軌道交通線路接觸網(wǎng)除冰研究

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 錦州 121000）

0 引言

在冬季，北方的接觸網(wǎng)接觸導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生覆冰現(xiàn)象、南方則會(huì)產(chǎn)生凍雨現(xiàn)象，均會(huì)造成受電弓受流性能下降；同時(shí)還會(huì)在受流過(guò)程產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，加大接觸網(wǎng)和受電弓的磨損；嚴(yán)重時(shí)甚至能使列車失去運(yùn)行動(dòng)力，導(dǎo)致列車晚點(diǎn)甚至造成運(yùn)營(yíng)事故。

一般是通過(guò)設(shè)計(jì)方面（設(shè)備選型優(yōu)化、覆冰荷載設(shè)計(jì)[1]等）和運(yùn)營(yíng)方面（人工打冰、機(jī)械除冰、涂抹防凍液[2]等）進(jìn)行防冰和除冰設(shè)計(jì)，但目前尚未有成熟可靠的接觸網(wǎng)除冰設(shè)計(jì)方案和相關(guān)裝置。

本文通過(guò)深入研究接觸網(wǎng)和受電弓的相關(guān)參數(shù)、性能來(lái)進(jìn)行軌道交通線路接觸網(wǎng)除冰的相關(guān)研究，并進(jìn)行了充分的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，擬采用機(jī)械除冰法和熱力除冰法設(shè)計(jì)一套接觸網(wǎng)除冰裝置，來(lái)解決軌道交通線路接觸網(wǎng)的覆冰問(wèn)題。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在過(guò)去，人們通常采用機(jī)械除冰法，即人工采用工具敲擊接觸網(wǎng)[3]，使接觸網(wǎng)產(chǎn)生震動(dòng)，覆冰掉落。而且為了保證安全，常利用“天窗”進(jìn)行除冰作業(yè)，在冰多的時(shí)候就需要每隔4小時(shí)除一次冰。而且這種方法的除冰效果不是十分理想，還有可能會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)線路造成破壞。

目前，常見(jiàn)的除冰方法有如下幾種：

（1）加裝具有除冰功能的受電弓副弓。因?yàn)樾枰匦沦?gòu)置一套受電弓，成本高，經(jīng)濟(jì)性差。

（2）人工除冰。人工利用竹竿等具備良好絕緣性能的工具對(duì)已覆冰線路進(jìn)行震動(dòng)、敲打。

（3）采用機(jī)械沖擊載荷作用于覆冰導(dǎo)線。機(jī)械沖擊載荷降低了接觸網(wǎng)穩(wěn)定性，造成弓網(wǎng)損傷。

（4）在輸電線路網(wǎng)上通高壓電進(jìn)行除冰。輸電線路網(wǎng)上通高壓電[4]，產(chǎn)生電能損耗，還會(huì)造成安全隱患。

（5）購(gòu)買專用除冰車。此方法需要購(gòu)置專用設(shè)備（除冰車），經(jīng)濟(jì)性差。

2 線路接觸網(wǎng)除冰策略研究

2.1 機(jī)械構(gòu)架部分

本課題是對(duì)車輛受電弓進(jìn)行設(shè)備改造設(shè)計(jì)。

同時(shí)，安裝裝置后還要保證如下幾點(diǎn)：

受電弓美觀性；不易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象；不影響其他模塊的檢修維護(hù)和自身的易維護(hù)性；不影響其他各項(xiàng)功能的使用；整體的穩(wěn)定性。

以下僅以有軌電車的受電弓結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)進(jìn)行介紹，并展開(kāi)研究。

2.1.1 受電弓結(jié)構(gòu)

來(lái)自牽引變電所的電能通過(guò)接觸網(wǎng)及裝在車上的受電弓向電動(dòng)車輛供電。

其中受電弓是電動(dòng)車輛從接觸網(wǎng)取得電能的電氣設(shè)備，安裝在車頂，如圖1。

圖1 受電弓結(jié)構(gòu)

受電弓底架采用無(wú)縫矩形鋼經(jīng)焊接而成，具有強(qiáng)度高、重量輕的特點(diǎn)。下臂桿則采用無(wú)縫鋼管，經(jīng)焊接而成。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到受電弓的受流性能和重量，受電弓上臂桿就不采用碳鋼材料，而采用高強(qiáng)度的航空鋁合金材料，這樣上臂桿的受流性能增強(qiáng)，且重量減輕，同時(shí)也不會(huì)影響上臂桿強(qiáng)度。受電弓緩沖是通過(guò)安裝在下臂桿和上臂桿上的液壓阻尼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)液壓阻尼器使弓頭滑板條有很好的隨網(wǎng)性。

受電弓拉桿是由不銹鋼管和軸承組合而成。當(dāng)拉桿繞底架回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受電弓弓頭位置改變。平衡桿可以使受電弓的弓頭在整個(gè)工作高度范圍內(nèi)（包括升到最大高度）保持水平狀態(tài)。在車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以通過(guò)緩沖調(diào)整裝置，消除外力對(duì)弓頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的干擾。

在受電弓各轉(zhuǎn)動(dòng)部位，安裝有不同規(guī)格的軟連線。軟連線規(guī)格依據(jù)車輛電流選擇。車輛需要電流越大，則軟連線截面積越大，反之則截面積越小。

弓頭采用懸掛式設(shè)計(jì)，在其兩個(gè)橫托架中采用了片彈簧技術(shù)，使得受電弓滑板條在遇到接觸網(wǎng)硬點(diǎn)時(shí)能起到緩沖作用，保護(hù)受電弓滑板；同時(shí)弓頭設(shè)計(jì)中采用了調(diào)節(jié)滑板技術(shù)，該技術(shù)可以在滑板磨耗不均勻時(shí)，采用安裝在橫托架上的調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行微量調(diào)整。避免因磨耗不均勻，導(dǎo)致滑板條更換量大而產(chǎn)生浪費(fèi)。

電子驅(qū)動(dòng)裝置選用進(jìn)口電氣元件，安全可靠。在使用過(guò)程中出現(xiàn)意外情況也要保證受電弓能繼續(xù)工作，所以該裝置帶有手動(dòng)功能。即，將受電弓安裝至車頂后，用一根軟軸連接至電子驅(qū)動(dòng)裝置的手動(dòng)接口，然后將軟軸另一端連接至車內(nèi)。緊急情況下，司機(jī)在車內(nèi)可通過(guò)操作手搖曲柄，來(lái)進(jìn)行受電弓的升降動(dòng)作。

手動(dòng)裝置通過(guò)軟軸和車內(nèi)的軟軸連接器連接。手動(dòng)裝置是在升降弓裝置發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)該裝置確保受電弓的正常升弓和降弓。

安裝在底架上的安全鎖閉裝置對(duì)在落弓位置（如運(yùn)輸期間、維護(hù)期間等）的受電弓進(jìn)行保護(hù)，使其不做升弓運(yùn)動(dòng)，同時(shí)防止了電子驅(qū)動(dòng)裝置在沒(méi)有工作的情況下，弓頭被意外抬起而遭到損壞。當(dāng)受電弓升弓時(shí)，安全鎖閉裝置會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。

受電弓的電氣控制系統(tǒng)被安裝在底架上和車輛內(nèi)和電纜連接，用于控制電子驅(qū)動(dòng)裝置，確保車輛控制受電弓的電子信號(hào)正確的傳輸，實(shí)現(xiàn)受電弓的動(dòng)作。

2.1.2 受電弓主要技術(shù)參數(shù)

受電弓是電動(dòng)弓，采用電氣控制系統(tǒng)控制電子驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行升、降弓操作，同時(shí)配備了安全鎖閉裝置，以防止在運(yùn)輸期間和維護(hù)期間的落弓狀態(tài)穩(wěn)定性，杜絕此種工況的誤升弓。

（1）額定電壓 DC 750 V

額定電流 1050 A

（2）受電弓高度 5 650 mm ～ 5 700 mm

（3）額定靜態(tài)壓力 110 N ± 10 N

（4）受電弓張開(kāi)、閉合時(shí)間升弓時(shí)間（弓頭離開(kāi)止擋到最大工作高度）≦10 s降弓時(shí)間（最大工作高度到弓頭止擋未知）≦10 s

（5）受電弓尺寸

折疊位置總長(zhǎng)度 ≈ 2400 mm

總寬度 ≦1700 mm ± 10 mm

碳滑板工作部分長(zhǎng)度 1050 mm

上臂桿 2035 mm

下臂桿 1600 mm

弓頭寬度 350 mm ± 5 mm

（6）受電弓總重量（不包括絕緣子） ≦175 kg ± 5 kg

2.1.3 受電弓副支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

初步設(shè)想采用機(jī)械設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)一套機(jī)械構(gòu)架，可將除冰裝置頂部的加熱板與接觸網(wǎng)平穩(wěn)有效的接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行機(jī)械除冰和熱力除冰的功能，保證在冰雪惡劣氣候條件下的受電弓受流性能的穩(wěn)定性。

圖2 接觸網(wǎng)除冰結(jié)構(gòu)示意圖

按以下要求制作出一個(gè)可安裝在受電弓上臂桿上的支架。該支架附有托盤，托盤兩邊設(shè)置夾緊裝置，能保證對(duì)放置于托盤內(nèi)的板材進(jìn)行夾緊。

支架與托盤示意圖如圖3。圖3（a）為支架與托盤的左視圖方向視圖，圖3（b）則為支架與托盤的主視圖方向視圖。

圖3 支架與托盤示意圖

支架底部用套筒卡扣連接于受電弓上臂桿之上。支架底部的兩個(gè)套筒卡扣，須保證能在中心距為495～520 mm之間的左右兩根上臂桿上連接緊固。連接架則用于固定支架。

圖4 支架上的托盤

如圖4，夾緊裝置在托盤兩側(cè)均勻布置6個(gè)，以保證能對(duì)放入托盤內(nèi)的金屬板材進(jìn)行夾緊。

2.1.4 受電弓副支架說(shuō)明

（1）支架須采用30 mm圓柱金屬管材料制作，底部采用套筒卡扣與受電弓左右兩根上臂桿相連接。（上臂桿是直徑45 mm的鋼制金屬管）

（2）支架與上部的托盤為整體結(jié)構(gòu)，托盤為一長(zhǎng)方體盒型結(jié)構(gòu)（無(wú)上蓋）。

（3）托盤尺寸參考圖例制作，兩側(cè)須均勻布置夾緊工件（夾緊工件形式可自由選擇，但要保證小巧且牢固，能對(duì)10～30 mm厚度的板材進(jìn)行夾緊固定），整個(gè)托盤須保證能將一個(gè)尺寸為500×300×20 mm的長(zhǎng)方體金屬板材放入其中，并依靠?jī)蓚?cè)的夾緊工件進(jìn)行固定。

（4）托盤最大承載載荷應(yīng)滿足15 kg，保證在滿載狀態(tài)下，整個(gè)支架托盤與受電弓上臂桿能連接可靠，牢固穩(wěn)定。

（5）設(shè)備的整體外觀須涂紅色油漆。

2.2 加熱控制部分

除冰裝置外置加熱板。加熱板的加熱控制電路將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，設(shè)定在溫度的變化超過(guò)一定界限時(shí)加熱系統(tǒng)停止工作。此電路包含溫度傳感電路，電信號(hào)處理電路、溫度控制檢測(cè)電路。

具體方案如下：

2.2.1 控制箱選用電氣元件

見(jiàn)表1。

表1 控制箱選用電氣元件一覽表

2.2.2 控制箱設(shè)計(jì)

圖5 控制箱總體布置圖

控制箱總體布置圖如圖5所示。

該電路要保證如下幾點(diǎn)：

（1）保證材料的散熱性能和熱穩(wěn)定性。

（2）保證電路具有良好的抗電磁干擾性能，也不能干擾其他各模塊與工控機(jī)的通信。

為此在裝置材料和電氣元件的選擇上需要滿足如下幾點(diǎn)：

（1）分別依據(jù)能實(shí)現(xiàn)的作用，實(shí)際效果、經(jīng)濟(jì)因素、環(huán)境因素、外觀因素、散熱性能因素等方面來(lái)進(jìn)行裝置材料和電氣元件的選擇。

（2）裝置材料的選擇要考慮強(qiáng)度、剛度和沖擊韌性的性能。

（3）電氣元件的選擇要保證供電線路的合理布局，不易被損壞。

3 研究結(jié)論

本文采用機(jī)械設(shè)計(jì)原理和電路設(shè)計(jì)理論，運(yùn)用機(jī)械構(gòu)架（機(jī)械除冰）和溫控裝置（熱力除冰）進(jìn)行聯(lián)合，可以有效的去除接觸網(wǎng)上的覆冰、覆雪、凍雨等，且避免了上述的缺點(diǎn)，大大的增加了受電弓的使用壽命，提高運(yùn)營(yíng)的可靠性和安全性。

機(jī)械構(gòu)架部分制作出一個(gè)可安裝在受電弓上臂桿（左右兩側(cè)對(duì)稱的兩根圓柱形鋼管）上的支架，來(lái)進(jìn)行機(jī)械除冰工作。

加熱控制部分通過(guò)溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。本方案中，在加熱板內(nèi)置三個(gè)加熱傳感器，取其平均值，完成溫度信號(hào)采集。通過(guò)對(duì)溫度采集信號(hào)進(jìn)行溫度判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱板溫度的智能控制。將溫度板溫度保持在約85℃～120℃之間。加熱控制器可將加熱板工作狀態(tài)，傳感器溫度通過(guò)總線傳送給車載系統(tǒng)，同時(shí)，車載系統(tǒng)可設(shè)定加熱系統(tǒng)的加熱范圍，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)加熱模式切換、監(jiān)控加熱系統(tǒng)工作狀態(tài)等功能。

該裝置通過(guò)在實(shí)訓(xùn)室模擬仿真環(huán)境測(cè)試和段內(nèi)試車線進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，均能有效去除覆冰，且不易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。