高速鐵路道岔融雪裝置的工作原理與應用

田 宇，肖培龍，盧 哲

0 引言

鐵路站場道岔是車站運輸設備的重要組成部分，對道岔的技術狀態要求很嚴格，當尖軌尖端與基本軌有4 mm以上的間隙時，不能鎖閉進路和開放信號。在寒冷地區冬季降雪天氣里，如果鐵路道岔除雪不及時，道岔內積雪或結冰，導致道岔尖軌尖端與基本軌無法可靠密貼，直接影響車站列車接發作業和調車作業的正常進行，嚴重時可造成鐵路運輸中斷。隨著國內客運專線和高速鐵路的快速發展，嚴寒地區冬季道岔融雪問題成為影響高速列車安全正常運行的關鍵。

根據嚴寒地區的氣候特點和高速鐵路的實際要求，道岔融雪設備不僅要實現道岔的快速融雪，達到良好的融雪效果，在抗震性、設備安裝的牢固性以及綜合布線方面也要滿足相關技術標準。

1 國內外道岔融雪裝置的現狀

1.1 國外道岔融雪裝置

國外道岔融雪方式主要有電熱式、燃氣加熱式、壓縮空氣式、噴燈式、溫水噴射式等加熱方式。總體而言，可實現全自動遙控的，利用安裝在道岔基本軌軌腰或軌底上部、或安裝在滑床板上的加熱條（棒）或加熱管的加熱道岔化雪方式，已成為鐵路道岔融雪設備的主流。

WOLFF GmbH公司（沃爾夫公司）是專業生產道岔電加熱融雪系統的德國公司。加熱元件采用瑞士伊萊克斯公司產品，道岔加熱融雪系統的加熱元件可以承受極端惡劣的鐵路工作環境，如連續、劇烈的鐵軌震動，冰水、積雪、除草劑、柴油、潤滑油、草酸和融雪劑等的侵蝕，同時，系統還配以自動控制系統，通過采集鐵軌溫度、空氣溫度及濕度和積雪3個傳感器的信號，控制道岔加熱系統的工作，并可通過光纜實現遠程集中監控，動態監測環境溫度及濕度、鐵軌溫度、降雪狀態和加熱融雪系統的工作狀態等參數。適應現代鐵路高速、安全、高度自動化等要求，但引進價格相對較高。

1.2 國內道岔融雪裝置

國內在鐵路道岔融雪設備的開發和應用起步較晚，到20世紀90年代，冬季道岔除雪基本是靠人工清掃方式，在人員投入和管理成本上消耗巨大。1996年開始，國內一些企業就開始考慮利用融雪設備進行除雪，并開始了融雪設備的研制。

國內融雪系統主要有2種安裝方式：一種是產品預裝在滑床板內，另一種是加熱元件固定在基本軌上。加熱元件裝在滑床板內不能在道岔尖軌整個長度上實現有效加熱融雪，特別是枕木間尖軌的積雪會殘留較長時間。滑床板結構加熱元件若損壞，更換困難，費時費力。加熱元件固定在基本軌上的加熱方式安裝、更換方便，能提高融雪效率，為國家節省電力能源。但是加熱元件全部由國外進口。這樣會導致加工周期長，成本高。

電熱式元件的出現使融雪效率得到了很大提高，它利用安裝在道岔基本軌軌腰或軌底上部或安裝在滑床板上的加熱條（棒）或加熱管，加熱道岔化雪，可實現全自動遙控。人員不必到達現場，設備通過感應外界溫度、濕度等信息就可以自動控制加熱與否。從人力和管理上大大節約了成本，因此它成為目前廣泛認可的加熱方式。

2 道岔融雪系統的工作原理

2.1 總體結構

道岔電加熱融雪系統總體結構一般分為遠程監控、車站控制終端、室外控制柜三級控制系統，由遠程監控車站中心的控制終端、各車站安裝的車站計算機終端、室外控制柜、環境檢測裝置、軌溫傳感裝置、隔離變壓器、接線盒、電加熱元件、電力電纜和信息通道等構成，具有手動、自動和遠程控制3種方式，可以適合不同環境和不同的使用需求。所有室外控制柜和車站控制室通過CAN總線組成監控網絡，各車站通過以太網實現遠程通信。

2.2 工作原理

降雪時，系統進入加熱狀態的情況。雪在傳感器的表面融化成水，傳感器檢測到模擬量變化，將數據發送給主控制模塊，并且將溫度和濕度數據發送給主控制模塊，主控制模塊根據用戶設置的溫度門限值判斷下雪狀態溫度是否滿足融雪條件，如果滿足則進入加熱狀態。

不下雪時系統進入加熱狀態的情況。當環境溫度較低，空氣濕度很大時，有些地方可能會出現鋼軌結霜或者凍雨現象，此時，道岔也需要加熱。用戶可根據當地的實際情況設置啟動加熱的溫濕度門限，系統將根據門限自動進入加熱狀態。

加熱過程，軌溫應保持恒定溫度。當系統進入加熱過程，軌溫傳感器將鋼軌溫度的實時數據發送給主控制模塊，主控制模塊根據用戶的設置接通或斷開加熱回路，使鋼軌維持在可以融雪的溫度范圍，以達到節能效果。

降雪結束后系統延時加熱。降雪結束后鋼軌上的積雪不會立刻融化，設置停雪后的加熱延時時間，系統將自動判斷并且按照設置的延時時間進行延時加熱。

雪停后檢測鋼軌上積雪。雪停后系統進入停止加熱狀態，當鋼軌上傳感器檢測到有雪時，重新進入加熱狀態，按照設定的延時時間進行延時加熱。

3 需要研究解決的問題

高速道岔是高速鐵路軌道結構的重要組成部分，其機構與狀態對列車運行的安全性、平穩性、旅客的舒適性具有重要的影響。電加熱元件是道岔融雪系統的關鍵部件，直接關系到融雪效果和能源消耗，加熱元件設計中最重要的就是如何提高加熱效率和速率，在岔尖和鉤鎖部位加熱時，如何提高輻射效率是加熱元件設計的關鍵。

道岔電加熱融雪方式是將電加熱元件安裝在道岔需要加熱融雪的部位或其附近，通過電加熱元件將電能轉化成熱能，傳遞給道岔需要融雪的部位，使之溫度提高以融化積雪。另外，岔尖和基本軌的間隙也是融雪的關鍵部位。由于加熱元件和道岔鋼軌均由金屬構成，因此，熱量傳遞過程中的熱傳導方式起了主要作用，但是，在融化岔尖和基本軌間隙中的積雪時，輻射起主要作用，提高熱輻射效率是目前研究的主要內容。

遠紅外技術在其他領域已表現出其明顯的熱輻射效果。經實驗，遠紅外技術應用于加熱線，也極大地提高了加熱線的熱輻射效果。熱輻射效率的提高，使得岔尖與基本軌的間隙處的積雪融化時間減少，從而達到節能的目的。在熱傳導方式中，熱阻決定了熱傳導過程中熱量傳遞的速率，減小熱阻可以縮短對鋼軌加熱的時間。提高熱傳導效果的主要因素有以下方面。

3.1 增大加熱元件與道岔加熱部位的接觸面積

增大加熱元件和加熱部位接觸面積也就是增大了熱傳導通道的截面積，可以提高加熱元件和道岔加熱部位間熱傳導的速率，縮短融雪部位達到融雪溫度的時間，節約電能消耗。

3.2 選用傳導系數較高的材料

選用傳導系數較高的材料制作加熱元件，有效提高加熱元件與道岔熱傳導速率。

3.3 提高加熱元件與加熱部位的密貼程度

加熱元件與加熱部位的密貼程度取決于元件與加熱部位的距離和加熱面積，距離越近，接觸面積越大，熱傳導速率越高。

3.4 減小安裝位置與加熱部位的距離

加熱元件安裝位置與道岔需要加熱部位距離關系到熱傳導的距離和熱輻射的距離，距離越小，熱損耗越小。

3.5 減小加熱元件熱損耗

減小加熱元件熱量損失可以提高加熱元件的熱傳導效率，節約電能損耗。

4 現有裝置改進措施

4.1 加熱線采用遠紅外陶瓷噴涂層

道岔融雪主要作用是融掉岔尖與基本軌間隙的積雪，防止滑床板結冰。采用遠紅外陶瓷噴涂技術，使加熱線上的熱量除了傳導到鋼軌上以外，還能夠最大限度地輻射到岔尖和鋼軌的縫隙處，使得尖軌和基本軌之間的夾雪迅速融化，以解決尖軌和基本軌間不能可靠鎖閉的問題。

4.2 岔尖固定方式

岔尖部分是融雪的關鍵部位，由于有些道岔安裝質量不佳，導致岔尖密貼基本軌后，底部與滑床板間有間隙，當火車通過時，會出現上下方向的剪切力，使得基本軌上固定的線卡長期受到該力影響，最終導致線卡被切斷。如采用蓋板壓住加熱線，并將其首尾兩端直接固定，即可去除岔尖周圍的固定卡具，以免被切斷。

4.3 增加對不下雪天積雪的判斷功能

在國內低溫寒冷地區冬季雪后積雪會長時間存在，當風速較大時，道岔附近的積雪會卷入岔尖和基本軌中間，在鋼軌上安裝檢測積雪的傳感器，即可準確判斷加熱啟動條件，自動啟動加熱功能，并按照設定時間進行延時加熱。

4.4 軌溫傳感器采用熱備冗余設計

系統配備2套鋼軌溫度傳感器，一套為正常工作的主傳感器，另一套為處于熱備狀態的從傳感器。當主傳感器發生故障時，系統自動切換至從傳感器，系統工作不會受到任何影響。

5 應用實例

由北京電鐵通信信號勘測設計院、北京鐵安通科技發展有限公司共同研發的DCR-2000型道岔電加熱融雪系統自 2007年開始在李七莊車站 12#道岔安裝試用至今，已經歷了3個冬季降雪的考驗，在各種氣候條件下都能實現“開機15 min內，道岔各部位開始融雪，道岔內無積雪、無結冰”，未發生部件松動、脫落現象。

李七莊車站12#道岔是50 kg/m鋼軌，在融雪方面的要求與高速鐵路道岔相同，都要求在道岔尖軌滑床板、可動心軌滑床板、可動心頂鐵處和道岔轉轍機外鎖閉處實現融雪。道岔電加熱融雪系統在道岔上述部位安裝了獨特設計的加熱元件，解決了這幾個部位的融雪問題，保證了12#道岔的正常工作。適應嚴寒地區鐵路道岔融雪的要求。系統各部件在防振、工作穩定性、安裝方式、融雪效果等方面均能滿足高速鐵路的要求。

6 結束語

高速鐵路的快速發展對北方冬天冰雪天氣的行車安全提出了很高的要求，高速鐵路不同于公路，不能在軌道上撒鹽融雪，否則會對鋼軌造成損壞，而傳統的人工清掃道岔積雪從人工成本、安全性以及時效性都已不能滿足要求。在道岔上加裝融雪系統就是最好的解決辦法，由于其具有加熱和遠程操作功能，在出現大雪冰凍時，可遠程啟動安裝在各道岔上的加熱條，使冰雪迅速融化，以有效解決鐵路線因大雪冰凍引起的道岔不能轉換問題。