鋼軌表面結(jié)冰積雪分步處理裝置設(shè)計

周佳欣，程仟禧，吳嘉琦，袁嘉鑫

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們的出行方式發(fā)生了巨大改變。在眾多出行方式中，鐵路運輸具有高速、運力大、單位成本低和污染小等特點，是大宗商品運輸最有效、最直接的運輸渠道之一。但由于鐵路發(fā)展產(chǎn)生的巨大溢出效應(yīng)，極端天氣下使得軌面堆積冰雪的清理任務(wù)加大[1-3]。

在惡劣天氣的影響下，電氣化鐵路多次被迫停運，制約了鐵路運力的發(fā)揮，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的正常出行都造成了很大影響。如遇暴雪天氣，未及時清理軌面積雪，會導(dǎo)致異物侵入限界，阻礙列車運行，軌道的絕緣性也會受到影響，從而影響運行信號[4]。道岔處積雪過多會導(dǎo)致道岔失靈，影響股道切換，輕則降低運行效率，重則會引起重大的交通事故[5]。除此之外，在冬季，高速動車組列車車底冰塊由于溫度升高而融化，融化后形成的冰柱在列車高速運行的狀態(tài)下會將地面應(yīng)答器打壞，造成車載列控系統(tǒng)因接收不到地面應(yīng)答器數(shù)據(jù)而停車[6]。因此，鋼軌表面積雪的處理在鐵路運輸中至關(guān)重要[7-8]。

目前對軌面冰雪的清理方式較為單一，通常采用扁鏟清除，但扁鏟不能徹底清除尖軌與滑床板、尖軌與基本軌之間的積冰（冰雪混合），工作效率低下并且效果不太理想。而市面上的除雪機(jī)器通常是利用吹風(fēng)和噴火裝置兩套系統(tǒng)，雖然能在短時間內(nèi)除雪、融冰，使道岔恢復(fù)正常，但是高溫噴火會導(dǎo)致鋼軌發(fā)藍(lán)甚至灼傷，對鋼軌造成一定的損傷[9-12]。為克服人工除雪效率低下和防止機(jī)器除雪損傷鋼軌等缺點，滿足多種環(huán)境下的工況需求，需要設(shè)計出一款能夠提高除雪、融冰作業(yè)效率并且不損傷鋼軌的除雪裝置。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置結(jié)構(gòu)利用Pro/E建立各零件的幾何模型并對零件進(jìn)行裝配。本裝置主要由短波紅外加熱裝置、冰渣清掃裝置、纖維塊初次吸水裝置、纖維塊二次吸水裝置、熱對流表面蒸發(fā)裝置和熱流循環(huán)裝置組成，如圖1、圖2所示。

圖1 總裝配工作圖

圖2 總裝備整體圖

本裝置懸掛在除雪車車底折疊機(jī)構(gòu)上，并通過定位裝置精準(zhǔn)定位到鋼軌表面，車底折疊機(jī)構(gòu)及本裝置位置如圖3所示。

圖3 車底折疊機(jī)構(gòu)

1.1 短波紅外加熱裝置、冰渣清掃裝置

短波紅外加熱裝置、冰渣清掃裝置通過螺栓連接在框架上，如圖4、圖5所示。短波紅外裝置可將紅外輻射轉(zhuǎn)化為熱量對裝置進(jìn)行加熱，并能夠控制加熱區(qū)域和加熱時間。利用短波紅外加熱的特點，可實現(xiàn)在不接觸鋼軌的情況下，對鋼軌表面的積雪及凝結(jié)在鋼軌表面上的冰殼進(jìn)行加熱融化，使其達(dá)到冰水混合物的狀態(tài)。如圖5所示，冰渣清掃裝置利用其結(jié)構(gòu)特點可將冰水混合物中的冰渣掃下鋼軌表面，為后續(xù)融冰除雪工作做好準(zhǔn)備。

圖4 短波紅外加熱裝置

圖5 冰渣清掃裝置

1.2 纖維塊初次吸水裝置、纖維塊二次吸水裝置

纖維塊初次吸水裝置和纖維塊二次吸水裝置依次通過不同剛度的小剛度彈簧、大剛度彈簧連接在框架上，如圖6所示，框架上還設(shè)有可容納所述小剛度彈簧、大剛度彈簧滑動配合的滑槽。

圖6 木纖維塊吸水裝置

纖維塊初次吸水裝置和纖維塊二次吸水裝置主要由木纖維組成。纖維塊初次吸水裝置安裝在冰渣清掃裝置之后，該裝置工作時通過吸收鋼軌表面上的大部分水珠來達(dá)到清理鋼軌表面結(jié)冰積雪的目的。纖維塊二次吸水裝置安裝在裝置最后部，與鋼軌軌面之間的接觸壓力大于木纖維塊初次吸水裝置與鋼軌軌面之間的接觸壓力，可進(jìn)一步吸收鋼軌表面殘留下來的水痕和水珠，改善處理效果。

1.3 熱對流表面蒸發(fā)裝置、熱流循環(huán)裝置

熱對流表面蒸發(fā)裝置安裝在木纖維塊吸水裝置后方，結(jié)構(gòu)如圖7所示，通過其內(nèi)部的風(fēng)扇向鋼軌表面鼓吹熱空氣，帶走鋼軌表面的水蒸氣并防止鋼軌表面水蒸氣再次冷凝；熱對流表面蒸發(fā)裝置前后兩側(cè)還設(shè)有輔熱裝置，其作用是減小被加熱區(qū)域附近的鋼軌由于溫度變化而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。熱流循環(huán)裝置，結(jié)構(gòu)如圖8所示，其作用是使鋼軌表面的熱氣流循環(huán)并回到風(fēng)扇處，且裝置中的冷凝管和冷凝板可將熱空氣冷凝并將冷凝下來的水珠導(dǎo)向遠(yuǎn)離鋼軌一側(cè)。

圖7 熱對流表面蒸發(fā)裝置

圖8 熱流循環(huán)裝置

2 工作過程及工況分析

鋼軌表面結(jié)冰積雪分步處理裝置由2根液壓桿與車體連接安裝在鐵道工程車輛底部。在鐵道工程車輛行進(jìn)過程中，安裝在框架前端的短波紅外加熱裝置首先接觸到堆積在鋼軌表面的積雪及凝結(jié)在鋼軌表面的冰殼，并對其進(jìn)行加熱，使其達(dá)到冰水混合物的狀態(tài)。在短波紅外裝置后端設(shè)有冰渣清掃裝置，若短波紅外裝置無法實時將冰渣轉(zhuǎn)化為冰水狀態(tài)，軌面冰渣清掃裝置可將冰渣掃下鋼軌表面，為后續(xù)的木纖維塊初次吸水做好準(zhǔn)備。安裝在冰渣清掃裝置后的木纖維塊初次吸水裝置，與鋼軌表面之間有一定的接觸壓力，可以吸收存留在鋼軌表面的大部分水珠，并且在其上方有干燥熱空氣對木纖維塊頂部進(jìn)行持續(xù)烘干，利用木纖維塊的毛細(xì)現(xiàn)象形成木纖維塊底部與頂部的通道，使木纖維塊可以持續(xù)吸水而不接近木纖維塊的吸水飽和度。安裝在木纖維塊吸水裝置后的熱對流表面蒸發(fā)裝置可以通過其內(nèi)部的風(fēng)扇將電加熱器產(chǎn)生的熱空氣吹向鋼軌表面；鋼軌表面的熱氣流可以將鋼軌表面的水膜迅速蒸發(fā)并帶走水蒸氣，防止鋼軌表面水蒸氣再次冷凝；通過鋼軌表面的熱氣流可以進(jìn)入熱流循環(huán)裝置循環(huán)并回到風(fēng)扇處，熱流循環(huán)裝置中的冷凝管和冷凝板將熱空氣中冷凝，并將冷凝下來的水珠導(dǎo)向遠(yuǎn)離鋼軌一側(cè)。安裝在裝置最后部的纖維塊二次吸水裝置與鋼軌的軌面之間的接觸壓力大于木纖維塊初次吸水裝置與鋼軌的軌面之間的接觸壓力，纖維塊二次吸水裝置可以吸收熱對流表面蒸發(fā)裝置處理后，極少量殘留的水痕和少量不可避免的冷凝下來的水珠，進(jìn)一步改善處理效果。

依據(jù)我國鐵路網(wǎng)的分布，在東北及西藏等區(qū)域的極端氣溫會在0～-45 ℃范圍內(nèi)，由于本裝置除利用短波紅外裝置融冰外，還設(shè)有熱對流表面蒸發(fā)裝置進(jìn)行融冰，并利用熱氣流融化鋼軌表面的冰層達(dá)到清理的效果。此加熱裝置的主要發(fā)熱部件為恒溫的可變功率發(fā)熱部件，發(fā)熱器通過電路元件在一定范圍內(nèi)改變自身的功率來適應(yīng)不同的工作狀況，當(dāng)熱氣流流過鋼軌表面的時候，溫度可以達(dá)到110 ℃以上，局部可達(dá)到130 ℃以上，完全滿足將冰融化的條件，并可將表面冰層融化形成的積水汽化，不會破壞鋼軌的表面結(jié)構(gòu)。本裝置適合在惡劣天氣情況下工作，可保證車輛的正常運行。

另外，本裝置安裝在除雪車底部，處理鋼軌表面結(jié)冰積雪時，利用短波紅外加熱裝置進(jìn)行初步除雪融冰，并且能在有限的時間內(nèi)進(jìn)行除冰。假定鋼軌表冰的厚度為1 cm，除雪車車速為5 km/h，則除雪車通過1 m所需要的時間為0.72 s，鋼軌表面結(jié)冰體積為5.1 dm3，則融化該體積的冰所需的熱量為1530 kJ。本除雪車通過1 m的區(qū)域長度產(chǎn)生的熱量為2000 kJ，大于鋼軌表面結(jié)冰融化所需熱量，即可達(dá)到融冰效果。此外，該裝置前后方均有安裝檢測裝置，若發(fā)現(xiàn)冰未融化，可由司機(jī)實時降低車速，也可達(dá)到完全除冰的目的。

3 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

1）設(shè)計新穎追求實用。對鋼軌表面的積雪結(jié)冰進(jìn)行分步驟處理，既可以提升除冰除雪的效率，優(yōu)化處理效果，又可以避免除冰除雪過程中裝置對鋼軌造成損傷，減少人工作業(yè)量，改善作業(yè)環(huán)境。

2）作業(yè)方式節(jié)能環(huán)保。在熱對流表面蒸發(fā)過程中采用熱流循環(huán)裝置循環(huán)利用被加熱過的氣流，減小了作業(yè)過程中的能量損耗。

3）結(jié)構(gòu)緊湊便于安裝?？赏ㄟ^2根液壓桿與鐵路作業(yè)車輛的車體相連接，安裝簡單，連接方便可靠。

4 結(jié)語

通過查閱相關(guān)資料，簡要概括了現(xiàn)階段國內(nèi)所使用的鋼軌表面結(jié)冰積雪處理技術(shù)，提出了該技術(shù)存在的不足，并在此基礎(chǔ)上加以完善。對不同天氣條件下鋼軌表面不同的結(jié)冰積雪程度進(jìn)行分析，設(shè)計出本款具有紅外融冰雪、熱對流表面蒸發(fā)和木纖維吸附功能的鋼軌表面結(jié)冰積雪分步處理裝置。這種鋼軌表面結(jié)冰積雪分步處理裝置，自框架的前端到后端的方向上依次設(shè)置短波紅外加熱裝置、冰渣清掃裝置、木纖維塊初次吸水裝置、熱對流表面蒸發(fā)裝置和纖維塊二次吸水裝置。本裝置結(jié)構(gòu)主要按照現(xiàn)階段鐵路在惡劣天氣情況下，對鋼軌表面的結(jié)冰積雪進(jìn)行清除，并且不損傷鋼軌表面，可保證車輛在惡劣條件下的正常運行。