一种整合发光单元的除冰样机设计与应用

李洪磊 邢挺 王志伟 唐金胜 肖秘

（1.中国铁路青藏集团有限公司，西宁 810007；2.格尔木敦朴太阳能利用研究所，青海格尔木 816000）

高原铁路的部分隧道由于地质结构或施工质量原因，存在顶部渗漏水现象，一到冬季水滴就会加速凝结，形成冰柱在隧道顶部生长，这种现象称为隧道挂冰［1-2］。随着水滴的不断渗出，冰柱越来越长，与下部接触网的距离越来越近，极易造成短路，导致铁路运输的中断［3］。此外，当这些冰柱的体积增长到一定程度后，冰柱受到行车影响容易跌落下来，与来往行车发生撞击，这会对隧道内设施及行车安全造成极大威胁［4］。

近年来，铁路设施维护单位为了减少隧道结冰对列车安全运行的影响，开始尝试采取电加热方法防止结冰。电加热方法需要将发热元件固定到隧道顶部渗漏点附近，存在易坠落、难检修等缺陷［5］。高原铁路隧道环境恶劣，经过多年的运行隧道壁早已风蚀，难以牢固加热装置。若装置脱落造成接触网断裂，还会给高原铁路供电带来更大的安全事故。因此，高原铁路维护现已较少采用电加热方法。

相比于公路隧道的除冰，铁路隧道更注重隧道接触网附近的顶部和洞口的除冰［6］。现阶段隧道工务维护和电力维护普遍采用传统的人工凿冰方式进行除冰。隧道内人工凿冰作业难度较大，原因为：①结冰位置通常在6 ～8 m高的隧道顶部，作业人员往往难以触及；②结冰部位下面一般为高压电力接触网，除冰往往需要在行车线路上进行，因此人工凿冰触电的危险性极大；③隧道内作业面狭小，采用梯子、长杆等工具对行车及行人都存在安全隐患；④人工凿冰容易对铁路设施造成机械性破坏，影响列车的正常运行；⑤目前隧道运营车流密度普遍很大，要长时间高频次申请天窗点会影响线路的正常调度，难以实现。因此，高原隧道除冰成为现场维护作业中亟待解决的棘手问题［7-8］。

为了保证电气化铁路安全，各维护单位在冬季隧道除冰工作上投入大量的人力与物力，但就目前来看效果不太理想，因隧道顶部结冰造成的接触网供电故障或碰撞事故时有发生。本文通过分析铁路隧道现有除冰方式的不足，提出通过点光源照射进行非接触式加热除冰的新思路，并设计了一种整合发光单元的除冰样机。

1 技术路线

根据对现有技术的分析，除了人工凿冰，通过加热使冰柱融化最为简便。若采用非接触的方式远距离加热融化冰柱，须采用某种射线或光束将能量投射到冰柱表面，使其温度升高后逐渐融化，并通过进一步持续照射渗水区域隧道壁面，让其保持在0 ℃以上［9］。如果能够设计出这样的除冰样机，便可安全有效地解决隧道顶部结冰问题。

1.1 射线或光束的筛选

不论距离还是强度，激光都能达到要求，但是成本太高，操作安全性也难以保障。微波辐射能量大、定向性好且容易控制，但试验时发现微波容易泄露，对人体危害较大［10］。常用红外光源的热密度虽然较高，但发热源尺寸太大，聚集成平行光束的难度也很大，而且随着投射距离增大照射强度迅速下降，无法达到除冰要求。经过综合比选，最终选用了一种点光源灯泡。这种灯泡的电弧尺寸只有1.2 mm，近似于点光源的光束，是较为理想的光源发射元件。该灯泡的性能参数见表1。

表1 点光源灯泡的性能参数

点光源灯泡所发光的光谱与自然界中太阳光的光谱非常相似，说明该光源的辐射能量可以达到安全融冰的要求。一般太阳光的辐照度是1000 W/m2，如果该光源通过镜头组调焦发光，将投射到冰层表面上的辐照度调控到同样数值，不仅能将冰柱融化，而且不会因温度过高而影响隧道表面和其他铁路设施。

1.2 光学镜头的筛选

经过试验，如果将单个点光源灯泡聚焦形成的光束投射到6 ～8 m 处，形成直径0.6 m 的投射圆面时，该光源的辐照度就接近太阳光的辐照度。采用一种可实现内部调焦的光学镜头组即可满足这一要求。合理设置镜头组的光焦度和组合焦距，镜头组通过3个镜头能够实现内部平稳调焦。其性能参数见表2。镜面材料为k9光学玻璃，3个镜头安装在直径134 mm、长50 mm的圆柱形筒体内，形成整体的镜头组。

表2 镜头组的性能参数

1.3 发光单元的构成

发光单元由一套光源发射元件（包括配套的控制模块和点灯器）、光学镜头组及调焦机构组成，见图1。发光单元是除冰样机的核心。如果将更多发光单元整合到一起就能构成功率更强的除冰样机，可应用于铁路隧道、公路隧道等不同场合。

图1 发光单元的构成

2 除冰样机的设计

2.1 设计要求

除冰样机安装在隧道内，由于安装位置和线路管理的特殊性，须满足：①由于隧道内空间狭小，设备结构尺寸需要最大程度优化与缩小；②光束投射方向须在2个维度上可调，扫描覆盖面积须尽可能大；③设备安全可靠，整体稳定性好，有防倾倒措施；④设备裸露部件要尽可能少，并消除部件跌落的可能性；⑤可远程控制，无需人工直接操作。

2.2 外形设计

受隧道内空间限制，除冰样机只能安装在人行道地面靠近洞壁侧。为了不影响行人，侧向尺寸要尽可能小，而长度则可以适当延伸。为确保设备支撑稳定，高度也不宜太高。除冰样机外观布局见图2。经多次优化调整，外形尺寸确定为1200 mm（长）×300 mm（宽）×1160 mm（高）。

图2 除冰样机外观布局

2.3 连接设计

根据隧道现场情况，将除冰样机10个发光单元分成上下2排。每排组装成一个整体，称作上发射器组、下发射器组。上发射器组、下发射器组的俯仰角活动范围均为0°～90°。多个发光单元整合到一起的优点是：辐射能量可以分级叠加满足不同应用需求；通风模块、电源模块、控制模块等同时共用一套辅助系统。

通过二次调焦机构，除冰样机可以任意调节每个光束的投射角度，从而形成不同投射面积和形状。对普通渗漏点可实现完全覆盖。

左右水平移动是通过将样机安装在导轨上实现，移动距离可根据现场情况而定，目前设计值为4 m。

2.4 结构设计

除冰样机主要由上发射器组、下发射器组、左立柱、右立柱和下部机箱五部分组成。发射器组边框、立柱与机箱上部均为空心密封结构，相互连通。将元件、机箱和线槽集于一体，同时起到固定和通风功能。俯仰传动机构设于左右立柱内，水平传动机构设在机箱右下部。控制模块的元件设在机箱中部。风机安装在机箱左下部，风机出口与机箱上部的风道连通。风道的出风嘴在发射器组边框的内侧，总共10 组，每组2 个，分别直对光源灯泡的内侧和外侧。采用连续直吹的降温方式保证和延长了灯泡的使用寿命。

2.5 机械传动

马达采用220 V 同步正逆转微型电机。传动部分的俯仰运动通过螺杆装置实现，精度高，传动平稳；水平运动通过蜗轮蜗杆装置实现，扭矩大，空间利用合理。

2.6 控制模块

在发射器组边框外装有2 个远程红外温度传感器，用于远距离检测隧道壁面扫描区域的温度。控制模块根据隧道表面结冰区域的温度扫描结果，判断结冰情况，并自动调整发射器组的投射方向和投入数量。如果温度不高于0 ℃装置开启，若温度高于0 ℃则装置关闭。

为了避免强光对通过的列车产生视觉干扰，列车通过时除冰样机须自动关闭，列车通过后装置自动开启，该判断功能由安装在其内部的2 个声音传感器完成。控制模块选用GM203控制器，满足控制和通信所需要的所有功能。远程终端在操作员手机或监控电脑上实现。

3 试验结果

3.1 室内试验

发光单元的试验分2 组，第1 组是在室内的辐照度试验，第2组是冰块的融冰效果试验。

1）辐照度试验

在8 m 远处的投射靶面（墙）上，分别画出直径0.3，0.6，0.9，1.2 m 的圆环（参见图1），在圆心和4 个象限点处分别检测辐照度。该试验采用MR-5 型热辐射计，其主要性能参数见表3。

表3 热辐射计的主要性能参数

将发光单元的光源光束投射到8 m 处的墙壁上，调整聚焦使圆环直径为0.6 ～1.2 m，发光单元运转正常后测得辐照度在180 ～775 W/m2，见表4。象限点的位置参见图1。

表4 不同圆环直径时圆心和象限点的辐照度

在试验室内的墙壁上预先画好直径为0.6 m 的圆环，1 h后圆环内墙壁表面温度达到45 ℃。

2）冰块融化试验

将预先冻结的直径30 mm、厚50 mm 的冰块固定在圆环处，经光源光束照射1 h后冰块全部融化跌落。

以上2 组试验表明发光单元用于除冰是可行的。除冰样机只需根据各隧道现场实际情况，将一定数量的发光单元整合到一起，再增加必要的辅助功能，就能完成各隧道中的除冰任务。

3.2 现场试验

现场试验用的除冰样机含有10个发光单元，分为上下2 排。制作完成后除冰样机被安装在检修车上，在青藏铁路隧道内4 个结冰点进行了除冰试验（图3）。光束对准后隧道内的冰柱从10 min 起开始融化，在30 min 内所有冰面和冰柱全部消融，效果非常理想。

图3 现场试验

4 结论

1）基于远距离、非接触的设计理念设计了隧道用除冰样机。通过高能光束远程照射进行可控除冰，不管结冰位置处于隧道何处，光束均可以直接到达，除冰位置无死角。

2）除冰样机作业时隧道内无需停车停电，对隧道内运行的车辆、设备、人员均无任何影响，达到了安全要求。

3）现场试验的冰柱可在30 min 内全部消融，除冰效率较高。通过二次调焦可获得更高温度，除冰样机还可用于其他任务。

4）目前设计的不足之处在于除冰样机略显笨重，后续将结合应用情况对其进一步优化。