懸掛式鐵路接觸網除冰機的設計*

□ 李順秋 □ 王中長

濱州學院 機電工程學院 山東濱州 256600

1 設計背景

當前,鐵路接觸網覆冰在全球范圍內均是冬季常見的事故,破壞性比較大,輕則造成大面積異常供電,重則導致桿塔傾斜、倒塌,導線脆性接地等,經濟損失巨大。

鐵路是國家的主要基礎設施,綜合交通運輸體系的骨干,鐵路運輸是集約式發展和資源利用效率提高的一種有效運輸方式。我國是鐵路運輸大國,鐵路運營范圍十分廣闊,冬季清理鐵路接觸網覆冰較為困難。目前,在鐵路接觸網除冰工作中,鐵路部門仍然采用人工操作方式,冬季氣溫低,保暖衣物重,人工清理不便,并且費時費力。除冰機的使用可以極大解放人力,使除冰成本大幅下降。基于此,筆者設計了懸掛式鐵路接觸網除冰機。

2 工作原理

動力系統提供動力,使懸掛式鐵路接觸網除冰機向前緩慢行駛。電磁加熱圈對輸電線進行局部加熱,使鐵路接觸網上的覆冰松動。當旋轉敲擊聯動裝置調節至合適位置后,按下遙控機開關,對應的電機啟動,電機通過傳動軸與聯軸器將動力傳送至旋轉敲擊聯動裝置中心軸,開始敲擊鐵路接觸網,將鐵路接觸網上的冰溜擊碎。

通過實時信息傳輸,使施工人員在室內就可以了解除冰機所在位置及鐵路接觸網覆冰情況,能夠大大縮短施工人員在鐵路運輸線路上的工作時長,降低鐵路的運營投入。

3 整體結構

懸掛式鐵路接觸網除冰機工作環境特殊,需要具有多方面能力:① 上坡、下坡、制動能力;② 在光滑覆冰上行走的能力;③ 抗風保持穩定的能力。除冰機具有裝配式有效除冰機構,體積和質量適中,便于攜帶,同時具有實時信息傳輸功能。為了滿足以上工作要求,除冰機的行走機構采用彈性后驅雙臂懸掛式結構,懸掛在鐵路接觸網上,前端的實時成像采集相機將信息實時采集并傳輸至命令顯示屏。除冰機內部裝有機械除冰機構和提高溫度除冰機構兩種除冰機構。筆者重點介紹除冰機的除冰機構、行走機構、越障原理,以及全球定位系統定位、實時信息傳輸,并進行空中穩定性分析。

除冰機整體結構如圖1所示。行走機構采用彈性后驅雙臂懸掛式結構,可以跨越鐵路接觸網支撐梁等各種障礙,具有穩定性好、可靠性高等特點。除冰機內部安裝有機械除冰機構和提高溫度除冰機構。機械除冰機構采用旋轉敲擊聯動裝置連續敲擊鐵路接觸網,清除鐵路接觸網表面的覆冰。提高溫度除冰機構采用提高覆冰與鐵路接觸網接觸表面溫度的方法,通過電磁感應加熱,改變電流頻率和方向,對鐵路接觸網進行局部加熱,使覆冰從內部解體,達到快速清除覆冰的目的。采用遠程控制的方式控制除冰機,進行除冰作業時只需將除冰機安裝在鐵路接觸網上,通過室內遙控器遠程控制除冰機行走即可。通過實時信息傳輸,施工人員能夠及時了解覆冰情況,必要時可以修改施工方案。除冰機需要在惡劣天氣條件下在各種復雜的鐵路接觸網上工作,各項功能的完善需要大量后期研究。隨著科學技術的發展與進步,除冰機各種功能具有很好的研究應用前景。

在多個動力源電機的傳動配合下,能量通過齒輪、同步輪、皮帶、鏈條傳遞至工作機構。除冰機行走機構通過彈性后驅雙臂懸掛式結構在鐵路接觸網上平穩行走,越過鐵路接觸網的支撐梁。提高溫度除冰機構通過電磁感應在鐵路接觸網上進行局部加熱,使覆冰松動。機械除冰機構的旋轉敲擊聯動裝置不斷擊打鐵路接觸網,使覆冰完全脫落,從而達到除冰的效果。

4 除冰機構

目前,工程中用于鐵路接觸網除冰的方法有很多,根據不同的除冰原理,鐵路接觸網除冰主要分為提高溫度除冰、機械除冰、涂刷防冰涂料等。在提高溫度除冰中,交流融冰通過調整運行方式,增大安全負荷交流電流,使鐵路接觸網上的覆冰在電流的熱作用下掉落。直流融冰是500 kV線路唯一可行的融冰方法,但由于電力電子技術和電網安全穩定方面的制約,研究還沒有取得突破性進展。采用機械除冰。施工人員站在除冰車頂部,用除冰棍敲擊鐵路接觸網,產生局部振動,達到使覆冰掉落的目的。采用涂刷防冰涂料,在鐵路接觸網上涂敷導電防冰涂料,可以抑制鐵路接觸網覆冰。其它除冰方法包括電暈放電除冰、電磁脈沖除冰、電壓脈沖除冰、電子凍結除冰、粒子加熱除冰等,但不少還處于設想或試驗階段。

在鐵路接觸網除冰方法中,最實用的是提高溫度除冰,操作相對簡單,機械除冰則可以采用最簡單的機械結構。當前,機械除冰需要施工人員在夜間進行,施工人員的危險因數較高,并且除冰過程中需要停電操作,對列車的正常運行影響很大。筆者設計的懸掛式鐵路接觸網除冰機將提高溫度除冰機構和機械除冰機構結合起來,使鐵路接觸網覆冰的清除更徹底。

4.1 機械除冰機構

機械除冰機構采用旋轉敲擊聯動裝置,如圖2所示。旋轉敲擊聯動裝置通過旋轉方式連續敲擊鐵路接觸網,在旋轉軸上有多排敲擊棍,由電機為旋轉軸提供旋轉動能,旋轉軸可以高速旋轉,敲擊棍跟隨旋轉軸高速旋轉,不斷敲擊鐵路接觸網,使鐵路接觸網產生振動,使覆冰掉落。

覆冰熱力學性能主要由環境溫度、平均密度、抗壓強度、剪切強度四方面共同決定。一般而言,環境溫度為-10 ℃,平均密度為0.85 g/cm3,抗壓強度為2.09 MPa,剪切強度為0.45 MPa。

對單個敲擊棍除冰進行分析,具體計算過程省略。敲擊棍與鐵路接觸網的接觸寬度為0.001 m,與鐵路接觸網平面的夾角為25°,假設敲擊棍的長度為0.15 m,則敲擊棍和覆冰的接觸面積為0.000 16 m2,在對應的接觸面上敲擊棍對鐵路接觸網所產生的擠壓力為0.334 4 MPa,剪切力為0.159 MPa。

根據鐵路接觸網覆冰的厚度選用不同工作扭矩的電機。設計電機轉速為1 200 r/min,每秒可對鐵路接觸網沖擊20次,選用工作扭矩為1 N·m的電機,則電機的功率為0.1 kW。

為合理占用除冰機的內部空間,選用適合的傳動帶很有必要。電機通過傳動帶將能量傳遞至旋轉軸,使旋轉軸產生高速旋轉,敲擊鐵路接觸網,對覆冰施加應力,使鐵路接觸網產生局部振動,并使覆冰掉落。電機的轉速為1 200 r/min,傳動帶的傳動比為1.1,每日工作8 h。

傳動帶工作情況因數見表1,取1.0。

表1 傳動帶工作情況因數

根據工作情況因數、電機功率和轉速,傳動帶選用Z型。初步選用小帶輪基準口徑dd1為80 mm,驗算傳動帶帶速為5.024 m/s,帶速在5～30 m/s之間,因此帶速合適。由此計算得大帶輪基準直徑dd2為88 mm,取標準值為90 mm。

中心距a0應當滿足:

0.7(dd2+dd1)≤a0≤2(dd2+dd1)

(1)

由此初定中心距為200 mm,在此基礎上得到基準長度為405 mm。

4.2 提高溫度除冰機構

提高溫度除冰機構如圖3所示。電磁感應加熱圈設置于兩個行走機構之間,彎折部分整體呈U形,繞鐵路接觸網周側設置,固定于底座。

STM32單片機為整個控制系統的電氣控制中樞,通過發出1和0指令控制電路信號的開閉,再通過矩陣開關獨立控制電機和相關機構。

單片機控制原理如圖4所示,控制電路板如圖5所示,內部搭載標準π型電源濾波器,可以有效抑制和吸收高頻電網的干擾。12 V電壓經功率調節器變頻為3.5 kW,輸入電磁感應加熱圈,環繞于鐵路接觸網,對鐵路接觸網進行局部加熱,使覆冰初步融化松動,機械除冰更為順暢。

我國鐵路接觸網正常運行時,傳輸電流最高可達400 A,一般電阻率為0.023 95 Ω/mm2,截面積為150 mm2,附近磁場強度最高可達3 143 A/m,交變磁感應強度達0.6 T。

電磁感應加熱圈產生的磁熱主要來源于鐵心的磁滯損耗和渦流損耗,磁滯損耗Pe為:

(2)

式中:f為運行頻率;η為Steinmetz系數;μm為鐵磁導率;V1為鐵心體積。

5 行走機構

行走機構采用彈性后驅雙臂懸掛式結構,如圖6所示。當鐵路接觸網的延伸角度變化或表面覆冰不均勻時,利用彈簧的緩沖力調節行走機構的移動角度,使夾持空心齒輪在鐵路接觸網上平穩運行,同時避免在鐵路接觸網上晃動。行走機構主要由行走電機、遠程調速器、皮帶、夾持空心齒輪等組成。行走電機為可調速大功率電機,是懸掛式鐵路接觸網除冰機不同工作狀態下速度調節的核心。通過調速器輸出脈沖寬度調制波調節電控時間,控制行走電機的轉速和輸出功率。

皮帶傳動構造簡單,適合于兩軸中心距相差較大的傳動場合,傳動穩定無噪聲,并且可以緩沖、吸振。超載時會在帶輪上產生打滑,可以防止薄弱零部件損壞,起安全防護的作用。皮帶傳動制造費用低,不需要潤滑,維修方便,在近代機械傳動中應用十分廣泛。滾槽機架多為鋁合金材質,機身輕巧,在試驗時沒有出現過載打滑現象。

夾持空心齒輪為自主設計,行走電機帶動皮帶轉動,皮帶聯動行走機構,實現除冰機在鐵路接觸網上行走。行走機構可以保持除冰機在鐵路接觸網上的穩定性,除冰機在行走的同時,齒輪振動也能夠瓦解冰溜,并初步清理冰溜。

6 全球定位系統定位

采用UBX-M8030-KT全球定位芯片作為主要架構,與移動電話等電子設備上自帶的定位模塊相結合,能夠在移動電話等電子設備上顯示懸掛式鐵路接觸網除冰機的當前位置和運行軌跡。只需要在移動電話中安裝好相應的應用程序,即可實現對除冰機運行軌跡的實時監控。

7 實時信息傳輸

實時信息傳輸采用實時成像采集相機,設置在懸掛式鐵路接觸網除冰機機體頭部,用于觀察鐵路接觸網覆冰情況及除冰效果,以便施工人員及時調整工作。

8 空中穩定性分析

懸掛式鐵路接觸網除冰機進行作業時,會受到空中氣流產生的橫向力及自身對行走機構產生的壓力。為減小這些力對除冰機運行的影響,在除冰機腹部設置活動式橫向側風阻尼器,并且采用流線型溜背設計。為進一步提高除冰機的運行安全性,將大部分機構安裝于行走機構下方。

橫向側風阻尼器如圖7所示,采用螺旋式蝸桿。當側面有橫向強風時,阻尼器會轉動,產生動能和橫向力。當橫向強風對阻尼器產生的橫向力大于阻尼器自身重力時,產生相對滑動。橫向強風經過兩次削弱,對除冰機產生的影響大為減弱。除冰機三維模型如圖8所示。

9 結束語

筆者在分析鐵路接觸網現有除冰方法的基礎上,結合國內外高壓輸電線除冰技術,設計了一種集機械除冰、提高溫度除冰于一體的懸掛式鐵路接觸網除冰機,同時可應用于低空輸電線除冰。對這一除冰機的除冰機構、行走機構、全球定位系統定位、實時信息傳輸進行了介紹,并進行了空中穩定性分析,確認各關鍵零件尺寸、強度、性能滿足設計要求。

這一除冰機的結構相對合理,主要用于鐵路接觸網覆冰后的除冰工作,亦可在無絕緣皮包覆的輸電線上進行除冰作業,若覆冰不嚴重,可以不進行提高溫度除冰。

當然,這一除冰機還存在一些需要解決的問題,如運行前方的冰溜阻隔等。目前正在對這一除冰機進行進一步改進,以便適應更復雜的工作環境。