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)線上會產(chǎn)生覆冰現(xiàn)象、南方則會產(chǎn)生凍雨現(xiàn)象，均會造成受電弓受流性能下降；同時還會在受流過程產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，加大接觸網(wǎng)和受電弓的磨損；嚴重時甚至能使列車失去運行動力，導(dǎo)致列車晚點甚至造成運營事故。

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

本文通過深入研究接觸網(wǎng)和受電弓的相關(guān)參數(shù)、性能來進行軌道交通線路接觸網(wǎng)除冰的相關(guān)研究，并進行了充分的現(xiàn)場調(diào)研，擬采用機械除冰法和熱力除冰法設(shè)計一套接觸網(wǎng)除冰裝置，來解決軌道交通線路接觸網(wǎng)的覆冰問題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

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

目前，常見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。因為需要重新購置一套受電弓，成本高，經(jīng)濟性差。

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

（3）采用機械沖擊載荷作用于覆冰導(dǎo)線。機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)上通高壓電進行除冰。輸電線路網(wǎng)上通高壓電[4]，產(chǎn)生電能損耗，還會造成安全隱患。

（5）購買專用除冰車。此方法需要購置專用設(shè)備（除冰車），經(jīng)濟性差。

2 線路接觸網(wǎng)除冰策略研究

2.1 機械構(gòu)架部分

本課題是對車輛受電弓進行設(shè)備改造設(shè)計。

同時，安裝裝置后還要保證如下幾點：

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和自身的易維護性；不影響其他各項功能的使用；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)進行介紹，并展開研究。

2.1.1 受電弓結(jié)構(gòu)

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

其中受電弓是電動車輛從接觸網(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)

受電弓底架采用無縫矩形鋼經(jīng)焊接而成，具有強度高、重量輕的特點。下臂桿則采用無縫鋼管，經(jīng)焊接而成。同時在設(shè)計時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，而采用高強度的航空鋁合金材料，這樣上臂桿的受流性能增強，且重量減輕，同時也不會影響上臂桿強度。受電弓緩沖是通過安裝在下臂桿和上臂桿上的液壓阻尼器來實現(xiàn)的。通過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。當拉桿繞底架回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動時，受電弓弓頭位置改變。平衡桿可以使受電弓的弓頭在整個工作高度范圍內(nèi)（包括升到最大高度）保持水平狀態(tài)。在車輛運動過程中，可以通過緩沖調(diào)整裝置，消除外力對弓頭在運動過程中的干擾。

在受電弓各轉(zhuǎn)動部位，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，在其兩個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)硬點時能起到緩沖作用，保護受電弓滑板；同時弓頭設(shè)計中采用了調(diào)節(jié)滑板技術(shù)，該技術(shù)可以在滑板磨耗不均勻時，采用安裝在橫托架上的調(diào)節(jié)螺栓進行微量調(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。

電子驅(qū)動裝置選用進口電氣元件，安全可靠。在使用過程中出現(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)動裝置的手動接口，然后將軟軸另一端連接至車內(nèi)。緊急情況下，司機在車內(nèi)可通過操作手搖曲柄，來進行受電弓的升降動作。

手動裝置通過軟軸和車內(nèi)的軟軸連接器連接。手動裝置是在升降弓裝置發(fā)生故障時，可通過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在落弓位置（如運輸期間、維護期間等）的受電弓進行保護，使其不做升弓運動，同時防止了電子驅(qū)動裝置在沒有工作的情況下，弓頭被意外抬起而遭到損壞。當受電弓升弓時，安全鎖閉裝置會自動打開。

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)動裝置，確保車輛控制受電弓的電子信號正確的傳輸，實現(xiàn)受電弓的動作。

2.1.2 受電弓主要技術(shù)參數(shù)

受電弓是電動弓，采用電氣控制系統(tǒng)控制電子驅(qū)動裝置進行升、降弓操作，同時配備了安全鎖閉裝置，以防止在運輸期間和維護期間的落弓狀態(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、閉合時間升弓時間（弓頭離開止擋到最大工作高度）≦10 s降弓時間（最大工作高度到弓頭止擋未知）≦10 s

（5）受電弓尺寸

折疊位置總長度 ≈ 2400 mm

總寬度 ≦1700 mm ± 10 mm

碳滑板工作部分長度 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

初步設(shè)想采用機械設(shè)計理論，設(shè)計一套機械構(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，實現(xiàn)對接觸網(wǎng)進行機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，能保證對放置于托盤內(nèi)的板材進行夾緊。

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，以保證能對放入托盤內(nèi)的金屬板材進行夾緊。

2.1.4 受電弓副支架說明

（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)，托盤為一長方體盒型結(jié)構(gòu)（無上蓋）。

（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10～30 mm厚度的板材進行夾緊固定），整個托盤須保證能將一個尺寸為500×300×20 mm的長方體金屬板材放入其中，并依靠兩側(cè)的夾緊工件進行固定。

（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轉(zhuǎn)化為電信號，設(shè)定在溫度的變化超過一定界限時加熱系統(tǒng)停止工作。此電路包含溫度傳感電路，電信號處理電路、溫度控制檢測電路。

具體方案如下：

2.2.1 控制箱選用電氣元件

見表1。

表1 控制箱選用電氣元件一覽表

2.2.2 控制箱設(shè)計

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：

（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：

（1）分別依據(jù)能實現(xiàn)的作用，實際效果、經(jīng)濟因素、環(huán)境因素、外觀因素、散熱性能因素等方面來進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

本文采用機械設(shè)計原理和電路設(shè)計理論，運用機械構(gòu)架（機械除冰）和溫控裝置（熱力除冰）進行聯(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，大大的增加了受電弓的使用壽命，提高運營的可靠性和安全性。

機械構(gòu)架部分制作出一個可安裝在受電弓上臂桿（左右兩側(cè)對稱的兩根圓柱形鋼管）上的支架，來進行機械除冰工作。

加熱控制部分通過溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號。本方案中，在加熱板內(nèi)置三個加熱傳感器，取其平均值，完成溫度信號采集。通過對溫度采集信號進行溫度判斷，實現(xiàn)對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)，傳感器溫度通過總線傳送給車載系統(tǒng)，同時，車載系統(tǒng)可設(shè)定加熱系統(tǒng)的加熱范圍，實現(xiàn)自動和手動加熱模式切換、監(jiān)控加熱系統(tǒng)工作狀態(tài)等功能。

該裝置通過在實訓(xùn)室模擬仿真環(huán)境測試和段內(nèi)試車線進行實際測試，均能有效去除覆冰，且不易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。