□ 李順秋 □ 王中長(zhǎng)

濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 山東濱州 256600

1 設(shè)計(jì)背景

當(dāng)前,鐵路接觸網(wǎng)覆冰在全球范圍內(nèi)均是冬季常見(jiàn)的事故,破壞性比較大,輕則造成大面積異常供電,重則導(dǎo)致桿塔傾斜、倒塌,導(dǎo)線脆性接地等,經(jīng)濟(jì)損失巨大。

鐵路是國(guó)家的主要基礎(chǔ)設(shè)施,綜合交通運(yùn)輸體系的骨干,鐵路運(yùn)輸是集約式發(fā)展和資源利用效率提高的一種有效運(yùn)輸方式。我國(guó)是鐵路運(yùn)輸大國(guó),鐵路運(yùn)營(yíng)范圍十分廣闊,冬季清理鐵路接觸網(wǎng)覆冰較為困難。目前,在鐵路接觸網(wǎng)除冰工作中,鐵路部門(mén)仍然采用人工操作方式,冬季氣溫低,保暖衣物重,人工清理不便,并且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。除冰機(jī)的使用可以極大解放人力,使除冰成本大幅下降?；诖?筆者設(shè)計(jì)了懸掛式鐵路接觸網(wǎng)除冰機(jī)。

2 工作原理

動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力,使懸掛式鐵路接觸網(wǎng)除冰機(jī)向前緩慢行駛。電磁加熱圈對(duì)輸電線進(jìn)行局部加熱,使鐵路接觸網(wǎng)上的覆冰松動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)敲擊聯(lián)動(dòng)裝置調(diào)節(jié)至合適位置后,按下遙控機(jī)開(kāi)關(guān),對(duì)應(yīng)的電機(jī)啟動(dòng),電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸與聯(lián)軸器將動(dòng)力傳送至旋轉(zhuǎn)敲擊聯(lián)動(dòng)裝置中心軸,開(kāi)始敲擊鐵路接觸網(wǎng),將鐵路接觸網(wǎng)上的冰溜擊碎。

通過(guò)實(shí)時(shí)信息傳輸,使施工人員在室內(nèi)就可以了解除冰機(jī)所在位置及鐵路接觸網(wǎng)覆冰情況,能夠大大縮短施工人員在鐵路運(yùn)輸線路上的工作時(shí)長(zhǎng),降低鐵路的運(yùn)營(yíng)投入。

3 整體結(jié)構(gòu)

懸掛式鐵路接觸網(wǎng)除冰機(jī)工作環(huán)境特殊,需要具有多方面能力:① 上坡、下坡、制動(dòng)能力;② 在光滑覆冰上行走的能力;③ 抗風(fēng)保持穩(wěn)定的能力。除冰機(jī)具有裝配式有效除冰機(jī)構(gòu),體積和質(zhì)量適中,便于攜帶,同時(shí)具有實(shí)時(shí)信息傳輸功能。為了滿足以上工作要求,除冰機(jī)的行走機(jī)構(gòu)采用彈性后驅(qū)雙臂懸掛式結(jié)構(gòu),懸掛在鐵路接觸網(wǎng)上,前端的實(shí)時(shí)成像采集相機(jī)將信息實(shí)時(shí)采集并傳輸至命令顯示屏。除冰機(jī)內(nèi)部裝有機(jī)械除冰機(jī)構(gòu)和提高溫度除冰機(jī)構(gòu)兩種除冰機(jī)構(gòu)。筆者重點(diǎn)介紹除冰機(jī)的除冰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、越障原理,以及全球定位系統(tǒng)定位、實(shí)時(shí)信息傳輸,并進(jìn)行空中穩(wěn)定性分析。

除冰機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。行走機(jī)構(gòu)采用彈性后驅(qū)雙臂懸掛式結(jié)構(gòu),可以跨越鐵路接觸網(wǎng)支撐梁等各種障礙,具有穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)。除冰機(jī)內(nèi)部安裝有機(jī)械除冰機(jī)構(gòu)和提高溫度除冰機(jī)構(gòu)。機(jī)械除冰機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)敲擊聯(lián)動(dòng)裝置連續(xù)敲擊鐵路接觸網(wǎng),清除鐵路接觸網(wǎng)表面的覆冰。提高溫度除冰機(jī)構(gòu)采用提高覆冰與鐵路接觸網(wǎng)接觸表面溫度的方法,通過(guò)電磁感應(yīng)加熱,改變電流頻率和方向,對(duì)鐵路接觸網(wǎng)進(jìn)行局部加熱,使覆冰從內(nèi)部解體,達(dá)到快速清除覆冰的目的。采用遠(yuǎn)程控制的方式控制除冰機(jī),進(jìn)行除冰作業(yè)時(shí)只需將除冰機(jī)安裝在鐵路接觸網(wǎng)上,通過(guò)室內(nèi)遙控器遠(yuǎn)程控制除冰機(jī)行走即可。通過(guò)實(shí)時(shí)信息傳輸,施工人員能夠及時(shí)了解覆冰情況,必要時(shí)可以修改施工方案。除冰機(jī)需要在惡劣天氣條件下在各種復(fù)雜的鐵路接觸網(wǎng)上工作,各項(xiàng)功能的完善需要大量后期研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,除冰機(jī)各種功能具有很好的研究應(yīng)用前景。

在多個(gè)動(dòng)力源電機(jī)的傳動(dòng)配合下,能量通過(guò)齒輪、同步輪、皮帶、鏈條傳遞至工作機(jī)構(gòu)。除冰機(jī)行走機(jī)構(gòu)通過(guò)彈性后驅(qū)雙臂懸掛式結(jié)構(gòu)在鐵路接觸網(wǎng)上平穩(wěn)行走,越過(guò)鐵路接觸網(wǎng)的支撐梁。提高溫度除冰機(jī)構(gòu)通過(guò)電磁感應(yīng)在鐵路接觸網(wǎng)上進(jìn)行局部加熱,使覆冰松動(dòng)。機(jī)械除冰機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)敲擊聯(lián)動(dòng)裝置不斷擊打鐵路接觸網(wǎng),使覆冰完全脫落,從而達(dá)到除冰的效果。

4 除冰機(jī)構(gòu)

目前,工程中用于鐵路接觸網(wǎng)除冰的方法有很多,根據(jù)不同的除冰原理,鐵路接觸網(wǎng)除冰主要分為提高溫度除冰、機(jī)械除冰、涂刷防冰涂料等。在提高溫度除冰中,交流融冰通過(guò)調(diào)整運(yùn)行方式,增大安全負(fù)荷交流電流,使鐵路接觸網(wǎng)上的覆冰在電流的熱作用下掉落。直流融冰是500 kV線路唯一可行的融冰方法,但由于電力電子技術(shù)和電網(wǎng)安全穩(wěn)定方面的制約,研究還沒(méi)有取得突破性進(jìn)展。采用機(jī)械除冰。施工人員站在除冰車(chē)頂部,用除冰棍敲擊鐵路接觸網(wǎng),產(chǎn)生局部振動(dòng),達(dá)到使覆冰掉落的目的。采用涂刷防冰涂料,在鐵路接觸網(wǎng)上涂敷導(dǎo)電防冰涂料,可以抑制鐵路接觸網(wǎng)覆冰。其它除冰方法包括電暈放電除冰、電磁脈沖除冰、電壓脈沖除冰、電子凍結(jié)除冰、粒子加熱除冰等,但不少還處于設(shè)想或試驗(yàn)階段。

在鐵路接觸網(wǎng)除冰方法中,最實(shí)用的是提高溫度除冰,操作相對(duì)簡(jiǎn)單,機(jī)械除冰則可以采用最簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)。當(dāng)前,機(jī)械除冰需要施工人員在夜間進(jìn)行,施工人員的危險(xiǎn)因數(shù)較高,并且除冰過(guò)程中需要停電操作,對(duì)列車(chē)的正常運(yùn)行影響很大。筆者設(shè)計(jì)的懸掛式鐵路接觸網(wǎng)除冰機(jī)將提高溫度除冰機(jī)構(gòu)和機(jī)械除冰機(jī)構(gòu)結(jié)合起來(lái),使鐵路接觸網(wǎng)覆冰的清除更徹底。

4.1 機(jī)械除冰機(jī)構(gòu)

機(jī)械除冰機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)敲擊聯(lián)動(dòng)裝置,如圖2所示。旋轉(zhuǎn)敲擊聯(lián)動(dòng)裝置通過(guò)旋轉(zhuǎn)方式連續(xù)敲擊鐵路接觸網(wǎng),在旋轉(zhuǎn)軸上有多排敲擊棍,由電機(jī)為旋轉(zhuǎn)軸提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)能,旋轉(zhuǎn)軸可以高速旋轉(zhuǎn),敲擊棍跟隨旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn),不斷敲擊鐵路接觸網(wǎng),使鐵路接觸網(wǎng)產(chǎn)生振動(dòng),使覆冰掉落。

覆冰熱力學(xué)性能主要由環(huán)境溫度、平均密度、抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度四方面共同決定。一般而言,環(huán)境溫度為-10 ℃,平均密度為0.85 g/cm3,抗壓強(qiáng)度為2.09 MPa,剪切強(qiáng)度為0.45 MPa。

對(duì)單個(gè)敲擊棍除冰進(jìn)行分析,具體計(jì)算過(guò)程省略。敲擊棍與鐵路接觸網(wǎng)的接觸寬度為0.001 m,與鐵路接觸網(wǎng)平面的夾角為25°,假設(shè)敲擊棍的長(zhǎng)度為0.15 m,則敲擊棍和覆冰的接觸面積為0.000 16 m2,在對(duì)應(yīng)的接觸面上敲擊棍對(duì)鐵路接觸網(wǎng)所產(chǎn)生的擠壓力為0.334 4 MPa,剪切力為0.159 MPa。

根據(jù)鐵路接觸網(wǎng)覆冰的厚度選用不同工作扭矩的電機(jī)。設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,每秒可對(duì)鐵路接觸網(wǎng)沖擊20次,選用工作扭矩為1 N·m的電機(jī),則電機(jī)的功率為0.1 kW。

為合理占用除冰機(jī)的內(nèi)部空間,選用適合的傳動(dòng)帶很有必要。電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)帶將能量傳遞至旋轉(zhuǎn)軸,使旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn),敲擊鐵路接觸網(wǎng),對(duì)覆冰施加應(yīng)力,使鐵路接觸網(wǎng)產(chǎn)生局部振動(dòng),并使覆冰掉落。電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,傳動(dòng)帶的傳動(dòng)比為1.1,每日工作8 h。

傳動(dòng)帶工作情況因數(shù)見(jiàn)表1,取1.0。

表1 傳動(dòng)帶工作情況因數(shù)

根據(jù)工作情況因數(shù)、電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速,傳動(dòng)帶選用Z型。初步選用小帶輪基準(zhǔn)口徑dd1為80 mm,驗(yàn)算傳動(dòng)帶帶速為5.024 m/s,帶速在5～30 m/s之間,因此帶速合適。由此計(jì)算得大帶輪基準(zhǔn)直徑dd2為88 mm,取標(biāo)準(zhǔn)值為90 mm。

中心距a0應(yīng)當(dāng)滿足:

0.7(dd2+dd1)≤a0≤2(dd2+dd1)

(1)

由此初定中心距為200 mm,在此基礎(chǔ)上得到基準(zhǔn)長(zhǎng)度為405 mm。

4.2 提高溫度除冰機(jī)構(gòu)

提高溫度除冰機(jī)構(gòu)如圖3所示。電磁感應(yīng)加熱圈設(shè)置于兩個(gè)行走機(jī)構(gòu)之間,彎折部分整體呈U形,繞鐵路接觸網(wǎng)周側(cè)設(shè)置,固定于底座。

STM32單片機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)的電氣控制中樞,通過(guò)發(fā)出1和0指令控制電路信號(hào)的開(kāi)閉,再通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)獨(dú)立控制電機(jī)和相關(guān)機(jī)構(gòu)。

單片機(jī)控制原理如圖4所示,控制電路板如圖5所示,內(nèi)部搭載標(biāo)準(zhǔn)π型電源濾波器,可以有效抑制和吸收高頻電網(wǎng)的干擾。12 V電壓經(jīng)功率調(diào)節(jié)器變頻為3.5 kW,輸入電磁感應(yīng)加熱圈,環(huán)繞于鐵路接觸網(wǎng),對(duì)鐵路接觸網(wǎng)進(jìn)行局部加熱,使覆冰初步融化松動(dòng),機(jī)械除冰更為順暢。

我國(guó)鐵路接觸網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),傳輸電流最高可達(dá)400 A,一般電阻率為0.023 95 Ω/mm2,截面積為150 mm2,附近磁場(chǎng)強(qiáng)度最高可達(dá)3 143 A/m,交變磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)0.6 T。

電磁感應(yīng)加熱圈產(chǎn)生的磁熱主要來(lái)源于鐵心的磁滯損耗和渦流損耗,磁滯損耗Pe為:

(2)

式中:f為運(yùn)行頻率;η為Steinmetz系數(shù);μm為鐵磁導(dǎo)率;V1為鐵心體積。

5 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)采用彈性后驅(qū)雙臂懸掛式結(jié)構(gòu),如圖6所示。當(dāng)鐵路接觸網(wǎng)的延伸角度變化或表面覆冰不均勻時(shí),利用彈簧的緩沖力調(diào)節(jié)行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)角度,使夾持空心齒輪在鐵路接觸網(wǎng)上平穩(wěn)運(yùn)行,同時(shí)避免在鐵路接觸網(wǎng)上晃動(dòng)。行走機(jī)構(gòu)主要由行走電機(jī)、遠(yuǎn)程調(diào)速器、皮帶、夾持空心齒輪等組成。行走電機(jī)為可調(diào)速大功率電機(jī),是懸掛式鐵路接觸網(wǎng)除冰機(jī)不同工作狀態(tài)下速度調(diào)節(jié)的核心。通過(guò)調(diào)速器輸出脈沖寬度調(diào)制波調(diào)節(jié)電控時(shí)間,控制行走電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率。

皮帶傳動(dòng)構(gòu)造簡(jiǎn)單,適合于兩軸中心距相差較大的傳動(dòng)場(chǎng)合,傳動(dòng)穩(wěn)定無(wú)噪聲,并且可以緩沖、吸振。超載時(shí)會(huì)在帶輪上產(chǎn)生打滑,可以防止薄弱零部件損壞,起安全防護(hù)的作用。皮帶傳動(dòng)制造費(fèi)用低,不需要潤(rùn)滑,維修方便,在近代機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用十分廣泛。滾槽機(jī)架多為鋁合金材質(zhì),機(jī)身輕巧,在試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)載打滑現(xiàn)象。

夾持空心齒輪為自主設(shè)計(jì),行走電機(jī)帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng),皮帶聯(lián)動(dòng)行走機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)除冰機(jī)在鐵路接觸網(wǎng)上行走。行走機(jī)構(gòu)可以保持除冰機(jī)在鐵路接觸網(wǎng)上的穩(wěn)定性,除冰機(jī)在行走的同時(shí),齒輪振動(dòng)也能夠瓦解冰溜,并初步清理冰溜。

6 全球定位系統(tǒng)定位

采用UBX-M8030-KT全球定位芯片作為主要架構(gòu),與移動(dòng)電話等電子設(shè)備上自帶的定位模塊相結(jié)合,能夠在移動(dòng)電話等電子設(shè)備上顯示懸掛式鐵路接觸網(wǎng)除冰機(jī)的當(dāng)前位置和運(yùn)行軌跡。只需要在移動(dòng)電話中安裝好相應(yīng)的應(yīng)用程序,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)除冰機(jī)運(yùn)行軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

7 實(shí)時(shí)信息傳輸

實(shí)時(shí)信息傳輸采用實(shí)時(shí)成像采集相機(jī),設(shè)置在懸掛式鐵路接觸網(wǎng)除冰機(jī)機(jī)體頭部,用于觀察鐵路接觸網(wǎng)覆冰情況及除冰效果,以便施工人員及時(shí)調(diào)整工作。

8 空中穩(wěn)定性分析

懸掛式鐵路接觸網(wǎng)除冰機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí),會(huì)受到空中氣流產(chǎn)生的橫向力及自身對(duì)行走機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的壓力。為減小這些力對(duì)除冰機(jī)運(yùn)行的影響,在除冰機(jī)腹部設(shè)置活動(dòng)式橫向側(cè)風(fēng)阻尼器,并且采用流線型溜背設(shè)計(jì)。為進(jìn)一步提高除冰機(jī)的運(yùn)行安全性,將大部分機(jī)構(gòu)安裝于行走機(jī)構(gòu)下方。

橫向側(cè)風(fēng)阻尼器如圖7所示,采用螺旋式蝸桿。當(dāng)側(cè)面有橫向強(qiáng)風(fēng)時(shí),阻尼器會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生動(dòng)能和橫向力。當(dāng)橫向強(qiáng)風(fēng)對(duì)阻尼器產(chǎn)生的橫向力大于阻尼器自身重力時(shí),產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。橫向強(qiáng)風(fēng)經(jīng)過(guò)兩次削弱,對(duì)除冰機(jī)產(chǎn)生的影響大為減弱。除冰機(jī)三維模型如圖8所示。

9 結(jié)束語(yǔ)

筆者在分析鐵路接觸網(wǎng)現(xiàn)有除冰方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)內(nèi)外高壓輸電線除冰技術(shù),設(shè)計(jì)了一種集機(jī)械除冰、提高溫度除冰于一體的懸掛式鐵路接觸網(wǎng)除冰機(jī),同時(shí)可應(yīng)用于低空輸電線除冰。對(duì)這一除冰機(jī)的除冰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、全球定位系統(tǒng)定位、實(shí)時(shí)信息傳輸進(jìn)行了介紹,并進(jìn)行了空中穩(wěn)定性分析,確認(rèn)各關(guān)鍵零件尺寸、強(qiáng)度、性能滿足設(shè)計(jì)要求。

這一除冰機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)合理,主要用于鐵路接觸網(wǎng)覆冰后的除冰工作,亦可在無(wú)絕緣皮包覆的輸電線上進(jìn)行除冰作業(yè),若覆冰不嚴(yán)重,可以不進(jìn)行提高溫度除冰。

當(dāng)然,這一除冰機(jī)還存在一些需要解決的問(wèn)題,如運(yùn)行前方的冰溜阻隔等。目前正在對(duì)這一除冰機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn),以便適應(yīng)更復(fù)雜的工作環(huán)境。