電磁感應加熱技術在道岔融雪除冰作業(yè)中的應用

閆勝春

0 引言

目前，鐵路道岔的融雪除冰主要采取的方式有電阻加熱、燃料加熱、人工作業(yè)等，這些融雪除冰方式既耗費人力又增加了管理成本，而且作業(yè)效率不高，還給作業(yè)人員人身安全以及鐵路運輸秩序帶來了較大安全隱患。因鐵路所處環(huán)境及自身運營狀態(tài)不同，各地區(qū)封凍期內使用的融雪除冰方式也各有不同，例如，北美地區(qū)以冷空氣壓縮和空氣加熱方式為主；阿爾卑斯山區(qū)鐵路線地處寒冷、雪量大地區(qū)，主要采用天然氣和電阻加熱方式；西伯利亞地區(qū)鐵路主要是結合冷空氣壓縮和空氣加熱以及輸送熱蒸汽方式為主；日本則以撒鹽和加熱空氣的方式為主。北歐國家在電阻加熱融雪除冰方面的研究技術已日趨成熟，亞洲和北美洲國家近幾年也在逐步增加電阻加熱方式研究的投入。

現有的電阻加熱融雪除冰方式存在預熱時間過長、能源消耗巨大、控制方式智能化程度不高等弊端，己不能滿足當前鐵路高速、安全、正點和大密度運行的需求，急需投入基于全新技術的融雪除冰系統。面對當前車站對道岔的工作效率要求較高，但實際因降雪天氣帶來的道岔扳動不良頻發(fā)的矛盾，各鐵路公司開展了多項專項技術研究，包括除雪作業(yè)模式優(yōu)化、除雪工具改良、電阻加熱+人工掃雪相結合、除雪小車等，在一定程度上緩解了降雪天氣情況下道岔正常動作所受到的影響，但仍未從根本上解決極端天氣情況下道岔積雪甚至結冰給道岔正常動作帶來的難題。

1 研究背景

目前，各鐵路車站在冬季除雪應急預案啟動后，主要以電阻加熱+人工掃雪相結合的方式來保證站場道岔正常動作。經現場調研和咨詢，目前主流的道岔除雪融冰方式主要存在以下幾類問題：

（1）電阻加熱融雪除冰系統啟動后，預熱時間較長，需在大雪來臨前2～3 h開始啟動預熱；

（2）達到融雪除冰要求所需電能消耗量較大，以常見的電阻加熱融雪除冰設備為例，功率基本在1萬千瓦以上，單機運行功率較大，功率太小則效果不明顯；

（3）智能技術應用不夠，設備開啟后，不能根據融雪效果進行自感知、自診斷，長期運行能源浪費嚴重，短時使用又容易造成已融化的雪水再次結冰，增加融雪除冰工作量；

（4）現有設備一般采用串聯傳遞方式啟動，融雪除冰設備啟動時沖擊電流較大；

（5）現場作業(yè)人員與后臺控制人員只能通過對講機等傳統通信方式取得聯系，缺乏實時監(jiān)測、實時跟蹤、實時預警能力；

（6）人工除雪過程中，現用除雪機噪音大，雪天視線不良，防護壓力巨大，人身安全存在較高風險隱患；

（7）列車運行密度大，因積雪和結冰造成道岔動作不良，將帶來巨大的運輸經濟損失。

針對以上突出問題，本文開展電磁感應加熱技術在道岔融雪除冰作業(yè)中的應用研究，重點從理論分析、實驗對比、模型建立幾個方面入手[1]，結合先進的科技手段，確保冬季降雪天氣情況下道岔能夠正常轉換，防止積雪或結冰阻擋尖軌運動引起因尖軌動作摩擦力過高造成道岔不能正常轉換，以至于發(fā)展為行車事故。

2 研究分析

某編組站共有 451組頻繁使用道岔安裝了電阻加熱融雪設備，冬季遇大雪天氣，站場除雪融冰主要采用電阻加熱結合人工掃雪的方式，另外，電阻加熱系統啟動需預熱較長時間才能起到融雪除冰作用。電阻加熱融雪裝置未啟動時，上級電源Ⅰ路所帶負荷電流70 A，Ⅱ路所帶負荷電流93 A；電阻加熱裝置啟動后，上級電源Ⅰ路所帶負荷電流立即攀升至233 A，功率由2.2萬kW增至7.2萬kW，Ⅱ路所帶負荷電流攀升至170 A，功率由2.9萬kW增至5.3萬kW。僅融雪除冰系統應用這一項就給該車站電力供應帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

2.1 電阻加熱融雪裝置應用分析

忽略熱損失和電流損耗進行功率分析，電阻加熱等效電路如圖1所示。圖中，R1為電阻加熱系統電阻，R2為連接線路電阻。

圖1 電阻加熱等效電路

根據Q=I2Rt（I，R，t分別代表電流，電阻和工作時間），單臺融雪加熱裝置最大功率約為13 000 W，其最大電流約為60 A，R為125 Ω，不考慮預熱期，工作1 h所需熱量為4.68×104kJ，耗能 13 kW·h；451組融雪加熱裝置耗能共計5 863 kW·h。

2.2 電磁感應加熱除雪融冰系統應用分析

電磁感應加熱技術通過接入的電路系統及電氣設備產生的交變磁場，使高頻電磁穿過置于其上的鐵質容器，通過截面切割磁感線而產生渦流電能，進而轉化為熱能[2]，實現除雪融冰的效果。電磁感應加熱技術應用簡圖如圖2所示。

圖2 電磁感應加熱技術應用簡圖

電磁感應加熱是利用感應電流通過工件產生的熱效應使工件表面局部加熱，其熱效應原理如表1所示。

表1 電磁感應加熱技術熱效應原理

電磁感應加熱線圈設計應參照被加熱道岔尖軌處的幾何形狀，原理主要是電磁感應的鄰近效應和尖角效應，分電流同向和異向通過導體兩種情況考慮；結合電流密度、交變頻率和線圈匝數完成熱量供應需求、表面均衡受熱以及磁場強度控制[3]，達到快速融雪除冰和避免燒損設備的目的。

電磁感應加熱單元磁感應強度B計算式為

式中：n為匝數，本文中取4；R為通電導體截面半徑，i為序號；D為工件半徑；k為空氣磁導率；I為通過線圈電流。

電磁感應加熱單元的有效電動勢為

電磁感應加熱單元加熱功率為

式中：w為導體壁厚；h為換熱系數，h= 450 W·m-1·K-1；r為熱滲入的徑向距離；空氣磁導率k=1；ρ為電阻率，10-8Ω·m；工作頻率f= 20～40 kHz。計算結果見表2。

表2 變化參數及功率計算統計

電磁感應加熱設備安裝于道岔尖軌處（轉轍部分）底部或兩側，選取適合的抗磁干擾材料制作外殼，創(chuàng)造封閉空間，通電后產生高頻交變電流，在鋼軌內部產生渦流，渦流產生熱能后，開始融雪除冰工作。因產生的熱能來自于鋼軌內部，而不是外熱傳遞給鋼軌，因此熱能利用效率較高，運營成本低，融雪除冰效果更佳。

2.3 電阻加熱與電磁感應加熱對比

表3選取功率4 kW的電磁感應加熱設備與某站現用的電阻加熱系統進行試驗對比。

表3 電阻加熱與電磁感應加熱系統工作1 h耗能對比

通過上表數據可知，在實際生產中使用電磁感應加熱系統進行除雪融冰，加熱反應時間短，電能消耗大幅減少。

3 積雪（結冰）消融模型分析

3.1 基本模型

在電磁感應加熱條件下，隨時間推移和環(huán)境溫度變化，積雪（冰）存在一個隨時間變化的消融過程，通過建立數學模型，追蹤時間、溫度影響的條件下“固相-液相”變化的界面（相變界面），以反映冰雪消融過程。

對該類熱傳導問題采用無量綱化的形式，在半無限均勻介質中有如下模型方程[4]：

式（4）為相變界面上的能量守恒條件，其中，T表示溫度，x為空間變量，t為時間變量。

設Ste為Stefan數，β為Stefan數倒數，Tm為液相溫度，T0為相變界面（固體冰-液態(tài)水）發(fā)生變化時的初始溫度，則有其中c為熱容，L為相變潛熱。

3.2 模型求解

上述方程式（4）、式（5）描述的熱傳導問題精確解為[4]

其中，s(t)為相變界面位置隨時間變化的函數，α為下面超越方程的根，α稱為融化參數（melt parameter），通過數學軟件（Mathematics）可解得α= 0.623。

當β= 1，t= 1時計算得到s(t) = 1.240 2。圖3所示為相同條件下s(t)隨時間的變化規(guī)律。

圖3 “固相-液相”變化界面追蹤

通過數學模型的建立和分析，揭示出水在“固-液”變化瞬間的客觀規(guī)律，為積雪（結冰）探測技術應用和智能化遠程控制技術嵌入提供了有效的理論依據和良好的研究基礎。

4 應用展望

結合智能化溫度自感知模塊、積雪智能探測模塊、智能化控制模塊、實時間隙測量模塊和智能化通信傳輸模塊等創(chuàng)新技術應用，提升電磁感應加熱道岔融雪除冰系統智能化作業(yè)能力，實現實時監(jiān)測現場雪量、冰情、溫度等，后臺進行數據分析，觸發(fā)預警信號，傳遞系統開、閉決策信息，及時有效清除道岔積雪和結冰。

積雪厚度智能探測模塊用于實現降雪實時測量，當積雪厚度大于預設值時，預警信號啟動，根據提示，控制模塊自主決策啟動電磁加熱系統。

智能化控制模塊可由三相橋式整流器、單相半橋電壓諧振變換器、智能化控制觸發(fā)器構成，三相交流電經整流器變換成直流電，再進行LC濾波后，經電壓諧振變換器變換為特定頻率的交流電，最終供給電磁感應加熱線圈，智能化控制觸發(fā)器，根據現場雪量、鋼軌溫度數據采集、分析，觸發(fā)預警信號，決策系統開、閉信息。

實時間隙測量模塊主要為設計用于道岔尖軌實時間隙密貼檢測的磁致伸縮位移傳感器，在標尺桿上固定磁環(huán)，當標尺桿移動時，磁環(huán)隨之移動，從而產生磁環(huán)與磁質伸縮桿超聲發(fā)射端的位移變化，根據傳動桿位移量的變化結合通信傳輸模塊實時確定和監(jiān)測尖軌與基本軌的密貼狀態(tài)。

通過加載專用通信網或4G網絡，結合通信硬件設施，設計遠程管理控制軟件系統，將電磁感應加熱道岔融雪除冰系統運行狀態(tài)、雪量監(jiān)測數據、現場溫度、融雪效果、密貼狀態(tài)等信息及時傳輸給控制中心，實現全時段智能作業(yè)、在線監(jiān)測、遠程管控。

決策展示模塊通過數據實時傳輸，進行溫度、雪量厚度、預警信息、行車信息、現場人員準備情況等智能化分析，并展現在操作端，結合智能化控制模塊，進行作業(yè)部署、系統啟停決策、道岔單元化管理。現場作業(yè)人員與后臺操作人員通過語音對講、視頻接入、攝像監(jiān)測等手段進行實時監(jiān)測、實時跟蹤。系統推送行車數據分析結果，加強現場作業(yè)人員防護管理，合理安排行車路徑。

5 結語

本文對電磁感應加熱技術在道岔融雪除冰中的應用進行研究，經試驗研究分析，得出了電磁感應加熱技術熱效率要高于電阻加熱，在同等能量需求下，加熱時間和電能消耗方面也有明顯優(yōu)勢；通過建立和分析數學模型，從客觀上揭示了水在固態(tài)和液態(tài)狀況下變化的本質規(guī)律，為智能化檢測技術應用提供了理論依據；同時，提出結合先進的科技手段和智能化控制方式，可以減少極端天氣下人員上線作業(yè)數量、頻次，提升融雪除冰效率，大幅降低人身安全隱患。電磁感應加熱技術的推廣應用在很大程度上能夠減小冬季道岔凍害隱患，提高運輸安全可控性，避免因監(jiān)測不到位而形成道岔凍害，致使列車行進過程中道岔不能正?；顒佣斐尚熊嚢踩鹿?。