CN103457226B - 气动旋转除冰装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动旋转除冰装置，解决了目前国内外还没有行之有效的铁路接触网除冰雪方法或设备，无法满足当下铁路维护的需求问题。该气动旋转除冰装置，其特征在于，包括双H型缓冲台架，上端与双H型缓冲台架下表面连接并用于抬升双H型缓冲台架的伺服抬升装置（1），设置在双H型缓冲台架上表面上的复合式除冰刷，为所述气动旋转除冰装置运行提供动力的动力系统，以及用于控制伺服抬升装置（1）和复合式除冰刷的控制系统。其中，所述复合式除冰刷包括旋转敲击头（2）、旋转钢刷（3）、旋转尼龙刷（4）中任意一种或任意多种。本发明除冰时间短，效果显著，能应对绝大部分覆冰灾害。

Description

气动旋转除冰装置

技术领域

本发明涉及一种气动旋转除冰装置。

背景技术

接触网是电气化铁路的重要组成部分，是一种特殊的输电线，架设在铁路上方，机车受电弓与其摩擦受电，为电力机车提供电能。接触网随铁轨呈线状分布，随着电气化铁路的不断延伸，接触网的长度在不断增长。进入新世纪，我国的电气化铁路得到了极大的发展，铁路通车里程已经跃居世界第二位。

接触网的外部环境非常恶劣，很多地方是人迹罕至，常年遭受风吹日晒，因此对接触网的可靠性要求非常的高。随着国民经济的迅速发展，电气化铁路已经成为国民经济发展的命脉，维护电气化铁路安全运行，显得日益重要。

接触网覆冰是电气化铁路比较常见的自然灾害，其主要发生在初冬和初春季节，相较于其它的灾害而言，接触网覆冰具有受灾面积广、危害比较大、抢修难度大的特点。而我国冬季受到寒流影响较大，经常出现大面积、大幅度降温、降水，并且持续时间长，非常容易导致接触网覆冰。由于大地区的气象条件相似，因此，一旦发生覆冰事件，则受灾面积很可能蔓延到整个地区，此时，铁路运输会受到大范围的影响，甚至停运。

近年来，由于受全球变暖的影响，极端气候频繁出现，接触网覆冰灾害频现，趋于严重，电气化铁路如何应对接触网覆冰带来的危害，已经成为一个就非常重要课题。

接触网覆冰主要受气候影响，冰害事故主要发生时往往气候恶劣，交通不便，抢修比较困难。接触网覆冰主要危害有：绝缘子串覆冰过多，引起绝缘子串电气性能降低、泄漏距离缩短，造成绝缘网络，甚至绝缘子串被击穿；

接触网覆冰除了上述危害以外，还会使接触网产生拉弧现象，使接触线与受电弓磨损加大，导致接触网严重破坏，而且，接触网覆冰经常造成电力机车取流困难，造成铁路运输停运，使灾害进一步扩大。

国内对接触网覆冰问题还处于研究阶段，还没有比较成熟有效的方法。由于我国的电气化铁路普遍是运输大动脉，客运、货运繁忙，日停运时间短，在有限的停运时间内，有限的覆冰对电气化铁路影响比较小。随着我国电气化铁路的迅速发展，接触网的不断延伸，接触网覆冰时有发生，特别2008年雪灾以后接触网覆冰得到重视。现有技术中，国内外比较常见的除冰方法有以下几种：

1、人工消除方法。该方法是目前国内架空输电线和接触网普通采用的除冰方法，其主要是通过人工敲击和/或机车上安装铜质弓头冲击作业等简陋措施去除冰雪，该方式最为简单，也是最早的除冰方法；但是，需要占用大量人力物力，消耗时间长，除冰效率低，除冰效果也欠佳，除冰后经常再次出现覆冰，且具有一定危险性。而且，出现覆冰现象时，往往环境条件较恶劣，人工除冰就变得极为不便。

2、接触网热滑方法。在运营前通过线路巡视人员观察接触网的覆冰情况，判断覆冰的严重程度，若覆冰达到需要除冰的警戒值，则启动除冰，机车通过受电弓从网上取电，以惰行的方式使电弓与接触线摩擦，消除覆冰。此方法对接触网有一定损害，不能完全消除覆冰，且并不适用于偏远的山区。

3、阻性丝加热除冰方法。法国阿尔斯通、日本日立公司利用内置绝缘电阻丝接触线的特性开发了接触网除冰系统(引接电源至电源盘，从电源盘接至接触线内加热丝，在覆冰区段末端连通加热丝与接触网线的铜接触面，并通过铜接触面流回电源，形成回路)，并应用于日本、法国、韩国、英国的铁路系统及中国的哈大线、哈尔滨地铁中。虽然该工程采用的接触网除冰方案理论上可以达到除冰的目的，但该除冰霜装置在清除效果、清除效率上还远不够好，在对大长线下如何根据气象条件、覆冰厚度以及融冰电流和融冰时间等方面还缺少成功应用经验及相应的规程规范，对于既有线特别是已建成的高速铁路接触网来说这种方式不适用。尤其是在我国哈大线，特别是南方冻雨地段，经常出现因接触网结冰而降速运行的动车组，严重的直接导致列车停运。

综上所述，目前国内外还没有出现行之有效的铁路接触网除冰雪方法，因此，设计开发出完善的接触网除冰雪产品，已经成为本领域一个重要而紧迫的课题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单、实现方便，且高速高效除冰的气动旋转除冰装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

气动旋转除冰装置，包括双H型缓冲台架，上端与双H型缓冲台架下表面连接并用于抬升双H型缓冲台架的伺服抬升装置，设置在双H型缓冲台架上表面上的复合式除冰刷，为所述气动旋转除冰装置运行提供动力的动力系统，以及用于控制伺服抬升装置和复合式除冰刷的控制系统。

其中，复合式除冰刷是本发明的设计要点之一，该复合式除冰刷包括旋转敲击头、旋转钢刷、旋转尼龙刷中任意一种或任意多种，即根据不同的除冰需要，上述旋转敲击头、旋转钢刷、旋转尼龙刷可单独使用或任意组合；

进一步的，所述旋转敲击头包括设置在双H型缓冲台架上表面上的敲击头旋转筒，以及通过柔性连接带紧固连接于敲击头旋转筒上的敲击体；

所述旋转钢刷包括设置在双H型缓冲台架上表面上的钢刷旋转筒和若干均匀设置在钢刷旋转筒表面的钢刷毛；

所述旋转尼龙刷包括设置在双H型缓冲台架上表面上的尼龙刷旋转筒和若干均匀设置在尼龙刷旋转筒表面的尼龙刷毛；

在一种实施方案中，敲击头旋转筒为空心结构，其两端与双H型缓冲台架的两侧连接，敲击体通过倒置三角卡口结构和由凯夫拉(KEVLAR)编织成的柔性连接带相连(带内有三角形铝条用于卡住敲击体内的凹槽)，凯夫拉柔性连接带另一端与敲击头旋转筒相连，一个敲击头旋转筒上对称安装有四个相同的敲击体；而钢刷旋转筒和尼龙刷旋转筒则为套筒结构，内筒与双H型缓冲台架的两侧连接，然后将外筒通过螺栓拧紧在内筒上，钢刷毛和尼龙刷毛则安装在外筒上；

敲击头旋转筒、钢刷旋转筒和尼龙刷旋转筒的旋转动力由所述动力系统提供，进一步的，敲击头旋转筒、钢刷旋转筒和尼龙刷旋转筒均由单独的马达带动，从而使得控制系统可单独对敲击头旋转筒、钢刷旋转筒和尼龙刷旋转筒的转速分别进行调整。

再进一步的，所述敲击体为由硬橡胶制成的条形结构且沿敲击头旋转筒的轴向设置，为了提高敲击体的抗冲击抗疲劳性能，该敲击体内还混合有钢丝和尼龙纤维。

同时，所述双H型缓冲台架包括由上至下相对平行设置且通过弹性阻尼器连接的H型上梁和H型下梁；所述伺服抬升装置则与H型下梁下端连接，复合式除冰刷则设置在H型上梁上，且根据复合式除冰刷内刷头的数量，H型上梁的形状可作相应调整，如：梯子结构，在此前提下，旋转敲击头、旋转钢刷和/或旋转尼龙刷则设置在梯子结构中两根支架的空隙之间。

在一种实施方案中，弹性阻尼器数量为四个，并分别位于双H型缓冲台架的四角。

进一步的，为了更好的实现本发明，在H型上梁和H型下梁之间中部还设置有空气弹簧，该空气弹簧下端与H型下梁连接，其上端通过保持架与H型上梁下端连接，该空气弹簧可起到很好的缓冲作用。空气弹簧和弹簧阻尼器的设计使得设备作业时，具有多个方向的自由度并能自动回中，使得复合式除冰刷能有效的贴合冰层，且弹性加阻尼设计用于缓冲和吸收除冰时过大的冲击，减小对接触网的刚性碰撞，达到柔性除冰的效果，避免了接触线受损。

除冰作业中，若落冰直接下落，势必会损伤复合式除冰刷，本发明在所述保持架靠近空气弹簧的一端的两侧还设有导冰板，且该导冰板倾斜于H型下梁设置。导冰板用于引导落冰往四周滑落，起到保护复合式除冰刷以及其以下部件的作用。

更进一步的，为了提高除冰的自动化，本发明还包括与所述控制系统连接的图像识别装置。图像识别装置将采集到的图像数据反馈至控制系统，控制系统通过图像识别装置实现对接触网覆冰情况的自动判断，再根据判断控制复合式除冰刷和伺服抬升装置做相应的运动。

为了实时反馈作业振动情况，防止接触网受损，本发明还包括安装在所述双H型缓冲台架上并与所述控制系统连接的振动加速度传感器。

在一种实施方案中，作为一种优选方式，所述动力系统为气动系统，气动装置的绝缘和耐久性好，可实现高压作业。

为了实现轻量化设计，降低设备重量，所述弹性阻尼器为气压式阻尼系统。

本发明的设计原理：一、设备整体采用轻量化设计，同时结合图像识别技术及作业信息反馈技术，及时地监测除冰作业，提高设备自动化程度；二、通过双H型缓冲台架的多角度运动，结合复合式除冰刷转速实时动态调整，达到柔性作业的目的，减小对接触网的损伤；三、采用旋转敲击头、旋转钢刷、旋转尼龙刷三种除雪刷组合使用，对应不同覆冰情况，以提高除冰效果和除冰效率。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过双H型缓冲台架的多角度运动，然后结合图像识别技术和振动加速度传感器，实时反馈除冰作业情况，控制系统根据反馈信息地动态调整伺服抬升装置、复合式除冰刷的工作状态，使得复合式除冰刷能有效地贴合冰层，不仅除冰效率高，而且实现了柔性除冰的目的，减少了除冰时对接触网的损害；

(2)本发明选用气动系统作为设备的动力系统，在此基础上，整体采用轻量化设计，气动装置的绝缘性和耐久性好，可实现高压作业，而无需在除冰时，接触网断电，可保障同一供电线路上未覆冰路段车辆的正常通行；

(3)本发明中复合式除冰刷包括旋转敲击头、旋转钢刷、旋转尼龙刷三种，其中，旋转钢刷、旋转尼龙刷替代人工敲击和铜质弓头冲击法用于接触网除冰，具有更高的除冰速度，且转速单独可调，除冰更具针对性，特殊设计的旋转敲击头能够清除接触网上较厚的冰层，解决了现有技术中对较厚冰层无法做到有效处理的问题；

(4)本发明除冰时间短，效果显著，能应对绝大部分覆冰灾害，重度覆冰除冰速度达到25km/h以上，轻度覆冰除冰速度达到50km/h，相较于现有技术而言，其不仅具备新颖性和创造性，而且具备非常高的实用性和市场前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的结构原理图。

图3为本发明中复合式除冰刷的结构示意图。

图4为本发明中旋转敲击头的结构示意图。

其中，附图中标记所对应的名称：1-伺服抬升装置，2-旋转敲击头，3-旋转钢刷，4-旋转尼龙刷，5-H型上梁，6-H型下梁，7-弹性阻尼器，8-空气弹簧，9-保持架，10-导冰板，11-气动接口；

21-敲击头旋转筒，22-柔性连接带，23-敲击体；

31-钢刷旋转筒，32-钢刷毛；

41-尼龙刷旋转筒，42-尼龙刷毛。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

我国每年冰雪灾害严重，而电气化铁路由于完全依赖电网，一旦电网因为天气原因出现故障，列车通常都无法正常运转行。接触网覆冰将会直接影响列车受电弓从接触网的受流质量，甚至会无法受流，从而可以导致列车供电不足而降速运行，严重的直接导致列车停电、停运。接触网覆冰也将使得受电弓滑板磨损加重。其潜在的危险还包括滑弓网与接触线之间由于接触不良产生电弧烧伤，覆冰导致接触线断线等等。尤其是动车组运行的大量的客运专线因列车速度高、弓网关系异常复杂，因此受流质量要求较普通线路高的多，接触网结冰对受电弓受流以及列车运行的影响也更为突出。

现有技术中，接触网除冰主要通过人工消除方法、接触网热滑方法以及阻性丝加热除冰方法实现主动除冰，但是，上述除冰方法除冰效果欠佳、效率低，且国内外还没有行之有效的、针对铁路接触网除冰雪方法或装置，铁路接触网冰雪灾害专用除冰装备在国际上仍是一个比较滞后的状态。为了克服上述缺陷，本实施例提供了一种气动旋转除冰装置，如图1、2所示，该气动旋转除冰装置安装在列车顶部，主要包括双H型缓冲台架、伺服抬升装置1、复合式除冰刷、控制系统和动力系统五部分。

伺服抬升装置，伺服抬升装置包括安装在列车顶部的底座和设置在底座上的折叠式弓架结构，其可采用现有的受电弓结构形式，伺服抬升装置主要用于带动双H型缓冲台架上升、下降，其运行的动力由动力系统提供，并受控制系统控制。

双H型缓冲台架，设置在伺服抬升装置的顶端，主要包括由上至下相对平行设置且通过弹性阻尼器7连接的H型上梁5和H型下梁6；具体的说，伺服抬升装置1的上端与H型下梁6下端连接，复合式除冰刷设置在H型上梁5上。H型上梁5和H型下梁6之间的弹性阻尼器实现了多自由度的机械缓冲设计，根据实际的应用情况，确定合适的弹簧阻尼比。进一步的，在H型上梁5和H型下梁6之间中部还设置有空气弹簧8，该空气弹簧8下端与H型下梁6连接，其上端通过保持架9与H型上梁5下端连接。作业时，H型上梁可相对H型下梁在水平面内做任意角度的小幅度摆动，空气弹簧使得，H型上梁在摆动后具有自动回中的能力；空气弹簧结合弹性阻尼的设计使得复合式除冰刷能有效的贴合冰层，且弹性加阻尼设计用于缓冲和吸收除冰时过大的冲击，减小对接触网的刚性碰撞，达到柔性除冰的效果，避免了接触线受损。

除冰作业时，对H型上梁振动情况的监测十分重要，本实施例在上述结构的基础上，还在双H型缓冲台架前端面加装振动加速度传感器，该振动加速度传感器实时反馈作业振动情况至控制系统，然后由控制系统根据反馈信息实时调整，以防止接触网受损。除冰作业中，若落冰直接下落，势必会损伤复合式除冰刷，本发明在保持架9靠近空气弹簧的一端的两侧还设有导冰板10，且该导冰板10倾斜于H型下梁设置，作为优选结构，导冰板采用直板结构，对称设置于保持架左、右两侧。导冰板10用于引导落冰往气动旋转除冰装置的四周滑落，起到保护复合式除冰刷以及其以下部件的作用。

基于轻量化的设计思路，本实施例中，H型上梁、H型下梁、保持架和导冰板均采用6系或7系铝合金制作，在保证强度的同时可以保证整个双H型缓冲台架有较轻的质量，以便于将双H型缓冲台架安装于伺服抬升装置上方；进一步的，为了减小双H型缓冲台架质量，作为优选，弹簧阻尼器不采用油压阻尼，而采用气压式阻尼系统。

如图3所示，复合式除冰刷是除冰的执行部件，其主要包括旋转敲击头2、旋转钢刷3、旋转尼龙刷4中任意一种或任意多种，即根据不同的除冰需要，上述旋转敲击头、旋转钢刷、旋转尼龙刷可单独使用或任意组合；旋转敲击头用于清除较厚冰层、旋转钢刷用于清除中小厚度冰层、旋转尼龙刷配合完成残余冰雪的清除。

旋转敲击头2是复合式除冰刷的核心技术，其主要针对通过传统除冰方法无法除去较厚冰层的情况，如图4所示，旋转敲击头2包括设置在双H型缓冲台架上表面上的敲击头旋转筒21，以及通过柔性连接带22紧固连接于敲击头旋转筒21上的敲击体23，敲击头旋转筒为空心结构，其两端与双H型缓冲台架的两侧连接，敲击体通过倒置三角卡口结构和由凯夫拉(KEVLAR)编织成的柔性连接带相连(带内有三角形铝条用于卡住敲击体内的凹槽)，凯夫拉柔性连接带另一端与敲击头旋转筒相连，一个敲击头旋转筒上对称安装有四个相同的敲击体。

旋转钢刷3包括设置在双H型缓冲台架上表面上的钢刷旋转筒31和若干均匀设置在钢刷旋转筒31表面的钢刷毛32；旋转尼龙刷4包括设置在双H型缓冲台架上表面上的尼龙刷旋转筒41和若干均匀设置在尼龙刷旋转筒41表面的尼龙刷毛42；敲击体23为由硬橡胶制成的条形结构且沿敲击头旋转筒21的轴向设置，同时，为了提高敲击体的抗冲击抗疲劳性能，敲击体23内还混合有钢丝和尼龙纤维。

钢刷旋转筒和尼龙刷旋转筒则为套筒结构，内筒与双H型缓冲台架的两侧连接，然后将外筒通过螺栓拧紧在内筒上，钢刷毛和尼龙刷毛则安装在外筒上。旋转钢刷、旋转尼龙刷替代人工敲击和铜质弓头冲击法用于接触网除冰，具有更高的除冰速度，除冰更具针对性。

本实施例中，敲击头旋转筒、钢刷旋转筒和尼龙刷旋转筒的旋转动力由动力系统提供，为了提高除冰效果，实现对各个刷头的单独控制，敲击头旋转筒、钢刷旋转筒和尼龙刷旋转筒均由独立的马达带动，且这些马达均受控制系统控制。

在上述结构的基础上，本发明还设计了接触网覆冰图像识别技术，该技术通过设置图像识别装置，图像识别装置用于对接触网覆冰的冰厚测量及清除效果识别，它将采集到的图像信息反馈至控制系统，控制系统通过图像识别装置实现对接触网覆冰情况的自动判断，再根据判断控制复合式除冰刷和伺服抬升装置做相应的运动。

控制系统主要负责处理图像信息和振动器传感器反馈的信息，用以识别冰层厚度，继而控制伺服抬升装置的抬升高度和复合式除冰刷中各刷头需要的旋转速度。本实施例中，控制系统为安置在列车内的控制主机，需要说明的是，控制系统实现上述功能的实现方式(包括前述的控制主机)是现有成熟技术，因此，本实施例中不作赘述。

因气动装置的绝缘和耐久性好，可实现高压作业，所以，本实施例中，动力系统采用气动系统，气动系统主要包括安装在列车内的气泵，与各动作部件连接的气动马达，如图2所示，H型上梁的侧面开设有气动接口11，气动接口11数量与敲击头旋转筒、钢刷旋转筒和尼龙刷旋转筒的数量匹配，气泵通过包裹着凯夫拉纤维的橡胶软管给气动马达提供高压气体，然后由气动马达带动上述旋转筒旋转，考虑到气动马达传动转速高，因此，需要加装减速齿轮，同时，增大扭矩；由于接触网带电作业时携带高压可达27.5KV，马达输气管需要在满足耐压、耐寒、柔软的同时具有良好的绝缘性。上述伺服抬升装置下部的折叠式弓架结构可选用气动臂，其抬升、下降的动力同样由气动系统提供。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.气动旋转除冰装置，其特征在于，包括双H型缓冲台架，上端与双H型缓冲台架下表面连接并用于抬升双H型缓冲台架的伺服抬升装置（1），设置在双H型缓冲台架上表面上的复合式除冰刷，为所述气动旋转除冰装置运行提供动力的动力系统，以及用于控制伺服抬升装置（1）和复合式除冰刷的控制系统；

所述复合式除冰刷包括旋转敲击头（2）、旋转钢刷（3）、旋转尼龙刷（4）中任意一种或任意多种；

所述旋转敲击头（2）包括设置在双H型缓冲台架上表面上的敲击头旋转筒（21），以及通过柔性连接带（22）紧固连接于敲击头旋转筒（21）上的敲击体（23）；

所述旋转钢刷（3）包括设置在双H型缓冲台架上表面上的钢刷旋转筒（31）和若干均匀设置在钢刷旋转筒（31）表面的钢刷毛（32）；

所述旋转尼龙刷（4）包括设置在双H型缓冲台架上表面上的尼龙刷旋转筒（41）和若干均匀设置在尼龙刷旋转筒（41）表面的尼龙刷毛（42）；

所述敲击头旋转筒、钢刷旋转筒或/和尼龙刷旋转筒的旋转动力由所述动力系统提供；

所述双H型缓冲台架包括由上至下相对平行设置且通过弹性阻尼器（7）连接的H型上梁（5）和H型下梁（6）；所述伺服抬升装置（1）则与H型下梁（6）下端连接，复合式除冰刷则设置在H型上梁（5）上。

2.根据权利要求1所述的气动旋转除冰装置，其特征在于，所述敲击体（23）为由硬橡胶制成的条形结构且沿敲击头旋转筒（21）的轴向设置，该敲击体（23）内还混合有钢丝和尼龙纤维。

3.根据权利要求2所述的气动旋转除冰装置，其特征在于，在H型上梁（5）和H型下梁（6）之间中部还设置有空气弹簧（8），该空气弹簧（8）下端与H型下梁（6）连接，其上端通过保持架（9）与H型上梁（5）下端连接。

4.根据权利要求3所述的气动旋转除冰装置，其特征在于，所述保持架（9）靠近空气弹簧（8）的一端的两侧还设有导冰板（10），且该导冰板（10）倾斜于H型下梁（6）设置。

5.根据权利要求4所述的气动旋转除冰装置，其特征在于，还包括与所述控制系统连接的图像识别装置。

6.根据权利要求4所述的气动旋转除冰装置，其特征在于，还包括安装在所述双H型缓冲台架上并与所述控制系统连接的振动加速度传感器。

7.根据权利要求2至6任一项所述的气动旋转除冰装置，其特征在于，所述动力系统为气动系统。

8.根据权利要求7所述的气动旋转除冰装置，其特征在于，所述弹性阻尼器（7）为气压式阻尼系统。