高速铁路道岔融雪装置的工作原理与应用

田 宇，肖培龙，卢 哲

0 引言

铁路站场道岔是车站运输设备的重要组成部分，对道岔的技术状态要求很严格，当尖轨尖端与基本轨有4 mm以上的间隙时，不能锁闭进路和开放信号。在寒冷地区冬季降雪天气里，如果铁路道岔除雪不及时，道岔内积雪或结冰，导致道岔尖轨尖端与基本轨无法可靠密贴，直接影响车站列车接发作业和调车作业的正常进行，严重时可造成铁路运输中断。随着国内客运专线和高速铁路的快速发展，严寒地区冬季道岔融雪问题成为影响高速列车安全正常运行的关键。

根据严寒地区的气候特点和高速铁路的实际要求，道岔融雪设备不仅要实现道岔的快速融雪，达到良好的融雪效果，在抗震性、设备安装的牢固性以及综合布线方面也要满足相关技术标准。

1 国内外道岔融雪装置的现状

1.1 国外道岔融雪装置

国外道岔融雪方式主要有电热式、燃气加热式、压缩空气式、喷灯式、温水喷射式等加热方式。总体而言，可实现全自动遥控的，利用安装在道岔基本轨轨腰或轨底上部、或安装在滑床板上的加热条（棒）或加热管的加热道岔化雪方式，已成为铁路道岔融雪设备的主流。

WOLFF GmbH公司（沃尔夫公司）是专业生产道岔电加热融雪系统的德国公司。加热元件采用瑞士伊莱克斯公司产品，道岔加热融雪系统的加热元件可以承受极端恶劣的铁路工作环境，如连续、剧烈的铁轨震动，冰水、积雪、除草剂、柴油、润滑油、草酸和融雪剂等的侵蚀，同时，系统还配以自动控制系统，通过采集铁轨温度、空气温度及湿度和积雪3个传感器的信号，控制道岔加热系统的工作，并可通过光缆实现远程集中监控，动态监测环境温度及湿度、铁轨温度、降雪状态和加热融雪系统的工作状态等参数。适应现代铁路高速、安全、高度自动化等要求，但引进价格相对较高。

1.2 国内道岔融雪装置

国内在铁路道岔融雪设备的开发和应用起步较晚，到20世纪90年代，冬季道岔除雪基本是靠人工清扫方式，在人员投入和管理成本上消耗巨大。1996年开始，国内一些企业就开始考虑利用融雪设备进行除雪，并开始了融雪设备的研制。

国内融雪系统主要有2种安装方式：一种是产品预装在滑床板内，另一种是加热元件固定在基本轨上。加热元件装在滑床板内不能在道岔尖轨整个长度上实现有效加热融雪，特别是枕木间尖轨的积雪会残留较长时间。滑床板结构加热元件若损坏，更换困难，费时费力。加热元件固定在基本轨上的加热方式安装、更换方便，能提高融雪效率，为国家节省电力能源。但是加热元件全部由国外进口。这样会导致加工周期长，成本高。

电热式元件的出现使融雪效率得到了很大提高，它利用安装在道岔基本轨轨腰或轨底上部或安装在滑床板上的加热条（棒）或加热管，加热道岔化雪，可实现全自动遥控。人员不必到达现场，设备通过感应外界温度、湿度等信息就可以自动控制加热与否。从人力和管理上大大节约了成本，因此它成为目前广泛认可的加热方式。

2 道岔融雪系统的工作原理

2.1 总体结构

道岔电加热融雪系统总体结构一般分为远程监控、车站控制终端、室外控制柜三级控制系统，由远程监控车站中心的控制终端、各车站安装的车站计算机终端、室外控制柜、环境检测装置、轨温传感装置、隔离变压器、接线盒、电加热元件、电力电缆和信息通道等构成，具有手动、自动和远程控制3种方式，可以适合不同环境和不同的使用需求。所有室外控制柜和车站控制室通过CAN总线组成监控网络，各车站通过以太网实现远程通信。

2.2 工作原理

降雪时，系统进入加热状态的情况。雪在传感器的表面融化成水，传感器检测到模拟量变化，将数据发送给主控制模块，并且将温度和湿度数据发送给主控制模块，主控制模块根据用户设置的温度门限值判断下雪状态温度是否满足融雪条件，如果满足则进入加热状态。

不下雪时系统进入加热状态的情况。当环境温度较低，空气湿度很大时，有些地方可能会出现钢轨结霜或者冻雨现象，此时，道岔也需要加热。用户可根据当地的实际情况设置启动加热的温湿度门限，系统将根据门限自动进入加热状态。

加热过程，轨温应保持恒定温度。当系统进入加热过程，轨温传感器将钢轨温度的实时数据发送给主控制模块，主控制模块根据用户的设置接通或断开加热回路，使钢轨维持在可以融雪的温度范围，以达到节能效果。

降雪结束后系统延时加热。降雪结束后钢轨上的积雪不会立刻融化，设置停雪后的加热延时时间，系统将自动判断并且按照设置的延时时间进行延时加热。

雪停后检测钢轨上积雪。雪停后系统进入停止加热状态，当钢轨上传感器检测到有雪时，重新进入加热状态，按照设定的延时时间进行延时加热。

3 需要研究解决的问题

高速道岔是高速铁路轨道结构的重要组成部分，其机构与状态对列车运行的安全性、平稳性、旅客的舒适性具有重要的影响。电加热元件是道岔融雪系统的关键部件，直接关系到融雪效果和能源消耗，加热元件设计中最重要的就是如何提高加热效率和速率，在岔尖和钩锁部位加热时，如何提高辐射效率是加热元件设计的关键。

道岔电加热融雪方式是将电加热元件安装在道岔需要加热融雪的部位或其附近，通过电加热元件将电能转化成热能，传递给道岔需要融雪的部位，使之温度提高以融化积雪。另外，岔尖和基本轨的间隙也是融雪的关键部位。由于加热元件和道岔钢轨均由金属构成，因此，热量传递过程中的热传导方式起了主要作用，但是，在融化岔尖和基本轨间隙中的积雪时，辐射起主要作用，提高热辐射效率是目前研究的主要内容。

远红外技术在其他领域已表现出其明显的热辐射效果。经实验，远红外技术应用于加热线，也极大地提高了加热线的热辐射效果。热辐射效率的提高，使得岔尖与基本轨的间隙处的积雪融化时间减少，从而达到节能的目的。在热传导方式中，热阻决定了热传导过程中热量传递的速率，减小热阻可以缩短对钢轨加热的时间。提高热传导效果的主要因素有以下方面。

3.1 增大加热元件与道岔加热部位的接触面积

增大加热元件和加热部位接触面积也就是增大了热传导通道的截面积，可以提高加热元件和道岔加热部位间热传导的速率，缩短融雪部位达到融雪温度的时间，节约电能消耗。

3.2 选用传导系数较高的材料

选用传导系数较高的材料制作加热元件，有效提高加热元件与道岔热传导速率。

3.3 提高加热元件与加热部位的密贴程度

加热元件与加热部位的密贴程度取决于元件与加热部位的距离和加热面积，距离越近，接触面积越大，热传导速率越高。

3.4 减小安装位置与加热部位的距离

加热元件安装位置与道岔需要加热部位距离关系到热传导的距离和热辐射的距离，距离越小，热损耗越小。

3.5 减小加热元件热损耗

减小加热元件热量损失可以提高加热元件的热传导效率，节约电能损耗。

4 现有装置改进措施

4.1 加热线采用远红外陶瓷喷涂层

道岔融雪主要作用是融掉岔尖与基本轨间隙的积雪，防止滑床板结冰。采用远红外陶瓷喷涂技术，使加热线上的热量除了传导到钢轨上以外，还能够最大限度地辐射到岔尖和钢轨的缝隙处，使得尖轨和基本轨之间的夹雪迅速融化，以解决尖轨和基本轨间不能可靠锁闭的问题。

4.2 岔尖固定方式

岔尖部分是融雪的关键部位，由于有些道岔安装质量不佳，导致岔尖密贴基本轨后，底部与滑床板间有间隙，当火车通过时，会出现上下方向的剪切力，使得基本轨上固定的线卡长期受到该力影响，最终导致线卡被切断。如采用盖板压住加热线，并将其首尾两端直接固定，即可去除岔尖周围的固定卡具，以免被切断。

4.3 增加对不下雪天积雪的判断功能

在国内低温寒冷地区冬季雪后积雪会长时间存在，当风速较大时，道岔附近的积雪会卷入岔尖和基本轨中间，在钢轨上安装检测积雪的传感器，即可准确判断加热启动条件，自动启动加热功能，并按照设定时间进行延时加热。

4.4 轨温传感器采用热备冗余设计

系统配备2套钢轨温度传感器，一套为正常工作的主传感器，另一套为处于热备状态的从传感器。当主传感器发生故障时，系统自动切换至从传感器，系统工作不会受到任何影响。

5 应用实例

由北京电铁通信信号勘测设计院、北京铁安通科技发展有限公司共同研发的DCR-2000型道岔电加热融雪系统自 2007年开始在李七庄车站 12#道岔安装试用至今，已经历了3个冬季降雪的考验，在各种气候条件下都能实现“开机15 min内，道岔各部位开始融雪，道岔内无积雪、无结冰”，未发生部件松动、脱落现象。

李七庄车站12#道岔是50 kg/m钢轨，在融雪方面的要求与高速铁路道岔相同，都要求在道岔尖轨滑床板、可动心轨滑床板、可动心顶铁处和道岔转辙机外锁闭处实现融雪。道岔电加热融雪系统在道岔上述部位安装了独特设计的加热元件，解决了这几个部位的融雪问题，保证了12#道岔的正常工作。适应严寒地区铁路道岔融雪的要求。系统各部件在防振、工作稳定性、安装方式、融雪效果等方面均能满足高速铁路的要求。

6 结束语

高速铁路的快速发展对北方冬天冰雪天气的行车安全提出了很高的要求，高速铁路不同于公路，不能在轨道上撒盐融雪，否则会对钢轨造成损坏，而传统的人工清扫道岔积雪从人工成本、安全性以及时效性都已不能满足要求。在道岔上加装融雪系统就是最好的解决办法，由于其具有加热和远程操作功能，在出现大雪冰冻时，可远程启动安装在各道岔上的加热条，使冰雪迅速融化，以有效解决铁路线因大雪冰冻引起的道岔不能转换问题。