基于电加热技术的道岔融雪方案研究

Study on Switch Snow-Melting Schemes Based on Electric Heating Technology

摘要

基于电加热技术实现道岔融雪的传统方案只在基本轨轨腰安装电加热条，对道岔转换部位的加热效率低，易导致严寒地区道岔尖轨区域的融雪不充分。为此，提出在滑床板上安装电加热板（电加热板方案）、在基本轨轨腰安装电加热条同时在滑床板上逐个安装电加热板（组合方案1）或每隔1个滑床板安装1个电加热板（组合方案2）共3种新方案；确定电加热板的安装位置，并建立60 kg · m^-1钢轨12号道岔的数值模型；通过数值模拟分析比较-20 ℃环境温度下使用传统方案与3种新方案时道岔尖轨区域的温度分布、测温点温度及小雪和中雪情况下的融雪效果，并改变环境温度为-40 ℃进行计算，分析各方案在更极端工况下的作用情况。结果表明：使用传统方案和电加热板方案时温度分布不均匀，而2种组合方案的温度分布在基本轨和道岔转换部位较均匀；3种新方案较传统方案使道岔转换部位的温度分别提高了65.09，35.72和62.99 ℃，基本轨温度分别降低了151.24，62.03和58.51 ℃；小雪情况下，新方案的融雪效果优于传统方案，无雪率分别提高了30%，32%和19%；中雪情况下，组合方案1的融雪效果最好，较传统方案的无雪率提高了28%；综合考虑温度分布的均匀性和融雪效果，使用组合方案1可以更好地保障并提高道岔尖轨区域的融雪性能；上述结论在更极端环境温度工况下仍适用。研究结果可为道岔融雪现场工程设计和性能优化提供参考。

Abstract

The traditional switch snow-melting scheme based on electric heating technology installs heating strip only on the waist of the basic rail, resulting in low heating efficiency for the switch conversion part and often leading to insufficient snow melting at the switch rail in severely cold regions. Therefore, three new schemes are proposed: installing electric heating plates on the sliding bed plate (electric heating-plate scheme); installing electric heating strips on the basic-rail waist and installing electric heating plates on every sliding bed plate (combined scheme 1), or installing one electric heating plate on every other sliding bed plate (combined scheme 2). The installation positions of the electric heating plates are determined, and a numerical model of No.12 switch of 60 kg · m^－1 rail is established. Through numerical simulation, the temperature distribution, temperature at measuring points, and snow-melting effects under light and moderate snow conditions of the switch-rail area are compared with the traditional scheme and the new schemes at an ambient temperature of －20℃. The ambient temperature is then changed to －40℃ to analyze the performance of each scheme under more extreme conditions. The results demonstrate that the temperature distribution is non-uniform when for the traditional scheme and electric heating-plate schemes, whereas both combined schemes yield more uniform temperature distributions in the basic rail and switch conversion parts. Compared with the traditional scheme, the temperature of the switch conversion part using the three new schemes is increased by 65.09℃, 35.72℃ and 62.99℃, respectively, and the temperature of the basic rail is decreased by 151.24℃, 62.03℃ and 58.51℃, respectively. Under light snow, the new scheme demonstrate better snow-melting performance compared to the traditional approach, achieving a 30%, 32% and 19% improvement in snow-free rates respectively. Under moderate snow, combined scheme 1 delivers the most effective snow-melting results, improving the snow-free rate by 28% over the traditional scheme. Considering both temperature uniformity and snow‑melting effectiveness, combined scheme 1 better ensures and enhances the snow-melting performance in switch-rail area. The above conclusions remain valid under more extreme ambient temperatures. The findings provide a reference for the engineering design and performance optimization of field switch snow melting systems.

Graphical abstract

关键词

道岔融雪 / 尖轨 / 电加热技术 / 电加热板 / 数值模拟

Key words

Switch snow-melting / Switch rail / Electric heating technology / Electric heating plate / Numerical simulation

冬季降雪时易在铁路道岔尖轨处形成积雪并结冰，将影响尖轨在道岔转换部位的滑动以及基本轨与尖轨的密贴，进而影响列车通过时的平稳性，降低列车的通过能力，严重时甚至危及行车安全，保证道岔尖轨区域良好的融雪效果是保障列车冬季运行安全和运输效率的重要手段。我国有超过70%的地区处于降雪区域^［1］，并且随着铁路建设技术的发展和覆盖区域的增加，分布在严寒地区的高铁运营里程已达8 000 km^［2］，如纵贯东北三省的哈大高铁、兰新高铁以及世界首条设计时速350 km的智能京张高铁均已开始运营^［3］，严寒地区道岔除雪的需求日益剧增。目前国内外的道岔除雪方法有人工除雪、风力除雪、盐水除雪、电加热融雪和电磁加热融雪^［4-5］。2005年，原铁道部将电加热道岔融雪作为我国道岔自动除雪的方向^［6］。电加热道岔融雪系统（简称“融雪系统”）将电加热元件安装在基本轨轨腰、轨坡或其他可用处^［7］，采用电加热的方法使基本轨内侧和道岔转换部位处积雪融化^［8］，可以实现自动化融雪。融雪系统已在我国铁路线路上广泛应用，但近年来在使用过程中发现融雪系统存在能源浪费大、融雪效率低等问题，提高融雪系统的融雪效果并降低能源消耗是目前研究的重点。

为解决这些问题，Kim等^［9］提出在融雪前对运行轨进行预热可以节约电能的消耗，并通过现场试验和ANSYS数值模拟，建立了可靠的电预热系统运行时间标准。Basile等^［10］基于随机模型进行分析，建立了可以实时读取环境温度和轨道温度，并根据给定的阈值和优先级决定何时开启或关闭的加热系统。Flis等^［11］和Brodowski等^［12］提出电加热元件的非接触安装方式，并通过试验证明非接触安装方式融化积雪的效果更好。苏蕊等^［13］在原有融雪系统的基础上进行智能化改进，实现了根据气象站反馈的气象信息自动启停融雪系统、根据行车计划定位实际使用的道岔并对其进行精准加热，更加节约能源。邱战国等^［14］分析了融雪系统耗电量大的原因，提出将智能控制技术应用于融雪系统可以实现系统的节能控制；并结合现场试验提出在滑床板两侧增加电加热条和使用U型加热条可以提高融雪设备的热效率。安岩^［15］通过Abaqus软件进行数值模拟，证明了在基本轨和尖轨底部安装加热板比在轨腰使用加热条效果更好；通过现场试验提出在基本轨外侧使用保温材料或提高电加热元件的辐射率可以有效提高融雪设备的热效率。

上述研究对提高融雪系统的融雪效果提出了可行的方法，但极少考虑改变电加热元件的安装位置或使用新型电加热元件；传统方案中将电加热条安装在基本轨轨腰处，对尖轨处道岔转换部位的热量传导较低；或将电加热元件预装在滑床板内的方法，若电加热元件损坏，维护和更换很困难^［16］。

本文为提高严寒地区尖轨处道岔融雪系统的加热效率，提高道岔转换部位接收到的热量，以道岔转换部位温度和融雪效果衡量融雪系统的加热效率，在不影响滑床板的强度、功能和基本轨内侧融雪效果的前提下，提出在滑床板上安装电加热板的方案和电加热元件的组合安装方案。确定电加热板的安装位置，并通过可以进行多物理场仿真计算的软件建立三维有限元数值模型，比较仅在滑床板上安装电加热板的方案、电热板和电加热条共同使用的组合方案与在基本轨上安装电加热条的传统方案下道岔区域的温度分布、测温点的温度和融雪效果，得出安装电加热元件的最优方案。以期为道岔融雪实地方案规划和实际应用提供参考。

1 电加热元件的安装方案

1.1　传统方案

传统方案中使用电加热条进行加热，并且电加热条安装在基本轨轨腰处，如图1所示。由文献［8］和现场调研可知电加热条在安装时使用多组专用安装卡具，确保电加热条不会向把手方向爬行，满足抗震性能，在列车通过时不会因较大的外力冲击掉落。使用的电加热条长度为5.2 m。

1.2　新方案

为了对比不同方案下融雪系统的加热效率，进一步提出电加热板方案，电加热板和电加热条同时使用的组合方案，设置如下。

1.2.1　电加热板方案

电加热板方案在滑床板上依次安装电加热板，电加热板的外观^［17］如图2所示。图中：右侧主要为加热部分，黄色部分为电加热板的上层保护板，白色部分为下层保护板，发热元件在两者中间，使用的发热元件是镍铬合金电热丝；左侧主要为安装部分。

为了保证道岔转换部位不存在积雪和冻冰，故将电加热板安装在靠近尖轨的一侧，电加热板侧边发热元件的长度可以根据滑床板的型号进行改变，并且侧边加热板的面积较小，避免在加热过程中使滑床板温度过高。电加热板的安装位置如图3所示。电加热板由螺丝、固定件等扣件牢固安装在滑床板上，电加热板安装位置确定后，由于其安装在滑床板上，并且板面较薄，安装后其位置远低于滑床台的高度，与尖轨和滑床台未直接接触，因此电加热板不会影响尖轨的转换，并且尖轨转换时也不会对电加热板造成影响。

1.2.2　组合方案

（1）组合方案1：尖轨处需要融雪的区域同时安装电加热条和电加热板，电加热板在滑床板上逐个安装，如图4所示。

（2）组合方案2：同组合方案1一样也同时安装电加热条和电加热板，但电加热板每隔1个滑床板安装1个，如图5所示。

2 数值模型

2.1　模型建立

由于现场试验耗时较长、用电量大和试验设置复杂等问题，且为进一步探究各方案的温度分布情况和融雪效果，建立仿真数值模型。由于道岔结构的传热过程在其延长方向上具有周期性，为减少计算量并满足电加热条的安装长度，建立模型中基本轨的长度为5.5 m，使用9组滑床台、滑床板，9个橡胶垫板，基本轨与尖轨为斥离状态，由现场测量得在第1牵引点处基本轨与尖轨之间的距离为160 mm。由于滑床板下方与轨枕之间有导热系数很低的橡胶垫板，故忽略滑床板以下的部分。同时，建模时也忽略了道岔区域内几乎不会对传热过程产生影响的螺丝等扣件。建立的数值模型如图6所示。

按照GB/T 2585—2021《铁路用热轧钢轨》^［18］和文献［19］设置道岔区域各部件材质和热物性参数，电加热条和电加热板的热物性参数根据产品出厂时的指标选取，详见表1。

2.2　模型验证

为了验证模型的准确性，设置现场试验的测温点a，b，c，d（如图7所示），提取这4个测温点的现场道岔融雪数据对模型进行验证。

现场试验和数值模型计算条件设置：环境温度-20 ℃，使用6个电加热板，每个的加热功率200 W，加热时长120 min。将4个测温点现场实际值与数值计算值进行对比，结果如图8所示。图中温度指的是使用温度传感器在道岔区域对应图7位置处测得的温度。

从图8可以看出：各测温点的温度变化曲线趋势基本相同，并且计算得测温点a至测温点d数值计算值与现场实际值的均方根误差分别为2.58，2.63，2.78和1.26，误差可能由于现场环境条件随时间变化而数值模拟分析时无法准确模拟此种变化而引起，但各测温点均方根误差较小，并且温度的变化曲线趋势相同，从而验证了数值模拟模型的准确性。

2.3　数值计算参数设置

根据气象信息和文献［20］可知，我国严寒地区极端温度在-20 ℃以下，故取试验的环境温度为-20 ℃；由融雪现场数据可知加热180 min时各测温点温度值趋于稳定增长，故设定加热时长为180 min。

由于严寒地区尖轨尖端3~5 m区域内电加热条的配置功率不低于800 W · m^-1，故试验时传统方案中电加热条的配置功率为865 W · m^-1，电加热条总功率为4 500 W。组合方案中电加热条配置总功率为2 700 W，电加热板配置总功率为1 800 W，电加热元件的总功率为4 500 W，未增加加热功率的输入。各方案试验条件详见表2。

2.4　测温点设置

为了更准确地分析道岔转换部位和基本轨的温度，在数值模型中设置6组温度传感器即6个测温点，并设置编号1—6，对应的位置分别为基本轨底部、基本轨顶部、滑床台内侧、滑床台外侧、尖轨底部和弹性垫板前侧，如图9所示。其中测温点1和测温点2用于衡量基本轨的温度，并设基本轨的温度为测温点1和测温点2的平均值；测温点3—测温点5用于衡量道岔转换部位的温度，并设道岔转换部位的温度为测温点3—测温点5的平均值；测温点6用于衡量弹性垫板的温度。若在现场实际测量，可以在测温点对应位置使用温度传感器实现。

3 试验结果

根据上述设置条件对环境温度在-20 ℃时各方案下道岔尖轨区域的温度分布、测温点温度和融雪效果进行了数值模拟计算，并对结果进行了分析。为验证更极端工况下各方案的可行性，其他条件不变的情况下设置环境温度为-40 ℃，模拟与环境温度为-20 ℃时的结果进行了对比。

3.1　道岔尖轨区域温度分布

设置环境温度为-20 ℃时，传统方案、电加热板方案及2种组合方案下道岔尖轨区域的温度分布分别如图10所示。从图10可以看出：传统方案下由于道岔转换部位无法通过热传导接收热传递，故温度分布集中在基本轨处，道岔转换部位处温度较低；电加热板方案中由电加热板对滑床板进行热传导后由滑床板对道岔转换部位进行热传导，基本轨无法接收热传导，故此时温度分布集中在道岔转换部位，基本轨处温度较低；2种组合方案中既有电加热条对基本轨的热传导，又有滑床板对道岔转换部位的热传导，此时温度分布在基本轨和道岔转换部位处较均匀；但组合方案2中未安装电加热板的区域在道岔转换部位的温度较低。

3.2　测温点温度

设置环境温度为-20 ℃时，传统方案、电加热板方案和2个组合方案下6个测温点的对比结果如图11所示。

从图11可以看出：4种方案下的基本轨温度分别为150.05，-1.19，88.02和91.54 ℃，后3种方案使基本轨温度分别降低151.24，62.03和58.51 ℃；道岔转换部位温度分别为55.1，120.19，90.82和118.09 ℃，后3种方案使道岔转换部位的温度分别提高65.09，35.72和62.99 ℃；弹性垫板的温度分别为116.57，33.19，87.86和102.62 ℃；即在输入相同功率的情况下，使用后3种方案可以提高道岔转换部位的温度，即提出的这3种方案可以提高道岔转换部位的加热效率；使用传统方案和电加热板方案时基本轨温度和道岔转换部位温度相差过大，且个别测温点温度过低，推断其融雪效果差；而使用组合方案时两者差距减小，并且各测温点温度适中，温度分布较为均匀，可以避免基本轨内侧和道岔转换部位处融雪效果不均，推断其融雪效果较好；使用传统方案时弹性垫板温度过高，而使用新方案时可使弹性垫板温度分别降低83.38，28.71和13.95 ℃，电加热板方案和组合方案1情况下弹性垫板温度最低，故可知新方案可以降低由温度过高对弹性垫板的强度和使用寿命造成的影响；使用组合方案可以避免由加热功率过大和加热时间过长引起的基本轨、道岔转换部位温度过高，避免其对钢轨造成损伤。

3.3　融雪效果

根据我国天气网发布的信息可知小雪、中雪的地面积雪深度分别为0~30 mm和30~50 mm，故在数值模型中对应建立10和30 mm厚的积雪。考虑到研究目的是提高尖轨处的融雪效果，故此处地面积雪深度指积雪在滑床台上的厚度，此时滑床板上的积雪厚度分别可达42和62 mm，达到了大雪对应的地面积雪深度，小雪情况下积雪无法覆盖电加热条，中雪情况下积雪可以覆盖电加热条，建立模型如图12所示。从图12可以看出：积雪不仅覆盖在道岔转换部位，也覆盖在基本轨和尖轨上，故尖轨和基本轨密贴时不仅需要保证道岔转换部位和基本轨内侧无雪，也要保证尖轨外侧无雪，避免尖轨被冻住，基本轨外侧的积雪不会影响尖轨的转换以及基本轨与尖轨的密贴，故主要考虑基本轨内侧、道岔转换部位处和尖轨外侧积雪的融化情况，即图12中的中间积雪和右侧积雪区域，下文所述的融雪效果和无雪率皆指这2个区域。

3.3.1　小雪情况下

设置环境温度为-20 ℃时，计算小雪情况下各方案的融雪效果，结果如图13所示。

设置环境温度为-20 ℃时，小雪情况下各方案的无雪率（积雪融化后水的体积与总体积之比）如图14所示。

从图13和图14可以看出：小雪情况下，由于积雪未覆盖电加热条，电加热条无法通过热传导传热至积雪和道岔转换部位，故使用传统方案时融雪效果较差，加热180 min后无雪率仅为0.33；电加热板方案、组合方案1和组合方案的无雪率分别为0.63，0.65和0.52，较传统方案的无雪率分别提高了30%，32%和19%。可知电加热板方案和组合方案1的融雪效果较好，但由3.1可知，在使用电加热板方案时道岔区域的温度分布不均匀，且道岔转换部位的温度过高，为避免高温对钢轨引起损伤，可知选择组合方案1进行融雪的效果最优。

3.3.2　中雪情况下

设置环境温度为-20 ℃时，计算中雪情况下积雪的融化程度，结果如图15所示。

设置环境温度为-20 ℃时，中雪情况下各方案的无雪率如图16所示。

从图15和16可以看出：中雪情况下，组合方案的融雪效果较好，而传统方案和电加热板方案的融雪效果较差，出现这种情况是因为此时积雪已经覆盖电加热条，在组合方案情况下电加热条和电加热板可以直接对积雪进行热传导；传统方案、电加热板方案、组合方案1和组合方案2的无雪率分别为0.37，0.4，0.65和0.53，可知组合方案1的融雪效果最优，无雪率较传统方案提高了28%。

由于大雪情况下积雪仍会覆盖电加热条和电加热板，故大雪情况下各方案的融雪效果可以参照中雪。

3.4　环境温度的影响

为了研究上述方案在更极端工况下的作用情况，在各方案试验条件不变的情况下，改变环境温度为-40 ℃进行数值模拟分析，计算得各方案温度分布如图17所示。从图17可以看出：此时仍是组合方案的温度分布在基本轨与道岔转换部位处较均匀，与环境温度为-20 ℃时结论相同。

设置环境温度为-40 ℃时各方案测温结果如图18所示。

从图18可以看出：4种方案下下基本轨的温度分别为123.41，-25.09，61.6和63.62 ℃，道岔转换部位的温度分别为29.29，93.18，64.29和89.64 ℃，弹性垫板的温度分别为89.78，7.65，60.87和73.83 ℃；组合方案下基本轨温度与道岔转换部位温度分布最均匀，且新方案中弹性垫板温度降低，电加热板方案和组合方案1中弹性垫板温度最低，与环境温度为-20 ℃时结论相同。

设置环境温度为-40 ℃时，小雪情况下各方案融雪效果和无雪率如图19和图20所示。从图19和图20可以看出：传统方案的融雪效果最差，加热180 min后传统方案、电加热板方案、组合方案1和组合方案2的无雪率分别为0.24，0.51，0.49和0.38，可知电加热板方案和组合方案1的融雪效果较好，较传统方案的无雪率分别提高了27%和25%。与环境温度为-20 ℃时结论相同。

设置环境温度为-40 ℃时，中雪情况下各方案的融雪效果和无雪率分别如图21和图22所示。从图21和图22可以看出：加热180 min后传统方案、电加热板方案、组合方案1、组合方案2的无雪率分别为0.26，0.35，0.48和0.41，组合方案的融雪效果较好，组合方案1的融雪效果最优，较传统方案的无雪率提高了22%。与环境温度为-20 ℃时结论相同。

综合考虑各方案的温度分布、测温值和融雪效果，可知组合方案1不仅融雪效果较优，并且温度分布的均匀性更好，故实际使用时可以参考组合方案1配置融雪方案。当环境温度改变至-40 ℃时，各方案在道岔尖轨区域的温度分布、测温点温度和融雪效果的对比结论与环境温度为-20 ℃时相似，即实现了对更极端工况的模拟。

4 结论与展望

（1）传统方案和在滑床板上安装电加热板方案的温度分布在道岔尖轨区域较单一，前者分布在基本轨处，后者分布在道岔转换部位处；而在基本轨轨腰安装电加热条同时在滑床板上逐个安装电加热板（组合方案1）或每隔1个滑床板安装1个电加热板（组合方案2）的组合方案的温度分布在道岔尖轨区域更均匀，可以避免加热温度过高对钢轨强度造成影响。

（2）同等加热条件下，电加热板方案、组合方案1和组合方案2在道岔转换部位的温度值较传统方案分别提高了65.09，35.72和62.99 ℃，新方案有效提高了道岔转换部位的温度；但同时还要考虑基本轨处的温度，电加热板方案下此时基本轨的温度为-1.19 ℃，即电加热板方案在基本轨处温度过低，无法良好融化基本轨内侧的积雪；而组合方案1和组合方案2情况下基本轨的温度为88.02和91.54 ℃，即组合方案在基本轨和道岔转换部位的温度是较为理想的融雪温度。

（3）小雪情况下，使用电加热板方案、组合方案1和组合方案2的融雪效果优于传统方案，无雪率分别提高了30%，32%和19%；中雪情况下，使用组合方案的融雪效果较好，组合方案1的融雪效果最好，较传统方案的无雪率提高了28%；考虑到在钢轨温度分布均匀情况下提高尖轨处的融雪效果，使用组合方案1最好。大雪情况下的融雪方案可以参照中雪情况进行配置。在严寒地区使用融雪系统时可参考组合方案1，在原有安装电加热条的基础上将电加热板方案作为辅助方案。

（4）使用组合方案时将传统方案中本应电加热条配置的功率分为两部分，一部分供电加热条使用，另一部分供给电加热板，在不增加功率输入的情况下提高了道岔转换部位的融雪效果，进而提高了尖轨处道岔的融雪效果。

（5）在环境温度为-40 ℃的情况下进行计算，对比各方案在道岔尖轨区域的温度分布、测温点温度和融雪效果，得出结果与-20 ℃时相似，实现了更极端工况下的模拟。

（6）为了对比各方案的试验结果设置了较长的加热时长和较大的加热功率，实际使用时可以依据现场条件进行配置，设置钢轨的温度阈值，避免温度过高对道岔区域的部件造成影响。

（7）研究中仅对尖轨处道岔融雪方案进行了配置，后续将对可动心轨处和外锁闭装置处的融雪方案进行研究和优化，以期形成更加全面的基于电加热技术的道岔融雪数据与方案，为道岔融雪的现场设计提供指导。

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基金资助

甘肃省自然科学基金资助项目(23JRRA876)