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(duì)鐵路隧道拱頂在冬季時(shí)因滲水掛冰過長影響行車安全設(shè)計(jì)了光電磁控式的風(fēng)動(dòng)打冰裝置。在現(xiàn)有鐵路隧道除冰機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)風(fēng)動(dòng)打冰機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將鐵路隧道主動(dòng)除冰裝置重點(diǎn)放在對(duì)隧道內(nèi)冰柱監(jiān)測、判斷及控制方面。對(duì)于隧道內(nèi)冰柱的檢測，采用了紅外線光電開關(guān)，利用冰柱生成后對(duì)紅外線光電開關(guān)之間光信號(hào)的遮蔽，當(dāng)冰柱達(dá)到一定長度，觸發(fā)除冰機(jī)構(gòu)的動(dòng)作;為了防止風(fēng)動(dòng)除冰機(jī)構(gòu)在非冰掛時(shí)間或冰掛初期無害階段產(chǎn)生不必要的除冰動(dòng)作，利用電磁聯(lián)動(dòng)控制除冰機(jī)擺桿的擺動(dòng)，降低機(jī)器的損耗，延長風(fēng)動(dòng)除冰機(jī)的使用壽命，從而達(dá)到在正常季節(jié)和冬季無冰或冰掛較少時(shí)不啟動(dòng)，冰掛延長危及行車安全時(shí)及時(shí)啟動(dòng)除冰的目的。

關(guān)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(fā)展迅速，鐵路網(wǎng)四通八達(dá)，它的運(yùn)力強(qiáng)，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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但是，冬季溫度較低時(shí)，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?cè)胨淼纼?nèi)，大量的冷空氣順勢(shì)涌入，使洞口內(nèi)壁掛冰嚴(yán)重。當(dāng)洞口的掛冰持續(xù)增長觸及到頂部的接觸網(wǎng)時(shí)，會(huì)引起電路短路，導(dǎo)致承力索的燒毀，從而對(duì)鐵路運(yùn)輸帶來極大的危害。

為消除冬季鐵路運(yùn)輸在隧道內(nèi)的不安全因素，各方面專業(yè)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(xiǎn)高;另一種方法是利用安裝在隧道頂部的除冰小車進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用車上的橫桿擊冰除冰，但此除冰車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)建較多，日常運(yùn)行容易發(fā)生故障;還有其他利用發(fā)熱元件在隧道頂部進(jìn)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(xiàn)實(shí)問題，本文通過紅外檢測結(jié)合磁電控制風(fēng)動(dòng)打冰解決隧道拱頂結(jié)冰問題。

2 紅外線光電檢測裝置

鐵路隧道主動(dòng)除冰重點(diǎn)在于對(duì)隧道內(nèi)冰柱監(jiān)測和判斷，當(dāng)冰柱達(dá)到一定長度，威脅到列車安全時(shí)，就需要采取措施，盡快將冰柱清除。除冰主要有兩個(gè)重要的環(huán)節(jié)，分別是檢測裝置和除冰機(jī)構(gòu)。

對(duì)于冰柱的監(jiān)測，可采用紅外線光電開關(guān)。紅外線光電開關(guān)按檢測方式可分為反射式、對(duì)射式和鏡面反射式三種類型。對(duì)射式檢測距離遠(yuǎn)，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(diǎn)附近，以避免背景影響。鏡面反射式的反射距離較遠(yuǎn)，適宜作遠(yuǎn)距離檢測，也可檢測透明或半透明物體。對(duì)于鐵路隧道內(nèi)冰柱的檢測，可選擇對(duì)射式結(jié)構(gòu)，可以采取在鐵路隧道內(nèi)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(duì)左右布置紅外線光電開關(guān)的發(fā)射端和接收端。主要是利用冰柱生成后對(duì)紅外線光電開關(guān)之間光信號(hào)的遮蔽，引起紅外線光電開關(guān)狀態(tài)的改變，從而觸發(fā)除冰機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

紅外線光電開關(guān)的重要功能是能夠處理光的強(qiáng)度變化。紅外線光電開關(guān)是由發(fā)射器、接收器和檢測電路三部分組成。發(fā)射器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于發(fā)光二極管（LED）和激光二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。受脈沖調(diào)制的光束輻射強(qiáng)度在發(fā)射中經(jīng)過多次選擇，朝著目標(biāo)不間接地運(yùn)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(xué)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(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。當(dāng)紅外線光電開關(guān)發(fā)射端和接收端之間沒有障礙物阻擋光線時(shí)，接收端的輸出信號(hào)為高電平電壓，當(dāng)有障礙物遮蔽發(fā)射端和接收端之間的光線時(shí)，接收端輸出的信號(hào)為低電平電壓。由此可以借助兩種狀態(tài)電壓來判斷發(fā)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(dāng)冰柱處于紅外線光電開關(guān)發(fā)射端和接收端之間時(shí)，由于其表面的不規(guī)則形，會(huì)引起光線的漫反射，使得接收端感受到的光強(qiáng)幾乎為零，紅外線光電開關(guān)輸出信號(hào)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(fā)射端，2為接收端。

3 控除冰機(jī)構(gòu)

當(dāng)列車在鐵路隧道中高速通過時(shí)，待列車車身完全進(jìn)入隧道，列車推動(dòng)隧道中的空氣高速流動(dòng)，形成形態(tài)逐漸穩(wěn)定的活塞風(fēng)?？梢岳没钊L(fēng)推動(dòng)除冰桿擺動(dòng)，擊碎去除形成的冰柱。除冰機(jī)構(gòu)布局如圖2所示，1為紅外線光電開關(guān)的發(fā)射端，2為接收端。中間倒T字形結(jié)構(gòu)為除冰擺桿機(jī)構(gòu)。

為了保證擺桿的自由擺動(dòng)，擺桿和固定桿之間通過連接環(huán)進(jìn)行連接。如果單純依靠鐵路隧道中的活塞風(fēng)推動(dòng)擺桿工作除冰，會(huì)使得擺桿在不必要的時(shí)候也會(huì)擺動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致連接環(huán)的機(jī)械磨損增加，使用壽命減少。

為了減少機(jī)械磨損，構(gòu)建了圖3所示的除冰擺桿機(jī)械結(jié)構(gòu)。

其中，1為電磁器，2為彈簧，3為金屬套筒，4為連接環(huán)，5為除冰擺桿。主要工作流程為，當(dāng)冰柱生成，紅外線光電開關(guān)發(fā)射端和接收端被冰柱阻擋，接收端可以接收不到發(fā)射端發(fā)出的紅外光線時(shí)，接收端輸出低電平，利用此控制信號(hào)控制電路持續(xù)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(huán)4處于金屬套筒結(jié)構(gòu)之外，T型擺桿可以自由擺動(dòng)，在鐵路隧道活塞風(fēng)推動(dòng)下擺動(dòng)除冰。

當(dāng)紅外線光電開關(guān)發(fā)射端和接收端之間沒有冰柱遮擋時(shí)，接收端輸出高電平，利用高電平信號(hào)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(shí)，金屬套筒3在壓縮彈簧的推力作用下，下移，將連接環(huán)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(dòng)，減少了不必要的摩擦，延長了除冰機(jī)構(gòu)的壽命。

為了減少倒T字型擺桿對(duì)紅外線光電開關(guān)發(fā)射和接受端光線的干擾，空間布局時(shí)應(yīng)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(chǎn)生。

4 應(yīng)用前景

鐵路隧道拱頂除冰現(xiàn)階段的各種方式存在成本高、難度大、效果差和機(jī)構(gòu)壽命較短的問題。而本文研究設(shè)計(jì)的紅外光電檢測磁控式風(fēng)動(dòng)除冰裝置，改進(jìn)了風(fēng)動(dòng)除冰機(jī)構(gòu)借用列車通過時(shí)風(fēng)壓打冰不確定性擺動(dòng)，使風(fēng)動(dòng)打冰擺桿在冰掛達(dá)到臨界時(shí)進(jìn)行打冰行為，既有效的進(jìn)行了隧道除冰同時(shí)還增加了除冰器的壽命。最大程度上節(jié)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(shù)層面更進(jìn)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(jī)械工程材料、機(jī)械設(shè)計(jì)。