激光在道岔尖軌位移監(jiān)測裝置的研究

趙睿

【摘要】尖軌是道岔機構(gòu)與列車接觸最直接、最關(guān)鍵、最薄弱的部位，其工作狀態(tài)好壞是決定列車能否正常安全運行的重要因素之一。本文利用激光測距技術(shù)對道岔尖軌的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自動監(jiān)測，記錄尖軌正反位密貼的靜態(tài)值和動態(tài)瞬時值，記錄尖軌正反位斥離的靜態(tài)值和動態(tài)瞬時值。記錄分析數(shù)據(jù)可為運營技術(shù)人員提供尖軌運行是否正常的有效判據(jù)。同時，在保障列車安全運行的基礎(chǔ)上，其監(jiān)測數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)轍機故障檢測、道岔維修計劃安排和道岔安裝調(diào)試具有借鑒和應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】道岔尖軌；激光測距；自動監(jiān)測

1研究背景

地鐵高速、高密度行車線路不斷增加，使得道岔線路應(yīng)用更多、更廣、更復(fù)雜。道岔是軌道設(shè)備的重要組成部分，它具有數(shù)量多、構(gòu)造復(fù)雜、使用壽命短、限制列車速度、行車安全性低、養(yǎng)護(hù)維修投入大等特點，所以其工作狀態(tài)好壞是決定列車能否正常運行的重要因素之一。目前廣州地鐵折返道岔使用頻率之高，運行高峰時道岔尖軌操動達(dá)到1次/2分鐘，這對道岔日常保養(yǎng)提出了更高的要求。道岔尖軌位移監(jiān)測裝置的研究就是為道岔的日常使用、保養(yǎng)提供有力的技術(shù)保障。

道岔與列車接觸最直接、最關(guān)鍵、最薄弱的部位是尖軌尖部。開展道岔尖軌狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的研制，可以對道岔的工作過程及位置狀態(tài)及時檢測，為技術(shù)人員提供實時的可靠判據(jù)，并做出相應(yīng)正確的安全措施。同時根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，可以間接反應(yīng)轉(zhuǎn)轍機的運動工況和部分故障。最后監(jiān)測數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)轍機故障檢測、道岔維修計劃安排和道岔安裝調(diào)試中也具有借鑒和應(yīng)用價值。

作為地鐵非常重要的關(guān)鍵部件，一直以來，相關(guān)專家都做了相當(dāng)系統(tǒng)深入的研究?？傮w方向有幾個方面，且有部分相關(guān)設(shè)備。如表1所示：

首先國內(nèi)的這些現(xiàn)有產(chǎn)品基本都是通過監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機的相關(guān)參數(shù)，從而間接的監(jiān)測道岔的運行工況。這就要受轉(zhuǎn)轍機表示桿間隙調(diào)整的影響。但是要保障列車安全運行，就必須選擇最能代表牽引點間隙變化的部位。道岔與列車接觸最直接、最關(guān)鍵、最薄弱的部位是尖軌尖部。直接檢測尖軌與基本軌間的間隙，可不受轉(zhuǎn)轍機表示桿缺口間隙調(diào)整的影響，對應(yīng)關(guān)系更加準(zhǔn)確。

其次雖然接觸式測量不需要考慮電磁環(huán)境干擾，簡化測量機構(gòu)。但它只能對尖軌密貼是否“到位”給出“通”與“不通”的“開關(guān)”信號，不能反映密貼時間隙的連續(xù)變化、變動幅度和頻率。而且作為接觸式測量，必然會有機械磨損，使用一定時間后影響檢測精度。同時還有接觸的感應(yīng)型傳感器線性檢出范圍一般小于10mm，用于檢測密貼變化尚可，但是檢測斥離和轉(zhuǎn)轍過程則量程不夠。

分析前面所提各類型應(yīng)用監(jiān)測方法、監(jiān)測對象的監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測的指標(biāo)基本都是靜態(tài)物理量測量。雖然檢測了道岔轉(zhuǎn)轍密貼和斥離兩靜態(tài)量，但是并不能體現(xiàn)道岔在轉(zhuǎn)轍過程中的松動、繃和卡等過程現(xiàn)象；不能通過過程量的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機或道岔的潛在安全隱患；不能通過過程量的監(jiān)測來實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機或道岔全面工況分析研究，進(jìn)而有效保障機車安全運行。所以怎樣反映尖軌動作過程形態(tài)，也是本文研究解決的問題。

2 系統(tǒng)構(gòu)架及檢測原理

2.1主要研究內(nèi)容

基于激光三角測距技術(shù)，實現(xiàn)了道岔尖軌運行狀態(tài)與密貼情況監(jiān)測設(shè)備的研制。設(shè)備主要獲取道岔在操動過程中尖軌起始狀態(tài)位置數(shù)據(jù)和尖軌位移隨時間的變化規(guī)律。并通過專用軟件分析判定尖軌密貼程度和尖軌的潛在安全隱患，保障機車安全運行。

2.2技術(shù)特點

通過與國內(nèi)現(xiàn)有道岔監(jiān)測方法的分析比較，本監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特點：

1）直接監(jiān)測尖軌尖部，因為它是道岔與列車接觸最直接、最關(guān)鍵、最薄弱的部位，直接檢測尖軌尖部與基本軌間的間隙，可不受轉(zhuǎn)轍機表示桿缺口間隙調(diào)整等各方面的影響；

2）為尖軌密貼、斥離及轉(zhuǎn)轍過程動靜態(tài)檢測而設(shè)計的專用儀器，其自身任何故障不影響道岔正常動作，其采集數(shù)據(jù)，不對道岔控制系統(tǒng)作出任何指令和影響運行；

3）為規(guī)避交叉干擾，儀器不附設(shè)于現(xiàn)有任何設(shè)備，首選非接觸檢測方法，儀器結(jié)構(gòu)簡單，受環(huán)境溫差影響小，安裝方便，調(diào)整容易；

4）能同時監(jiān)測、記錄尖軌正、反位密貼、斥離靜態(tài)值和動態(tài)瞬時值，能自動檢出或消除尖軌跳動對密貼檢測結(jié)果的影響，可適應(yīng)電氣化鐵路站場電磁環(huán)境；

5）檢測結(jié)果可間接檢測轉(zhuǎn)轍機、轉(zhuǎn)轍聯(lián)動機構(gòu)的工作情況，為機車安全運行增加雙保險；

6）通信方式可靠、靈活，施工工程量小；

7）分析、處理軟件齊全，使用便捷。

2.3技術(shù)方案

2.3.1技術(shù)參數(shù)

1）激光位移傳感器測量距離范圍初定220～360mm（結(jié)合多種尖軌位置和運動行程設(shè)計）

2）距離測量誤差≤0.2mm/360mm

3）時間響應(yīng)0.1ms

4）傳感器供電電壓DC24V

5）工作溫度-35℃～+75℃；

6）工作濕度95%（+40℃）；

7）狀態(tài)檢測兌現(xiàn)率不小于95%

8）傳感器的防振設(shè)計（包含傳感器安裝位道岔的振動測試）

2.3.2監(jiān)測方案

左右兩根尖軌各安裝一個位移傳感器，位移傳感器用于檢測尖軌的運動軌跡以及起、始的停靠位置。安裝位置所示。

在轉(zhuǎn)轍電源指示信號電源處安裝互感器用于檢測尖軌運動的開始與結(jié)束，當(dāng)互感器檢測到尖軌開始運動時，檢測裝置開啟，兩個位移傳感器以及數(shù)字/模擬擴展模塊同時觸發(fā)啟動。位移傳感器將位移信息轉(zhuǎn)化為電流信號傳輸?shù)綑z測裝置信號處理模塊，信號經(jīng)信號處理模塊轉(zhuǎn)換后輸入到數(shù)字、模擬擴展模塊進(jìn)行采集。檢測裝置根據(jù)數(shù)字、模擬擴展模塊采集的數(shù)據(jù)生成尖軌的位移波形數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫并在顯示終端顯示。當(dāng)互感器檢測到尖軌運動結(jié)束后，檢測裝置延時一定的時間段后，檢測裝置關(guān)閉檢測，等待下一次啟動。若在測量過程中發(fā)現(xiàn)尖軌異常情況，裝置發(fā)出聲光報警并記錄異常數(shù)據(jù)。工作原理如圖2所示。

2.3.3檢測裝置

檢測裝置由可編程控制器、數(shù)字/模擬擴展模塊、信號處理模塊以及各類線性電源等主要部件組成，具有高度集成、易于維護(hù)、便于安裝、體積小、可擴展功能等特點。

數(shù)字/模擬擴展模塊用于采集各種模擬、數(shù)字信號，具有多路模擬信號輸入、多路數(shù)字信號輸入和輸出接口，能夠快速地完成多路模擬數(shù)字信號的任務(wù)，并發(fā)送和接收各種控制信號，有很好的擴展性能。

可編程控制器用于信號控制，信號采集記錄，數(shù)據(jù)庫管理，顯示與通信號任務(wù)。它具有體積小，功率低，兼容性好，處理速度較快等特點。

信號處理模塊用于位移傳感器輸出信號的放大與轉(zhuǎn)換。位移傳感器輸出為4～20mA的電流信號，要輸入到數(shù)字、模擬擴展模塊，就必須要進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換以及放大，才能適合數(shù)字、模擬擴展模塊的采樣。信號處理模塊將電流信號經(jīng)過采樣電阻通過運算放大器濾波放大后轉(zhuǎn)化成0～10V電壓輸出。

2.3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，繪制尖軌運行位移時間曲線圖。曲線的起、止位置，直觀反應(yīng)了尖軌的密貼和斥離情況。兩采集電壓曲線，直觀記錄了尖軌從靜止、運動、到位的過程。尖軌一端斥離一端密貼，互相對應(yīng)。

然后我們對曲線圖做頻譜分析和噪音功率譜統(tǒng)計。利用頻譜分析和功率譜的統(tǒng)計去除雜波，根據(jù)尖軌運行軌跡的頻率分布，我們可以判定其是否松動，和其運動中的“繃、卡”現(xiàn)象。然后把每次分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到動、靜物理量的歷史記錄。具體如下5個指標(biāo)：

1）密貼、斥離數(shù)據(jù)：監(jiān)測尖軌尖部密貼和斥離位置數(shù)據(jù)，確定轉(zhuǎn)轍過程是否符合安全行駛要求；

2）松動：抖動或者運動時間位移線表現(xiàn)出尖軌過快密貼或斥離，或者有滯后延遲等。說明轉(zhuǎn)轍機構(gòu)出現(xiàn)問題，提醒檢修；

3）繃、卡：即合同中所說的道岔運行過程尖軌機構(gòu)是否協(xié)調(diào)?！翱嚒笔辜廛壪蚧拒壝苜N時的阻力發(fā)生變化，除設(shè)定的彈性變形力外，額外產(chǎn)生脫離密貼位置的反力，這種情況普遍存在，且不易發(fā)現(xiàn)；“卡”發(fā)生在尖軌與基本軌的作用邊，因肥邊、尖軌拱腰、滑床板磨損和變形嚴(yán)重等，造成尖軌轉(zhuǎn)換不到位，無法密貼，不能正常鎖閉及解鎖的故障。運動時間位移線表現(xiàn)為斜率突然減小或連續(xù)抖動，轉(zhuǎn)轍時間延長甚至不能達(dá)到轉(zhuǎn)轍位置。

4）兩靜態(tài)位置的歷史記錄：作為道岔運動的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，長期積累分析后可對道岔的安裝、維護(hù)保養(yǎng)、檢修等做出指導(dǎo)性意見。

5）動態(tài)動作過程的歷史記錄：也是作為道岔運動的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，長期積累分析后可對道岔的安裝、維護(hù)保養(yǎng)、檢修等做出指導(dǎo)性意見。

2.3.5軟件主要功能

用戶軟件的開發(fā)，充分考慮了用戶的使用需求，其功能如下：

（1）系統(tǒng)登錄功能

（2）用戶管理：系統(tǒng)管理員可以創(chuàng)建、刪除用戶并設(shè)置用戶對系統(tǒng)具體的操作權(quán)限；用戶管理權(quán)限：將用戶分為三級即來賓、操作員、管理員，來賓權(quán)限最低，只能進(jìn)行報表瀏覽、查詢歷史報表和故障報表；操作員級權(quán)限中等，除具有來賓權(quán)限外，還可以進(jìn)行報警確認(rèn)；管理員為最高用戶，能夠完成系統(tǒng)的所有操作，包括刪除、添加用戶，管理登陸日志、修改系統(tǒng)參數(shù)，故障確認(rèn)報警等。

（3）日志管理：系統(tǒng)日志信息，包括登陸日志和操作日志。

（4）系統(tǒng)設(shè)置：系統(tǒng)設(shè)置主要包括開始的系統(tǒng)初始值，儲存設(shè)置，還有后續(xù)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析比對后，對系統(tǒng)報警閥值修改等。

（5）故障查看

A股道道岔平面圖故障顯示

道岔尖軌工況監(jiān)測系統(tǒng)主界面根據(jù)不同檢測點繪制股道道岔平面圖.利用紅綠燈顯示工作正常和故障報警。軟件界面分別顯示“無過車狀態(tài)”、“計劃過車路線”、“道岔無故障狀態(tài)”、“道岔故障報警狀態(tài)”四種狀態(tài)。其中計劃過車路線在設(shè)備研制初期不做顯示，因為計劃運行線路需要從車場調(diào)度處提取信息，在初期研制階段需避免干涉。但是計劃過車線的顯示仍作為后續(xù)優(yōu)化的內(nèi)容。

故障報警詳細(xì)界面

如果股道道岔圖顯示故障報警，那么點擊故障道岔圓點，將顯示故障報警界面。故障報警界面包括密貼報警（是否密貼），斥離報警（是否斥離），抖動超限報警（是否卡、繃），轉(zhuǎn)轍超高速報警（是否松動），轉(zhuǎn)轍超低速報警等。其報警閥值可根據(jù)實際情況系統(tǒng)設(shè)定。

（6）檢測數(shù)據(jù)查詢界面

通過鼠標(biāo)雙擊道岔號可變換需要觀察的道岔信息，窗口顯示尖軌的密貼與斥離兩靜態(tài)位置檢測值，窗口顯示尖軌運動的變化連續(xù)曲線，并顯示加速度。

（7）歷史查詢功能

歷史查詢功能包括兩個：尖軌兩靜態(tài)位置的歷史變化，尖軌動作過程的歷史變化。

3小結(jié)

本文詳細(xì)總結(jié)分析了道岔尖軌監(jiān)測的技術(shù)方案。在其基礎(chǔ)上研制了基于激光測距的道岔尖軌監(jiān)測裝置。再增加了相應(yīng)的采集，分析軟件及相關(guān)安裝、供電、防護(hù)等附件。通過現(xiàn)場實際采集曲線觀察分析，本裝置直接有效反應(yīng)了道岔尖軌運行工況，準(zhǔn)確記錄尖軌密貼、斥離的靜態(tài)值及其運動動態(tài)值。同時正在建立尖軌運動數(shù)據(jù)庫，分析其變化趨勢。此項技術(shù)成功應(yīng)用在保障機車安全運行方面有大的實用價值。

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