闫胜春
目前，铁路道岔的融雪除冰主要采取的方式有电阻加热、燃料加热、人工作业等，这些融雪除冰方式既耗费人力又增加了管理成本，而且作业效率不高，还给作业人员人身安全以及铁路运输秩序带来了较大安全隐患。因铁路所处环境及自身运营状态不同，各地区封冻期内使用的融雪除冰方式也各有不同，例如，北美地区以冷空气压缩和空气加热方式为主；
阿尔卑斯山区铁路线地处寒冷、雪量大地区，主要采用天然气和电阻加热方式；
西伯利亚地区铁路主要是结合冷空气压缩和空气加热以及输送热蒸汽方式为主；
日本则以撒盐和加热空气的方式为主。北欧国家在电阻加热融雪除冰方面的研究技术已日趋成熟，亚洲和北美洲国家近几年也在逐步增加电阻加热方式研究的投入。
现有的电阻加热融雪除冰方式存在预热时间过长、能源消耗巨大、控制方式智能化程度不高等弊端，己不能满足当前铁路高速、安全、正点和大密度运行的需求，急需投入基于全新技术的融雪除冰系统。面对当前车站对道岔的工作效率要求较高，但实际因降雪天气带来的道岔扳动不良频发的矛盾，各铁路公司开展了多项专项技术研究，包括除雪作业模式优化、除雪工具改良、电阻加热+人工扫雪相结合、除雪小车等，在一定程度上缓解了降雪天气情况下道岔正常动作所受到的影响，但仍未从根本上解决极端天气情况下道岔积雪甚至结冰给道岔正常动作带来的难题。
目前，各铁路车站在冬季除雪应急预案启动后，主要以电阻加热+人工扫雪相结合的方式来保证站场道岔正常动作。经现场调研和咨询，目前主流的道岔除雪融冰方式主要存在以下几类问题：
（1）电阻加热融雪除冰系统启动后，预热时间较长，需在大雪来临前2～3 h开始启动预热；
（2）达到融雪除冰要求所需电能消耗量较大，以常见的电阻加热融雪除冰设备为例，功率基本在1万千瓦以上，单机运行功率较大，功率太小则效果不明显；
（3）智能技术应用不够，设备开启后，不能根据融雪效果进行自感知、自诊断，长期运行能源浪费严重，短时使用又容易造成已融化的雪水再次结冰，增加融雪除冰工作量；
（4）现有设备一般采用串联传递方式启动，融雪除冰设备启动时冲击电流较大；
（5）现场作业人员与后台控制人员只能通过对讲机等传统通信方式取得联系，缺乏实时监测、实时跟踪、实时预警能力；
（6）人工除雪过程中，现用除雪机噪音大，雪天视线不良，防护压力巨大，人身安全存在较高风险隐患；
（7）列车运行密度大，因积雪和结冰造成道岔动作不良，将带来巨大的运输经济损失。
针对以上突出问题，本文开展电磁感应加热技术在道岔融雪除冰作业中的应用研究，重点从理论分析、实验对比、模型建立几个方面入手[1]，结合先进的科技手段，确保冬季降雪天气情况下道岔能够正常转换，防止积雪或结冰阻挡尖轨运动引起因尖轨动作摩擦力过高造成道岔不能正常转换，以至于发展为行车事故。
某编组站共有 451组频繁使用道岔安装了电阻加热融雪设备，冬季遇大雪天气，站场除雪融冰主要采用电阻加热结合人工扫雪的方式，另外，电阻加热系统启动需预热较长时间才能起到融雪除冰作用。电阻加热融雪装置未启动时，上级电源Ⅰ路所带负荷电流70 A，Ⅱ路所带负荷电流93 A；
电阻加热装置启动后，上级电源Ⅰ路所带负荷电流立即攀升至233 A，功率由2.2万kW增至7.2万kW，Ⅱ路所带负荷电流攀升至170 A，功率由2.9万kW增至5.3万kW。仅融雪除冰系统应用这一项就给该车站电力供应带来了巨大的挑战。
2.1 电阻加热融雪装置应用分析
忽略热损失和电流损耗进行功率分析，电阻加热等效电路如图1所示。图中，R1为电阻加热系统电阻，R2为连接线路电阻。
图1 电阻加热等效电路
根据Q=I2Rt（I，R，t分别代表电流，电阻和工作时间），单台融雪加热装置最大功率约为13 000 W，其最大电流约为60 A，R为125 Ω，不考虑预热期，工作1 h所需热量为4.68×104kJ，耗能 13 kW·h；
451组融雪加热装置耗能共计5 863 kW·h。
2.2 电磁感应加热除雪融冰系统应用分析
电磁感应加热技术通过接入的电路系统及电气设备产生的交变磁场，使高频电磁穿过置于其上的铁质容器，通过截面切割磁感线而产生涡流电能，进而转化为热能[2]，实现除雪融冰的效果。电磁感应加热技术应用简图如图2所示。
图2 电磁感应加热技术应用简图
电磁感应加热是利用感应电流通过工件产生的热效应使工件表面局部加热，其热效应原理如表1所示。
表1 电磁感应加热技术热效应原理
电磁感应加热线圈设计应参照被加热道岔尖轨处的几何形状，原理主要是电磁感应的邻近效应和尖角效应，分电流同向和异向通过导体两种情况考虑；
结合电流密度、交变频率和线圈匝数完成热量供应需求、表面均衡受热以及磁场强度控制[3]，达到快速融雪除冰和避免烧损设备的目的。
电磁感应加热单元磁感应强度B计算式为
式中：n为匝数，本文中取4；
R为通电导体截面半径，i为序号；
D为工件半径；
k为空气磁导率；
I为通过线圈电流。
电磁感应加热单元的有效电动势为
电磁感应加热单元加热功率为
式中：w为导体壁厚；
h为换热系数，h= 450 W·m-1·K-1；
r为热渗入的径向距离；
空气磁导率k=1；
ρ为电阻率，10-8Ω·m；
工作频率f= 20～40 kHz。计算结果见表2。
表2 变化参数及功率计算统计
电磁感应加热设备安装于道岔尖轨处（转辙部分）底部或两侧，选取适合的抗磁干扰材料制作外壳，创造封闭空间，通电后产生高频交变电流，在钢轨内部产生涡流，涡流产生热能后，开始融雪除冰工作。因产生的热能来自于钢轨内部，而不是外热传递给钢轨，因此热能利用效率较高，运营成本低，融雪除冰效果更佳。
2.3 电阻加热与电磁感应加热对比
表3选取功率4 kW的电磁感应加热设备与某站现用的电阻加热系统进行试验对比。
表3 电阻加热与电磁感应加热系统工作1 h耗能对比
通过上表数据可知，在实际生产中使用电磁感应加热系统进行除雪融冰，加热反应时间短，电能消耗大幅减少。
3.1 基本模型
在电磁感应加热条件下，随时间推移和环境温度变化，积雪（冰）存在一个随时间变化的消融过程，通过建立数学模型，追踪时间、温度影响的条件下“固相-液相”变化的界面（相变界面），以反映冰雪消融过程。
对该类热传导问题采用无量纲化的形式，在半无限均匀介质中有如下模型方程[4]：
式（4）为相变界面上的能量守恒条件，其中，T表示温度，x为空间变量，t为时间变量。
设Ste为Stefan数，β为Stefan数倒数，Tm为液相温度，T0为相变界面（固体冰-液态水）发生变化时的初始温度，则有其中c为热容，L为相变潜热。
3.2 模型求解
上述方程式（4）、式（5）描述的热传导问题精确解为[4]
其中，s(t)为相变界面位置随时间变化的函数，α为下面超越方程的根，α称为融化参数（melt parameter），通过数学软件（Mathematics）可解得α= 0.623。
当β= 1，t= 1时计算得到s(t) = 1.240 2。图3所示为相同条件下s(t)随时间的变化规律。
图3 “固相-液相”变化界面追踪
通过数学模型的建立和分析，揭示出水在“固-液”变化瞬间的客观规律，为积雪（结冰）探测技术应用和智能化远程控制技术嵌入提供了有效的理论依据和良好的研究基础。
结合智能化温度自感知模块、积雪智能探测模块、智能化控制模块、实时间隙测量模块和智能化通信传输模块等创新技术应用，提升电磁感应加热道岔融雪除冰系统智能化作业能力，实现实时监测现场雪量、冰情、温度等，后台进行数据分析，触发预警信号，传递系统开、闭决策信息，及时有效清除道岔积雪和结冰。
积雪厚度智能探测模块用于实现降雪实时测量，当积雪厚度大于预设值时，预警信号启动，根据提示，控制模块自主决策启动电磁加热系统。
智能化控制模块可由三相桥式整流器、单相半桥电压谐振变换器、智能化控制触发器构成，三相交流电经整流器变换成直流电，再进行LC滤波后，经电压谐振变换器变换为特定频率的交流电，最终供给电磁感应加热线圈，智能化控制触发器，根据现场雪量、钢轨温度数据采集、分析，触发预警信号，决策系统开、闭信息。
实时间隙测量模块主要为设计用于道岔尖轨实时间隙密贴检测的磁致伸缩位移传感器，在标尺杆上固定磁环，当标尺杆移动时，磁环随之移动，从而产生磁环与磁质伸缩杆超声发射端的位移变化，根据传动杆位移量的变化结合通信传输模块实时确定和监测尖轨与基本轨的密贴状态。
通过加载专用通信网或4G网络，结合通信硬件设施，设计远程管理控制软件系统，将电磁感应加热道岔融雪除冰系统运行状态、雪量监测数据、现场温度、融雪效果、密贴状态等信息及时传输给控制中心，实现全时段智能作业、在线监测、远程管控。
决策展示模块通过数据实时传输，进行温度、雪量厚度、预警信息、行车信息、现场人员准备情况等智能化分析，并展现在操作端，结合智能化控制模块，进行作业部署、系统启停决策、道岔单元化管理。现场作业人员与后台操作人员通过语音对讲、视频接入、摄像监测等手段进行实时监测、实时跟踪。系统推送行车数据分析结果，加强现场作业人员防护管理，合理安排行车路径。
本文对电磁感应加热技术在道岔融雪除冰中的应用进行研究，经试验研究分析，得出了电磁感应加热技术热效率要高于电阻加热，在同等能量需求下，加热时间和电能消耗方面也有明显优势；
通过建立和分析数学模型，从客观上揭示了水在固态和液态状况下变化的本质规律，为智能化检测技术应用提供了理论依据；
同时，提出结合先进的科技手段和智能化控制方式，可以减少极端天气下人员上线作业数量、频次，提升融雪除冰效率，大幅降低人身安全隐患。电磁感应加热技术的推广应用在很大程度上能够减小冬季道岔冻害隐患，提高运输安全可控性，避免因监测不到位而形成道岔冻害，致使列车行进过程中道岔不能正常活动而造成行车安全事故。