冰雪天氣對高速鐵路轉轍設備的影響及對策

丁閃峰，滿開泉，王婷婷

（1．中國鐵路蘭州局集團有限公司工程質量監督站，蘭州 730000;2．中國鐵路蘭州局集團有限公司嘉峪關電務段，甘肅嘉峪關 735100）

1 概述

冰雪天氣對高速鐵路轉轍設備的影響，一是轉轍機潮氣引發的接點結霜；二是道岔夾雪。雖然高速鐵路有道岔融雪裝置，但現場還是有一些故障發生[1-2]。寶蘭高鐵是打通徐蘭高鐵與蘭新客專的“最后一公里”，于2017年7月開通運營。第一個冬天發生由于道岔積雪夾冰導致道岔故障3件，道岔內接點結霜導致故障4件，嚴重干擾正常的行車秩序。中國鐵路蘭州局集團有限公司（簡稱“蘭州局”）針對問題采取一些整治措施，本文總結整治過程，并思考從工程源頭解決的思路，對工程設計提出一些建議。

2 轉轍機防潮及對策

2.1 問題的提出

道岔轉轍機潮氣形成不確定，但對轉轍機安全運用影響較大。轉轍機工作在室外環境，中午熱、夜晚冷，夜間潮氣受冷凝結成水，銹蝕部件，嚴重的引發諸如摩擦帶銹死的故障，特別在冬季，夜晚潮氣受冷還會使接點結霜、凍結減速器等引發故障，令信號工非常頭疼。道岔防護罩不能完全防止轉轍機內潮氣，但一定程度上能減輕影響。

在傳統信號檢修中，為防止轉轍機積潮，有專門開蓋晾曬的內容。高鐵時代，“天窗”在夜間，夜晚開蓋只能引潮，同時也無大量的時間供信號維護人員占用，只能在除潮上想辦法?，F場職工多采用堵的辦法，隔絕潮氣入口，有些能起作用。但將轉轍機密閉反會增加機內潮氣，所以有些職工直接打開機底排污螺栓，不一而足。碰到特別的天氣，一些車間除專門組織晾曬“天窗”，還有的安排用電吹風除潮，占用現場作業人員大量的精力。

蘭州局集團公司在寶蘭客專嘗試在轉轍機內安放除濕包的辦法有一定效果。但除濕包使用周期短，無法保證一個檢修周期轉轍機內無潮，而且轉轍機內白天溫度高，吸附在除濕包中水分也會蒸發，存在局限性。因此，蘭州局集團公司在寶蘭線上線道岔缺口視頻監測時，要求廠商附加機內潮氣監測功能，能為現場信號工提供哪些轉轍機內有潮氣，保障維護的針對性，但不能完全解放信號工在轉轍機除潮上的工作量。

西安信號廠嘗試研制除潮式轉轍機蓋，其原理是在轉轍機迎列車側及相對側機蓋開口（加有過濾層），利用動車運行中產生的風壓，將轉轍機內潮氣帶出。方案較為巧妙的設計，起到一定的效果。

2.2 轉轍機除濕技術概述

除濕機又稱為抽濕機、干燥機、除濕器，在中國的市場已經有幾十年的歷史。一般可分為民用除濕機和工業除濕機兩大類，按其類型分為冷凍除濕機、轉輪除濕機、吸附劑間歇型 ( 塔式 )、溶液除濕機。

冷凍除濕機工作原理是：由風扇將潮濕空氣抽入機內，通過熱交換器，此時空氣中的水分子冷凝成水珠，處理過后的干燥空氣排出機外，如此循環，使室內濕度保持在適宜的濕度。

轉輪除濕機以蜂巢結構組成圓筒狀轉盤,再由特殊結晶加工法附著吸濕劑 ( 氯化鋰,矽膠、沸石等 ) 原料制成除濕轉盤。此除濕轉盤在隔成除濕區和再生區的箱體內回轉。除濕用的空氣通過除濕區,由轉盤吸收空氣中的水分得到干燥空氣。吸收水分后的除濕區依轉盤回轉移動至再生區,由再生加熱空氣帶出轉盤內水分排出至轉轍機室外,轉盤在再生區放出水分后回轉至除濕區,如此除濕及再生連續進行,可獲得穩定的除濕空氣。

吸附劑間歇型(塔式)是將固體吸附劑(如矽膠、分子篩、活性氣化鋁、沸石等)作為固定層,填充于塔(筒)內。使用二塔以上的塔,一塔用于吸附空氣水分。另一塔再生, 經過一定時間后將塔轉換并改變空氣回路使吸濕與再生作用互換,如此可產生間歇性的除濕空氣。

溶液除濕空調系統是基于以除濕溶液為吸濕劑調節空氣濕度，以水為制冷劑調節空氣溫度的主動除濕空氣處理技術而開發的可以提供全新風運行工況的新型空調產品；其核心是利用除濕劑物理特性，通過創新的溶液除濕與再生的方法，實現在露點溫度之上高效除濕。

2.3 除濕技術方案

冷凍除濕機按適用溫度范圍可分為A型（普通型18 ～ 38℃）、B型（低溫型5 ～38℃），難以適應轉轍機惡劣的工作環境。吸附劑間歇型(塔式)以固定時間轉換除濕、再生，因此不能連續獲得穩定的除濕空氣，需要定時更換吸附劑。液體吸收式除濕采用氯化鋰水溶液的噴霧吸收水分，但設備較大，而且必須更換吸收液。吸附轉輪除濕機濕度控制容易，進行通風，除濕結構簡單，經過特殊組配露點可達-70℃以下，更適合轉轍機惡劣的工作環境。

轉輪除濕技術最早由美國的布萊恩特（Bryant）在1950年發明，是控溫除濕的典型代表。技術先進成熟，結構單純，只需除濕轉輪和送風機運轉，即可得到干燥空氣；通過直接物理吸附處理除去濕氣，效率高、除濕量大，可控制相對濕度（RH）低達1%；運轉操作和維修簡單，環境適應性強。所以，轉轍機電動除濕宜選擇轉輪除濕是經濟、合理的。

系統組成框如圖1所示。

圖1 增加除濕機系統框圖Fig.1 System block diagram of adding dehumidifier

1）除濕機自帶控制器，其運行控制由其自主控制。這方面有成熟的技術，可以移植。溫度、濕度探頭移入轉轍機內。送風、回風管，因轉轍機型號不同會有不同的方式，需下步研究。

2）電力系統采用母線方式，可與道岔融雪裝置統一規劃。

3）增加通信模塊，除濕機運行工況、故障信息以及轉轍機內溫度、濕度狀態可通過通信模塊上傳上位機。根據用戶需求，還可通過上位機對除濕機的遠程控制。鑒于光纖通信的成熟、光纜成本的降低，建議以光纖組網。

4）上位機預留與信號集中監測的接口，可通過信號集中監測系統實現電務段級遠程監測。

3 道岔融雪裝置存在問題及對策

3.1 存在問題

目前運用的道岔電加熱融雪裝置采用的是金屬加熱件，用卡具固定在基本軌與尖軌間基本軌軌腰下側，對尖軌間冰雪能有效融化，基本滿足道岔雪天融雪要求。由于加熱件長大，存在的問題：一是心軌等部位無法安裝；二是一些老式道岔也不能按要求安裝于尖軌與基本軌間部位，如蘭州站，老式非AT型道岔因尖軌與基本軌間隙不足，只能變更安裝于基本軌外側。這次變更因需在基本軌上重新開孔，影響鋼軌強度，工務部門極不愿意；三是覆蓋不全面，包括頂鐵、限位鐵、防跳鐵、道岔鎖鉤和鎖閉桿凹槽、密貼檢查器拐鐵等均未能加熱，特別是密貼檢查器拉桿部位，雪融化后流淌至密貼檢查器拉桿處二次結冰，致使道岔無法正常轉換。從2017年寶蘭高鐵開通，3件因道岔夾冰故障均是密貼檢查器拉桿冰凍所致。四是其他線上，偶見有加熱直把手因固定松動造成道岔轉換不到底的。

道岔融雪裝置存在的另一問題是控制系統功能尚需優化。雖然當前使用的控制系統針對不同運用場景設計一些模式，但仍存在一些弊端，最主要的就是加熱速度慢、浪費能源[3]。以蘭州西客站為例，每個控制機柜的耗能是17.5 kW，一天耗能就達到420 kW，距智能控制、綠色節能要求還有差距。

3.2 基于硅橡膠加熱帶的道岔融雪技術方案

硅橡膠加熱帶（Silicone Rubber Heating，SCS），是一種由鎳鉻合金絲和絕緣材料組成的特別柔軟的加熱帶，根據被加熱器件的需要進行隨意的彎曲、纏繞，接觸良好，加熱均勻。其設計功率密度高，發熱快，熱效率高，使用壽命長，廣泛用于一般恒功率帶的散熱保溫。硅橡膠加熱帶防水性能好，具有安裝簡單，安全可靠，耐高溫、高寒、耐老化等特點，在潮濕、無爆炸性氣體場所工業設備或實驗室的管道，罐體和槽池的加熱、伴熱和保溫等領域已有廣泛運用。

實際上，使用硅橡膠加熱帶替代道岔電加熱件是更合理的選擇。硅橡膠加熱帶柔軟、輕薄，方便安裝于心軌等部位，也適合老式道岔安裝；同時，萬一脫落也不會對動車產生致命風險。用強力膠粘貼于軌腰，可對鎖勾等部位進行加熱除冰，熱效率高，加熱速度快，便于下步實施智能控制。試驗數據表明，環境溫度-15℃時，鋼軌溫度從-18℃升至30℃時僅需50 min。

3.3 加熱控制器的改進建議

解決道岔融雪裝置耗能大的問題，增加系統智能化程度，需總結現有系統運用經驗，重新設計[4-8]。系統組成框圖如圖2所示。

圖2 道岔融雪系統組成Fig.2 Snow melting system composition for turnout

系統借鑒CTCS經驗，走分散自律的路線。主要改進內容如下。

1) 為車站增加氣象站，用來檢測雨雪、環境溫度和濕度信息。目前的融雪控制器是手動控制，一般由車務工作人員根據天氣等環境狀況自行判斷，通過人機界面選擇啟動融雪電源。管理較好的車站會根據天氣控制啟動時間，但實際情況往往是開機就直到天氣完全變暖后才停止加熱，無形中造成巨大資源浪費。增加氣象站，設備添加天氣判斷，提高設備智能水平。

2）增加軌溫傳感器，對軌溫加熱效果進行監測，達到融雪效果則停止加熱。這樣做還會為工務系統增加一個軌溫監測的工具，四季可用，提高性價比。

3）與TDCS（CTC）結合，獲取設備狀態信息及列車進路信息，根據接發車進路上使用道岔情況，提前進行預熱，對不需要轉換的道岔，斷電待命。為實現這一目標，一是必須與TDCS結合，要知道車站當前設備狀態信息，以及階段的列車、調車計劃信息，才能判斷出需預熱的道岔；二是要一機一控制，這樣可實現靈活組合控制；三是道岔加熱部件要高效，能快速升溫使需要轉換的道岔投用。

為應對TDCS故障或無TDCS車站的需求，宜設半人工控制模式，由車站值班員人工啟動某接發車進路上相關道岔的預熱。利用現有技術成果，建議按車站聯鎖表的進路進行分組、編號，符合車站值班人員使用習慣和信號各系統的接口。

道岔設備的狀態信息也可以從計算機聯鎖方提取。應允許手動設置車站氣象信息，預留CTC系統遠程干預的接口，以備氣象站故障或誤判時人工糾偏。這些工作可在具體開發時深化研究。

手動控制的模式仍要保留，以備應急時靈活處置。

4 結束語

北方地區冰雪天氣對高鐵轉轍設備正常運行有較大影響。道岔融雪裝置改進及解決轉轍機防潮的建議方案，雖未進行實踐，但建議中提出運用的技術是成熟的，在其他領域已廣泛運用。綜合道岔融雪控制、轉轍機缺口視頻監測、轉轍機除濕控制及遙信，以及區段站增設動車車底積冰視頻監測方案，宜統籌規劃綜合信道，建議論證使用光纜作為通道的可行性及經濟性。