李洪磊 邢挺 王志偉 唐金勝 肖秘

（1.中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司，西寧 810007；2.格爾木敦樸太陽(yáng)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(zhì)結(jié)構(gòu)或施工質(zhì)量原因，存在頂部滲漏水現(xiàn)象，一到冬季水滴就會(huì)加速凝結(jié)，形成冰柱在隧道頂部生長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為隧道掛冰［1-2］。隨著水滴的不斷滲出，冰柱越來(lái)越長(zhǎng)，與下部接觸網(wǎng)的距離越來(lái)越近，極易造成短路，導(dǎo)致鐵路運(yùn)輸?shù)闹袛啵?］。此外，當(dāng)這些冰柱的體積增長(zhǎng)到一定程度后，冰柱受到行車影響容易跌落下來(lái)，與來(lái)往行車發(fā)生撞擊，這會(huì)對(duì)隧道內(nèi)設(shè)施及行車安全造成極大威脅［4］。

近年來(lái)，鐵路設(shè)施維護(hù)單位為了減少隧道結(jié)冰對(duì)列車安全運(yùn)行的影響，開(kāi)始嘗試采取電加熱方法防止結(jié)冰。電加熱方法需要將發(fā)熱元件固定到隧道頂部滲漏點(diǎn)附近，存在易墜落、難檢修等缺陷［5］。高原鐵路隧道環(huán)境惡劣，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行隧道壁早已風(fēng)蝕，難以牢固加熱裝置。若裝置脫落造成接觸網(wǎng)斷裂，還會(huì)給高原鐵路供電帶來(lái)更大的安全事故。因此，高原鐵路維護(hù)現(xiàn)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(wǎng)附近的頂部和洞口的除冰［6］?，F(xiàn)階段隧道工務(wù)維護(hù)和電力維護(hù)普遍采用傳統(tǒng)的人工鑿冰方式進(jìn)行除冰。隧道內(nèi)人工鑿冰作業(yè)難度較大，原因?yàn)椋孩俳Y(jié)冰位置通常在6 ～8 m高的隧道頂部，作業(yè)人員往往難以觸及；②結(jié)冰部位下面一般為高壓電力接觸網(wǎng)，除冰往往需要在行車線路上進(jìn)行，因此人工鑿冰觸電的危險(xiǎn)性極大；③隧道內(nèi)作業(yè)面狹小，采用梯子、長(zhǎng)桿等工具對(duì)行車及行人都存在安全隱患；④人工鑿冰容易對(duì)鐵路設(shè)施造成機(jī)械性破壞，影響列車的正常運(yùn)行；⑤目前隧道運(yùn)營(yíng)車流密度普遍很大，要長(zhǎng)時(shí)間高頻次申請(qǐng)?zhí)齑包c(diǎn)會(huì)影響線路的正常調(diào)度，難以實(shí)現(xiàn)。因此，高原隧道除冰成為現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)作業(yè)中亟待解決的棘手問(wèn)題［7-8］。

為了保證電氣化鐵路安全，各維護(hù)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(lái)看效果不太理想，因隧道頂部結(jié)冰造成的接觸網(wǎng)供電故障或碰撞事故時(shí)有發(fā)生。本文通過(guò)分析鐵路隧道現(xiàn)有除冰方式的不足，提出通過(guò)點(diǎn)光源照射進(jìn)行非接觸式加熱除冰的新思路，并設(shè)計(jì)了一種整合發(fā)光單元的除冰樣機(jī)。

1 技術(shù)路線

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的分析，除了人工鑿冰，通過(guò)加熱使冰柱融化最為簡(jiǎn)便。若采用非接觸的方式遠(yuǎn)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(guò)進(jìn)一步持續(xù)照射滲水區(qū)域隧道壁面，讓其保持在0 ℃以上［9］。如果能夠設(shè)計(jì)出這樣的除冰樣機(jī)，便可安全有效地解決隧道頂部結(jié)冰問(wèn)題。

1.1 射線或光束的篩選

不論距離還是強(qiáng)度，激光都能達(dá)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(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)微波容易泄露，對(duì)人體危害較大［10］。常用紅外光源的熱密度雖然較高，但發(fā)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(qiáng)度迅速下降，無(wú)法達(dá)到除冰要求。經(jīng)過(guò)綜合比選，最終選用了一種點(diǎn)光源燈泡。這種燈泡的電弧尺寸只有1.2 mm，近似于點(diǎn)光源的光束，是較為理想的光源發(fā)射元件。該燈泡的性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 點(diǎn)光源燈泡的性能參數(shù)

點(diǎn)光源燈泡所發(fā)光的光譜與自然界中太陽(yáng)光的光譜非常相似，說(shuō)明該光源的輻射能量可以達(dá)到安全融冰的要求。一般太陽(yáng)光的輻照度是1000 W/m2，如果該光源通過(guò)鏡頭組調(diào)焦發(fā)光，將投射到冰層表面上的輻照度調(diào)控到同樣數(shù)值，不僅能將冰柱融化，而且不會(huì)因溫度過(guò)高而影響隧道表面和其他鐵路設(shè)施。

1.2 光學(xué)鏡頭的篩選

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，如果將單個(gè)點(diǎn)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(shí)，該光源的輻照度就接近太陽(yáng)光的輻照度。采用一種可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部調(diào)焦的光學(xué)鏡頭組即可滿足這一要求。合理設(shè)置鏡頭組的光焦度和組合焦距，鏡頭組通過(guò)3個(gè)鏡頭能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部平穩(wěn)調(diào)焦。其性能參數(shù)見(jiàn)表2。鏡面材料為k9光學(xué)玻璃，3個(gè)鏡頭安裝在直徑134 mm、長(zhǎng)50 mm的圓柱形筒體內(nèi)，形成整體的鏡頭組。

表2 鏡頭組的性能參數(shù)

1.3 發(fā)光單元的構(gòu)成

發(fā)光單元由一套光源發(fā)射元件（包括配套的控制模塊和點(diǎn)燈器）、光學(xué)鏡頭組及調(diào)焦機(jī)構(gòu)組成，見(jiàn)圖1。發(fā)光單元是除冰樣機(jī)的核心。如果將更多發(fā)光單元整合到一起就能構(gòu)成功率更強(qiáng)的除冰樣機(jī)，可應(yīng)用于鐵路隧道、公路隧道等不同場(chǎng)合。

圖1 發(fā)光單元的構(gòu)成

2 除冰樣機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

除冰樣機(jī)安裝在隧道內(nèi)，由于安裝位置和線路管理的特殊性，須滿足：①由于隧道內(nèi)空間狹小，設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸需要最大程度優(yōu)化與縮??；②光束投射方向須在2個(gè)維度上可調(diào)，掃描覆蓋面積須盡可能大；③設(shè)備安全可靠，整體穩(wěn)定性好，有防傾倒措施；④設(shè)備裸露部件要盡可能少，并消除部件跌落的可能性；⑤可遠(yuǎn)程控制，無(wú)需人工直接操作。

2.2 外形設(shè)計(jì)

受隧道內(nèi)空間限制，除冰樣機(jī)只能安裝在人行道地面靠近洞壁側(cè)。為了不影響行人，側(cè)向尺寸要盡可能小，而長(zhǎng)度則可以適當(dāng)延伸。為確保設(shè)備支撐穩(wěn)定，高度也不宜太高。除冰樣機(jī)外觀布局見(jiàn)圖2。經(jīng)多次優(yōu)化調(diào)整，外形尺寸確定為1200 mm（長(zhǎng)）×300 mm（寬）×1160 mm（高）。

圖2 除冰樣機(jī)外觀布局

2.3 連接設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)情況，將除冰樣機(jī)10個(gè)發(fā)光單元分成上下2排。每排組裝成一個(gè)整體，稱作上發(fā)射器組、下發(fā)射器組。上發(fā)射器組、下發(fā)射器組的俯仰角活動(dòng)范圍均為0°～90°。多個(gè)發(fā)光單元整合到一起的優(yōu)點(diǎn)是：輻射能量可以分級(jí)疊加滿足不同應(yīng)用需求；通風(fēng)模塊、電源模塊、控制模塊等同時(shí)共用一套輔助系統(tǒng)。

通過(guò)二次調(diào)焦機(jī)構(gòu)，除冰樣機(jī)可以任意調(diào)節(jié)每個(gè)光束的投射角度，從而形成不同投射面積和形狀。對(duì)普通滲漏點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。

左右水平移動(dòng)是通過(guò)將樣機(jī)安裝在導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)距離可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況而定，目前設(shè)計(jì)值為4 m。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除冰樣機(jī)主要由上發(fā)射器組、下發(fā)射器組、左立柱、右立柱和下部機(jī)箱五部分組成。發(fā)射器組邊框、立柱與機(jī)箱上部均為空心密封結(jié)構(gòu)，相互連通。將元件、機(jī)箱和線槽集于一體，同時(shí)起到固定和通風(fēng)功能。俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)于左右立柱內(nèi)，水平傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)在機(jī)箱右下部。控制模塊的元件設(shè)在機(jī)箱中部。風(fēng)機(jī)安裝在機(jī)箱左下部，風(fēng)機(jī)出口與機(jī)箱上部的風(fēng)道連通。風(fēng)道的出風(fēng)嘴在發(fā)射器組邊框的內(nèi)側(cè)，總共10 組，每組2 個(gè)，分別直對(duì)光源燈泡的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。采用連續(xù)直吹的降溫方式保證和延長(zhǎng)了燈泡的使用壽命。

2.5 機(jī)械傳動(dòng)

馬達(dá)采用220 V 同步正逆轉(zhuǎn)微型電機(jī)。傳動(dòng)部分的俯仰運(yùn)動(dòng)通過(guò)螺桿裝置實(shí)現(xiàn)，精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)；水平運(yùn)動(dòng)通過(guò)蝸輪蝸桿裝置實(shí)現(xiàn)，扭矩大，空間利用合理。

2.6 控制模塊

在發(fā)射器組邊框外裝有2 個(gè)遠(yuǎn)程紅外溫度傳感器，用于遠(yuǎn)距離檢測(cè)隧道壁面掃描區(qū)域的溫度?？刂颇K根據(jù)隧道表面結(jié)冰區(qū)域的溫度掃描結(jié)果，判斷結(jié)冰情況，并自動(dòng)調(diào)整發(fā)射器組的投射方向和投入數(shù)量。如果溫度不高于0 ℃裝置開(kāi)啟，若溫度高于0 ℃則裝置關(guān)閉。

為了避免強(qiáng)光對(duì)通過(guò)的列車產(chǎn)生視覺(jué)干擾，列車通過(guò)時(shí)除冰樣機(jī)須自動(dòng)關(guān)閉，列車通過(guò)后裝置自動(dòng)開(kāi)啟，該判斷功能由安裝在其內(nèi)部的2 個(gè)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(yuǎn)程終端在操作員手機(jī)或監(jiān)控電腦上實(shí)現(xiàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

發(fā)光單元的試驗(yàn)分2 組，第1 組是在室內(nèi)的輻照度試驗(yàn)，第2組是冰塊的融冰效果試驗(yàn)。

1）輻照度試驗(yàn)

在8 m 遠(yuǎn)處的投射靶面（墻）上，分別畫(huà)出直徑0.3，0.6，0.9，1.2 m 的圓環(huán)（參見(jiàn)圖1），在圓心和4 個(gè)象限點(diǎn)處分別檢測(cè)輻照度。該試驗(yàn)采用MR-5 型熱輻射計(jì)，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 熱輻射計(jì)的主要性能參數(shù)

將發(fā)光單元的光源光束投射到8 m 處的墻壁上，調(diào)整聚焦使圓環(huán)直徑為0.6 ～1.2 m，發(fā)光單元運(yùn)轉(zhuǎn)正常后測(cè)得輻照度在180 ～775 W/m2，見(jiàn)表4。象限點(diǎn)的位置參見(jiàn)圖1。

表4 不同圓環(huán)直徑時(shí)圓心和象限點(diǎn)的輻照度

在試驗(yàn)室內(nèi)的墻壁上預(yù)先畫(huà)好直徑為0.6 m 的圓環(huán)，1 h后圓環(huán)內(nèi)墻壁表面溫度達(dá)到45 ℃。

2）冰塊融化試驗(yàn)

將預(yù)先凍結(jié)的直徑30 mm、厚50 mm 的冰塊固定在圓環(huán)處，經(jīng)光源光束照射1 h后冰塊全部融化跌落。

以上2 組試驗(yàn)表明發(fā)光單元用于除冰是可行的。除冰樣機(jī)只需根據(jù)各隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將一定數(shù)量的發(fā)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(wù)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用的除冰樣機(jī)含有10個(gè)發(fā)光單元，分為上下2 排。制作完成后除冰樣機(jī)被安裝在檢修車上，在青藏鐵路隧道內(nèi)4 個(gè)結(jié)冰點(diǎn)進(jìn)行了除冰試驗(yàn)（圖3）。光束對(duì)準(zhǔn)后隧道內(nèi)的冰柱從10 min 起開(kāi)始融化，在30 min 內(nèi)所有冰面和冰柱全部消融，效果非常理想。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4 結(jié)論

1）基于遠(yuǎn)距離、非接觸的設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)了隧道用除冰樣機(jī)。通過(guò)高能光束遠(yuǎn)程照射進(jìn)行可控除冰，不管結(jié)冰位置處于隧道何處，光束均可以直接到達(dá)，除冰位置無(wú)死角。

2）除冰樣機(jī)作業(yè)時(shí)隧道內(nèi)無(wú)需停車停電，對(duì)隧道內(nèi)運(yùn)行的車輛、設(shè)備、人員均無(wú)任何影響，達(dá)到了安全要求。

3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的冰柱可在30 min 內(nèi)全部消融，除冰效率較高。通過(guò)二次調(diào)焦可獲得更高溫度，除冰樣機(jī)還可用于其他任務(wù)。

4）目前設(shè)計(jì)的不足之處在于除冰樣機(jī)略顯笨重，后續(xù)將結(jié)合應(yīng)用情況對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化。