光电磁控式隧道除冰装置的研究

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摘 要：本文主要针对铁路隧道拱顶在冬季时因渗水挂冰过长影响行车安全设计了光电磁控式的风动打冰装置。在现有铁路隧道除冰机构的基础上，结合不同机构的优缺点，对风动打冰机构进行优化设计。将铁路隧道主动除冰装置重点放在对隧道内冰柱监测、判断及控制方面。对于隧道内冰柱的检测，采用了红外线光电开关，利用冰柱生成后对红外线光电开关之间光信号的遮蔽，当冰柱达到一定长度，触发除冰机构的动作;为了防止风动除冰机构在非冰挂时间或冰挂初期无害阶段产生不必要的除冰动作，利用电磁联动控制除冰机摆杆的摆动，降低机器的损耗，延长风动除冰机的使用寿命，从而达到在正常季节和冬季无冰或冰挂较少时不启动，冰挂延长危及行车安全时及时启动除冰的目的。

关键词：隧道除冰;红外检测;电磁控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.092

1 前言

我国的铁路发展迅速，铁路网四通八达，它的运力强，乘坐快捷。而为缩短距离和避免长大坡道等的铁路隧道为其提供了坚实的基础，但是，冬季温度较低时，由于铁路隧道的顶部容易渗透滴水，隧道的顶部常常有许多的冰挂。尤其是在北方，隧道列车驶入隧道内，大量的冷空气顺势涌入，使洞口内壁挂冰严重。当洞口的挂冰持续增长触及到顶部的接触网时，会引起电路短路，导致承力索的烧毁，从而对铁路运输带来极大的危害。

为消除冬季铁路运输在隧道内的不安全因素，各方面专业人才研制了不同的除冰方法。最简单原始的是人工除冰法，用人力敲打除冰，此法成本大、危险高;另一种方法是利用安装在隧道顶部的除冰小车进行往复运动，用车上的横杆击冰除冰，但此除冰车结构复杂，构建较多，日常运行容易发生故障;还有其他利用发热元件在隧道顶部进行除冰的装置，但其无法解决其从顶部融留下的积水。为了解决这一些列现实问题，本文通过红外检测结合磁电控制风动打冰解决隧道拱顶结冰问题。

2 红外线光电检测装置

铁路隧道主动除冰重点在于对隧道内冰柱监测和判断，当冰柱达到一定长度，威胁到列车安全时，就需要采取措施，尽快将冰柱清除。除冰主要有两个重要的环节，分别是检测装置和除冰机构。

对于冰柱的监测，可采用红外线光电开关。红外线光电开关按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。对于铁路隧道内冰柱的检测，可选择对射式结构，可以采取在铁路隧道内靠近顶端高于列车极限高度的位置在同一高度水平线成对左右布置红外线光电开关的发射端和接收端。主要是利用冰柱生成后对红外线光电开关之间光信号的遮蔽，引起红外线光电开关状态的改变，从而触发除冰机构的动作。

红外线光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化。红外线光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。当红外线光电开关发射端和接收端之间没有障碍物阻挡光线时，接收端的输出信号为高电平电压，当有障碍物遮蔽发射端和接收端之间的光线时，接收端输出的信号为低电平电压。由此可以借助两种状态电压来判断发射端和接收端之间有无障碍物。

冰柱属于透明度较低的晶体，当冰柱处于红外线光电开关发射端和接收端之间时，由于其表面的不规则形，会引起光线的漫反射，使得接收端感受到的光强几乎为零，红外线光电开关输出信号为低电平。红外线光电检测装置的布局如图1所示，其中1为发射端，2为接收端。

3 控除冰机构

当列车在铁路隧道中高速通过时，待列車车身完全进入隧道，列车推动隧道中的空气高速流动，形成形态逐渐稳定的活塞风。可以利用活塞风推动除冰杆摆动，击碎去除形成的冰柱。除冰机构布局如图2所示，1为红外线光电开关的发射端，2为接收端。中间倒T字形结构为除冰摆杆机构。

为了保证摆杆的自由摆动，摆杆和固定杆之间通过连接环进行连接。如果单纯依靠铁路隧道中的活塞风推动摆杆工作除冰，会使得摆杆在不必要的时候也会摆动，会导致连接环的机械磨损增加，使用寿命减少。

为了减少机械磨损，构建了图3所示的除冰摆杆机械结构。

其中，1为电磁器，2为弹簧，3为金属套筒，4为连接环，5为除冰摆杆。主要工作流程为，当冰柱生成，红外线光电开关发射端和接收端被冰柱阻挡，接收端可以接收不到发射端发出的红外光线时，接收端输出低电平，利用此控制信号控制电路持续为电磁器1供电电路供电，电磁器磁力吸引金属套筒3，金属套筒3在克服压缩弹簧2的向下的推力，上移，使得连接环4处于金属套筒结构之外，T型摆杆可以自由摆动，在铁路隧道活塞风推动下摆动除冰。

当红外线光电开关发射端和接收端之间没有冰柱遮挡时，接收端输出高电平，利用高电平信号控制电路断开为电磁器1供电的线路，使得电磁器失电。此时，金属套筒3在压缩弹簧的推力作用下，下移，将连接环4及除冰杆的一部分套住，由于金属套筒的限制作用，倒T字型摆杆无法摆动，减少了不必要的摩擦，延长了除冰机构的寿命。

为了减少倒T字型摆杆对红外线光电开关发射和接受端光线的干扰，空间布局时应使两者在空间异面，只检测倒T字型摆杆旁边位置是否有冰柱产生。

4 应用前景

铁路隧道拱顶除冰现阶段的各种方式存在成本高、难度大、效果差和机构寿命较短的问题。而本文研究设计的红外光电检测磁控式风动除冰装置，改进了风动除冰机构借用列车通过时风压打冰不确定性摆动，使风动打冰摆杆在冰挂达到临界时进行打冰行为，既有效的进行了隧道除冰同时还增加了除冰器的寿命。最大程度上节约了能源，延长了除冰装置的使用寿命从而使铁路隧道除冰这一难题在技术层面更进一步。

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作者简介：雷瑛（1980-），女，陕西渭南人，研究生，讲师，教师，研究方向：机械工程材料、机械设计。

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