой периодичностью включения. В период максимального расхода сжатого воздуха компрессорная установка может работать с «займом» сжатого воздуха из главных резервуаров и некоторым понижением в них давления.

Производительность компрессорной установки Q_К (л/мин) для условий непрерывной работы определяется из выражения

(1.5)

где V_гр – объем главных резервуаров, л;

T_Q , p_Q – соответственно температура и давление, для которых определена объемная производительность компрессора. В практических расчетах принимают p_Q = 1,0 кгс/см², т.е. объемную производительность компрессора определяют для воздуха при атмосферном давлении, а T_Q принимают для условий всасывания;

P_n-1 , T_n-1 – соответственно давление, кгс/см² и температура в начале процесса, К;

Q_tm – средний расход сжатого воздуха через кран машиниста за время τ, л/мин;

Q_сл – средний расход сжатого воздуха на служебные нужды за то же время τ, л/мин;

ε – коэффициент, учитывающий возможное снижение производительности компрессора в эксплуатации.

1.3 Условия работы пневмосистем локомотивов

Подвижной состав железных дорог России оснащен автоматическим пневматическим тормозом. Пассажирский подвижной состав оборудован электропневматическим тормозом, а пневматический тормоз используется как резервный.

Локомотивы дополнительно к автоматическому тормозу (пассажирские - и к электропневматическому) имеют независимый вспомогательный тормоз, обеспечивающий на грузовых локомотивах повышенную управляемость и эффективность действия по сравнению с автоматическим тормозом. Вспомогательный тормоз используется при одиночном следовании локомотива, торможении с поездом на переломном профиле пути и затяжных спусках, а также при экстренном тормо­жении.

На эксплуатирующемся подвижном составе кран № 254 вспомогательного тормоза, исходя из условий обеспечения более высокой надежности, воздействует на тормозные цилиндры непосредственно, минуя дополнительные пневматические приборы. В тех случаях, когда сечение каналов крана вспомогательного тормоза недостаточно для наполнения тормозных цилиндров в заданное время (обычно на двухсекционных локомотивах), тормозные цилиндры одной тележки секции наполняются непосредственно от крана вспомогательного тормоза, а второй тележки - через реле. На грузовых локомотивах воздухораспределитель действует на кран № 254 вспомогательного тормоза, а на пассажирских наполняет тормозные цилиндры одной тележки (цилиндры второй тележки наполняются через реле). При действии воздухораспределителя на кран № 254 независимый от состава отпуск локомотивного тормоза обеспечивается этим краном; в других схемах для независимого отпуска тормоза локомотива устанавливают отпускные клапаны.