一種整合發光單元的除冰樣機設計與應用

李洪磊 邢挺 王志偉 唐金勝 肖秘

（1.中國鐵路青藏集團有限公司，西寧 810007；2.格爾木敦樸太陽能利用研究所，青海格爾木 816000）

高原鐵路的部分隧道由于地質結構或施工質量原因，存在頂部滲漏水現象，一到冬季水滴就會加速凝結，形成冰柱在隧道頂部生長，這種現象稱為隧道掛冰［1-2］。隨著水滴的不斷滲出，冰柱越來越長，與下部接觸網的距離越來越近，極易造成短路，導致鐵路運輸的中斷［3］。此外，當這些冰柱的體積增長到一定程度后，冰柱受到行車影響容易跌落下來，與來往行車發生撞擊，這會對隧道內設施及行車安全造成極大威脅［4］。

近年來，鐵路設施維護單位為了減少隧道結冰對列車安全運行的影響，開始嘗試采取電加熱方法防止結冰。電加熱方法需要將發熱元件固定到隧道頂部滲漏點附近，存在易墜落、難檢修等缺陷［5］。高原鐵路隧道環境惡劣，經過多年的運行隧道壁早已風蝕，難以牢固加熱裝置。若裝置脫落造成接觸網斷裂，還會給高原鐵路供電帶來更大的安全事故。因此，高原鐵路維護現已較少采用電加熱方法。

相比于公路隧道的除冰，鐵路隧道更注重隧道接觸網附近的頂部和洞口的除冰［6］?，F階段隧道工務維護和電力維護普遍采用傳統的人工鑿冰方式進行除冰。隧道內人工鑿冰作業難度較大，原因為：①結冰位置通常在6 ～8 m高的隧道頂部，作業人員往往難以觸及；②結冰部位下面一般為高壓電力接觸網，除冰往往需要在行車線路上進行，因此人工鑿冰觸電的危險性極大；③隧道內作業面狹小，采用梯子、長桿等工具對行車及行人都存在安全隱患；④人工鑿冰容易對鐵路設施造成機械性破壞，影響列車的正常運行；⑤目前隧道運營車流密度普遍很大，要長時間高頻次申請天窗點會影響線路的正常調度，難以實現。因此，高原隧道除冰成為現場維護作業中亟待解決的棘手問題［7-8］。

為了保證電氣化鐵路安全，各維護單位在冬季隧道除冰工作上投入大量的人力與物力，但就目前來看效果不太理想，因隧道頂部結冰造成的接觸網供電故障或碰撞事故時有發生。本文通過分析鐵路隧道現有除冰方式的不足，提出通過點光源照射進行非接觸式加熱除冰的新思路，并設計了一種整合發光單元的除冰樣機。

1 技術路線

根據對現有技術的分析，除了人工鑿冰，通過加熱使冰柱融化最為簡便。若采用非接觸的方式遠距離加熱融化冰柱，須采用某種射線或光束將能量投射到冰柱表面，使其溫度升高后逐漸融化，并通過進一步持續照射滲水區域隧道壁面，讓其保持在0 ℃以上［9］。如果能夠設計出這樣的除冰樣機，便可安全有效地解決隧道頂部結冰問題。

1.1 射線或光束的篩選

不論距離還是強度，激光都能達到要求，但是成本太高，操作安全性也難以保障。微波輻射能量大、定向性好且容易控制，但試驗時發現微波容易泄露，對人體危害較大［10］。常用紅外光源的熱密度雖然較高，但發熱源尺寸太大，聚集成平行光束的難度也很大，而且隨著投射距離增大照射強度迅速下降，無法達到除冰要求。經過綜合比選，最終選用了一種點光源燈泡。這種燈泡的電弧尺寸只有1.2 mm，近似于點光源的光束，是較為理想的光源發射元件。該燈泡的性能參數見表1。

表1 點光源燈泡的性能參數

點光源燈泡所發光的光譜與自然界中太陽光的光譜非常相似，說明該光源的輻射能量可以達到安全融冰的要求。一般太陽光的輻照度是1000 W/m2，如果該光源通過鏡頭組調焦發光，將投射到冰層表面上的輻照度調控到同樣數值，不僅能將冰柱融化，而且不會因溫度過高而影響隧道表面和其他鐵路設施。

1.2 光學鏡頭的篩選

經過試驗，如果將單個點光源燈泡聚焦形成的光束投射到6 ～8 m 處，形成直徑0.6 m 的投射圓面時，該光源的輻照度就接近太陽光的輻照度。采用一種可實現內部調焦的光學鏡頭組即可滿足這一要求。合理設置鏡頭組的光焦度和組合焦距，鏡頭組通過3個鏡頭能夠實現內部平穩調焦。其性能參數見表2。鏡面材料為k9光學玻璃，3個鏡頭安裝在直徑134 mm、長50 mm的圓柱形筒體內，形成整體的鏡頭組。

表2 鏡頭組的性能參數

1.3 發光單元的構成

發光單元由一套光源發射元件（包括配套的控制模塊和點燈器）、光學鏡頭組及調焦機構組成，見圖1。發光單元是除冰樣機的核心。如果將更多發光單元整合到一起就能構成功率更強的除冰樣機，可應用于鐵路隧道、公路隧道等不同場合。

圖1 發光單元的構成

2 除冰樣機的設計

2.1 設計要求

除冰樣機安裝在隧道內，由于安裝位置和線路管理的特殊性，須滿足：①由于隧道內空間狹小，設備結構尺寸需要最大程度優化與縮小；②光束投射方向須在2個維度上可調，掃描覆蓋面積須盡可能大；③設備安全可靠，整體穩定性好，有防傾倒措施；④設備裸露部件要盡可能少，并消除部件跌落的可能性；⑤可遠程控制，無需人工直接操作。

2.2 外形設計

受隧道內空間限制，除冰樣機只能安裝在人行道地面靠近洞壁側。為了不影響行人，側向尺寸要盡可能小，而長度則可以適當延伸。為確保設備支撐穩定，高度也不宜太高。除冰樣機外觀布局見圖2。經多次優化調整，外形尺寸確定為1200 mm（長）×300 mm（寬）×1160 mm（高）。

圖2 除冰樣機外觀布局

2.3 連接設計

根據隧道現場情況，將除冰樣機10個發光單元分成上下2排。每排組裝成一個整體，稱作上發射器組、下發射器組。上發射器組、下發射器組的俯仰角活動范圍均為0°～90°。多個發光單元整合到一起的優點是：輻射能量可以分級疊加滿足不同應用需求；通風模塊、電源模塊、控制模塊等同時共用一套輔助系統。

通過二次調焦機構，除冰樣機可以任意調節每個光束的投射角度，從而形成不同投射面積和形狀。對普通滲漏點可實現完全覆蓋。

左右水平移動是通過將樣機安裝在導軌上實現，移動距離可根據現場情況而定，目前設計值為4 m。

2.4 結構設計

除冰樣機主要由上發射器組、下發射器組、左立柱、右立柱和下部機箱五部分組成。發射器組邊框、立柱與機箱上部均為空心密封結構，相互連通。將元件、機箱和線槽集于一體，同時起到固定和通風功能。俯仰傳動機構設于左右立柱內，水平傳動機構設在機箱右下部?？刂颇K的元件設在機箱中部。風機安裝在機箱左下部，風機出口與機箱上部的風道連通。風道的出風嘴在發射器組邊框的內側，總共10 組，每組2 個，分別直對光源燈泡的內側和外側。采用連續直吹的降溫方式保證和延長了燈泡的使用壽命。

2.5 機械傳動

馬達采用220 V 同步正逆轉微型電機。傳動部分的俯仰運動通過螺桿裝置實現，精度高，傳動平穩；水平運動通過蝸輪蝸桿裝置實現，扭矩大，空間利用合理。

2.6 控制模塊

在發射器組邊框外裝有2 個遠程紅外溫度傳感器，用于遠距離檢測隧道壁面掃描區域的溫度?？刂颇K根據隧道表面結冰區域的溫度掃描結果，判斷結冰情況，并自動調整發射器組的投射方向和投入數量。如果溫度不高于0 ℃裝置開啟，若溫度高于0 ℃則裝置關閉。

為了避免強光對通過的列車產生視覺干擾，列車通過時除冰樣機須自動關閉，列車通過后裝置自動開啟，該判斷功能由安裝在其內部的2 個聲音傳感器完成?？刂颇K選用GM203控制器，滿足控制和通信所需要的所有功能。遠程終端在操作員手機或監控電腦上實現。

3 試驗結果

3.1 室內試驗

發光單元的試驗分2 組，第1 組是在室內的輻照度試驗，第2組是冰塊的融冰效果試驗。

1）輻照度試驗

在8 m 遠處的投射靶面（墻）上，分別畫出直徑0.3，0.6，0.9，1.2 m 的圓環（參見圖1），在圓心和4 個象限點處分別檢測輻照度。該試驗采用MR-5 型熱輻射計，其主要性能參數見表3。

表3 熱輻射計的主要性能參數

將發光單元的光源光束投射到8 m 處的墻壁上，調整聚焦使圓環直徑為0.6 ～1.2 m，發光單元運轉正常后測得輻照度在180 ～775 W/m2，見表4。象限點的位置參見圖1。

表4 不同圓環直徑時圓心和象限點的輻照度

在試驗室內的墻壁上預先畫好直徑為0.6 m 的圓環，1 h后圓環內墻壁表面溫度達到45 ℃。

2）冰塊融化試驗

將預先凍結的直徑30 mm、厚50 mm 的冰塊固定在圓環處，經光源光束照射1 h后冰塊全部融化跌落。

以上2 組試驗表明發光單元用于除冰是可行的。除冰樣機只需根據各隧道現場實際情況，將一定數量的發光單元整合到一起，再增加必要的輔助功能，就能完成各隧道中的除冰任務。

3.2 現場試驗

現場試驗用的除冰樣機含有10個發光單元，分為上下2 排。制作完成后除冰樣機被安裝在檢修車上，在青藏鐵路隧道內4 個結冰點進行了除冰試驗（圖3）。光束對準后隧道內的冰柱從10 min 起開始融化，在30 min 內所有冰面和冰柱全部消融，效果非常理想。

圖3 現場試驗

4 結論

1）基于遠距離、非接觸的設計理念設計了隧道用除冰樣機。通過高能光束遠程照射進行可控除冰，不管結冰位置處于隧道何處，光束均可以直接到達，除冰位置無死角。

2）除冰樣機作業時隧道內無需停車停電，對隧道內運行的車輛、設備、人員均無任何影響，達到了安全要求。

3）現場試驗的冰柱可在30 min 內全部消融，除冰效率較高。通過二次調焦可獲得更高溫度，除冰樣機還可用于其他任務。

4）目前設計的不足之處在于除冰樣機略顯笨重，后續將結合應用情況對其進一步優化。