4.2. Причины и определение количественное утраты сыпучих грузов при перевозке

Потери сыпучих грузов при перевозке объясняются;

несоответствием подвижного состава, предъявляемым к пере­возке грузам особенно в процессе длительной эксплуатации ваго­нов, когда увеличиваются зазоры в кузовах и возникают неисправ­ности в полу и стенах вагона;

недостаточным использованием надежных и экономичных средств, предотвращающих потери груза в условиях эксплуатации железных дорог.

При перевозке сыпучих грузов на открытом подвижном составе имеют место три вида потерь, отличающиеся природой возникно­вения и абсолютными размерами:

течь груза в конструктивные зазоры и неплотности кузова ва гона;

выдувание мелких фракций воздушным потоком, обтекающим движущийся поезд;

осыпание крупных частиц груза с верхней части штабеля, за­груженного выше уровня бортов полувагона (платформы).

Несмотря на многообразие факторов, влияющих на утрату сы­пучего груза при транспортировке, главными из них являются; скорость движения поезда; гранулометрический состав; влажность; конструкция вагона и его техническое состояние; расстояние пере­возки; способ погрузки — степень уплотнения, высота над уров­нем бортов, конфигурация верхнего штабеля погрузки и др.

Применение методов математической статистики и теории ве­роятности позволило получить эмпирические закономерности влия­ния различных условий и факторов перевозки на размеры потерь сыпучего груза при транспортировке по железной дороге.

Течь груза в зазоры кузова вагона. Основными причинами течи сыпучих грузов являются: дефекты кузова вагона; гранулометри­ческий состав и другие физико-механические свойства груза; ус* корения, испытываемые кузовом при движении поезда; давление в толще груза вблизи щелей. При строительстве вагонов существу­ющие способы обработки деталей и отдельных узлов кузова не обеспечивают их плотного прилегания, в результате чего конст­руктивные зазоры даже у новых полувагонов составляют 7 мм. Анализ технического состояния кузовов эксплуатируемых полува­гонов показал, что зазоры кузова во многих случаях превышают размеры частиц перевозимых грузов.

Дефекты кузова полувагона по характеру истечения через них груза, размерам и специфике расчета потерь можно разделить на четыре основных типа: прямые вертикальные щели в дне кузова (щели возле хребтовой балки и в местах прилегания крышек люков к поперечным балкам, проломы крышек люков); прямые боковые щели, образовавшиеся за счет проломов деревянной обшивки ку-

121

зова на различной высоте; большие зазоры в створе торцовых дверей и по их шарнирам; лабиринтные щели различного вида (не­большие деформации крышек люков и перекрывающих их метал­лических полос, малые зазоры по распору и шарнирам торцовых дверей).

Течь сыпучего груза мелких фракций в зазоры кузова полува­гона возникает при минимальной влажности груза, отсутствии уп­лотнения щелей и достаточно высокой скорости движения поезда. Установлено, что при перевозке сыпучих грузов с размером фрак­ций меньше существующих зазоров кузова полувагона прерывис­тый процесс течи объясняется сводообразованием. Дело в том, что при движении поезда за счет уплотнения груза над щелью обра­зуется свод и интенсивность истечения определяется его устойчи­востью, которая зависит от влажности груза, ширины щели, а также от вертикальных и горизонтальных колебаний кузова полу­вагона.

При наличии вертикальных /_в и горизонтальных /_г колебаний кузова предельная ширина сводообразующей щели

1 +--^- — максимальный динамический объемный вес груза, кг/м³;

г'==г₀/_Г/Ј —приходящаяся на единицу объема максимальная горизон­тальная сила инерции, Н/м³; Хп — объемная масса груза, кг/м³; g — ускорение свободного падения, м/с²; ф₀ — начальное сопротивление сдвигу, кг/м²; ц — угол внутреннего трения, рад.

Максимальная ширина щели, начиная с которой наблюдается непрерывное истечение груза,

Проведенные расчеты показали, что предельная ширина сводо­образующей щели быстро уменьшается с ростом горизонтальных сил инерции.

Рядовые угли, угольные концентраты классов 0—25 и 0—50 мм, аглоруда, неизмельченные железные руды и т. д. по своему сос­таву неоднородны и, кроме мелких фракций, содержат крупные,

122

значительно превышающие зазоры кузова. В этом случае теория сводообразования неприемлема и для математического описания процесса течи более достоверной является гипотеза порционного истечения.

Потери груза до момента перекрытия щелей крупными куска­ми, размеры которых превышают ширину щели,

где d_cp —средний размер крупных кусков, перекрывающих щель, мм;

/—длина щели, мм; т — масса мелких частиц груза в пробе, кг; М — масса крупных кусков в пробе, кг,

Pi—отношение числа крупных кусков с размерами d{ к общему числ\ крупных кусков в пробе.

Pi определяют из предположения, что масса частиц пропорцио­нальна кубу их диаметра. Это позволяет, зная гранулометричес­кий состав сыпучего груза, вычислить число кусков с данным сред­ним размером.

Определив среднее квадратичное отклонение_р

размеров крупных кусков от их среднего арифметического, можно оценить максимально возможные потеои гоуза через данную щель, кг:

После перекрытия щели крупными кусками груза истечение ста­новится возможным только при смещении крупных частиц. Потери от истечения после перекрытия щели крупными кусками за время одного колебания вагона с данной амплитудой и частотой:

где b —амплитуда вертикальных колебаний кузова вагона, мм; щ — круговая частота; Ь — момент начала движения вверх твердых частиц, перекрывающих щель*

t₂ — момент прекращения движения частиц когда напряжение становится положительным:

h — высота слоя сыпучего груза над щелью, мм;

# — скорость распространения возмущений в сыпучей среде, м/с.

Большое влияние на процесс истечения груза в щели вагона оказывает его влажность и скорость подсыхания поверхностного

123

слоя. Убывание влажности в зависимости от времени подчиняется экспоненциальному закону

где Wo — начальная влажность груза;

к — коэффициент, зависящий от свойств руды; t — время после погрузки, ч.

При средних значениях влажности и температуры воздуха в летний период для железорудных концентратов Соколовско-Сар-байского и Коршуновского горно-обогатительных комбинатов (ГОК) я = 0,Ю31 и 0,1168; для медного и цинкового концентратов Башкирского медно-серного комбината #=0,0383 и 0,0391; для пи­рита к—0,0711.

Установлено, что быстрее всего высыхает поверхностный слой железорудных концентратов, следовательно, они больше других грузов подвержены истечению при перевозках в летний период в полувагонах со значительными дефектами кузова.

При влажности железорудного концентрата до 2% истечение его происходит практически непрерывно, интенсивность истече­ния мало зависит от пройденного расстояния и потери составляют 2—5 ф на вагон. При влажности 2—9% потери от дальности пере­возки зависят нелийнейно. Наиболее интенсивное истечение наблю-дадзгрр на первых 200—300 км пути от станции погрузки. Если влажность концентрата превышает 10—13%, то он ведет себя как вязкая жидкость и выдавливается через любые зазоры кузова. По­тери от истечения возрастают при уменьшении толщины слоя гру-зз над щелью. Резкие скачки потерь наблюдаются во время тор­можения и трогания поезда с места.

Потери каменного угля от истечения составляют 200—400 кг на вагон, или 45% общих потерь. С увеличением пройденного рас­стояния интенсивность потерь от истечения постепенно уменьшает­ся за счет перекрытия щелей крупными кусками. Наименьшие по­тери наблюдаются при влажности 5—8%.

Максимально допустимые зазоры кузова вагона в зависимости от влажности и рода перевозимого груза приведены в табл. 4.1,

Выдувание груза. Опыт перевозки сыпучих грузов на открытом подвижном составе показывает, что большие потери возникают в результате выдувания груза с поверхности воздушным потоком. Одна из главных причин выдувания—несовершенные способы за­грузки вагонов. Так, существующие способы иогрузки сыпучего груза в полувагоны и на платформы сложились давно и с тех пор практически остается неизменными, хотя значительно изменился гранулометрический состав грузов, увеличились скорости движе­ния поездов, изменились многие другие условия перевозки.

Наиболее ощутимые потери при перевозках в полувагонах выше уровня бортов возникают в результате следующих наруше­ний и дефектов погрузки:

124

Таблица 4.1

Род груза	Влажность, %	Максимально допустимые зазоры кузова, мм
Уголь каменный класса 0—6 мм	0-4	5—7
	4—9	11
» » ч> 0—13 »	0-4	5—7
	4—9	14
» у » 0—25 »	0—4	13
	4—9	14
» » рядовой	0—9	15
Промышленный продукт	4	15
Железорудные концентраты чер-	0-2	Сплошной кузов
ных и цветных металлов	2—4	5—7
	4-9	10—12
	10	Сплошной кузов

волнообразной погрузки по длине вагона, приводящей к интен­сивному выдуванию во время движения, особенно при высоких скоростях;

неравномерной загрузки вагона сыпучим грузом по всей площа­ди: у бортов груз не догружается по высоте на 200—500 мм, а у торцовых дверей — на 500—700 мм, в то время как высота «шап- , ки» над уровнем бортов достигает иногда 700 мм. В результате под. прямой удар встречного воздушного -потока ставится большая часть груза, а все пустоты у дверей и бортов служат местом обра­зования локальных вихрей, из-за которых оторвавшиеся частицы груза интенсивно уносятся ветровым потоком;

завышенной высоты погрузки относительно уровня бортов ва­гона, вызывающей прямой удар ветрового потока.

Из-за неправильной погрузки рудных концентратов в полува­гоне остается свободным около ²/з его объема.

При движении поезда над поверхностью груза создаются от­рицательные давления, которые вместе с колебаниями кузова по­лувагона способствуют отрыву частиц, а возникающие при этом вихри выносят их из полувагона. Проведенные аэродинамические исследования позволяют сделать вывод, что основными причина­ми выдувания сьшучего груза при погрузке ниже уровня борто© являются образование в полувагоне вихрей большой частоты и интенсивности, существование на поверхности сыпучего груза пе­репадов и отрицательных давлений воздуха.

Неровная поверхность погрузки увеличивает площадь, подвер­женную выдуванию, создает дополнительные местные вихри, спо­собствующие интенсивному выносу мелких фракций из полуваго­на. Так как ib сыпучих грузах содержится большое количество пылевидных частиц, достаточно небольшого перепада давлений и малого вихря, чтобы вовлечь эти частицы в движение.

125

Факторами, влияющими на величину потерь груза от выдува­ния, являются суммарная скорость движения поезда и ветра, дальность перевозки, влажность перевозимого груза, его грануло­метрический состав. Существенное влияние на величину потерь груза от выдувания оказывают встречные -поезда, состояние же­лезнодорожного пути, наличие опор контактной сети, лесопосадки и т. д. Относительный воздушный лоток по своей природе явля­ется турбулентным и сопровождается вихрями различных разме­ров. Величина, интенсивность и частота образования вихрей зависят от начальных и граничных условий. Скорость частиц воз­духу и давление в таком потоке претерпевают изменения во вре­мени н положения в пространстве.

Секундный расход груза с единицы площади обтекаемой по­верхности q=QJ{St) зависит от скорости воздуха v_B вблизи нее, плотности воздуха р, объемной массы груза г₀, диаметра d частиц, ускорения /в вертикальных колебаний вагона, ускорения g свобод­ного падения, влажностиw груза:

Вынос твердых частиц груза зависит от отношения подъемной силы воздушного потока к массе частицы. Масса ,частицы опреде­ляется

а сила, необходимаядля отрыва частицы от поверхности груза*

где к и Кй — коэффициенты, зависящие от формы частиц. Таким образом,

Потери груза dQ от выдувания за время dt с поверхности* площадь которой 5,

а общие потерипри установившемся процессе выдувания в тече­ние некоторого времениt

После обработки результатов экспериментальных исследова­ний канд. техн. наук В. И. Щаповым (получены следующие регрес­сионные зависимости для расчета потерь от выдувания:

железорудного концентрата

126

В результате проведенных экспериментов и обработки данных получены эмпирические формулы зависимости скорости воздуш­ного потока е>_В, м/с, обтекающего поверхность груза, от скорости движения поезда v_nt м/с:

при перевозке сыпучего груза в полувагонах ниже уровня (бор­тов на 0,7 м (каинит)

при перевозке сыпучего груза с «шапкой» высотой 200 мм

при перевозке в полувагонах рудных концентратов

Следует отметить, что даже при одной и той же скорости дви­жения поезда скорость воздушного потока, обтекающего поверх­ность груза, и ускорения вертикальных колебаний весьма различ­ны. При увеличении скорости движения грузового поезда до 100 км/ч скорость воздушного потока гад поверхностью груза бу­дет составлять для рудных концентратов 7—8 м/с; для угля — 17—18 м/с; для грузов, погруженных ниже уровня бортов на 0,7 м, — 9—10 м/с. При этом ускорение вертикальных колебаний поверхности угля будет достигать 0,2 g.

Анализ скоростей движения поезда на любом участке показы­вает, что скорость воздушного потока является случайной и плот­ность распределения ее можно определить по результатам наблю­дений. Массовые опытнее перевозки сыпучих грузов позволили определить размеры потерь от выдувания и сопоставить результа­ты лабораторных и теоретических исследований с натурными на­блюдениями. Средние размеры потерь от выдувания при перевоз­ке на расстояние 2000 км приведены в табл. 4.2.

127

Таблица 4.2

Потери от выдувания, ф

Наименование груза
		й на 1 вагон	на 1 млн ф
Уголь каменный:
класса 0—6 мм		0,950	15320
» 0—13»		1,125	18064
» 0—25 »		0,489	7903
Рудные концентраты:
Коршуновского ГОКа		0,670	10806
Соколовско-Сарбайского	ГОКа	0,875	14193
Башкирского МСК		0,795	12742

Величина потерь от выдувания различных сыпучих грузов не­одинакова и зависит от гранулометрической характеристики дан­ного груза и его насыпной массы. Так, при перевозке каменного угля класса 0—13 мм наблюдается ярко выраженное выдувание. Эти угли сами по себе достаточно мелкие и легковесные, поэтому легко выносятся воздушным 'потоком из полувагона. У других уг­лей классов 0—25 и 0—100 мм соотношение потерь от течи и вы­дувания «примерно равное. Соотношение потерь от выдувания и течи при перевозке мелких углей распределяется: от выдувания — 55%, от течи — 45%. Выдувание рудных концентратов составляет 33—40% общих потерь.

Интенсивность выдувания груза в начале пути максимальная, затем постепенно ослабевает. Объясняется это тем, что после по­грузки поверхность перевозимого груза (особенно рудных кон­центратов) отличается наличием неровностей (конусы, выступы и впадины), которые увеличивают открытую поверхность груза, образование локальных вихрей, создавая благоприятные условия выноса частиц ветровым иотоком. В пути следования открытая по­верхность груза сглаживается, принимая обтекаемую форму, груз уплотняется, увеличивается связь между отдельными частицами, в результате чего интенсивность потерь снижается. Следует отме­тить, что мелкие сыпучие грузы нельзя перевозить на открытом подвижном составе с высокими скоростями движения поездов <5ез применения средств защиты от выдувания, так .как с увеличением скоростей с 60 до 90—100 км/ч потери от выдувания возрастают в 3—4 раза.

Осыпание груза. На величину потерь груза при перевозке на открытом подвижном составе существенное влияние оказывают динамические нагрузки, вызывающие колебания кузова вагона; Значительные вертикальные ускорения колебаний кузова вагона с грузом обусловливают осыпание мелких и крупных частиц гру­за с поверхности штабеля. Стремясь лучше использовать грузо­подъемность вагона и повысить статическую нагрузку, некоторые

12*

сыпучие грузы, например уголь, кокс, строительные материалы, отправители грузят выше уровня бортов — с «шапкой». Высота «шапки» зависит от угла естественного откоса и иногда достигает 700 мм и более. При .движении 'поезда в результате колебаний ку­зова вагона угол обрушения будет меньше угла естественного от­коса покоя, в результате чего часть груза осыпается Ю утрачивает­ся при перевозке. Для предупреждения осыпания груза при повы­шенных скоростях движения поездов формирование откосов «шапки» при погрузке нужно производить с таким расчетом, что­бы угол их наклона не был .больше угла обрушения в_д:

(4.1)

где / — коэффициент внутреннего трения;

/с_д — коэффициент динамической добавки, зависящий от скорости движения поезда и жесткости рессорного подвешивания вагона.