1、148工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工0 引言近年来，我国的高速铁路建设取得了突飞猛进的进步，高速铁路总里程已突破 4 万 km，机车基本是通过接触网从牵引变电所获得能源动力，因此加强接触网的合理维护是十分重要的。受雨雪、雾霾、沙尘等天气影响，接触网绝缘子表面会聚集许多污垢，这些污垢对于高速铁路运行安全与稳定影响较大。据不完全统计，接触网绝缘子故障占到高速铁路供电系统故障的 60%80%，因而需要对接触网绝缘子进行定期的清洗维护1-2。目前，常用的基础网绝缘子清洗方式包括人工离线清洗、机械干式清洗、带电水冲洗、气吹冲洗，干冰清洗等。其中干冰清洗能适应盐类污秽、
2、水泥、石灰、尘土、金属粉尘、化学污染、冷却塔污染物、冰、雪、油脂类污染等多种污染类型，对于绝缘子的清洗效果最好，具有安全、高效、效率高等特点，在接触网绝缘子清洗维护中应用较为广泛3-5。但是对于一些高污染或者特殊污染源的地区而言，常规干冰清洗方式也难以满足相关要求，特别是我国的高速铁路里程如此之长，需要大量的清洗维护工作。因此必须在保证清洗效果的前提下，尽量提高清洗效率，降低清洗维护的成本。故本文设计了一套轨道式清洗维护台车，并对影响清洗效果的因素进行了试验论证，选取最佳的设备参数和清洗过程参数，以期能为高速铁路运行维护管理提供参考。1 清洗维护设备设计1.1 关键部位设计方案1.1.1 清洗
3、系统干 冰 清 洗 系 统 主 要 由 Aero C100 型 干 冰 清 洗 机、PR350H 型干冰造粒机、QW-40Z 型空压机、干冰储存箱等结构组成。Aero C100 型干冰清洗机的外形尺寸为 790mm380mm1140mm，质量为113.4kg，压缩空气压力为0.51MPa，干冰质量流量为0.55kg/min，料斗干冰容量为45.5kg，额定功率为450W。PR350H 型干冰造粒机的外形尺寸为1500mm1000mm1800mm，质量为1551kg，压缩空气压力为0.81MPa，额定制冰效率为350kg/h，额定功率为11kW。QW-40Z型空压机外形尺寸为1380mm850m
4、m1160mm，质量为620kg，排气量为4.2m3/min，压缩空气压力为1.2MPa，额定功率40kW。1.1.2 走行机构 走行机构一般有履带式、轮式和轨道式，由于本设备用于高速铁路接触网绝缘子的清洗维护，因此选用 N15 型轨道式铁道平车，其长度为 13m，宽度为 2.98m，高度为 1.49m。1.1.3 执行机构执行机构机械臂结构采用液压驱动的关节式机械臂，该型机械臂具有占用空间小、较灵活、能耗低等优点，具有 7 个自由度，可灵活调整干冰喷嘴与接触网绝缘子的空间位置以及干冰喷嘴位姿。大臂液压缸选用 CD160B32/22-450 型，最大负载为6921.3N，额定工作压力为 16M
5、Pa，缸 径 为 32mm，活塞杆杆径为 22mm，最大行程为 450mm，最大速度为0.4m/s。小臂液压缸选用 CD160B25/18-600 型，最大负载为 3824.2N，额定工作压力为 16MPa，缸径为 25mm，活塞杆杆径为 18mm，最大行程为 600mm，最大速度为0.6m/s。腕臂液压缸选用 CD70B25/14-550 型，最大负载为 1715.5N，额定工作压力为 7MPa，缸径为 25mm，活塞杆杆径为 14mm，最大行程为 550mm，最大速度为 0.6m/s。高速铁路接触网绝缘子清洗维护技术研究高玉松摘要：为提高高速铁路接触网绝缘子清洗维护的效率和效果，设计了一种
6、轨道式清洗维护台车，并对影响清洗效果的因素进行了试验论证。结果表明，清洗台车喷枪的最佳入口压力为 0.9MPa，最佳干冰流量为 2kg/min，最佳干冰的粒径为 1mm，最佳干冰颗粒的长度为 3mm。喷枪速度宜控制在 5r/min，清洗角度宜控制在 50以下，清洗距离宜控制在 0.60.7m。在以上最佳参数控制下，可达到较好的清洗效果和效率，且维护成本较低。关键词：接触网绝缘子；清洗维护；台车；设备参数；过程参数（中铁十九局集团电务工程有限公司，北京 100163）CM&M 2023.01149四因素三水平的正交试验。喷枪的入口压力大小P取值分别为 0.5MPa、0.7MPa 和 0.9MPa
7、，干冰流量大小Q取值分别为 0.5kg/min、2kg/min、3kg/min，干冰的粒径大小d为 1mm、2mm、3mm，干冰颗粒的长度l取值分别为3mm、5mm、7mm。具体试验方案见表 1。不同设备属性参数下的干冰颗粒速度试验结果见图 2。从图 2 中可知：颗粒速度与信噪比的变化趋势基本保持一致。最大干冰颗粒速度为 359.9m/s。利用图 2 中所得数据，对各因素水平进行极差分析，最终得出最佳的设备属性参数如下：喷枪的入口压力P=0.9MPa，干冰流量Q=2kg/min，干冰的粒径d=1mm，干冰颗粒的长度l=3mm。在最佳参数下，测得离喷枪出口 0.6m 处的干冰颗粒平均速度为 37
8、1m/s，均大于正交试验结果得到的干冰速度值，表明此优化结果是合理可靠的。2.3 清洗过程参数选取2.3.1 喷枪移动速度的影响不同转盘速度（喷枪与绝缘子相对速度）下，单个绝缘子清洗时间和所需干冰量试验结果见图 3。从图 3 中可知：随着转速的逐渐增大，单个绝缘子清洗时间和干冰用量均呈逐渐减小的变化特征，但清洗结度也会随之减小。根据工程经验表明，但转速为 5r/min 时，绝缘子上的清洗洁度可达 80%建议。将转速保持在 5r/min，此时清洗单个绝缘子的用时为 7.48s，干冰用量为 0.25kg。液压回转传统装置选用 WKH 2.5-1700D 型，马达型号为 AKS05-90，传动比为
9、20，额定压力为 9MPa，额定扭矩为 1700 Nm，转速范围为 031r/min，总排量为 1720mL/r。液压泵选用 E63 型叶片泵，排量为 63mL/r，额定压力为16MPa，额定转速为 6001800r/min，容积效率 9.2%。液压油箱的容积为 200L。1.1.4 喷枪结构 喷枪结构主要由喷枪、导轨、连架杆、工作台、滑块以及高清摄像头等组成。由于处于高压工作环境中，喷枪所有材料均采用绝缘材料。喷枪的驱动方式采用气动驱动方式，喷枪的通讯方式采用光纤通讯，喷枪在导轨上的最大行程为 0.9m。1.2 整车总体方案通过各结构的设计和选型，整理得到高速铁路接触网绝缘子干冰清洗设备的总
10、体方案，见图 1。整套干冰清洗车可划分为驾驶室、设备室、作业操作室、喷枪模块、执行机构模块以及铁路平车走行机构。其主要工作原理如下：先通过走行机构，将清洗设备运送到高速铁路接触网支柱的合适位置，然后调整执行结构的位置和高度，将喷枪升到与绝缘子合适的距离，使喷枪能发挥最佳的清洗效果，即可对绝缘子进行清洗维护。2 清洗参数选取2.1 干冰清洗维护效果的影响因素 影响干冰清洗维护效果的因素有很多，但总体上可划分为 3 类：一是绝缘子种类、污垢的种类、污垢的盐密、灰密等；二是清洗维护设备的属性参数，如干冰流量、干冰粒径、干冰颗粒长度以及喷枪的入口压力等；三是清洗过程参数，如喷枪的移动速度、清洗角度、清
11、洗距离等。由于第一类影响因素是固定或者不可控的，因而仅对后两种影响因素进行选取设计。2.2 设备属性参数选取设备属性参数主要包括干冰流量大小Q、干冰的粒径大小d、干冰颗粒的长度l以及喷枪的入口压力大小P等多项。这些参数共同作用决定了干冰颗粒的速度，从而影响清洗效果和效率。为了设置最佳的设备属性参数，设计了表 1 设备属性参数试验方案试验组 P/MPa Q/（kg/min）d/mm l/mm 10.5 0.51320.5 2.0 2530.5 3.53740.7 0.52750.7 2.03360.7 3.5157 0.9 0.5358 0.9 2.0179 0.9 3.523图1 绝缘子清洗维
12、护设备总体方案图2 不同设备属性参数下干冰颗粒速度驾驶室设备室作业操作室喷枪执行机构铁路平车实验组颗粒速度信噪比信噪比颗粒速度/（m/s）150工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工参考文献1 方征广,陈后卫.无动力接触网综合检测车的设计 J.机车车辆 工艺,2022(2):34-36.2 王国志,彭好奇,柯坚,等.溅射水对铁道绝缘子带电水冲洗效 果的影响分析 J.铁道标准设计,2017,61(3):143-147.3 张华荣,冯敏星,徐纲,等.干冰清洗变电站绝缘子试验 J.设 备管理与维修,2021(16):17-18.4 孙彪.机车绝缘子干冰清洗机设计及应用 J
13、.铁道机车与动车,2019(7):44-45+48+7.5 王国志,罗毅,吴文海,等.铁路绝缘子干冰清洗喷枪优化研究 J.机床与液压,2017,45(13):84-87+120.2.3.2 清洗角度的影响不同清洗角度（干冰颗粒轨迹与绝缘子表面的成角）下，距离喷枪口 0.6m 处的干冰颗粒平均速度见图 4。从图4 中可知：随着清洗角度的逐渐增大，干冰 z 方向的速度逐渐减小，而 x 方向的速度逐渐增大。z 方向速度较大时，可实现对绝缘子表面污垢切向清除，效果最好。根据经验，要求干冰的切向速度达到 250m/s，清洗效果最好，因此建议将清洗角度保持在 50以下。此时干冰颗粒 z 方向速度可达 28
14、3322m/s。x 方向速度虽然较小，但也能保证其切向清除效果。2.3.3 清洗距离的影响喷枪口与绝缘子表面不同距离下，干冰颗粒速度和清洗半径变化情况见图 5。从图 5 中可知：随着距离的逐渐增大，干冰颗粒的平均速度逐渐减小，但变化幅度不大。图3 喷枪移动速度对应清洗时间和干冰用量图4 清洗角度对应干冰颗粒速度图5 清洗距离对应干冰颗粒速度和清洗半径转速/（r/s）角度/距离/m时间干冰用量z方向速度x方向速度颗粒平均速度清洗半径信噪比x方向速度/（m/s）清洗半径/mm耽搁绝缘子清洗时间/sz方向速度/（m/s）颗粒平均速度/（m/s）距离为 0.4m 时，干冰颗粒平均速度为 375m/s。
15、距离为 0.7m时，干冰颗粒平均速度为 369m/s。清洗半径随着距离的增大而逐渐增大，从 0.4m 时的72mm 增大至 0.7m 时的 104mm，是由于高速铁路常用绝缘子伞裙半径大小为 97.5mm。因此，喷枪口与绝缘子的最佳距离宜为 0.60.7m，此时清洗半径为 9399mm，基本能覆盖绝缘子，同时避免了干冰颗粒的浪费，降低绝缘子清洗维护的成本。3 结语据不完全统计，接触网绝缘子故障占到高速铁路供电系统故障的 60%80%，因而需要对接触网绝缘子进行定期的清洗维护。对于一些高污染或者特殊污染源的地区而言，常规干冰清洗方式也难以满足相关要求。为了尽量提高清洗效率，降低清洗维护的成本，笔
16、者设计了一套轨道式清洗维护台车，并对影响清洗效果的因素进行了试验论证，选取最佳的设备参数和清洗过程参数。得出如下结论：设备最佳属性参数：喷枪的入口压力P=0.9MPa，干冰流量Q=2kg/min，干冰的粒径d=1mm，干冰颗粒的长度l=3mm，对应的干冰颗粒速度达到了 371m/s。喷枪的移动速度宜保持在 5r/min，此时单个绝缘子清洗时间为7.48s，干冰用量为 0.25kg。清洗角度保持在 50以下，此时干冰颗粒 z 方向速度可达 283322m/s，满足清洗要求。喷枪口与绝缘子的最佳距离宜为 0.60.7m，此时清洗半径为 9399mm，在满足清洗要求前提下，避免干冰浪费，节约了清洗维护的成本。