轉轍機綜合監(jiān)測的需求及方法研究

鮑才讓太，莫重明，翟文革，丁召榮

（1.中國鐵路青藏集團有限公司電務部，西寧 810006；2.通號（西安）軌道交通工業(yè)集團有限公司工業(yè)研究院，西安 710100；3.西安鐵路信號有限責任公司，西安 710100）

1 概述

隨著我國鐵路運輸的發(fā)展，尤其高速鐵路的快速發(fā)展，道岔轉換設備的發(fā)展也取得長足的進步，上線運行的設備和系統(tǒng)越來越多，運輸業(yè)務對道岔轉換設備的依賴性也越來越高。由于所處位置的特殊性及所處環(huán)境的惡劣性，道岔轉換設備的故障率在鐵路運輸設備總故障中所占比例明顯高于其他類別設備或系統(tǒng)。道岔轉換設備的故障直接影響運輸效率、運輸秩序甚至運輸安全，并且道岔轉換設備由于所處位置距離車站較遠，且不能隨意接近，故障的處理比較耗時，很容易造成故障升級。

為保證設備可靠性，通常需要對設備進行及時的維護和預防性維修。不適當的維護包括過度維護、無效維護或維護不足。過度維護和無效維護造成資源的浪費，提高使用成本，維護不足會造成設備故障率升高，壽命下降，加大故障風險。可見，對設備的適當維護和適時的預防性維修能以較小的成本保證設備的可靠性。

適當維護和適時的預防性維修得以實施的前提條件是長期的使用經驗結合應用現(xiàn)場的實際環(huán)境條件，并且需要及時掌握設備的運行情況，也就是說設備運行狀態(tài)的基礎數據是能實施適當維護和適時預防性維修的前提條件之一，也是設備智能化的前提條件。

對于道岔轉換設備，尤其是轉轍機，增強其狀態(tài)感知能力，實現(xiàn)其運行狀態(tài)的綜合監(jiān)測，不但是實現(xiàn)維護和預防性維修適時有度的數據基礎，也是實現(xiàn)轉轍機智能化的基礎。

2 研究現(xiàn)狀及問題

對鐵路運營設備的工作狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)測，長期以來是國內外鐵路運輸設備供應商競相研究的課題，多種運營設備的監(jiān)測系統(tǒng)或監(jiān)測設備目前都得到運用，如電源屏智能監(jiān)測、信號集中監(jiān)測等。由于道岔轉換設備的特殊性和重要性，也有多家廠商對其監(jiān)測進行研究，并有產品上道應用。

2.1 道岔轉換設備相關監(jiān)測研究現(xiàn)狀

法國科吉富公司研發(fā)道岔監(jiān)測及道岔環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)用于其高速道岔。德國BWG 公司采用其母公司（VAE 公司）提供的Roadmaster2000 道岔監(jiān)測系統(tǒng)，對道岔的監(jiān)控數據包括：尖軌的位置、轉轍機的電流、電壓、拉力、轉換時間、最小輪緣槽、鋼軌徑向力、鋼軌溫度和加熱裝置，并對信號系統(tǒng)和軌道電路做同步監(jiān)測。這兩家公司的高速道岔均在我國高鐵線路上有應用，但其監(jiān)測設備在我國未見應用。其思路均為對道岔參數進行監(jiān)測，以掌握道岔運行情況，降低道岔故障率。

北京全路通信信號研究設計院集團有限公司研究設計道岔轉換設備故障診斷與預測系統(tǒng)，其目標是在線監(jiān)測道岔轉換設備的運行狀態(tài)，對故障進行實時診斷和精確定位，為實現(xiàn)故障診斷與健康管理提供支撐。

也有一些廠商針對轉轍機“卡缺口”故障高發(fā)的實際情況，研發(fā)缺口監(jiān)測系統(tǒng)，用于對轉轍機缺口數值超標進行預警報警。目前，上道應用的缺口監(jiān)測系統(tǒng)主要有視頻圖像方法、非接觸電磁式、碰珠式等。由于應用效果明顯，轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)近年應用比較廣泛。

卡斯柯信號有限公司等信號集中監(jiān)測廠商利用轉轍機工作電流、電壓等數據，對轉轍機電源輸出功率進行監(jiān)測，希望以此判斷轉轍機載荷大小。由于實施方便，目前也得到比較廣泛的應用。

2.2 存在的問題

上述的以道岔相關參數為監(jiān)測目標的設備或系統(tǒng)由于傳感器使用環(huán)境限制，或者會對道岔維護產生一定影響等原因，目前其應用并不廣泛。

轉轍機缺口監(jiān)測系統(tǒng)功能單一，主要預警卡缺口故障，對其他類型故障不能預警報警，如電機轉速不正常、摩擦力與轉換阻力不匹配、轉轍機反彈過大等。同時，各種缺口監(jiān)測系統(tǒng)由于系統(tǒng)特點，也存在一定的缺憾，如碰珠式缺口監(jiān)測為接觸式監(jiān)測，存在自身故障率高或者誘發(fā)轉轍機故障率增大的問題，近年其應用明顯減少。視頻監(jiān)測系統(tǒng)傳輸數據量大，攝像頭抗污染及抗振動差，清潔鏡頭的維護工作量大。若缺口數值在上位機計算，則進行缺口調整維護工作時，需詢問室內缺口數值。

非接觸磁電式缺口監(jiān)測系統(tǒng)利用磁電傳感器監(jiān)測缺口數值，抗污染，不與被監(jiān)測零件接觸，近年應用較多，發(fā)展前景比較好。

現(xiàn)有轉轍機功率監(jiān)測是對電源輸出功率的監(jiān)測，包含輸電線路消耗及轉轍機輸入功率，對于交流轉轍機，不能簡單的由電源輸出功率大小來判斷轉轍機的輸出功率大小。現(xiàn)有的轉轍機功率監(jiān)測數值對同一臺轉轍機在同一安裝位置進行縱向定性對比有一定參考意義，不同安裝位置的橫向對比和定量的研究會產生較大誤差。

3 轉轍機綜合監(jiān)測需求

目前道岔轉換設備中，轉轍機具有良好的防護殼體，且是道岔轉換設備的動力源及狀態(tài)檢查器，部分道岔轉換設備的故障與其有比較高的關聯(lián)性，在轉轍機內部設置監(jiān)測器材，具有較高的可行性及現(xiàn)實意義。

轉轍機的主要功能是轉換并鎖閉道岔或者牽引外鎖閉裝置實現(xiàn)轉換道岔，檢查并指示道岔位置、狀態(tài)，其對道岔或外鎖閉的轉換需要輸出轉換力及轉換行程，對道岔位置、狀態(tài)的檢查依靠機內機械結構的運動，對道岔的鎖閉通過轉轍機內部的鎖閉機構執(zhí)行，對道岔位置、狀態(tài)的指示通過機械結構控制機內接點的接通、斷開來進行。因此其運行狀態(tài)監(jiān)測主要應包含以下內容。

1）動作桿輸出的功率及動作桿的實時位置，其可測參量為動作桿的轉換力及動作桿的位移，通過位移變化計算速度，動作桿速度和轉換力之積就是功率。

2）鎖閉機構的鎖閉量或者鎖閉深度，由各型轉轍機的鎖閉機構決定，如ZD9/ZDJ9 轉轍機可用推板套停止位置與斷表示位置的距離表示。

3）接點轉換結構的轉角或角度位置，或者控制接點轉換的關鍵零件位置，ZD9/ZDJ9 轉轍機及使用同類接點機構的轉轍機可對動接點角度位置進行測量。

4）動接點處于接通位置時的接點電阻數值、接點壓力數值。

5）轉換過程表示桿行程及鎖閉時停止位置，或者需要檢測表示桿的實時位置。

對這些運行狀態(tài)參數進行檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)轉轍機的異常，并及早預警，使設備在故障發(fā)生前得到維修。對于突發(fā)故障，有利于準確定位故障點，壓縮故障處理時間。

4 ZD9/ZDJ9轉轍機綜合監(jiān)測的實現(xiàn)

4.1 傳感器及安裝結構的限制

針對轉轍機綜合監(jiān)測的需求，分析其可行性，以ZD9/ZDJ9 轉轍機為例進行設計實現(xiàn)。

前述轉轍機監(jiān)測需求中，除動作桿轉換力、接點電阻數值、接點壓力數值外，其余均為位移或運動的監(jiān)測，并且其運動形式主要是旋轉運動和往復運動，因此，對此類零件的運動監(jiān)測主要是采集其線性位移或角位移及其對應的時刻，從而得到其位移時間曲線，進而通過計算可以得出其速度時間曲線和加速度時間曲線。這樣就可以了解被監(jiān)測件的運動特性，并部分了解其動力特性，對這些信息的分析可以發(fā)現(xiàn)運動過程的異常，從而對故障預警，也可以在故障后提供分析數據，以確定故障發(fā)生原因。

轉轍機動作桿轉換力的監(jiān)測需使用拉壓傳感器或者以應力監(jiān)測方式進行，這均會改變轉轍機動作桿的結構，正在進行相關研究，暫時難以實現(xiàn)監(jiān)測。接點電阻及接點壓力的監(jiān)測目前尚無成熟且經濟的非接觸檢測方法，而使用導線接入檢測設備的方法由于難以解決安全問題而不可行，故目前難以實現(xiàn)接點電阻及接點壓力的監(jiān)測。

線性位移和角位移均有非接觸測量方法，其中磁阻式位移傳感器已經用于缺口監(jiān)測，使用中其抗油污性能良好，且滿足-40 ～70℃環(huán)境使用要求，能滿足轉轍機的工作環(huán)境要求。

溫濕度傳感器、三軸加速度傳感器等已經有在轉轍機中應用的案例，故這些傳感器可以在轉轍機中可靠應用，實現(xiàn)對應的監(jiān)測功能。

針對具體轉轍機型號設計時，除了需有可應用的傳感器之外，安裝結構需考慮對轉轍機RAMS 指標的影響，如加工安裝所需的結構后不能明顯降低零件強度，傳感器等器件安裝后不能影響各零件運動與動作，更不能影響轉轍機功能，所有新增加的器件和零件不能明顯降低轉轍機原有功能的可靠性，監(jiān)測功能所新增加的器件、零件故障后不影響轉轍機原有功能。

4.2 ZDJ9轉轍機可監(jiān)測項點

應用前述傳感器，以ZD9/ZDJ9 轉轍機為例，可以對以下項點進行監(jiān)測。

電機運動參數監(jiān)測：檢測電機轉動圈數及實時轉速，可以掌握電機工作狀態(tài)及電機負載情況。

動作桿運動參數監(jiān)測：檢測動作桿位移，實時位置及速度，可以掌握轉轍機狀態(tài)及外鎖閉狀態(tài)（是否鎖閉、是否轉換中、是否進入鎖閉），可根據設定閾值對轉換過程的卡阻及阻力過大進行預警報警。

動作板（對應推板套）運動參數監(jiān)測：檢測動作板（推板套）位移，實時位置及速度，可以掌握轉轍機狀態(tài)（是否鎖閉、是否轉換中、是否進入鎖閉）及鎖閉之后的鎖閉可靠性（以停止位置與斷表示位置的距離為指標），可根據設定閾值對鎖閉可靠性降低進行預警報警，對轉換過程的卡阻及阻力過大進行預警報警。

表示桿運動參數監(jiān)測：檢測表示桿位移，實時位置及速度，在轉轍機鎖閉狀態(tài)檢測密貼缺口數值及斥離缺口數值，可根據設定閾值對指定側缺口過小或過大進行預警報警，對表示桿行程變化進行預警報警。

動接點軸（對應動接點）轉動參數監(jiān)測：檢測動接點軸角位移，實時角度及角速度，可以掌握動接點組接通靜接點組的情況及動接點組轉換的速度，可根據設定閾值對動接點轉換遲滯故障進行預警、報警。

轉轍機內部溫度、濕度監(jiān)測：掌握轉轍機內部環(huán)境溫度及濕度，可根據設定閾值提醒及時維護。

轉轍機三軸加速度數值監(jiān)測：掌握轉轍機的振動情況，可根據設定閾值提醒及時維護。

以動作桿位移監(jiān)測參數為例，簡單說明其應用。轉轍機轉換過程發(fā)生卡阻時，查看動作桿位移，若動作桿位移為零，則轉轍機內部卡阻，轉轍機不能解鎖。若轉轍機動作桿位移量不足20 mm 或30 mm，則外鎖閉裝置卡阻，外鎖閉不能解鎖，也就是說，通過檢測到的動作桿實時位移或位置，對于道岔轉換中卡阻及外鎖閉不能鎖閉，轉轍機不能鎖閉等故障，均可根據動作桿卡阻時所處位置進行分析判斷并準確定位，有利于及時解決故障，縮短排除故障所花費的時間。

4.3 監(jiān)測樣例

制作轉轍機監(jiān)測設備樣機，并在ZDJ9 轉轍機上安裝測試。定義動作桿右伸轉轍機以動作桿拉入鎖閉位置為初始位置（0 位移位置），動接點接通1排或4 排靜接點位置為對應動接點的初始位置（0角度位置），動作桿動程為220 mm 的轉轍機從伸出鎖閉轉換到拉入鎖閉的轉換行程各零件位移或轉角測得數據曲線如圖1 所示，圖1 中位移單位為mm，動接點轉角單位為度，電機轉角單位為圈。

從圖1 可見，本例中，連接左表示桿的尖軌行程約160 mm，連接右表示桿的尖軌行程約170 mm，兩者相差10 mm，道岔兩側開口值偏差過大。各零件開始位移及結束時刻，動接點轉動開始及結束時間均可以查出對應具體時刻，進而計算得出各過程消耗時長。通過表示桿位移數據可以計算得出轉轍機鎖閉時密貼缺口及斥離缺口的規(guī)定側間隙數值，也可以將其數值隨時間變化曲線繪出。

對位移數據進行計算處理，可以得出各零件速度，對應圖1 的拉入行程中各運動零件速度如圖2所示。

從圖2 可以看出，本次動作，接點斷開和接通速度很大，且接通時速度明顯大于斷開時速度，接點轉換正常，各桿件被推板套驅動，轉換過程速度與推板套速度基本相同。左表示桿連接的尖軌處于斥離位，先開始運動，右表示桿連接的尖軌處于密貼位，將其開始運動時的速度和動作桿速度比較可以判斷道岔反彈情況。本測試例中，外鎖閉使用滾動鎖閉框結構，左表示桿停止運動前速度的變化符合該鎖閉機構的結構特點。電機斷電后仍有慣性，振蕩動作后停止。結合圖1 和圖2 可以確定各種特征時刻的位置（位移）和速度參數。

圖1 轉轍機拉入行程各零件位移或轉角曲線Fig.1 Displacement or rotation angle curve of each part in pull-in stroke of switch machine

圖2 轉轍機拉入行程各零件速度或轉速曲線Fig.2 Speed curve of each part in pull-in stroke of switch machine

使用軟件對各參數與設定閾值進行比照，可以在超出閾值時產生預警、報警信息，提示維護人員進行處理。進一步對大量歷史數據進行分析處理，可以發(fā)掘深層次的關系和規(guī)律，為轉轍機乃至道岔轉換設備及道岔的健康診斷及故障預測，維護維修計劃提供基礎數據。

5 小結

通過分析研究，根據轉轍機監(jiān)測的實際需求和現(xiàn)有技術條件下所能采取的技術手段，在保證轉轍機基本功能的前提下，得出具有可行性的轉轍機監(jiān)測項點，并以ZD9/ZDJ9 轉轍機為例進行了實施，可以實現(xiàn)預計的監(jiān)測功能，并根據監(jiān)測數據可以實時掌握轉轍機的狀態(tài)及運動情況，設定合理閾值后可以對轉換過程及鎖閉后的部分故障進行預警、報警。

由于對多個有一定關系的運動零件實現(xiàn)了基礎數據的實時監(jiān)測采集，結合大數據和人工智能算法，理論上能實現(xiàn)一定程度的故障預測及健康診斷，因此根據轉轍機運行過程采集到的基礎數據，挖掘數據之間的相互關系及各種規(guī)律，以實現(xiàn)對轉轍機的故障預警、維護維修指導、健康診斷，最終改善轉轍機的可靠性、可用性，甚至提高其安全性是進一步的工作目標。