Исследование процесса теплообмена при охлаждении рельса

Бесстыковой путь широко применяется на железных дорогах России. Закрепление рельсовых плетей при ремонтных работах необходимо производить при строго определенной температуре, что обеспечивает отсутствие дополнительных температурных напряжений в эксплуатации. В условиях ограниченного временного окна для проведения работ, особенно в регионах с жарким летним периодом, актуальной задачей является разработка методов ускоренного и контролируемого охлаждения рельсов. Цель работы – экспериментальное исследование эффективности применения вынужденной конвекции от вихревой трубки и водяного распыления для охлаждения рельса типа Р65 до температуры закрепления. Проведена серия натурных экспериментов по охлаждению предварительно нагретого до 65 °C отрезка рельса. Исследованы два режима: естественное охлаждение и охлаждение с помощью комбинированного воздействия направленного потока холодного воздуха от вихревой трубки (–20 °C) и мелкодисперсного водяного распыления (0,1 л/мин). Температурные поля контролировались тепловизором. Результаты экспериментов верифицированы методом математического моделирования в ПО SolidWorks. Установлено, что применение комбинированного метода (вихревой трубки и водяного распыления) позволяет сократить время охлаждения рельса до требуемой температуры 30 °C в среднем на 95 % по сравнению с естественной конвекцией. Метод обеспечивает равномерное температурное поле в сечении рельса, зафиксированные градиенты температуры не превышали 5 °C/мм, что снижает риск возникновения значительных остаточных напряжений. Результаты математического моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. Разработанный метод принудительного комбинированного охлаждения является эффективным и перспективным для применения в путевом хозяйстве с целью оптимизации графика ремонтно-путевых работ. Научно обоснована возможность его использования для обеспечения требуемых температурных условий закрепления рельсовых плетей. Перспективы дальнейших исследований связаны с оптимизацией параметров установки, масштабированием технологии на всю длину плети и оценкой ее экономической эффективности.

1. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути. Москва : ОАО «РЖД», 2012. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200069932 (дата обращения: 24.09.2024).

2. Азаров А. И. Вихревые трубы нового поколения // Конструктор. Машиностроитель. 2007. № 3. С. 18–24.

3. Лыков А. В. Теория теплопроводности. Москва : Высшая школа, 1967. 600 с.

4. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. Москва : Энергоиздат, 1981. 416 с.

5. Пиралишвили Ш. А., Поляев В. М., Сергеев М. Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. Москва : УНПЦ «Энергомаш», 2000. 415 с.

6. Кузнецов В. И. Теория и расчет эффекта Ранка. Омск : ОмГТУ, 1994. 217 с.

7. Носков А. С., Ловцов А. В., Хаит А. В. Математическое моделирование эффекта энергоразделения Ранка – Хильша с целью увеличения энергетических характеристик вихревой трубы // Омский научный вестник. 2011. № 3 (103). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/matematicheskoe-modelirovanie-effekta-energorazdeleniya-rankahilshas-tselyu-uvelicheniya-energeticheskih-harakteristik-vihrevoy (дата обращения: 24.09.2024).

8. Суслов А. Д., Иванов С. В., Мурашкин А. В. Вихревые аппараты. Москва : Машиностроение, 1985. 250 с.

9. Нейман В. А., Воронцов Д. С. Моделирование процесса охлаждения рельсовой плети при естественных условиях // Вестник Белгородского государственного технологического университета имена В. Г. Шухова. 2024. № 5. С. 108–117. DOI 10.34031/2071-7318-2024-9-5-108-117. EDN VXKGAI.

10. Полевой Е. В., Темлянцев М. В., Сюсюкин А. Ю. Определение скорости охлаждения по сечению головки железнодорожных рельсов при термической обработке воздухом // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. Т. 59, № 8. С. 543–546. DOI 10.17073/0368-0797-2016-8-543-546. EDN WJBMYL