СПОСОБ УБОРКИ СНЕЖНО-ЛЕДЯНОЙ МАССЫ СО СТРЕЛОЧНОГО ПЕРЕВОДА
METHOD TO REMOVE SNOW AND ICE MASS FROM POINT SWITCH

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно, к путевому хозяйству, и может быть применено для эксплуатации стрелочных переводов в зимний период.
Известен способ обогрева стрелочного перевода, включающий выполнение подрельсового основания в виде пустотелых металлических шпал с нагревательными элементами, подачу на них энергии и регулирование ее в соответствии параметрами приборов контроля и регулирования температуры нагрева элементов стрелок [Пат РФ 2232222, МПК E01B 7/24, 2004].
Недостатками этого способа являются:
- сложность конструкции, реализующей способ, обусловленная наличием большого числа приборов контроля;
- низкая эффективность использования энергии из-за нагрева металлических элементов стрелочного перевода, имеющих большую массу, и потерь тепла в окружающую среду.
Прототипом является способ обогрева стрелочного перевода, включающий установку датчиков наружного воздуха и температуры рамного рельса, нагрев его путем подачи энергии на трубчатый электронагреватель в соответствии с параметрами аппаратуры обработки сигналов датчиков [Пат. РФ 2415988, МПК E01B 7/24, 2011].
Недостатками прототипа являются:
- сложность конструкции, реализующей способ, обусловленная наличием большого числа датчиков, преобразователей и аппаратуры обработки их сигналов;
- низкая эффективность использования энергии из-за выполнения нагрева рамных рельсов и других металлических элементов стрелочного перевода, имеющих большую массу.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, повышение надежности, снижение энергетических затрат и упрощение конструкции, реализующей способ, а также автоматизация процесса уборки.
Задача решается тем, что в способе уборки снежно-ледяной массы со стрелочного перевода, включающем таяние ее посредством нагревателя по сигналу датчика, таяние осуществляют без непосредственного контакта нагревателя с рамным рельсом и остряком. Таяние начинают при наличии на нагревателе слоя снежно-ледяной массы, дальнейшее увеличение толщины которого может нарушить нормальную работу стрелочного перевода. При таянии образующуюся талую воду незамедлительно убирают с поверхности нагревателя. При таянии воду убирают на наружную сторону рамного рельса. Датчик выполняют в виде трубы, которую укладывают вдоль рельса, при этом при наличии движения воздуха в трубе выключают нагреватель, а при отсутствии - включают. Подвод тепла к теплоотдающей поверхности нагревателя осуществляют посредством жидкого теплоносителя. Нагреватель устанавливают между шпал под рамным рельсом и остряком с зазором от них. Подачу тепла к стрелочному переводу осуществляют неравномерно, большую часть подводят в зону расположения рамного рельса и остряка, и меньшую - в зону средней части стрелочного перевода. Теплоноситель нагревают до кипения. Концы трубы датчика размещают вне нагревателя. В трубе датчика воздушный поток подвергают завихрению. В качестве жидкого теплоносителя используют кремнийорганическую жидкость. Толщину слоя снежно-ледяной массы регулируют изменением положения конца трубы датчика относительно уровня головки рельса.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Выполнение таяния снежно-ледяной массы без непосредственного контакта нагревателя с рамным рельсом и остряком существенно экономит электрическую энергию, идущую на обогрев. Имея меньшую теплоемкость по сравнению со снежно-ледяной массой, сталь обладает большей, чем на порядок плотностью. Поэтому для нагревания рельса затрачивается значительно больше энергии, чем непосредственно на таяние снежно-ледяной массой.
Кроме того, нагретый рельс помимо передачи тепла этой массе, отдает его также в окружающую среду, что увеличивает непроизводительные затраты энергии. Причем, имея хорошую теплопроводность рельс нагревается по всей длине, в результате чего непроизводительные затраты энергии еще больше возрастают.
Выполнение начала таяния при наличии на нагревателе уже сформировавшегося слоя снежно-ледяной массы, дальнейшее увеличение толщины которого может нарушить нормальную работу стрелочного перевода, экономит электрическую энергию. Если нагрев начинать сразу же при возникновении осадков, как это обычно делается, то помимо растапливания, например снежинок, часть энергии будет уходить на нагрев окружающего воздуха. Поверхность нагревателя, которая не будет прикрыта снегом, станет напрасно излучать тепло в пространство. Наличие небольшого слоя (определенной толщины) снежно-ледяной массы на стрелочном переводе, в том числе, и на поверхности нагревателя никак не может снизить надежность и качество его работы. Однако при этом, во-первых, будут отсутствовать «голые» участки нагревателя, в результате чего все тепло будет передаваться снежно-ледяной массе. Во-вторых, снег и лед обладают низкой теплопроводностью, тепло преимущественно будет передаваться слою снега, непосредственно контактирующему с поверхностью нагревателя, что сократит тепловые потери.
Незамедлительное удаление при таянии образующейся талой воды с поверхности нагревателя также способствует снижению энергетических затрат. Теплоемкость воды в два раза больше, чем у льда и снега. Поэтому, если воду не убирать с поверхности нагревателя, то на ее нагрев будет затрачиваться в два раза больше тепловой энергии, чем на таяние снежно-ледяной массы. Кроме того, вода является плохим проводником тепла, и наличие ее на поверхности нагревателя снизит его эффективность.
Удаление воды при таянии на наружную сторону рамного рельса, в конечном счете, способствует снижению энергетических затрат. Вода, вытекающая на снег с наружной стороны, делает его более плотным и тяжелым. В результате при наличии ветра такой снег не может быть перенесен ветром во внутреннюю (более ответственную) часть стрелочного перевода и, следовательно, не потребуется дополнительной энергии на таяние. Кроме того, образующийся после замерзания этой воды наст (лед) будет препятствовать нанесению снега на этот участок при ветре, поскольку снежинки будут сдуваться ветром с обледеневшей поверхности.
Выполнение датчика в виде трубы, которую укладывают вдоль рельса, при этом при наличии движения воздуха в трубе выключают нагреватель, а при отсутствии - включают, упрощает конструкцию и повышает ее надежность, так как это позволяет автоматически управлять процессом нагрева с помощью простой аппаратуры.
Осуществление подвода тепла к теплоотдающей поверхности нагревателя посредством жидкого теплоносителя повышает эффективность передачи тепла от нагревательного элемента к теплоотдающей поверхности нагревателя, поскольку жидкость обеспечивает хороший тепловой контакт. Это снижает энергетические затраты.
Установка нагревателя между шпал под рамным рельсом и остряком с зазором от них упрощает конструкцию, так как позволяет приспособить ее к имеющимся стрелочным переводам без какой-либо переделки последних, а также способствует экономии энергии за счет исключения передачи тепла рельсам и шпалам.
Осуществление подачи тепла к стрелочному переводу неравномерно, когда большую часть подводят в зону расположения рамного рельса и остряка, и меньшую - в зону средней части стрелочного перевода, также экономит энергию. За счет меньшей передачи тепла зоне средней части в ней может частично остаться снежно-ледяная масса после выключения нагревателя, однако она не будет влиять на снижение надежности и качество работы стрелочного перевода. Поскольку при этом будет затрачено меньше энергии, чем необходимо было бы для таяния полностью всей массы на стрелочном переводе, то экономия энергии очевидна. Заметим, что оставшаяся на середине стрелочного перевода снежно-ледяная масса при определенных условиях может стаять за счет солнечной энергии или в период оттепели без помощи нагревателей.
2
2
Нагревание теплоносителя до кипения значительно увеличивает коэффициент теплоотдачи. Так, например, коэффициент теплоотдачи системы «спокойная вода - металлическая стенка» равен 350-580 Вт/м·К), а системы «Кипящая вода - металлическая стенка» - уже 3500-5800 Вт/(м·К). Это позволяет произвести очистку за более короткий срок, что пропорционально уменьшит продолжительность уноса непроизводительных энергетических потерь в окружающую среду.
Размещение концов трубы датчика вне нагревателя повышают надежность работы стрелочного перевода вследствие более качественной его очистки. Датчик выдаст сигнал на выключение нагревателя только после того как в первую очередь растает снежно-ледяная масса, находящаяся на нагревателях.
Подвергание в трубе датчика воздушного потока завихрению способствует работе датчика даже при малом движении воздуха (ветре), что повышает надежность конструкции.
Использование в качестве жидкого теплоносителя кремнийорганической жидкости повышает надежность и снижает потери в окружающую среду. Наиболее ценными техническими свойствами кремнийорганических жидкостей являются:
- широкий диапазон рабочих температур, то есть низкая температура застывания (-110°C) и стойкость к термоокислению до 300°C, это повышает надежность;
- высокие диэлектрические свойства, что повышает электробезопасность и надежность устройства в целом;
- химическая инертность, позволяет поддерживать длительное время в сохранности корпус нагревателя и нагревательного элемента;
- низкое поверхностное натяжение, то есть высокая смачивающая способность, что улучшает теплопередачу от нагревательного элемента к теплоотдающей поверхности;
- низкое давление насыщенных паров и высокая сжимаемость позволяют исключить разрыв корпуса нагревателя при повышении температуры жидкости в процессе нагрева и кипения, что повышает надежность;
- низкий коэффициент теплопроводности (0,167 Вт/(м·К) при 20°C) способствует уменьшению тепловых потерь от нагревателя в землю и в стороны, что снижает энергетические затраты.
Регулирование толщины слоя снежно-ледяной массы изменением положения конца трубы датчика относительно уровня головки рельса упрощает конструкцию.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен вид сверху устройства для очистки стрелочного перевода от снежно-ледяной массы. На фиг.2 изображен разрез А-А устройства. На фиг.3 изображен разрез Б-Б устройства. На фиг.4 изображен вид В устройства. На фиг.5 изображена часть конструкции датчика толщины слоя снежно-ледяной массы. На фиг.6 изображена схема устройства обработки сигнала.
Устройство для очистки стрелочного перевода содержит датчик, связанный через устройство обработки сигнала с нагревателем, размещенным между шпалами 1 под остряком 2 и рамным рельсом 3, и имеющим корпус 4 с нагревательным элементом 5, погруженным в жидкость 6, омывающую теплоотдающую поверхность 7, наклоненную наружу для стока талой воды. Датчик имеет неподвижно закрепленную на шпалах трубу 8, с размещенной внутри консольной пружиной 9 на свободный конец которой насажена пластина 10 с магнитом 11, взаимодействующим с неподвижным герконом 12, при этом концы трубы закрыты колпачком 13 с сеткой 14, которые могут быть покрыты снежно-ледяной массой 15. Устройство обработки сигнала содержит по два конденсатора 16, 17 и элемента 18, 19 ИЛИ-НЕ, три резистора 20-22, счетчик 23, усилитель 24 мощности (УМ) и магнитный пускатель (КМ) с обмоткой 25, которая подключена через усилитель мощности к k-му выходу счетчика и к первому входу элемента 18 ИЛИ-НЕ, второй вход которого соответственно через резистор 22 и конденсатор 17 соединен с объединенными с выходом элемента 18 входами элемента 19 и его выходом, подключенным к счетному входу счетчика, вход сброса в ноль которого соответственно через резистор 20, конденсатор 16 и резистор 21 подключен к шине питания и геркону, соединенному с землей.
Способ реализуют следующим образом.
Перед наступлением холодов (например осенью) включают устройство для очистки стрелочного перевода от снежно-ледяной массы в автоматический режим работы (фиг.1). Для этого подают силовую электрическую энергию на контакты магнитного пускателя и напряжение питания +U на схему обработки сигнала, поступающего от геркона 12 (фиг.6). После подачи напряжения питания посредством конденсатора 16 образуется короткий импульс логической единицы (лог.1), устанавливающий счетчик в нулевое состояние.
Предположим сначала, что осадков нет. В трубе 8, которая может быть проложена снаружи стрелочного перевода (на чертежах показана слева) или внутри (показана справа), за счет разности давлений на ее концах в ней начинается движение воздуха (сквозняк) (фиг.1, 3). Отметим, что разность давлений на концах трубы может образоваться из-за разной скорости движения воздуха, завихрений, разной плотности воздуха, его температуры и т.д. Движущийся в трубе поток воздуха воздействует на пластину 10 (служащую завихрителем), посредством которой консольная пружина 9 деформируется, отводя магнит 11 от геркона 12 (фиг.2, 5). При этом контакты геркона, которые при недеформированном состоянии пружины находились в замкнутом состоянии, разомкнутся, что приведет к появлению потенциала лог.1 на входе R сброса счетчика 23, обнуляющей его и запрещающей ему накапливать импульсы по входу С, которые формируются элементами 18, 19, 17 и 22. Так будет продолжаться до тех пор, пока не начнется выпадение осадков, покрывающих поверхности стрелочного перевода снежно-ледяной массой.
В процессе выпадения осадков толщина слоя снежно-ледяной массы будет увеличиваться, что приведет к закрыванию отверстий сетки 14 колпачка 13, снежно-ледяной массой 15 (фиг.4). Отметим, что в случае выпадения «ледяного» дождя капли воды будут стекать с крышки колпачка 13 и удерживаться на сетке 13, замерзая впоследствии и образуя ледяную воздухонепроницаемую оболочку. Толщину слоя регулируют, изменяя положение конца трубы (колпачка 13) относительно уровня головки рельса.
n
12
После того, как снег (замерзшая вода) закроет отверстия в сетке 14, движение воздуха в трубе 8 прекратится, и пружина вернется в исходное недеформированное состояние. Магнит 11 окажется у геркона 12, и контакты его замкнутся. В результате резистор 21 будет подключен к земле, и на делителе, образованном резисторами 20, 21, сформируется сигнал логического нуля (лог. 0), который поступит на вход R сброса счетчика 23, разрешая ему накапливать импульсы. Предположим, мы будем полагать, что промежуток времени, равный пяти минутам, в течение которого не произойдет движения воздуха в трубе 8 (контакты геркона будут постоянно замкнуты), свидетельствует о наличии на стрелочном переводе слоя снега, закрывшего отверстия сетки 14 колпачков 13 с обоих концов трубы. Тогда k-й разряд счетчика 23 на единицу должен быть больше n числа 2, которое приблизительно равно количеству импульсов, накапливаемых счетчиком за это время. Например на вход С счетчика 23 поступают импульсы с частотой 14 Гц. За 300 с. (5 мин.) счетчик накопит 14×300=4200 импульсов, что приблизительно равно 2=4096 импульсов, т.е. k=12+1=13, т.е. задействован должен 13-й разряд счетчика.
Таким образом, приблизительно через пять минут (точнее - 293 с.) на выходе k счетчика появится лог.1, которая поступит на вход элемента 18, и генерация импульсов на вход счетчика прекратится. Одновременно с выхода k лог.1 поступит на усилитель 24 мощности, который, в свою очередь, запитает обмотку 25 магнитного пускателя, в результате чего на нагревательные элементы 5 будет подано напряжение. Счетчик будет находиться в таком состоянии до размыкания контактов.
Тепло от нагревательных элементов через жидкость 6 будет передаваться теплоотдающей поверхности 7. Поскольку эта поверхность не имеет непосредственного теплового контакта с остряком 2 и рамным рельсом 3, то вся тепловая энергия будет расходоваться на таяние снега лежащего на этой поверхности и вблизи ее. Появляющаяся в результате нагрева снега талая вода будет стекать с поверхности 7 наружу, во-первых, не забирая при этом лишней энергии на свой излишний нагрев (что имело бы место, если вода оставалась даже частично на этой поверхности) и, во-вторых, увлажняя и уплотняя снег с наружной стороны рамного рельса. Поскольку нагреватели размещены на всем протяжении рамного рельса стрелочного перевода, то снег будет таять одновременно во многих местах, освобождая элементы стрелочного перевода.
После того, как снег растает непосредственно на теплоотдающих поверхностях 7 (которые будут продолжать растапливать падающие на них снежинки), начнется его таяние вблизи этих поверхностей за счет теплового излучения и потока теплого воздуха, переносимого ветром от нагретых поверхностей. При этом находящиеся над поверхностями 7 элементы стрелочного перевода будут осушаться от влаги. После прекращения снегопада элементы стрелочного перевода освободятся от снега и подсохнут, а сетки 14 колпачков 13, в конце концов, начнут снова пропускать воздух в трубу 8. Контакты геркона 12 вновь разомкнутся, и на вход R счетчика 23 поступит лог.1, которая сбросит счетчик в нулевое состояние. На его выходе k сформируется лог.0, магнитный пускатель выключит нагревательные элементы, и устройство придет в исходное положение.
Внедрение изобретения позволит создать простое по конструкции устройство для очистки стрелочных переводов от снега, потребляющее мало энергии и работающее в автоматическом режиме.