雷瑛　李娜

摘 要：本文主要針對鐵路隧道拱頂在冬季時因滲水掛冰過長影響行車安全設(shè)計了光電磁控式的風(fēng)動打冰裝置。在現(xiàn)有鐵路隧道除冰機構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同機構(gòu)的優(yōu)缺點，對風(fēng)動打冰機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。將鐵路隧道主動除冰裝置重點放在對隧道內(nèi)冰柱監(jiān)測、判斷及控制方面。對于隧道內(nèi)冰柱的檢測，采用了紅外線光電開關(guān)，利用冰柱生成后對紅外線光電開關(guān)之間光信號的遮蔽，當(dāng)冰柱達到一定長度，觸發(fā)除冰機構(gòu)的動作;為了防止風(fēng)動除冰機構(gòu)在非冰掛時間或冰掛初期無害階段產(chǎn)生不必要的除冰動作，利用電磁聯(lián)動控制除冰機擺桿的擺動，降低機器的損耗，延長風(fēng)動除冰機的使用壽命，從而達到在正常季節(jié)和冬季無冰或冰掛較少時不啟動，冰掛延長危及行車安全時及時啟動除冰的目的。

關(guān)鍵詞：隧道除冰;紅外檢測;電磁控制

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

1 前言

我國的鐵路發(fā)展迅速，鐵路網(wǎng)四通八達，它的運力強，乘坐快捷。而為縮短距離和避免長大坡道等的鐵路隧道為其提供了堅實的基礎(chǔ)，但是，冬季溫度較低時，由于鐵路隧道的頂部容易滲透滴水，隧道的頂部常常有許多的冰掛。尤其是在北方，隧道列車駛?cè)胨淼纼?nèi)，大量的冷空氣順勢涌入，使洞口內(nèi)壁掛冰嚴(yán)重。當(dāng)洞口的掛冰持續(xù)增長觸及到頂部的接觸網(wǎng)時，會引起電路短路，導(dǎo)致承力索的燒毀，從而對鐵路運輸帶來極大的危害。

為消除冬季鐵路運輸在隧道內(nèi)的不安全因素，各方面專業(yè)人才研制了不同的除冰方法。最簡單原始的是人工除冰法，用人力敲打除冰，此法成本大、危險高;另一種方法是利用安裝在隧道頂部的除冰小車進行往復(fù)運動，用車上的橫桿擊冰除冰，但此除冰車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)建較多，日常運行容易發(fā)生故障;還有其他利用發(fā)熱元件在隧道頂部進行除冰的裝置，但其無法解決其從頂部融留下的積水。為了解決這一些列現(xiàn)實問題，本文通過紅外檢測結(jié)合磁電控制風(fēng)動打冰解決隧道拱頂結(jié)冰問題。

2 紅外線光電檢測裝置

鐵路隧道主動除冰重點在于對隧道內(nèi)冰柱監(jiān)測和判斷，當(dāng)冰柱達到一定長度，威脅到列車安全時，就需要采取措施，盡快將冰柱清除。除冰主要有兩個重要的環(huán)節(jié)，分別是檢測裝置和除冰機構(gòu)。

對于冰柱的監(jiān)測，可采用紅外線光電開關(guān)。紅外線光電開關(guān)按檢測方式可分為反射式、對射式和鏡面反射式三種類型。對射式檢測距離遠，可檢測半透明物體的密度（透光度）。反射式的工作距離被限定在光束的交點附近，以避免背景影響。鏡面反射式的反射距離較遠，適宜作遠距離檢測，也可檢測透明或半透明物體。對于鐵路隧道內(nèi)冰柱的檢測，可選擇對射式結(jié)構(gòu)，可以采取在鐵路隧道內(nèi)靠近頂端高于列車極限高度的位置在同一高度水平線成對左右布置紅外線光電開關(guān)的發(fā)射端和接收端。主要是利用冰柱生成后對紅外線光電開關(guān)之間光信號的遮蔽，引起紅外線光電開關(guān)狀態(tài)的改變，從而觸發(fā)除冰機構(gòu)的動作。

紅外線光電開關(guān)的重要功能是能夠處理光的強度變化。紅外線光電開關(guān)是由發(fā)射器、接收器和檢測電路三部分組成。發(fā)射器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于發(fā)光二極管（LED）和激光二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。受脈沖調(diào)制的光束輻射強度在發(fā)射中經(jīng)過多次選擇，朝著目標(biāo)不間接地運行。接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面的是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。當(dāng)紅外線光電開關(guān)發(fā)射端和接收端之間沒有障礙物阻擋光線時，接收端的輸出信號為高電平電壓，當(dāng)有障礙物遮蔽發(fā)射端和接收端之間的光線時，接收端輸出的信號為低電平電壓。由此可以借助兩種狀態(tài)電壓來判斷發(fā)射端和接收端之間有無障礙物。

冰柱屬于透明度較低的晶體，當(dāng)冰柱處于紅外線光電開關(guān)發(fā)射端和接收端之間時，由于其表面的不規(guī)則形，會引起光線的漫反射，使得接收端感受到的光強幾乎為零，紅外線光電開關(guān)輸出信號為低電平。紅外線光電檢測裝置的布局如圖1所示，其中1為發(fā)射端，2為接收端。

3 控除冰機構(gòu)

當(dāng)列車在鐵路隧道中高速通過時，待列車車身完全進入隧道，列車推動隧道中的空氣高速流動，形成形態(tài)逐漸穩(wěn)定的活塞風(fēng)?？梢岳没钊L(fēng)推動除冰桿擺動，擊碎去除形成的冰柱。除冰機構(gòu)布局如圖2所示，1為紅外線光電開關(guān)的發(fā)射端，2為接收端。中間倒T字形結(jié)構(gòu)為除冰擺桿機構(gòu)。

為了保證擺桿的自由擺動，擺桿和固定桿之間通過連接環(huán)進行連接。如果單純依靠鐵路隧道中的活塞風(fēng)推動擺桿工作除冰，會使得擺桿在不必要的時候也會擺動，會導(dǎo)致連接環(huán)的機械磨損增加，使用壽命減少。

為了減少機械磨損，構(gòu)建了圖3所示的除冰擺桿機械結(jié)構(gòu)。

其中，1為電磁器，2為彈簧，3為金屬套筒，4為連接環(huán)，5為除冰擺桿。主要工作流程為，當(dāng)冰柱生成，紅外線光電開關(guān)發(fā)射端和接收端被冰柱阻擋，接收端可以接收不到發(fā)射端發(fā)出的紅外光線時，接收端輸出低電平，利用此控制信號控制電路持續(xù)為電磁器1供電電路供電，電磁器磁力吸引金屬套筒3，金屬套筒3在克服壓縮彈簧2的向下的推力，上移，使得連接環(huán)4處于金屬套筒結(jié)構(gòu)之外，T型擺桿可以自由擺動，在鐵路隧道活塞風(fēng)推動下擺動除冰。

當(dāng)紅外線光電開關(guān)發(fā)射端和接收端之間沒有冰柱遮擋時，接收端輸出高電平，利用高電平信號控制電路斷開為電磁器1供電的線路，使得電磁器失電。此時，金屬套筒3在壓縮彈簧的推力作用下，下移，將連接環(huán)4及除冰桿的一部分套住，由于金屬套筒的限制作用，倒T字型擺桿無法擺動，減少了不必要的摩擦，延長了除冰機構(gòu)的壽命。

為了減少倒T字型擺桿對紅外線光電開關(guān)發(fā)射和接受端光線的干擾，空間布局時應(yīng)使兩者在空間異面，只檢測倒T字型擺桿旁邊位置是否有冰柱產(chǎn)生。

4 應(yīng)用前景

鐵路隧道拱頂除冰現(xiàn)階段的各種方式存在成本高、難度大、效果差和機構(gòu)壽命較短的問題。而本文研究設(shè)計的紅外光電檢測磁控式風(fēng)動除冰裝置，改進了風(fēng)動除冰機構(gòu)借用列車通過時風(fēng)壓打冰不確定性擺動，使風(fēng)動打冰擺桿在冰掛達到臨界時進行打冰行為，既有效的進行了隧道除冰同時還增加了除冰器的壽命。最大程度上節(jié)約了能源，延長了除冰裝置的使用壽命從而使鐵路隧道除冰這一難題在技術(shù)層面更進一步。

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作者簡介：雷瑛（1980-），女，陜西渭南人，研究生，講師，教師，研究方向：機械工程材料、機械設(shè)計。