动车模型热力除冰实验研究

2018-05-31邓保顺沈德安董建锴

铁道标准设计 2018年6期

邓保顺,沈德安,董建锴,谢腾

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 730000； 2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨 150090)

随着科技的进步和经济的发展，中国的铁路运输得到了长足发展和进步[1]，人们对高铁及动车组的依赖也越来越高。铁路运输的安全性和舒适性是其重要的优势[2]，从多方面考虑列车运行中的各种安全问题，降低和消除列车运行过程中的安全隐患，才能更好地维持铁路运输的优势地位[3-5]。

我国幅员辽阔，北方大部分地区位于北温带和亚热带，冬季非常寒冷，下雪和结冰现象多有出现。尤其在我国西北、东北等地，冬季室外气温常低于-10 ℃，有的甚至低至-30 ℃以下。哈大客运专线、兰新线等客运专线[6]地处寒冷或严寒地区，冬季，高速列车长时间在雨雪天气中运行，车体的转向架等部位将出现积雪覆冰的现象[7]。

动车在雨雪天气下运行时，车体的转向架和底盘等部位出现积雪覆冰，可能会造成列车的制动和转向系统等部件的故障。如果不能及时清除冰雪，冰雪附着还可能会损伤车厢电缆和破坏车钩，给客货运输带来诸多隐患。为此，针对列车冬季结冰积雪的情况，不同国家的铁路公司研究开发了不同融冰、防冰方法和设施，以消除和减缓结冰积雪对铁路系统正常运行的影响。

日本高铁主要采用喷热水方式，检修库设置专用融冰除雪线，喷洒温水用来融冰除雪[8]。北欧铁路主要采用融冰剂加热水的方式，在库外存车线露天设置自动除冰设备[9]，列车以1.2 km/h的速度通过，对车辆下部结冰部位喷洒含有丙二醇的融冰剂，并利用回收装置重复利用，每个转向架需时间40 s。

我国常用的列车融冰方式是在专门的维修车库通过加热的空气进行除冰[10-11]。另一种方法是通过人工除冰，工人通过敲打等方式直接敲碎并清除附着在列车转向架冰层，而人工方法如操作不当极易对车体产生损伤。在实际操作中，热风融冰系统会造成工作环境温度大幅上升，有时工作空间内空气温度可以达到50 ℃以上，严重恶化了工人的工作条件，降低了工作效率[12]。

基于上述分析可以看出，十分有必要对现有的动车组融冰方式进行深入研究，从而改进优化动车组的除冰方法。针对我国的动车养护机制，以及红外线具透过表层加热、辐射热反射少、传输过程中热损几乎可以忽略等优点[12]，提出把红外线加热技术应用于动车除冰。

红外线加热技术起始于20世纪60年代，具有低能耗、加热速度快，现已作为一项成熟的节能加热技术被广泛应用[13]。红外线加热对环境是没有任何污染的，相比除冰热的动车除冰更加环保[14]。且随着技术的发展，现有的红外线加热装置的热效率能达到80%以上，所以红外线加热技术是一项成熟的、环保的和节能的技术，应用于动车融冰除雪是具有一定可行性的。

1 实验台设计及实验方案

1.1 动车模型实验台

通过对哈尔滨动车除冰库的调研了解到，除冰主要针对动车底部转向架等部位，所以动车模型主要构建了动车转向架和轴承，车厢即用一个箱体表示。具体动车模型和除冰室模型如图1所示，图中彩色部分为主要覆冰区域。

图1 除冰室及动车模型

在实际动车库热风除冰过程中，由于热风除冰的效率较低，热风除冰系统的长时间运行会造成动车库的工作环境温度大幅上升，甚至有时工作空间内空气温度达到50 ℃以上，严重恶化了工人的工作条件。所以研究热风融冰对室内热环境的影响也很有意义，实验过程中通过搭建保温融冰实验室(长5 m，宽4 m，高3.5 m)，并在室内布置32个温湿度传感器测量并记录融冰实验室内环境温湿度的变化。通过对实验数据的处理分析，可以得到不同热风温度和风速对室内热环境的影响。动车模型按照和谐号CRH2型电力动车组，选取动车两轮之间的机车模型，具体尺寸按照1∶1进行设计，具体尺寸如图2、图3所示。

图2 动车模型尺寸(正视)(单位：m)

图3 动车模型尺寸(侧视)(单位：m)

1.2 热风除冰实验

通过调研得到，现有的热风除冰的风温为50 ℃左右，风速为10 m/s，所以把热风融冰的风温工况定在50 ℃附近，即45 ℃、50 ℃和55 ℃；实验风速定在10 m/s，并且对均流风口和散流风口两种不同风口进行实验研究，其中均流风口为格栅式均流风口。由于实验模型的冰层在不同结构和不同部位，热风除冰过程中风口距离冰表面的最近距离为20 cm，最远距离为50 cm，实验过程中动车模型的结冰部位冰层厚度均为5 cm。具体热风融冰实验工况列于表1，实验台如图4所示。

表1 热风融冰实验工况

图4 热风除冰实验照片

1.3 红外线除冰实验

由于动车底部和侧面有部分构件不耐高温(动车表面温度超过100 ℃，就会对机车产生损害)，所以此次动车模型除冰实验选用的灯管温度为200 ℃。红外线加热设备如用于动车库内除冰时，限于现场条件，针对不同部位的冰层，辐射距离也会相应变化，所以分别对0.5、1 m和1.5 m的加热距离进行实验。具体红外线融冰实验工况列于表2，实验台照片如图5所示。

表2 红外线融冰实验工况

图5 红外线除冰实验照片

2 实验结果及分析

2.1 热风除冰

(1)热风除冰时长分析

热风除冰实验风口距离冰层的最近距离均为20 cm，除冰所需要的时长随热风温度变化列于图6。

图6 热风除冰时间曲线

通过图6可以看出，风速10 m/s、温度45 ℃时，均流风口所需融冰时间为156 min，散流风口则需要169 min；温度为55 ℃时，均流风口所需融冰时间为142 min，散流风口则需要154 min。从图6中2条曲线可以看出，均流风口的融冰时间短于散流风口，并且融冰时间随热风温度升高而减少。

(2)热风除冰过程中室内温度变化

为了更好地研究分析除冰室内温度变化规律，首先需要明确实验房间围护结构传热系数。房间四周侧墙为内置5 cm厚度的挤塑板的木墙，房间没有外窗，门也是采用挤塑板保温材料，按外墙考虑。房顶为10 cm厚度的彩钢夹芯板。具体参数见表3。

表3 除冰室围护结构传热系数

图7为热风温度50 ℃，风速10 m/s时的室内温度变化曲线，图中4条曲线分别为距地0.1、1、2 m和3 m处温度测点平均值随时间的变化。由图可以看出，0.1 m处的初始温度8.6 ℃，除冰结束时温度11.2 ℃，温升为2.6 ℃；3 m处的初始温度15.5 ℃，除冰结束时温度21.8 ℃，温升为6.3 ℃。所以房间在热风加热除冰过程中沿着高度方向温升逐渐增加。完成除冰实验后室内的最高温度为21.8 ℃，远低于实际动车库除冰时的50 ℃，造成此现象主要原因：热风除冰过程中，在动车模型上方有个热回收风口，可以把除冰室的余热回收，即节能又可降低室内环境温度。所以针对动车除冰现有的热风除冰方法，想要降低动车除冰过程中环境的温度，可在除冰库增加一套热空气余热回收装置。

图7 热风除冰室内温度变化

2.2 红外线除冰

(1)红外线除冰时长分析

前面章节对热风除冰进行了研究分析，接下来对红外线除冰实验进行数据分析，红外线除冰时长如图8所示。

图8 红外线除冰时长曲线

通过图8可以看出，加热距离为0.5 m时，除冰所需时间为66 min；加热距离为1 m时，除冰所需时间为82 min；加热距离为1.5 m时，除冰所需时间为115 min。所以红外线除冰的辐射加热距离随着距离增加除冰所需时间也相应增加。对于实验设定工况红外线除冰最短需要66 min，而热风除冰最短则需要142 min，所以红外线除冰的速率远高于热风除冰。

(2)红外线除冰过程中室内温度变化(图9)

图9 红外线除冰室内温度变化

图9中4条曲线分别为距地0.1、1、2 m和3 m处温度测点平均值随时间的变化。由图9可以看出，0.1 m处的初始温度8.8 ℃，除冰结束时温度9.3 ℃，温升为0.5 ℃；3 m处的初始温度15.2 ℃，除冰结束时温度18.2 ℃，温升为3 ℃。红外线加热除冰过程中房间内的最大温升为3 ℃，而热风加热除冰房间内的最大温升为6 ℃。从能量耗散的角度考虑，热风加热中有更多的热量耗散到室内空气中，故而红外线加热相比热风加热更加节能。

3 除冰能耗及经济性分析

在动车除冰实际工程应用中，不光要考虑除冰速率，除冰能耗也是评价除冰方案优劣的重要因素。实验过程中不同除冰方法的耗能通过电量采集仪进行实时测量记录。首先对热风除冰的能耗进行分析，表4为热风融冰的能耗。

表4 热风除冰能耗 kW·h

由表4可以看出，均流风口的除冰能耗是低于散流风口的，这是由于均流风口和散流风口的除冰功率相同，但均流风口的除冰速率大于散流风口。表5为红外线融冰的能耗。

表5 红外线除冰能耗

如表5所示，红外线除冰在加热距离为0.5 m时，除冰能耗仅为6.6 kW·h，远低于热风除冰能耗18.5 kW·h，此时红外线除冰的能耗为热风融冰能耗的35.7%，实验工况下的红外线除冰相比热风除冰可以节能64.3%。

关于不同除冰方案的经济性分析，首先对可移动电加热热风机除冰方法的分析研究。实验过程中是对单个转向架进行实验研究分析的，采用了4个出风口，而实际动车组的单节车厢共有2个转向架，所以每节车厢宜采用8个热风机。动车组8节车厢和列车头需要72台热风机，另需8台备用及重点部分除冰使用，故单条除冰线需要80台功率8 kW热风机。以单台设备1万元计，共需80万元的初期投资。单次除冰能耗的计算公式如下

E=N·P·t

式中，E为单次除冰能耗；N为除冰设备数量；P为除冰设备的功率；t为除冰时长。

动车机车有相关维护要求，动车底部的设备温度不能高于90 ℃，所以红外线灯管必须选用长波辐射，并且辐射距离不能短于0.2 m。红外线除冰设备功率为5 kW，单台价格估算为8 000元。

通过计算可知，红外线除冰的初投资和1辆动车的除冰费用均低于热风除冰。除冰能耗及经济性分析见表6。