Icing Factors Affecting Railway Traffic

Abstract

Cold weather causes problems for many different areas, including railway traffic. Low temperature itself can cause problems, but a more significant problem is the ice that cold weather causes. Ice build-up hinders the operating of a train, and it affects both infrastructure and rolling stock. Ice covers railway tracks and stops railway switches from working and can break power lines. Ice build-up increases the weight of a train increasing the strain on the machine, and it can jam brakes and doors, and lower visibility for the operator.

Because of the severity of problems caused by icing, it is studied extensively. Icing in nature can happen mainly in two different ways, by in-cloud icing or precipitation icing. Precipitation icing happens when a liquid water drops fall on a surface and then freeze, while in-cloud icing happens when water freezes from a cloud or fog. Depending on the conditions, such as temperature, wind speed and ice formation type, ice type can change. Ice can be either opaque and porous rime ice, or clear and dense glaze ice, or a mixture of both.

Icing can be studied with modelling or empirically. As a complex phenomenon, icing is hard to model, and many of the models are very situational. A TURBICE model can be used to model icing on wind turbine blades. Another model can be used for modeling icing around a cylinder. In this study icing is studied empirically using the Icing Wind Tunnel (IWiT), where ice is accreted in a wind tunnel in a cold room. This method can be used to copy natural icing, and it can be used to accrete ice rime ice or glaze ice, or mixed glaze ice.

Ice prevention methods can be divided in two ways, into anti-icing and de-icing, or into active and passive methods. Anti-icing methods prevent ice from accreting, and de-icing methods remove ice. Active methods apply when needed, and passive methods work on their own. Most efficient ice prevention is combining methods. In railway traffic, de-icing methods are used. There are de-icing carts, that clear ice from tracks as they drive, and for the train itself, there are de-icing facilities, where hot water or chemicals like propylene glycol are used in de-icing. De-icing is time and energy consuming. Anti-icing can be done with coatings and heaters. Railway switches often have heaters, as they are very vulnerable to icing, and essential for train operation.

In this study, the primary purpose was to test different icing conditions and material properties and how they affected de-icing and ice adhesion. This was done by using samples with top shaped like a train roof and use the icing wind tunnel to accrete three different ice types on them. The ice-covered samples were brought to room temperature, where they were set at a 45-degree angle to shed the ice off as it melted. The de-icing time was then recorded, and the differences in de-icing were connected to differences in ice and material properties. Icing tests also included a set of ice adhesion samples using the same ice types and materials for the samples, to more accurately know about ice adhesion’s connection to de-icing.

The de-icing time was used to determine how different factors during icing and in samples affected icing, but it was noticed that the de-icing time alone was insufficient. Instead, a value of time divided by mass was used, because it was noticed how mass affected de-icing time. Using this value, other factors could more accurately be studied. Sample shape was noticed to have a clear effect on de-icing. Even small details added to the shape of the curve on the roof increased icing time. Another factor with great impact was the sample material. Aluminum de-iced fastest, possibly because of better thermal conductivity. Ice types had also affected de-icing clearly, with rime ice being hardest to de-ice, and glaze ice the easiest.

The experiments in this study showed how complex an issue icing is for railways. Icing is affected by many factors. Some of these factors, and their effect were hard to determine in these experiments due to many variables. More research is needed to increase the understanding on icing, and further better cold weather performance of railway traffic.

Kylmä sää aiheuttaa ongelmia monella eri alueella, mukaan lukien rautatieliikenteessä. Kylmä ilma itsessään aiheuttaa ongelmia mutta merkittävämpiä ongelmia aiheuttaa kylmässä muodostuva jää. Kertyvä jää haittaa junan toimintaa, ja se vaikuttaa sekä ympäröivään infrastruktuuriin ja juniin. Jää peittää raiteita ja estää rautatievaihteita toimimasta ja se voi myös rikkoa voimalinjoja. Kertynyt jää kasvattaa junan painoa lisäten rasitusta kulkuneuvolle, ja se voi jumittaa jarrut sekä ovet, ja haitata kuljettajan näkyvyyttä.

Jäätymisen vakavien haittojen takia sitä tutkitaan laajasti. Jäätyminen luonnossa tapahtuu joko sateen aiheuttaman jäätymisenä tai pilvessä tapahtuvana jäätymisenä. Sateen aiheuttamaa jäätymistä tapahtuu, kun vesipisarat putoavat pinnalle ja jäätyvät. Pilvessä tapahtuva jäätyminen tapahtuu, kun pilvenä tai sumuna olevat vesipisarat jäätyvät suoraan pinnalle. Olosuhteista, kuten lämpötilasta, tuulen nopeudesta ja jäätymistyypistä riippuen, jäätyyppi voi muuttua. Jää voi olla joko läpinäkymätöntä, huokoista huurrejäätä (rime), tai tiiviimpää, läpinäkyvää kirkasta jäätä (glaze), tai näiden sekoitusta.

Jäätymistutkimus sisältää paljon jäänkertymismallinnusta. Monimutkaisena ilmiönä jäätymistä on vaikea mallintaa, ja monet mallit toimivat vain tietyissä tilanteissa. TURBICE-malli on kehitetty mallintamaan jäätymistä tuulivoimalan lavoissa. Toinen mahdollinen malli on käytössä sylinterimäisen kappaleen jäätymistä varten. Jäätymistä tutkitaan myös empiirisesti, kuten tässä tutkimuksessa käytettävä jäätävä tuulitunneli, jossa kylmähuoneessa olevassa tuulitunnelissa voidaan kerryttää jäätä. Tämä tapa kerryttää jäätä tuottaa luonnollista jäätymistä muistuttavaa jäätä, ja sillä voidaan tehdä huurretta, iljannetta, tai niiden sekoitusta.

Jäänestokeinot voidaan jakaa jäänestoon ja jäänpoistoon. Vaihtoehtoisesti ne voidaan jakaa aktiivisiin ja passiivisiin keinoihin. Jäänehkäiseminen tarkoittaa jään muodostumisen estämistä, ja jäänpoisto tarkoittaa kertyneen jään irrottamista. Aktiivisia keinoja käytetään tarvittaessa, ja passiiviset toimivat jatkuvasti ilman käyttäjää. Tehokkaimmat systeemit yhdistelevät eri keinoja. Junaliikenteessä käytetään jäänpoistovaunuja raiteilla, ja junille on jäänpoistolaitteistoja, joissa käytetään kuumaa vettä tai kemikaaleja, kuten propyleeniglykolia. Jäänpoisto on yleensä aikaa- ja energiaa kuluttavaa. Jäänehkäisyä tehdään pinnoitteilla ja lämmittimillä esimerkiksi vaihteissa, jotka ovat erittäin herkkiä jäätymisongelmille. Lämmitys vie paljon energiaa, ja pinnoitteet kuluvat ajan myötä.

Tässä tutkimuksessa päätavoite oli tutkia erilaisten jäätymisolosuhteiden ja materiaalien ominaisuuksien vaikutusta jään kertymiseen ja sen poistamiseen. Tähän käytettiin näytteitä, joiden yläpuoli oli muodoltaan junan katon mukainen. Näytteille kerrytettiin kolmea jäätyyppiä, huurretta, iljannetta, ja niiden sekoitusta. Sen jälkeen näytteet tuotiin huoneenlämpöön, jossa 45 asteen kulmaan asetettujen näytteiden päällä ollut jää valui pois. Tähän kulunutta aikaa käytettiin vertailukohtana. Kokeissa tehtiin myös jäänadheesionäytteet käyttäen samoja materiaaleja ja jäätymisolosuhteita auttamaan junanäytteiden tulosten tulkintaa.

Jäänpoistumisaikaa käytettiin määrittämään, kuinka eri tekijät koejärjestelyssä vaikuttivat jäätymiseen. Jään massan huomattiin vaikuttavan aikaan erittäin paljon, joten muiden tekijöiden vertailussa käytettiin massaa jaettuna ajalla. Merkittävimpiä vaikuttavia tekijöitä jään poistumiseen olivat näytteen muoto ja materiaali, sekä jäätyyppi. Jää irtosi huoneenlämmössä paljaasta alumiinista helpommin kuin pinnoite, mikä johtui luultavasti lämmönjohtuvuudesta. Jäätyypeistä huonoiten irtosi huurre, parhaiten iljanne.

Kokeet tässä tutkimuksessa näyttivät, kuinka monimutkainen ongelma jäätyminen on rautatieliikenteelle. Jäätymiseen vaikuttaa monet tekijät, sekä jäätymisolosuhteet ja materiaalin ominaisuudet. Näissä kokeissa oli vaikea määrittää kaikkien tekijöiden vaikutus monien muuttujien takia. Enemmän tutkimusta tarvitaan jäätymisen ymmärtämiseen ja rautatieliikenteen kylmänilmankeston parantamiseen.