光電磁控式隧道除冰裝置的研究

雷瑛　李娜

摘 要：本文主要針對鐵路隧道拱頂在冬季時因滲水掛冰過長影響行車安全設計了光電磁控式的風動打冰裝置。在現有鐵路隧道除冰機構的基礎上，結合不同機構的優缺點，對風動打冰機構進行優化設計。將鐵路隧道主動除冰裝置重點放在對隧道內冰柱監測、判斷及控制方面。對于隧道內冰柱的檢測，采用了紅外線光電開關，利用冰柱生成后對紅外線光電開關之間光信號的遮蔽，當冰柱達到一定長度，觸發除冰機構的動作;為了防止風動除冰機構在非冰掛時間或冰掛初期無害階段產生不必要的除冰動作，利用電磁聯動控制除冰機擺桿的擺動，降低機器的損耗，延長風動除冰機的使用壽命，從而達到在正常季節和冬季無冰或冰掛較少時不啟動，冰掛延長危及行車安全時及時啟動除冰的目的。

關鍵詞：隧道除冰;紅外檢測;電磁控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.092

1 前言

我國的鐵路發展迅速，鐵路網四通八達，它的運力強，乘坐快捷。而為縮短距離和避免長大坡道等的鐵路隧道為其提供了堅實的基礎，但是，冬季溫度較低時，由于鐵路隧道的頂部容易滲透滴水，隧道的頂部常常有許多的冰掛。尤其是在北方，隧道列車駛入隧道內，大量的冷空氣順勢涌入，使洞口內壁掛冰嚴重。當洞口的掛冰持續增長觸及到頂部的接觸網時，會引起電路短路，導致承力索的燒毀，從而對鐵路運輸帶來極大的危害。

為消除冬季鐵路運輸在隧道內的不安全因素，各方面專業人才研制了不同的除冰方法。最簡單原始的是人工除冰法，用人力敲打除冰，此法成本大、危險高;另一種方法是利用安裝在隧道頂部的除冰小車進行往復運動，用車上的橫桿擊冰除冰，但此除冰車結構復雜，構建較多，日常運行容易發生故障;還有其他利用發熱元件在隧道頂部進行除冰的裝置，但其無法解決其從頂部融留下的積水。為了解決這一些列現實問題，本文通過紅外檢測結合磁電控制風動打冰解決隧道拱頂結冰問題。

2 紅外線光電檢測裝置

鐵路隧道主動除冰重點在于對隧道內冰柱監測和判斷，當冰柱達到一定長度，威脅到列車安全時，就需要采取措施，盡快將冰柱清除。除冰主要有兩個重要的環節，分別是檢測裝置和除冰機構。

對于冰柱的監測，可采用紅外線光電開關。紅外線光電開關按檢測方式可分為反射式、對射式和鏡面反射式三種類型。對射式檢測距離遠，可檢測半透明物體的密度（透光度）。反射式的工作距離被限定在光束的交點附近，以避免背景影響。鏡面反射式的反射距離較遠，適宜作遠距離檢測，也可檢測透明或半透明物體。對于鐵路隧道內冰柱的檢測，可選擇對射式結構，可以采取在鐵路隧道內靠近頂端高于列車極限高度的位置在同一高度水平線成對左右布置紅外線光電開關的發射端和接收端。主要是利用冰柱生成后對紅外線光電開關之間光信號的遮蔽，引起紅外線光電開關狀態的改變，從而觸發除冰機構的動作。

紅外線光電開關的重要功能是能夠處理光的強度變化。紅外線光電開關是由發射器、接收器和檢測電路三部分組成。發射器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于發光二極管（LED）和激光二極管。光束不間斷地發射，或者改變脈沖寬度。受脈沖調制的光束輻射強度在發射中經過多次選擇，朝著目標不間接地運行。接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面的是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。當紅外線光電開關發射端和接收端之間沒有障礙物阻擋光線時，接收端的輸出信號為高電平電壓，當有障礙物遮蔽發射端和接收端之間的光線時，接收端輸出的信號為低電平電壓。由此可以借助兩種狀態電壓來判斷發射端和接收端之間有無障礙物。

冰柱屬于透明度較低的晶體，當冰柱處于紅外線光電開關發射端和接收端之間時，由于其表面的不規則形，會引起光線的漫反射，使得接收端感受到的光強幾乎為零，紅外線光電開關輸出信號為低電平。紅外線光電檢測裝置的布局如圖1所示，其中1為發射端，2為接收端。

3 控除冰機構

當列車在鐵路隧道中高速通過時，待列車車身完全進入隧道，列車推動隧道中的空氣高速流動，形成形態逐漸穩定的活塞風。可以利用活塞風推動除冰桿擺動，擊碎去除形成的冰柱。除冰機構布局如圖2所示，1為紅外線光電開關的發射端，2為接收端。中間倒T字形結構為除冰擺桿機構。

為了保證擺桿的自由擺動，擺桿和固定桿之間通過連接環進行連接。如果單純依靠鐵路隧道中的活塞風推動擺桿工作除冰，會使得擺桿在不必要的時候也會擺動，會導致連接環的機械磨損增加，使用壽命減少。

為了減少機械磨損，構建了圖3所示的除冰擺桿機械結構。

其中，1為電磁器，2為彈簧，3為金屬套筒，4為連接環，5為除冰擺桿。主要工作流程為，當冰柱生成，紅外線光電開關發射端和接收端被冰柱阻擋，接收端可以接收不到發射端發出的紅外光線時，接收端輸出低電平，利用此控制信號控制電路持續為電磁器1供電電路供電，電磁器磁力吸引金屬套筒3，金屬套筒3在克服壓縮彈簧2的向下的推力，上移，使得連接環4處于金屬套筒結構之外，T型擺桿可以自由擺動，在鐵路隧道活塞風推動下擺動除冰。

當紅外線光電開關發射端和接收端之間沒有冰柱遮擋時，接收端輸出高電平，利用高電平信號控制電路斷開為電磁器1供電的線路，使得電磁器失電。此時，金屬套筒3在壓縮彈簧的推力作用下，下移，將連接環4及除冰桿的一部分套住，由于金屬套筒的限制作用，倒T字型擺桿無法擺動，減少了不必要的摩擦，延長了除冰機構的壽命。

為了減少倒T字型擺桿對紅外線光電開關發射和接受端光線的干擾，空間布局時應使兩者在空間異面，只檢測倒T字型擺桿旁邊位置是否有冰柱產生。

4 應用前景

鐵路隧道拱頂除冰現階段的各種方式存在成本高、難度大、效果差和機構壽命較短的問題。而本文研究設計的紅外光電檢測磁控式風動除冰裝置，改進了風動除冰機構借用列車通過時風壓打冰不確定性擺動，使風動打冰擺桿在冰掛達到臨界時進行打冰行為，既有效的進行了隧道除冰同時還增加了除冰器的壽命。最大程度上節約了能源，延長了除冰裝置的使用壽命從而使鐵路隧道除冰這一難題在技術層面更進一步。

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作者簡介：雷瑛（1980-），女，陜西渭南人，研究生，講師，教師，研究方向：機械工程材料、機械設計。