CC BY
19
оо оо I
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2019, Vol. 64, No. 4
УДК 624.144.53 DOI: 10.26731/1813-9108.2019.4(64)119-124
Е. А. Колисниченко
Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, Российская Федерация Дата поступления: 25 мая 2019 г.
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ В ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТРЕЛОЧНОГО ПЕРЕВОДА ОТ СНЕГА И ЛЬДА
Аннотация. При строительстве и текущем содержании пути необходимо учитывать все факторы, влияющие на техническое состояние, надежность и долговечность его элементов, а также на безопасность эксплуатации и минимизацию расходов. Основной гарантией бесперебойной и безопасной работы железных дорог в зимний период является своевременная очистка железнодорожного пути от снега. Однако, несмотря на комплексный подход в подготовке к зимнему периоду на сети железных дорог, как в Российской Федерации, так и во многих зарубежных странах, возникают задержки поездов. Одна из основных причин - скопление снега или льда в зоне между остряком и рамным рельсом стрелочного перевода. Несвоевременное удаление скопления снежной массы может привести к отказу стрелочного перевода при эксплуатации и, как следствие, нарушить безопасное и бесперебойное движение поездов по участку. Для снижения отказов по этой причине и обеспечения эксплуатационной надежности предлагается способ очистки стрелочных переводов с применением инфракрасного излучателя. Исходя из этого, в статье рассматривается теоретическое и практическое обоснование выбора наиболее энергоэффективного режима работы излучателя в технологии очистки стрелочных переводов от снега и льда, что, в свою очередь, позволит сократить расходы на текущее содержание, а также повысить работоспособность стрелочных переводов при их эксплуатации в зимний период.
Ключевые слова: стрелочный перевод; остряковые рельсы; очистка стрелки; энергоэффективность; инфракрасное излучение.
Е. А. Kolisnichenko
Irkutsk State Transport University, Irkutsk, the Russian Federation Received: May 25, 2019
THE ENERGY-EFFICIENT OPERATING MODE OF THE INFRARED EMITTER IN THE TECHNOLOGY OF CLEANING THE SWITCH FROM SNOW AND ICE
Abstract. During the construction and current track maintenance it is necessary to take into account all factors affecting the technical condition, reliability and durability of its elements, as well as safe operation and reducing expenditures. The main guarantee of uninterrupted and safe operation of Railways in winter is the timely cleaning of the railway track from snow. However, despite the integrated attitude in preparation for the winter period on the railway network, as in the Russian Federation and in many foreign countries. One of the main reasons is the accumulation of snow or ice in the area between the contact tongue and stock rail of the switch. Untimely removal of snow mass can lead to a switch failure during operation and, as a consequence, disrupt the safe and uninterrupted traffic of trains on the site. To reduce failures for this reason and ensure operational reliability proposed method of cleaning switches with the using an infrared emitter. Based on this, the article discusses the theoretical and practical rationale for choosing the most energy-efficient operating mode the infrared emitter in the technology of cleaning switch from snow and ice, which in turn will reduce the cost of current maintenance, as well as improve the efficiency of switches during their operation in the winter.
Keywords: switch; tongues points; cleaning switches; energy efficiency; infrared radiation.
Введение
Одним из главных направлений развития железнодорожного транспорта является повышение скоростей движения поездов. Создание высокоскоростного железнодорожного сообщения имеет большое значение для страны. Это динамический рост экономики с повышением развития отраслей промышленности, малого и среднего бизнеса, экономического подъема городов и регионов, что, в свою очередь, будет способствовать повышению качества жизни населения, обеспечи-
вая для пассажиров оптимальное соотношение скорости и безопасности, комфорта и стоимости проезда. Кроме того, высокоскоростное движение железнодорожного транспорта эффективнее автомобильного и авиатранспорта с точки зрения защиты окружающей среды от вредных воздействий и выбросов.
Однако негативное влияние на повышение скоростей движения подвижного состава оказывают множество факторов, одним из которых является эксплуатация железнодорожного пути в
© Е. А Колисниченко, 2019
119
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 4 (64) 2019
сложных климатических условиях. Надлежащее состояние инфраструктуры - необходимое условие для эффективной работы железных дорог обеспечивающих безопасное и бесперебойное движение поездов с установленными скоростями [1]. Наибольшие трудности испытывают работники дистанций пути при эксплуатации стрелочных переводов в зимний период [2-4]. На возникновение рисков в нарушении безопасности движения поездов оказывает скопление снежной массы между подвижными частями стрелочных переводов, что приводит к задержкам поездов и, как следствие, к сбою в графике движения [5].
Для очистки стрелочных переводов от снега и льда существует и предлагается множество инженерно-технических решений, однако основными способами очистки остаются пневмообдув и электрообогрев [6, 7]. Однако, как показывает практика, и эти способы энергозатратны и ненадежны [8, 9]. Поэтому данная тема на сегодняшний день весьма актуальна. Для решения рассматриваемой проблемы предлагается способ на основе инфракрасного (далее - ИК) излучения [10, 11].
Теоретическое обоснование
Поскольку основной задачей при очистке стрелочного перевода от снега и льда является полное растопление твердых атмосферных осадков, то необходимо проанализировать влияние ИК излучения на эти осадки. При этом необходимо учесть, что при очистке происходит нагрев элементов стрелки.
Снег непрозрачен для лучей длинных волн, а короткие лучи проходят сквозь тонкий поверхностный слой снега [12]. Коротковолновые лучи, проходящие сквозь тонкий поверхностный слой снега, вызывают его объемный нагрев. В этом случае возникает температурный профиль с положительным градиентом, который способствует притоку тепла на облучаемую поверхность и, тем самым, испарению на ней. Из этого модельного представления вытекает механизм сублимации: испарение имеет место на фронтальной части, а конденсация - на «тыльной» его стороне [13]. При этом под воздействием ИК излучателя альбедо снежного покрова достигает нулевого значения быстрее при длинноволновом излучении, поскольку энергия преобразуется в тепловую на поверхности снега, то и поглощается верхними слоями.
Снег является пористым телом, обладающим рассеивающей способностью, а металлические части стрелочного перевода характеризуются селективными оптическими свойствами [14, 15]. По закону Стефана - Больцмана энергетическая светимость ИК излучателя равна
М = е-о-т4,
где ег - коэффициент излучения ИК излучателя; о - постоянная Стефана - Больцмана; Т - абсолютная температура нагрева излучателя, К.
В технических расчетах данный закон удобнее применять в иной форме:
М = с -
т 100
где с - коэффициент излучения снега и льда, учитывающий состояние поверхности.
Стоит отметить, что интенсивность ИК излучения при прохождении через слои снежной массы убывает по экспоненциальному закону (закон Бугера) и определяется как
М (') = М - е ~кл', где М0 - энергетическая светимость излучателя на входе в поглощающее вещество (на поверхности снежного покрова) толщиной I, Вт/мм2; к\ - коэффициент поглощения твердых атмосферных осадков, зависящий от длины волны X.
Поток теплового излучения, испускающийся каждой элементарной площадкой с поверхности ИК излучателя и облучающий элементарную площадку снежного покрова на элементах стрелки, определяется в соответствии с законами Ламберта и Стефана - Больцмана:
¿412 = е1 - с1 - • Д -0-Т 4 ,
где ^р12 - угловой коэффициент излучения; А1 -
элементарная площадка на поверхности ИК излучателя.
Тогда обратный поток теплового излучения от элемента стрелочного перевода к излучателю определится как
¿421 = е2 ' С2 ' ' А2 ' ' Т2 , где е2 - коэффициент излучения остряка или рамного рельса; Т2 - абсолютная температура нагрева элементов стрелочного перевода, К.
Учитывая прямой и обратный тепловой поток, находим результирующий поток теплового излучения между поверхностью ИК излучателя и элементами стрелочного перевода при его очистке от твердых атмосферных осадков:
2 = 412 - 421 = е1 • е2 • С • Рр12 • А1 -°-(Т14 - Т2 ) =
• С • ^р21 • А2 -Ст-(т14 - Т2 ).
По закону смещения Вина - Голицына известно, что температура нагрева ИК излучателя и длина волны, соответствующая максимуму спектра излучения при определенной температуре, находятся в зависимости:
4
е1 • е2
оо ее I
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2019, Vol. 64, No. 4
V Т = 2,897 -10 3 мм ■ К,
где Хт - максимальная длина волны ИК излучателя, мм.
Поскольку одним из условий применения данного способа является ресурсосбережение, то для сокращения потребления электрической энергии без потери качества удаления снега и льда с остряковых рельсов рассматривается прерывистый (осциллирующий) режим работы.
Осциллирующий режим при этом будет характеризуется периодом осцилляции тосц и частотой повторения включений /п = 1/Т:
Т Т
9 = _ос! = _к,
Тн /и
где тн - продолжительность работы при нагреве ИК излучателя, мин.
Т =Т -Т ,
н осц п '
где тп - продолжительность охлаждения элементов стрелки, мин.
Время цикла, затрачиваемое на очистку элементов стрелочного перевода от снега и льда, будет находиться как
т =Т ■ N ,
ц осц ик'
где - количество элементов ИК излучателей в системе.
Количество циклов определяется по формуле:
N,,
N„,
Т = Т
осц непр.
1 -
1 - е~
/Т '
щ/ 1 н
стрелки; Тнепр - установившееся при непрерывном режиме ИК излучения значение температуры; Тн -время нагрева.
Максимальная температура нагрева остряка и рамного рельса при непрерывном излучении:
Т2 = 4
S1 'S2 •С • Fl2 • A1
При этом максимальная температура нагрева при осциллирующем режиме запишется как
Т = 4 Т4 --
Q12
1 - e
г^г^c• F,, • A •а ^
12 Ф12 1 1 - e Тн
Зависимость температуры нагрева ИК излучателя от максимума длины волны представлена в виде
Т = 4
( 2,897 • 10
Qv.
1 - e
г, •г, • c• •а Чн
ф12
1 - еТ
где Ыосц - количество периодов осцилляции; тц -время работы ИК излучателя с момента включения до полной очистки подвижных элементов.
где Тосц - установившееся при осциллирующем режиме значение температуры нагрева элементов
Итоговое уравнение представляет собой математическую модель для определения температуры нагрева элементов стрелки стрелочного перевода при очистке от снега и льда с применением ИК излучателя с учетом спектрального состава теплового излучения и фазового состояния твердых атмосферных осадков. Ниже представлен прерывный режим работы излучателя в технологии очистки стрелочных переводов от снега и льда (рис. 1).
Практическое обоснование
Одним из параметров для оценки эффективности применения ИК излучателя при удалении снега и льда с остряковых рельсов является продолжительность очистки, на которую влияет мощность, устанавливаемая на излучателе, что, в свою очередь, сказывается на энергопотреблении и, как следствие, отображает энергоэффективность предлагаемого решения.
Рис. 1. График осциллирующего режима работы ИК излучателя в технологии очистки стрелочного
перевода от твердых атмосферных осадков
4
я
т
ц
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 4 (64) 2019
Время, мин
Рис. 2. Кривая нагрева и охлаждения излучательной панели мощностью 1,2 кВт
0,03 Время, мин
Рис. 3. Кривая нагрева и охлаждения излучательной панели мощностью 0,7 кВт
Так, опытным путем было установлено, что в лучателя, которая составляет 1,2 кВт [7, 8] с после-
период температурных значений от -40 до -15 °С дующим понижением мощности до необходимой
для очистки стрелочных переводов от снега и льда температуры или отключением излучателя. На ос-
необходимо выбрать максимальную мощность из- нове этого закладывается осциллирующий режим
оо ее I
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2019, Vol. 64, No. 4
работы, применение которого позволяет существенно сократить затраты на текущее содержание и снизить потребление электроэнергии.
Далее приведены кривые нагрева и охлаждения излучателя с минимальной и максимальной мощностью в технологии очистки стрелочных переводов в зимний период, на основании которых представлены условия выбора мощности в зависимости от температурных значений окружающей среды (рис. 2, 3).
Рекомендуемые температуры нагрева рельса
Условия работы Температура нагрева остряковых рельсов, °С
Температура окружающей среды от -5 до -15 °С; све-жевыпавший снег или период выпадения осадков 8-13
Температура окружающей среды от -15 до -25 °С; скопление снежной массы высотой до 10 см от подошвы рамного рельса или наледь 13-18
Температура окружающей среды от -25 до -35 °С, скопление снежной массы высотой до 15 см от подошвы рамного рельса 18-25
При этом вид и количество атмосферных осадков учтено следующим образом: 1 - свежевы-
павший снег или период выпадения осадков; 2 -скопление снежной массы высотой до 10 см от подошвы рамного рельса или наледь; 3 - скопление снежной массы высотой до 15 см от подошвы рамного рельса.
С учетом данных (см. рис. 2, 3) стоит отметить рекомендуемую температуру нагрева остряковых рельсов при работе инфракрасных излучателей различной мощности (табл.) и определить для осциллирующего режима продолжительность паузы, которая позволяет оптимизировать расходы на электроэнергию, при сохранении качества работы.
Продолжительность периода паузы зависит от количества атмосферных осадков. Так, экспериментально было получено, что при температуре окружающей среды -22 °С в период выпадения твердых атмосферных осадков продолжительность паузы составила 2 мин.
На основании теоретических и полученных практическим путем результатов можно сделать вывод о том, что при применении ИК излучателей в технологии очистки стрелочных переводов от снега и льда должен осуществляться осциллирующий режим работы. При этом условии будет обеспечено качественное удаление осадков с минимальными затратами на время и энергопотребление, что не может не сказаться на энергоэффективности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Глюзберг Б.Э. Высокоскоростное движение и проблемы рельсового хозяйства // Вестн. науч.-исслед. ин-та ж.-д. трансп. 2010. № 4. С. 3-7.
2. Markku Nummelin. Keeping rail moving in Finland during winter. // By Global Railway Review 19 December 2014. URL: https://www.globalrailwayreview.com/article/74616/keeping-rail-moving-finland-winter/ (дата обращения 03.03.2019)
3. Организация снегоборьбы на железных дорогах, в филиалах и структурных подразделениях ОАО «РЖД». Подготовка и работа в зимний период: учеб. пособие/ В.Е. Чекулаев и др. М. : Автограф, 2014. 228С.
4. Winter Operations supplement. By Global Railway Review 9 December 2015.URL: https://www.globalrailwayreview.com/article/25725/winter-operations-supplement/ (дата обращения: 03.03.2019).
5. Веревкина О.И. Результаты применения гибридного метода оценки функциональных рисков нарушения безопасности движения на региональном и линейном уровнях в хозяйстве пути // Надежность и качество сложных систем. 2019. Т 1 (25). С. 106-117.
6. Kolisnichenko E.A., Khodirev Yu.A. Technologies to Ensure the Safety of Trains to Snowfalls Innovation and Sustainability of Mod-ern Railway //The Fifth International Symposium on Innovation and Sustain-ability of Modern Railway (ISMR'2016), Nanchang, China, 2016. 276-279 р.
7. Инструкция по подготовке к работе в зимний период и организации снегоборьбы на железных дорогах, в других филиалах и структурных подразделениях ОАО «РЖД», а также его дочерних и зависимых обществах : утв. ОАО «РЖД» от 22.10.2013г. №2243р.
8. Глюзберг Б.Э., Королев В.В. Удаление снега на стрелочных переводах // Путь и путевое хозяйство. 2014. № 3 С. 26-30.
9. Глюзберг Б.Э., Королев В.В. Применение различных систем удаления снега на стрелочных переводах // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевом хозяйстве. 2013. Т.6. № 6(6). С. 80-93.
10. Колисниченко Е.А. Перспективы использования инфракрасного излучения для очистки стрелочного перевода от твердых атмосферных осадков // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. 2015. Т.1. С. 519-523.
11. Колисниченко Е.А. Инновационный способ очистки стрелочного перевода в зимний период // Вестн. трансп. Поволжья. 2015. № 5. (53). С. 61-65.
12. Красс М.С., Мерзликин В.Г. Радиационная теплофизика снега и льда. Л. : Гидрометеоиздат, 1990. 264 с.
13. Экспериментальное исследование влияние солнечной радиации на интенсивность снеготаяния / И.И. Грицук, и др. // Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. Сер.: Инженерные исследования. 2015. № 1. С. 83-90.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 4 (64) 2019
14. Баскаков А. П. Теплотехника. М. : Энергоатомиздат, 1991. 224 с.
15. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория переноса энергии и вещества. Минск : Изд. АН БССР, 1959. 330 с.
REFERENCES
1. Glyuzberg B.E. Vysokoskorostnoe dvizhenie i problemy rel'sovogo khozyaistva [High-speed movement and problems of rail facilities]. Vestnik nauchno-issledovatel'skogo instituta zheleznodorozhnogo transporta [The Bulletin of the Research Institute of Railway Transport], 2010. No. 4, pp. 3-7.
2. Markku Nummelin. Keeping rail moving in Finland during winter. By Global Railway Review 19 December 2014. URL: https://www.globalrailwayreview.com/article/74616/keeping-rail-moving-finland-winter/ (accessed: Mar 03, 2019)
3. Chekulaev V.E., Abdurashitov A.Yu., Simonenko A. M., Klemen'teva N.G. et al. Organizatsiya snegobor'by na zheleznykh dorogakh, v filialakh i strukturnykh podrazdeleniyakh OAO «RZhD». Podgotovka i rabota v zimnii period: ucheb. posobie [Organization of snowfights on railways, in branches and structural divisions of OAO Russian Railways. Preparation and work in the winter: a textbook]. Moscow: OOO Avtograf Publ., 2014. 228 p.
4. Winter Operations supplement. By Global Railway Review 9 December 2015.URL: https://www.globalrailwayreview.com/article/25725/winter-operations-supplement/ (Accessed: Mar 03, 2019).
5. Verevkina O.I. Rezul'taty primeneniya gibridnogo metoda otsenki funktsional'nykh riskov narusheniya bezopasnosti dvizheniya na regional'nom i lineinom urovnyakh v khozyaistve puti [The results of applying the hybrid method for assessing the functional risks of traffic safety violations at the regional and linear levels in the track economy]. Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh system [Reliability and quality of complex systems], 2019. Vol. 1 (25), pp. 106-117.
6. Kolisnichenko E.A., Khodirev Yu.A. Technologies to Ensure the Safety of Trains to Snowfalls Innovation and Sustainability of Modern Railway. The Fifth International Symposium on Innovation and Sustain-ability of Modern Railway (ISMR'2016), Nanchang, China, October 20-21, 2016. - 276-279 r.
7. Instruktsiya po podgotovke k rabote v zimnii period i organizatsii snegobor'by na zheleznykh dorogakh, v drugikh filialakh i strukturnykh podrazdeleniyakh OAO «RZhD», a takzhe ego dochernikh i zavisimykh obshchestvakh (utverzhdena OAO «RZhD» ot 22.10.2013g. No.2243r) [Instructions for preparing for work in the winter and organizing snowfights on railways, in other branches and structural divisions of Russian Railways, as well as its subsidiaries and affiliates (approved by Russian Railways on 22.10.2013 No. 2243r)].
8. Glyuzberg B.E., Korolev V.V. Udalenie snega na strelochnykh perevodakh [Snow removal at turnout switches]. Put' i putevoe khozyaistvo [Track and track facilities], 2014. No. 3, pp. 26-30.
9. Glyuzberg B.E., Korolev V.V. Primenenie razlichnykh sistem udaleniya snega na strelochnykh perevodakh [The use of various snow removal systems at switch turnouts]. Vnedrenie sovremennykh konstruktsii i peredovykh tekhnologii v putevom khozyaistve [Introduction of modern designs and advanced technologies in track facilities], 2013, Vol.6. No. 6(6), pp. 80-93.
10. Kolisnichenko E.A. Perspektivy ispol'zovaniya infrakrasnogo izlucheniya dlya ochistki strelochnogo perevoda ot tverdykh at-mosfernykh osadkov [Prospects for the use of infrared radiation to clean switch turnouts of solid precipitation]. Transportnaya infrastruktura Sibirskogo regiona [The transport infrastructure of the Siberian region], 2015. Vol.1, pp. 519-523.
11. Kolisnichenko E.A. Innovatsionnyi sposob ochistki strelochnogo perevoda v zimnii period [An innovative way to clean the switch turnout in the winter]. Vestnik transporta Povolzh'ya, 2015. No.5 (53), pp. 61-65.
12. Krass M.S., Merzlikin V.G. Radiatsionnaya teplofizika snega i l'da [Radiation Thermophysics of Snow and Ice]. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ., 1990. 264 p. ISBN 5-286-00243-9.
13. Gritsuk I.I., Debol'skii V.K, Maslikova O.Ya, Ponamorev N.K., Sinichenko E.K. Eksperimental'noe issledovanie vliyanie solnechnoi radiatsii na intensivnost' snegotayaniya [An experimental study of the effect of solar radiation on snow melting intensity]. Vestnik Rossiiskogo universiteta druzhby narodov seriya : Inzhenernye issledovaniya [The Bulletin of the Peoples' Friendship University of Russia series: Engineering Research], 2015. No.1, pp. 83-90.
14. Baskakov A. P. Teplotekhnika [Heat engineering]. Moscow: Energoatomizdat Publ., 1991. 224 p.
15. Lykov A.V., Mikhailov Yu.A. Teoriya perenosa energii i veshchestva [The theory of energy and matter transfer]. Minsk: AN BSSR Publ., 1959. 330 p.
Информация об авторах
Колисниченко Елена Александровна - старший преподаватель кафедры пути и путевого хозяйства, Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, e-mail: kea_irk@mail.ru
Для цитирования
Колисниченко Е. А. Энергоэффективный режим работы инфракрасного излучателя в технологии очистки стрелочного перевода от снега и льда // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2019. - Т. 64, № 4. - С. 119124. - DOI: 10.26731/1813-9108.2019.4(64). 119-124
Authors
Elena Aleksandrovna Kolisnichenko - Asst. Prof. of the Subdepartment of Track and Track Facilities, Irkutsk State Transport University, Irkutsk, e-mail: kea_irk@mail.ru
For citation
Kolisnichenko E.A. Energoeffektivnyy rezhim raboty infrakras-nogo izluchatelya v tekhnologii ochistki strelochnogo perevoda [The energy-efficient operating mode of the infrared emitter in the technology of cleaning the switch from snow and ice]. Sovremen-nye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling], 2019. Vol. 64, No. 4. Pp. 119-124. DOI: 10.26731/1813-9108.2019.4(64). 119-124
