一種整合發(fā)光單元的除冰樣機設計與應用

李洪磊 邢挺 王志偉 唐金勝 肖秘

（1.中國鐵路青藏集團有限公司，西寧 810007；2.格爾木敦樸太陽能利用研究所，青海格爾木 816000）

高原鐵路的部分隧道由于地質結構或施工質量原因，存在頂部滲漏水現(xiàn)象，一到冬季水滴就會加速凝結，形成冰柱在隧道頂部生長，這種現(xiàn)象稱為隧道掛冰［1-2］。隨著水滴的不斷滲出，冰柱越來越長，與下部接觸網(wǎng)的距離越來越近，極易造成短路，導致鐵路運輸?shù)闹袛啵?］。此外，當這些冰柱的體積增長到一定程度后，冰柱受到行車影響容易跌落下來，與來往行車發(fā)生撞擊，這會對隧道內(nèi)設施及行車安全造成極大威脅［4］。

近年來，鐵路設施維護單位為了減少隧道結冰對列車安全運行的影響，開始嘗試采取電加熱方法防止結冰。電加熱方法需要將發(fā)熱元件固定到隧道頂部滲漏點附近，存在易墜落、難檢修等缺陷［5］。高原鐵路隧道環(huán)境惡劣，經(jīng)過多年的運行隧道壁早已風蝕，難以牢固加熱裝置。若裝置脫落造成接觸網(wǎng)斷裂，還會給高原鐵路供電帶來更大的安全事故。因此，高原鐵路維護現(xiàn)已較少采用電加熱方法。

相比于公路隧道的除冰，鐵路隧道更注重隧道接觸網(wǎng)附近的頂部和洞口的除冰［6］?，F(xiàn)階段隧道工務維護和電力維護普遍采用傳統(tǒng)的人工鑿冰方式進行除冰。隧道內(nèi)人工鑿冰作業(yè)難度較大，原因為：①結冰位置通常在6 ～8 m高的隧道頂部，作業(yè)人員往往難以觸及；②結冰部位下面一般為高壓電力接觸網(wǎng)，除冰往往需要在行車線路上進行，因此人工鑿冰觸電的危險性極大；③隧道內(nèi)作業(yè)面狹小，采用梯子、長桿等工具對行車及行人都存在安全隱患；④人工鑿冰容易對鐵路設施造成機械性破壞，影響列車的正常運行；⑤目前隧道運營車流密度普遍很大，要長時間高頻次申請?zhí)齑包c會影響線路的正常調度，難以實現(xiàn)。因此，高原隧道除冰成為現(xiàn)場維護作業(yè)中亟待解決的棘手問題［7-8］。

為了保證電氣化鐵路安全，各維護單位在冬季隧道除冰工作上投入大量的人力與物力，但就目前來看效果不太理想，因隧道頂部結冰造成的接觸網(wǎng)供電故障或碰撞事故時有發(fā)生。本文通過分析鐵路隧道現(xiàn)有除冰方式的不足，提出通過點光源照射進行非接觸式加熱除冰的新思路，并設計了一種整合發(fā)光單元的除冰樣機。

1 技術路線

根據(jù)對現(xiàn)有技術的分析，除了人工鑿冰，通過加熱使冰柱融化最為簡便。若采用非接觸的方式遠距離加熱融化冰柱，須采用某種射線或光束將能量投射到冰柱表面，使其溫度升高后逐漸融化，并通過進一步持續(xù)照射滲水區(qū)域隧道壁面，讓其保持在0 ℃以上［9］。如果能夠設計出這樣的除冰樣機，便可安全有效地解決隧道頂部結冰問題。

1.1 射線或光束的篩選

不論距離還是強度，激光都能達到要求，但是成本太高，操作安全性也難以保障。微波輻射能量大、定向性好且容易控制，但試驗時發(fā)現(xiàn)微波容易泄露，對人體危害較大［10］。常用紅外光源的熱密度雖然較高，但發(fā)熱源尺寸太大，聚集成平行光束的難度也很大，而且隨著投射距離增大照射強度迅速下降，無法達到除冰要求。經(jīng)過綜合比選，最終選用了一種點光源燈泡。這種燈泡的電弧尺寸只有1.2 mm，近似于點光源的光束，是較為理想的光源發(fā)射元件。該燈泡的性能參數(shù)見表1。

表1 點光源燈泡的性能參數(shù)

點光源燈泡所發(fā)光的光譜與自然界中太陽光的光譜非常相似，說明該光源的輻射能量可以達到安全融冰的要求。一般太陽光的輻照度是1000 W/m2，如果該光源通過鏡頭組調焦發(fā)光，將投射到冰層表面上的輻照度調控到同樣數(shù)值，不僅能將冰柱融化，而且不會因溫度過高而影響隧道表面和其他鐵路設施。

1.2 光學鏡頭的篩選

經(jīng)過試驗，如果將單個點光源燈泡聚焦形成的光束投射到6 ～8 m 處，形成直徑0.6 m 的投射圓面時，該光源的輻照度就接近太陽光的輻照度。采用一種可實現(xiàn)內(nèi)部調焦的光學鏡頭組即可滿足這一要求。合理設置鏡頭組的光焦度和組合焦距，鏡頭組通過3個鏡頭能夠實現(xiàn)內(nèi)部平穩(wěn)調焦。其性能參數(shù)見表2。鏡面材料為k9光學玻璃，3個鏡頭安裝在直徑134 mm、長50 mm的圓柱形筒體內(nèi)，形成整體的鏡頭組。

表2 鏡頭組的性能參數(shù)

1.3 發(fā)光單元的構成

發(fā)光單元由一套光源發(fā)射元件（包括配套的控制模塊和點燈器）、光學鏡頭組及調焦機構組成，見圖1。發(fā)光單元是除冰樣機的核心。如果將更多發(fā)光單元整合到一起就能構成功率更強的除冰樣機，可應用于鐵路隧道、公路隧道等不同場合。

圖1 發(fā)光單元的構成

2 除冰樣機的設計

2.1 設計要求

除冰樣機安裝在隧道內(nèi)，由于安裝位置和線路管理的特殊性，須滿足：①由于隧道內(nèi)空間狹小，設備結構尺寸需要最大程度優(yōu)化與縮??；②光束投射方向須在2個維度上可調，掃描覆蓋面積須盡可能大；③設備安全可靠，整體穩(wěn)定性好，有防傾倒措施；④設備裸露部件要盡可能少，并消除部件跌落的可能性；⑤可遠程控制，無需人工直接操作。

2.2 外形設計

受隧道內(nèi)空間限制，除冰樣機只能安裝在人行道地面靠近洞壁側。為了不影響行人，側向尺寸要盡可能小，而長度則可以適當延伸。為確保設備支撐穩(wěn)定，高度也不宜太高。除冰樣機外觀布局見圖2。經(jīng)多次優(yōu)化調整，外形尺寸確定為1200 mm（長）×300 mm（寬）×1160 mm（高）。

圖2 除冰樣機外觀布局

2.3 連接設計

根據(jù)隧道現(xiàn)場情況，將除冰樣機10個發(fā)光單元分成上下2排。每排組裝成一個整體，稱作上發(fā)射器組、下發(fā)射器組。上發(fā)射器組、下發(fā)射器組的俯仰角活動范圍均為0°～90°。多個發(fā)光單元整合到一起的優(yōu)點是：輻射能量可以分級疊加滿足不同應用需求；通風模塊、電源模塊、控制模塊等同時共用一套輔助系統(tǒng)。

通過二次調焦機構，除冰樣機可以任意調節(jié)每個光束的投射角度，從而形成不同投射面積和形狀。對普通滲漏點可實現(xiàn)完全覆蓋。

左右水平移動是通過將樣機安裝在導軌上實現(xiàn)，移動距離可根據(jù)現(xiàn)場情況而定，目前設計值為4 m。

2.4 結構設計

除冰樣機主要由上發(fā)射器組、下發(fā)射器組、左立柱、右立柱和下部機箱五部分組成。發(fā)射器組邊框、立柱與機箱上部均為空心密封結構，相互連通。將元件、機箱和線槽集于一體，同時起到固定和通風功能。俯仰傳動機構設于左右立柱內(nèi)，水平傳動機構設在機箱右下部?？刂颇K的元件設在機箱中部。風機安裝在機箱左下部，風機出口與機箱上部的風道連通。風道的出風嘴在發(fā)射器組邊框的內(nèi)側，總共10 組，每組2 個，分別直對光源燈泡的內(nèi)側和外側。采用連續(xù)直吹的降溫方式保證和延長了燈泡的使用壽命。

2.5 機械傳動

馬達采用220 V 同步正逆轉微型電機。傳動部分的俯仰運動通過螺桿裝置實現(xiàn)，精度高，傳動平穩(wěn)；水平運動通過蝸輪蝸桿裝置實現(xiàn)，扭矩大，空間利用合理。

2.6 控制模塊

在發(fā)射器組邊框外裝有2 個遠程紅外溫度傳感器，用于遠距離檢測隧道壁面掃描區(qū)域的溫度?？刂颇K根據(jù)隧道表面結冰區(qū)域的溫度掃描結果，判斷結冰情況，并自動調整發(fā)射器組的投射方向和投入數(shù)量。如果溫度不高于0 ℃裝置開啟，若溫度高于0 ℃則裝置關閉。

為了避免強光對通過的列車產(chǎn)生視覺干擾，列車通過時除冰樣機須自動關閉，列車通過后裝置自動開啟，該判斷功能由安裝在其內(nèi)部的2 個聲音傳感器完成。控制模塊選用GM203控制器，滿足控制和通信所需要的所有功能。遠程終端在操作員手機或監(jiān)控電腦上實現(xiàn)。

3 試驗結果

3.1 室內(nèi)試驗

發(fā)光單元的試驗分2 組，第1 組是在室內(nèi)的輻照度試驗，第2組是冰塊的融冰效果試驗。

1）輻照度試驗

在8 m 遠處的投射靶面（墻）上，分別畫出直徑0.3，0.6，0.9，1.2 m 的圓環(huán)（參見圖1），在圓心和4 個象限點處分別檢測輻照度。該試驗采用MR-5 型熱輻射計，其主要性能參數(shù)見表3。

表3 熱輻射計的主要性能參數(shù)

將發(fā)光單元的光源光束投射到8 m 處的墻壁上，調整聚焦使圓環(huán)直徑為0.6 ～1.2 m，發(fā)光單元運轉正常后測得輻照度在180 ～775 W/m2，見表4。象限點的位置參見圖1。

表4 不同圓環(huán)直徑時圓心和象限點的輻照度

在試驗室內(nèi)的墻壁上預先畫好直徑為0.6 m 的圓環(huán)，1 h后圓環(huán)內(nèi)墻壁表面溫度達到45 ℃。

2）冰塊融化試驗

將預先凍結的直徑30 mm、厚50 mm 的冰塊固定在圓環(huán)處，經(jīng)光源光束照射1 h后冰塊全部融化跌落。

以上2 組試驗表明發(fā)光單元用于除冰是可行的。除冰樣機只需根據(jù)各隧道現(xiàn)場實際情況，將一定數(shù)量的發(fā)光單元整合到一起，再增加必要的輔助功能，就能完成各隧道中的除冰任務。

3.2 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗用的除冰樣機含有10個發(fā)光單元，分為上下2 排。制作完成后除冰樣機被安裝在檢修車上，在青藏鐵路隧道內(nèi)4 個結冰點進行了除冰試驗（圖3）。光束對準后隧道內(nèi)的冰柱從10 min 起開始融化，在30 min 內(nèi)所有冰面和冰柱全部消融，效果非常理想。

圖3 現(xiàn)場試驗

4 結論

1）基于遠距離、非接觸的設計理念設計了隧道用除冰樣機。通過高能光束遠程照射進行可控除冰，不管結冰位置處于隧道何處，光束均可以直接到達，除冰位置無死角。

2）除冰樣機作業(yè)時隧道內(nèi)無需停車停電，對隧道內(nèi)運行的車輛、設備、人員均無任何影響，達到了安全要求。

3）現(xiàn)場試驗的冰柱可在30 min 內(nèi)全部消融，除冰效率較高。通過二次調焦可獲得更高溫度，除冰樣機還可用于其他任務。

4）目前設計的不足之處在于除冰樣機略顯笨重，后續(xù)將結合應用情況對其進一步優(yōu)化。