V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Ежегодно с наступлением первых сильных морозов начинаются проблемы с разгрузкой смёрзшегося угля, перевозимого в полувагонах. На этих операциях зачастую используют людей с ручным инструментом, грейферы и другую технику, повреждающую подвижной состав. При этом производительность труда невысока, повреждаются вагоны, очень велика вероятность производственного травматизма[1,2]. В ожидании выгрузки простаивают тысячи выгонов, в которых уголь уже смерзся до монолитного состояния. По данным ОАО «РЖД», из-за подобных методов выгрузки в портах ежегодно количество выведенных из строя вагонов исчисляется тысячами. Зная эти данные, можно придти к выводу о необходимости разработки нового способа выгрузки смерзшегося угля.

В проведении работ по его разработке заинтересованы различные компании и организации, занимающиеся транспортировкой угля (в частности СУЭК п. Ванино), а также ТЭЦ Комсомольска-на-Амуре и Николаевска-на-Амуре.

Целью работы является повышение скорости разгрузки полувагонов в зимний период, заполненных смерзшимся углем, обусловленное нагревом угля вследствие протекания по нему электрического тока и разрыхлением угольно-ледяного монолита, упрощением процесса отделения смерзшегося угля от стенок полувагонов, а также снижение энергетических затрат и трудоемкости процесса разгрузки.

Предложенный в работе способ выгрузки смерзшегося угля заключался в том, что перед погрузкой угля внутренние поверхности вагона покрывают слоем смоченного снега, после чего вагон с нанесенным покрытием подвергают воздействию низких температур в течение времени, необходимого для полного смерзания снега. Этот слой будет играть роль диэлектрика. Перед разгрузкой вагона в уголь помещают металлические электроды. Затем на электроды подается напряжение. Прохождение тока через смерзшийся уголь приводит к выделению тепла, расплавлению частиц льда и, следовательно, разрыхлению всего угольно-ледяного монолита, что позволит достичь необходимого результата[3].

В качестве объекта моделирования был выбран 4-осный цельнометаллический полувагон модели 12-127 (предназначенный для перевозки сыпучих и крупнокусковых грузов; не защищает от атмосферных осадков), наполненный каменным углем марки К9 (размер кусков 0-30 мм), добытым из Эльгинского месторождения.

В ходе математического и имитационного моделирования был принят следующий ряд допущений:

1. Каждый кусок угля контактирует только с 6 соседними кусками.

2. Каждый кусок угля и каждое место контакта было представлено в виде параллельного соединения проводников (так как нагрев и разрушение льда происходят постепенно, изменение его сопротивления будет происходить нелинейно: от величины, соответствующей сопротивлению льда, до величины, соответствующей сопротивлению воды (рис.1)).

3. Изолирующий слой снега был представлен в виде проводников с постоянным сопротивлением.

Рис. 1. Закон изменения сопротивления льда при поглощении им тепла

После проведения необходимых расчетов и преобразований были получены следующие эмпирические зависимости для различных элементов системы:

Ru=ρu∙d∙10-3∙(1-P)π∙(d∙11,7809810530)2,

Rl=ρl∙d∙10-3∙Pπ∙(d∙11,7809810530)2,

Ruс=ρu∙l1π∙(d2)2∙(1n),

Rlc=ρl∙l2π∙(d2)2∙(0,1-(1n)),

где Ru – сопротивление угля, Ом; ρu – удельное сопротивление угля, Ом∙мм²/м; d – диаметр куска угля, мм; Р – доля влаги в куске угля; Rl – сопротивление льда, Ом; ρl – удельное сопротивление угля, Ом∙мм²/м; Ruс – сопротивление угля в месте контакта, Ом; l1 – длина угольного контакта, 0,001 м; n – отношение площадей сечения угля и места контакта; Rul – сопротивление льда в месте контакта, Ом; l2 – длина ледяного контакта, 0,002 м.

Имитационная модель вагона, представляющая собой два горизонтальных слоя угля (размер – 14х3кусков угля (рис.2)), соединенных между собой, а также слои изолирующего снежного покрытия, была создана с помощью языка инженерного программирования Matlab. Для моделирования был выбран вариант с внедрением 2 электродов. В ходе моделирования были получены графики изменения тока.

Рис. 2. Структурная схема одиночного куска угля

В дальнейшем были исследованы модели, имитирующие внедрение в уголь различного количества электродов (3, 4, 6, 8), а также несколько вариантов их расположения. Результаты моделирования процесса размораживания приведены на рис. 3, 4. Приведенные графики отражают изменения тока и сопротивления льда в местах контактов между кусками угля.

Рис. 3. График изменения суммарного тока в монолите

Рис. 4. График изменения сопротивления льда в месте контакта

Таким образом, была получена модель системы «вагон-смерзшийся уголь», исследована и доказана возможность разрыхления угольно-ледяного монолита при использовании описанной технологии. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что на время разрушения монолита сильно влияют параметры угля в вагоне (такие как размер кусков и исходная влажность), а значит невозможно четко определить время полного разрыхления угля. Следующим этапом работы является синтез системы управления на основе нечеткой логики, дающей возможность регулировать подаваемое напряжение в зависимости от исходных параметров угля в вагоне, и тем самым оптимизировать процесс выгрузки угля по затратам топливно-энергетических и временных ресурсов.

Литература:

1. Информационный портал РЖД-Партнер [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.rzd-partner.ru, свободный. – Загл. с экрана. Яз. рус. (дата обращения: 22.11.2012).

2. ОАО «Новая перевозочная компания» [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.npktrans.ru, свободный. – Загл. с экрана. Яз. рус. (дата обращения: 22.11.2012).

3. Ерофеев В. Т. Проектирование производства земляных работ. АСВ, 2005.

Код для цитирования: Скопировать