钢轨表面结冰积雪分步处理装置设计

周佳欣，程仟禧，吴嘉琦，袁嘉鑫

（华东交通大学机电与车辆工程学院，南昌 330013）

0 引言

近年来，随着我国经济快速发展，人们的出行方式发生了巨大改变。在众多出行方式中，铁路运输具有高速、运力大、单位成本低和污染小等特点，是大宗商品运输最有效、最直接的运输渠道之一。但由于铁路发展产生的巨大溢出效应，极端天气下使得轨面堆积冰雪的清理任务加大[1-3]。

在恶劣天气的影响下，电气化铁路多次被迫停运，制约了铁路运力的发挥，对社会经济发展和人们的正常出行都造成了很大影响。如遇暴雪天气，未及时清理轨面积雪，会导致异物侵入限界，阻碍列车运行，轨道的绝缘性也会受到影响，从而影响运行信号[4]。道岔处积雪过多会导致道岔失灵，影响股道切换，轻则降低运行效率，重则会引起重大的交通事故[5]。除此之外，在冬季，高速动车组列车车底冰块由于温度升高而融化，融化后形成的冰柱在列车高速运行的状态下会将地面应答器打坏，造成车载列控系统因接收不到地面应答器数据而停车[6]。因此，钢轨表面积雪的处理在铁路运输中至关重要[7-8]。

目前对轨面冰雪的清理方式较为单一，通常采用扁铲清除，但扁铲不能彻底清除尖轨与滑床板、尖轨与基本轨之间的积冰（冰雪混合），工作效率低下并且效果不太理想。而市面上的除雪机器通常是利用吹风和喷火装置两套系统，虽然能在短时间内除雪、融冰，使道岔恢复正常，但是高温喷火会导致钢轨发蓝甚至灼伤，对钢轨造成一定的损伤[9-12]。为克服人工除雪效率低下和防止机器除雪损伤钢轨等缺点，满足多种环境下的工况需求，需要设计出一款能够提高除雪、融冰作业效率并且不损伤钢轨的除雪装置。

1 结构设计

本装置结构利用Pro/E建立各零件的几何模型并对零件进行装配。本装置主要由短波红外加热装置、冰渣清扫装置、纤维块初次吸水装置、纤维块二次吸水装置、热对流表面蒸发装置和热流循环装置组成，如图1、图2所示。

图1 总装配工作图

图2 总装备整体图

本装置悬挂在除雪车车底折叠机构上，并通过定位装置精准定位到钢轨表面，车底折叠机构及本装置位置如图3所示。

图3 车底折叠机构

1.1 短波红外加热装置、冰渣清扫装置

短波红外加热装置、冰渣清扫装置通过螺栓连接在框架上，如图4、图5所示。短波红外装置可将红外辐射转化为热量对装置进行加热，并能够控制加热区域和加热时间。利用短波红外加热的特点，可实现在不接触钢轨的情况下，对钢轨表面的积雪及凝结在钢轨表面上的冰壳进行加热融化，使其达到冰水混合物的状态。如图5所示，冰渣清扫装置利用其结构特点可将冰水混合物中的冰渣扫下钢轨表面，为后续融冰除雪工作做好准备。

图4 短波红外加热装置

图5 冰渣清扫装置

1.2 纤维块初次吸水装置、纤维块二次吸水装置

纤维块初次吸水装置和纤维块二次吸水装置依次通过不同刚度的小刚度弹簧、大刚度弹簧连接在框架上，如图6所示，框架上还设有可容纳所述小刚度弹簧、大刚度弹簧滑动配合的滑槽。

图6 木纤维块吸水装置

纤维块初次吸水装置和纤维块二次吸水装置主要由木纤维组成。纤维块初次吸水装置安装在冰渣清扫装置之后，该装置工作时通过吸收钢轨表面上的大部分水珠来达到清理钢轨表面结冰积雪的目的。纤维块二次吸水装置安装在装置最后部，与钢轨轨面之间的接触压力大于木纤维块初次吸水装置与钢轨轨面之间的接触压力，可进一步吸收钢轨表面残留下来的水痕和水珠，改善处理效果。

1.3 热对流表面蒸发装置、热流循环装置

热对流表面蒸发装置安装在木纤维块吸水装置后方，结构如图7所示，通过其内部的风扇向钢轨表面鼓吹热空气，带走钢轨表面的水蒸气并防止钢轨表面水蒸气再次冷凝；热对流表面蒸发装置前后两侧还设有辅热装置，其作用是减小被加热区域附近的钢轨由于温度变化而产生的内应力。热流循环装置，结构如图8所示，其作用是使钢轨表面的热气流循环并回到风扇处，且装置中的冷凝管和冷凝板可将热空气冷凝并将冷凝下来的水珠导向远离钢轨一侧。

图7 热对流表面蒸发装置

图8 热流循环装置

2 工作过程及工况分析

钢轨表面结冰积雪分步处理装置由2根液压杆与车体连接安装在铁道工程车辆底部。在铁道工程车辆行进过程中，安装在框架前端的短波红外加热装置首先接触到堆积在钢轨表面的积雪及凝结在钢轨表面的冰壳，并对其进行加热，使其达到冰水混合物的状态。在短波红外装置后端设有冰渣清扫装置，若短波红外装置无法实时将冰渣转化为冰水状态，轨面冰渣清扫装置可将冰渣扫下钢轨表面，为后续的木纤维块初次吸水做好准备。安装在冰渣清扫装置后的木纤维块初次吸水装置，与钢轨表面之间有一定的接触压力，可以吸收存留在钢轨表面的大部分水珠，并且在其上方有干燥热空气对木纤维块顶部进行持续烘干，利用木纤维块的毛细现象形成木纤维块底部与顶部的通道，使木纤维块可以持续吸水而不接近木纤维块的吸水饱和度。安装在木纤维块吸水装置后的热对流表面蒸发装置可以通过其内部的风扇将电加热器产生的热空气吹向钢轨表面；钢轨表面的热气流可以将钢轨表面的水膜迅速蒸发并带走水蒸气，防止钢轨表面水蒸气再次冷凝；通过钢轨表面的热气流可以进入热流循环装置循环并回到风扇处，热流循环装置中的冷凝管和冷凝板将热空气中冷凝，并将冷凝下来的水珠导向远离钢轨一侧。安装在装置最后部的纤维块二次吸水装置与钢轨的轨面之间的接触压力大于木纤维块初次吸水装置与钢轨的轨面之间的接触压力，纤维块二次吸水装置可以吸收热对流表面蒸发装置处理后，极少量残留的水痕和少量不可避免的冷凝下来的水珠，进一步改善处理效果。

依据我国铁路网的分布，在东北及西藏等区域的极端气温会在0～-45 ℃范围内，由于本装置除利用短波红外装置融冰外，还设有热对流表面蒸发装置进行融冰，并利用热气流融化钢轨表面的冰层达到清理的效果。此加热装置的主要发热部件为恒温的可变功率发热部件，发热器通过电路元件在一定范围内改变自身的功率来适应不同的工作状况，当热气流流过钢轨表面的时候，温度可以达到110 ℃以上，局部可达到130 ℃以上，完全满足将冰融化的条件，并可将表面冰层融化形成的积水汽化，不会破坏钢轨的表面结构。本装置适合在恶劣天气情况下工作，可保证车辆的正常运行。

另外，本装置安装在除雪车底部，处理钢轨表面结冰积雪时，利用短波红外加热装置进行初步除雪融冰，并且能在有限的时间内进行除冰。假定钢轨表冰的厚度为1 cm，除雪车车速为5 km/h，则除雪车通过1 m所需要的时间为0.72 s，钢轨表面结冰体积为5.1 dm3，则融化该体积的冰所需的热量为1530 kJ。本除雪车通过1 m的区域长度产生的热量为2000 kJ，大于钢轨表面结冰融化所需热量，即可达到融冰效果。此外，该装置前后方均有安装检测装置，若发现冰未融化，可由司机实时降低车速，也可达到完全除冰的目的。

3 结构创新

1）设计新颖追求实用。对钢轨表面的积雪结冰进行分步骤处理，既可以提升除冰除雪的效率，优化处理效果，又可以避免除冰除雪过程中装置对钢轨造成损伤，减少人工作业量，改善作业环境。

2）作业方式节能环保。在热对流表面蒸发过程中采用热流循环装置循环利用被加热过的气流，减小了作业过程中的能量损耗。

3）结构紧凑便于安装。可通过2根液压杆与铁路作业车辆的车体相连接，安装简单，连接方便可靠。

4 结语

通过查阅相关资料，简要概括了现阶段国内所使用的钢轨表面结冰积雪处理技术，提出了该技术存在的不足，并在此基础上加以完善。对不同天气条件下钢轨表面不同的结冰积雪程度进行分析，设计出本款具有红外融冰雪、热对流表面蒸发和木纤维吸附功能的钢轨表面结冰积雪分步处理装置。这种钢轨表面结冰积雪分步处理装置，自框架的前端到后端的方向上依次设置短波红外加热装置、冰渣清扫装置、木纤维块初次吸水装置、热对流表面蒸发装置和纤维块二次吸水装置。本装置结构主要按照现阶段铁路在恶劣天气情况下，对钢轨表面的结冰积雪进行清除，并且不损伤钢轨表面，可保证车辆在恶劣条件下的正常运行。