Admin

Обеспечение работы стрелочных переводов в условиях сурового климата

КОРОЛЁВ В.В., Российский университет транспорта (МИИТ), канд. техн, наук, ШИШКИНА И.В., РУТ (МИИТ), канд. техн, наук, ЗВЕРКОВА Н.В., Московский колледж транспорта (МИИТ), инженер

Аннотация: В статье представлен анализ ряда параметров, описывающих тепловое состояние стрелочных переводов в ходе разморозки стрелочного перевода, укрытого снегом, и поддержания прогретого состояния в условиях интенсивного снегопада. В результате расчетов установлены значимые параметры. Предложены методы консервативной оценки. Разработаны практические приемы упрощения вычислений. На основании проведенных работ определены методики расчета, которые в дальнейшем могут быть дополнены при развитии тематики.
Ключевые слова: стрелочный перевод, снег, теплораспределение, математическое моделирование, инженерное снеговедение.

С учетом растущих грузопотоков в восточном и северном направлениях необходимо обеспечить повышенную надежность технических средств инфраструктуры в зимних условиях, в первую очередь пути и стрелочного хозяйства как его важнейшей составляющей.
Работоспособность стрелочного хозяйства зимой обеспечивают системы снегоочистки, которые должны гарантировать возможность перевода стрелок и сердечников крестовин с непрерывной поверхностью катания при любых температурных колебаниях, наличии или отсутствии снегопадов.
Наиболее распространенными системами снегоочистки на стрелочных переводах являются пневмообдувка и электрообогрев [1]. Системы электрообогрева обеспечивают два основных режима — таяния выпавшего снега и испарения образовавшейся при этом влаги [2].
Новые системы электрообогрева для отечественных железных дорог создают в основном опираясь на опыт применения аналогичных, ранее разработанных систем. Это может приводить к производству недостаточно мощных устройств, не обеспечивающих выполнение необходимых требований, или неоправданному перерасходу электроэнергии [3].


Теоретическое обоснование метода для определения параметров системы электрообогрева основано на теории теплопереноса и компьютерном моделировании конструкции узлов стрелочных переводов. С помощью математического расчета определяется связь между пространственными и временными изменениями температуры. В настоящее время для решения таких уравнений широкое распространение получил метод конечных элементов, который позволяет находить численное решение для тел сложных форм.
В РУТ (МИИТ) моделировали процесс прогрева рельсов, в том числе и остряковых, трубчатыми электронагревательными элементами, находящимися под снежным покровом, а также определяли способность нагревательных элементов расплавлять снег при снегопаде [4].
При работе трубчатых электронагревательных элементов в стационарном режиме в твердых телах создается поле распределения температур, которое зависит от условий конвекции, лучистого теплообмена и стоков тепла к другим элементам с постоянной температурой [5]. При воздействии снегопада на такую систему будет происходить непрерывное таяние снега и удаление влаги в областях с температурой выше О °C, а также накопление снежной массы в области с температурой ниже О °C. На последнюю область будут оказывать влияние нагретые поверхности твердых тел за счет теплообмена излучением и конвекции [6].
Установление способности расплавлять снег при снегопаде подразумевает определение стационарного распределения тепла внутри твердых тел, при котором температура на поверхности становится равной О °C [7]. Области с температурой ниже нуля начинают накапливать снег, что приводит к возникновению теплового сопротивления между элементами рельсов и окружающей средой, а также блокирует участки, покрытые снегом, от участия в лучистом теплообмене между поверхностями рельсов. Коэффициенты излучения, зависимые от температуры, показаны в таблице.
Зная эти характеристики, можно рассчитать необходимую тепловую мощность для плавления снега в зависимости от температуры.
Например, для нагрева и плавления снега при интенсивности снегопада 1 мм/ч графическая зависимость необходимой тепловой мощности от температуры будет иметь вид, показанный на рис. 1.


В результате моделирования исследовано распределение температур в сечениях от острия до полного профиля остряков при различных температурах окружающей среды, наличии или отсутствии ветра, двух, четырех, шести ТЭНах (мощность одного ТЭНа принята равной 500 Вт), разном времени работы нагревателей. Граничные условия и расположение нагревателей показаны на рис. 2.
В качестве примера на рис. 3 показано распределение температур в элементах стрелки после трех часов работы трех нагревателей при температуре окружающего воздуха -5 °C. Серым цветом выделены элементы, имеющие температуру окружающей среды.
Для определения эффективности различных схем расположения нагревателей при распределении температур в разные моменты времени в сечениях при высоте снежного покрова 100 и 200 мм и температуре окружающей среды 0, -10, -25 и -60 °C были выполнены расчеты для трех конфигураций нагревателей, показанных на рис. 4. Смоделировано 10 ч работы системы после ее включения.
Результаты расчетов следующие:

• 1) уменьшение числа нагревательных элементов приводит к уменьшению средней температуры элементов пути и снижению интенсивности плавления снежного покрова. При температуре окружающей среды 0 °C и изменении конфигурации ТЭНов с шести до четырех область проплавления практически остается прежней;
• 2) при температуре окружающей среды -10 °C область проплавления становится зависимой от конфигурации ТЭНов. При двух активных нагревательных элементах весь объем снега между остряковым рельсом и рамным рельсом не проплавляется даже при 10 ч работы системы обогрева;
• 3) при температуре окружающей среды -25 °C и конфигурации из двух ТЭНов конструкция практически не прогревается, и в большей части конструкции наблюдается отрицательная температура. При конфигурации из шести ТЭНов проплавляется весь объем снега за 10 ч работы системы обогрева;
• 4) при температуре окружающей среды -60 °C для всех конфигураций ТЭНов конструкция практически не прогревается, в большей части конструкции наблюдается отрицательная температура, и после 10 ч нагрева снег полностью не проплавляется.

Таким образом, при температурах окружающего воздуха ниже -25 °C для обогрева стрелок следует применять системы, конфигурации которых включают не менее шести ТЭНов мощностью 500 Вт.
В суровых климатических условиях, даже в этой конфигурации нагревателей, система обогрева, состоящая из ТЭНов мощностью 500 Вт, не обеспечивает необходимое удаление снега [8]. В этом случае следует применять ТЭНы мощностью не ниже 750—800 Вт.

Список источников

1. Глюзберг Б.Э., Королёв В.В. Применение различных систем удаления снега на стрелочных переводах // Внедрение современных конструкций и технологий в путевое хозяйство. 2013. Т. 6, № 6 (6). С. 80-93. EDN: WTPPSP.
2. Королёв В.В., Шишкина И.В., Колосков Д.С. Системы обеспечения безотказной работы стрелочных переводов зимой // Путь и путевое хозяйство. 2020. № 11. С. 13—16. EDN: OMUOMK.
3. Глюзберг Б.Э., Королёв В. В. Удаление снега на стре
лочных переводах // Путь и путевое хозяйство. 2014. № 3. С. 26-30. EDN: SCBLXJ.
4. Королёв В.В. Инженерное снеговедение: теплораспреде-ление на стрелочных переводах. М.: РУТ (МИИТ), 2021. 154 с.
5. Calculation of heat distribution of electric heating systems for turnouts / B. Glusberg, A. Loktev, V. Korolev, I. Shishkina, D. Alexandrova, D. Koloskov // International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies EMMFT : EMMFT-2018. Springer, 2020. P. 337-345. DOI: 10.1007/978-3-030-19756-8_31. (Advances in Intelligent Systems and Com*Иванов**Иванов**Иванов**Иванов**Иванов*g. Vol. 982).
6. Колисниченко E.A. Исследование влияния инфракрасного излучателя на удаление снега с подвижных частей стрелочного перевода // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2016. № 1 (61). С. 107-112. EDN: VTFJPZ.
7. Колисниченко Е.А., Дульский Е.Ю., Дудаев М.А. Моделирование процесса очистки стрелочного перевода от снега с применением инфракрасного излучателя // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 2 (50). С. 225-230. EDN: WHDEDP.
8. Королёв В.В. Совершенствование технологии очистки стрелочных переводов от снега в зимний период // История и перспективы развития транспорта на севере России. 2022. № 1. С. 50-55. EDN: NAILCQ.
ENSURING THE OPERATION OF SWITCHES IN A HARSH CLIMATE
Korolev Vadim — Ph.D., Associate Professor of the department «Transport construction», Russian University of Transport. Moscow, Russia. Korolevadim@mail.ru
Shishkina Irina — Ph.D., Associate Professor of the department «Transport construction», Russian University of Transport. Moscow, Russia. Shishkinaira@inbox.ru
Zverkova Nadezhda — engineer, teacher of the Moscow College of transport of the Russian University of Transport (MIIT). Moscow, Russia. N.zverkova@mail.ru
Abstract. The article presents an analysis of a number of parameters describing the thermal state of switches during defrosting of a switch covered with snow and maintaining a warmed state in conditions of intense snowfall. As a result of calculations, significant parameters were established. Methods of conservative estimation are proposed. Practical methods of simplifying calculations have been developed. Based on the work carried out, methods have been identified that can be supplemented in the future with the development of the topic.
Keywords: switchboard, snow, heat distribution, mathematical modeling, engineering snow science.
Citation: Korolev V.V. Ensuring the operation of switches in a harsh climate / V.V. Korolev, I.V. Shishkina, N.V. Zverkova // Rail Track and Track Facilities, 2023, 10, pp. 2-4. (in Russian)

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК