THE ABILITY TO CLEAN THE TRACK STRUCTURE WITH PULSATING AND CAVITATING WATER JETS AT MOTION OF ROLLING STOCK

ЗАЛІЗНИЧНА КОЛІЯ

УДК 632.2:532.528

Ю

.

А

.

ЖУЛАЙ

,

канд

.

техн

.

наук

,

ст

.

научн

.

сотр

.,

ИТСТ

НАНУ

(

Украина

)

Н

.

А

.

ДЗОЗ

,

д

-

р

техн

.

наук

,

профессор

,

Европейская

НПК

«

НіАКолор

»

В

.

А

.

ЗАДОНЦЕВ

,

д

-

р

техн

.

наук

,

профессор

,

ЗАО

«

ВЕСТА

-

Днепр

»

С

.

В

.

БУРЫЛОВ

,

канд

.

физ

.-

мат

.

наук

,

ст

.

научн

.

сотр

.,

ИТСТ

НАНУ

(

Украина

)

В

.

Ф

.

НОВИКОВ

,

мл

.

научн

.

сотр

.,

ИТСТ

НАНУ

(

Украина

)

ВОЗМОЖНОСТЬ ОЧИСТКИ ПУТЕВОЙ СТРУКТУРЫ

ПУЛЬСИРУЮЩИМИ И КАВИТИРУЮЩИМИ СТРУЯМИ ВОДЫ

ПРИ ДВИЖЕНИИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Представленірезультатидослідженнягідродинамічногоочищенняповерхоньпульсуючимиікавітірую

-чимиструменями, одержанимивпристрої, щовключаєлокальнийгідравлічнийопір – трубкуВентуріспеці

-альноюгеометрією. Використаннятехнологійдляочищеннярейковоїколіїповинназначнознизитивитрати впорівняннізіснуючоютехнологієюподачіпіскупідведучіколесалокомотива.

Представлены результаты исследования гидродинамической очистки поверхностей пульсирующими и кавитирующимиструями, полученнымивустройстве, включающемлокальное гидравлическоесопротивле

-ние – трубку Вентури специальной геометрией. Использование технологий для очистки рельсового пути должназначительноснизитьзатратыпосравнениюссуществующейтехнологиейпескоподачиподведущие колесалокомотива.

The paper gives the results of studies on hydrodynamic cleaning surfaces with pulsating and cavitating sprays, obtained in a device including local flow resistance — Venturi tube of special geometry. The use of the above nologies to clean the rail track should decrease considerably the expenses as compared to the current cleaning tech-nology by blasting sand under locomotive leading wheels.

При эксплуатации подвижного железнодо

-рожногосостава однойиз важныхпроблемпо

-вышения его эффективности и безопасности

движения является очистка путевой структуры

от загрязнений с целью улучшения сцепления

бандажейколес и рельсов. Наличиена них на

-лета пыли различного происхождения, масля

-ных пятен и других загрязнений значительно

ухудшаетсцеплениеколесс рельсами. Практи

-ка показала [1], что при сильном дожде, когда

бандажиирельсыхорошопромыты, сцепление

не уменьшается; при следовании во время мо

-росящего дождя коэффициент сцепления сни

-жается. Поэтому придвижении поездавнебла

-гоприятных условиях, а также на участках пу

-ти, на которых сцепление колес с рельсами

ухудшается, машинист приводит в действие

песочницы. Применение песка, особенно квар

-цевого, сухого, безпримесейзаметноповышает

коэффициентсцепления.

Песочныеустройства наэлектровозах пред

-ставляютсобойсложнуюпневмомеханическую

систему, состоящую избункерадляпеска (объ -емом 2,5 м3 _{на электровозе ВЛ82), форсунок и}

труб, проводящихпесок, ипневмостистемыдля

транспортировкипескаподколеса электровоза.

Оптимальное количество песка, соответствую

-щее наилучшим условиям сцепления, соответ

-ствует расходу 0,55 кгна 1 км пути. В зависи

-мости от метеорологических условий оптимум

может увеличиваться на 20…30%. Требования

к песку, который используется для повышения

сцепления колес с рельсамидовольно жесткие.

Ондолженсодержатькварцанеменее 75…90%

с зерном не более 2 мм, пылевидные частицы

размером менее 0,1 мм — не более 4%, глини

-стая составляющая не должна превышать 3%,

влажность песка не должна превышать 0,5%.

Заготовка и подготовка песка, подаваемого на

электроподвижной состав, представляет собой

довольно громоздкое хозяйство. Устройства

пескоснабжения включают в себя хранилища

сырогоисухогопеска, пескосушилки, сеялкии

пескоподающие устройства. В то же время на

-копление значительного количества песка на

рельсахприводит кповышениюсопротивления

движению и засорению балластного слоя. В

связи с вышеизложенным и с учетом громад

-ныхзатратна заготовку, сортировку, подготов

-нативных способов очистки рельсов от загряз

-ненийпредставляетсобоюактуальнуюзадачу.

Однимизперспективныхспособов решения

этойзадачи, навзглядавторовнастоящейрабо

-ты, можетбыть использование технологий, ос

-нованныхна использованииводяных струйпо

-вышенной разрушительной способности, при

-меняемых для очистки и бурения [2]. Первое

направление решения этой задачи связано с

использованием технологии по созданию пре

-рывистой струис помощью кавитации. Преры

-вистость достигается за счет соответствующей

геометрии и конструкции без использования

каких-либо движущихся частей или дополни

-тельныхисточниковмощности. Второенаправ

-лениесвязаносиспользованиеразрушительной

силы кавитации при взрывчатом росте и схло

-пывании микроскопических полостей внутри

жидкостинаочищаемойповерхности.

Работоспособность вышеприведенных тех

-нологий подтверждена многолетними теорети

-ческим и экспериментальными работами, про

-водимыми в Украине (Институте технической

механики НАНУ) [2] и в США (гидродинами

-ческой лаборатории компании DYNAFLOW)

[3].

Так, в работе [2] приведены результаты ис

-следования развитого кавитационного течения

в гидродинамической системе, включающей в

себя локальное гидравлическое сопротивление

типатрубкиВентури, с периодическисрывным

режимомкавитационноготечения.

Дляэтогорежима характерна периодически

срывная кавитация с частотами 50…10000 Гц.

Колебанияимеютнеакустическуюприроду, так

как их частота не зависит от длины трубопро

-вода за трубкой Вентури с углом раскрытия

β > 10°и существенно выше первой собствен

-ной частоты колебаний жидкости в трубопро

-воде, расположенном за ней. Трубка Вентури

специальной геометрии, генерирующая высо

-кочастотныеавтоколебания, получиланазвание

кавитационного генератора [4]. Природа этих

частот аналогична частотам срыва вихрей при

отрывномобтекании цилиндра внормальном к

его оси направлении, которые получилиназва

-ниеструхалевых частотколебаний жидкости и

для гидравлической системы с трубкой Венту

-риопределяютсяследующимобразом [2]:

(

)

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − − × − = 1 1 1 r 2 tg P P 2 Sh f кр S 0 m τ µ β ρ , (1)

где Shm – модифицированное число Струхаля;

P0и PS – давлениенавходевтрубкуВентурии

вкавитационнойплоскостисоответственно; rкр,

µ – радиус критического сечения и коэффици

-ент расхода трубки Вентури соответственно; τ

– параметр кавитации, определяемый как от

-ношение давленийна выходе Р1к давлениюна

входеР0 втрубкуВентури.

Формуладляопределениязависимостимак

-симальных значений амплитуд кавитационных

колебаний от параметра кавитации τ для раз

-личных режимов работы (различных давлений

на входе в генератор) получена в работе [4] и

имеетвид 2 к к 2 2 т 2 д 2 д V с F J 1 J A A δ ω ⋅ +

= , (2)

где Jд – коэффициент инерционного сопротив

-ления участка диффузора генератора колеба

-ний, расположенного между новойоседлой ка

-верной и выходом из диффузора; δV_к – теку

-щеезначениеобъемаоторвавшейсячастикави

-тационнойкаверны; ω – круговаячастотаколе

-баний; Fт – площадь проходного сечения тру

-бопровода; с – скорость звука в жидкости, на -ходящейся втрубопроводе; A_к – длина кавита

-ционнойкаверны.

Результаты расчета [2] частот автоколеба

-ний, проведенного по формуле (1), дали удов

-летворительное согласование с эксперимен

-тальными данными, чтоподтвердилонеакусти

-ческуюприродуэтихколебаний.

Нарис. 1 представленыданныеэксперимен

-тальногоисследования [2]: кинограммапроцес

-са (слева) в кавитационномгенераторе колеба

-ний исоответствующая ейосциллограмма дав

-лений (справа) на входевгенераторР0ивтру -бопроводезаним Р1, присоотношении

P

₁

/

P

₀= 0,2, где

P

₁и

P

₀ – средниезначениядавлений.

Как видно из кинограммы процесса, осед

-лая, кавитационнаяполостьначинается на вхо

-девцилиндрическийучастоктрубкиВентурии

выходит в её диффузорную часть. Далее она

растет до максимальных размеров, после чего

диффузорная часть каверны отрывается и на

-чинается рост новой каверны. Оторвавшаяся

часть каверны сносится по потоку в зону по

-вышенного давления и схлопывается, что при

-водит к значительномуповышению давленияв

трубопроводе за кавитационным генератором.

-плитудыколебанийдавленияможетв 2…4 раза

превышатьдавлениенавходевкавитационный

генератор, что позволяет интенсифицировать

технологическиепроцессыпригидравлической

очисткеповерхностей.

Эффективность применения технологий с

использованием пульсирующих и кавитирую

-щихструйдоказанаврамкахпроведения науч

-но-исследовательской работы между Институ

-том технической механики НАН Украины и

Одесским судоремонтнымзаводомв 1984-1986

г.г. [5]. Задача заключалась в том, чтобы соз

-дать на базе существующих гидродинамиче

-ских устройств установку для очистки корпу

-сов судов, существенно превосходящую при

-меняющиеся в данное время в судоремонте по

эффективности и качеству очистки. При экс

-плуатации подводная часть корпусов кораблей

обрастает толстым слоем (до 20…40 см), со

-стоящим в основном из отложений солей, во

-дорослейиракушек, чтоприводиткснижению

грузоподъемности судов и увеличению сопро

-тивления их движению в воде, вызывающих

снижениескоростейсудов иувеличениерасхо

-датоплива (до 10…15%).

Рис. 1. Кинограммаиосциллограммадавленийна

входевгенераторивтрубопроводезаним

По оценкам специалистов одним из пер

-спективных способов очистки, повышающих

производительность работ, является гидроди

-намический [6]. Одно из самых перспективных

направлений – применение устройств, создаю

-щихпульсирующиеиликавитирующиеструи.

При проведении сравнительных экспери

-ментальных исследований в качестве базовой

использоваласьустановка для ручной гидроди

-намической очистки «WOMA-ATUMAT». Ус

-тановка включает в себя трехплунжерный на

-сос высокого давления, соединенный шлангом

высокогодавлениясгидравлическим сопловым

пистолетом. Гидропистолет содержит ручку

-держательс запорным клапаномипредохрани

-телем его открывания, в которою вворачивает

-ся выходной трубопровод с установленным на

концесоплом.

При работе установки струя воды, истекая

из сопла под большим давлением, удаляет с

очищаемой поверхности ржавчину и загрязне

-ния. При этом на гидропистолет действует

сильная реактивная сила, приводящая к быст

-рому утомлению оператора. Чтобы этого не

происходило, необходимолибо снижать давле

-ние, либо уменьшать расход воды, устанавли

-вая сопло с меньшим диаметром выходного

отверстия. В первом случае это ухудшает сте

-пеньочисткиповерхности, вовтором – снижает

производительность.

Данное техническое противоречие можно

устранить известным путем – созданием пуль

-сирующихструйсвысокойкинетическойэнер

-гией. Это позволит получить высокую степень

очистки без увеличения давления. Следует от

-метить, что созданиепульсирующей струипри

помощи механических пульсаторов имеет ряд

недостатков [6]. Используя кавитационный ге

-нератор, создающий кавитационные автоколе

-бания перед соплом гидропистолета, можно

получитьпульсирующиеструисвысокойкине

-тической энергией вустройстве, лишенном не

-достатков, присущих механическим пульсато

-рам.

Для этого было разработано устройство

(рис. 2), включающеевсебягидропистолет 1 от

установки «WOMA-ATUMAT», удлиненный

трубопровод 2, кавитационныйгенератор 3 им

-пульсов давления жидкости, выходной трубо

-провод 4 ссопловымнасадком 5, вкоторомус

-танавливаетсясопло 6.

При этом на трубопроводе гидропистолета

были предусмотрены места для установки ма

-нометров для измерения статических давлений

навходеивыходеизкавитационногогенерато

-раидатчиковдлязамера «двойнойамплитуды»

колебанийжидкостизагенератором. Поддвой

-ной амплитудой вследствие негармонической

формы колебаний понимается величина ∆Р1 =

Р1max – P1min, где Р1max и P1min максимальное и

минимальное значения давлений в процессе

колебаний.

При проведении исследований было уста

-новлено, чтов диапазоне τ = 0,10…0,35 в тру

-бопроводе гидропистолета за трубкой Вентури

генерируются колебания жидкости импульсно

-гохарактерасширокимчастотнымспектром. В

-мость ∆P1(f) для генератора с диаметром кри

-тического сечения dкр = 2,2 мм с различными

давленияминавходевгенератор.

Максимумы амплитуды наблюдаются на

частотах 1800 и 4100 Гц и не смещаются при

изменениидавлениянавходе вкавитационный

генератор, причем частота, на которой наблю

-даетсявтороймаксимум, приблизительновдва

раза больше, чем частота первого максимума.

Это напоминает эффект резонанса, а наличие

двух максимумов амплитудс кратными часто

-тами говорит о наличии первой и второй гар

-моник.

Рис. 2. Гидропистолетдляочисткиотстаройкраски, ржавчиныизагрязнений

28 24 20 16 12 8 4

0 2 4 6 8 10 , f кГц

∆Р ,

МПа1

dкр = 2,2 мм Ο – Р0 = 15,1 МПа;

∆– Р0 = 20,1 МПа;

– Р0 = 25,1 МПа

Рис. 3. Зависимость∆P1(f)длягенератора импульсовдавления

Результаты исследования гидроочистки по

-верхности судов пульсирующими струями, по

-лученнымиспомощьюкавитационного генера

-тора, показали высокую его эффективность.

Так, приисследованииработы устройствас ге

-нератором и коническим соплом dс = 2,2 мм

привходном давлении Р0 = 10 МПа струяочи

-щала наросты ракушки с расстояния 1500 мм.

При повышении давления на входе Р0 до

15 МПачастотаимпульсовповысилась, эффек

-тивность очистки возросла. С расстояния до

50 мм струя очищала поверхность до чистого

металла. При испытании без генератора струя

очищала ракушки с расстояния 1500 мм при

входномдавленииР0 = 30 МПа.

Отдельным этапом испытаний было иссле

-дованиеработыустройствабезсопла. Струя из

такого устройства имела больший диаметр по

-перечного сечения, но меньший диаметр рас

-пылаидальностьполетаеебылабольше.

Более эффективная работа устройства с ка

-витационным генератором без сопла объясня

-ется взрывообразным ростом микроскопиче

-ских каверн в струе жидкости. Эти каверны в

последующем резко схлопываются на поверх

-ности, которая подлежит очистке. При этом

максимальные давления в зоне схлопывания

микроскопических каверн достигают по раз

-личнымисточникам [7, 8] 220…25000 КПа. По

-скольку энергия схлопывания каждого пузырь

-ка сконцентрирована на микроскопической

площади, во время схлопывания возникают

чрезвычайно высокие и очень локализованные

механические напряжения. Это локальное уве

-личение давления дает кавитирующей струе

большое преимущество по сравнению со ста

-ционарной струей, работающейпри том жеса

-момдавленииирасходежидкостичерезнасос.

На рис. 4 приведена зависимость расстоя

-ния, накоторомобеспечиваласьполнаяочистка

поверхности до блестящего металла, от давле

-ния на входе в устройство с генератором диа

-метром критического сечения dкр =2,6 мм. При

входном давлении Р0 = 35 МПа струяочищала

поверхность до металла с расстояния до

Для применения технологии очистки рель

-совогопути от загрязненийналокомотиве вза

-мен существующей пескоподачи необходимо

установить гидросистему, включающуюв себя

насосную подачу воды с приводом от электро

-двигателя, запорную электроарматуру, кавита

-ционныйгенераторисопла. Вкачествеемкости

для воды можно использовать имеющуюся на

локомотиве емкость для песка, заправка кото

-рой производится на основных и промежуточ

-ныхстанцияхпомеренеобходимости.

0,6

0,4

0,2

0 10 20 30 Р , МПа A, м

0

∆ – генераторбезсопла;

Ο– генераторссоплом dc = 3,0 мм

Рис. 4. Зависимостьрасстоянияотвыходаизкави

-тирующегоустройствадоочищаемойповерхности отдавлениянавходевгенератор, накоторомструя

жидкостиснимаетудаляемыйслойдометалла

Таким образом, можно сделать следующие

выводы.

1. Очистка поверхности пульсирующей

струей имеет большую производительность,

чем стационарной струей при одном и том же

давлениинавходевустройствеитомжесопле.

Пульсирующая струя имеет больший диаметр,

чемстационарная, ядрокоторойсохраняетсяна

меньшемрасстоянииот сопла (около двухмет

-ров). Пульсирующая струяимеетбольшийрас

-пыл и ее ядро сохраняется на большем (около

пятиметров) расстоянии отсопла. Этоговорит

отом, чтоэнергияпорцийжидкости, вылетаю

-щих из сопла, и всей пульсирующей струи

больше, чем стационарной. Кроме того, боль

-ший распыл струи означает больший захват

обрабатываемой поверхности. Следовательно,

производительность очистки пульсирующей

струейвыше, чемстационарной.

2. Установлено, чтоэффективностьипроиз

-водительность очистки струей, истекающей из

генератора без сопла, выше, чем струей, исте

-кающей из генератора с соплом. Это объясня

-ется тем, что кавитационные каверны схлопы

-ваются на поверхности, которая подлежит раз

-рушению.

3. Применениетехнологийпо очисткерель

-сового пути от загрязнений с использованием

пульсирующих или кавитирующих струй

должны привести к значительному снижению

затрат на пескоподготовку и очистку балласта

отпеска.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК

1. ОсиповС.И., МироновК.А., РевичВ.И. Основы локомотивнойтяги. – М.: Транспорт, 1979. – 440

с.

2. V.V.Pilipenko, I.K.Man’ko, V.A.Zadontsev.

CAVITATION SELF-OSCILLATIONS INTEN-SIFY TECHNOLOGICAL PROCESSES. High Speed Body Motion in Water. Report AGARD-R-827 is a compilation of the proceedings of a Fluid Dynamics Panel Workshop held at the National Academy of Sciences in Kiev, Ukraine, 1-3 Sept. 1997. Publ. February 1998. – P.321-324.

3. DYNAFLOW, Inc. JET STUDIES AND

CAPABILITIES CONNECTED TO THE HYDRO-VIBRATOR PROPOSAL. Prepared for Brookhaven National Laboratories. November 2000. – 11 p.

4. ПилипенкоВ.В. Копределениюамплитудколе

-баний давления, создаваемых кавитационным генератором // Математическиемоделирабочих процессов в гидромневмосистемах. – Киев:

Науковадумка, 1981. – С. 18-24.

5. Исследование возможности повышения эффе

-ктивностигидродинамическогоспособаочистки корпусов судовприиспользованиикавитацион

-ныхавтоколебанийдавленияжидкости: Отчето НИР. СКТБ ИТМ НАН Украины. Отв. исп.

Дзоз.Н.А. – Днепропетровск, 1985. – 134 с. 6. Молдавский М.С., Пугач К.А., Хейфен В.Я.

Применение гидродинамической очистки в су

-доремонте. – М.: ЦБНТИ, 1975. – 31 с.

7. Trilling L. The Collapse and Rebound of a Gas

Bubble, Jr. Appl. Phys., 23, 14–17 (1952).