CN110747740B - 一种斜拉索智能防冰除冰系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种斜拉索智能防冰除冰系统及应用方法，涉及桥梁工程防灾减灾领域，它包括信息采集模块、除冰包裹层和气体驱动装置；信息采集模块与结冰传感器、湿度传感器、张力传感器、压力传感器和空气温度传感器电连接；除冰包裹层包裹在斜拉索外部，并与气体驱动装置通过送风通道连接；气体驱动装置位于桥面箱梁之上。通过包裹在斜拉索外围的膨胀膜内通过高温高压气体不断的充气和抽真空使其外部面积骤变，是的结冰初期的薄冰脱落，预防结冰形成，同时高压气体的脉冲和高温使得冰层融化和碎裂，达到除冰的效果。

Description

一种斜拉索智能防冰除冰系统及应用方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程防灾减灾领域，具体涉及一种斜拉索智能防冰除冰系统及应用方法。

背景技术

近年来，我国已进入了大规模基础设施建设新时期，一批跨越江海湖泊的大跨度缆索桥梁相继建造，如港珠澳大桥、杨泗港长江大桥、平潭海峡大桥。大跨度斜拉桥因其跨越能力大，外形美观，成为桥梁工程的首选桥型，受到人们的广泛青睐。但是大跨度斜拉索具有质量小、频率低、阻尼小等特点，极易受到雨雪、冰冻等恶劣环境的影响，造成拉索表面积雪和冰棱的产生，严重危害了桥梁的使用性能。当温度变化或者结构振动时，斜拉索冰凌还会发生坠落现象，严重威胁了桥面车辆的行车安全。国内已发生多起因拉索冰凌碎落砸伤车辆和引起的交通事故，例如2015年1月30日，荆岳长江大桥主桥斜拉索发生掉冰，砸坏了多辆机动车，桥面被冰渣所覆盖，进而实施交通管制；2015年1月和2018年1月，武汉二七长江大桥斜拉索上的冰凌高空坠下，砸损若干车辆，影响了交通安全；2018年1月南昌八一大桥主桥也发生过斜拉索掉冰，砸坏30多辆机动车，并砸伤了行人，造成了巨大的财产损失和不良的社会影响。

现有的斜拉索除冰技术主要分为机械除冰技术、热力除冰技术和防覆冰憎水材料技术等。机械除冰技术包括人工除冰和机器人除冰。人工除冰采取用长竹竿敲打的方式除冰，但设备长度有限，对于高空覆冰则无能为力。机器人除冰受到电力续航及斜拉索表面抗风设施的影响，其应用受到了一定的限制。总体而言，目前的机械除冰效果欠佳。传统热力除冰是从斜拉索内部鼓入热风,加热斜拉索,达到融化冰雪的效果，其本质是通过升高拉索表面温度，降低斜拉索的覆冰概率，但该方法会使原本密闭的斜拉索必须预留空隙和出入口，会对斜拉索的防腐耐久产生不利影响；热力除冰还可以在拉索表面布置电阻丝，通过加热电阻丝融化冰雪，但是电阻丝长期日晒雨淋，容易老化失效，实际融冰所需时间长、效率低、成本较高，且布置在表面的电热丝加热会影响拉索HDPE套筒的耐久性；防覆冰憎水材料技术虽然能增加材料表面的憎水性，但传统的超疏水防覆冰涂层的制备方法均需贵重设备或复杂工艺，现场施工难度大，效果难以保证。

现有技术也有针对这些问题进行改进的技术，例如中国专利文献CN 108301324 A记载了一种斜拉桥拉索智能除湿除冰系统及方法，通过对向斜拉索内部通入高压高温气体并形成气体回路来除冰，斜拉索为实心体，气体通入斜拉索内部不易，且在气体达到桥梁顶端后再通过顶端回路回流，整个气体回路为桥梁轮廓长度的三角形，材料花费巨大，且桥梁上每根斜拉索都需要一个单独支路，更加不易；再则，当遇到极端寒冷天气时，往往斜拉索上结冰速度巨大，以热量形式消融结冰需要功率巨大的加热装置，其本身的质量会降低桥梁的载重量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种斜拉索智能防冰除冰系统及应用方法，能够准确预测斜拉索上的结冰趋势，在斜拉索上形成薄冰层初期利用高压高温气体对膨胀膜不断的进行膨胀和收缩循环，利用气体热量及气室体积规律性变形除掉薄冰，破坏结冰形成的基础，以此达到防冰除冰。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种斜拉索智能防冰除冰系统，它包括信息采集模块、除冰包裹层和气体驱动装置；信息采集模块与结冰传感器、湿度传感器、张力传感器、压力传感器和空气温度传感器电连接；除冰包裹层包裹在斜拉索外部，并与气体驱动装置通过送风通道连接；气体驱动装置位于桥面箱梁之上。

上述的湿度传感器安装于桥面箱梁上和主塔顶端与斜拉索连接处，主塔顶端与斜拉索连接处还安装有视频监控，桥面湿度传感器和空气温度传感器所收集的数值相结合，用以预测斜拉索上各区域结冰趋势。

上述的除冰包裹层包裹在斜拉索内部钢绞线外部，它包括包裹着斜拉索内部钢绞线的PE保护层，PE保护层外部包裹着一层隔热层，隔热层外包裹着一层由多个环绕斜拉索内部钢绞线截面的封闭气室组成的膨胀膜，在膨胀膜截面顶端安装有送风通道，送风通道与膨胀膜的每个封闭气室通过送风支管连接，在送风通道与送风支管的连接处固定安装有脉冲气阀和空气温度传感器，膨胀膜外侧固定安装有结冰传感器和张力传感器，膨胀膜内侧和隔热层外侧之间安装有压力传感器，PE保护层用以保护斜拉索内部钢绞线外层不受外部环境的影响和受力损伤，隔热层用来将斜拉索内部钢绞线与外部的空气温度湿度变化隔离，延长斜拉索寿命。

上述的膨胀膜的每个封闭气室之间互相连接并支撑在隔热层外壁形成环绕腔，膨胀膜外层由采用胶涂的弹性织物制成，该织物由阻燃纤维丝织成，膨胀膜连接在封闭气室支撑之间，拥有耐压、耐拉伸、耐腐的效果，当气体驱动装置不工作、送风通道没有向膨胀膜充气时，依靠封闭气室支撑壁可将膨胀膜支撑出一固定空间，当送风通道充气时，膨胀膜外层变形，形成更大的外层面积。

上述的压力传感器轴向布置于膨胀膜内侧和隔热层外侧之间，可以防止隔热层和膨胀膜之间的径向张力对压力值的影响，当充气达到膨胀膜外层的最大临界点时，气压达到最大值，压力传感器将当前压力值传回系统，系统停止供气。

上述的气体驱动装置包括送风装置，送风装置与气体干燥过滤装置通过管路连接，气体干燥过滤装置输出端的管路连接有空气加热装置输入端，空气加热装置的输出端连接气体进入控制阀输入端，气体进入控制阀为三通气阀，气体进入控制阀的两路输出阀门为联锁关系，其中一个输出端连接排风旁管，气体进入控制阀另一输出端连接有送风通道，送风通道靠近气体进入控制阀一端设有排风支管，排风支管与气体抽取控制阀的输入端连接，气体抽取控制阀的输出端连接抽真空泵的输入端连接，抽真空泵的输出端连接有排风通道，气体进入控制阀与送风通道相连的一端阀门与气体抽取控制阀为互锁关系。

上述的送风装置、空气加热装置、气体进入控制阀、气体抽取控制阀和抽真空泵均与控制箱电连接。

上述控制箱内设有电源箱，电源箱与控制单元电连接，控制单元上设有控制模块、通讯模块并与信息采集模块电连接。

一种斜拉索智能防冰除冰方法，它包括：

步骤S1:由信息采集模块收集结冰传感器、湿度传感器、张力传感器、压力传感器和空气温度传感器的信号，并通过数模转换后送入控制单元；

步骤S2：控制单元将传送过来的数据与存储结冰逻辑进行比对，判断是否有结冰趋势，如果没有继续返回至步骤收集数据，如果有结冰趋势，转至下一步骤；

步骤S3：接收到步骤开始结冰的信号后，开始启动除冰，若结冰传感器判断冰已除完，则进入下一步骤；

步骤S4：若冰已除完，则停止送风装置和空气加热装置，关闭脉冲气阀。

上述除冰的具体过程为：首先打开气体进入控制阀，送风通道入口打开，同时互锁的排风旁管关闭，此时与气体进入控制阀联锁的气体抽取控制阀关闭，之后送风装置和空气加热装置启动，待启动完全完成后输出脉冲控制信号控制脉冲气阀向膨胀膜内脉冲式地冲入高压高温气体，直至压力传感器收集到的内部压力到达设定的压力阈值，此时控制脉冲气阀常开，启动抽真空泵，关闭气体进入控制阀，送风通道入口关闭，同时互锁的排风旁管打开，高温高压气体通过排风旁管排除，同时控制气体抽取控制阀打开，开始抽取膨胀膜内的气体，当压力传感器收集到压力达到一定值时，停止抽真空泵，对结冰传感器的结果进行分析，若冰未除完则继续重复上述除冰步骤。

本发明提供的一种斜拉索智能防冰除冰系统及应用方法，通过包裹在斜拉索外围的膨胀膜内通过高温高压气体不断的充气和抽真空使其外部面积骤变，是的结冰初期的薄冰脱落，预防结冰形成，同时高压气体的脉冲和高温使得冰层融化和碎裂，达到除冰的效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为除冰包裹层横截面结构示意图；

图3为膨胀膜防/除冰系统工作前、后结构示意图，其中：a 是未工作状态下；b是工作状态下；

图4为包含膨胀膜的斜拉索结构示意图；

图5为气体驱动装置结构示意图；

图6为信息采集模块的电路连接图；

图7为控制单元6的输出部分连接图；

图8为气体驱动装置各元件控制图；

图9为系统的应用方法流程图。

图中：结冰传感器1，湿度传感器2，张力传感器3，气体驱动装置4，视频监控5，控制单元6，控制箱7，控制模块8，通讯模块9，信息采集模块10，送风装置11，膨胀膜12，电源箱13，气体干燥过滤装置14，空气加热装置15，送风通道16，PE保护层17，隔热层18，压力传感器19，脉冲气阀20，斜拉索内部钢绞线21，送风支管22，桥面箱梁23，主塔24，气体进入控制阀25，抽真空泵26，斜拉索27，空气温度传感器28，气体抽取控制阀29，排风通道30，除冰包裹层31，排风支管32，排风旁管33。

具体实施方式

如图1中，一种斜拉索智能防冰除冰系统及应用方法，它包括信息采集模块10、除冰包裹层31和气体驱动装置4；信息采集模块10与结冰传感器1、湿度传感器2、张力传感器3、压力传感器19和空气温度传感器28电连接；除冰包裹层31包裹在斜拉索外部，并与气体驱动装置4通过送风通道16连接；气体驱动装置4位于桥面箱梁23之上。

如图1中，上述的湿度传感器2安装于桥面箱梁23上和主塔24顶端与斜拉索连接处，主塔24顶端与斜拉索连接处还安装有视频监控5，桥面湿度传感器2和空气温度传感器28所收集的数值相结合，用以预测斜拉索上各区域结冰趋势。

如图2、3、4中，上述的除冰包裹层31包裹在斜拉索内部钢绞线21外部，它包括包裹着斜拉索内部钢绞线21的PE保护层17，PE保护层17外部包裹着一层隔热层18，隔热层18外包裹着一层由多个环绕斜拉索内部钢绞线21截面的封闭气室组成的膨胀膜12，在膨胀膜12截面顶端安装有送风通道16，送风通道16与膨胀膜12的每个封闭气室通过送风支管22连接，在送风通道16与送风支管22的连接处固定安装有脉冲气阀20和空气温度传感器28，膨胀膜12外侧固定安装有结冰传感器1和张力传感器3，膨胀膜12内侧和隔热层18外侧之间安装有压力传感器19，PE保护层17用以保护斜拉索内部钢绞线21外层不受外部环境的影响和受力损伤，隔热层18用来将斜拉索内部钢绞线21与外部的空气温度湿度变化隔离，延长斜拉索寿命。

上述结冰传感器1为市售的产品，例如江苏精籁电子科技发展有限公司生产的JS-GD光纤式结冰传感器。

上述张力传感器3为市售的产品，例如羿沣传感器公司生产的WLF203张力传感器。

上述数据信息采集模块10为市售的产品，例如西门子公司生产6ES7331-7KF02模拟量输入模块。

如图2、3、4中，上述的膨胀膜12的每个封闭气室之间互相连接并支撑在隔热层18外壁形成环绕腔，膨胀膜12外层由采用胶涂的弹性织物制成，该织物由阻燃纤维丝织成，膨胀膜连接在封闭气室支撑之间，拥有耐压、耐拉伸、耐腐的效果，当气体驱动装置4不工作、送风通道16没有向膨胀膜12充气时，依靠封闭气室支撑壁可将膨胀膜支撑出一固定空间，当送风通道16充气时，膨胀膜12外层变形，形成更大的外层面积。

如图3、4中，上述的压力传感器19轴向布置于膨胀膜12内侧和隔热层18外侧之间，可以防止隔热层18和膨胀膜12之间的径向张力对压力值的影响，当充气达到膨胀膜12外层的最大临界点时，气压达到最大值，压力传感器19将当前压力值传回系统，系统停止供气。

如图5中，上述的气体驱动装置4包括送风装置11，送风装置11与气体干燥过滤装置14通过管路连接，气体干燥过滤装置14输出端的管路连接有空气加热装置15输入端，空气加热装置15的输出端连接气体进入控制阀25输入端，气体进入控制阀25为三通气阀，气体进入控制阀25的两个输出阀为联锁关系，其中一个输出端连接排风旁管33，气体进入控制阀25另一输出端连接有送风通道16，送风通道16靠近气体进入控制阀25一端设有排风支管32，排风支管32与气体抽取控制阀29的输入端连接，气体抽取控制阀29的输出端连接抽真空泵26的输入端连接，抽真空泵26的输出端连接有排风通道30，气体进入控制阀25与送风通道16相连的一端阀门与气体抽取控制阀29为互锁关系。

上述的送风装置11、空气加热装置15、气体进入控制阀25、气体抽取控制阀29和抽真空泵26均与控制箱7电连接。

上述控制箱7内设有电源箱13，电源箱13与控制单元6电连接，控制单元6上设有控制模块8、通讯模块9并与信息采集模块10电连接。

如图6~8中，控制单元6控制气体驱动装置4的各中间继电器，由各中间继电器控制各元件的启停，图中KA1、KM1为送风装置11电机的中间继电器和接触器，KA2、KM2为空气加热装置15的中间继电器和接触器，KA3、KM3为抽真空泵26的中间继电器和接触器，KA4、YC1为气体进入控制阀25线圈的中间继电器和电磁阀线圈，KA5、YC2为气体抽取控制阀29的中间继电器和电磁阀线圈，KA6、YC3为脉冲气阀20的中间继电器和电磁阀线圈，其中气体进入控制阀25和气体抽取控制阀29通过中间继电器实现互锁。

上述气体进入控制阀25和气体抽取控制阀29之间互锁连接，同一时刻只有一个开启或者关闭。

一种斜拉索智能防冰除冰方法，它包括：

步骤S1:由信息采集模块10收集结冰传感器1、湿度传感器2、张力传感器3、压力传感器19和空气温度传感器28的信号，并通过数模转换后送入控制单元6；

步骤S2：控制单元6将传送过来的数据与存储结冰逻辑进行比对，判断是否有结冰趋势，如果没有继续返回至步骤1收集数据，如果有结冰趋势，转至下一步骤；

步骤S3：接收到步骤2开始结冰的信号后，开始启动除冰，若结冰传感器1判断冰已除完，则进入下一步骤；

步骤S4：若冰已除完，则停止送风装置11和空气加热装置15，关闭脉冲气阀20。

上述除冰的具体过程为：首先打开气体进入控制阀25，送风通道16入口打开，同时互锁的排风旁管33关闭，此时与气体进入控制阀25联锁的气体抽取控制阀29关闭，之后送风装置11和空气加热装置15启动，待启动完全完成后输出脉冲控制信号控制脉冲气阀20向膨胀膜内脉冲式地冲入高压高温气体，直至压力传感器19收集到的内部压力到达设定的压力阈值，此时控制脉冲气阀20常开，启动抽真空泵26，关闭气体进入控制阀25，送风通道16入口关闭，同时互锁的排风旁管33打开，高温高压气体通过排风旁管33排除，同时控制气体抽取控制阀29打开，开始抽取膨胀膜12内的气体，当压力传感器19收集到压力达到一定值时，停止抽真空泵26，对结冰传感器1的结果进行分析，若冰未除完则继续重复上述除冰步骤。

Claims (9)

1.一种斜拉索智能防冰除冰系统，其特征是：它包括信息采集模块（10）、除冰包裹层（31）和气体驱动装置（4）；信息采集模块（10）与结冰传感器（1）、湿度传感器（2）、张力传感器（3）、压力传感器（19）和空气温度传感器（28）电连接；除冰包裹层（31）包裹在斜拉索外部，并与气体驱动装置（4）通过送风通道（16）连接；气体驱动装置（4）位于桥面箱梁（23）之上；

所述的除冰包裹层（31）包裹在斜拉索内部钢绞线（21）外部，它包括包裹着斜拉索内部钢绞线（21）的PE保护层（17），PE保护层（17）外部包裹着一层隔热层（18），隔热层（18）外包裹着一层由多个环绕斜拉索内部钢绞线（21）截面的封闭气室组成的膨胀膜（12），在膨胀膜（12）截面顶端安装有送风通道（16），送风通道（16）与膨胀膜（12）的每个封闭气室通过送风支管（22）连接，在送风通道（16）与送风支管（22）的连接处固定安装有脉冲气阀（20）和空气温度传感器（28），膨胀膜（12）外侧固定安装有结冰传感器（1）和张力传感器（3），膨胀膜（12）内侧和隔热层（18）外侧之间安装有压力传感器（19）。

2.根据权利要求1所述的一种斜拉索智能防冰除冰系统，其特征是：所述的湿度传感器（2）安装于桥面箱梁（23）上和主塔（24）顶端与斜拉索连接处，主塔（24）顶端与斜拉索连接处还安装有视频监控（5）。

3.根据权利要求1所述的一种斜拉索智能防冰除冰系统，其特征是：所述的膨胀膜（12）的每个封闭气室之间互相连接并支撑在隔热层（18）外壁形成环绕腔，膨胀膜（12）外层由采用胶涂的弹性织物制成，该织物由阻燃纤维丝织成，膨胀膜连接在封闭气室支撑之间。

4.根据权利要求1所述的一种斜拉索智能防冰除冰系统，其特征是：所述的压力传感器（19）轴向布置于膨胀膜（12）内侧和隔热层（18）外侧之间。

5.根据权利要求1所述的一种斜拉索智能防冰除冰系统，其特征是：所述的气体驱动装置（4）包括送风装置（11），送风装置（11）与气体干燥过滤装置（14）通过管路连接，气体干燥过滤装置（14）输出端的管路连接有空气加热装置（15）输入端，空气加热装置（15）的输出端连接气体进入控制阀（25）输入端，气体进入控制阀（25）为三通气阀，气体进入控制阀（25）的两路输出阀门为联锁关系，其中一个输出端连接排风旁管（33），气体进入控制阀（25）另一输出端连接有送风通道（16），送风通道（16）靠近气体进入控制阀（25）一端设有排风支管（32），排风支管（32）与气体抽取控制阀（29）的输入端连接，气体抽取控制阀（29）的输出端连接抽真空泵（26）的输入端连接，抽真空泵（26）的输出端连接有排风通道（30），气体进入控制阀（25）与送风通道（16）相连的一端阀门与气体抽取控制阀（29）为互锁关系。

6.根据权利要求5所述的一种斜拉索智能防冰除冰系统，其特征是：所述的送风装置（11）、空气加热装置（15）、气体进入控制阀（25）、气体抽取控制阀（29）和抽真空泵（26）均与控制箱（7）电连接。

7.根据权利要求6所述的一种斜拉索智能防冰除冰系统，其特征是：所述控制箱（7）内设有电源箱（13），电源箱（13）与控制单元（6）电连接，控制单元（6）上设有控制模块（8）、通讯模块（9）并与信息采集模块（10）电连接。

8.一种使用权利要求5所述的一种斜拉索智能防冰除冰系统的防冰除冰方法，其特征在于，包括：

步骤S1:由信息采集模块（10）收集结冰传感器（1）、湿度传感器（2）、张力传感器（3）、压力传感器（19）和空气温度传感器（28）的信号，并通过数模转换后送入控制单元（6）；

步骤S2：控制单元（6）将传送过来的数据与存储结冰逻辑进行比对，判断是否有结冰趋势，如果没有继续返回至步骤1收集数据，如果有结冰趋势，转至下一步骤；

步骤S3：接收到步骤2开始结冰的信号后，开始启动除冰，若结冰传感器（1）判断冰已除完，则进入下一步骤；

步骤S4：若冰已除完，则停止送风装置（11）和空气加热装置（15），关闭脉冲气阀（20）。

9.根据使用权利要求8所述的防冰除冰方法，其特征在于，所述除冰的具体过程为：首先打开气体进入控制阀（25），送风通道（16）入口打开，同时互锁的排风旁管（33）关闭，此时与气体进入控制阀（25）联锁的气体抽取控制阀（29）关闭，之后送风装置（11）和空气加热装置（15）启动，待启动完全完成后输出脉冲控制信号控制脉冲气阀（20）向膨胀膜内脉冲式地冲入高压高温气体，直至压力传感器（19）收集到的内部压力到达设定的压力阈值，此时控制脉冲气阀（20）常开，启动抽真空泵（26），关闭气体进入控制阀（25），送风通道（16）入口关闭，同时互锁的排风旁管（33）打开，高温高压气体通过排风旁管（33）排出，同时控制气体抽取控制阀（29）打开，开始抽取膨胀膜（12）内的气体，当压力传感器（19）收集到的压力达到一定值时，停止抽真空泵（26），对结冰传感器（1）的结果进行分析，若冰未除完则继续重复上述除冰步骤。

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