автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Повышение эффективности устройств электрообогрева стрелочных переводов

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования.

1.1. Задачи стрелочного хозяйства железных дорог.

1.2. Анализ технических средств и способов очистки стрелочных переводов от снега.

1.3. Обзор мировой практики применения электрообогрева стрелочных переводов.

1.4. Виды метеорологических явлений и рекомендуемые меры снегоборьбы.

1.5. Эффективность устройств электрообогрева стрелочных переводов (УЭОСП)

Выводы по главе. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Исследование процесса очистки стрелочных переводов способом электрообогрева.

2.1. Физико-теплотехнические свойства загрязнителя.

2.2. Показатели качества теплоэлектронагревателей.

2.3. Модель функционирования системы.

Выводы по главе.

Глава 3. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих параметров электрообогрева стрелочных переводов.

3.1. Исследование распространения тепла в элементах стрелочного перевода в зависимости от температуры окружающей воздушной среды.

3.2. Установление путей повышения теплопередачи в системе СП.

3.3. Обработки экспериментальных данных.

3.4. Влияние подвижности воздуха на прогрев стрелочного перевода.

3.5. Влияние термоизоляции наружных поверхностей рабочего пространства СП на его прогрев.

Выводы по главе.

Глава 4. Реализация результатов исследований и натурные испытания предложенных решений.

4.1.Техническая характеристика конструктивных предложений по созданию электрообогреваемого стрелочного перевода.

4.2.Натурные испытания.

4.3. Наблюдения за параметрами окружающей среды места эксплуатации рационального ЭО СП.

4.4. Назначение и пределы применения электрообогрева стрелочных переводов.

4.5. Техническая характеристика рационального ЭО СП.

4.6.Автоматическое регулирование параметрами электрообогрева стрелочных переводов.

Выводы по главе.

Глава 5. Технико-экономическое обоснование предложенных мероприятий.

5.1. Экономическая эффективность рационального ЭО СП.

5.2. Методика обоснования создания и применения электро-обогреваемых стрелочных переводов в конкретных условиях эксплуатации.

Выводы по главе.

Актуальность. Железнодорожный транспорт, составляющий основу транспортной системы Российской Федерации, служит своевременному и качественному обеспечению жизнедеятельности всех отраслей экономики и безопасности страны.

Внедрение железнодорожного подвижного состава нового поколения, характеризующегося повышенными потребительско - эксплуатационными и экологическими качествами, невозможно без решения задач по совершенствованию содержания пути, включающего рельсы, скрепления, подрельсовое основание, балласт, стрелочные переводы.

Особое место в путевом хозяйстве занимают пересечения рельсовых путей, являющиеся весьма сложными по конструкции, работающими в более тяжелых условиях, чем магистральный путь, и представляющие собой ответственные и дорогостоящие элементы верхнего строения пути.

Стрелочные переводы представляют собой проверенные временем технические устройства. Одновременно, в связи с возрастанием нагрузок вследствие повышения скорости и массы поездов, они становятся уязвимым местом в эксплуатационной деятельности и ограничивают пропускную способность железнодорожных путей.

Одним из главных требований содержания стрелочных переводов является легкость перевода стрелки, что обеспечивается их чистотой от загрязнителей и смазкой.

Для Российской Федерации, как северной страны, очистка железных дорог от снежного загрязнителя представляет огромные трудности.

Обледенение и снежные заносы элементов верхнего строения пути и, прежде всего стрелочных переводов, представляют собой проблему, сдерживающую бесперебойный и безопасный пропуск поездов, решение которой остается весьма актуальной.

Для очистки стрелочных переводов от снега и наледи используются различные методы в зависимости от конкретных природных условий. Предпочтительным вариантом является тот, который наиболее полно отвечает требованиям содержания железнодорожного пути при минимальных эксплуатационных затратах с соблюдением требований техники безопасности и охраны природы.

Опыт эксплуатации устройств электрообогрева показал, что этот метод является технически целесообразным и экономически выгодным.

Массовое применения электрообогрева стрелочных переводов, начатое с 80-х годов прошедшего столетия, идет с большими трудностями. Основной причиной является большой разброс моделей комплектующего оборудования и, прежде всего, теплоэлектронагревателей и мест их крепления, что указывает на недостаточную изученность процесса таяния снежного загрязнителя на стрелочном переводе при различных теплофизических параметрах окружающей среды.

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

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

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

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования;

- проанализировать применение электрообогрева стрелочных переводов в разных странах мира и в Российской Федерации;

- сформулировать понятие эффективности электрообогрева стрелочных переводов и установить критерии ее оценки; на основании исследований свойств загрязнителя и возможностей теплоэлектронагревателей обосновать расчетную схему для установления параметров электрообогрева стрелочных переводов; провести теоретические исследования определяющих параметров и воздействующих факторов; установить экспериментальным путем теплофизические параметры электрообогрева стрелочных переводов;

- разработать и обосновать рациональную конструкцию электрообог-реваемого стрелочного перевода с целью максимизации эффективности использования электрообогрева; провести натурные испытания предложенного электрообогрева-емого стрелочного перевода;

- разработать прикладное программное обеспечение для реализации непрерывного автоматизированного контроля за работой электро-обогреваемого стрелочного перевода. провести экономическую оценку предложенных решений; изложить методику создания рационального ЭО СП. Метод исследования. Использованные методы включают теорию, статистические материалы, эксперименты в лабораторных и натурных условиях, целью которых было решение задач по выбору и обоснованию рациональных параметров устройств электрообогрева стрелочных переводов.

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

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

Научная новизна:

- электрообогрев рассмотрен не как дополнительное устройство к стрелочному переводу, а как единая система - электрообогревае-мый стрелочный перевод;

- установлены понятия эффективности электрообогрева стрелочных переводов и параметры устройств;

- разработана структурная схема автоматического управления элек-троообогревом стрелочных переводов с использованием ЭВМ и его программное обеспечение;

- разработана методика создания рационального электрообогревае-мого стрелочного перевода

Апробация. Основные положения диссертации были доложены на научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ПГУПС в 1998 - 2001 гг., на заседаниях кафедр «Технология металлов», «Железнодорожный путь», «Строительные и дорожные машины» (1998 - 2000 гг. ); на XXXXIII научно-технической конференции по вопросам путевого хозяйства Октябрьской железной дороги и ПГУПС в 2001 г.; на международном экологическом конгрессе «Новое в экологии» в 2000 г. (С.-Пб, БГТУ); на второй международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростов—на-Дону, 2000 г.); на конференции «Технические средства нового поколения» (Хабаровск, 2001 г.).

Реализация. Опытный образец усовершенствованного УЭОСП проходил длительные испытания на Октябрьской железной дороге по станции Зе-леногорск Зеленогорской дистанции пути ПЧ-17.

Результаты исследования приняты к внедрению на ст. Каннельярви в дистанции пути ПЧ-17 Октябрьской жёлезной дороги.

Получено авторское свидетельство на полезную модель №20108 от 20.10.2001 г. «Устройство для обогрева стрелочного перевода».

Основные положения диссертационной работы опубликованы в десяти трудах автора, включенных в библиографический список использованной литературы.

Заключение. Выводы по работе.

В настоящей диссертационной работе на основании проведенных исследований предложено новое решение актуальной задачи обоснования и выбора рациональных параметров устройств электрообогрева стрелочных переводов в зимнее время, используемых на рельсовых пересечениях путей железнодорожного транспорта.

Решение поставленной задачи позволит осуществить бесперебойный проход по рельсовым пересечениям с допустимыми скоростями без срывов графиков поездов в любое время года.

В результате проведенных статистических, теоретических, экспериментальных и натурных исследований сделаны следующие выводы:

1. Электрообогрев необходимо рассматривать не как дополнительное устройство к СП, а как единую систему - электрообогреваемый стрелочный перевод.

2. Сформулировано понятие эффективности электрообогрева стрелочных переводов, как степени приспособленности к выполнению стоящих задач, с установлением критериев эффективности, включающих надежность теплоэлектронагревателей, удобство монтажно-эксплуатационных работ, быстродействие в сочетании с наименьшими энергетическими и экономическими затратами.

3. Установлено, что параметром ЭОСП является время готовности рельсового пересечения к нормальному функционированию, вписывающегося в график движения поездов.

4. Доказано, что рациональность конструкции ЭО СП обеспечивается условиями максимальной теплопередачи при минимуме тепловых потерь в элементах стрелочного перевода.

5. Получена зависимость времени прогрева ЭО СП от параметров окружающей среды и теплоэлектронагревателей. 1 t Свозд + t T In ( 1 + ки-ки a

At

6. Измерение параметров окружающей среды (температуры воздуха, его подвижности и др.) и последующее их преобразование позволяет обеспечить регулирование процесса электрообогрева в диапазоне рациональных значений с целью оптимальной готовности СП к бесперебойному пропуску поездов.

7. Предложена схема автоматического регулирования режимами ЭО СП, позволяющая максимизировать теплопередачу от теплоэлектронагревателей к указанным элементам.

8. Теоретические и конструктивные разработки, программное обеспечение прошли испытания в лабораторных и натурных условиях

9. Предложенный способ установления рациональных параметров устройств ЭО СП может быть применен к любым условиям очистки стрелочных переводов от загрязнителя в зимнее время.

10. Рекомендуемые положения не требуют дополнительных затрат на свое внедрение по сравнению с существующими схемами ЭО СП. Экономический эффект составит более 100% на один стрелочный перевод.,

11 .Разработан рациональный вариант электрообогреваемого стрелочного перевода.

12.Сформулировано содержание технической характеристики электрообог-реваемых стрелочных переводов, включающее:

Тип, марка СП Рабочее напряжение, В Установочная мощность ТЭН, кВт Коэффициент скорости прогрева СП, a Пределы применения ЭО СП температура среды, -t °С подвижность воздуха, и м/с. Совокупная экспертная величина экономического эффекта в расчете на один стрелочный перевод для средних условий эксплуатации, выраженных характеристикой месячной статистической нормы морозоснегочасов образовалась за счет:

- снижения расходов на энергетические ресурсы по причине обеспечения минимальных потерь тепла и максимизации процесса теплопередачи в элементах стрелочного перевода;

- использования устройств автоматического регулирования функционированием теплоэлектронагревателей, повышающих, в сою очередь, их надежность и срок эксплуатации.

Результаты теоретических, экспериментальных и натурных исследований, проведенных автором,использованы при разработке, изготовлении, наладке создании опытного СП на дополнительных путях ст. Зеленогорск ПЧ-17 Октябрьской железной дороги.

1. Автоматизированная система контроля СП «Путь и путевое хозяйство» -1992 №9.

2. Амелин С. В. Совершенствование ведения стрелочного хозяйства. М.: Транспорт, 1983.

3. Баскаков А. П. Теплотехника. М.: Энергоатомиздат, 1991.

4. Богородский В. В., Таврило В. П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

5. Брискин В. М. Электрообогрев стрелочных переводов // Железнодорожный транспорт, 1988 №2 - с. 58.

6. Брянцева Э И., Монахов И. К. Погода и путь на Московской магистрали // Путь и путевое хозяйство. 1995 - №2 - с. 34.

7. Елсаков Н. Н. Практическое руководство по текущему содержанию стрелочных переводов, глухих пересечений, башмакосбрасывателей. М.: Транспорт, 2000, с.З 8.

8. Ефанов А. И., Зайцев А. А., Коваленок Т. П. Методы определения экономической эффективности инвестиционных проектов. СПб, ПГУПС, 1996, 38с.

9. Испиаманов Б. А. Опыт снегоборьбы на дороге // Железнодорожный транспорт. 191 № 1 - с. 10.

10. Каталог для работников путевого хозяйства. Новосибирский стрелочный завод. Россия, 630025, Новосибирск, ул. Аксенова, 4, 1995, 144с.

11. Н.Классификация дефектов и повреждений элементов стрелочных переводов М.: Транспорт, 1996, 64с.

12. Кобеко П. П., Морей Ф. И. Смачивание и прочность склеивания. Журнал технической физики, т. XVI, вып. 3, 1946.

13. Крейнис 3. JI. Организация снегоборьбы на железных дорогах Российской Федерации в 2001 г. РГОТУПС, 2002, 63 с.

14. Лавров В. В. Деформация и прочность льда. Л.: Гидрометеоиздат, 1969.

15. Лубрикатор стрелочного перевода // Железные дороги мира 1998 - №1 -с. 68.

16. Методические указания по определению экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте. ВНИИЖТ МПС М.: Транспорт, 1991 -235 с.

17. Микропроцессорные системы обогрева стрелок //Железные дороги мира 1997 -№12 с. 54.

18. Микулик Н. А. Решение технических задач по теории вероятности и математической статистики. Справочное пособие. Минск, ВШ, 1991.

19. Новосельский И. Ю. Проблемы электрообогрева стрелочных переводов. (Тезисы доклада на 60-й научно-технической конференции с участиемстудентов, молодых специалистов и ученых «Неделя науки 2000») С.-Пб, ПГУПС, 2000, с.47

20. Новосельский И. Ю. Эффективность использования электрообогрева стрелочных переводов. (Тезисы доклада на 60-й научно-технической конференции по вопросам путевого хозяйства.) С.-Пб, ПГУПС, 2000 г.

21. Новосельский И. Ю. Определяющие параметры электрообогрева стрелочных переводов. (Труды молодых ученых, аспирантов и докторантов). Вып. 5 под редакцией В. В. Сапожникова. С.-Пб, ПГУПС, 2000.

22. Новосельский И. Ю. Свидетельство на полезную модель №20108. Устройство для обогрева стрелочных переводов от 06.03.2001 г.

23. Новосельский И. Ю. Параметры технической характеристики электро-обогреваемого стрелочного перевода. )Тезисы доклада на 60-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. "Н«деля науки 2001 г.») С.-Пб, ПГУПС, 2001, с.61.

24. Павлов В. Т., Корея В. Б. Электрообогрев стрелочных переводов: снижение затрат, учет энергопотребления, повышение надежности // Путь и путевое хозяйство №10 - 2000.

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

26. Положение о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской Федерации // Путь и путевое хозяйство. 1994 - №8 -с 16-23.

27. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. М.: Транспорт, 1995 - 160с.

28. Ратников А. И. Проблемы электрообогрева // Путь и путевое хозяйство -1991 №8-с. 11.

29. Садовников В. М. Новые греющие материалы // Железнодорожный транспорт- 1998 №1 - с. 35-36.

30. Самохин А. В., Вычужин Т. А., Шубин Г. В. и др. Устройство для очистки стрелочного перевода от снега и наледи. Кат. 2149937 Россия МПК Е01 В7; Якутский государственный университет им. М. К. Аммосова.

31. Синайлов Г. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. М.: Высшая Школа, 1989.

32. Смазка для стрелочных переводов. Рабочие температуры // Железные дороги мира 1993 - №12 - с. 56.

33. Спиридонов Э. С., Харитонов Ю. В., Хубаева В. В. Модуль для обогрева // Путь и путевое хозяйство. 1990 - №2 - с. 23.

34. Спиридонов Э С., Харитонов Ю. Н. Управление очисткой стрелок (новая техника) // Путь и путевое хозяйство. 1993 - №8 - с. 11.

35. Сравнение газового и электрического обогрева. Проспект фирмы Sinus Aben // Железные дороги мира 1992 - №2 - с. 52

36. Твердохлеб Н. Ф. О способах электрообогрева стрелочных переводов // Промышленный транспорт. 1988 - № 7 (199) - с. 11.

37. Технические указания по обслуживанию устройств электрообогрева для очистки стрелочных переводов от снега. МПС, 1990.

38. Типовая инструкция по охране труда для монтера пути // ТОЙ Р-32-ЦП-730-2000 М.: Транспорт, 2000.

39. Типовая инструкция по охране труда при уходе за централизованными стрелочными переводами // ТОЙ Р-32-ЦП-732-1999 М.: Транспорт, с 14-15.

40. Типовые материалы для проектирования 501-09-35.88 «Устройства электрообогрева стрелочных переводов ТО-168. Альбом 1 и 2 ГТСС».

41. Тюренков И. И. Снегоборьба на дистанции пути. М.: ВИПО МПС, 1961.

42. Указание заместителя начальника Октябрьской железной дороги МПС РФ «Об организационно-технических мероприятиях по рациональному использованию электроэнергии на эксплуатационные нужды в 2000 году» № Н31 66/у от 20.03.2000 г.

43. Управление обогревом стрелочных переводов. «Датчики снегопадов» (по материалам зарубежной периодики) // Путь и путевое хозяйство. 1999 -№11 - с. 40.

44. Федеральный закон Российской Федерации «О Федеральном железнодорожном транспорте» // Путь и путевое хозяйство. 1995 - №10 - с21-27

45. Фомин В. В. Обогрев стрелочных переводов (зарубежная техника) // Путь и путевое хозяйство. 1989 - №12 - с. 42.

46. Харитонов Ю. И., Мариенко В. И. Вопросы технологии и эффективности антиобледенителей железнодорожных стрелочных переводов. Автоматизация и современные технологии 2000 - №1 - с. 33-35.

47. Черкасский М. М. Электрообогрев лучше, но .II Путь и путевое хозяйство. 1989 - №11 - с. 26.168

48. Шульга В. Я. Путь и безопасность движения поездов. М.: Транспорт. 1991 -415 с.

49. Яковлев В. Ф., Булаш Н. М., Гниломедов В. В. Автоматика и автоматизация производственных процессов в строительстве и путевом хозяйстве. М.: Транспорт 1990 - 279 с.

50. Говоров В. В. Поэлементное проектирование стрелочных переводов промышленного транспорта. С.-Пб, ПГУПС, 1994.

51. Говоров В. В. Принцип троекториальных допущений в проектировании путевых конструкций. С.-Пб, ПГУПС, 1994

52. Амелин С. В., Елсаков Н. Н., Гапоненко А. С. Как развивался стрелочный перевод. С.-Пб, «Путь и путевое хозяйство» №7-8,1987.

53. Гапоненко А. С. Экономическая эффективность конструкций крестовин стрелочных переводов с подвижными элементами и их сферы рационального использования. Информационное письмо ДорНТО Куйбышевской ж. д., 1988.

54. Амелин С. В., Гапоненко А. С. Краткий исторический очерк развития и современного состояния конструкций крестовин стрелочных переводов с подвижными элементами. Депанированная рукопись в ЦНИИ ТЭИ МПС №4321,1988.1. ПО jlpujiowe ние i

55. РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ1. ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ»1. Свидетельство " *о метрологической аттестации средства измерения цифровой комбинированный прибор «Метеометр БГТА-1», зав. № 04В- 51997 г.1. РНИИ «Электронстандарт»

56. Основные технические характеристики

57. Дата выпуска: Изготовитель: Назначение:

58. Наименование измеряемой величины Диапазон измерения Пределы допускаемого значения основной погрешнрсти измерения

59. Атмосферное давление от 80 до 130 кПа ± 1 кПа

60. Относительная влажность от 15 до 98% ±2 %

61. Температура воздуха от -10 до +50 "С ± 0,5-С

62. Скорость воздушного потока от 0,1 до 20 м/с ±6 %

63. Прибор обеспечивает свои технические характеристики через 1 мин после включения питания в нормальных условиях и через 10 мин в рабочих условиях применения.

64. Ток, потребляемый прибором, не превышает 20 мА при измерении давления, влажности и температуры воздуха и не превышает 100 мА при измерении максимальной скорости воздушного пото.;

65. Главный инженер РНИИ «Электронстандарт»1. С. В. Прохошин

66. НАЗНАЧЕНИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

67. ИТП-1-5М обеспечивает измерение температуры ферромагнитных металлических поверхостей специальным контактным датчиком с магнитным креплением и цифровую индикацию измеренной величины на жидкокристаллическом табло.

68. Диапазон рабочих температур окружающей среды: для блока измерительного от минус 10 до 50 град.С для датчика - от минус 60 до 100 град.С

69. Габаритные размеры, не более :- блока измерительного 170x65x25 мм -датчика 55x35x32мм- длина кабеля датчика 950±100мм

70. Массаприбора -неболее0,25 кг ч

71. Питание прибора внутренняя батарея типа "Крона"

72. Ток потребления не более 2 мА.

73. Аппроксимация экспериментальных данных методом наименьших квадратов в Mathcad 2000