軌道交通線路接觸網除冰研究

（遼寧鐵道職業技術學院,遼寧 錦州 121000）

0 引言

在冬季，北方的接觸網接觸導線上會產生覆冰現象、南方則會產生凍雨現象，均會造成受電弓受流性能下降；同時還會在受流過程產生拉弧現象，加大接觸網和受電弓的磨損；嚴重時甚至能使列車失去運行動力，導致列車晚點甚至造成運營事故。

一般是通過設計方面（設備選型優化、覆冰荷載設計[1]等）和運營方面（人工打冰、機械除冰、涂抹防凍液[2]等）進行防冰和除冰設計，但目前尚未有成熟可靠的接觸網除冰設計方案和相關裝置。

本文通過深入研究接觸網和受電弓的相關參數、性能來進行軌道交通線路接觸網除冰的相關研究，并進行了充分的現場調研，擬采用機械除冰法和熱力除冰法設計一套接觸網除冰裝置，來解決軌道交通線路接觸網的覆冰問題。

1 國內外研究現狀

在過去，人們通常采用機械除冰法，即人工采用工具敲擊接觸網[3]，使接觸網產生震動，覆冰掉落。而且為了保證安全，常利用“天窗”進行除冰作業，在冰多的時候就需要每隔4小時除一次冰。而且這種方法的除冰效果不是十分理想，還有可能會對接觸網線路造成破壞。

目前，常見的除冰方法有如下幾種：

（1）加裝具有除冰功能的受電弓副弓。因為需要重新購置一套受電弓，成本高，經濟性差。

（2）人工除冰。人工利用竹竿等具備良好絕緣性能的工具對已覆冰線路進行震動、敲打。

（3）采用機械沖擊載荷作用于覆冰導線。機械沖擊載荷降低了接觸網穩定性，造成弓網損傷。

（4）在輸電線路網上通高壓電進行除冰。輸電線路網上通高壓電[4]，產生電能損耗，還會造成安全隱患。

（5）購買專用除冰車。此方法需要購置專用設備（除冰車），經濟性差。

2 線路接觸網除冰策略研究

2.1 機械構架部分

本課題是對車輛受電弓進行設備改造設計。

同時，安裝裝置后還要保證如下幾點：

受電弓美觀性；不易產生拉弧現象；不影響其他模塊的檢修維護和自身的易維護性；不影響其他各項功能的使用；整體的穩定性。

以下僅以有軌電車的受電弓結構和性能參數進行介紹，并展開研究。

2.1.1 受電弓結構

來自牽引變電所的電能通過接觸網及裝在車上的受電弓向電動車輛供電。

其中受電弓是電動車輛從接觸網取得電能的電氣設備，安裝在車頂，如圖1。

圖1 受電弓結構

受電弓底架采用無縫矩形鋼經焊接而成，具有強度高、重量輕的特點。下臂桿則采用無縫鋼管，經焊接而成。同時在設計時考慮到受電弓的受流性能和重量，受電弓上臂桿就不采用碳鋼材料，而采用高強度的航空鋁合金材料，這樣上臂桿的受流性能增強，且重量減輕，同時也不會影響上臂桿強度。受電弓緩沖是通過安裝在下臂桿和上臂桿上的液壓阻尼器來實現的。通過液壓阻尼器使弓頭滑板條有很好的隨網性。

受電弓拉桿是由不銹鋼管和軸承組合而成。當拉桿繞底架回轉中心轉動時，受電弓弓頭位置改變。平衡桿可以使受電弓的弓頭在整個工作高度范圍內（包括升到最大高度）保持水平狀態。在車輛運動過程中，可以通過緩沖調整裝置，消除外力對弓頭在運動過程中的干擾。

在受電弓各轉動部位，安裝有不同規格的軟連線。軟連線規格依據車輛電流選擇。車輛需要電流越大，則軟連線截面積越大，反之則截面積越小。

弓頭采用懸掛式設計，在其兩個橫托架中采用了片彈簧技術，使得受電弓滑板條在遇到接觸網硬點時能起到緩沖作用，保護受電弓滑板；同時弓頭設計中采用了調節滑板技術，該技術可以在滑板磨耗不均勻時，采用安裝在橫托架上的調節螺栓進行微量調整。避免因磨耗不均勻，導致滑板條更換量大而產生浪費。

電子驅動裝置選用進口電氣元件，安全可靠。在使用過程中出現意外情況也要保證受電弓能繼續工作，所以該裝置帶有手動功能。即，將受電弓安裝至車頂后，用一根軟軸連接至電子驅動裝置的手動接口，然后將軟軸另一端連接至車內。緊急情況下，司機在車內可通過操作手搖曲柄，來進行受電弓的升降動作。

手動裝置通過軟軸和車內的軟軸連接器連接。手動裝置是在升降弓裝置發生故障時，可通過該裝置確保受電弓的正常升弓和降弓。

安裝在底架上的安全鎖閉裝置對在落弓位置（如運輸期間、維護期間等）的受電弓進行保護，使其不做升弓運動，同時防止了電子驅動裝置在沒有工作的情況下，弓頭被意外抬起而遭到損壞。當受電弓升弓時，安全鎖閉裝置會自動打開。

受電弓的電氣控制系統被安裝在底架上和車輛內和電纜連接，用于控制電子驅動裝置，確保車輛控制受電弓的電子信號正確的傳輸，實現受電弓的動作。

2.1.2 受電弓主要技術參數

受電弓是電動弓，采用電氣控制系統控制電子驅動裝置進行升、降弓操作，同時配備了安全鎖閉裝置，以防止在運輸期間和維護期間的落弓狀態穩定性，杜絕此種工況的誤升弓。

（1）額定電壓 DC 750 V

額定電流 1050 A

（2）受電弓高度 5 650 mm ～ 5 700 mm

（3）額定靜態壓力 110 N ± 10 N

（4）受電弓張開、閉合時間升弓時間（弓頭離開止擋到最大工作高度）≦10 s降弓時間（最大工作高度到弓頭止擋未知）≦10 s

（5）受電弓尺寸

折疊位置總長度 ≈ 2400 mm

總寬度 ≦1700 mm ± 10 mm

碳滑板工作部分長度 1050 mm

上臂桿 2035 mm

下臂桿 1600 mm

弓頭寬度 350 mm ± 5 mm

（6）受電弓總重量（不包括絕緣子） ≦175 kg ± 5 kg

2.1.3 受電弓副支架結構設計

初步設想采用機械設計理論，設計一套機械構架，可將除冰裝置頂部的加熱板與接觸網平穩有效的接觸，實現對接觸網進行機械除冰和熱力除冰的功能，保證在冰雪惡劣氣候條件下的受電弓受流性能的穩定性。

圖2 接觸網除冰結構示意圖

按以下要求制作出一個可安裝在受電弓上臂桿上的支架。該支架附有托盤，托盤兩邊設置夾緊裝置，能保證對放置于托盤內的板材進行夾緊。

支架與托盤示意圖如圖3。圖3（a）為支架與托盤的左視圖方向視圖，圖3（b）則為支架與托盤的主視圖方向視圖。

圖3 支架與托盤示意圖

支架底部用套筒卡扣連接于受電弓上臂桿之上。支架底部的兩個套筒卡扣，須保證能在中心距為495～520 mm之間的左右兩根上臂桿上連接緊固。連接架則用于固定支架。

圖4 支架上的托盤

如圖4，夾緊裝置在托盤兩側均勻布置6個，以保證能對放入托盤內的金屬板材進行夾緊。

2.1.4 受電弓副支架說明

（1）支架須采用30 mm圓柱金屬管材料制作，底部采用套筒卡扣與受電弓左右兩根上臂桿相連接。（上臂桿是直徑45 mm的鋼制金屬管）

（2）支架與上部的托盤為整體結構，托盤為一長方體盒型結構（無上蓋）。

（3）托盤尺寸參考圖例制作，兩側須均勻布置夾緊工件（夾緊工件形式可自由選擇，但要保證小巧且牢固，能對10～30 mm厚度的板材進行夾緊固定），整個托盤須保證能將一個尺寸為500×300×20 mm的長方體金屬板材放入其中，并依靠兩側的夾緊工件進行固定。

（4）托盤最大承載載荷應滿足15 kg，保證在滿載狀態下，整個支架托盤與受電弓上臂桿能連接可靠，牢固穩定。

（5）設備的整體外觀須涂紅色油漆。

2.2 加熱控制部分

除冰裝置外置加熱板。加熱板的加熱控制電路將溫度信號轉化為電信號，設定在溫度的變化超過一定界限時加熱系統停止工作。此電路包含溫度傳感電路，電信號處理電路、溫度控制檢測電路。

具體方案如下：

2.2.1 控制箱選用電氣元件

見表1。

表1 控制箱選用電氣元件一覽表

2.2.2 控制箱設計

圖5 控制箱總體布置圖

控制箱總體布置圖如圖5所示。

該電路要保證如下幾點：

（1）保證材料的散熱性能和熱穩定性。

（2）保證電路具有良好的抗電磁干擾性能，也不能干擾其他各模塊與工控機的通信。

為此在裝置材料和電氣元件的選擇上需要滿足如下幾點：

（1）分別依據能實現的作用，實際效果、經濟因素、環境因素、外觀因素、散熱性能因素等方面來進行裝置材料和電氣元件的選擇。

（2）裝置材料的選擇要考慮強度、剛度和沖擊韌性的性能。

（3）電氣元件的選擇要保證供電線路的合理布局，不易被損壞。

3 研究結論

本文采用機械設計原理和電路設計理論，運用機械構架（機械除冰）和溫控裝置（熱力除冰）進行聯合，可以有效的去除接觸網上的覆冰、覆雪、凍雨等，且避免了上述的缺點，大大的增加了受電弓的使用壽命，提高運營的可靠性和安全性。

機械構架部分制作出一個可安裝在受電弓上臂桿（左右兩側對稱的兩根圓柱形鋼管）上的支架，來進行機械除冰工作。

加熱控制部分通過溫度傳感器將溫度信號轉換為電信號。本方案中，在加熱板內置三個加熱傳感器，取其平均值，完成溫度信號采集。通過對溫度采集信號進行溫度判斷，實現對加熱板溫度的智能控制。將溫度板溫度保持在約85℃～120℃之間。加熱控制器可將加熱板工作狀態，傳感器溫度通過總線傳送給車載系統，同時，車載系統可設定加熱系統的加熱范圍，實現自動和手動加熱模式切換、監控加熱系統工作狀態等功能。

該裝置通過在實訓室模擬仿真環境測試和段內試車線進行實際測試，均能有效去除覆冰，且不易產生拉弧現象。