Реализация результатов исследований и натурные испытания предложенных решений

Техническая характеристика конструктивных предложений по созданию электрообогреваемого стрелочного перевода

Проведенные исследования показали, что рациональным местом размещения ТЭН на СП, обеспечивающем равномерный прогрев элементов стрелочного перевода (тб = тр = то = теп), является положение равноудаленное от прогреваемых масс.

Теоретически было бы целесообразно разместить ТЭН внутри каждого элемента СП, сведя до минимума тепловые потери. Практически же в силу конструктивных, эксплуатационных, технических и многих других причин вмешательство в конструкцию стрелочного перевода недопустимо. Отсюда и появляются всякого рода дополнительные устройства и приспособления, в том числе и электрообогрев, к конструкции СП, целью которых является обеспечение работоспособности стрелок в зимнее время.

Монтаж на СП дополнительных устройств требует согласований с заводом-изготовителем, т. к. не всегда согласуется с требованиями технической эксплуатации.

Поиски наивыгоднейшего способа электрообогрева СП приводят к многообразию комплектующих изделий (ТЭН, систем управления, крепежа и т. д.) не достигая желаемого результата и часто порождая самодеятельность.

Автор, на основании проведенных исследований, считает: завод- изготовитель по заказу потребителя должен указывать место размещения устройств электрообогрева или производить электрообогреваемый стрелочный перевод с надлежащей технической документацией.

На основе проведенных исследований для натурных испытаний был создан вариант электрообогреваемого СП конструкции, приведенной на рис. 4.1

На стандартном стрелочном переводе Новосибирского стрелочного завода (тип Р65 марка 1/11) крепились ТЭНы Великолукского завода ОАО «ТЭН» как указано на рис. 4.1 на рамном рельсе и на остряке.

Рис. 4.1 Вариант рационального устройства ЭО СП

Крепление осуществлялось известным в этом случае методом — скобами, при этом обеспечивался наибольший контакт поверхностей ТЭН и элементов СП. Системы питания и подводки изменениям не подвергались. Техническая характеристика ТЭН приведена в таблице 4.1.

Вдоль пути ТЭНы имели общую длину, превышающую длину СП на 1 метр (по 0,5 м со стороны остряка и корня), что обеспечивало прогрев концов СП.

Для уменьшения потерь тепла с наружных элементов СП, боковин рамного рельса и остряка, нижняя поверхность башмака и крепеж были покрыты теплоизоляционным красителем.

Шпальные ящики в рабочей зоне СП были перекрыты специальными защитными экранами (рефлекторы-отражатели). Последние, в свою очередь, выполняли роль теплоизолятора и теплоотражателя, обеспечивая снижение потерь тепла и фиксируя его в рабочей зоне СП рис. 4.2.

Защитный экран не превышал нормы 10 см. от подошвы рельса до балласта, как требует инструкция [ 11 ], и надежно крепился к рамному рельсу и башмакам.

Натурные испытания проводились в два этапа: на первом этапе устанавливалась зависимость времени прогрева элементов рационального СП от температуры окружающей среды.

Эксперименты проводились в безветренный день с целью исключения влияния подвижности воздуха и создания возможности сравнения экспериментальных и натурных испытаний.

Рис. 4.2 Натурные испытания рационального ЭО СП

На втором этапе исследования проводились в морозный ветряный день с целью проверки полученной зависимости т = f { -Х°С, о м/с) при одновременном воздействии параметров окружающей среды.

Натурные испытания проводились на дополнительных путях станции Зеленогорск Октябрьской железной дороги, находящихся на обслуживании дистанции пути ГГЧ-17.

Воздействующие на прогрев элементов СП факторы устанавливались путем подбора дней с необходимыми для эксперимента характеристиками окружающей среды (снегоотложение, температура и подвижность воздуха).

Следует отметить, что в естественных условиях подвижность воздуха не бывает одинаковой скорости; ветер дует порывами со значительными скоростными интервалами, что заставляет учитывать при испытаниях подвижность воздуха в пределах: безветрие (~ 1 м/с), (1 — 5)м/с, (6 — 10)м/с и около 15 м/с.

Натурные испытания

Проведенные исследования и предложения по увеличению эффективности ЭО позволили создать действующую натурную модель с рациональными параметрами, на которой и были осуществлены натурные испытания.

Методика натурных исследований:

С помощью цифрового комбинированного прибора БГТА-1 фиксировались параметры воздуха (на первом этапе только Ч°Свозд.).

1. Замерялась температура рельса, башмака, остряка (рис. 4.3.) Датчики ИПТ-1-5М устанавливались на замеряемых элементах с определенным равным шагом по длине рабочей зоны СП. Показатели снимались одновременно со всех датчиков через каждые 10 мин. на протяжении 2 часов.
2. С помощью ртутного термометра была определена максимальная температура нагрева ТЭНов в контакте с элементами-донорами СП и самих элементов. ЭО СП находился в состоянии «ЭО вкл.» 9 час.

Рис. 4.3 Замер температуры прогрева рационального ЭО СП30 мин. Замеры проводились при разных температурах окружающей среды

1. Рабочее пространство заполнялось загрязнителем в соответствии с интенсивностью снегоотложений , указанных в инструкции для категорий опасности (ОЯ, ООЯ).
2. Велись наблюдения за поведением загрязнителя. Регистрировалось время полного таяния загрязнителя в рабочей зоне (тш).
3. Замеры были проведены на обеих сторонах СП (на примкнутом остряке и на разомкнутом).
4. По полученным данным были выведены соответствующие графические зависимости.

Как следует из полученных графических зависимостей, время прогрева элементов СП практически равное, что позволяет считать выполненным условие: Хр = хб = То = Хсп (условие рациональности СП), рис. 4.4.

График зависимостей хсп от Т°С возд.. приведен на рис. 4 5, где АХ — приращение температуры от 4°С возд. до Т°С мах при определенных параметрах окружающей среды данной конструкции СП.

Время прогрева при различной —Т°С возд составляет:

Хсп 5 = 10 мин.

хсп ю = 22 мин.

Хсп 15 = 32 мин.

Хсп 20 = 43 мин.

Соответственно, максимальная температура нагрева рационального СП составила: Т°С сп5 = +37 Т°С сп = +32 Т°С сп 15 = +27 Т°С сп20 = +22

Приращение температуры нагрева АХ от -1 Свозд до максимально зафиксированной Лтах спустя 2 часа было одинаковым при различных температурах окружающей среды (Т°С возд).

Рис. 4.4 Зависимость времени прогрева элементов СП при рациональном размещении ТЭН

Последнее равенство говорит о возможностях конкретного ТЭНа отдавать тепло в окружающую среду и, как следствие, установить пределы использования электрообогрева.

Значение а для разных условий приведены в таблице 4.2

Следовательно, параметр а есть главная характеристика ЭО СП, обобщенный теплофизический коэффициент (ОТФК), учитывающий конструктивные особенности и условия теплопередачи конкретного электрообогре- ваемого стрелочного перевода.

На втором этапе натурных испытаний проверялась формула, выведенная для установления времени прогрева рационального СП, при различных параметрах окружающей среды (воздействующие на ЭО СП внешние факторы).

Эксперименты проводились несколько дней (подбирались дни с разной характеристикой среды).

Фиксировались параметры:

окружающей среды — температура и подвижность воздуха,

ЭО СП — температура СП, максимальный нагрев ТЭНа.

Результаты второго этапа исследований и сравнение графических зависимостей приведены в таблице 4.3.

Натурные испытания показали, что результаты теоретических и экспериментальных исследований, положенные в основу создания электрообогреваемого стрелочного перевода (ЭО СП), позволили повысить эффективность обогрева более чем в 2 раза.

Наблюдения за поведением загрязнителя показали, что одновременный прогрев элементов СП позволяет осуществить фазу таяния загрязнителя в кратчайшее время по всему объему рабочей зоны СП;

Закрытая с трех сторон рабочая зона СП концентрирует все виды теплопередачи и, в первую очередь, конвективное и лучистое тепло ТЭНов.

За счет этих видов теплопередачи загрязнитель начинал таять еще до прогрева элементов СП теплопроводностью (рис. 4.6 ), что значительно сокращало время очистки и повышало, тем самым, эффективность ЭО СП.

Программа расчета времени разогрева стрелочного перевода при заданных начальных условиях и инструкция по ее применению приведены в приложении.

Рис. 4.6 Поведение загрязнителя в рабочей зоне рационального ЭО СП

Таким образом, исследованиями установлено, что главным параметром ЭО СП является обобщенный термофизический коэффициент (ОТФК) а, характеризующий конструкцию ЭО СП и его эффективность применения в конкретных климатических условиях ( Л °С, и м/с, g см/ч).

В технической характеристике ЭО СП должны быть указаны границы использования конкретной конструкции.

Универсального ЭО СП, эффективного в любых условиях использования не существует.

Для каждого климатического района имеет место определенный вариант конструкции рационального ЭО СП.

Границы использования конкретного ЭО СП — параметр его технической характеристики.Так как функционирование обогрева напрямую связано с колебаниями температуры, подвижности воздуха и интенсивностью осадков, автором с целью установления границ применения и режимов работы ЭО СП были проведены наблюдения за погодой в зимнее время 1999-2000 и 2000-2001 годов (помимо сведений Метеоцентра) в районе предполагаемого использования.

Наблюдения за параметрами окружающей среды места эксплуатации рационального ЭО СП

Для установления количественных характеристик параметров окружающей среды в районе проведения экспериментальных и натурных исследований эффективности электрообогрева стрелочных переводов были проведены наблюдения за погодой.

Методика наблюдений:

Дважды в сутки (8 часов и 20 часов) отмечалась температура и подвижность воздуха (давление и влажность не регистрировались).

1. Отмечалась продолжительность осадков в течение суток, снегочасы.
2. Данные наблюдений сводились в таблицу.

Было отмечено, что снег выпадает при температуре воздуха в интервале ( +2 — -7 ) °С, при этом мокрый снег — ( +2 — 0 ) °С, сухой снег — ( -1 — -7 )°С.

Подвижность воздуха имела бессистемный, хаотический характер и отмечалась в диапазоне и = ( 2 — 4 )м/с при сухом снеге, и = 1 Ом/с с метелью и наметанием снега на путь, и = ( 2 — 10 )м/с при мокром снеге.

Наметание также отмечалось и при прекращении снежных осадков; снег попадал на СП под действием ветра или при прохождении поезда.

Наиболее неблагоприятное положение создавалось при мокром снеге и большой подвижности воздуха, вызывающие обледенение СП, парализуя работу механической системы стрелки (образование наледи).

При морозах ниже -10°С снегопады были крайне редки.

Продолжительность и интенсивность снегопадов характеризуется действующей инструкцией таким показателем, как категория опасности: ОЯ — опасное явление, ООЯ — особо опасное явление, СОЯ — сверх опасное явление.

При этом, каждая категория характеризуется:

ОЯ — снег сухой 5-9 см/сут., снег мокрый 3-7 см/сут., метель менее 3 часов при ветре менее 10 м/с;

ООЯ — снег сухой 10-19 см/сут., снег мокрый 7-14 см/сут метель менее 12 ч. при ветре менее 14 м/с.;

СОЯ — снег сухой более 20 см/сут., снег мокрый более 15 см/сут., метель более 12 ч при ветре более 15 м/с.

Наблюдения за погодой, проведенные автором, показывают, что выпадение снега происходит, чаще всего, при изменении температуры воздуха со знакопеременных значений и очень редко происходит при низких ( < — 10°С) температурах воздуха (табл. 4.4).

В таблице 4.4 приведены совмещенные данные инструкции и наблюдений автора за погодой, способствующие конкретизации характеристики окружающей среды и позволяющие назначить режимы работы автоматизированной системы управления ЭО СП (рис. 4.5).

Сделанный вывод подтверждает наблюдения многих исследователей и еще раз конкретизирует границы применения электрообогрева при очистке СП от снега и наледи.

Пределы использования рационального ЭО СП определены в п. 4.4.

Назначение и пределы применения электрообогрева стрелочных переводов

Инструкция по снегоборьбе на железных дорогах Российской Федерации [11] устанавливает (Приложение 7, п. 10): «Электрические стрелочные обогреватели с дистанционным и местным управлением предназначены для текущей очистки от снега и льда стрелок, оборудованных электрической централизацией. Очевидно, текущая очистка представляет собой уборку загрязнителя во время снегопадов, метелей и образования наледи. При этом, текущий загрязнитель может быть различной характеристики, сопровождаться высокой подвижностью воздуха и влиянием температур окружающей среды.

Таблица 4.5″. Продолжение

В связи с этим, важным параметром ЭО СП являются границы его применения, даже при текущей очистке СП.

Как показывает опыт, обогрев СП образует водяную пленку между наледью и элементами СП и предоставляет возможность очистки другими способами (механическим, ручным), обеспечивая функционирование СП.

В том случае, когда осуществляется уборка снега со стрелочного перевода любым способом (механическим, ручным) целесообразно включать ЭО для таяния находящейся под снегом наледи. Здесь ЭО выступает как фактор, способствующий полной уборке загрязнителя без применения ударно- колющего инструмента. Использование обогрева для очистки СП от больших масс невозможно и недопустимо.

Постепенное оттаивание снега и превращение его в воду потребует много времени и организации стоков талой воды. Последнее обстоятельство просто не осуществимо, т. к. талая вода мгновенно превратиться в лед, уборка которого создает дополнительные трудности. Создание же условий, при которых весь загрязнитель превратиться в пар, потребует больших мощностей теплоэлектронагревателей с вытекающими отсюда последствиями.

В бесснежный период или при слабом снегопаде ЭО должен быть задействован сразу после прохождения поезда, освободив СП от вихревого снега, поднятого поездом с обочины и междупутья. Кроме того, инструкцией [ 11] указано п.8.7.5: «При электрообогреве стрелок в бесснежный период и при слабых снегоотложениях (до 10 см) профилактическая очистка стрелок не производится».

Исследования показали, что таяние загрязнителя начинается при достижении СП температуры 0 °С и продолжается в интервале температур от 0°С до (+4) °С.

На рис. 4.7 представлены зависимости времени прогрева рационального СП от параметров окружающей среды (Т °Свозд , и м/с ).

Анализ кривых показывает, что при определенных сочетаниях ^Свозд и и м/с время прогрева СП увеличивается настолько, что ЭО СП становится не эффективным, т. к. не вписывается в расписание движения поездов. Другое сочетание параметров окружающей среды не прогревает СП до необходимой температуры и не создает условий для таяния загрязнителя, что также указывает на его не эффективность. В обоих случаях ЭО СП не выполняет своего назначения, т. е. ЭО СП не эффективен (рис. 4.8)

Таким образом, эффективность применения ЭО СП может быть ограничена: либо недопустимо большим по эксплуатационным соображениям временем прогрева теп, либо недостатком температуры для таяния загрязнителя. Воздействующими факторами являются температура и подвижность воздуха.

Проведенные исследования позволяют установить техническую характеристику рационального ЭО СП или, другими словами, обосновать рациональные параметры электрообогреваемого стрелочного перевода.

Автоматическое регулирование параметрами электрообогрева стрелочных переводов

Наблюдения и обобщения показывают, что наиболее низкие температуры наружного воздуха держатся обычно не долго. Для Москвы, например, длительность действия температуры -25 °С и ниже составляет около 50 ч/год. Для Москвы низшая расчетная температура наружного воздуха при проектировании принята равной -25 °С, для Екатеринбурга ~ -31 °С (берется средняя наиболее холодная пятидневка из четырех наиболее холодных зим за 25- летний период). [ 6 ]

За зимы 1999 — 2000 и 2000 — 2001 годов в Санкт-Петербурге (станция Зеленогорск) ртутный столбик опускался ниже -20 °С лишь 4 и 5 февраля 2001 года (соответственно -26 °С и -21 °С) и -21 °С 26 января 2000 года.

Снегопады при таких температурах крайне редки, тем не менее возможны сильные метели, вызывающие наметание снега на путь. Наметание снега происходит и после прохождения поезда с обочин и междупутья даже при полном безветрии.

Таким образом, главным воздействующим фактором на включение ЭО

СП является наличие снега на стрелочном переводе при любых параметрах окружающей среды.

СП могут быть по степени загруженности в течение суток:

• разового срабатывания,
• многоразового срабатывания (п раз в сутки),
• постоянной загрузки (вход на станцию или узел с главного пути).

В зависимости от загруженности СП определяется и подход к автоматизации устройств электрообогрева.

Для разового и многоразового срабатывания стрелочного перевода ЭО СП стрелка должна быть очищена от загрязнителя к моменту прохода поезда и, следовательно, ЭО СП должен включаться за какое-то время х = Бп / оп, где Бп и ш — удаленность и скорость приближающегося поезда.

В перерывах движения ЭО СП находится в выключенном состоянии. Задача системы автоматики в этом случае заключается в обеспечении готовности СП в зависимости от удаленности поезда.

В случае непрерывного функционирования СП, что имеет место на больших станциях и узлах при интенсивном движении поездов, задача автоматики заключается в обеспечении постоянной готовности СП, реагирующей на наличие загрязнителя на СП, температуру воздуха и скорость ветра (текущее содержание пути).

Очевидно, что СП, работающие в условиях разовой и многоразовой интенсивности целесообразно управлять по ручной схеме, в то время как СП постоянной загрузки должны управляться с помощью автоматического регулирования, обеспечивая экономию энергии.

Приложение №7 от 25.04.2000 г. №ЦП-751 к Инструкции по снего- борьбе [11] гласит: «Электрические стрелочные нагреватели с дистанционным и местным управлением предназначены для текущей очистки от снега и льда стрелок, оборудованных электрической централизацией».

Управление может быть местным и централизованным.

Местное управление предусматривает воздействие на одну или группу стрелок от одного шкафа управления (ШУЭС).

Централизованное — управление группой ШУЭС из одного центрального управляющего пункта (ЦУП), что возможно при расположении СП на площади с одинаковыми метеорологическими условиями.

Последнее обстоятельство позволяет иметь один блок датчиков, регистрирующих параметры окружающей среды (узловую метеостанцию) и воздействующих на систему управления стрелок.

В дальнейшем СП, на котором смонтированы управляющие датчики, назовем «СПУД».

Информация от СПУД передается на ШУЭС местного или дистанционного управления, причем на те, которые будут задействованы по графику движения поездов.

Для управления системой электрообогрева применены датчики: ДНС — датчик наличия снега, ДТР — датчик температуры рельса, ДИВ — датчик подвижности воздуха, ДТВ — датчик температуры воздуха, ДТРГ — датчик-терморегулятор.

Разработка системы автоматического регулирования (САР) является самостоятельным исследованием. Вариант САР, разработанный автором диссертации, приведен на рис. 4.8.

Принцип работы САР: с появлением снега на СП, регистрируемым датчиком ДНС, ЭО СП включается (ЭО «вкл.»).

В интервале -X °Свозд — О °С происходит разогрев элементов СП за время хр , после чего начинается таяние загрязнителя.

Предельная температура нагрева СП ( Ьр °С = + 5) поддерживается терморегулятором ДТРГ, реагирующим на изменения параметров окружающей среды X °Свозд и и м/с, фиксируемые соответственно датчиками ДТВ и ДПВ.

Рис. 4.8 Алгоритм системы управления ЭО СП.

Снижение °С < + 5 °С, сопровождающееся световым, звуковым и др. сигналами, свидетельствует о превышении границ применения ЭО СП. При этом, ЭО СП переходит в состояние ЭО «откл.» как не эффективное в данных условиях применения.

Причинами в этом случае могут быть:

• низкая температура воздуха,
• высокая подвижность воздуха,
• электромеханические повреждения.

Режим нагрева (Т °С = + 5 ) может быть изменен по данным наблюдений конкретного района эксплуатации ЭО СП. °С < [1 °С] см.

По прекращению снегоотложений на СП (ДНС) ЭО СП отключается (ЭО «откл»).

Схема расстановки ТЭН:

• на подошве рамного рельса по всей длине СП от корня до остряка с перекрытием по 0,5 м на каждую сторону;
• в положении «развод» работают оба ТЭНа (на остряке и рамном рельсе), в положении «свод» остряковый ТЭН автоматически отключается в целях экономии электроэнергии.

Выводы

1. Проведено исследование натурного электрообогреваемого стрелочного перевода (ЭО СП), конструкция которого была создана на основе осуществленных теоретических и экспериментальных разработок.
2. Получена зависимость времени прогрева ЭО СП от параметров окружающей среды, подтвердившая правильность экспериментальных исследований.
3. Сравнение времени прогрева известного варианта устройства электрообогрева СП с предлагаемым электрообогреваемым СП показало, что эффективность последнего более чем в 2 раза превышает ныне используемые.
4. Установлено, что техническая характеристика ЭО СП должна включать: тип, марка СП;
5. рабочее напряжение, В; установленная мощность ТЭН, кВт; коэффициент скорости прогрева СП а; пределы применения ЭО СП: температура среды -1; °С возд; подвижность воздуха и, м/с;
6. Разработаны рекомендации к созданию системы автоматического регулирования (САР) режимами ЭО СП. Предложен вариант САР к рациональному ЭО СП.
7. Высказано предложение о серийном производстве электрообогре- ваемых стрелочных переводов на базе научно обоснованных данных, исключающее самодеятельность, безответственность, неэффективность и неэкономичность в вопросах содержания стрелочных переводов в зимнее время.

Используемая Литература

11 .Инструкция по снегоборьбе на железных дорогах Российской Федерации. М.:Транспорт, 2000, 96с.

• Паундер Э. Физика льда М.: Мир, 1967.
• 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.