Обоснование выбора модели изменения диэлектрических свойств несплошных систем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)

ЗАЛ1ЗНИЧНА КОЛ1Я

УДК 625.141:656.259

Л. В. ТРИКОЗ1*, I. В. БАГ1ЯНЦ2*

1 Каф. «Будавельт матер1али, конструкци та споруди», Украшський державний ушверситет затзничного транспорту, пл. Фейербаха, 7, Харкгв, Украша, 61050, тел. +38 (057) 730 10 68, ел. пошта lvtrikoz@ukr.net, ORCID 0000-0002-8531-7546

2*Украшський державний ушверситет зал1зничного транспорту, пл. Фейербаха, 7, Харюв, Укра1на, 61050, тел. +38 (057) 730 19 49, ел. пошта bagira54017@mail.ru, ORCID 0000-0003-0067-4382

ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ МОДЕЛ1 ЗМ1НИ Д1ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ НЕСУЦ1ЛЬНИХ СИСТЕМ

Мета. У статп розглядаеться отр 1золяцИ рейкового кола як один i3 параметр1в, що впливають на екс-плуатацшш показники роботи залiзничного транспорту. Для зниження впливу опору iзоляцii на режими фу-нкцiонування рейкових кш та на експлуатацiйнi показники роботи залiзничного транспорту передбачено дослiдити вплив поверхнево! обробки щебеню на величину дiелектрично! проникностi баластового шару. Методика. Оцшювання впливу виду матерiалу для поверхнево! обробки щебеню на величину дiелект-рично! проникностi проводили, виходячи з визначення фiзично! сутностi ввдносно! дiелектрично! проникно-стi. Визначення ввдносно! дiелектрично! проникностi в сипких середовищ може бути тiльки непрямим - внаслвдок неповного прилягання зернин щебеню та невизначеносп порового об'ему. Отже, розрахунки проводили, сшвставляючи вимiряну емшсть для середовища з вiдомою в - iз вимiряною емнiстю сере-довища, для якого необхвдно визначити в . Тобто, у скшьки р^в змiнюеться вимiряна емнiсть, у стшьки ж разiв змiнюеться й дiелектрична проникнiсть середовища. Результати. Дослвджено, як шпали i баласт значно змiнюють свою електричну провiднiсть у залежносп в1д наявностi в них вологи, змши навколишньо! температури, наявносп забруднювачiв та iнших факторiв. Проаналiзовано iснуючi моделi опису дiелектрич-них властивостей таких систем. Встановлено, що покриття баластного щебеню органiчними речовинами впливае на величину його вщносно! дiелектричноl проникностi. Найбiльший ефект зниження ще! величини спостерiгався для покритпв на основi канiфольноl сумiшi та силжону. Наукова новизна. Новим е запропо-нований авторами спосiб пвдвищення дiелектричних властивостей верхньо! будови коли за рахунок нане-сення на поверхню зерен баласту незмочуваних речовин, на поверхш яких не утворюеться плiвка вологи. Практична значимiсть. Показана можливють зведення до мiнiмуму негативного впливу зниження iзоляцil з максимальним його усуненням. Пропонуеться рiшення актуального завдання шляхом виключення впливу опору iзоляцil на режими роботи рейкових кш, що дозволить лiквiдувати частину причин вiдмови пристро!в сигналiзацil та зменшити к1льк1сть випадк1в «несправжньо! зайнятосп».

Ключовi слова: рейкова лiнiя; рейкове коло; отр iзоляцil; затримки поlздiв; дiелектричнi властивостi; верхня будова коли

Вступ

Пщвищення конкурентоспроможност1 зал1-зничного транспорту на внутршньому й зовш-шньому ринках транспортних послуг е прюри-тетним завданням Державно!' цшьово! програми

реформування зал1зничного транспорту на 2010-2019 рр. [5]. Покращення експлуатац1й-них показниюв роботи зал1зничних станц1й за-лежить вщ скорочення строк1в перебування ва-нтажу «в1д в1дправника до одержувача».

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)

Щц час планування роботи здшснюеться п1дб1р вхвдних параметр1в на основ1 шформацп, що задаеться роботою затзничного транспорту, а вихщш - визначають обсяг та яюсть виконан-ня роботи. Стутнь впливу контрольованих па-раметр1в на систему може бути знижений як техшчними, так i оргашзацшними ршеннями. Для зниження ступеня впливу неконтрольова-них параметрiв на систему показникiв знадоб-ляться ютотш витрати на вдосконалення техш-чних засобiв, якi дозволять хоча б непрямо кон-тролювати параметри, яю схильнi до змiн. На-приклад, такими технiчними рiшеннями е рейковi кола на залiзничних станщях, перегонах, сортувальних комплексах, яю, в зв'язку з рiзким попршенням стану баластно! призми, призводять до формування сигнатв «помилково! зайнятосп», що, в свою чергу, впливае на досягнення яюсних, кшьюсних i економiчних показникiв роботи залiзничного транспорту.

Чутливим елементом рейкового кола е рейкова лшя, яка тдпадае пiд дда як непере-рвних, так i дискретних впливiв. З часом шпали i баласт значно пiдвищують електричну провь днiсть, що викликано наявшстю в них вологи, змiною навколишньо! температури, наявнiстю сипучих вантажiв та шших чинникiв. Тому опiр iзоляцil рейкового кола знижуеться i е нестаб> льним параметром. Чим нижчий опiр iзоляцil, тим ненадiйнiша робота рейкового кола i сис-теми управлшня рухом поlздiв в цшому. За-вданням е знизити вплив опору iзоляцil на ре-жими функцiонування рейкових кiл.

Мета

Вивчення впливу поверхнево! обробки щебеню на величину дiелектричноl проникностi баластного шару для зниження впливу опору iзоляцil на режими функцiонування рейкових кш та на експлуатацiйнi показники роботи зал> зничного транспорту.

Методика

Питанням покращення експлуатацшних по-казникiв придiляеться достатньо уваги в бага-тьох публiкацiях [3, 7, 8], яю, в основному, спрямоваш на вибiр оптимальних варiантiв ви-користання рухомого складу. У робоп [3] сфо-рмульована математична модель норматзаци

технологiчного процесу управлiння парком ва-нтажних вагонiв операторських компанiй у ви-глядi оптимiзацiйноl задачi з цшьовою функцi-ею, яка надана сумарними експлуатацшними витратами за перюд планування i системою об-межень за техшчними та технологiчними умо-вами. Автори [8], аналiзуючи елементи об^у вагона, наводять залежнiсть кшькосп вивiльне-них вагонiв вiд змши дiльничноl швидкостi, зменшення середнього простою вагошв на од-нiй техшчнш станц^' та середнього простою вагона, що припадае на одну вантажну опера-щю. Так, в роботi [6] запропонована оптимiза-цiйна модель оптимального варiанта вибору кiлькостi вагонiв та !х форми власностi через знаходження максимального прибутку затзни-цi. Але в цих роботах недостатньо уваги прид> лено анатзу параметрiв, якi впливають на щ експлуатацiйнi показники. Пропонуеться роз-глянути експлуатацiйнi показники як систему (рис. 1). З щею метою необхщно видiлити вхiд-ш та вихiднi параметри, встановити контрольо-ванi й неконтрольованi впливи на систему по-казникiв.

Рейкове коло - електричний ланцюг, в якому е джерело живлення, колiйний приймач i рейкова лiнiя. За вщсутносп рухомо1 одиницi на рейковiй лши вiд джерела живлення до ко-лiйного приймача тече сигнальний струм. При цьому поздовжшми параметрами рейкового кола е питомий отр (r) й iндуктивнiсть (L) рейки, а поперечними - проникнють мiж рейками (g ) i емнiсть (C ) мiж ними. nrn^i зна-чення первинних параметрiв рейкового кола (r, L, g, C,) залежать вiд неоднорiдностi баласту та висоти баластного шару, якостi i стану шпал, наявносп мiжколiйних перемичок, яю застосо-вуються для вiдведення тягового струму, вщ-смоктувальних фiдерiв тягового струму, зазем-лення опор контактно1 мережi та iнших факто-рiв [6].

Рейковi кола повиннi функцюнувати за най-несприятливiших умов, в яких може опинитися рейкове коло навт на короткий час. На умови функцюнування кола впливають три незалежш змiннi величини: опiр баласту, отр рейок та напруга джерела живлення [17]. Щоб передача електрично1 енергil вiд джерела до приймача вщбувалася з найменшими втратами потужнос-тi, необхiдно зменшити електричну проник© Л. В. Трикоз, I. В. Бапянц, 2016

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)

нiсть iзоляцil. У зв'язку з цим доцiльно розгля-нути наведену автором [13] схему замщення опору iзоляцil рейково! лши (рис. 2), яка детально розкривае перехщний опiр вiд поверхнi шпали до грунту при протiканнi струмiв витоку через шпали, баласт та грунт i мiстить такi еле-менти:

ЯП - опiр струму витоку на поверхт шпали; СП - eмнiсть мiж рейками як обкладинками конденсатора з пов^рям, що е дiелектриком; ЯК1, Як 2- перехiдний опiр мiж рейками та ме-талевими деталями крiплення (болтами, шурупами та металевими пщкладками); ZП1, ХП2-перехiдний отр мiж металевими деталями кр> плення (електродами) i деревом та бетоном шпали (електрол^ом); ЯШ - отр шпал; ЯШБ1, ЯШБ 2- перехщний отр мiж шпалою та

баластом; ЯБ - опiр баласта; ЯБГ1, ЯБГ2 - перехщний опiр мiж баластом i грунтом.

Завданням е зменшити наявний ланцюг опо-рiв у данiй схемi завдяки зменшенню елементiв зi зниженим опором, тобто збшьшити перехщ-ний отр мiж шпалою i баластом, отр баласту i перехiдний отр мiж баластом i грунтом (пунктир на рис. 2).

Чим бiльший опiр ЯП , ЯК1, Як 2, 2П1, ХП 2,

ЯШ , ЯШБ^ ЯШБ2 , ЯБ , ЯБГ^ ЯБГ2, тим менша

прониктсть i тим гiрше перерахованi елементи проводять електричний струм витоку i навпаки: чим менший опiр, тим бшьша проникнiсть i тим легше струму витоку пройти ^зь шпали, баласт, металеве кршлення, грунт.

1 Оперативна планузання [добоы та 3TÜETEÜ плани пспзна га зашажно! роботн).

2. ЗЕйр 1нфор.оа1Л1 про: 1) наязшаьпйзц1в.за. налрямкаш га п^ятзначеннями шину

В X I

Д н

I

п

А Р

А М Е Т Р И

2)наЕанталгаг1 вагоны за пргзначеннямтт порожш по роду, вагони з мсцевими вянтажамп

3. В ийр оптимального маршруту i^xyi фо^г-зання операшвнсго фафжа руяз подщв.

4. Розрахунокобсягу нашнтаження 1 вивантаяжтсня, poaipiB рулу. пфвдач! завангажгних1 порошах вагош в по сгнкових пунктах мж дорогами i в^ддапеннями, norpitknx лари в рухсмого сктаду.

5. О&шк i aHania а мггою витлення еузыгихтлоть в оргашааш робели, а тагяж нпяхи Гх усуншня.

ö. Планузання р: зга наджосп техшчних засойв1 згереження рухомого склэдупри максимальнсму вштристанш зангаяотдйомносп й ml a Kocri ваши в.

1. Викорыстання шформалйних присгроГв дтя пгредач1 досгов1£ктсй шфорьици ад кнгпйшн пф?гзорювач13наЕ?рхшйргзень: сисгеми кфування.

2. Заоезп?чення оезпект руку - пригогування маршруту, упракання стрелками i шсналаыи i Т-Д-

3. Пшвищення гф?ктпюош ро&огп залзнпчного транспорту7 - вшначення дистокашГ i mpaMSTpiBpy^1 cocraaiB.

4. ЗыятшешяпростаБнапфбгошхгсганшях.

5Бижнтання ши'ишч виыог тряьюваних на забезпртшня стороны навкшмшньогс сгредовипш npait ройтщиав.

КОНТРОЛЬ OBAHIПАРАМЕТРИ

шз

Е КСПЛУАТ АЦП1Н1 ПОКАЗНИКИ ЯК

СИСТЕМА

1—Г

НЕКОНТРОЛЬОВАШ ПАРАМЕТРИ

1. Пот очне угримання та сгаршня вершьа будови кол! на перегенах 1 станщях:

1) баластдаго шару (щейнь, азбест, шеок):

2) пиал (зал! зобетонних, дерев'яних):

3) решк;

4) ¿золшючих егшав.

2. Погода змши:

1) змша вслогоси поатря - авгопад, т>ман= спади, 1шй;

2) пдвищзшя або зниження темперах ури навкюшшнього середошша.

3. Перешкода ид:

1) .3воротного тягового струму лшш електропередач;

2) алектричних установок тдприемсгв;

3) сумгжних рейковихлини [8].

4. Втрата ванташв (вуплля. руда. мазуг. мнератьш добрива та ш.) Пщ час перевезення призводять до засолеяня 1 заалчення верхньоГ б^дови кали.

5. ДшэьйЧЕй навэшгокення вщ р>хомого складу попршлоть 1заляци1н1 власгавостей деталей кршлення 1 нлал (оооблнво залзобетенннх), що призводать до з&льцення сгрлгь^ еиток].г через шпали 1 баласт

6. Прояв людського факт ера:

1) загальшш стан здеров'я, грофеайш ззхворювання;

2) р[в?нь ал!согольного 1 шркопгчного сп'яшння:

3) шваэцшний ВЩПОЧ1ШОК перед зы1нсяо.

1. Викшання ягасш-£х

показ нша в:

1) оборот локомотива:

2) оборот вагона,

3) середньодобоЕий

npoöir локомотива.

4) середньодобовий В

rpoöir вагона

5) продукшвшеть и

локомотиЕа. X

6) npO.ITvTCTXIEHlCTb

вагона.

2. Виконання п

кшьисних н

показшшв:

1) вантажооаг. 1

2) пасажироойп

3) вантажснапр>-

жшегь.

3. Викшання 11

економгчних д

показ ншав:

1) coöiBapricrb

пере вез А

2) ПрОД>"КТИЕШСТ ь М

ipayi;

3)рентабальшсгь. т р и

Рис. 1. Експлуатацшна робота як система показник1в Fig. 1. Field operation as the system of indices

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)

Рис. 2. Схема замщення опору 1золяцп рейково!' лшп

Fig. 2. Equivalent circuit of insulation resistance for the rail line

За формулою проникносп ¡золяцп рейково! лшп визначасться таким чином [2]

Уп = g п + j • W ■ C ее ,

де gn - активна складова проникносп 1золяцИ, См/км; j - позначае уявну частину комплексно! величини; C ее - екв1валентна емшсть 1золяц1!, Ф/км; w = 2nf - кутова частота сигнального струму, рад/с; f - частота сигнального струму, Гц.

На зменшення опору баласту значно впли-вае стутнь забрудненосп баластного шару i шпал. Навиъ щебеневий баласт через деякий час тсля укладання, забруднюючись дрiбним пiском, пилом, шлаком, вугшлям, мшеральни-ми солями, рудами, що перевозяться залiзни-цею, i металевим пилом, що створюеться галь-мiвними колодками при гальмуванш рухомого складу, значно знижуе свiй електричний опiр [9].

Вщомо iз [1, 11, 14, 18], що на стан верхньо! будови коли впливають сипучi вантага, якi призводять до того, що в баластнш призмi може спостер^атися вся «таблиця Менделеева». 1снують рiзнi способи очищення баластно! при-зми вiд забруднювачiв, такi як ручне очищення щебеню, щебенеочист машини на рейковому ходу типу ЩОМ-1200, СЧ-600, RM-80 та шш1, що здшснюють пошарове укладання очищено-го баласту, промивання баласту. Роботи з очищення щебеню вручну малопродуктивна доро-

го коштують i стомлюють робiтникiв. Крiм того, деяка кiлькiсть забруднювачiв у ньому за-лишаеться або в процес очищення потрапляе знову. Машини типу RM-80 виконують очищення одностороншх стрiлочних переводiв й використовуються не тiльки на перегонах, а й на станщях. Вартють очищення одного погонного метра на 2015 рш складае приблизно 85 гривень.

Зпдно з дослщженнями [1], тсля звичайно! промивки стутнь забруднення вiдпрацьованого баластного матерiалу знижуеться не менше нiж в 2 рази. Альтернативним способом виключен-ня впливу опору iзоляцi! на режими роботи рейкових кiл е замша старого баласту на новий. Це зможе покращити показники, але враховую-чи велик витрати кош^в на замiну баласту у разi потреби припинення руху на час вико-нання робiт i обмеження швидкосп руху на час стабiлiзацi! баластно! призми ефект втрачаеться через повторне забруднення. Цей метод дае по-лшшення на деяких дiлянках лише на обмеже-ний час.

Таким чином, ус iснуючi способи очищення мають як низку переваг, так i недолшв. У по-передшх дослiдженнях було з'ясовано[15]: як-що фракцп щебеню обробляти органiчними матерiалами перед укладанням у колiю або тс-ля промивання, то це вплине на зниження його електрично! проникностi. Виконанi додатковi експерименти з нанесення захисних покритпв дозволяють зменшувати електропровiднiсть баластного щебеню навт в умовах просипання на колда перевезених мiнеральних добрив, шд-вищуючи надiйнiсть роботи рейково! лшп, оскшьки це i е задачею зниження впливу не-контрольованих параметрiв.

За статистичними даними [12] 94,5 % вщмов вiдбуваеться через незадовшьне утримання ко-лi!. Тому, за допомогою знаходження найкра-щого способу запобтання впливу опору iзоля-ци за вiдсутностi впливу забруднювачiв на роботу рейкових ланцюпв можна отримати пози-тивну тенденцiю в основних показниках експлуатацiйно! роботи. Удосконалення рейкових ланцюгiв для забезпечення !х працездатно-стi при низькому опорi iзоляцi! е недешевим засобом [16], тому стд звернути увагу на ство-рення таких заходiв, якi дозволили б техшчни-ми або шшими рiшеннями полiпшити стан ба-ластно! призми.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2016, № 3 (63)

Результати

Оцшювання впливу виду матерiалу для поверхнево! обробки щебеню на величину дiелектрично! проникностi виконували виходя-чи iз визначення фiзично! сутностi вiдносно! дiелектрично! проникностi. Це число, яке пока-зуе, у скшьки разiв збiльшуеться емнiсть при заповненш простору мiж обкладками конденсатора даним iзолюючим середовищем порiвняно iз вакуумом (повiтрям). Gмнiсть конденсатора C та вщносна дiелектрична проникшсть s зв'язанi мiж собою вщомою формулою

C = ss,

S d

де S - площа пластин конденсотора, м ; d -вщстань мiж пластинами, м.

Для суцшьного дiелектричного середовища визначення вщносно! дiелектрично! проникно-стi за вимiряним значенням емностi не викли-кае утруднень. Але для несуцшьних сипких се-редовищ, наприклад щебеню або тску, дуже складно оцiнити площу електродiв внаслiдок неповного прилягання зернин щебеню та неви-значеностi порового об'ему (рис. 3).

Рис. 3. Схема розмщення сипких матер1ал1в мiж обкладками умовного конденсатора

Fig. 3. Layout of bulk material between the plates of the conditional capacitor

Крiм того, шлях проходження струму стае звивистим, що викликае додатковi труднощi у визначенш величини d . Тому визначення вщносно! дiелектрично! проникностi може бути в таких умовах тшьки непрямим - ст-вставляючи вимiряну псевдоемнiсть для середовища з вщомою s з вимiряною псевдо-емнiстю середовища, для якого необхщно ви-значити s . Тобто, у скшьки разiв змiнюеться вимiряна емнiсть, у стшьки ж разiв змiнюеться й дiелектрична проникнiсть середовища.

У цш роботi емнiсть визначали за допомо-гою вимiрювача типу Е8-12А. Для цього у контейнер об'емом 0,01 м3 помщали зразки як чистого баластного щебеню, так i забрудне-ного. Для вивчення впливу покриття на дiелек-тричнi властивостi на поверхню щебеню наносили таю речовини: бггум, кашфольну сумiш, лакове покриття, силшон. Значення вимiряно! емностi та розрахунково! величини вiдносно! дiелектрично! проникностi зазначених зразюв наведено в таблицi. Значення вщносно! дiелек-трично! проникностi для чистого щебеню s = 4,5 прийнято iз [4].

Наукова новизна та практична значимкть

Як свщчать данi вимiрювань, наведенi в таблищ, найбiльше (порiвняно з чистим ще-бенем, зразок № 1) дiелектричну проникнiсть зменшило канiфольне та силшонове покриття (зразки № 4 i 6). Також зниження проникностi спостер^аеться для лакового покриття (зразок № 5). Б^умне покриття, як i забруднення щебеню, дещо збшьшило величину s (зразки № 2

i 3). .

Для розробки математично! моделi скорис-таемося емтричною емнiсною моделлю бага-токомпонентно! системи. Щебеневий баласт е системою, комплексна дiелектрична проник-нiсть яко! визначаеться об'емними частками й дiелектричними властивостями складових компонентiв, а саме твердих частинок щебеню, повiтря, вшьно! та зв'язано! води. На сьогодш немае фiзично! моделi дiелектрично! проникносп дисперсних систем на основi дiелектрично! проникностi та об'емних часток окремих компонент. Найпростiшi моделi для двокомпонен-тних систем грунтуються на моделi плоского конденсатора, дiелектрик якого складаеться з двох суцшьних дiелектрикiв, що мають рiзнi вщносш дiелектричнi проникностi 8j та ЛБГ1, ЯБГ2. Якщо позначити !х об'емнi концент-рацi! як jj та у2 (вочевидь, що yj + у2 = 1), то

ефективна дiелектрична проникнiсть s* може бути визначена за формулами:

для паралельного розташування дiелект-

рикiв

s = У1 •s1 + y 2 ^s2;

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)

для посл1довного розташування д1елект-

рик1в

==« Tv ■'

в =-

У1 ' В2 + У 'B1

1

3HaneHHH eMHOcri Ta p03paxyHK0B0'i Be^HHHHH BigHOCHOi gie^eKTpHHHo'i np0HHKH0CTi

Table 1

Capacitance and the calculated values of the relative dielectric conductivity

№ зразка Опис зразка © п и ¡3 о и В1дносне змшення емност! Вщносна д1електрич-на проникшсть в

1 Щебшь чистий 97,4 1 4,5

2 Щебшь забруд- 98,1 1,007 4,53

нений

3 Щебшь чистий з 97,6 1,002 4,51

бпумним по-

криттям

4 Щебшь чистий з 93,0 0,955 4,29

кашфольним по-

криттям

5 Щебшь чистий з 96,4 0,989 4,45

лаковим покрит-

тям

6 Щебшь чистий з 95,0 0,975 4,39

силжоновим по-

криттям

(1 - a)

TV 'Bi

де Vi,Bi - об'емна частка та д1електрична про-никшсть /-го компонента сумшц а - вшьний параметр.

У цш же робой наводиться шша чотирико-мпонентна модель для розрахунку д1електрич-но! проникност

=Tv

Для багатокомпонентних сумшей з хаотич-ним розташуванням складових пропонуеться розглядати конденсатор, в якому шари д1елект-риюв розташоваш як паралельно, так i послщо-вно. У цьому випадку формула для визначення ефективно! дiелектричноl проникностi стае набагато складшшою. Так, автори [10] розгля-дають грунт як п'ятикомпонентну систему, яка складаеться iз твердих частинок грунту, повгг-ря, вшьно! води, мщно зв'язано! та пухко зв'язано! води. Пiдсумкова формула для тако! системи, запропонована авторами [9], мае ви-гляд:

де а - параметр, який тдбираеться експериме-нтально.

Недолiком подiбних моделей е те, що пара-метри в рiвняннях е емтричними i не мають фiзично! сутностг Тому наступним етапом до-слщжень повинно бути пiдбiр тако! математич-но! моделi, в якiй вс параметри мають чiтку фiзичну сутнють i можуть бути визначенi на основi об'ективних властивостей матерiалiв без експериментального пiдбирання багаточислен-ними вимiрюваннями.

Висновки

Експериментально доведено, що покриття баластного щебеню органiчними речовинами впливае на величину його вщносно! дiелектри-чно! проникностi. Найбiльший ефект зниження ще! величини спостерiгався для покриття на основi кашфольно! сумiшi та силшону. Таке покриття може бути запропоновано для оброб-ки чистого щебеню перед його укладанням у колiю тд час ремонтiв для продовження тер-мiнiв експлуатаци баластного шару, попере-дження адгезiйного забруднення та лшвщацп випадкiв «несправжньо! зайнятосп» рейкових кш, покращення експлуатацiйних показникiв роботи затзничного транспорту. Подальше до-слiдження буде спрямовано на вибiр та експе-риментальне пiдтвердження математично! мо-делi змiни дiелектричних властивостей багатокомпонентних систем.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Анал1з юнуючих способ1в очищения i ути-л1заци забрудненого баластного щебеню / О. М. Пшшько, А. В. Краснюк, В. П. Лисняк, О. В. Громова // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту

а

б

залiзн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Дншро-петровськ, 2007. - Вип. 17. - С. 209-213.

2. Брылеев, А. М. Теория, устройство и работа рельсовых цепей : учеб. пособие / А. М. Брылеев, Ю. А. Кравцов, А. В. Шишляков. - Москва : Транспорт, 1978. - 344 с.

3. Бутько, Т. В. Форматзащя процесу управлшня парком вантажних вагошв операторських ком-панiй / Т. В. Бутько, О. Е. Шандер // Вост.-Европ. журнал передовых технологий. - 2014.

- № 2/3. - С. 55-58.

4. Воробьев, В. Б. Определение состояния балласта и земляного полотна железнодорожного пути георадиолокационным методом в режиме скоростного мониторинга : дис. ... канд. техн. наук : 05.22.06 / Воробьев Владимир Борисович. - Ростов-на-Дону : РГУПС, 2008. - 146 с.

5. Державна цшьова програма реформування за-лiзничного транспорту на 2010-2019 роки [Електронний ресурс] : Постанова Кабшету Мшс^в Укра!ни вщ 16 грудня 2009 р. № 1390 // [Офщшний сайт Верховно! Ради Укра!-ни]. - Режим доступу: zakon1.rada.gov.ua/-laws/show/1390-2009-п. - Назва з екрана. - Пе-ревiрено : 31.10.2015.

6. Котляренко, Н. Ф. Электрические рельсовые цепи : учеб. пособие / Н. Ф. Котляренко. - Москва : Трансжелдориздат, 1961. - 328 с.

7. Лаврухш, О. В. Науковi щдходи до вдоскона-лення технологii експлуатацii вантажних вагонiв вах форм власностi / О. В. Лаврухш, Г. С. Баулша, Г. С. Богомазова // 1нформ.-керуючi системи на залiзн. транспортi. - 2015.

- № 4. - С. 48-55.

8. Лаврухш, О. В. Формування вихвдних даних моделi стабiлiзацii обiгу вагонiв / О. В. Лаврухш, Ю. В. Доценко : зб. наук. пр. / Дон1ЗТ УкрДАЗТ. - Донецьк, 2012. - Вип. 32. -С.19-24.

9. Мороз, В. П. Непрерывные путевые датчики систем железнодорожной автоматики и телемеханики для участков с пониженным сопротивлением изоляции : дис. ... канд. техн. наук : 05.22.08 / Мороз Владимир Петрович. - Харьков : ХИИТ, 1996. - 156 с.

10. Определение диэлектрической проницаемости прочно- и рыхлосвязанной воды на СВЧ с использованием емкостной модели диэлектрической проницаемости почв [Електронний ресурс] / А. П. Бобров, П. П. Бобров, О. А. Иванченко, В. Н. Мандрыгина // Вестн. Омск. гос. пед. ун-та. Физ.-мат. науки. - 2006. - Тем. вып.

- Режим доступу: http://www.omsk.-edu/article/vestnik-omgpu-149.pdf. - Назва з екрана. - Перевiрено : 31.10.2015.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)

11. Пат. 2009104966/11 Российская Федерация, МПК E 01 B 11/54 E 01 B 19/00. Устройство для защиты изоляционных стыков рельсов от скопления металлической стружки / заявитель и патентообладатель ООО «Российские железные дороги». - № 2389843 ; заявл. 13.02.2009 ; опубл. 20.05.2010, Бюл. № 14. - 3 с.

12. Рельсовым цепям - повышенное внимание! [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.archivesg.narod.ru/ Avarii6.htm. -Назва з екрана. - Перев1рено : 05.10.2015.

13. Соболев, Ю. В. Путевые преобразователи автоматизированных систем управления железнодорожным транспортом : учеб. пособие / Ю. В. Соболев. - Харьков : Транспорт Украины, 1999. - 200 с.

14. Технолопя ефективного очищения та шляхи утил1зацп вщпрацьованого баластного щебеню у транспортному буд1вництв1 / О. М. Пшшько, А. В. Краснюк, Ю. Л. Заяць, О. В. Громова // Мости та тунелг теор1я, дослвдження, практика. - 2013. - Вип. 4. - С. 75-81.

15. Трикоз, Л. В. Дослвдження питомо! електрич-но! проввдносл баластного щебеню при пере-везенш мшеральних добрив затзничним транспортом / Л. В. Трикоз, I. В. Бапянц // В1сн. НТУ «ХП1». Сер1я : Нов1 ршення в су-часних технолопях : зб. наук. пр. - Харшв, 2015. - № 62 (1171). - С. 35-39.

16. Diemunsch, K. M. Consequences of Failed Track Circuits on Conventional Signaling System in CBTC Projects / K. M. Diemunsch, D. J. Reitz // 2013 Joint Rail Conference (15.04-18.04.2013). -Knoxville, Tennessee, USA, 2013. - Р. 1-10. doi: 10.1115/JRC2013-2515.

17. Du, X. Calculation of the Impedance of a Rail Track With Earth Return for the High-Speed Railway Signal Circuit Using Finite-Element Method / X. Du, J. Zou, Zh. Wang // IEEE Transactions on Magnetics. - 2015. - Vol. 51. -Iss. 3. - P. 1-4. doi: 10.1109/TMAG.2014.-2360884.

18. Model Track Studies by Ground Penetrating Radar (GPR) on Ballast With Different Fouling and Geo-technical Properties / H. F. Kashani, L. H. Carlton, C. P. Oden, S. S. Smith // 2015 Joint Rail Conference (23.04-26.04.2015). - San Jose, California, USA, 2015. - Р. 1-8. doi: 10.1115/JR-C2015-5643.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)

Л. В. ТРИКОЗ1*, И. В. БАГИЯНЦ2*

1 Каф. «Строительные материалы, конструкции и сооружения», Украинский государственный университет железнодорожного транспорта, пл. Фейербаха, 7, Харьков, Украина, 61050, тел. +38 (057) 730 10 68, эл. почта lvtrikoz@ukr.net, ORCID 0000-0002-8531-7546

2*Украинский государственный университет железнодорожного транспорта, пл. Фейербаха, 7, Харьков, Украина, 61050, тел. +38 (057) 730 19 49, эл. почта bagira54017@mail.ru, ORCID 0000-0003-0067-4382

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МОДЕЛИ ИЗМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕСПЛОШНЫХ СИСТЕМ

Цель. В статье рассматривается сопротивление изоляции рельсовой цепи как одного из параметров, влияющих на эксплуатационные показатели работы железнодорожного транспорта. Для снижения влияния сопротивления изоляции на режимы функционирования рельсовых цепей и на эксплуатационные показатели работы железнодорожного транспорта предполагается исследовать влияние обработки щебня на величину диэлектрической проницаемости балластного слоя. Методика. Оценка влияния вида материала для поверхностной обработки щебня на величину диэлектрической проницаемости проводили, исходя из определения физической сущности относительной диэлектрической проницаемости. Определение относительной диэлектрической проницаемости в сыпучих сред может быть только косвенным - вследствие неполного прилегания зерен щебня и неопределенности порового объема. Таким образом, расчеты проводили, сопоставляя измеренную емкость для среды с известной в - с измеренной емкостью среды, для которой необходимо определить в . То есть, во сколько раз меняется измеренная емкость, во столько же раз меняется и диэлектрическая проницаемость среды. Результаты. Исследовано, как шпалы и балласт значительно изменяют свою электрическую проводимость в зависимости от наличия в них влаги, изменения окружающей температуры, наличия загрязнителей и других факторов. Проанализированы существующие модели описания диэлектрических свойств таких систем. Установлено, что покрытие балластного щебня органическими веществами влияет на величину его относительной диэлектрической проницаемости. Наибольший эффект снижения этой величины наблюдался для покрытий на основе канифольной смеси и силикона. Научная новизна. Новым является предложенный авторами способ повышения диэлектрических свойств верхнего строения пути за счет нанесения на поверхность зерен балласта несмачиваемых веществ, на поверхности которых не образуется пленка воды. Практическая значимость. Показана возможность сведения к минимуму негативного влияния снижения изоляции с максимальным его устранением. Предлагается решение актуальной задачи путем исключения влияния сопротивления изоляции на режимы работы рельсовых цепей, что позволит ликвидировать часть причин отказа устройств сигнализации и уменьшить количество случаев «ложной занятости».

Ключевые слова: рельсовая линия; рельсовая цепь; сопротивление изоляции; задержки поездов; диэлектрические свойства; верхнее строение пути

L. V. TRYKOZ1*, I. V. BAHIIANTS2

1 Dep. «Building Materials, Constructions and Structures», Ukrainian State University of Railway Transport, Feyerbach Square, 7*, Kharkiv, Ukraine, 61050, tel. +38 (057) 730 10 68, e-mail lvtrikoz@ukr.net, ORCID 0000-0002-8531-7546 2*Ukrainian State University of Railway Transport, Feyerbach Square, 7, Kharkiv, Ukraine, 61050, tel. +38 (057) 730 19 49, e-mail bagira54017@mail.ru, ORCID 0000-0003-0067-4382

RATIONALE FOR CHOOSING THE CHANGE MODEL

OF THE DIELECTRIC PROPERTIES OF DISCONTINUOUS SYSTEMS

Purpose. The article deals with the insulation resistance of the track circuit as one of the parameters that affect the operating performance of the railway transport. To reduce the influence of the insulation resistance on the operation modes of the track circuits and the performance indicators of railway transport it is assumed to study the influence of crushed stone treatment on the value of dielectric permeability of the ballast bed. Methodology. The influence of material type for the surface treatment of crushed stone on the value of the dielectric permeability was assessed on the basis of the physical nature determination of the relative dielectric permeability. Determination of the

HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BÍCHHK ^mnponeTpoBctKoro Ha^oH&atHoro yHÍBepcHTeTy 3&ri3HHHHoro TpaHcnopTy, 2016, № 3 (63)

relative dielectric permeability s of granular media can only be indirect, as a consequence of incomplete adjoining of crushed stone grains and uncertainty of the pore volume. Thus, the calculations were performed by comparing the measured capacity for a medium with the known s with measured medium capacity, for which it is necessary to define s . That is, the more the measured capacity is changed, the more changes the dielectric permeability of the medium. Findings. Sleepers and ballast significantly change their electrical conductivity depending on the presence of moisture, ambient temperature changes, the presence of pollutants and other factors. The article analyzes the existing models to describe the dielectric properties of such systems. It has been established that coating the crushed stone ballast with organic substances influences the value of its relative dielectric permeability. The greatest effect of reducing this value is observed for the coatings based on rosin mixture and silicone. Originality. Authors proposed original method of dielectric properties increase of the permanent way by grains' coating with nonwettable substances, on the surface of which is not formed a water film. Practical value. The article shows the possibility of minimizing the negative influence of reducing the isolation with maximum its elimination. It is proposed the solution of actual problem by eliminating the influence of insulation resistance on the modes of track circuits operation, which will eliminate the part of causes of the failure of signaling devices and reduce the number of cases of «false business».

Keywords: rail line; track circuit; insulation resistance; train delays; dielectric properties; permanent way

REFERENCES

1. Pshinko O.M., Krasniuk A.V., Lysniak V.P., Hromova O.V. Analiz isnuiuchykh sposobiv ochyshchennia i utylizatsii zabrudnenoho balastnoho shchebeniu [Analysis of existing methods of cleaning and utilization of contaminated of ballast rubble]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University named after Academician V. Lazaryan], 2007, issue 17, pp. 209-213.

2. Bryleyev A.M., Kravtsov Yu.A., Shishlyakov A.V. Teoriya, ustroystvo i rabota relsovykh tsepey [The theory, structure and operation of track circuits]. Moskow, Transport Publ., 1978. 344 p.

3. Butko T.V., Shander O.Ye. Formalizatsiia protsesu upravlinnia parkom vantazhnykh vahoniv operatorskykh kompanii [Formalization of the management process of freight cars fleet of operator companies]. Vostochno-Yevropeyskiy zhurnal peredovykh tekhnologiy - East European Journal of Advanced Technologies, 2014, no. 2/3, pp. 55-58.

4. Vorobyev V.B. Opredeleniye sostoyaniya ballasta i zemlyanogo polotna zheleznodorozhnogo puti georadiolokatsionnym metodom v rezhime skorostnogo monitoringa. Kand., Diss. [Determining the condition of rubble and subgrade of railway track using the method of ground penetrating radar in the mode of speed monitoring. Cand. Diss.]. Rostov-on-Don, 2008. 146 p.

5. Kotlyarenko N.F. Elektricheskiye relsovyye tsepi [Electrical track circuits]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1961. 328 p.

6. Lavrukhin O.V., Baulina H.S., Bohomazova H.Ye. Naukovi pidkhody do vdoskonalennia tekhnolohii ekspluatatsii vantazhnykh vahoniv vsikh form vlasnosti [Scientific approaches to improving the operation technology of freight cars of all forms of ownership]. Informatsiino-keruiuchi systemy na zaliznychnomu transporti - Information and Control Systems on Railway Transport, 2015, no. 4, pp. 48-55.

7. Lavrukhin O.V., Dotsenko Yu.V. Formuvannia vykhidnykh danykh modeli stabilizatsii obihu vahoniv [Formation of the output data of stabilization model of cars circulation]. Zbirnyk naukovykh prats Donetskoho instytutu zaliznychnoho transportu [Proc. of Donetsk Institute of Railway Transport], 2012, issue 32, pp.19-24.

8. Moroz V.P. Nepreryvnyye putevyye datchiki sistem zheleznodorozhnoy avtomatiki i telemekhaniki dlya uchastkov s ponizhennym soprotivleniyem izolyatsii. Kand., Diss. [Continuous path-control transducers of railway automation and remote control systems for the sections with low insulation resistance. Cand. Diss.]. Kharkiv, 1996. 156 p.

9. Bobrov A.P., Bobrov P.P., Ivanchenko O.A., Mandrygina V.N. Opredeleniye dielektricheskoy pronitsayemosti prochno- i rykhlosvyazannoy vody na SVCh s ispolzovaniyem yemkostnoy modeli dielektricheskoy pronitsayemosti pochv [Determination of the dielectric permeability of adsorbed and film water on super-high frequency using a capacitive model of soil dielectric permeability]. Vestnik Omskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta [Bulletin of Omsk State Pedagogical University], issue 2006, 5 p. Available at: http://www.omsk.edu/article/vestnik-omgpu-149.pdf (Accessed 31 October 2015).

10. Ustroystvo dlya zashchity izolyatsionnykh stykov relsov ot skopleniya metallicheskoy struzhki [The device for protection of the insulating rail joints from accumulation of swarf]. Patent RU, no. 2389843, 2010.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)

11. Derzhavna tsilova prohrama reformuvannia zaliznychnoho transportu na 2010-2019 roky (State target program of reforming the railway transport for 2010-2019). Available at: zakon1.rada.gov.ua/laws/show/1390-2009-p (Accessed 31 October 2015).

12. Relsovym tsepyam - povyshennoye vnimaniye! (Increased attention to the rail circuits). Available at: http://www.archivesg.narod.ru/ Avarii6.htm (Accessed 05 October 2015).

13. Sobolev Yu.V. Putevyye preobrazovateli avtomatizirovannykh sistem upravleniya zheleznodorozhnym transportom [Track converters of automated control systems of railway transport]. Kharkov, Transport Ukrainy Publ., 1999. 200 p.

14. Pshinko O.M., Krasniuk A.V., Zaiats Yu.L., Hromova O.V. Tekhnolohiia efektyvnoho ochyshchennia ta shliakhy utylizatsii vidpratsovanoho balastnoho shchebeniu u transportnomu budivnytstvi [Effective cleaning technology and ways of recycling the waste ballast rubble in transport construction]. Mosty ta tuneli: teoriia, doslidzhennia, praktyka [Bridges and Tunnels: Theory, Research, Practice], 2013, issue 4, pp. 75-81.

15. Trykoz L.V., Bahiiants I.V. Doslidzhennia pytomoi elektrychnoi providnosti balastnoho shchebeniu pry perevezenni mineralnykh dobryv zaliznychnym transportom [Research of specific electrical conductivity of ballast rubble during transportation of mineral fertilizers by railway transport]. Novi rishennia v suchasnykh tekhnolohiiakh - New Decisions in Modern Technologies, 2015, no. 62 (1171), pp. 35-39.

16. Diemunsch K.M., Reitz D.J. Consequences of Failed Track Circuits on Conventional Signaling System in CBTC Projects. Joint Rail Conf. Tennessee, 2013, pp. 1-10. doi: 10.1115/JRC2013-2515.

17. Du X., Zou J., Wang Zh. Calculation of the Impedance of a Rail Track With Earth Return for the High-Speed Railway Signal Circuit Using Finite-Element Method. IEEE Transactions on Magnetics, 2015, vol. 51, issue 3, pp. 1-4. doi: 10.1109/TMAG.2014.2360884.

18. Kashani H.F., Ho. Carlton L., Oden C.P., Smith S.S. Model Track Studies by Ground Penetrating Radar (GPR) on Ballast With Different Fouling and Geotechnical Properties. Joint Rail Conf. California, 2015, pp. 18. doi: 10.1115/JRC2015-5643.

Стаття рекомендована до друку д.т.н., проф. В. Д. Петренком (Украта); д.т.н., проф.

А. А. Плуг1ним (Украта)

Надшшла до редколегп: 16.03.2016

Прийнята до друку: 08.06.2016