基于LC振蕩電路的道口報警系統(tǒng)傳感器改進研究

馮 超,黃世海

(蘭州石化公司 油品調(diào)合中心(國儲公司),甘肅 蘭州 730060)

1 引言

鐵路道口是鋪面寬度在2.5米及以上,直接與道路貫通的平面交叉路口,是鐵路和道路交通的結(jié)合部,道口安全既關系著鐵路行車的安全,也關系著道路方面車輛、行人的安全[1-3]。蘭州石化公司7號門與8號門道口屬于國鐵正線道口,其中8號門道口既有國鐵正線通過,又有國鐵車站調(diào)車場線路及該廠專用線通過,作業(yè)頻繁,來往行人和車輛流量大,安全風險高。目前道口報警技術(shù)主要有3種,分別是傳感器報警技術(shù)、收發(fā)器感應報警技術(shù)、接入信號聯(lián)鎖系統(tǒng)[4-6]。8號門穎川堡車站調(diào)車場復線無報警系統(tǒng),2019年9月對7號門、8號門兩個道口報警系統(tǒng)進行改造,在鐵路正線采用收發(fā)器報警技術(shù),但在復線由于受實際距離限制,無法使用收發(fā)器報警技術(shù),只能采用基于傳感器的報警技術(shù),報警系統(tǒng)示意圖如圖1。但改造后,復線報警傳感器頻繁出現(xiàn)故障,出現(xiàn)誤報警、不報警等現(xiàn)象,需頻繁切開某一股道報警系統(tǒng),存在較大安全風險[7]。

由于8號門道口內(nèi)穎川堡車站調(diào)車場9條復線無報警系統(tǒng),車站調(diào)車作業(yè)完全依賴道口人工盯控,發(fā)現(xiàn)過車時,將欄木關閉,一旦道口工人出現(xiàn)失誤,無法及時關閉欄木,就會造成嚴重后果。改造的主要目的是解決復線報警問題,2019年9月新的報警系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試安裝后,10月份開始,新的報警系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)故障現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為過車不報警、不過車誤報警兩種,不能長周期可靠有效運行,威脅著道口行車安全。

圖1 7號門、8號門道口報警系統(tǒng)示意圖

2 道口報警系統(tǒng)傳感器故障分析及性能改進評價方法

2.1 道口報警系統(tǒng)傳感器故障原因分析

道口報警系統(tǒng)2019年9月份開始安裝并調(diào)試系統(tǒng),但在調(diào)試安裝完成1個月內(nèi),開始頻繁發(fā)生故障,表1為2019年10月6日-13日故障發(fā)生次數(shù)及環(huán)境因素統(tǒng)計數(shù)據(jù),圖2為誤報警與環(huán)境溫度曲線圖。

表1 2019年10月6日-13日故障類型及發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖2 誤報警與環(huán)境溫度關系

由表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)及圖2可知,誤報警發(fā)生與溫度緊密相關,大多發(fā)生在環(huán)境溫度在10℃以下。誤報警發(fā)生還與氣象情況關系緊密,基本發(fā)生在雨天。

為進一步分析故障發(fā)生的原因,對10月6日-13日期間,9條復線的故障情況及鋼軌型號進行了統(tǒng)計,如表2。

表2 9條復線發(fā)生故障統(tǒng)計表

由表2統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,誤報警故障在九條線路上均有分布,過車不報警故障主要發(fā)生在P50鋼軌上,說明傳感器安裝位置與過車不報警故障聯(lián)系密切。

通過對故障現(xiàn)象分類統(tǒng)計及分析,可初步判斷故障發(fā)生原因主要與溫度、傳感器安裝位置及下雨有關。

2.2 傳感器性能改進評價標準

對傳感器改進性能進行評價的標準為過車時,振蕩電路能夠正常起振,產(chǎn)生報警信號。并且對溫度、天氣等外界因素不敏感,避免不過車時報警及過車時不報警現(xiàn)象發(fā)生。

3 報警傳感器故障原因分析

3.1 溫度對傳感器LC振蕩電路的影響

車輛通過傳感器所在線路時改變LC振蕩電路的電感值,引發(fā)電路自激振蕩,輸出10KHz正弦波,觸發(fā)后端電路工作,繼電器動作引發(fā)聲光報警。核心部分是過車時,如何高效、準確觸發(fā)振蕩電路。傳感器電路原理圖如圖3所示[8]。

LC正弦波振蕩電路主要由選頻電路、反饋電路、放大電路三部分組成,根據(jù)自激振蕩理論可知振蕩電路正常工作需滿足兩個條件[9]:

相位平衡條件:φα+φf=2nπ和振幅平衡條件:AF=1。

為使振蕩電路能自行建立振蕩,要求|AF|>1,A為電路的放大網(wǎng)絡,F為反饋網(wǎng)絡。通過調(diào)整反饋變壓器系數(shù)p(p=N1/N2)及電路反饋電阻,使得電路放大系數(shù)A與反饋系數(shù)F(此時,F=p)乘積略大于1,即可產(chǎn)生振蕩信號,諧振回路的等效阻抗為:

正常狀態(tài)下,電路處于非振蕩狀態(tài),當鐵路車輛通過時,車輪對增強傳感器電路中的電感值增大電路正反饋量,使得振蕩電路起振。一般情況下,電感線圈受溫度影響幅度不大,但加入鐵芯后,溫度便會對電感值產(chǎn)生較為明顯的影響,進而導致電路起振所需的圖3中反饋電阻R9大小發(fā)生變化,表3為通過變阻箱盒的實驗數(shù)據(jù)。而電阻R9值較大時,感應距離會略微變長,電阻R9值變小時,感應距離會略微變短。

表3 不同溫度下R9反饋電阻值測量數(shù)據(jù)

由表3數(shù)據(jù)可知,溫度變高時,電阻起振值會變小,溫度變低時,電阻起振值會變大,這也就是報警系統(tǒng)受溫度影響的原因。

3.2 氣象條件對傳感器LC振蕩電路的影響

報警傳感器外殼為鐵質(zhì)材料,密封由兩層組成:硅膠層、環(huán)氧樹脂層,結(jié)構(gòu)示意如圖4。

圖4 傳感器密封方式示意圖

為確認環(huán)氧樹脂與傳感器外殼密封性能,將其在室溫、高溫下浸水,觀察其是否進水,影響電路功能,具體測試數(shù)據(jù)見表4(“√”代表電路可以正常工作,“×”代表電路無法正常工作)。

表4 傳感器密封測試數(shù)據(jù)

高溫、低溫情況下,傳感器都能正常工作,但反復高低溫交替,則發(fā)現(xiàn)由于環(huán)氧樹脂反復熱脹冷縮導致鐵制傳感器外殼密封性出現(xiàn)問題,遇到下雨天,雨水進入傳感器電路,使電路發(fā)生故障,于是出現(xiàn)長報警故障。在實驗室將故障傳感器烘干后,電路恢復正常工作,進一步證明進水導致故障。

3.3 現(xiàn)場安裝位置對傳感器工作性能的影響

傳感器安裝于鋼軌軌腰處,P43鋼軌高度140 mm,P50鋼軌高度152 mm,現(xiàn)場安裝高度完全一致,但報警器振蕩電路穩(wěn)定性卻有所差異。對6條P43和3條P50鋼軌實際高度進行測量,數(shù)據(jù)見表5。

表5 9條復線鋼軌實際高度值數(shù)據(jù)

通過鋼軌高度測量后,發(fā)現(xiàn)鋼軌磨耗不同,傳感器感應面與鋼軌頂部的距離會不同,安裝時,如果完全按照P43鋼軌標準高度安裝,以距離鋼軌底部高度為安裝標準,不考慮鋼軌高度及磨耗情況,就必然會影響車輪與傳感器感應面的垂直距離,進而導致報警不穩(wěn)定。

4 報警傳感器優(yōu)化改進措施

4.1 調(diào)整LC振蕩電路參數(shù)

對LC振蕩電路進行改進,調(diào)大電容值,使得電感值即使變化,也對整個電路不會產(chǎn)生較明顯變化,電路起振時,反饋電阻需求值波動不明顯。將電容值由0.08微法調(diào)高至0.47微法,同時將電感線圈匝數(shù)降至1/6,測試數(shù)據(jù)如表6。

由實驗數(shù)據(jù)可知:通過調(diào)高電容值,同時降低電感線圈匝數(shù)的辦法,基本穩(wěn)定了反饋電阻R9,使其幾乎不再隨著溫度變化而變化。

圖5為電路改進前、后,為滿足振蕩電路起振條件,R9反饋電阻隨溫度變化時的值。

表6 電路改進后不同溫度下R9反饋電阻測量數(shù)據(jù)

圖5 電路改進前后,不同溫度電路起振時R9反饋電阻值

4.2 改變傳感器密封方式

通過在傳感器外殼頂端加裝防護殼,解決防雨問題,改造前后傳感器實物圖如圖6、7。

圖6 改進前傳感器實物圖

圖7 改進后傳感器實物圖

4.3 調(diào)整傳感器在軌腰安裝位置

通過測量發(fā)現(xiàn):過車時,車輛輪對邊緣一般都在距離軌面27 mm。通過實驗發(fā)現(xiàn),傳感器上表面距離鋼軌軌面距離為30 mm時,感應效果最好,實驗數(shù)據(jù)如表7。

確定安裝高度后,由于鋼軌磨耗不同,將固定支架改為活動支架,根據(jù)鋼軌磨耗情況,可動態(tài)修正由于鋼軌軌面磨耗導致的距離偏差,圖8為傳感器安裝示意圖,圖9為現(xiàn)場安裝實物圖。

表7 傳感器安裝高度實驗數(shù)據(jù)

圖8 車輪傳感器安裝位置示意圖

圖9 報警傳感器現(xiàn)場安裝圖

5 結(jié)論

通過對道口報警系統(tǒng)傳感器電路參數(shù)進行改進,解決了振蕩電路受外界環(huán)境溫度影響的問題;在傳感器頂端安裝防護殼,解決了由于環(huán)氧樹脂密封易隨著熱脹冷縮的變化與外殼脫開,進而導致雨水進入,影響電路正常工作的問題;調(diào)整傳感器安裝高度及安裝方式,解決了由于鋼軌磨耗及安裝高度導致的電路不能起振的問題。所有優(yōu)化措施實施完成后,道口報警系統(tǒng)經(jīng)歷了雨天、高低溫變化等,再未發(fā)生故障,實現(xiàn)了長周期安全運行,達到了預期的效果。