道岔阻力采樣在故障監控分析中的運用

祁 新 趙俊偉 郭 平 張志宇

(上海鐵大電信設備有限公司,200070,上海∥第一作者,工程師)

電動道岔是現代鐵路的關鍵設備之一。而一旦道岔故障,會影響運輸效率,造成不安全的事故。所以,道岔狀態日常的監控和故障診斷非常重要。目前,在06版微機監測的技術條件內,只采集道岔的電流曲線。事實證明,電流曲線并不能切實地反映許多電動交流提速道岔轉換過程中的阻力動態異常情況。本文指出了道岔阻力曲線比電流曲線更具實用性的優勢,描述了如何通過道岔阻力曲線進行分析和故障判斷,并簡單介紹了道岔阻力曲線結合微機監測系統來監控道岔的運用情況。

1 道岔電流曲線采集的局限性

道岔動作的動力是由電機提供的。直流轉轍機的輸出力和電機驅動電流呈對應的線性關系。目前對ZD系列的直流轉轍機的動作電流測量能大致反映道岔阻力的變化過程。而ZD系列轉轍機的故障判斷,也都是通過對電流曲線的區段峰值與相應的時間區段來對照分析。對于三相交流提速道岔來說,道岔的牽引力除了與驅動電流的幅值有關外,還與電壓、電流及相位角有密切關系。所以,通過采集電流曲線,用直流轉轍機的模式分析三相電流曲線來判斷交流轉轍機的故障是難以實現的。例如,在昆明鐵路局小哨站道岔監測的過程中,通過三相電流曲線來檢查道岔的動作情況時,并未發現任何異常;而且在清除完故障點的小石子后,電流曲線仍舊沒有任何的變化(見圖1)。但通過道岔阻力曲線來監測道岔動作狀況,卻能明顯發現阻力曲線存在異常情況(圖2)。由此實例可知,使用電流曲線來判斷道岔故障情況具有一定局限性,而使用道岔阻力曲線代替三相電流曲線能反映道岔所受到的阻力情況,可以正確判斷道岔是否發生故障。

圖1 道岔電流曲線無法表示故障示例

圖2 真實反映故障的道岔阻力曲線示例

2 道岔阻力曲線的運用

提速道岔轉換過程分為：轉轍機內部解鎖(簡稱為機內解鎖);外部鉤鎖解鎖,并在解鎖同時還帶動一尖軌斥離(簡稱為外鎖解鎖);雙尖軌聯動(簡稱為雙軌聯動);尖軌解鎖(簡稱為外鎖鎖閉)。

ZD系列直流轉轍機通過電流曲線的時間及該時間對應的電流峰值,來判斷轉轍機電氣特性和機械特性。而阻力曲線的分析方法不能套用ZD系列的分析方法,特別在對應時間段和曲線樣式上有明顯區別。本文使用S700K型雙機牽引的尖軌1轉轍機舉例說明問題。圖3使用了銷式傳感器、半導體應變測力儀及道岔阻力測試儀,同時測量道岔阻力曲線來進行對比。

圖3 3#道岔S700K型尖軌1雙機牽引時反位到定位轉換的道岔阻力曲線

2.1 機內解鎖階段

機內解鎖階段T1是銷式傳感器無法測試出的階段。因為此時是在轉轍機內部進行運行,傳動桿并沒有力的產生。這個階段的時間跨度經測試一般在800 ms左右。在這個時間段的前期,轉轍機要克服靜摩擦力,所以產生的力會相當大,且由于傳動齒輪的存在,受力情況比較復雜。在這個階段,道岔的動作桿還沒有動作,因此該階段一般不參與故障判斷,也不計入最大值的統計范圍。在機內解鎖后,道岔阻力曲線會進入一個相對平穩階段。

2.2 外鎖解鎖階段

外鎖解鎖階段T2開始時外鎖開始解鎖。這個階段傳動桿開始產生力,銷式傳感器開始記錄數據。經試驗,外鎖解鎖持續時間一般為1.5 s至2.0 s左右。從T2階段開始統計道岔阻力最大值。該階段的力一般不超過2 500 N,并且最大值一般不會出現在該階段。該階段的道岔阻力曲線呈水平狀,略微向下。如果該階段的曲線有臺階或鼓包狀,則可能為道岔密貼調整過緊造成解鎖困難,也需要考慮是否有滑槽板缺油的情況或者是尖軌吊板所致。

2.3 雙軌聯動階段

雙軌聯動階段T3是轉轍機轉動的主體過程。該階段兩軌同時開始動作,持續時間一般為3.5 s左右。道岔轉動的動作過程中,阻力最大的點通常就發生在T3階段,但是最大值一般不超過5 000 N。從T2至T3階段,道岔阻力曲線會有一個略微上揚的弧形。該弧形的落差一般不會超過2 500 N;如果落差過大,說明可能有轉換阻礙。經過道岔阻力曲線最大值點后,會有一條相對平滑的向下曲線;如果曲線不平滑,可能是滑床板凹凸不平。該階段向下平均值不應過高,否則應考慮是否有滑床板缺油,或者積雪等情況導致阻力過大。

2.4 外鎖鎖閉階段

外鎖鎖閉階段T4是最后一個階段。該階段道岔應該已經轉到位,外鎖此時開始鎖閉。這個階段持續時間為1 s左右。該階段的道岔阻力曲線應相對平滑,一般最大值不會出現在此階段。如果在T4階段道岔阻力曲線出現明顯的尖峰,或者最大值出現在此階段,可能是道岔密貼調整過緊,造成阻力過 大鎖閉困難,或者卡入了異物需要清理(見圖4)。

圖4 3#道岔S700K型尖軌1雙機牽引時反位到定位時夾入異物的道岔阻力曲線

2.5 整體動作概述

道岔一次動作總體時間因道岔的類型不同、調校不同而有差異。機內解鎖階段T1應不超過800 ms,否則說明機內有缺油或相應電機故障;外鎖解鎖階段T2不應超過2 s,否則說明道岔啟動機械解鎖困難;雙軌聯動階段T3與道岔動作中的阻力相關,阻力越大,動作時間越長,一般不超過3 s(跟道岔動程有關);外鎖鎖閉階段T4應不超過1.5 s,否則可能出現轉轍機鎖閉困難、密貼調整過緊、道岔卡異物等情況。道岔轉轍機整個動作時間不超過7 s左右,該時間因各種調校和現場情況不同而略有出入。可以通過對比歷史標準曲線來設置參考曲線。若實際測的和參考曲線相比,動作時間相差過長,則說明遇到阻力過大,需認真分析,查找原因后進行調整。

3 道岔阻力測試系統與微機監測系統

道岔在排進路中需要經常動作,所以需要實時地進行監測。微機監測系統是已經上道的監測系統,并且該系統已經有了相當的道岔監測功能。所以,將道岔阻力的采集系統作為微機監測的子系統,并通過微機監測來顯示、記錄和統計。在圖5中,微機監測與道岔阻力監測主機系通過CAN總線相連接,道岔阻力監測主機與道岔阻力采集模塊通過485總線相連。每個道岔阻力采集模塊可以采集一個轉轍機的阻力曲線,并通過主機收集后,發送給微機監測主機。電務維修人員可以通過微機監測來查看每次道岔動作的阻力曲線,并可以實時報警。

道岔阻力監測系統作為微機監測的子系統,可以實時地查看道岔阻力曲線;并且通過設置參考曲線等操作,還能與一些歷史標準曲線進行對照,得出更準確的結論。更為重要的是,微機監測系統可以分析曲線數據,通過比較判斷等邏輯生成報警信息。這樣能實時監測道岔狀態,做到防范于未然,并由過去的故障修上升到狀態修。

圖5 微機監測系統與道岔阻力監測系統

因為道岔阻力曲線的模式比較復雜,為了簡化判斷,微機監測系統采用同參考曲線相比較的方法來智能判斷某次動作的曲線是否正常。參考曲線可以由工區電務人員設置,也可以在出廠時根據電動轉轍機的標準曲線設置。已知道岔阻力的參考曲線后,報警曲線的計算方法為：取第k點的值v0和相鄰n點的值v1,…,vn,計算出該n+1個點的最大值max(k)作為第k點的值。遍歷所有點,得出一條新的曲線。將該曲線上浮a(a可以配置),即可得到該轉轍機的報警曲線。該曲線的特點是將一些波動和毛刺都過濾掉,并且不低于每點的最大值,這樣計算出的報警曲線可以保留原始參考曲線的趨勢。因為機內解鎖階段道岔還未轉動,所以將轉轍機前500 ms的動作點排除在報警計算之外后,統計超過報警線的點,如果總數超過b(b可配置)則報警。阻力曲線報警流程見圖6。

圖6 道岔阻力曲線報警流程

4 結語

1)道岔電流曲線不能反映交流轉轍機的動作情況,建議改用阻力曲線。

2)可以通過分析道岔阻力曲線的動作時間和相應階段的阻力數值,來分析道岔轉換過程中的機械特性,從而發現故障。

3)現有微機監測技術條件只要求采集三相電流曲線,建議加入采集道岔阻力曲線。

4)通過微機監測實時監控道岔阻力曲線,監測到不正常狀況時則會報警,可以有效地監督道岔的運行狀態,使提速道岔做到狀態修,以保障鐵路正常運營、防范事故發生。

5)可以通過專家系統將道岔阻力曲線的模式分析結合到計算機程序中以自動判斷故障原因,為電務工作人員檢修調試道岔設備提供參考。

6)在適當的參數調整后,本文所描述的故障判斷模式也可用于交流三相液壓轉轍機的阻力測試。

[1]董光.提速道岔轉換力計算機模擬研究[J].鐵道建筑,2006(9)：76.

[2]鐵道部運基信號[2006]317號文.信號微機監測系統技術條件[S].

[3]諸葛致,張小蘭.電機及拖動基礎[M].重慶：重慶大學出版社,2004.

[5]呂永昌.有關道岔轉換阻力的測試[J].鐵道通信信號,2006,42(12)：21.