高速鐵路道岔融雪裝置的工作原理與應(yīng)用

田 宇，肖培龍，盧 哲

0 引言

鐵路站場道岔是車站運輸設(shè)備的重要組成部分，對道岔的技術(shù)狀態(tài)要求很嚴(yán)格，當(dāng)尖軌尖端與基本軌有4 mm以上的間隙時，不能鎖閉進(jìn)路和開放信號。在寒冷地區(qū)冬季降雪天氣里，如果鐵路道岔除雪不及時，道岔內(nèi)積雪或結(jié)冰，導(dǎo)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(fā)作業(yè)和調(diào)車作業(yè)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時可造成鐵路運輸中斷。隨著國內(nèi)客運專線和高速鐵路的快速發(fā)展，嚴(yán)寒地區(qū)冬季道岔融雪問題成為影響高速列車安全正常運行的關(guān)鍵。

根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特點和高速鐵路的實際要求，道岔融雪設(shè)備不僅要實現(xiàn)道岔的快速融雪，達(dá)到良好的融雪效果，在抗震性、設(shè)備安裝的牢固性以及綜合布線方面也要滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1 國內(nèi)外道岔融雪裝置的現(xiàn)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?xì)饧訜崾?、壓縮空氣式、噴燈式、溫水噴射式等加熱方式?？傮w而言，可實現(xiàn)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(shè)備的主流。

WOLFF GmbH公司（沃爾夫公司）是專業(yè)生產(chǎn)道岔電加熱融雪系統(tǒng)的德國公司。加熱元件采用瑞士伊萊克斯公司產(chǎn)品，道岔加熱融雪系統(tǒng)的加熱元件可以承受極端惡劣的鐵路工作環(huán)境，如連續(xù)、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(tǒng)還配以自動控制系統(tǒng)，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(tǒng)的工作，并可通過光纜實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，動態(tài)監(jiān)測環(huán)境溫度及濕度、鐵軌溫度、降雪狀態(tài)和加熱融雪系統(tǒng)的工作狀態(tài)等參數(shù)。適應(yīng)現(xiàn)代鐵路高速、安全、高度自動化等要求，但引進(jìn)價格相對較高。

1.2 國內(nèi)道岔融雪裝置

國內(nèi)在鐵路道岔融雪設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用起步較晚，到20世紀(jì)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(nèi)一些企業(yè)就開始考慮利用融雪設(shè)備進(jìn)行除雪，并開始了融雪設(shè)備的研制。

國內(nèi)融雪系統(tǒng)主要有2種安裝方式：一種是產(chǎn)品預(yù)裝在滑床板內(nèi)，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(nèi)不能在道岔尖軌整個長度上實現(xiàn)有效加熱融雪，特別是枕木間尖軌的積雪會殘留較長時間?；舶褰Y(jié)構(gòu)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(jié)省電力能源。但是加熱元件全部由國外進(jìn)口。這樣會導(dǎo)致加工周期長，成本高。

電熱式元件的出現(xiàn)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(xiàn)全自動遙控。人員不必到達(dá)現(xiàn)場，設(shè)備通過感應(yīng)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(jié)約了成本，因此它成為目前廣泛認(rèn)可的加熱方式。

2 道岔融雪系統(tǒng)的工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

道岔電加熱融雪系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)一般分為遠(yuǎn)程監(jiān)控、車站控制終端、室外控制柜三級控制系統(tǒng)，由遠(yuǎn)程監(jiān)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(huán)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(gòu)成，具有手動、自動和遠(yuǎn)程控制3種方式，可以適合不同環(huán)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(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，各車站通過以太網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

2.2 工作原理

降雪時，系統(tǒng)進(jìn)入加熱狀態(tài)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(shù)據(jù)發(fā)送給主控制模塊，并且將溫度和濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制模塊，主控制模塊根據(jù)用戶設(shè)置的溫度門限值判斷下雪狀態(tài)溫度是否滿足融雪條件，如果滿足則進(jìn)入加熱狀態(tài)。

不下雪時系統(tǒng)進(jìn)入加熱狀態(tài)的情況。當(dāng)環(huán)境溫度較低，空氣濕度很大時，有些地方可能會出現(xiàn)鋼軌結(jié)霜或者凍雨現(xiàn)象，此時，道岔也需要加熱。用戶可根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況設(shè)置啟動加熱的溫濕度門限，系統(tǒng)將根據(jù)門限自動進(jìn)入加熱狀態(tài)。

加熱過程，軌溫應(yīng)保持恒定溫度。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入加熱過程，軌溫傳感器將鋼軌溫度的實時數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制模塊，主控制模塊根據(jù)用戶的設(shè)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(dá)到節(jié)能效果。

降雪結(jié)束后系統(tǒng)延時加熱。降雪結(jié)束后鋼軌上的積雪不會立刻融化，設(shè)置停雪后的加熱延時時間，系統(tǒng)將自動判斷并且按照設(shè)置的延時時間進(jìn)行延時加熱。

雪停后檢測鋼軌上積雪。雪停后系統(tǒng)進(jìn)入停止加熱狀態(tài)，當(dāng)鋼軌上傳感器檢測到有雪時，重新進(jìn)入加熱狀態(tài)，按照設(shè)定的延時時間進(jìn)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(jié)構(gòu)的重要組成部分，其機構(gòu)與狀態(tài)對列車運行的安全性、平穩(wěn)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(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到融雪效果和能源消耗，加熱元件設(shè)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(shè)計的關(guān)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(zhuǎn)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(guān)鍵部位。由于加熱元件和道岔鋼軌均由金屬構(gòu)成，因此，熱量傳遞過程中的熱傳導(dǎo)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(nèi)容。

遠(yuǎn)紅外技術(shù)在其他領(lǐng)域已表現(xiàn)出其明顯的熱輻射效果。經(jīng)實驗，遠(yuǎn)紅外技術(shù)應(yīng)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(dá)到節(jié)能的目的。在熱傳導(dǎo)方式中，熱阻決定了熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)的速率，縮短融雪部位達(dá)到融雪溫度的時間，節(jié)約電能消耗。

3.2 選用傳導(dǎo)系數(shù)較高的材料

選用傳導(dǎo)系數(shù)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(dǎo)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(dǎo)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(guān)系到熱傳導(dǎo)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(dǎo)效率，節(jié)約電能損耗。

4 現(xiàn)有裝置改進(jìn)措施

4.1 加熱線采用遠(yuǎn)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(jié)冰。采用遠(yuǎn)紅外陶瓷噴涂技術(shù)，使加熱線上的熱量除了傳導(dǎo)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(guān)鍵部位，由于有些道岔安裝質(zhì)量不佳，導(dǎo)致岔尖密貼基本軌后，底部與滑床板間有間隙，當(dāng)火車通過時，會出現(xiàn)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(dǎo)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(nèi)低溫寒冷地區(qū)冬季雪后積雪會長時間存在，當(dāng)風(fēng)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(zhǔn)確判斷加熱啟動條件，自動啟動加熱功能，并按照設(shè)定時間進(jìn)行延時加熱。

4.4 軌溫傳感器采用熱備冗余設(shè)計

系統(tǒng)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(tài)的從傳感器。當(dāng)主傳感器發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動切換至從傳感器，系統(tǒng)工作不會受到任何影響。

5 應(yīng)用實例

由北京電鐵通信信號勘測設(shè)計院、北京鐵安通科技發(fā)展有限公司共同研發(fā)的DCR-2000型道岔電加熱融雪系統(tǒng)自 2007年開始在李七莊車站 12#道岔安裝試用至今，已經(jīng)歷了3個冬季降雪的考驗，在各種氣候條件下都能實現(xiàn)“開機15 min內(nèi)，道岔各部位開始融雪，道岔內(nèi)無積雪、無結(jié)冰”，未發(fā)生部件松動、脫落現(xiàn)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(zhuǎn)轍機外鎖閉處實現(xiàn)融雪。道岔電加熱融雪系統(tǒng)在道岔上述部位安裝了獨特設(shè)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(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)鐵路道岔融雪的要求。系統(tǒng)各部件在防振、工作穩(wěn)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(jié)束語

高速鐵路的快速發(fā)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(tǒng)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(tǒng)就是最好的解決辦法，由于其具有加熱和遠(yuǎn)程操作功能，在出現(xiàn)大雪冰凍時，可遠(yuǎn)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(zhuǎn)換問題。