CC BY
36
УДК 656.2
К вопросу об обледенении железнодорожного подвижного состава в условиях эксплуатации северного широтного хода
Е. Я. Полякова 1, Б. О. Поляков 1, С. И. Дубинский 2
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
2 АО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта», Российская Федерация, 129626, Москва, ул. 3-я Мытищинская, 10
Для цитирования: Полякова Е. Я., Поляков Б. О., Дубинский С. И. К вопросу об обледенении железнодорожного подвижного состава в условиях эксплуатации северного широтного хода // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2021. - Т. 18.- Вып. 1. - С. 72-79. Б01: 10.20295/1815-588Х-2021-1-72-79
Аннотация
Цель: Изучение механизма образования отложений уплотненных снеговых масс на поверхностях подвагонного пространства и ходовой части подвижного состава, исследование формирования микроклиматических условий в нишах ходовых устройств при взаимодействии воздушных масс набегающего потока с конвективными потоками, возникающими при работе тормозного оборудования. Методы: Проводятся разработка твердотельных моделей в программном комплексе SolidWorks, реализация cfd-анализа методом конечных объемов в модуле FlowSimulation на базе численного решения системы уравнений Навье-Стокса. Результаты: Благодаря численному моделированию, установлено наличие центробежно-поперечной зоны текучей среды за поверхностью обода колеса, вследствие которой происходит вынос капель в радиальном направлении, налипающих на металлические части подвагонного пространства, создавая белый тип ледяных образований, способных увеличиваться в размерах из-за процесса торможения. Для перенаправления потока, содержащего снеговые включения, предложено устройство дефлектора. Получены эпюры температурных полей в плоскости тормозных дисков тележки при использовании дефлектора и без него, проведен сравнительный анализ, сделан вывод о необходимости применения устройства. Практическая значимость: Численное моделирование позволило наглядно продемонстрировать основные зоны формирования ледяного нароста на ходовых частях движущегося подвижного состава и выявить вариант контроля габаритов этих областей с помощью предложенного устройства механического дефлектора.
Ключевые слова: Подвагонное пространство, структура возмущенной среды воздушных масс, обледенение, численный эксперимент, микроклиматические условия, аэродинамика, CFD-анализ.
Введение
Эксплуатация подвижного состава в климатических условиях Заполярья сопряжена с определенными природными рисками, включающими экстремально низкие температуры в сочетании с последствиями снегопадов [1]. В таких условиях эксплуатации рельсового транспорта важнейшей
задачей становится борьба с явлениями снежного заноса полостей и карманов конструкции устройств подвагонного пространства, обледенения ходовой части (рис. 1).
Степень обледенения характеризуется интенсивностью отложения льда или скоростью нарастания льда на поверхности тела: слабое - меньше 0,5 мм/мин, умеренное - 0,5-1 мм/мин, сильное -
превышающая 1 мм/мин [2, 3]. В зависимости от атмосферных условий (температуры, влажности воздуха, размера капель) на омываемой поверхности объекта формируются различные типы ледообразований: прозрачный, белый и их комбинация - матовый.
Наибольшую опасность представляет прозрачный лёд, возникающий при температуре от 0 до -10 °С в среде, содержащей крупные капли воды. Подобный лед весьма прочен и может серьезно ограничивать взаимное перемещение элементов механизмов вплоть до полной блокировки движения [2-4].
Целями исследования являются выявление природы образования снеговых и ледяных отложений на поверхностях элементов ходовых частей при движении грузового и высокоскоростного подвижного состава в сложных климатических условиях высокоширотного хода Заполярья, а также способы компенсации подобных явлений, задачей - изучение механизма формирования структуры возмущенной среды воздушных масс в подвагонном пространстве подвижного состава, определение факторов, оказывающих влияние на кинетику и термодинамику витающих снеговых включений.
Разработка численной модели
Анализ аэродинамических процессов, формирующих структуру снежных наносов на поверхностях высокоскоростного подвижного состава, выполнен в среде SolidWoгks FlowSimula-йоп метом моделирования КАШ [5].
Процесс обтекания воздушными массами конструктивных элементов подвагонного пространства подвижного состава сопровождается их активным вихреобразованием по причине наличия многочисленных острых кромок выступающих частей, полостей карманов, образующих конфузор - диффузорные участки течения воздушного потока (рис. 2). В непосредственной близости от обтекаемой поверхности конструкции частица (капля воды) подвергается действию сочетания силовых факторов: силы инерции, удерживающей частицу на прямолинейной траектории, и аэродинамической подъемной силы сопротивления воздушной среды, удерживающей частицу в потоке газа. Интенсивность обледенения поверхности конструкций зависит от величины соотношения данных сил, скорости перемещения частиц в потоке, формы и температуры омываемой поверхности.
Адгезия осажденных частиц на поверхности происходит под действием сил тяжести при условии либо ламинарного движения потока, либо сил в условиях вихревого движения потока.
В условиях ламинарного движения витание частицы происходит при условии равенства подъемной аэродинамической силы воздушного потока и силы тяжести, действующей на частицу неправильной формы [6, 7]:
с0кфРгу0С2 / 8 = Рм/ 6,
где с0 - коэффициент аэродинамического сопротивления шаровидной частицы; рг - объемный вес газа, кг/м3; С - приведенный размер частицы, м; - скорость обтекания частицы газом, м/с; кф - коэффициент формы для продолговатых тел; рм - объемный вес материала частицы, кг/м3.
Таким образом, для движения объекта со скоростью 25 м/с при температуре в диапазоне от -50 до -200 °С ожидаемый диаметр осаждаемых на поверхность частиц ориентировочно составляет для ламинарного движения потока воздушных масс - снеговые включения 3-15 мм, для турбулентного - водяные капли 1-3 мм.
Основное условие формирования комбинированных отложений уплотненного снега на поверхностях металлических частей - это отсутствие разности температур между металлоконструкцией и окружающим воздухом. Интенсив-
ность процесса повышается при температуре около 0,5-0,7 °С, достаточной относительной влажности и скорости ветра более 5 м/с [8].
Схожие условия образуются при взаимодействии холодного фронта набегающего потока воздушных масс, содержащего снежные включения, с периодически возникающим местным теплофронтовым образованием, источником которого является значительная тепловая энергия, выделяющаяся в процессе трения тормозных колодок о поверхность катания обода колеса или тормозного диска. Из-за нагрева сопряженных элементов тележки ледяные образования на поверхности металлоконструкций оплавляются и, остывая, формируют новые слои прочного прозрачного льда. Конвективный перенос тепла воздушными массами преобразует снежные включения набегающего холодного потока в мелкодисперсную взвесь мелких капель (ледяной дождь), которая налипает и вмерзает в замерзающую водяную пленку на поверхности металлоконструкции.
Ввиду смешивания набегающего потока холодных воздушных масс, содержащих снеговые включения, с разогретыми воздушными массами, исходящими от устройств тормозного оборудования (рис. 3), наблюдается формирование специфических микроклиматических условий высокой влажности при положительных значениях температуры текучей среды (до 30 °С). В этой области происходят интенсивное плавление снеговых включений и превращение их
Рис. 3. Формирование микроклиматических условий
в мелкодисперсные капельные образования. За пределами зоны нагрева частицы также интенсивно остывают, превращаясь в переохлажденные капельные образования.
В результате воздействия сил сформировавшегося вихря происходит вынос капель в диаметральном направлении. При взаимодействии с металлическими элементами конструкции капли растекаются и быстро замерзают, взвесь мелких снеговых включений налипает на замерзающую водяную пленку, создавая белый тип ледяных образований [8]. Данный процесс, циклически повторяясь, способствует эволюции ледяных образований до критических размеров.
Когда работа тормозного оборудования завершается, наступает резкое охлаждение металлических конструкций, что превращает пористую послойную структуру налипшей снеговой массы в прочный прозрачный лёд с высокими адгезионными свойствами [2, 3, 10].
В настоящее время для эксплуатации высокоскоростных составов в жестких климатических условиях применяется антиобледенительная обработка, успешно зарекомендовавшая себя на воздушном транспорте [11]. Антиобледенитель-ные жидкости изготавливаются на базе пропи-ленгликоля, представляющего собой раствор
гликоля в воде с загустителями и присадками поверхностно активных веществ (ПАВ).
Результаты исследования практики применения антиобледенительных жидкостей [12] показывают опасную тенденцию химического воздействия на экологическую обстановку в районах их использования. Для хрупкой экосистемы Севера применение таких средств может оказаться фатальным.
Разработка способов защиты
Решение проблемы простое - закрыть подвагонное пространство [13].
Но так как полное перекрытие ходовой части невозможно (во избежание неправильного функционирования тормозной системы, отсутствия визуального осмотра сотрудниками технических станций и т. д.), предлагается частичное перекрытие ходовых частей, заключающееся в исключении или перенаправлении смешивания фронта конвективного разогрева воздушных масс с холодным фронтом набегающего потока воздуха, содержащего снеговые включения. Для решения вопроса можно использовать устройство дефлекторов (рис. 4), механически
Рис. 4. Конструктивное исполнение дефлектора кольцевой формы для высокоскоростного подвижного состава
корректирующих траектории движения воздушных масс в подвагонном пространстве.
Дефлектор кольцевой формы, установленный на тележку грузового вагона, эффективно отклоняет поток воздушных масс подвагонного пространства, направляя его в обход габаритов узла, тем самым исключая взаимодействие температурных фронтов (рис. 5) и занос снеговых масс.
Результаты исследований движения воздушных масс в нишах ходовых частей, оборудованных дефлектором (рис. 6), показывают положительную динамику снижения интенсивности обледенения, поскольку устранено поступление во внутреннее пространство дефлектора холодных масс воздуха, насыщенных снеговыми и мелкодисперсными водяными включениями.
Рис. 5. Эпюра скорости воздушных потоков в районе ходовой части грузового вагона,
защищенной дефлектором
Рис. 6. Эпюра температурных полей в плоскости тормозного диска тележки, не оборудованной дефлектором (а) и оборудованной им (б)
Область конвективного разогрева воздушных масс находится в непосредственной близости от пар трения устройства торможения, компактна и не подвержена сносу в направлении металлоконструкции тележки под воздействием набегающего холодного потока.
Прогрев металлоконструкций тележки вследствие работы тормозного оборудования с установленным дефлектором и без него существенного различия не имеет, однако разница состоит в условиях охлаждения после прекращения процесса торможения: низкоинерционные (в термическом плане) металлические элементы под воздействием холодного фронта набегающего потока охлаждаются интенсивнее, чем во внутреннем пространстве дефлектора. При отсутствии дефлектора создаются условия для обледенения, когда переохлажденные мелкодисперсные капельные образования сталкиваются с поверхностью конструкции, имеющей отрицательную температуру.
Заключение
Таким образом, построенная пространственная аэродинамическая модель структуры движущихся воздушных масс в подвагонном пространстве грузовых и высокоскоростных составов позволяет установить особенности формирования снеговых и ледяных отложений на критически значимых для безопасности движения элементах конструкции ходовой части, принять меры по контролю за эволюцией их развития.
Статья подготовлена в рамках программы приграничного сотрудничества Kolarctic CBC Programme 2014-2020 (проект K02011: инфраструктура арктических железных дорог в регионе Kolarctic).
Библиографический список
1. Киселев И. П. Высокоскоростной железнодорожный транспорт. Общий курс : учеб. пособие / И. П. Киселев, Л. С. Блажко, А. Т. Бурков и др. ; под ред. И. П. Ки-
селева. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2018. - 428 с.
2. Вейнберг Б. П. Снег, иней, град, лед и ледники / Б. П. Вейнберг. - Одесса : Изд-во М. Шпенцерна, 1909.- 127 с.
3. Вейнберг Б. П. Снег, иней, град, лед и ледники. - 2-е изд., отр. и доб. / Б. П. Вейнберг. - Л. : ОНТИ, 1936.- 232 с.
4. Кравец В. В. Аэродинамика частично перекрытого межвагонного пространства скоростного поезда / В. В. Кравец, Е. В. Кравец // Наука и прогресс транспорта. Вестн. Днепропетровск. ун-та ж.-д. транспорта. - 2005. - Вып. 8. - С. 61-69.
5. Алямовский А. А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи / А. А. Алямовский. -СПб. : БХВ-Петербург, 2012. - 448 с.
6. Гусев Ю. И. Конструирование и расчет машин химических производств : учебник для машиностроительных вузов по специальности «Химическое машиностроение и аппаратостроение» / Ю. И. Гусев, И. Н. Карасев, Э. Э. Кольман-Иванов и др. - М. : Машиностроение, 1985. - 408 с.
7. Алексеенко С. В. Численное моделирование обледенения цилиндра и профиля. Обзор моделей и результаты расчетов / С. В. Алексеенко, А. А. При-ходько // Учен. зап. ЦАГИ. - 2013. - Т. XLIV. - № 6.-С. 25-27.
8. Messinger B. L. Equilibrium temperature on an unheated icing surface as a function of airspeed // Journal of Aeronautical Sciences. - 1953. - Vol. 20.- N 1.-P. 29-42.
9. Зыонг Де Тай. Обтекание планера гражданского самолета в условиях начальной стадии обледенения : автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук, специальность : 01.02.05 / Зыонг Де Тай. - Жуковский : Центр. аэро-гидродинам. ин-т им. проф. Н. Е. Жуковского, 2018. -27 с.
10. Борьба со снегом и гололёдом на транспорте: материалы II Междунар. симпозиума. - М. : Транспорт, 1986. - 216 с.
11. Солтанов С. Х. Экологические последствия применения противообледенительных жидкостей «octaflo eg» и «maxflight 04» при обработке воздушных судов гражданской авиации в осенне-зимний период / С. Х. Солтанов // Междунар. науч.-исслед. журн. - 2016. - Вып. 6. - С. 1-4.
12. ГОСТ Р 54264-2010. Воздушный транспорт. Система технического обслуживания и ремонта авиационной техники. Методы и процедуры противооб-леденительной обработки самолетов. Общие требования. - М. : Стандартинформ, 2010.
13. Чурков Н. А. Аэродинамика железнодорожного поезда / Н. А. Чурков. - М. : Желдориздат, 2007. -332 с.
Дата поступления: 08.02.2021 Решение о публикации: 18.02.2021
Контактная информация:
ПОЛЯКОВА Екатерина Яновна - аспирант; iglkotik@gmail.com
ПОЛЯКОВ Борис Олегович - аспирант; poliakov.bo@gmail.com
ДУБИНСКИЙ Сергей Иванович - техн. эксперт, канд. техн. наук; Dubinsky.sergey@vniizht.ru
On icing of railway rolling stock under operating conditions of Northern Latitudinal Railway
E. Ya. Polyakova1, B. O. Polyakov1, S. I. Dubinskiy 2
1 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
2 AO "Research Institute Railway Transport", 10, 3-ya Mutizhenskaya ul., Moscow, 129626, Russian Federation
For citation: Polyakova E. Ya., Polyakov B. O., Dubinskiy S. I. On icing of railway rolling stock under operating conditions of Northern Latitudinal Railway. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2021, vol. 18, iss. 1, pp. 72-79. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2021-1-72-79
Summary
Objective: Study of the mechanism of forming compacted snow masses deposits on the surfaces of the undercar space and undercarriage of the rolling stock, study of forming microclimatic conditions in the niches of the undercarriage due to the interaction of air masses of the incoming flow with convective flows formed during the operation of the brake equipment. Methods: Solid models in the SolidWorks software package are developed, CFD analysis is implemented by the finite volume method in the FlowSimulation module based on the numerical solution of the Navier-Stokes equations. Results: By means of numerical modeling, the presence of a centrifugal-transverse zone of the fluid behind the surface of the wheel rim was established, as a result of which drops are carried out in the radial direction, adhering to the metal parts of the undercar space, creating a white type of ice formations that can increase in size due to the braking process. To redirect the flow containing snow inclusions, a deflector device is proposed. Diagrams of temperature fields in the plane of the bogie brake discs were obtained with and without a deflector, a comparative analysis was carried out, and a conclusion was made about the necessity of using the device. Practical importance: The performed numerical modeling made it possible to visually demonstrate the main zones of the ice build-up formation on the undercarriage of a moving rolling stock and to identify a variant of controlling the dimensions of these areas using the proposed device of a mechanical deflector.
Keywords: Undercarriage space, structure of the disturbed medium of air masses, icing, numerical experiment, microclimatic conditions, aerodynamics, CFD analysis.
References
1. Kiselev I. P., Blazhko L. S., Burkov A. T. et al.
Vysokoskorostnoy zheleznodorozhnyy transport. Ucheb-noye posobiye [High-speed railway transport. Textbook]. Moscow, Training Center for Education on the Railway Transport Publ., 2018, 428 p. (In Russian)
2. Veynberg B. P. Sneg, iney, grad, ledi ledniki [Snow, frost, hail, ice and glaciers]. Odessa, M. Spencern Publishing House, 1909, 127 p. (In Russian)
3. Veynberg B. P. Sneg, iney, grad, ledi ledniki [Snow, frost, hail, ice and glaciers]. 2nd revised and expanded ed. Leningrad, Joint Scientific and Technological Institute Publ., 1936, 232 p. (In Russian)
4. Kravets V. V. & Kravets E. V. Aerodinamika chas-tichno perekrytogo mezhvagonnogo prostranstva skorost-nogo poyezda [Aerodynamics of partially covered intercar space of a high-speed train]. Nauka iprogress transporta. Vestnik Dnepropetrovskogo universiteta zheleznodorozh-nogo transporta [Science and progress of transport. Bulletin of Dnepropetrovsk University of Railway transport], 2005, iss. 8, pp. 61-69. (In Russian)
5. Alyamovsky A. A. SolidWorks Simulation. Kak reshat' prakticheskiye zadachi [SolidWorks Simulation. How to solve practical problems]. Saint Petersburg, BHV-Petersburg Publ., 2012, 448 p. (In Russian)
6. Gusev Yu. I., Karasev I. N., Kol'man-Ivanov E. E. et al. Konstruirovaniye i raschet mashin khimicheskikh proizvodstv. Uchebnik dlya mashinostroitel'nykh vuzov po spetsial'nosti "Khimicheskoye mashinostroyeniye i apparatostroyeniye" [Design and calculation of machines for chemical production. Textbook for mechanical engineering universities, speciality "Chemical engineering and apparatus engineering"]. Moscow, Mechanical Engineering Publ., 1985, 408 p. (In Russian)
7. Alekseenko S. V. & Prikhodko A. A. Chislennoye modelirovaniye obledeneniya tsidindra i profilya. Obzor modeley i rezul'taty raschetov [Numerical simulation of cylinder and profile icing. Review of models and results of calculations]. Uchenyyezapiski TSAGI[CentralAero-hydrodynamic Institute scientific notes], 2013, vol. XLIV. no. 6, pp. 25-27. (In Russian)
8. Messinger B. L. Equilibrium temperature on an un-heated icing surface as a function of airspeed. Journal of Aeronautical Sciences, 1953, vol. 20, no. 1, pp. 29-42.
9. Zyong De Tay. Obtekaniye planera grazhdanskogo samoleta v usloviyakh nachal'noy stadii obledeneniya. Avtoreferat dis. ... kand. fiz.-mat. nauk, spetsial'nost: 01.02.05 [Flow of the airframe of a civil aircraft in the conditions of the initial stage of icing. Abstract of PhD thesis, speciality: 01.02.05]. Zhukovskiy, Prof. N. E. Zhukovskiy Central Aerohydrodynamical Institute Publ., 2018, 27 p. (In Russian)
10. Bor'ba so snegom i gololodom na transporte. Materialy II Mezhdunarodnogo simpoziuma [Fighting snow and ice in transport. Materials of the II International symposium]. Moscow, Transport Publ., 1986, 216 p. (In Russian)
11. Soltanov S. Kh. Ekologicheskiye posledstviya primeneniya protivoobledenitel'nykh zhidkostey "octa-flo eg" i "maxflight 04" pri obrabotke vozdushnykh su-dov grazhdanskoy aviatsii v osenne-zimniy period [Environmental consequences of the use of anti-icing liquids "octaflo eg" and "maxflight 04" in the treatment of civil aviation aircraft in the autumn-winter period]. Mezh-dunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal [International Research Journal], 2016, iss. 6, pp. 1-4. (In Russian)
12. GOST R 54264-2010. Vozdushnyy transport. Sistema tekhnicheskogo obsluzhivaniya i remonta aviat-sionnoy tekhniki. Metody i protsedury protivoobledeni-tel'noy obrabotki samoletov. Obshchiye trebovaniya [Air transport. Aircraft maintenance and repair system. Aircraft de-icing methods and procedures. General requirements]. Moscow, Standartinform Publ., 2010. (In Russian)
13. Churkov N.A. Aerodinamika zheleznodorozhnogo poyezda [Aerodynamics of a railway train]. Moscow, Zheldorizdat Publ., 2007, 332 p. (In Russian)
Received: February 08, 2021 Accepted: February 18, 2021
Authors' information:
Ekaterina Ya. POLYAKOVA - Postgraduate Student; iglkotik@gmail.com Boris O. POLYAKOV - Postgraduate Student; poliakov.bo@gmail.com
Sergey I. DUBINSKIY - Technical Expert, PhD of Engineering; Dubinsky.sergey@vniizht.ru
