輪緣式ACS2000計(jì)軸系統(tǒng)的應(yīng)用探討

楊賢武

*中鐵四局電氣化工程有限公司 高級(jí)工程師，233000安徽蚌埠

由于傳統(tǒng)的軌道電路工作性能對(duì)道床狀態(tài)依賴性高，而有些地方道床電阻很低，軌道電路無法正常工作，特別是在潮濕的復(fù)雜隧道環(huán)境里，軌道繼電器無法吸起，因此可以考慮采用計(jì)軸技術(shù)，以擺脫對(duì)鋼軌和道床條件的嚴(yán)重依賴。下面以北京地鐵亦莊線為例，介紹了ACS2000輪緣式計(jì)軸系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用特性等。

1 ACS2000計(jì)軸系統(tǒng)工作原理

計(jì)軸設(shè)備是利用軌道傳感器、計(jì)數(shù)器來記錄和比較駛出軌道區(qū)段的軸數(shù)，以此確定軌道區(qū)段的占用或空閑。當(dāng)列車駛?cè)肱c駛出軌道區(qū)段的軸數(shù)相同時(shí)，該區(qū)段空閑;當(dāng)列車駛?cè)肱c駛出軌道區(qū)段的軸數(shù)不同時(shí)，該區(qū)段占用。如計(jì)軸磁頭故障或受到干擾，則相應(yīng)兩軌道區(qū)段占用，符合信號(hào)“故障-安全”設(shè)計(jì)原則。

圖1為ACS2000系統(tǒng)工作原理圖。在軌道區(qū)段的兩端各有1個(gè)車輪傳感器，通過這2個(gè)傳感器對(duì)進(jìn)出此軌道區(qū)間的所有車輪進(jìn)行計(jì)數(shù)，并檢測(cè)車輪運(yùn)行方向。車輪傳感器所檢測(cè)到的車輪信息通過4芯信號(hào)電纜傳輸?shù)绞覂?nèi)EB評(píng)估板。該板負(fù)責(zé)對(duì)此信息進(jìn)行處理，同時(shí)負(fù)責(zé)給傳感器供電。EB板將傳感器檢測(cè)的車輪數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)分析處理后，傳送給計(jì)軸ACB板。計(jì)軸系統(tǒng)的ACB板主體是一個(gè)二乘二取二的故障-安全型計(jì)算機(jī)板，它根據(jù)與其相連的EB板檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出相應(yīng)計(jì)數(shù)軌道區(qū)段的狀態(tài)是空閑、占用或者故障，并由ACB板輸出驅(qū)動(dòng)條件，表示計(jì)數(shù)軌道區(qū)間的狀態(tài)。

圖1 ACS2000系統(tǒng)工作原理圖

計(jì)軸系統(tǒng)在初次上電和故障修復(fù)重啟系統(tǒng)時(shí)，ACB板設(shè)置有復(fù)位按鈕輸入接口，由外部的復(fù)位繼電器接口或電子接口提供初始化復(fù)位條件。

2 ACS2000計(jì)軸系統(tǒng)的先進(jìn)功能

當(dāng)前，實(shí)際應(yīng)用的車輪傳感器技術(shù)有輪幅式和輪緣式2種檢測(cè)方式，其中輪幅式輪軸的拾取采用調(diào)相、調(diào)幅方式，室外必須設(shè)置軌旁設(shè)備計(jì)軸電子盒EAK，EAK將脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)后的FSK頻移鍵控信息傳輸?shù)绞覂?nèi);而輪緣式計(jì)軸則通過電磁振蕩直接傳輸電流信號(hào)到室內(nèi)，不需要設(shè)置對(duì)信號(hào)預(yù)先處理的室外軌旁設(shè)備電子盒。

2.1 傳感器輪軸檢測(cè)方式

輪緣式傳感器基于磁力線偏轉(zhuǎn)的原理，檢測(cè)列車輪緣。發(fā)送、接收磁頭是一體的，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁力線使傳感器線圈產(chǎn)生磁化力。當(dāng)金屬物體在傳感器上方或下方時(shí)，傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)因?yàn)榇帕€的衍射作用而發(fā)生改變。利用這種作用原理來檢測(cè)列車車輪輪緣，同時(shí)用來監(jiān)測(cè)軌道上傳感器的位置。輪緣式傳感器檢測(cè)原理圖如圖2所示。

圖2 輪緣式傳感器檢測(cè)原理圖

輪緣式傳感器為電磁式有源傳感器，基于磁力線偏轉(zhuǎn)的電磁振蕩原理，檢測(cè)列車輪緣，具有很高的可靠性和良好的抗干擾性能。集發(fā)射器、接收器于一體的工作原理具有很多優(yōu)點(diǎn)。

1.高抗干擾的特性，能夠很好地抵抗如由軌道回流諧波或列車輻射而引起的磁場(chǎng)干擾。

2.利用渦流及延遲檢測(cè)原理比輪軸采用調(diào)相、調(diào)幅拾取方式的輪幅式傳感器相對(duì)優(yōu)越，且無須在室外設(shè)置軌旁設(shè)備，用以對(duì)傳送至室內(nèi)的信息進(jìn)行預(yù)處理。在城市軌道交通中，受安裝位置空間的限制及考慮到維修便利，無軌旁設(shè)備的計(jì)軸在同等設(shè)備中具有較大的優(yōu)勢(shì)。

3.磁場(chǎng)的幾何形狀由于鋼軌軌腳的存在位置而發(fā)生變化，只要一失效，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯不同于正常工作狀態(tài)的信號(hào)。例如，傳感器松動(dòng)或從軌道上掉落等。所以，信號(hào)的評(píng)估過程變得非常簡(jiǎn)單，而高安全性也可輕松滿足。

2.2 信號(hào)傳輸方式

傳統(tǒng)的輪幅式傳感器由于兩磁頭產(chǎn)生的軸脈沖在時(shí)間上先后不同，根據(jù)兩脈沖的組合時(shí)序可確定列車的運(yùn)行方向，從而進(jìn)行相應(yīng)的加軸或減軸運(yùn)算。由于FSK頻移鍵控信息需要傳輸?shù)绞覂?nèi)，所以室外必須設(shè)計(jì)軸電子盒EAK將脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。

ACS2000輪緣式傳感器無車時(shí)向室內(nèi)傳輸靜態(tài)電流電平;有車時(shí)，車輪通過對(duì)應(yīng)線圈1、線圈2的室內(nèi)系統(tǒng)1與2的時(shí)序，來確定列車運(yùn)行方向，通過系統(tǒng)1與2的電流變化及阻尼范圍檢測(cè)運(yùn)算，進(jìn)行相應(yīng)的加軸或減軸運(yùn)算。如果車輪傳感器松動(dòng)或從軌道上脫落，就會(huì)造成2個(gè)傳感器系統(tǒng)的持續(xù)阻尼，據(jù)此可測(cè)量電壓檢測(cè)傳感器是否安裝完好。由系統(tǒng)1行駛到系統(tǒng)2典型信號(hào)走向圖如圖3所示。

2.3 “預(yù)復(fù)位、復(fù)位”安全技術(shù)

因?yàn)閿嚯姷雀鞣N原因，軸計(jì)數(shù)器可能“忘記”一個(gè)區(qū)段內(nèi)有多少軸，因此人工操作復(fù)位系統(tǒng)是必需的。如果計(jì)軸傳感器遇到斷電后恢復(fù)、電磁干擾、磁頭處劃過金屬物等情況發(fā)生時(shí)，就需要人工復(fù)位，有的直接復(fù)位，有的預(yù)復(fù)位。為了增加安全級(jí)別，歐洲標(biāo)準(zhǔn)都增加有預(yù)復(fù)位技術(shù)。

在國(guó)鐵上，增加計(jì)軸預(yù)復(fù)位后，聯(lián)鎖可以暫時(shí)跨過檢查此區(qū)段空閑的條件，但行車人員不能確認(rèn)對(duì)軌道空閑檢查是否可靠。所以需通過一趟列車低速通過該區(qū)段后才復(fù)位，等設(shè)備檢查無誤后，相應(yīng)區(qū)段繼電器才吸合。這也是設(shè)置預(yù)復(fù)位的原因。

圖3 由系統(tǒng)1行駛到系統(tǒng)2典型信號(hào)走向圖

在既有的城市軌道交通線路，考慮到預(yù)復(fù)位的繁瑣，都是直接復(fù)位操作，但是操作前必須人工確保該區(qū)段無車占用。復(fù)位操作是區(qū)段出現(xiàn)故障的區(qū)段清零操作，ACS2000計(jì)軸設(shè)備采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)故障級(jí)別設(shè)置安全等級(jí)，復(fù)位設(shè)置有“預(yù)復(fù)位”和“復(fù)位”2擋。當(dāng)車輪駛進(jìn)軌道區(qū)段時(shí)，安全等級(jí)高，需要先“預(yù)復(fù)位”，再“復(fù)位”才能完成整個(gè)區(qū)段的計(jì)軸復(fù)位動(dòng)作;當(dāng)車輪駛出軌道區(qū)段時(shí)，安全等級(jí)稍低，只需直接“復(fù)位”就能完成整個(gè)區(qū)段的計(jì)軸復(fù)位動(dòng)作。

通過輪緣式計(jì)軸系統(tǒng)分析，輪緣式計(jì)軸系統(tǒng)具備以下功能特點(diǎn)。

1.具有很高的可靠性和良好的抗干擾性能，受干擾范圍小。

2.室外傳感器直接傳輸電流信號(hào)給室內(nèi)，沒有室外信息處理電子盒，減少了故障點(diǎn)。

3.卡具式安裝方式簡(jiǎn)易，方便調(diào)試、檢修維護(hù)，不用破壞鋼軌，而且能在室內(nèi)觀察傳感器是否安裝、運(yùn)行良好。

4.系統(tǒng)具有故障弱化功能，每個(gè)檢測(cè)區(qū)段由獨(dú)立的主機(jī)系統(tǒng)硬件板處理，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)區(qū)段故障影響其他區(qū)段。

5.室外車輪傳感器直接連接室內(nèi)計(jì)軸主機(jī)，檢測(cè)點(diǎn)無需地線，節(jié)約成本。

6.面板指示簡(jiǎn)單明了，便于設(shè)備調(diào)試、故障查詢及定位。

7.復(fù)零方式采用預(yù)復(fù)位、復(fù)位方式，安全級(jí)別高。

3 ACS2000計(jì)軸設(shè)備施工、調(diào)試技術(shù)

ACS2000計(jì)軸設(shè)備因技術(shù)改進(jìn)，采用卡具式安裝方式，一改當(dāng)前鋼軌打孔式安裝，保證了鋼軌的完整性，極大地提高了工作效率，施工方便、快捷。

3.1 施工工藝標(biāo)準(zhǔn)

1.車輪傳感器RSR180安裝在鋼軌內(nèi)側(cè)面，輪緣側(cè)距軌面高度標(biāo)準(zhǔn):40～45 mm。

2.與鋼軌接頭或焊接之間的最小間距為1個(gè)短軌枕。

3.兩個(gè)車輪傳感器的最小間距為2個(gè)短軌枕。4.車輪傳感器必須裝在2個(gè)短軌枕的中間。5.避免將傳感器安裝在鋼軌面波浪密集區(qū)。6.傳感器的外殼不能接觸軌頭。

7.傳感器避開護(hù)輪軌，遠(yuǎn)離強(qiáng)電牽引供電區(qū)。

3.2 調(diào)試內(nèi)容

1.檢查傳感器室外安裝標(biāo)準(zhǔn)是否符合要求。

2.傳感器系統(tǒng)1與系統(tǒng)2的靜態(tài)電壓是否正常。

3.傳感器的輸入電壓是否正常。

4.模擬行車一致性測(cè)試 ACB板是否工作正常。

5.計(jì)軸設(shè)備復(fù)位功能測(cè)試。

3.3 調(diào)試步驟

在室外傳感器按照標(biāo)準(zhǔn)施工完成并檢查合格，室內(nèi)外線纜及設(shè)備施工完成后，就可以開始調(diào)試試驗(yàn)。調(diào)試流程圖見圖4。

圖4 調(diào)試流程圖

1.室外檢查。完成施工后，在各項(xiàng)設(shè)備開始調(diào)試前，檢查室外傳感器是否正確安裝并符合標(biāo)準(zhǔn);接線盒電纜及傳感器尾纜是否連接完好。

2.室內(nèi)檢查。①檢查室內(nèi)機(jī)柜配線是否完整及計(jì)軸機(jī)柜工作電壓是否正常。計(jì)軸機(jī)柜評(píng)估單元無負(fù)載電壓15～30 V，由電源屏供電，一般是24 V左右;②系統(tǒng)1和系統(tǒng)2內(nèi)的靜態(tài)電流必須在2.8～5.0 mA范圍內(nèi)，即設(shè)備定位口上的280～500 mV正常靜態(tài)電壓。如果達(dá)不到此要求，則需要檢查室外傳感器安裝是否標(biāo)準(zhǔn)，且調(diào)整到最佳位置;③傳感器供電電壓，由計(jì)軸機(jī)柜供電，直流12～14 V。

3.室內(nèi)模擬調(diào)試。室內(nèi)機(jī)柜供電正常后，就可根據(jù)模擬條件 (模擬相應(yīng)計(jì)軸區(qū)段的占用及出清)甩開室外設(shè)備模擬調(diào)試，檢查室內(nèi)設(shè)備通道是否正常工作。

4.模擬行車試驗(yàn)。

1)室內(nèi)模擬列車行駛。計(jì)軸評(píng)估板上對(duì)應(yīng)系統(tǒng)1、2設(shè)置有檢測(cè)按鈕TA1和TA2，利用每個(gè)區(qū)段的TA1和TA2模擬正向、反向列車行駛，觀察相應(yīng)繼電器狀態(tài)、聯(lián)鎖系統(tǒng)人機(jī)界面軟件及評(píng)估板顯示車軸數(shù)顯示，確認(rèn)室內(nèi)的各個(gè)通道都無錯(cuò)誤。

由于列車在行駛過程中，經(jīng)過車輪傳感器系統(tǒng)1及系統(tǒng)2有先后順序，用此可判斷行車方向。北京亦莊線規(guī)定正向行車時(shí)室內(nèi)評(píng)估板先經(jīng)過系統(tǒng)1再經(jīng)過系統(tǒng)2。因此在模擬行車時(shí)，先往右按系統(tǒng)1的TA1后再按系統(tǒng)2的TA2，就可模擬一個(gè)車輪正向通過該區(qū)段計(jì)軸。若反方向行車則先往右按系統(tǒng)2的TA2后再按系統(tǒng)1的TA1。根據(jù)行車方向依次按一下系統(tǒng)1、2檢測(cè)按鈕TA1和TA2，則是一個(gè)軸，按兩下則是2個(gè)軸。按照行車方向依次按壓每個(gè)軌道區(qū)段，則可模擬行車。

2)室內(nèi)外模擬列車行駛。室內(nèi)試驗(yàn)完成后，就可進(jìn)行室內(nèi)外一致性測(cè)試模擬行車行駛。室外用模擬車輪設(shè)備滑過室外車輪傳感器，可模擬列車行駛。

4 ACS2000輪緣式計(jì)軸應(yīng)用效果

輪緣式計(jì)軸ACS2000是奧地利福豪舍爾公司生產(chǎn)的設(shè)備，該計(jì)軸設(shè)備獲得歐洲電子標(biāo)準(zhǔn)CENELEC的SIL 4級(jí)安全認(rèn)證，及德國(guó)聯(lián)邦鐵道署EBA認(rèn)證，安全性能得到有效保證并已在國(guó)外大量應(yīng)用。國(guó)內(nèi)城市軌道交通首次應(yīng)用在北京地鐵亦莊線，經(jīng)過運(yùn)營(yíng)效果檢查，經(jīng)受了四季的溫度變化和復(fù)雜環(huán)境考驗(yàn)，應(yīng)用效果良好，沒有出現(xiàn)設(shè)備技術(shù)故障。

通過對(duì)輪緣式計(jì)軸ACS2000系統(tǒng)工作原理介紹，分析了功能特點(diǎn)。針對(duì)ACS2000計(jì)軸設(shè)備，探討了其設(shè)備施工標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)試技術(shù)，分析了應(yīng)用效果。對(duì)國(guó)內(nèi)計(jì)軸設(shè)備的引進(jìn)、生產(chǎn)有一定的借鑒和參考意義。