ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРООБОГРЕВА СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ

Решению проблем повышения эффективности стрелочных переводов уделяется большое внимание специалистов ВНИИЖТ, ПГУПС, МГУПС, ГТСС и др. Использованию и разработкам вопросов работоспособности стрелочных переводов посвящены научные труды В. И. Абросимова, С. В. Амелина, В. М. Богданова, В. В. Говорова, К. Н. Дьякова, В. Т. Павлова, А. В. Самохина, А. А. Симона, Э. С. Спиридонова, Н. Ф. Твердохлеба, Л. Н. Фролова, Ю. В. Харитонова, В. Ф. Яковлева и др.

Над этими вопросами работают многие предприятия России, Англии, Австрии, Германии, Италии, США, Швейцарии и других стран.

Цель работы

Совершенствование процесса электрообогрева стрелочных переводов рельсовой колеи, позволяющее обеспечить безопасность движения поездов и комфортность перевозимого груза с установленными максимально допустимыми скоростями независимо от времени года при минимальных экономических затратах на основе энергосберегающей технологии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

• проанализировать применение электрообогрева стрелочных переводов в разных странах мира и в Российской Федерации;
• сформулировать понятие эффективности электрообогрева стрелочных переводов и установить критерии ее оценки;
• на основании исследований свойств загрязнителя и возможностей теплоэлектронагревателей обосновать расчетную схему для установления параметров электрообогрева стрелочных переводов;
• провести теоретические исследования определяющих параметров и воздействующих факторов;
• установить экспериментальным путем теплофизические параметры электрообогрева стрелочных переводов;
• разработать и обосновать рациональную конструкцию электрообогреваемого стрелочного перевода с целью максимизации эффективности использования электрообогрева;
• провести натурные испытания предложенного электрообогрева- емого стрелочного перевода;
• разработать прикладное программное обеспечение для реализации непрерывного автоматизированного контроля за работой электро- обогреваемого стрелочного перевода.
• провести экономическую оценку предложенных решений; изложить методику создания рационального ЭО СП.

Метод исследования

Использованные методы включают теорию, статистические материалы, эксперименты в лабораторных и натурных условиях, целью которых было решение задач по выбору и обоснованию рациональных параметров устройств электрообогрева стрелочных переводов.

Исследование предусматривает применение современных методов физики, теплофизики, механики, теплотехники, математики, теории автоматического регулирования, измерительной и вычислительной техники.

Практическая ценность

Заключается в использовании результатов исследований для повышения эффективности устройств электрообогрева стрелочных переводов без больших изменений существующих схем электроснабжения и без дополнительных затрат на внедрение в условиях железных дорог.

Научная новизна:

• электрообогрев рассмотрен не как дополнительное устройство к стрелочному переводу, а как единая система — электрообогреваемый стрелочный перевод;
• установлены понятия эффективности электрообогрева стрелочных переводов и параметры устройств;
• разработана структурная схема автоматического управления электроообогревом стрелочных переводов с использованием ЭВМ и его программное обеспечение;
• разработана методика создания рационального электрообогреваемого стрелочного перевода

Апробация

Основные положения диссертации были доложены на научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ПГУПС в 1998 — 2001 гг., на заседаниях кафедр «Технология металлов», «Железнодорожный путь», «Строительные и дорожные машины» (1998 — 2000 гг. ); на ХХХХШ научно-технической конференции по вопросам путевого хозяйства Октябрьской железной дороги и ПГУПС в 2001 г.; на международном экологическом конгрессе «Новое в экологии» в 2000 г. (С.-Пб, БГТУ); на второй международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростов—на-Дону, 2000 г.); на конференции «Технические средства нового поколения» (Хабаровск, 2001 г.).Реализация. Опытный образец усовершенствованного УЭОСП проходил длительные испытания на Октябрьской железной дороге по станции Зеленогорск Зеленогорской дистанции пути ПЧ-17.

Задачи стрелочного хозяйства железных дорог

Нормативы и технологические процессы содержания железных дорог определены в «Правилах технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации» [38 ], в «Положении о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской Федерации» [ 37 ], в инструкциях, технических условиях и указаниях МПС РФ, а также в нормативных документах ведомств, в подчинении которых находится путевое хозяйство железнодорожного транспорта.

Главное место в путевом хозяйстве принадлежит пересечениям рельсовых путей, являющимися сложными по конструкции и ответственными по выполняемой функции элементами пути.

В среднем на 1 километр длины пути приходится 2-2,5 стрелочных перевода, обеспечивающих прохождение тяжеловесных составов, высокоскоростное движение, повышенную пропускную способность участков [2].

В настоящее время номенклатура стрелочных переводов представляет собой значительный перечень как старых конструкций, так и новых прогрессивных благодаря усилиям Новосибирского, Муромского, Гомельского, Аб- дулинского, Омского и других заводов. Стрелочные переводы выпускаются и коммерческими организациями согласно требованиям инспекции Главного Управления пути МПС РФ по качеству.

Основные технико-экономические требования, предъявляемые к стрелочным переводам:

1. Прочность и устойчивость, обеспечивающие безопасность движения поездов и комфортность перевозимого груза и пассажиров с установленными максимально допустимыми скоростями, независимо от времени года.
2. Простота и минимальная себестоимость изготовления и эксплуатации.
3. Продолжительный срок службы.

Перечисленные требования, конечно, не могут претендовать на полноту ‘ учета всех факторов, но даже и по указанным пунктам можно констатировать, что требования и условия, которым должны удовлетворять стрелочные переводы, весьма ответственные и, вместе с тем, весьма противоречивы.

Формулируя требования, предъявляемые к стрелочным переводам, следует иметь в виду, что они, как весь железнодорожный путь, работают в разных условиях, таких как: интенсивность движения поездов, грузонапряженность, характер грузов, время суток, скорость движения поездов, климатические особенности местности ( горы, болота, пустыни и т. д. ), время года ( осадки, колебания температуры и т. п. ) и др.

Однако, ни одно из перечисленных требований, будучи выполненным по всей совокупности, не даст необходимого эффекта без наличия условий, обеспечивающих «чистоту стрелочного перевода».

Под понятием «чистота стрелочного перевода» понимается отсутствие «загрязнителей» на элементах стрелочного перевода, снижающих общую эффективность функционирования стрелочного перевода.

Стрелочный перевод не будет работать: занесенный листопадом, песком, элементами перевозимых грузов, залитый водой, занесенный снегом, покрытый наледью и т. п.

Перечисленные «загрязнители» могут воздействовать на путь и, прежде всего, на стрелочный перевод как совместно, так и в отдельности. Это, прежде всего, зависит от географии и климатических особенностей местности (песчаные бури в пустынях, муссонные дожди, ураганы, снегопады с оттепелями и без них и т. д. ). Для каждого района, таким образом, существует свой наиболее опасный «загрязнитель» железнодорожного пути.

Для Российской Федерации, как северной страны, территория которой значительное время года подвержена влиянию отрицательных температур, очистка железных дорог от снежного загрязнителя представляет собой огромные трудности.

В условиях низких температур окружающего воздуха, вызывающих обледенение и снежные заносы железнодорожных путей и, прежде всего, стрелочных переводов, проблема содержания пути в работоспособном состоянии в зимнее время, обеспечивающим бесперебойный и безопасный пропуск поездов, остается весьма актуальной.

Основные требования к хозяйствам железных дорог и порядок взаимодействия между ними при подготовке путевого хозяйства к работе в зимних условиях изложены в «Инструкции по снегоборьбе на железных дорогах Российской Федерации [ 11 ].

Очистка стрелочных переводов от снега и последующей наледи является крайне трудоемкой операцией и, как следствие, самой дорогостоящей.

Хорошо известны физические затраты при ручной очистке стрелочных переводов, огромные энергетические затраты при всех известных методах механизированной очистки, повышенные требования техники безопасности при производстве этих работ и многие другие факторы.

Выбор новых и совершенствование известных методов и устройств механизированной очистки, позволяющих поддерживать надлежащую эксплуатационную готовность стрелочных переводов в зимнее время, были и остаются производственной и экономической необходимостью, проблемой, решение которой остается весьма актуальной.

Анализ технических средств и способов очистки стрелочных переводов от снега

Средства защиты железнодорожных путей и, прежде всего стрелочных переводов, от снега распределяются в зависимости от степени заносимости по трем направлениям:

• Пассивные ( переносные щиты, защитные заборы, лесные полосы, естественные леса)
• Активные ( использование направления и скорости ветра, сдувающего снег ).
• Механические ( снегоочистительные машины и техника ).

Важное значение имеет снегоборьба на больших узловых станциях, оборудованных огромным количеством пересечений железнодорожных путей и, самое главное, рельсовых пересечений.

Наиболее уязвимыми элементами пути при снегопадах и метелях являются стрелочные переводы и, в первую очередь, стрелки в зоне примыкания остряков и рамных рельсов, а также шпальные ящики с переводными тягами.

Внезапные наледи, вызываемые снегопадом и колебаниями температуры воздуха, дезорганизуют движение поездов и полностью выводят из работоспособного состояния стрелочные переводы (СП), затрудняя или исключая возможность перемещения остряка по подушке башмака СП.

Для поддержания пропускной способности станций и узлов на необходимом уровне на дистанциях пути составляют оперативные планы, в которых содержатся вопросы технологии снегоборьбы, потребность в рабочей силе, механизмах, материалах и т. п. применительно к конкретным климатическим условиям. Особое место уделяется содержанию стрелочных переводов.

Устройства очистки стрелочных переводов от снега должны отвечать следующим основным требованиям:

• Абсолютная безопасность движения поездов.
• Отсутствие помех движению поездов и содержанию пути.
• Удобство монтажа и эксплуатации.

Эффективность очистного устройства представляет собой степень его воздействия на элементы СП, обеспечивающего беспрепятственное перемещение остряка по подушке башмака.

Классификация способов очистки стрелочных переводов от снега и наледи приведена на рис. 1.1.

Проанализируем указанные способы с целью установления их достоинств и недостатков.

Паровой и печной обогрев

Этот устаревший и энергоемкий способ очистки стрелочных переводов на сегодняшний день практически не используется, но при определенных условиях может быть достаточно эффективным.

Осуществляется путем подвода пара по трубопроводам из обычной котельной стационарного или передвижного типа.

Химический способ очистки

Химический способ очистки стрелочных переводов от снега и наледи разделяется на два направления.

Первое—применение веществ, расплавляющих лед и поддерживающих образовавшуюся слякоть в незамерзающем состоянии. При этом необходимо периодически удалять образовавшуюся массу механическим способом и добавлять химические вещества.

Второе — уменьшение адгезии льда с рельсом и составляющими стрелочного перевода при последующем удалении слипшегося снега и льда.

Оба направления химического способа очистки стрелочных переводов предусматривают последующее механическое вмешательство в процесс очистки.

Рис. 1.1. Классификация способов очистки стрелочных переводов от снега и наледи.

В свете борьбы за улучшение условий охраны труда на железных дорогах ( вывода обслуживающего персонала из опасной зоны ), этот способ имеет ограниченное использование. Кроме того, вещества применяемые для расплавления льда, уменьшения адгезии льда с элементами стрелочного перевода, не являются экологически чистыми и загрязняют окружающую среду. [52]

Пневматическая обдувка

Является достаточно распространенным способом очистки стрелочных . переводов от снега. Различают автоматическую и шланговую обдувку, применяемую для более тщательной очистки стрелочных переводов.

Сжатый воздух от компрессорной установки после обезвоживания и маслоотделения поступает в разводящую систему. Для дистанционного управ ления подачей сжатого воздуха к арматуре очистки, расположенной непосредственно на стрелочном переводе, служит электропневматический клапан (ЭПК).

При шланговом способе пневматической очистки стрелочных переводов используются воздухосборные колонки и гибкие шланги длиной 10-15 метров с наконечниками.

Опыт показывает, что при температуре воздуха ниже -5°С метод пневмообдувки себя оправдывает. При мокрых снегопадах пневмообдувка становится бессильной, т. к. снег намораживается на элементы стрелочного перевода и выводит стрелку из строя.

Газовый обогрев

Метод газового обогрева один из самых новых, появившийся в конце . 50-х годов. Он постоянно привлекает к себе относительной простотой и дешевизной конструкции, экономичностью в отношении расхода электроэнергии. Этот метод механизированной очистки стрелочных переводов прошел путь ручного пуска, использования инфракрасного излучения с разным количеством горелок и местом их установки, применения принципа центрального отопления ( циркуляционный метод ) с различными теплоносителями от ан- тифризной смеси до зимнего газа пропан-бутан. Рис. 1.2.

Газообогревательные установки ( ГУ ) применяются двух типов: с факельными горелками и инфракрасного излучения.

ГУ с факельно-кадмиевыми излучателями питаются сжиженным газом среднего давления ( пропан 85% и бутан 15% ). ГУ включают в себя: газовые и электрические коллекторы, горелки, расположенные под рамным рельсом, электромагнитный клапан, блок автоматики. Для нагрева частей стрелочного перевода необходимо 0,5 часа. Установка не мешает работе снегоуборочных машин СМ, СДПМ.

ГУ инфракрасного излучения с керамическими плитками и жаропроч- , ными сетками имеют дистанционное, автоматизированное управление. Работают надежно при температуре до -20°С и скорости ветра до 18 м/с.

ГУ обслуживаются работниками газового хозяйства, дистанциями сигнализации и связи, электроснабжения, дистанцией пути.Большим недостатком газового обогрева является использование открытого огня.

Греющие материалы

Решить проблему обогрева стрелочных переводов кардинально при минимальных затратах материальных и людских ресурсов пытаются с помощью использования новых греющих материалов.

Известен опытный образец простейшего по своей конструкции изделия на базе свойств греющей краски [ 40 ], при котором несколько слоев микронной толщины, нанесенные на пластины, позволяют при малых затратах электроэнергии обеспечить высокую температуру поверхности остряка, которая надежно защищает его от обледенения. В основе эффекта лежат новые материалы: полиэл, электропласт. Полимерный материал, чуть толще обоев, покрытый слоем металлизированной краски, позволяет без всякой энергоподпитки отдавать во внешнюю среду тепло, аккумулированное от независимых источников.

Рис. 1.2 Установка газообогрева СП

Слой греющей краски толщиной в несколько микрон, нанесенный на любой токопроводящий материал, предварительно покрытый тонким слоем диэлектрика, присоединяется с помощью наклеенных на нее электродов к источнику тока ( постоянного или переменного ) и через несколько минут начинает отдавать тепло во внешнюю среду. Температура нагреваемой поверхности от 40° до 300° С. При правильно выбранном расположении нагревающего устройства достигается большая экономия затраченной на обогрев энергии.

Стоимость самой краски и работ по ее нанесению на соответствующую поверхность относительно невелика. [40]

Однако, опыта по использованию греющих материалов недостаточно.

Электрообогрев

Электрообогрев стрелочных переводов предусматривается для бесперебойного движения поездов в период снегопадов и метелей, рис. 1.3.

Устройства электрообогрева стрелочных переводов предназначены для текущий очистки от снега и льда стрелок, оборудованных электрической централизацией. [ 11 ]

Применение электрообогрева сводит к минимуму ручные работы по очистке стрелочных переводов от снега.

При правильном подборе мощности электрообогревательных элементов и температуры в системе терморегулирования обеспечивается надежное функционирование стрелочных переводов в любых погодных условиях и в любое время суток с оптимальным расходом электроэнергии. [12]

Способ электрообогрева получает широкое распространение, привлекая своей простотой и эффективностью. Главным недостатком электрообогрева является повышенное потребление электроэнергии и, как следствие, высокая стоимость эксплуатации.

Использование способов очистки стрелочных переводов

Сопоставление эффективности видов обогрева (очистки) стрелочных переводов от снежного загрязнителя не представляется возможным, поскольку имеет место множество влияющих, зачастую противоречивых факторов: местные климатические условия, продолжительность непрерывной работы, вид питания, затраты на энергию, требования на подключение, загруженность линии, наличие станционного персонала и т. д. [ 46 ]

Распространение способов очистки СП на Октябрьской ж. д. по состоянию на 2000 год представлено в табл. 1.1., по которому можно судить о тенденциях в использовании того или иного метода.

Таблица А.

Сравнение способов обогрева вряд ли является предметом обсуждения, т. к. для таяния загрязнителя (снега) определенного объема (массы) в конкретных теплофизических условиях требуется однозначное количество теплоты.

Кроме того, применение того или иного способа зависит от местных условий, наличия энергии, возможностей применения того или иного вида энергии, общей культуры производства и т. д.

Главным фактором, определяющим эффективность применяемого способа, является время очистки СП от загрязнителя, лежащее в основе выполнения графика движения поездов.

В последнее время в мировой практике широкое распространение получило применение устройств электрообогрева стрелочных переводов (УЭОСП)

Достоинствами этого метода очистки стрелочных переводов от снега и наледи являются следующие положения: а) незаменимость при знакоперемщ- ных колебаниях температуры окружающей среды; б) отсутствие обслуживающего персонала в зоне движения поездов; в) экологическая безопасность; г) возможность полной автоматизации, учитывающей изменения параметров окружающей среды (снегоотложение, температура, подвижность воздуха); д) допустимая ( при рациональном использовании ) энергоемкость и, как

следствие, стоимость использования.

Основным недостатком (и может быть единственным) УЭОСП является высокое потребление энергии, сдерживающее широкое применение электрообогрева.

Рассмотрим известные варианты устройств электрообогрева стрелочных переводов с целью установления их достоинств и недостатков, а также путей их усовершенствования.

Обзор мировой практики применения электрообогрева стрелочных переводов

Австрия [1]. На Австрийских федеральных железных дорогах (ОВВ) ведутся исследования по применению электронагревательных элементов в стрелочных переводах для обеспечения надежной их работы в зимнее время. В процессе разработок решаются следующие задачи:

а) обеспечение хорошей теплопроводности,

б) минимизация времени нагрева,

в) рациональное потребления электроэнергии. Нагревательный элемент представляет собой два электропроводника из

сплава N1 Сг 8020, помещенных в трубку из хромоникелестальнош сплава, заполненную изолирующей окисью

Элемент, мощностью 330 Вт/м, устанавливается в корне стрелочного перевода на длине ~ 1м. При этом, проводники нагреваются до 170° С, а прилегающие металлические части стрелочного перевода до 30° С.

Электроснабжение осуществляется из тяговой сети напряжением 15кВ через понижающие масляные трансформаторы мощностью от 10 до 400 кВт. Рассматриваются такие вопросы как:

1. требования к механической прочности нагревателей,
2. способы их закрепления на стрелочном переводе,
3. конструкции переключающих и защитных устройств электроаппаратуры,
4. устройства измерения температуры и управления коммутирующими блоками.

К 1985 году на ОВВ функционировало 3580 стрелочных переводов с электрообогревом.

Работы продолжаются в направлении совершенствования регулировочной аппаратуры и узлов стыковки электронагревателей и токоподводящих кабельных сетей.

При интенсивном движении поездов австрийская фирма Уоез1>А1рте предложила для контроля стрелочных переводов автоматизированную систему 11оас1таз1ег-2000, управляемую компьютером и позволяющую постоянно измерять параметры стрелочного перевода с помощью датчиков, смонтированных на стрелке еще до укладки ее в путь. При этом измеряются и оцениваются следующие параметры:

• усилие срабатывания переводного механизма;
• плотность прилегания остряка к рамному рельсу;
• величина зазора между контррельсом и рамным рельсом;
• ширины колеи и износа острия сердечника крестовины;
• качество затяжки болтовых соединений в сборных крестовинах;
• температуры нагрева элементов стрелочного перевода, оборудованных обогревателями для очистки от снега.

Микропроцессор, преобразуя электрические сигналы от датчиков в цифровые, через модулятор передает их через сигнальный пост в центр управления. Здесь информация регистрируется ЭВМ и отражается на дисплее. Оператор может вызвать с помощью клавишного пульта все интересующие его сведения, как то:

• схему расположения путей;
• состояние стрелочного перевода;
• паспорт стрелочного перевода и его место расположения;
• сравнение измеренных параметров с предельно допустимыми;
• качество затяжки болтов, величину зазора между остряком и рамным рельсом;

— температуру нагрева рельсов и окружающего воздуха и др.

Таким образом, автоматизированная система позволяет вести постоянные наблюдения как за всеми стрелочными переводами в целом, так и выборочно на заданном участке пути. Получая сведения о техническом состоянии стрелочных переводов и надежности их отдельных элементов, можно своевременно выполнять необходимые работы текущего содержания пути.

Англия [ 32 ]. Управление электрификации английских железных дорог разработало два типа стрелочных электронагревателей, в которых нагревательный элемент находится в компактной стальной обойме, заполненной окисью магния. Элемент, питаемый током напряжением 100В, обладает мощностью 200Вт.

Обогреватель первого типа — плоский, устанавливаемый к подошве рельса между стрелочным башмаком и деревянным брусом.

Его мощность 100Вт. Электроэнергия подводится от путевого трансформатора по кабельным сетям, к которым через разъемы подключаются обогреватели.

Обогреватель второго типа — линейный, длиной 4,5 — 6,0 м, мощностью 200Вт/ пог. м. Он крепится к рельсу пружинными клеммами. У каждого стрелочного перевода устанавливается трансформатор на 3,5 или 10 кВА, используемый также в цепи сигнального тока.

Используется также устройство автоматического включения обогрева в зависимости от погодных условий с блоками контроля и защиты, датчиками снега, дождя и температуры у подошвы рельса. Установлено, что по сравнению с газовыми обогревателями электрические имеют меньший срок окупаемости и надежнее в эксплуатации. (Газовое пламя задувается ветром или потоком воздуха от движущегося состава. Необходимо так же учитывать наличие газа в районе нахождения устройств газового обогрева).

Германия [22]. Инструкция по подготовке работы в зимних условиях Германии предусматривает проведение мероприятий, предотвращающих возможные нарушения в результате действия мороза и снегопадов. Предусмотрены три степени применения средств снегоборьбы:

1. Слабое действие зимних факторов.

а) включение обогревателей стрелок,

б) применение отдельных средств снегоборьбы,

в) никаких сокращений в графиках движения поездов.

2. Среднее действие зимних факторов.

а) включены обогреватели стрелок,

б) выборочное применение средств снегоборьбы с использованием снегоочистительных и снегоуборочных машин,

в) плановое сокращение эксплуатационной работы.

3. Воздействие зимних факторов выше среднего.

а) работают все стрелочные обогреватели; работа стрелочного перевода, тем не менее, во многом нарушается,

б) применяются все средства снегоборьбы,

в) эксплуатационная работа сильно сокращается.

Основной документ — план снегоборьбы, в котором отражены мероприятия по различным службам: пути, станциям, региональным отделениям железной дороги.

Системы, выполненные на базе микропроцессоров, позволяют осуществлять обогрев стрелочных переводов тогда, когда это необходимо, а не с целью профилактики.

Италия [ 20 ]. Неожиданные снегопады и гололед в условиях Италии за короткое время парализуют железнодорожные перевозки и отрезают северные области страны от южных, при этом важность проблемы обогрева железных дорог и, прежде всего, стрелочных переводов подтверждается ежегодно.

Устройства обогрева стрелочных переводов, основной задачей которых является обеспечение постоянного таяния льда и снега, должны отвечать следующим требованиям:

4. обеспечивать надежного таяния снега и льда в шарнирных соединениях и на остряке стрелочного перевода;
5. обладать максимальной надежностью в различных условиях эксплуатации;
6. снижать потребность в текущем ремонте и содержании;
7. упрощать монтажные работы;
8. создавать удобство доступа к узлам стрелки в экстремальных ситуациях;
9. снижать стоимость при эксплуатации и изготовлении.

При выборе типа электрического обогревательного устройства исходят из среднегодовой толщины снежного покрова и наиболее характерного вида перевозок на рассматриваемом участке.

Электрические обогреватели, выполненные в виде продольных элементов сопротивления мощностью 250 — 400 Вт/пог. м., отличаются значительной дешевизной и простотой конструкции.

Питание их осуществляется от однофазных или 3-х фазных линий напряжением 220-3 80В через понижающий трансформатор типа 220-3 80В. Средняя необходимая мощность для обогрева стрелочного перевода составляет 2,5-5 кВт.

Отмечаемый недостаток любых видов электрообогревателей — это малая эффективность при толщине снежного покрова более 30 см.

Обогреватели стрелочного перевода управляются автоматически из центральной диспетчерской, где смонтированы все необходимые приборы и датчики, выключающие цепь при изменении наружной температуры.

Швейцария, Нидерланды [ 20 ]. Необходимость в обогреве определяется на основании данных дистанционного диагностирования конкретного объекта. При этом благодаря применению цифровых методов регулирования снижается расход электроэнергии на обогрев. Возможно применение метода как для отдельных стрелочных переводов, так и для региональной сети.

Этот метод используется на Федеральных железных дорогах Швейцарии (SBB), Государственных железных дорогах Нидерландов (NS), на железных дорогах Германии (DBAG) и дал положительные результаты.

Инновационные системы обогрева стрелочных переводов на всех уровнях совместимы с существующими. Преимущества, создаваемые этими системами, могут быть реализованы без дополнительных затрат и, как правило, даже с некоторым снижением эксплуатационных расходов.

При контроле обогрева стрелочных переводов измеряется общая сила тока во всех нагревательных элементах, регистрируется каждый случай ее падения ниже требуемой величины ( необходимой для эффективного нагрева стрелочного перевода).

На экран дисплея выводится следующая информация:

• схема путей контролируемого участка,
• характеристика перевода,
• схема стрелочного перевода с размещением датчиков,
• таблица фактических параметров,
• диаграмма силы тока или гидравлического давления,
• сила затяжки болтов в крестовине,
• температура рельсов и окружающего воздуха,
• величина зазора между остряком и рамным рельсом,
• усилие в стрелочном переводе и др.

Таким образом, устройство дает возможность наблюдать за работой и техническим состоянием каждого стрелочного перевода или всех вместе как непрерывно, так и через запрограммированные промежутки времени, разрабатывая графики необходимых предупредительных мер по содержанию стрелочного перевода.

Швеция [ 20 ]. Фирма «Varme Kabel Teknik» рекламирует следующие

данные электрообогрева:

1. Электрообогрев осуществляется путем установки нагревательных элементов длиной 15-20 м на подошву рамных рельсов и остряков.
2. Нагревательные элементы защищаются кожухами.
3. Блок питания установлен на шпале.
4. Крепление ТЭН и защитных кожухов осуществляется с помощью зажимов на подошве рельса.

США [ 56 ]. На дорогах США применяются обогреватели Милтес- Тресс, состоящие из высокотемпературного нагревательного кабеля в виде змеевика, прикрепляемого к подошве рельса, нержавеющей стальной пластины и упругих зажимов. Потребляемая мощность обогревателя, который может быть включен круглые сутки в течение длительного периода времени, не превышает 8 кВт. Выделяемая теплота составляет 350 Вт/м, что позволяет нагревать рельс до 70°С. Для установки обогревателя на СП требуется около 3 часов, для снятия — 20 минут.

Россия [ 51 ], [ 39 ].В 1956 году ПТКБ Главного Управления пути МПС разработало электрический обогрев стрелок с целью очистки их от снега. Проведенные в течение трех лет эксперименты на станции Москва- Курская обнадежили и в 1958 были разработаны типовые электрообогреватели для южной, средней и северной зон сети железных дорог.

Однако, по разным причинам электрообогрев (как и газообогрев ) не прижился на наших дорогах. Лишь в 1984-85 гг. вопрос электрообогрева вновь возник после суровой снежной зимы.

В короткий срок ГТСС разработал и разослал по дорогам типовой проект, были выделены необходимые средства и с 1987 года началось массовое применение электрообогрева стрелочных переводов, хотя и опять с большими трудностями.

Основной причиной неудачного внедрения электрообогрева является

отсутствия комплектующего оборудования и большой разброс марок комплектующих изделий ( приборов, датчиков, трансформаторов ). Особое место занимает надежность обогревающих элементов (ТЭНов). Над этим вопросом работают многие предприятия России и отдельные новаторы, тем не менее проблемы до сих пор остаются.

Система института «Гипротранссигналсвязь» состоит из арматуры обогрева, устройств питания, управления и контроля.

Арматура рассчитана на ток V = 220В и V = 36В при нормальном режиме работы и 190В и 36В при облегченном режиме.

Трубчатые электронагревательные элементы ( ТЭНы ) с диаметром 16мм располагаются снаружи рамных рельсов по стрелочным упоркам.

На рамном рельсе устанавливают 4 обогревателя — два по 1,5кВт и два по 1 кВт. Нагрев элемента происходит в течение 1 часа, после снегопада во избежание обледенения выключают через 1 час.

Питание осуществляется от ЛЭП -10 кВ через трансформаторы КТП, установленные на блокпосту. Они имеют дистанционное управление — с поста диспетчерской централизации и местное — у стрелочного перевода.

Обслуживаются устройства электрообогрева стрелочных переводов дистанцией сигнализации и связи, участком электроснабжения и дистанцией пути.

Харьковский новатор Н. Ф. Твердохлеб предложил электронагреватель с тепловой трубой, выявивший ряд преимуществ перед известными устройствами. Так, испытания опытных образцов на железнодорожной станции Полтава-Киевская на стрелочном переводе марки 1/11 с рельсами Р65 показали: энергоемкость устройства 2-3 кВт час; изготовление нетрудоемко и несложно; используются недефицитные материалы. [ 47 ]

В МГЭДСе разработана схема управления очисткой стрелочных переводов от снега с использованием модульных нагревателей. [ 45 ]

Схема действует на основе функционально-командных принципов, т. е. сигналы от датчиков поступают на ЭВМ, и позволяет улучшить управление очисткой стрелочных переводов и повысить надежность эксплуатации пути.

Известны «электрические нагревательные модули для защиты от намерзания льда и снега на рельсы железнодорожных стрелок» [ 6 ].

Описание конструкции, техническая характеристика, способ крепления к рельсу, комплектация и пример расположения оборудования на СП представлены на рис. 1.4. — 1.5.

В инструкции по снегоборьбе на железных дорогах РФ содержится техническая характеристика ЭО стрелок типов Р50, Р65, 1/9, 1/11 [ И ]:

• Рабочее напряжение, В — 230
• Погонная мощность ТЭН, кВт/пог. м. — 0,5 — 0,7
• Температура нагрева ТЭН в контакте с подошвой рамного рельса, °С = 80 — 100
• Длина ТЭН, м — 3-4
• Поперечное сечение ТЭН, мм — 8-12
• Установочная мощность ЭО на СП, кВт:

для центра Россия — 6-8

для Севера и Сибири — 8,5 — 10,4.

Техническая характеристика включает только параметры ТЭНов, не затрагивая вопросов места их установки, времени очистки СП от загрязнителя в различных условиях эксплуатации и других параметров, характеризующих ЭО в целом.

Анализ отечественных и зарубежных вариантов ЭО СП показал, что этот метод очистки прост, целесообразен технически и выгоден экономически.

В то же время поиски эффективного решения электрообогрева СП продолжаются по разным направлениям и, как показывает анализ, в основном по пути автоматизации управления.

Решение вопроса усложняется весьма трудными и зачастую непредсказуемыми условиями эксплуатации ЭО СП, такими как круглогодичное воздействие атмосферных осадков, вибрационных нагрузок от проходящих поездов, возможности повреждений при производстве путевых работ и т. д.

Рис. 1.4 Вариант устройства ЭО СП

Рис. 1.5 Вариант размещения устройства ЭО СП

Обзор существующих в мировой практике устройств ЭО СП указывает на недостаточную изученность проблемы, формулирование цели электрообогрева и его эффективности главным образом из-за разрозненности исследовательских работ, отсутствие системного комплексного подхода, единого принципа осуществления.

Несмотря на многочисленность работ пока отсутствуют единые принципы и подходы к эффективности электрообогрева стрелочных переводов, используемого в различных условиях окружающей среды; не существует определения понятия «эффективность УЭОСП»; не установлены параметры, лежащие в основе ее регулирования, а отсюда и четко не сформулированы направления совершенствования УЭОСП.

Виды метеорологических явлений и рекомендуемые меры снегоборьбы

Под принятым термином «загрязнитель» понимается следующее.

В типовых материалах для проектирования 501-09-35.88 «Устройство электрообогрева стрелочных переводов» ТО-168 [ 51 ] записано «… электрообогрев для таяния снега и льда».

В информации Гидрометцентра по радио и телевидению : «снег, сильный снег, метель, гололед, гололедица, вьюга, мокрый снег, снег с дождем, снегопад, буран, небольшой снег, слабый снег, осадки и т. д.».

В оперативном плане очистки стрелочных переводов по станциям Октябрьской железной дороги: [ 1 ] «средний снегопад ( 1 см за каждые два часа ), сильный снегопад ( 1 см. за 1 час ), плотный снег, рыхлый снег, внезапная метель».

Другие литературные источники [ 35 ]: «свежевыпавший снег, лежалый снег, старолежалый снег».

В Справках о потребности рабочей силы на очистку стрелочных переводов [58 ]: «рыхлый мягкий снег, снег до 10 см, снег до 20 см, снег до 30 см, плотный снег, обледенение, лед до 10 см, лед до 20 см.»

Наиболее опасны природные явления с частой переменой температуры воздуха, осадков, интенсивности ветра, когда наледь образуется внезапно и в большом количестве, требуя, как следствие, огромных затрат на проведение мероприятий по снегоборьбе.

Данные о видах метеорологических явлений, их характеристики степени влияния на работу железных дорог, а также меры снегоборьбы приведены в табл.1.2.в зависимости от категорий опасности, представленных на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Категории опасности.

Рассмотрев воздействующие на СП разновидности снежного загрязнителя, необходимо уточнить и назначение электрообогрева в очистке СП, его возможности и эффективность выполнения задачи.

«Инструкция по снегоборьбе на железных дорогах РФ [11], деля виды метеорологических явлений на категории опасности (табл. 1.2.), обязывает (п. . 8.6.1.): «ЭО стрелок должен быть задействован в течение всего периода снегопада и метели. Включение ЭО, как правило, производит дежурный по станции с начала снегоотложения, а выключение через 1 час после его окончания, чем обеспечивается испарение влаги с обогреваемых поверхностей стрелки. Поверхность стрелочных подушек должна быть постоянно смазана керосином с добавлением 20-30% отработавшего масла».

Технические средства очистки железных дорог от снега вводятся в действие по информации о прогнозах погоды от геофизических станций ЦП (электронная, телефонная, почтовая связь).

Борьба с «загрязнителями» на железных дорогах предусматривает использование от снегоуборочных машин до ручного труда. В связи с чем, при

составлении расчетной схемы электрообогрева стрелочных переводов немло- ловажным является установление объема загрязнителя, приходящегося на долю электрообогрева, другими словами, установление пределов применимости электрообогрева стрелочных переводов.

Как показывает опыт, ЭО не в состоянии справиться с заносами, хотя свою функцию, заключающуюся в недопущении сковывания льдом элементов СП, выполняет. При этом, тем эффективнее (время прогрева тпр -» min), чем больше толщина снега, находясь в изолированном от температуры воздуха и ветра заснеженном пространстве. В этом случае снег убирается снегоуборочными машинами или вручную, обеспечивая функционирование пути.

При появлении снега на СП (по сводкам прогноза или визуально) включается ЭО и действует «… в течение всего периода снегопада и метели», который может быть отнесен к любой категории опасности явления (ОЯ, ООЯ, СОЯ).

Выключение ЭО СП происходит «… через 1 час после прекращения снегоотложений, чем обеспечивается испарение влаги с обогреваемых поверхностей стрелки».

Назначение электрообогрева СП указано в Приложении №7, п. 10, с.94: «электрические стрелочные обогреватели с дистанционным и местным управлением предназначены для текущей очистки от снега и льда стрелок, оборудованных электрической централизацией».

«Электрические стрелочные обогреватели необходимо включать в момент начала снегопада и метели, чтобы обеспечить своевременный нагрев рамных рельсов, остряков и т. д. Выключать электрообогреватели следует не сразу после окончания метели или снегопада, а по истечении 20-30 минут, то есть после того, как поверхности башмаков скольжения обсохнут». [11]

Таким образом, основное назначение ЭО — подготовить СП к функционированию в кратчайшее время, не допустив попадания загрязнителя в рабочую зону СП в период снегопадов и метелей, или создать условия для уборки наледи с СП механизированным или ручным способом после обледенения, а в случае незначительного обледенения — самостоятельно.

ЭО включается:

• При появлении загрязнителя на СП.
• С началом снегопада или метели и функционирует до полной ликвидации загрязнителя в рабочей зоне СП.
• Перед механизированной (ручной) уборкой снега и функционирует до образования водяной пленки между элементами СП и наледью.

Эффективность устройств электрообогрева стрелочных переводов (УЭО СП)

УЭО СП является одним из распространенных способов очистки стрелочных переводов от снега и наледи (загрязнителя) и представляет собой систему, состоящую из следующего комплекта оборудования и материалов:

• Стрелочный перевод (СП).
• Электронагревательные элементы с арматурой для крепления (ТЭН).
• Внешний источник питания (ИП).
• Шкаф питания и управления (ШУЭС) с изолирующим трансформатором, рассчитанный на несколько стрелок.
• Питающие и управляющие сети (ПУС).
• Система автоматического регулирования (САР). Схема УЭОСП представлена на рис. 1.7.

Стрелочный перевод со встроенным в него электронагревателем назовем электрообогреваемым стрелочным переводом (ЭОСП). Он находится под воздействием факторов внешней среды:

снежный загрязнитель (снег, наледь), температура окружающей среды, подвижность воздуха и др.

Рис. 1.7. Схема устройства ЭОСП

Направлением совершенствования УЭОСП является создание такого комплекта (сочетание СП и ТЭН), который бы при его использовании освобождался от снежного загрязнителя в кратчайшее время т —> min, обеспечивая выполнение графика движения поездов при минимальном расходе электроэнергии ( N) и, как следствие, минимальной стоимости ( С )

Выводы

1. Рассмотрены задачи стрелочного хозяйства железных дорог и сформулированы требования, предъявляемые к стрелочным переводам.
2. Проанализированы средства и способы очистки СП от снега и предложена их классификация.
3. Показано, что ЭО СП является распространенным способом борьбы с обледенением стрелочных переводов, имеющим, в то же время, определенные недостатки: большая энергоемкость, недостаточная надежность, высокие затраты на содержание
4. Выполнен обзор мировой практики применения ЭО СП. Показано, что совершенствование электрообогрева стрелочных переводов идет по пути модернизации электрообогревательных элементов, арматуры крепления, узлов подключения. Имеет место увлечение автоматизацией систем питания и управления с использованием программного управления, микропроцессорной техники и др., зачастую осложняющее общую систему регулирования работой стрелочных переводов, что указывает на недостаточную изученность самого процесса таяния снежного загрязнителя на стрелочном переводе и, в свою очередь, требует рассмотрения вопроса таяния загрязнителя как на поверхности рамного рельса, остряка, башмака, так и в объеме рамный рельс-остряк.
5. Рассмотрены виды метеорологических явлений и рекомендуемые меры снегоборьбы.
6. Предложено понятие эффективности ЭО СП, которая должна определяться степенью приспособленности этих устройств к выполнению стоящих задач, т. е. очистке от загрязнителя в кратчайшее время (т -> min) на основе ресурсосберегающей технологии.

Цель настоящего исследования — повышение эффективности устройств электрообогрева стрелочного перевода для снижения времени очистки • его от снежного загрязнителя и обеспечения готовности к эксплуатации (при т min). Для этого предполагается решение следующих задач:

• исследование особенностей работы системы «загрязнитель — устройство ЭО СП»;
• экспериментально-теоретическое исследование параметров УЭО СП;
• разработка конструкции и опытно-промышленные исследования и испытания усовершенствованного устройства ЭО СП.

Задачи и логическая схема исследований представлены на рис. 1.8.

Повышение эффективности электрообогрева стрелочных переводов

Рис. 1.8. Задачи и логическая схема исследований.

Используемая Литература

• Автоматизированная система контроля СП «Путь и путевое хозяйство» — 1992 — №9.
• Амелин С. В. Совершенствование ведения стрелочного хозяйства. М.: Транспорт, 1983.,
• Брянцева Э И., Монахов И. К. Погода и путь на Московской магистрали // Путь и путевое хозяйство. — 1995 — №2 — с. 34.
  11 .Инструкция по снегоборьбе на железных дорогах Российской Федерации. М.:Транспорт, 2000, 96с.
• Испиаманов Б. А. Опыт снегоборьбы на дороге // Железнодорожный транспорт. 191 — № 1 — с. 10.
• Микропроцессорные системы обогрева стрелок //Железные дороги мира 1997 -№12 с. 54.
• Новая инструкция по подготовке работы железных дорог в зимних условиях Германии «Путь и путевое хозяйство», 1987, №3.
  32.0перативный план очистки путей и СП по станции С.-Петербург- Финляндский в зиму 1999-2000 гг.
• Павлов В. Т., Корея В. Б. Электрообогрев стрелочных переводов: снижение затрат, учет энергопотребления, повышение надежности // Путь и путевое хозяйство — №10 — 2000.
• Положение о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской Федерации // Путь и путевое хозяйство. — 1994 — №8 -с 16-23.
• Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. — М.: Транспорт, 1995 — 160с.
• Ратников А. И. Проблемы электрообогрева // Путь и путевое хозяйство — 1991 — №8-с. 11.
• Садовников В. М. Новые греющие материалы // Железнодорожный транспорт-1998 — №1 — с. 35-36.
• Спиридонов Э С., Харитонов Ю. Н. Управление очисткой стрелок (новая техника) // Путь и путевое хозяйство. — 1993 — №8 — с. 11.
• Сравнение газового и электрического обогрева. Проспект фирмы Sinus Aben // Железные дороги мира — 1992 — №2 — с. 52
• Твердохлеб Н. Ф. О способах электрообогрева стрелочных переводов // Промышленный транспорт. — 1988 — № 7 (199) — с. 11.
• Типовые материалы для проектирования 501-09-35.88 «Устройства электрообогрева стрелочных переводов ТО-168. Альбом 1 и 2 ГТСС».
• Тюренков И. И. Снегоборьба на дистанции пути. М.: ВИПО МПС, 1961.
• Фомин В. В. Обогрев стрелочных переводов (зарубежная техника) // Путь и путевое хозяйство. — 1989 — №12 — с. 42.
  58.Черкасский М. М. Электрообогрев лучше, но …II Путь и путевое хозяйство. — 1989 — №11 — с. 26.
  168