悬挂式铁路接触网除冰机的设计*

□ 李顺秋 □ 王中长

滨州学院 机电工程学院 山东滨州 256600

1 设计背景

当前,铁路接触网覆冰在全球范围内均是冬季常见的事故,破坏性比较大,轻则造成大面积异常供电,重则导致杆塔倾斜、倒塌,导线脆性接地等,经济损失巨大。

铁路是国家的主要基础设施,综合交通运输体系的骨干,铁路运输是集约式发展和资源利用效率提高的一种有效运输方式。我国是铁路运输大国,铁路运营范围十分广阔,冬季清理铁路接触网覆冰较为困难。目前,在铁路接触网除冰工作中,铁路部门仍然采用人工操作方式,冬季气温低,保暖衣物重,人工清理不便,并且费时费力。除冰机的使用可以极大解放人力,使除冰成本大幅下降。基于此,笔者设计了悬挂式铁路接触网除冰机。

2 工作原理

动力系统提供动力,使悬挂式铁路接触网除冰机向前缓慢行驶。电磁加热圈对输电线进行局部加热,使铁路接触网上的覆冰松动。当旋转敲击联动装置调节至合适位置后,按下遥控机开关,对应的电机启动,电机通过传动轴与联轴器将动力传送至旋转敲击联动装置中心轴,开始敲击铁路接触网,将铁路接触网上的冰溜击碎。

通过实时信息传输,使施工人员在室内就可以了解除冰机所在位置及铁路接触网覆冰情况,能够大大缩短施工人员在铁路运输线路上的工作时长,降低铁路的运营投入。

3 整体结构

悬挂式铁路接触网除冰机工作环境特殊,需要具有多方面能力:① 上坡、下坡、制动能力;② 在光滑覆冰上行走的能力;③ 抗风保持稳定的能力。除冰机具有装配式有效除冰机构,体积和质量适中,便于携带,同时具有实时信息传输功能。为了满足以上工作要求,除冰机的行走机构采用弹性后驱双臂悬挂式结构,悬挂在铁路接触网上,前端的实时成像采集相机将信息实时采集并传输至命令显示屏。除冰机内部装有机械除冰机构和提高温度除冰机构两种除冰机构。笔者重点介绍除冰机的除冰机构、行走机构、越障原理,以及全球定位系统定位、实时信息传输,并进行空中稳定性分析。

除冰机整体结构如图1所示。行走机构采用弹性后驱双臂悬挂式结构,可以跨越铁路接触网支撑梁等各种障碍,具有稳定性好、可靠性高等特点。除冰机内部安装有机械除冰机构和提高温度除冰机构。机械除冰机构采用旋转敲击联动装置连续敲击铁路接触网,清除铁路接触网表面的覆冰。提高温度除冰机构采用提高覆冰与铁路接触网接触表面温度的方法,通过电磁感应加热,改变电流频率和方向,对铁路接触网进行局部加热,使覆冰从内部解体,达到快速清除覆冰的目的。采用远程控制的方式控制除冰机,进行除冰作业时只需将除冰机安装在铁路接触网上,通过室内遥控器远程控制除冰机行走即可。通过实时信息传输,施工人员能够及时了解覆冰情况,必要时可以修改施工方案。除冰机需要在恶劣天气条件下在各种复杂的铁路接触网上工作,各项功能的完善需要大量后期研究。随着科学技术的发展与进步,除冰机各种功能具有很好的研究应用前景。

在多个动力源电机的传动配合下,能量通过齿轮、同步轮、皮带、链条传递至工作机构。除冰机行走机构通过弹性后驱双臂悬挂式结构在铁路接触网上平稳行走,越过铁路接触网的支撑梁。提高温度除冰机构通过电磁感应在铁路接触网上进行局部加热,使覆冰松动。机械除冰机构的旋转敲击联动装置不断击打铁路接触网,使覆冰完全脱落,从而达到除冰的效果。

4 除冰机构

目前,工程中用于铁路接触网除冰的方法有很多,根据不同的除冰原理,铁路接触网除冰主要分为提高温度除冰、机械除冰、涂刷防冰涂料等。在提高温度除冰中,交流融冰通过调整运行方式,增大安全负荷交流电流,使铁路接触网上的覆冰在电流的热作用下掉落。直流融冰是500 kV线路唯一可行的融冰方法,但由于电力电子技术和电网安全稳定方面的制约,研究还没有取得突破性进展。采用机械除冰。施工人员站在除冰车顶部,用除冰棍敲击铁路接触网,产生局部振动,达到使覆冰掉落的目的。采用涂刷防冰涂料,在铁路接触网上涂敷导电防冰涂料,可以抑制铁路接触网覆冰。其它除冰方法包括电晕放电除冰、电磁脉冲除冰、电压脉冲除冰、电子冻结除冰、粒子加热除冰等,但不少还处于设想或试验阶段。

在铁路接触网除冰方法中,最实用的是提高温度除冰,操作相对简单,机械除冰则可以采用最简单的机械结构。当前,机械除冰需要施工人员在夜间进行,施工人员的危险因数较高,并且除冰过程中需要停电操作,对列车的正常运行影响很大。笔者设计的悬挂式铁路接触网除冰机将提高温度除冰机构和机械除冰机构结合起来,使铁路接触网覆冰的清除更彻底。

4.1 机械除冰机构

机械除冰机构采用旋转敲击联动装置,如图2所示。旋转敲击联动装置通过旋转方式连续敲击铁路接触网,在旋转轴上有多排敲击棍,由电机为旋转轴提供旋转动能,旋转轴可以高速旋转,敲击棍跟随旋转轴高速旋转,不断敲击铁路接触网,使铁路接触网产生振动,使覆冰掉落。

覆冰热力学性能主要由环境温度、平均密度、抗压强度、剪切强度四方面共同决定。一般而言,环境温度为-10 ℃,平均密度为0.85 g/cm3,抗压强度为2.09 MPa,剪切强度为0.45 MPa。

对单个敲击棍除冰进行分析,具体计算过程省略。敲击棍与铁路接触网的接触宽度为0.001 m,与铁路接触网平面的夹角为25°,假设敲击棍的长度为0.15 m,则敲击棍和覆冰的接触面积为0.000 16 m2,在对应的接触面上敲击棍对铁路接触网所产生的挤压力为0.334 4 MPa,剪切力为0.159 MPa。

根据铁路接触网覆冰的厚度选用不同工作扭矩的电机。设计电机转速为1 200 r/min,每秒可对铁路接触网冲击20次,选用工作扭矩为1 N·m的电机,则电机的功率为0.1 kW。

为合理占用除冰机的内部空间,选用适合的传动带很有必要。电机通过传动带将能量传递至旋转轴,使旋转轴产生高速旋转,敲击铁路接触网,对覆冰施加应力,使铁路接触网产生局部振动,并使覆冰掉落。电机的转速为1 200 r/min,传动带的传动比为1.1,每日工作8 h。

传动带工作情况因数见表1,取1.0。

表1 传动带工作情况因数

根据工作情况因数、电机功率和转速,传动带选用Z型。初步选用小带轮基准口径dd1为80 mm,验算传动带带速为5.024 m/s,带速在5～30 m/s之间,因此带速合适。由此计算得大带轮基准直径dd2为88 mm,取标准值为90 mm。

中心距a0应当满足:

0.7(dd2+dd1)≤a0≤2(dd2+dd1)

(1)

由此初定中心距为200 mm,在此基础上得到基准长度为405 mm。

4.2 提高温度除冰机构

提高温度除冰机构如图3所示。电磁感应加热圈设置于两个行走机构之间,弯折部分整体呈U形,绕铁路接触网周侧设置,固定于底座。

STM32单片机为整个控制系统的电气控制中枢,通过发出1和0指令控制电路信号的开闭,再通过矩阵开关独立控制电机和相关机构。

单片机控制原理如图4所示,控制电路板如图5所示,内部搭载标准π型电源滤波器,可以有效抑制和吸收高频电网的干扰。12 V电压经功率调节器变频为3.5 kW,输入电磁感应加热圈,环绕于铁路接触网,对铁路接触网进行局部加热,使覆冰初步融化松动,机械除冰更为顺畅。

我国铁路接触网正常运行时,传输电流最高可达400 A,一般电阻率为0.023 95 Ω/mm2,截面积为150 mm2,附近磁场强度最高可达3 143 A/m,交变磁感应强度达0.6 T。

电磁感应加热圈产生的磁热主要来源于铁心的磁滞损耗和涡流损耗,磁滞损耗Pe为:

(2)

式中:f为运行频率;η为Steinmetz系数;μm为铁磁导率;V1为铁心体积。

5 行走机构

行走机构采用弹性后驱双臂悬挂式结构,如图6所示。当铁路接触网的延伸角度变化或表面覆冰不均匀时,利用弹簧的缓冲力调节行走机构的移动角度,使夹持空心齿轮在铁路接触网上平稳运行,同时避免在铁路接触网上晃动。行走机构主要由行走电机、远程调速器、皮带、夹持空心齿轮等组成。行走电机为可调速大功率电机,是悬挂式铁路接触网除冰机不同工作状态下速度调节的核心。通过调速器输出脉冲宽度调制波调节电控时间,控制行走电机的转速和输出功率。

皮带传动构造简单,适合于两轴中心距相差较大的传动场合,传动稳定无噪声,并且可以缓冲、吸振。超载时会在带轮上产生打滑,可以防止薄弱零部件损坏,起安全防护的作用。皮带传动制造费用低,不需要润滑,维修方便,在近代机械传动中应用十分广泛。滚槽机架多为铝合金材质,机身轻巧,在试验时没有出现过载打滑现象。

夹持空心齿轮为自主设计,行走电机带动皮带转动,皮带联动行走机构,实现除冰机在铁路接触网上行走。行走机构可以保持除冰机在铁路接触网上的稳定性,除冰机在行走的同时,齿轮振动也能够瓦解冰溜,并初步清理冰溜。

6 全球定位系统定位

采用UBX-M8030-KT全球定位芯片作为主要架构,与移动电话等电子设备上自带的定位模块相结合,能够在移动电话等电子设备上显示悬挂式铁路接触网除冰机的当前位置和运行轨迹。只需要在移动电话中安装好相应的应用程序,即可实现对除冰机运行轨迹的实时监控。

7 实时信息传输

实时信息传输采用实时成像采集相机,设置在悬挂式铁路接触网除冰机机体头部,用于观察铁路接触网覆冰情况及除冰效果,以便施工人员及时调整工作。

8 空中稳定性分析

悬挂式铁路接触网除冰机进行作业时,会受到空中气流产生的横向力及自身对行走机构产生的压力。为减小这些力对除冰机运行的影响,在除冰机腹部设置活动式横向侧风阻尼器,并且采用流线型溜背设计。为进一步提高除冰机的运行安全性,将大部分机构安装于行走机构下方。

横向侧风阻尼器如图7所示,采用螺旋式蜗杆。当侧面有横向强风时,阻尼器会转动,产生动能和横向力。当横向强风对阻尼器产生的横向力大于阻尼器自身重力时,产生相对滑动。横向强风经过两次削弱,对除冰机产生的影响大为减弱。除冰机三维模型如图8所示。

9 结束语

笔者在分析铁路接触网现有除冰方法的基础上,结合国内外高压输电线除冰技术,设计了一种集机械除冰、提高温度除冰于一体的悬挂式铁路接触网除冰机,同时可应用于低空输电线除冰。对这一除冰机的除冰机构、行走机构、全球定位系统定位、实时信息传输进行了介绍,并进行了空中稳定性分析,确认各关键零件尺寸、强度、性能满足设计要求。

这一除冰机的结构相对合理,主要用于铁路接触网覆冰后的除冰工作,亦可在无绝缘皮包覆的输电线上进行除冰作业,若覆冰不严重,可以不进行提高温度除冰。

当然,这一除冰机还存在一些需要解决的问题,如运行前方的冰溜阻隔等。目前正在对这一除冰机进行进一步改进,以便适应更复杂的工作环境。