基于電渦流的道岔綜合監測方法研究

常瀏凱 王 昊

隨著城市軌道交通的快速發展，地鐵的運行里程越來越長，列車的運行間隔越來越小，對地鐵信號設備的安全性及可靠性提出了更高的要求。目前在城市軌道交通線路中，對道岔及轉轍機的監測仍然采用以故障修和計劃修為主的維修模式，這種模式已不能滿足日益繁忙的軌道交通對信號系統的要求。對道岔及轉轍機進行實時監測是轉變道岔維修維護模式，使其向著綜合化、智能化方向發展的主要手段之一。

在整個道岔及轉轍機組成的系統中，衡量設備狀態的參數，包括牽引點尖軌與基本軌密貼度、尖軌與基本軌斥離度、轉轍機轉換力、轉轍機工作電壓和電流、振動加速度等。此外，還有一些病害會對道岔密貼造成影響，主要包括：道岔連接點出現松動；爬行影響；溫度影響；繃、卡的影響等。

1 國內外道岔監測的發展現狀

國內外的軌道交通系統對于道岔狀態的實時監測高度重視，都開發了相應的道岔監測系統。如德國和奧地利的Roadmaster2000道岔監測系統，對尖軌位置、轉轍機電流及電壓、牽引點轉換力及轉換時間、最小輪緣槽、鋼軌縱向力、鋼軌溫度、加熱裝置等，都可以進行實時的監測；法國的TTMS道岔監測系統、俄羅斯的無接觸道岔自動控制器ABKC，對于道岔的監測都處于世界領先水平。

在上世紀90年代，對道岔密貼量的監測主要是通過監測轉轍機表示桿缺口值，來間接監測道岔的密貼程度。然而這種監測方式存在著以下的缺點：首先，表示桿缺口是與鎖閉機構、表示用電接點開閉裝置、擠岔監督裝置共同設計在轉轍機內部，結構復雜，連接環節多；其次，道岔表示桿距道岔尖軌的垂直距離有300mm，且表示桿與表示連桿之間均為活動連接，中間存在著連接間隙，因此在到達連接終端的表示缺口時，已經不能準確表示密貼值，僅能作為一種限位裝置。

近幾年針對缺口監測存在的不足，相關部門、廠家開發了新型的道岔密貼監測系統，如上海鐵路局利用電磁感應技術，實現對道岔密貼量的直接監測。但該方法需要在軌腰上鉆孔，會對既有設備造成傷害，降低軌道的原有強度。安康電務段的 “道岔密貼狀態實時監測系統”，在道岔外鎖閉齒輪輸出軸上安裝角度傳感器，通過對道岔密貼瞬間角度的監測，實現對道岔密貼量的監測。該方法是一種間接測量方式，無法實時、準確地反應道岔的密貼數值。

此外，目前已研制成功并投入使用的監測系統，絕大多數都是以鐵路或高速鐵路的需求為基礎的，雖然地鐵與鐵路道岔系統有很多相似的地方，但在設備環境和使用等方面還存在很大的差異。比如相比于鐵路開放的環境，地鐵隧道內的環境更為惡略，粉塵等污染更為嚴重，很多在鐵路上的監測手段無法使用。

2 道岔監測系統的實現

2．1 監測方式的選擇

目前常用的工業測距方法主要有：超聲波、激光、圖像識別以及電渦流4種方式，各有優缺點。激光測距精度高，在密貼量、斥離量的測量上可以達到0．01mm的測量精度，對電磁干擾不敏感，但對反射面的光潔度、偏轉角度等有要求，核心模塊國產化率低，成本高。圖像識別測距方式具有成本低、非接觸并能夠遠程獲取道岔密貼現場狀態的優點，但這2種方式測量精度易受環境粉塵影響。根據城市軌道交通道岔運用中粉塵大、扳動頻繁等實際情況，雖然電渦流會受到地鐵列車通過時電磁干擾的影響，但其受粉塵、油污影響小的特點，更適用于地鐵的現場應用環境。

2．2 電渦流測距

根據法拉第電磁感應定律，如圖1所示，當傳感器探頭線圈通以正弦交變電流i1時，線圈周圍空間會產生正弦交變磁場H1，它使置于此磁場中的被測金屬導體表面產生感應電流i2，即電渦流。同時，i2又產生新的交變磁場H2；H2與H1方向相反，并削弱H1，從而導致探頭線圈的等效電阻相應地發生變化。其變化程度取決于被測金屬導體的電阻率ρ，磁導率μ，線圈與金屬導體的距離δ，以及線圈激勵電流的頻率f，因此通過測量阻抗Z就可以反映探頭與被測金屬導體間的距離，從而實現測距。

圖1 電渦流工作原理

應用中，將線圈密封在探頭中，線圈阻抗的變化通過前置器轉化成電壓輸出。輸出電壓U0與被測距離δ的關系曲線如圖2所示。圖2中在線性區中點δ0處 （對應輸出電壓U0）線性最好，其斜率（即靈敏度）較大，在線性區兩端，斜率 （靈敏度）逐漸下降，線性變差。因此作為測距用途的電渦流傳感器就是要利用其線性部分，其量程為δ1至δ2。

圖2 輸出電壓與距離關系示意圖

2．3 密貼、軌距及軌距監測模塊構成

針對道岔密貼及軌距監測的特點，設計了安裝于尖軌與基本軌上的監測組件。整個系統采用模塊化設計，以1組道岔的密貼、軌距及爬行作為1個標準的監測單元。在1個監測單元中道岔密貼與軌距監測組件集成在一起作為1個模塊，爬行監測組件作為1個單獨的模塊。

1．密貼及軌距監測模塊構成。為了能夠盡量真實的反映道岔的密貼狀況，將密貼與軌距監測模塊安裝在第1牽引點后的第4個與第5個牽引點之間。整個模塊包含3個部分，尖軌與基本軌上各安裝1個工作參考面作為被測金屬導體，在基本軌下地面上安裝有2個電渦流傳感器。定位與反位各安裝一組此模塊，如圖3所示。

圖3 密貼及軌距監測模塊示意圖

圖3的整個模塊中，①②用于反位密貼監測，③④用于定位密貼監測，①④用于反位軌距監測，③②用于定位軌距監測。

2．爬行監測模塊構成。尖軌爬行監測模塊安裝在第1牽引點后第3個與第4個軌枕之間。整個模塊包含工作參考面和傳感器2部分，在定位與反位各安裝1組模塊，分別用于監測定位與反位的尖軌爬行情況，如圖4所示。

圖4 爬行監測模塊示意圖

3 試驗驗證

1．功能測試。為了驗證實際功能，在北京地鐵昌平線西二旗站2號道岔處進行了道岔故障模擬試驗，通過手搖道岔的方式，模擬道岔密貼不到位的情況。當尖軌與基本軌密貼良好時，系統顯示為道岔密貼；當尖軌與基本軌間插入2mm檢查規尺時，系統發出預警；當尖軌與基本軌間插入4mm檢查規尺時，系統發出超限報警，模擬試驗的結果顯示系統達到0．1mm的監測精度。

2．性能測試。從2012年開始，具備道岔密貼、爬行及軌距監測功能的 “道岔狀態監測系統”，在大鐵諸暨站進行了長時間的實物測試，得到了大量的試驗數據；2014年4月，系統在昌平線沙河高教園站，對結構件的安全性和可靠性進行了試驗，累計試驗600h，共完成640次道岔扳動。試驗測試顯示，安裝于軌上和轉轍機內部的傳感器及安裝結構件，未對既有設備產生影響，且其自身緊固部件未出現松動，驗證了室外設備的安全性及可靠性。

2014年8月開始，“道岔狀態監測系統”在北京地鐵昌平線西二旗站安裝測試。試驗期間系統準確記錄了各種參數的數值并繪制出了變化趨勢曲線。為了驗證整個道岔監測系統監測數據的精度，項目組還在西二旗站模擬了道岔缺口、密貼及爬行參數出現連續變化、直至故障情況下，監測系統的監測數值。經過試驗，系統達到0．1mm監測精度要求，并在數值超過預警及報警門限后進行預警及報警。

在試驗期間，系統發現被監測道岔在更換尖軌后出現密貼值偏大超過預警門限值情況，由于及時發現潛在故障隱患，使得維護人員根據數值在故障發生前將故障排除，達到了預防故障的目的。

4 結論

為了對道岔進行在線監測，基于電渦流測距的道岔密貼、軌距及爬行的監測方法，在北京地鐵運營壓力最大的昌平線西二旗站2號道岔進行了驗證和測試。試驗結果表明，該監測方法在不改動既有設備的情況下，能夠實現對道岔的密貼、爬行及軌距狀態的精確測量，其安裝結構的可靠性能夠經受住極大運營壓力的考驗，為道岔維護的遠程化、自動化提供了新的方法。

［1］ 《道岔運用狀態監測系統》課題組．道岔運用狀態監測系統的研究［J］．上海鐵道科技，2002（3）：12－13．

［2］ 李參軍，李康軍，梁莉．道岔密貼實時監測［J］．鐵道通信信號，2005，41（2）：18．

［3］ 張華，孫洋，道岔狀態監測系統的研究［J］，鐵道通信信號，2008，44（11）：7－9．

［4］ 周承志．鐵路道岔尖軌密貼智能監測系統研究［J］．鐵道通信信號，2007，43（10）：8－10．

［5］ 沈相宇．鐵路養護［M］．北京：中國鐵道出版社，2004．

［6］ 紀晏寧．電動液壓道岔轉換系統［M］．北京：中國鐵道出版社，2004．

［7］ 劉克強．高速鐵路客運專線道岔監測系統研究及應用［J］．中國鐵路，2009，（4）：38－41．