激光在道岔尖轨位移监测装置的研究

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【摘要】尖轨是道岔机构与列车接触最直接、最关键、最薄弱的部位，其工作状态好坏是决定列车能否正常安全运行的重要因素之一。本文利用激光测距技术对道岔尖轨的相关参数进行自动监测，记录尖轨正反位密贴的静态值和动态瞬时值，记录尖轨正反位斥离的静态值和动态瞬时值。记录分析数据可为运营技术人员提供尖轨运行是否正常的有效判据。同时，在保障列车安全运行的基础上，其监测数据对转辙机故障检测、道岔维修计划安排和道岔安装调试具有借鉴和应用价值。
【关键词】道岔尖轨；激光测距；自动监测
1研究背景
地铁高速、高密度行车线路不断增加，使得道岔线路应用更多、更广、更复杂。道岔是轨道设备的重要组成部分，它具有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速度、行车安全性低、养护维修投入大等特点，所以其工作状态好坏是决定列车能否正常运行的重要因素之一。目前广州地铁折返道岔使用频率之高，运行高峰时道岔尖轨操动达到1次/2分钟，这对道岔日常保养提出了更高的要求。道岔尖轨位移监测装置的研究就是为道岔的日常使用、保养提供有力的技术保障。
道岔与列车接触最直接、最关键、最薄弱的部位是尖轨尖部。开展道岔尖轨状态实时监测系统的研制，可以对道岔的工作过程及位置状态及时检测，为技术人员提供实时的可靠判据，并做出相应正确的安全措施。同时根据检测数据，可以间接反应转辙机的运动工况和部分故障。最后监测数据在转辙机故障检测、道岔维修计划安排和道岔安装调试中也具有借鉴和应用价值。
作为地铁非常重要的关键部件，一直以来，相关专家都做了相当系统深入的研究。总体方向有几个方面，且有部分相关设备。如表1所示：
首先国内的这些现有产品基本都是通过监测转辙机的相关参数，从而间接的监测道岔的运行工况。这就要受转辙机表示杆间隙调整的影响。但是要保障列车安全运行，就必须选择最能代表牵引点间隙变化的部位。道岔与列车接触最直接、最关键、最薄弱的部位是尖轨尖部。直接检测尖轨与基本轨间的间隙，可不受转辙机表示杆缺口间隙调整的影响，对应关系更加准确。
其次虽然接触式测量不需要考虑电磁环境干扰，简化测量机构。但它只能对尖轨密贴是否“到位”给出“通”与“不通”的“开关”信号，不能反映密贴时间隙的连续变化、变动幅度和频率。而且作为接触式测量，必然会有机械磨损，使用一定时间后影响检测精度。同时还有接触的感应型传感器线性检出范围一般小于10mm，用于检测密贴变化尚可，但是检测斥离和转辙过程则量程不够。
分析前面所提各类型应用监测方法、监测对象的监测设备，监测的指标基本都是静态物理量测量。虽然检测了道岔转辙密贴和斥离两静态量，但是并不能体现道岔在转辙过程中的松动、绷和卡等过程现象；不能通过过程量的监测发现转辙机或道岔的潜在安全隐患；不能通过过程量的监测来实现转辙机或道岔全面工况分析研究，进而有效保障机车安全运行。所以怎样反映尖轨动作过程形态，也是本文研究解决的问题。
2 系统构架及检测原理
2.1主要研究内容
基于激光三角测距技术，实现了道岔尖轨运行状态与密贴情况监测设备的研制。设备主要获取道岔在操动过程中尖轨起始状态位置数据和尖轨位移随时间的变化规律。并通过专用软件分析判定尖轨密贴程度和尖轨的潜在安全隐患，保障机车安全运行。
2.2技术特点
通过与国内现有道岔监测方法的分析比较，本监测系统具有以下特点：
1）直接监测尖轨尖部，因为它是道岔与列车接触最直接、最关键、最薄弱的部位，直接检测尖轨尖部与基本轨间的间隙，可不受转辙机表示杆缺口间隙调整等各方面的影响；
2）为尖轨密贴、斥离及转辙过程动静态检测而设计的专用仪器，其自身任何故障不影响道岔正常动作，其采集数据，不对道岔控制系统作出任何指令和影响运行；
3）为规避交叉干扰，仪器不附设于现有任何设备，首选非接触检测方法，仪器结构简单，受环境温差影响小，安装方便，调整容易；
4）能同时监测、记录尖轨正、反位密贴、斥离静态值和动态瞬时值，能自动检出或消除尖轨跳动对密贴检测结果的影响，可适应电气化铁路站场电磁环境；
5）检测结果可间接检测转辙机、转辙联动机构的工作情况，为机车安全运行增加双保险；
6）通信方式可靠、灵活，施工工程量小；
7）分析、处理软件齐全，使用便捷。
2.3技术方案
2.3.1技术参数
1）激光位移传感器测量距离范围初定220～360mm（结合多种尖轨位置和运动行程设计）
2）距离测量误差≤0.2mm/360mm
3）时间响应0.1ms
4）传感器供电电压DC24V
5）工作温度-35℃～+75℃；
6）工作湿度95%（+40℃）；
7）状态检测兑现率不小于95%
8）传感器的防振设计（包含传感器安装位道岔的振动测试）
2.3.2监测方案
左右两根尖轨各安装一个位移传感器，位移传感器用于检测尖轨的运动轨迹以及起、始的停靠位置。安装位置所示。
在转辙电源指示信号电源处安装互感器用于检测尖轨运动的开始与结束，当互感器检测到尖轨开始运动时，检测装置开启，两个位移传感器以及数字/模拟扩展模块同时触发启动。位移传感器将位移信息转化为电流信号传输到检测装置信号处理模块，信号经信号处理模块转换后输入到数字、模拟扩展模块进行采集。检测装置根据数字、模拟扩展模块采集的数据生成尖轨的位移波形数据存入数据库并在显示终端显示。当互感器检测到尖轨运动结束后，检测装置延时一定的时间段后，检测装置关闭检测，等待下一次启动。若在测量过程中发现尖轨异常情况，装置发出声光报警并记录异常数据。工作原理如图2所示。
2.3.3检测装置
检测装置由可编程控制器、数字/模拟扩展模块、信号处理模块以及各类线性电源等主要部件组成，具有高度集成、易于维护、便于安装、体积小、可扩展功能等特点。
数字/模拟扩展模块用于采集各种模拟、数字信号，具有多路模拟信号输入、多路数字信号输入和输出接口，能够快速地完成多路模拟数字信号的任务，并发送和接收各种控制信号，有很好的扩展性能。
可编程控制器用于信号控制，信号采集记录，数据库管理，显示与通信号任务。它具有体积小，功率低，兼容性好，处理速度较快等特点。
信号处理模块用于位移传感器输出信号的放大与转换。位移传感器输出为4～20mA的电流信号，要输入到数字、模拟扩展模块，就必须要进行电流电压转换以及放大，才能适合数字、模拟扩展模块的采样。信号处理模块将电流信号经过采样电阻通过运算放大器滤波放大后转化成0～10V电压输出。
2.3.4 监测数据分析
根据检测数据，绘制尖轨运行位移时间曲线图。曲线的起、止位置，直观反应了尖轨的密贴和斥离情况。两采集电压曲线，直观记录了尖轨从静止、运动、到位的过程。尖轨一端斥离一端密贴，互相对应。
然后我们对曲线图做频谱分析和噪音功率谱统计。利用频谱分析和功率谱的统计去除杂波，根据尖轨运行轨迹的频率分布，我们可以判定其是否松动，和其运动中的“绷、卡”现象。然后把每次分析数据统计得到动、静物理量的历史记录。具体如下5个指标：
1）密贴、斥离数据：监测尖轨尖部密贴和斥离位置数据，确定转辙过程是否符合安全行驶要求；
2）松动：抖动或者运动时间位移线表现出尖轨过快密贴或斥离，或者有滞后延迟等。说明转辙机构出现问题，提醒检修；
3）绷、卡：即合同中所说的道岔运行过程尖轨机构是否协调。“绷”使尖轨向基本轨密贴时的阻力发生变化，除设定的弹性变形力外，额外产生脱离密贴位置的反力，这种情况普遍存在，且不易发现；“卡”发生在尖轨与基本轨的作用边，因肥边、尖轨拱腰、滑床板磨损和变形严重等，造成尖轨转换不到位，无法密贴，不能正常锁闭及解锁的故障。运动时间位移线表现为斜率突然减小或连续抖动，转辙时间延长甚至不能达到转辙位置。
4）两静态位置的历史记录：作为道岔运动的基础数据，长期积累分析后可对道岔的安装、维护保养、检修等做出指导性意见。
5）动态动作过程的历史记录：也是作为道岔运动的基础数据，长期积累分析后可对道岔的安装、维护保养、检修等做出指导性意见。
2.3.5软件主要功能
用户软件的开发，充分考虑了用户的使用需求，其功能如下：
（1）系统登录功能
（2）用户管理：系统管理员可以创建、删除用户并设置用户对系统具体的操作权限；用户管理权限：将用户分为三级即来宾、操作员、管理员，来宾权限最低，只能进行报表浏览、查询历史报表和故障报表；操作员级权限中等，除具有来宾权限外，还可以进行报警确认；管理员为最高用户，能够完成系统的所有操作，包括删除、添加用户，管理登陆日志、修改系统参数，故障确认报警等。
（3）日志管理：系统日志信息，包括登陆日志和操作日志。
（4）系统设置：系统设置主要包括开始的系统初始值，储存设置，还有后续通过监测数据分析比对后，对系统报警阀值修改等。
（5）故障查看
A股道道岔平面图故障显示
道岔尖轨工况监测系统主界面根据不同检测点绘制股道道岔平面图.利用红绿灯显示工作正常和故障报警。软件界面分别显示“无过车状态”、“计划过车路线”、“道岔无故障状态”、“道岔故障报警状态”四种状态。其中计划过车路线在设备研制初期不做显示，因为计划运行线路需要从车场调度处提取信息，在初期研制阶段需避免干涉。但是计划过车线的显示仍作为后续优化的内容。
故障报警详细界面
如果股道道岔图显示故障报警，那么点击故障道岔圆点，将显示故障报警界面。故障报警界面包括密贴报警（是否密贴），斥离报警（是否斥离），抖动超限报警（是否卡、绷），转辙超高速报警（是否松动），转辙超低速报警等。其报警阀值可根据实际情况系统设定。
（6）检测数据查询界面
通过鼠标双击道岔号可变换需要观察的道岔信息，窗口显示尖轨的密贴与斥离两静态位置检测值，窗口显示尖轨运动的变化连续曲线，并显示加速度。
（7）历史查询功能
历史查询功能包括两个：尖轨两静态位置的历史变化，尖轨动作过程的历史变化。
3小结
本文详细总结分析了道岔尖轨监测的技术方案。在其基础上研制了基于激光测距的道岔尖轨监测装置。再增加了相应的采集，分析软件及相关安装、供电、防护等附件。通过现场实际采集曲线观察分析，本装置直接有效反应了道岔尖轨运行工况，准确记录尖轨密贴、斥离的静态值及其运动动态值。同时正在建立尖轨运动数据库，分析其变化趋势。此项技术成功应用在保障机车安全运行方面有大的实用价值。
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