轨道交通线路接触网除冰研究

（辽宁铁道职业技术学院,辽宁 锦州 121000）

0 引言

在冬季，北方的接触网接触导线上会产生覆冰现象、南方则会产生冻雨现象，均会造成受电弓受流性能下降；同时还会在受流过程产生拉弧现象，加大接触网和受电弓的磨损；严重时甚至能使列车失去运行动力，导致列车晚点甚至造成运营事故。

一般是通过设计方面（设备选型优化、覆冰荷载设计[1]等）和运营方面（人工打冰、机械除冰、涂抹防冻液[2]等）进行防冰和除冰设计，但目前尚未有成熟可靠的接触网除冰设计方案和相关装置。

本文通过深入研究接触网和受电弓的相关参数、性能来进行轨道交通线路接触网除冰的相关研究，并进行了充分的现场调研，拟采用机械除冰法和热力除冰法设计一套接触网除冰装置，来解决轨道交通线路接触网的覆冰问题。

1 国内外研究现状

在过去，人们通常采用机械除冰法，即人工采用工具敲击接触网[3]，使接触网产生震动，覆冰掉落。而且为了保证安全，常利用“天窗”进行除冰作业，在冰多的时候就需要每隔4小时除一次冰。而且这种方法的除冰效果不是十分理想，还有可能会对接触网线路造成破坏。

目前，常见的除冰方法有如下几种：

（1）加装具有除冰功能的受电弓副弓。因为需要重新购置一套受电弓，成本高，经济性差。

（2）人工除冰。人工利用竹竿等具备良好绝缘性能的工具对已覆冰线路进行震动、敲打。

（3）采用机械冲击载荷作用于覆冰导线。机械冲击载荷降低了接触网稳定性，造成弓网损伤。

（4）在输电线路网上通高压电进行除冰。输电线路网上通高压电[4]，产生电能损耗，还会造成安全隐患。

（5）购买专用除冰车。此方法需要购置专用设备（除冰车），经济性差。

2 线路接触网除冰策略研究

2.1 机械构架部分

本课题是对车辆受电弓进行设备改造设计。

同时，安装装置后还要保证如下几点：

受电弓美观性；不易产生拉弧现象；不影响其他模块的检修维护和自身的易维护性；不影响其他各项功能的使用；整体的稳定性。

以下仅以有轨电车的受电弓结构和性能参数进行介绍，并展开研究。

2.1.1 受电弓结构

来自牵引变电所的电能通过接触网及装在车上的受电弓向电动车辆供电。

其中受电弓是电动车辆从接触网取得电能的电气设备，安装在车顶，如图1。

图1 受电弓结构

受电弓底架采用无缝矩形钢经焊接而成，具有强度高、重量轻的特点。下臂杆则采用无缝钢管，经焊接而成。同时在设计时考虑到受电弓的受流性能和重量，受电弓上臂杆就不采用碳钢材料，而采用高强度的航空铝合金材料，这样上臂杆的受流性能增强，且重量减轻，同时也不会影响上臂杆强度。受电弓缓冲是通过安装在下臂杆和上臂杆上的液压阻尼器来实现的。通过液压阻尼器使弓头滑板条有很好的随网性。

受电弓拉杆是由不锈钢管和轴承组合而成。当拉杆绕底架回转中心转动时，受电弓弓头位置改变。平衡杆可以使受电弓的弓头在整个工作高度范围内（包括升到最大高度）保持水平状态。在车辆运动过程中，可以通过缓冲调整装置，消除外力对弓头在运动过程中的干扰。

在受电弓各转动部位，安装有不同规格的软连线。软连线规格依据车辆电流选择。车辆需要电流越大，则软连线截面积越大，反之则截面积越小。

弓头采用悬挂式设计，在其两个横托架中采用了片弹簧技术，使得受电弓滑板条在遇到接触网硬点时能起到缓冲作用，保护受电弓滑板；同时弓头设计中采用了调节滑板技术，该技术可以在滑板磨耗不均匀时，采用安装在横托架上的调节螺栓进行微量调整。避免因磨耗不均匀，导致滑板条更换量大而产生浪费。

电子驱动装置选用进口电气元件，安全可靠。在使用过程中出现意外情况也要保证受电弓能继续工作，所以该装置带有手动功能。即，将受电弓安装至车顶后，用一根软轴连接至电子驱动装置的手动接口，然后将软轴另一端连接至车内。紧急情况下，司机在车内可通过操作手摇曲柄，来进行受电弓的升降动作。

手动装置通过软轴和车内的软轴连接器连接。手动装置是在升降弓装置发生故障时，可通过该装置确保受电弓的正常升弓和降弓。

安装在底架上的安全锁闭装置对在落弓位置（如运输期间、维护期间等）的受电弓进行保护，使其不做升弓运动，同时防止了电子驱动装置在没有工作的情况下，弓头被意外抬起而遭到损坏。当受电弓升弓时，安全锁闭装置会自动打开。

受电弓的电气控制系统被安装在底架上和车辆内和电缆连接，用于控制电子驱动装置，确保车辆控制受电弓的电子信号正确的传输，实现受电弓的动作。

2.1.2 受电弓主要技术参数

受电弓是电动弓，采用电气控制系统控制电子驱动装置进行升、降弓操作，同时配备了安全锁闭装置，以防止在运输期间和维护期间的落弓状态稳定性，杜绝此种工况的误升弓。

（1）额定电压 DC 750 V

额定电流 1050 A

（2）受电弓高度 5 650 mm ～ 5 700 mm

（3）额定静态压力 110 N ± 10 N

（4）受电弓张开、闭合时间升弓时间（弓头离开止挡到最大工作高度）≦10 s降弓时间（最大工作高度到弓头止挡未知）≦10 s

（5）受电弓尺寸

折叠位置总长度 ≈ 2400 mm

总宽度 ≦1700 mm ± 10 mm

碳滑板工作部分长度 1050 mm

上臂杆 2035 mm

下臂杆 1600 mm

弓头宽度 350 mm ± 5 mm

（6）受电弓总重量（不包括绝缘子） ≦175 kg ± 5 kg

2.1.3 受电弓副支架结构设计

初步设想采用机械设计理论，设计一套机械构架，可将除冰装置顶部的加热板与接触网平稳有效的接触，实现对接触网进行机械除冰和热力除冰的功能，保证在冰雪恶劣气候条件下的受电弓受流性能的稳定性。

图2 接触网除冰结构示意图

按以下要求制作出一个可安装在受电弓上臂杆上的支架。该支架附有托盘，托盘两边设置夹紧装置，能保证对放置于托盘内的板材进行夹紧。

支架与托盘示意图如图3。图3（a）为支架与托盘的左视图方向视图，图3（b）则为支架与托盘的主视图方向视图。

图3 支架与托盘示意图

支架底部用套筒卡扣连接于受电弓上臂杆之上。支架底部的两个套筒卡扣，须保证能在中心距为495～520 mm之间的左右两根上臂杆上连接紧固。连接架则用于固定支架。

图4 支架上的托盘

如图4，夹紧装置在托盘两侧均匀布置6个，以保证能对放入托盘内的金属板材进行夹紧。

2.1.4 受电弓副支架说明

（1）支架须采用30 mm圆柱金属管材料制作，底部采用套筒卡扣与受电弓左右两根上臂杆相连接。（上臂杆是直径45 mm的钢制金属管）

（2）支架与上部的托盘为整体结构，托盘为一长方体盒型结构（无上盖）。

（3）托盘尺寸参考图例制作，两侧须均匀布置夹紧工件（夹紧工件形式可自由选择，但要保证小巧且牢固，能对10～30 mm厚度的板材进行夹紧固定），整个托盘须保证能将一个尺寸为500×300×20 mm的长方体金属板材放入其中，并依靠两侧的夹紧工件进行固定。

（4）托盘最大承载载荷应满足15 kg，保证在满载状态下，整个支架托盘与受电弓上臂杆能连接可靠，牢固稳定。

（5）设备的整体外观须涂红色油漆。

2.2 加热控制部分

除冰装置外置加热板。加热板的加热控制电路将温度信号转化为电信号，设定在温度的变化超过一定界限时加热系统停止工作。此电路包含温度传感电路，电信号处理电路、温度控制检测电路。

具体方案如下：

2.2.1 控制箱选用电气元件

见表1。

表1 控制箱选用电气元件一览表

2.2.2 控制箱设计

图5 控制箱总体布置图

控制箱总体布置图如图5所示。

该电路要保证如下几点：

（1）保证材料的散热性能和热稳定性。

（2）保证电路具有良好的抗电磁干扰性能，也不能干扰其他各模块与工控机的通信。

为此在装置材料和电气元件的选择上需要满足如下几点：

（1）分别依据能实现的作用，实际效果、经济因素、环境因素、外观因素、散热性能因素等方面来进行装置材料和电气元件的选择。

（2）装置材料的选择要考虑强度、刚度和冲击韧性的性能。

（3）电气元件的选择要保证供电线路的合理布局，不易被损坏。

3 研究结论

本文采用机械设计原理和电路设计理论，运用机械构架（机械除冰）和温控装置（热力除冰）进行联合，可以有效的去除接触网上的覆冰、覆雪、冻雨等，且避免了上述的缺点，大大的增加了受电弓的使用寿命，提高运营的可靠性和安全性。

机械构架部分制作出一个可安装在受电弓上臂杆（左右两侧对称的两根圆柱形钢管）上的支架，来进行机械除冰工作。

加热控制部分通过温度传感器将温度信号转换为电信号。本方案中，在加热板内置三个加热传感器，取其平均值，完成温度信号采集。通过对温度采集信号进行温度判断，实现对加热板温度的智能控制。将温度板温度保持在约85℃～120℃之间。加热控制器可将加热板工作状态，传感器温度通过总线传送给车载系统，同时，车载系统可设定加热系统的加热范围，实现自动和手动加热模式切换、监控加热系统工作状态等功能。

该装置通过在实训室模拟仿真环境测试和段内试车线进行实际测试，均能有效去除覆冰，且不易产生拉弧现象。