道岔基坑抽水裝置控制電路研究

楊 進，王 青，張 璟

（1.南京鐵道職業技術學院 通信信號學院，副教授，江蘇 南京 210035；2.揚州大學農學院，碩士研究生，江蘇 揚州 225009；3.蘇州市軌道交通集團有限公司運營一分公司 工務通號中心，工程師，江蘇 蘇州 215100）

我國東部地區受到海洋性季風氣候影響，夏季濕熱多雨，尤其是在梅雨季節，地鐵正線隧道內道岔基坑極容易積水。積水來源主要有道床沖洗水、隧道結構滲漏水及消防廢水等。轉轍機基坑內的積水如不能及時排出，積水會進入轉轍機內部甚至漫過轉轍機，而轉轍機與基礎角鋼、基礎角鋼與鋼軌之間均有絕緣墊片，由于隧道積水略偏堿性，積水會導致絕緣性能降低，回流電流從鋼軌向轉轍機泄露，對角鋼、轉轍機等產生電腐蝕；轉轍機也會因浸泡在水中不能正常工作，造成信號失表，進而影響地鐵正常運營，引發運營事故。正線整體道床完工交付以后，排水系統長年有鈣化物質沉積，導致排水不暢，再進行基坑排水整治，需要“工電聯整”，破壞道床，且難度較大。

因此設計了一種新型道岔基坑排水裝置，由蓄電池供電，將坑內的積水抽到附近的排水溝，既能代替人工排水，又能避免“工電聯整”，且維護極少，成本低。

1 道岔抽水裝置安裝

抽水裝置用來控制轉轍機角鋼下，基坑內積水的高度，通過抽水管將基坑內的積水排到排水溝內，防止積水侵蝕轉轍機。積水過程是連續且緩慢的，在水位較低時，并不需要抽水裝置工作，只有在積水位置較高時，裝置才啟動，執行排水任務。圖1為排水裝置安裝圖。

圖1 排水裝置安裝示意圖

道岔抽水裝置控制電路安放在道岔基坑附近，在道岔基坑內設置兩個水位傳感器，分別是低位傳感器和高位傳感器。為了保護抽水電機，避免電機短時間內反復啟動，只有當積水同時淹沒兩個傳感器的情況下，抽水電機才啟動。此時排水管不斷將轉轍機基坑內的水抽到附近工務排水溝內，直到積水水面低于低位傳感器位置，電機停止工作。

因此，在現場布置傳感器時，低位傳感器放置在基坑底部，高位傳感器放置在轉轍機底殼附近，就能夠將水位控制在轉轍機底殼以下位置。傳感器選用小型液位浮閥傳感器，對電路來說，傳感器可視為接點，被淹沒時，接點閉合，方便電路邏輯設計。且浮閥結構簡單，工作可靠，成本低，方便安裝更換。

2 道岔抽水裝置控制電路

為了應對不同的應用場景，設計了三款不同原理的道岔抽水裝置控制電路，功能有所相同，但各有特點。

2.1 繼電器抽水裝置控制電路

繼電器抽水裝置主要由小型彈簧式繼電器構成，繼電器J1 為低位浮閥繼電器，J2 為高位浮閥繼電器，J3為保持繼電器。圖2為電路原理圖。

圖2 繼電器抽水裝置電路圖

當低位浮閥接點K2 閉合，繼電器J1 吸起，其接點J1-J閉合。

當高位浮閥接點K3 閉合，繼電器J2 吸起，J2-J接點閉合。此時，保持繼電器J3 得電吸起，接點J3-J閉合，同時，電機M1啟動，開始排水。

當水位下降到高位浮閥傳感器以下，繼電器J2失電落下。由于保持繼電器J3 線圈兩端電容C1 的作用，繼電器緩動，通過接點J3-J 構成的回路，繼電器J3 保持吸起，維持抽水電機的供電，裝置繼續抽水。

當水位下降到低位浮閥以下，浮閥接點K2 斷開，繼電器J1 失電落下，J1-J斷開，繼電器J3 和電機M1失電，裝置停止工作。

該電路由繼電器構成，結構簡單。繼電器抗干擾能力強，所以該電路性能可靠。缺點是控制系統體積較大，并且如果繼電器選型不當將導致系統功耗較大；如果選用機械式繼電器，在潮濕環境下接點組易氧化，因此需要選擇小功率固態繼電器。該控制電路系統適用于可以提供遠程供電的場景。

2.2 觸發器抽水裝置控制電路

與繼電器設計的抽水裝置不同，觸發器抽水裝置采用以D觸發器為核心，功耗低，續航能力更強。

當D 觸發器的復位端M（—）R（—）（低電平有效）為高電平時，時鐘腳CP 觸發信號有效，輸出端Q的電平跟隨輸入端D 的電平。電路原理圖如圖3 所示。

圖3 觸發器抽水裝置電路圖

低位浮閥的接點K1 和施密特觸發器輸入端相連。在水位較低，低位浮閥接點K1 未閉合的情況下，施密特反相器輸出低電平，D 觸發器復位端MR有效，觸發器輸出為低電平，后級三極管不導通，繼電器接點J1-J斷開，電機不工作。

當基坑內水位上升，淹沒低位浮閥，浮閥K1 接點閉合，D 觸發器的輸入端D 和復位端M（—）R（—）電平被拉高，進入工作狀態。

當水位淹沒過高位浮閥時，接點K2 閉合，D 觸發器的時鐘腳將輸入一路有效上升沿信號。此時，D 觸發器的輸出端Q 的電平將跟隨輸入端D，為高電平，后級NPN 三極管導通，繼電器J1 吸起，接點J1-J 閉合，接通抽水電機M1 的工作電路，開始排水工作。

當水位下降到高位浮閥以下，D 觸發器時鐘腳上的電平恢復低電平，用來等待下次有效上升沿觸發信號到來。但此時，D 觸發器Q 端鎖存前一狀態，輸出依然為高電平，三極管飽和導通，繼電器接點持續閉合，排水電機保持工作。

當水位下降到低位浮閥以下，D 觸發器的復位端重新被置低，復位端低電平有效，輸出端Q 被清0，三極管處于截止狀態，繼電器線圈失電，接點斷開，抽水電機M1自動停止工作。

觸發器類型的道岔抽水裝置，用到了一個D 觸發器和兩個施密特觸發器，以及少量的半導體電子元件。電路設計邏輯清晰，PCB布板連線極為簡單，D觸發器輸出端在M（—）R（—）無效，上升沿時鐘信號有效的情況下，才能輸出高電平，誤動作幾率小，可靠性高，且功率極低。缺點是觸發器型抽水裝置對PCB 板工藝要求較高，需要保護地敷銅設計，以減小現場大功率電機啟動瞬間產生的電磁干擾，此外PCB 需要進行防水、防塵、防腐蝕處理。因此，該電路系統適用于專業公司批量生產抽水設備的場景。

2.3 單穩態觸發器抽水裝置控制電路

單穩態觸發器道岔抽水裝置選用555 定時器設計，由于單穩態觸發器輸入信號為電平信號，大功率電機啟動的瞬時干擾并不會持續施加在電路上，所以相比較于上升沿有效的D 觸發器，555 定時器的抽水裝置，對PCB 繪制的工藝要求更低，單穩態電路比觸發器電路抗干擾能力更強；與繼電器型抽水裝置相比，電路功耗低，元件少，可靠性高。

圖4為單穩態觸發器抽水裝置的電路原理圖。

圖4 單穩態道岔抽水裝置電路圖

R1、R2 取值在1kΩ～10kΩ 之間，K1、K2 分別是低位和高位浮閥接點，浮閥在未被積水淹沒時，555定時器的Vi1 輸入端和Vi2 輸入端電平均被拉高到電源電壓（VCC），輸出端Vout 輸出低電平，后級NPN三極管處于截止狀態；

根據555 芯片基本電路原理，當低液位浮閥被淹沒，接點K1 閉合，此時輸入端Vi1 電平被拉低，小于，而引腳Vi2 上的電壓保持高電平，電壓值大于，輸出端Vout 保持前一輸出狀態，輸出電壓為邏輯低，后級三極管依然處于截止狀態，繼電器落下，抽水電機M1不工作。

當水位繼續上升，淹沒高位浮閥時，接點K2 閉合，輸入端Vi2 電平被拉低，小于，輸出端Vo翻轉電平，輸出高電平，后級三極管飽和導通，繼電器J1得電吸起，電機M1工作，系統開始抽水。

當水位逐漸下降，高位傳感器接點斷開，輸入端Vi2 電平重新被上拉電阻拉高，大于，但Vi1保持低電平，依然小于電壓，定時器輸出端保持上一個輸出狀態，三極管飽和導通，抽水電機繼續工作。

當水位下降到低位浮閥以下，低位浮閥接點斷開，輸入端Vi1 電平重新拉高至大于，此時輸出端再次翻轉電平，三極管截止，抽水電機停止工作。

由于555 定時器的輸出信號和輸入電平有關，短時干擾不影響電路工作，所以裝置抗干擾能力強，對PCB 布線的要求也較低，僅需要對電路進行防塵、防水、防腐蝕處理。整個電路待機時功耗較低小于10mA，續航能力也較強。因此該控制電路適用場景廣泛。

3 現場測試安裝

電路板焊接完成后，采用蓄電池供電，電操轉轍機，模擬現場轉轍機對抽水裝置的干擾，以測試抽水裝置的可靠性。圖5為室內模擬測試圖。

圖5 抽水裝置模擬測試圖

測試在S700K 轉轍機平臺上進行，打開轉轍機機蓋，設置轉轍機定操、反操各200次，通過示波器，觀察被測試對象的輸出引腳上電平的波動情況。實驗結果表明，在利用更換下來的UPS 蓄電池作為供電電源的基礎上，每種電路都能夠可靠工作，不會因現場干擾而有錯誤邏輯輸出。蓄電池充滿后的電量足夠三種抽水裝置使用，整個夏季無需對蓄電池進行更換。

2016 年～2022 年，每年梅雨季節（5 月～8 月）來臨之際，在正線上及時安放道岔抽水裝置以應對積水問題，待梅雨季節結束再拆除，圖6為蘇州地鐵現場安裝圖。

圖6 抽水裝置現場安裝圖

圖6 中，抽水裝置控制板安裝在黑色金屬盒子內，以達到防塵放水的目的，蓄電池一次充滿電，可供抽水裝置使用整個梅雨季節。裝置放在基坑靠隧道壁一側，并固定住，不影響行車，每天正線運營結束，工作人員下現場觀察水位情況，未出現過基坑大量積水情況，減少了正線現場作業負擔。抽水裝置設計簡單可靠，故障點少，使用期間可以做到無維修，極少維護。

4 結束語

本文設計了三種道岔抽水裝置電路并分析了其工作原理，三種電路有各自的優缺點。在實際應用時，可根據運營條件選擇可行的方案。抽水裝置無論哪種電路結構，電路設計材料成本均低于300元，價格低。通過地鐵正線使用3 個月后的反饋，三種抽水裝置從功能、可靠性、功耗方面均能滿足雨季排水要求，且無需維修，極少維護，為正線工班減少作業量。目前在線上設有道岔的站點均有投放，效果良好。