基于電渦流的道岔綜合監(jiān)測方法研究

常瀏凱 王 昊

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵的運(yùn)行里程越來越長，列車的運(yùn)行間隔越來越小，對地鐵信號設(shè)備的安全性及可靠性提出了更高的要求。目前在城市軌道交通線路中，對道岔及轉(zhuǎn)轍機(jī)的監(jiān)測仍然采用以故障修和計劃修為主的維修模式，這種模式已不能滿足日益繁忙的軌道交通對信號系統(tǒng)的要求。對道岔及轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)測是轉(zhuǎn)變道岔維修維護(hù)模式，使其向著綜合化、智能化方向發(fā)展的主要手段之一。

在整個道岔及轉(zhuǎn)轍機(jī)組成的系統(tǒng)中，衡量設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)，包括牽引點(diǎn)尖軌與基本軌密貼度、尖軌與基本軌斥離度、轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換力、轉(zhuǎn)轍機(jī)工作電壓和電流、振動加速度等。此外，還有一些病害會對道岔密貼造成影響，主要包括：道岔連接點(diǎn)出現(xiàn)松動；爬行影響；溫度影響；繃、卡的影響等。

1 國內(nèi)外道岔監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外的軌道交通系統(tǒng)對于道岔狀態(tài)的實時監(jiān)測高度重視，都開發(fā)了相應(yīng)的道岔監(jiān)測系統(tǒng)。如德國和奧地利的Roadmaster2000道岔監(jiān)測系統(tǒng)，對尖軌位置、轉(zhuǎn)轍機(jī)電流及電壓、牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換力及轉(zhuǎn)換時間、最小輪緣槽、鋼軌縱向力、鋼軌溫度、加熱裝置等，都可以進(jìn)行實時的監(jiān)測；法國的TTMS道岔監(jiān)測系統(tǒng)、俄羅斯的無接觸道岔自動控制器ABKC，對于道岔的監(jiān)測都處于世界領(lǐng)先水平。

在上世紀(jì)90年代，對道岔密貼量的監(jiān)測主要是通過監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)表示桿缺口值，來間接監(jiān)測道岔的密貼程度。然而這種監(jiān)測方式存在著以下的缺點(diǎn)：首先，表示桿缺口是與鎖閉機(jī)構(gòu)、表示用電接點(diǎn)開閉裝置、擠岔監(jiān)督裝置共同設(shè)計在轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接環(huán)節(jié)多；其次，道岔表示桿距道岔尖軌的垂直距離有300mm，且表示桿與表示連桿之間均為活動連接，中間存在著連接間隙，因此在到達(dá)連接終端的表示缺口時，已經(jīng)不能準(zhǔn)確表示密貼值，僅能作為一種限位裝置。

近幾年針對缺口監(jiān)測存在的不足，相關(guān)部門、廠家開發(fā)了新型的道岔密貼監(jiān)測系統(tǒng)，如上海鐵路局利用電磁感應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)對道岔密貼量的直接監(jiān)測。但該方法需要在軌腰上鉆孔，會對既有設(shè)備造成傷害，降低軌道的原有強(qiáng)度。安康電務(wù)段的 “道岔密貼狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)”，在道岔外鎖閉齒輪輸出軸上安裝角度傳感器，通過對道岔密貼瞬間角度的監(jiān)測，實現(xiàn)對道岔密貼量的監(jiān)測。該方法是一種間接測量方式，無法實時、準(zhǔn)確地反應(yīng)道岔的密貼數(shù)值。

此外，目前已研制成功并投入使用的監(jiān)測系統(tǒng)，絕大多數(shù)都是以鐵路或高速鐵路的需求為基礎(chǔ)的，雖然地鐵與鐵路道岔系統(tǒng)有很多相似的地方，但在設(shè)備環(huán)境和使用等方面還存在很大的差異。比如相比于鐵路開放的環(huán)境，地鐵隧道內(nèi)的環(huán)境更為惡略，粉塵等污染更為嚴(yán)重，很多在鐵路上的監(jiān)測手段無法使用。

2 道岔監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

2．1 監(jiān)測方式的選擇

目前常用的工業(yè)測距方法主要有：超聲波、激光、圖像識別以及電渦流4種方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)。激光測距精度高，在密貼量、斥離量的測量上可以達(dá)到0．01mm的測量精度，對電磁干擾不敏感，但對反射面的光潔度、偏轉(zhuǎn)角度等有要求，核心模塊國產(chǎn)化率低，成本高。圖像識別測距方式具有成本低、非接觸并能夠遠(yuǎn)程獲取道岔密貼現(xiàn)場狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，但這2種方式測量精度易受環(huán)境粉塵影響。根據(jù)城市軌道交通道岔運(yùn)用中粉塵大、扳動頻繁等實際情況，雖然電渦流會受到地鐵列車通過時電磁干擾的影響，但其受粉塵、油污影響小的特點(diǎn)，更適用于地鐵的現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境。

2．2 電渦流測距

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，如圖1所示，當(dāng)傳感器探頭線圈通以正弦交變電流i1時，線圈周圍空間會產(chǎn)生正弦交變磁場H1，它使置于此磁場中的被測金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流i2，即電渦流。同時，i2又產(chǎn)生新的交變磁場H2；H2與H1方向相反，并削弱H1，從而導(dǎo)致探頭線圈的等效電阻相應(yīng)地發(fā)生變化。其變化程度取決于被測金屬導(dǎo)體的電阻率ρ，磁導(dǎo)率μ，線圈與金屬導(dǎo)體的距離δ，以及線圈激勵電流的頻率f，因此通過測量阻抗Z就可以反映探頭與被測金屬導(dǎo)體間的距離，從而實現(xiàn)測距。

圖1 電渦流工作原理

應(yīng)用中，將線圈密封在探頭中，線圈阻抗的變化通過前置器轉(zhuǎn)化成電壓輸出。輸出電壓U0與被測距離δ的關(guān)系曲線如圖2所示。圖2中在線性區(qū)中點(diǎn)δ0處 （對應(yīng)輸出電壓U0）線性最好，其斜率（即靈敏度）較大，在線性區(qū)兩端，斜率 （靈敏度）逐漸下降，線性變差。因此作為測距用途的電渦流傳感器就是要利用其線性部分，其量程為δ1至δ2。

圖2 輸出電壓與距離關(guān)系示意圖

2．3 密貼、軌距及軌距監(jiān)測模塊構(gòu)成

針對道岔密貼及軌距監(jiān)測的特點(diǎn)，設(shè)計了安裝于尖軌與基本軌上的監(jiān)測組件。整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，以1組道岔的密貼、軌距及爬行作為1個標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測單元。在1個監(jiān)測單元中道岔密貼與軌距監(jiān)測組件集成在一起作為1個模塊，爬行監(jiān)測組件作為1個單獨(dú)的模塊。

1．密貼及軌距監(jiān)測模塊構(gòu)成。為了能夠盡量真實的反映道岔的密貼狀況，將密貼與軌距監(jiān)測模塊安裝在第1牽引點(diǎn)后的第4個與第5個牽引點(diǎn)之間。整個模塊包含3個部分，尖軌與基本軌上各安裝1個工作參考面作為被測金屬導(dǎo)體，在基本軌下地面上安裝有2個電渦流傳感器。定位與反位各安裝一組此模塊，如圖3所示。

圖3 密貼及軌距監(jiān)測模塊示意圖

圖3的整個模塊中，①②用于反位密貼監(jiān)測，③④用于定位密貼監(jiān)測，①④用于反位軌距監(jiān)測，③②用于定位軌距監(jiān)測。

2．爬行監(jiān)測模塊構(gòu)成。尖軌爬行監(jiān)測模塊安裝在第1牽引點(diǎn)后第3個與第4個軌枕之間。整個模塊包含工作參考面和傳感器2部分，在定位與反位各安裝1組模塊，分別用于監(jiān)測定位與反位的尖軌爬行情況，如圖4所示。

圖4 爬行監(jiān)測模塊示意圖

3 試驗驗證

1．功能測試。為了驗證實際功能，在北京地鐵昌平線西二旗站2號道岔處進(jìn)行了道岔故障模擬試驗，通過手搖道岔的方式，模擬道岔密貼不到位的情況。當(dāng)尖軌與基本軌密貼良好時，系統(tǒng)顯示為道岔密貼；當(dāng)尖軌與基本軌間插入2mm檢查規(guī)尺時，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警；當(dāng)尖軌與基本軌間插入4mm檢查規(guī)尺時，系統(tǒng)發(fā)出超限報警，模擬試驗的結(jié)果顯示系統(tǒng)達(dá)到0．1mm的監(jiān)測精度。

2．性能測試。從2012年開始，具備道岔密貼、爬行及軌距監(jiān)測功能的 “道岔狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)”，在大鐵諸暨站進(jìn)行了長時間的實物測試，得到了大量的試驗數(shù)據(jù)；2014年4月，系統(tǒng)在昌平線沙河高教園站，對結(jié)構(gòu)件的安全性和可靠性進(jìn)行了試驗，累計試驗600h，共完成640次道岔扳動。試驗測試顯示，安裝于軌上和轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的傳感器及安裝結(jié)構(gòu)件，未對既有設(shè)備產(chǎn)生影響，且其自身緊固部件未出現(xiàn)松動，驗證了室外設(shè)備的安全性及可靠性。

2014年8月開始，“道岔狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)”在北京地鐵昌平線西二旗站安裝測試。試驗期間系統(tǒng)準(zhǔn)確記錄了各種參數(shù)的數(shù)值并繪制出了變化趨勢曲線。為了驗證整個道岔監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度，項目組還在西二旗站模擬了道岔缺口、密貼及爬行參數(shù)出現(xiàn)連續(xù)變化、直至故障情況下，監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)值。經(jīng)過試驗，系統(tǒng)達(dá)到0．1mm監(jiān)測精度要求，并在數(shù)值超過預(yù)警及報警門限后進(jìn)行預(yù)警及報警。

在試驗期間，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測道岔在更換尖軌后出現(xiàn)密貼值偏大超過預(yù)警門限值情況，由于及時發(fā)現(xiàn)潛在故障隱患，使得維護(hù)人員根據(jù)數(shù)值在故障發(fā)生前將故障排除，達(dá)到了預(yù)防故障的目的。

4 結(jié)論

為了對道岔進(jìn)行在線監(jiān)測，基于電渦流測距的道岔密貼、軌距及爬行的監(jiān)測方法，在北京地鐵運(yùn)營壓力最大的昌平線西二旗站2號道岔進(jìn)行了驗證和測試。試驗結(jié)果表明，該監(jiān)測方法在不改動既有設(shè)備的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)對道岔的密貼、爬行及軌距狀態(tài)的精確測量，其安裝結(jié)構(gòu)的可靠性能夠經(jīng)受住極大運(yùn)營壓力的考驗，為道岔維護(hù)的遠(yuǎn)程化、自動化提供了新的方法。

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