Загрязнение балластной призмы и физические основы процесса очистки

МАШИНЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ БАЛЛАСТНОЙ

ПРИЗМЫ

Балластная призма обеспечивает вертикальную и горизонтальную устойчивость рельсошпальной решетки при воздействии на нее поездной нагрузки. Для этого она должна равномерно распределять давления, передаваемые через подошвы шпал, на возможно большую площадь основной площадки земляного полотна, иметь равномерно распределяемые по ее длине и ширине упругие деформации и обеспечивать необходимую равномерность накопления остаточных деформаций при эксплуатации железнодорожного пути. В процессе длительной эксплуатации балластная призма постоянно засоряется как сыпучими грузами с проходящих поездов, так и мелкими фракциями грунта, попадающими со стороны дефектной площадки земляного полотна, а также мелкими частицами щебня при его разрушении под воздействием поездной нагрузки. При таком воздействии балластная призма теряет свои первоначальные свойства, а остаточные деформации пути увеличиваются, что ведет к повышенному износу элементов верхнего строения пути и подвижного состава. Возрастают расходы на перевозки.

Периодическое восстановление физико-механических характеристик и геометрических параметров щебеночной балластной призмы производится путем очистки щебня или, в случае несоответствия уложенного в пути балласта требуемым характеристикам – за счет полной его замены на щебень твердых пород машинами для очистки щебня и замены балласта. В соответствии с ГОСТ 7392-2002 «Щебень из плотных горных пород для балластного слоя железнодорожного пути» балластная призма должна отсыпаться только из щебня марок И1 (И20) и У75. Допускается содержание зерен слабых пород не более 5 % по массе [71].

Современные требования к балластной призме, качеству очистки щебня, периодичность его очистки во многом определяют параметры машин для очистки щебня и замены балласта (в дальнейшем – ЩОМ), а также способы производства работ с учетом конкретного состояния железнодорожного пути и вида его ремонта. Сплошная очистка щебня или замена балласта в основном производятся при усиленных капитальном и среднем, а также капитальном и среднем ремонтах пути.

Загрязнение балластной призмы и физические основы процесса очистки

В соответствии с требованиями ГОСТ 7392-2002, в путь должен укладываться щебень фракций 25-60 мм. Нижняя 1 и верхняя 2 границы его гранулометрического состава отражены на рис. 7.1. Щебень должен иметь достаточно равномерный гранулометрический состав: при его просеивании через сито с диаметром отверстий 40 мм остаток на сите должен составить 35 – 70 % от общей массы пробы. Допускается содержание частиц плоской и игловатой формы не более 18 %. Частицы фракций менее 25 мм, таким образом, относятся к засорителям. В новом щебне таких частиц должно быть по массе не более 5 % (n₂₅ £ 5 %), причем частиц с размерами 0,16 мм не более 1 %. В результате попадания засорителей изменяется зерновой состав щебеночного балластного слоя. В соответствии с исследованиями ВНИИЖТ (руководитель работ Ю.В. Гапеенко), если показатель загрязнения n₂₅ < 35 %, балластная призма гарантированно сохраняет свои рабочие свойства. Вследствие попадании засорителей изменяется процентное соотношение фракций (график 1 на рис. 7.1) При превышении этого показателя необходимо проводить ее очистку. Такой уровень загрязнения для звеньевого пути достигается после пропуска в среднем 120 – 520 млн. т. брутто поездной нагрузки, в зависимости от категории пути, толщины слоя и скорости движения грузовых поездов, как основного фактора загрязнений. Бесстыковой путь обеспечивает плавное движение подвижного состава, поэтому приведенные выше показатели увеличиваются приблизительно на 8 %.

Показатель n₂₅ после ремонта пути зависит от технологии работы (качества работы ЩОМ и количества дозируемого в путь нового щебня) и составляет в среднем n₂₅ = 5 – 8 %. Требуется в результате работы машины достигать показателя n₂₅ = 6,7 %. Далее рассмотрим долю в этом показателе, которую обеспечивает машина.

В ЩОМ реализуется механический принцип очистки щебеночного балласта, который основан на просеивании засорителя через отверстия просеивающей поверхности (сита) щебнеочистительного рабочего органа при относительных перемещениях указанной поверхности и очищаемого балласта (рис. 7.2). По такому принципу работают двух- или трехъярусные грохоты современных машин, а также рабочий орган с центробежной сетчатой лентой системы А.М. Драгавцева. К основным параметрам щебнеочистительных рабочих органов относятся: качество очистки, производительность и потребляемая мощность, которые зависят от конструктивного исполнения рабочих органов и физико-механических характеристик загрязненного щебеночного балласта.

Качество очистки для всех типов щебнеочистительных рабочих органов характеризуется коэффициентом эффективности Е, %, определяющимся отношением массы удаленного засорителя к массе засорителя в загрязненном очищаемом щебеночном балласте.

(7.1)

где n_25н, n_25р – предельно-допустимое содержание засорителя в загрязненном и очищенном щебне (n_25н= 35 %, n_25р = 6,7 %).

На эффективность очистки щебня оказывает влияние гранулометрический состав загрязненного щебня, определяющий соотношение размеров его частиц и отверстий просеивающих поверхностей. Частица щебня, чтобы просеяться, должна сначала пройти через слой крупных частиц, а затем пройти через отверстие сита, чтобы удалиться из слоя. Вследствие движения просеивающей поверхности мелкие частицы, проваливаясь через промежутки между крупными частицами, оказываются на поверхности сита. Прохождение частицы через сито оценивается вероятностью P – вероятностью просеивания с первой попытки [5]. Величина этой вероятности равна соотношению заштрихованной площади отверстия сита (l – d)², м² (рис. 7.3, а) и всей площади, ограниченной осями проволок (l + a)², м² (l, a – расстояния между осями проволок и их диаметр, м; d – диаметр частицы, аппроксимированной шаром, м). После преобразований:

(7.2)

где l – коэффициент живого сечения сита (l = l²./(l + a)²).

Для просеивания частица должна совершить количество «попыток», обратно пропорциональное вероятности ее прохода через отверстие (N = 1/P). Для качественной очистки время нахождения слоя на сите должно быть достаточным, чтобы количество «попыток» превысило бы теоретическое значение для рассматриваемого размера частицы. Расчет количества ячеек («попыток») для разных соотношений d/l (рис. 7.3, б) показывает, что хорошо просеиваются частицы, у которых диаметр не превышает 0,75 размера ячейки («легкие» частицы). Частицы с соотношением d/l > 0.75 просеиваются хуже («трудные» частицы).

Существенное влияние на эффективность процесса очистки оказывает влажность щебня. Внешняя влага вызывает слипание мелких частиц засорителя, налипание их на частицы щебня, а также забивание отверстий просеивающей поверхности материалом, а это приводит к снижению эффективности очистки. Однако при повышении влажности свыше 12% снижение эффективности очистки прекращается, она начинает возрастать и при влажности 15-16% достигает более высоких значений. Если щебеночный балласт загрязнен глиной, поступающей в балластную призму со стороны дефектной обводненной основной площадки земляного полотна, то очистка даже при малой влажности затрудняется из-за образования комков, уносящих засоритель другого вида и поступающих обратно в путь.

На эффективность очистки щебня также оказывают влияние форма отверстий просеивающей поверхности щебнеочистительного рабочего органа и угол его наклона (для вибрационного грохота). В рабочих органах щебнеочистительных машин применяют круглые, квадратные, прямоугольные, трапециидальные отверстия. Квадратные отверстия наиболее распространены и позволяют пропускать частицы засорителя размером на 15-20% больше, чем при круглых отверстиях такого же размера.

Наклон просеивающей поверхности оказывает влияние на прохождение засорителя через отверстия. Практически считают, что на наклонном вибрационном грохоте эффективность очистки будет такая же, как на горизонтальном, если размер отверстий наклонной поверхности больше размера горизонтального в 1,15 раза при наклоне 20° и в 1,25 раза при наклоне 25°. Для наклонных просеивающих поверхностей щебнеочистительных рабочих органов целесообразно принимать размеры отверстий, обеспечивающих одинаковую с горизонтальным их расположением вероятность удаления засорителя, в соответствии с данными, приведенными в табл.7.1.

Таблица 7.1