转辙机综合监测的需求及方法研究

鲍才让太，莫重明，翟文革，丁召荣

（1.中国铁路青藏集团有限公司电务部，西宁 810006；2.通号（西安）轨道交通工业集团有限公司工业研究院，西安 710100；3.西安铁路信号有限责任公司，西安 710100）

1 概述

随着我国铁路运输的发展，尤其高速铁路的快速发展，道岔转换设备的发展也取得长足的进步，上线运行的设备和系统越来越多，运输业务对道岔转换设备的依赖性也越来越高。由于所处位置的特殊性及所处环境的恶劣性，道岔转换设备的故障率在铁路运输设备总故障中所占比例明显高于其他类别设备或系统。道岔转换设备的故障直接影响运输效率、运输秩序甚至运输安全，并且道岔转换设备由于所处位置距离车站较远，且不能随意接近，故障的处理比较耗时，很容易造成故障升级。

为保证设备可靠性，通常需要对设备进行及时的维护和预防性维修。不适当的维护包括过度维护、无效维护或维护不足。过度维护和无效维护造成资源的浪费，提高使用成本，维护不足会造成设备故障率升高，寿命下降，加大故障风险。可见，对设备的适当维护和适时的预防性维修能以较小的成本保证设备的可靠性。

适当维护和适时的预防性维修得以实施的前提条件是长期的使用经验结合应用现场的实际环境条件，并且需要及时掌握设备的运行情况，也就是说设备运行状态的基础数据是能实施适当维护和适时预防性维修的前提条件之一，也是设备智能化的前提条件。

对于道岔转换设备，尤其是转辙机，增强其状态感知能力，实现其运行状态的综合监测，不但是实现维护和预防性维修适时有度的数据基础，也是实现转辙机智能化的基础。

2 研究现状及问题

对铁路运营设备的工作状态进行动态监测，长期以来是国内外铁路运输设备供应商竞相研究的课题，多种运营设备的监测系统或监测设备目前都得到运用，如电源屏智能监测、信号集中监测等。由于道岔转换设备的特殊性和重要性，也有多家厂商对其监测进行研究，并有产品上道应用。

2.1 道岔转换设备相关监测研究现状

法国科吉富公司研发道岔监测及道岔环境监测系统用于其高速道岔。德国BWG 公司采用其母公司（VAE 公司）提供的Roadmaster2000 道岔监测系统，对道岔的监控数据包括：尖轨的位置、转辙机的电流、电压、拉力、转换时间、最小轮缘槽、钢轨径向力、钢轨温度和加热装置，并对信号系统和轨道电路做同步监测。这两家公司的高速道岔均在我国高铁线路上有应用，但其监测设备在我国未见应用。其思路均为对道岔参数进行监测，以掌握道岔运行情况，降低道岔故障率。

北京全路通信信号研究设计院集团有限公司研究设计道岔转换设备故障诊断与预测系统，其目标是在线监测道岔转换设备的运行状态，对故障进行实时诊断和精确定位，为实现故障诊断与健康管理提供支撑。

也有一些厂商针对转辙机“卡缺口”故障高发的实际情况，研发缺口监测系统，用于对转辙机缺口数值超标进行预警报警。目前，上道应用的缺口监测系统主要有视频图像方法、非接触电磁式、碰珠式等。由于应用效果明显，转辙机缺口监测系统近年应用比较广泛。

卡斯柯信号有限公司等信号集中监测厂商利用转辙机工作电流、电压等数据，对转辙机电源输出功率进行监测，希望以此判断转辙机载荷大小。由于实施方便，目前也得到比较广泛的应用。

2.2 存在的问题

上述的以道岔相关参数为监测目标的设备或系统由于传感器使用环境限制，或者会对道岔维护产生一定影响等原因，目前其应用并不广泛。

转辙机缺口监测系统功能单一，主要预警卡缺口故障，对其他类型故障不能预警报警，如电机转速不正常、摩擦力与转换阻力不匹配、转辙机反弹过大等。同时，各种缺口监测系统由于系统特点，也存在一定的缺憾，如碰珠式缺口监测为接触式监测，存在自身故障率高或者诱发转辙机故障率增大的问题，近年其应用明显减少。视频监测系统传输数据量大，摄像头抗污染及抗振动差，清洁镜头的维护工作量大。若缺口数值在上位机计算，则进行缺口调整维护工作时，需询问室内缺口数值。

非接触磁电式缺口监测系统利用磁电传感器监测缺口数值，抗污染，不与被监测零件接触，近年应用较多，发展前景比较好。

现有转辙机功率监测是对电源输出功率的监测，包含输电线路消耗及转辙机输入功率，对于交流转辙机，不能简单的由电源输出功率大小来判断转辙机的输出功率大小。现有的转辙机功率监测数值对同一台转辙机在同一安装位置进行纵向定性对比有一定参考意义，不同安装位置的横向对比和定量的研究会产生较大误差。

3 转辙机综合监测需求

目前道岔转换设备中，转辙机具有良好的防护壳体，且是道岔转换设备的动力源及状态检查器，部分道岔转换设备的故障与其有比较高的关联性，在转辙机内部设置监测器材，具有较高的可行性及现实意义。

转辙机的主要功能是转换并锁闭道岔或者牵引外锁闭装置实现转换道岔，检查并指示道岔位置、状态，其对道岔或外锁闭的转换需要输出转换力及转换行程，对道岔位置、状态的检查依靠机内机械结构的运动，对道岔的锁闭通过转辙机内部的锁闭机构执行，对道岔位置、状态的指示通过机械结构控制机内接点的接通、断开来进行。因此其运行状态监测主要应包含以下内容。

1）动作杆输出的功率及动作杆的实时位置，其可测参量为动作杆的转换力及动作杆的位移，通过位移变化计算速度，动作杆速度和转换力之积就是功率。

2）锁闭机构的锁闭量或者锁闭深度，由各型转辙机的锁闭机构决定，如ZD9/ZDJ9 转辙机可用推板套停止位置与断表示位置的距离表示。

3）接点转换结构的转角或角度位置，或者控制接点转换的关键零件位置，ZD9/ZDJ9 转辙机及使用同类接点机构的转辙机可对动接点角度位置进行测量。

4）动接点处于接通位置时的接点电阻数值、接点压力数值。

5）转换过程表示杆行程及锁闭时停止位置，或者需要检测表示杆的实时位置。

对这些运行状态参数进行检测，可以及时发现转辙机的异常，并及早预警，使设备在故障发生前得到维修。对于突发故障，有利于准确定位故障点，压缩故障处理时间。

4 ZD9/ZDJ9转辙机综合监测的实现

4.1 传感器及安装结构的限制

针对转辙机综合监测的需求，分析其可行性，以ZD9/ZDJ9 转辙机为例进行设计实现。

前述转辙机监测需求中，除动作杆转换力、接点电阻数值、接点压力数值外，其余均为位移或运动的监测，并且其运动形式主要是旋转运动和往复运动，因此，对此类零件的运动监测主要是采集其线性位移或角位移及其对应的时刻，从而得到其位移时间曲线，进而通过计算可以得出其速度时间曲线和加速度时间曲线。这样就可以了解被监测件的运动特性，并部分了解其动力特性，对这些信息的分析可以发现运动过程的异常，从而对故障预警，也可以在故障后提供分析数据，以确定故障发生原因。

转辙机动作杆转换力的监测需使用拉压传感器或者以应力监测方式进行，这均会改变转辙机动作杆的结构，正在进行相关研究，暂时难以实现监测。接点电阻及接点压力的监测目前尚无成熟且经济的非接触检测方法，而使用导线接入检测设备的方法由于难以解决安全问题而不可行，故目前难以实现接点电阻及接点压力的监测。

线性位移和角位移均有非接触测量方法，其中磁阻式位移传感器已经用于缺口监测，使用中其抗油污性能良好，且满足-40 ～70℃环境使用要求，能满足转辙机的工作环境要求。

温湿度传感器、三轴加速度传感器等已经有在转辙机中应用的案例，故这些传感器可以在转辙机中可靠应用，实现对应的监测功能。

针对具体转辙机型号设计时，除了需有可应用的传感器之外，安装结构需考虑对转辙机RAMS 指标的影响，如加工安装所需的结构后不能明显降低零件强度，传感器等器件安装后不能影响各零件运动与动作，更不能影响转辙机功能，所有新增加的器件和零件不能明显降低转辙机原有功能的可靠性，监测功能所新增加的器件、零件故障后不影响转辙机原有功能。

4.2 ZDJ9转辙机可监测项点

应用前述传感器，以ZD9/ZDJ9 转辙机为例，可以对以下项点进行监测。

电机运动参数监测：检测电机转动圈数及实时转速，可以掌握电机工作状态及电机负载情况。

动作杆运动参数监测：检测动作杆位移，实时位置及速度，可以掌握转辙机状态及外锁闭状态（是否锁闭、是否转换中、是否进入锁闭），可根据设定阈值对转换过程的卡阻及阻力过大进行预警报警。

动作板（对应推板套）运动参数监测：检测动作板（推板套）位移，实时位置及速度，可以掌握转辙机状态（是否锁闭、是否转换中、是否进入锁闭）及锁闭之后的锁闭可靠性（以停止位置与断表示位置的距离为指标），可根据设定阈值对锁闭可靠性降低进行预警报警，对转换过程的卡阻及阻力过大进行预警报警。

表示杆运动参数监测：检测表示杆位移，实时位置及速度，在转辙机锁闭状态检测密贴缺口数值及斥离缺口数值，可根据设定阈值对指定侧缺口过小或过大进行预警报警，对表示杆行程变化进行预警报警。

动接点轴（对应动接点）转动参数监测：检测动接点轴角位移，实时角度及角速度，可以掌握动接点组接通静接点组的情况及动接点组转换的速度，可根据设定阈值对动接点转换迟滞故障进行预警、报警。

转辙机内部温度、湿度监测：掌握转辙机内部环境温度及湿度，可根据设定阈值提醒及时维护。

转辙机三轴加速度数值监测：掌握转辙机的振动情况，可根据设定阈值提醒及时维护。

以动作杆位移监测参数为例，简单说明其应用。转辙机转换过程发生卡阻时，查看动作杆位移，若动作杆位移为零，则转辙机内部卡阻，转辙机不能解锁。若转辙机动作杆位移量不足20 mm 或30 mm，则外锁闭装置卡阻，外锁闭不能解锁，也就是说，通过检测到的动作杆实时位移或位置，对于道岔转换中卡阻及外锁闭不能锁闭，转辙机不能锁闭等故障，均可根据动作杆卡阻时所处位置进行分析判断并准确定位，有利于及时解决故障，缩短排除故障所花费的时间。

4.3 监测样例

制作转辙机监测设备样机，并在ZDJ9 转辙机上安装测试。定义动作杆右伸转辙机以动作杆拉入锁闭位置为初始位置（0 位移位置），动接点接通1排或4 排静接点位置为对应动接点的初始位置（0角度位置），动作杆动程为220 mm 的转辙机从伸出锁闭转换到拉入锁闭的转换行程各零件位移或转角测得数据曲线如图1 所示，图1 中位移单位为mm，动接点转角单位为度，电机转角单位为圈。

从图1 可见，本例中，连接左表示杆的尖轨行程约160 mm，连接右表示杆的尖轨行程约170 mm，两者相差10 mm，道岔两侧开口值偏差过大。各零件开始位移及结束时刻，动接点转动开始及结束时间均可以查出对应具体时刻，进而计算得出各过程消耗时长。通过表示杆位移数据可以计算得出转辙机锁闭时密贴缺口及斥离缺口的规定侧间隙数值，也可以将其数值随时间变化曲线绘出。

对位移数据进行计算处理，可以得出各零件速度，对应图1 的拉入行程中各运动零件速度如图2所示。

从图2 可以看出，本次动作，接点断开和接通速度很大，且接通时速度明显大于断开时速度，接点转换正常，各杆件被推板套驱动，转换过程速度与推板套速度基本相同。左表示杆连接的尖轨处于斥离位，先开始运动，右表示杆连接的尖轨处于密贴位，将其开始运动时的速度和动作杆速度比较可以判断道岔反弹情况。本测试例中，外锁闭使用滚动锁闭框结构，左表示杆停止运动前速度的变化符合该锁闭机构的结构特点。电机断电后仍有惯性，振荡动作后停止。结合图1 和图2 可以确定各种特征时刻的位置（位移）和速度参数。

图1 转辙机拉入行程各零件位移或转角曲线Fig.1 Displacement or rotation angle curve of each part in pull-in stroke of switch machine

图2 转辙机拉入行程各零件速度或转速曲线Fig.2 Speed curve of each part in pull-in stroke of switch machine

使用软件对各参数与设定阈值进行比照，可以在超出阈值时产生预警、报警信息，提示维护人员进行处理。进一步对大量历史数据进行分析处理，可以发掘深层次的关系和规律，为转辙机乃至道岔转换设备及道岔的健康诊断及故障预测，维护维修计划提供基础数据。

5 小结

通过分析研究，根据转辙机监测的实际需求和现有技术条件下所能采取的技术手段，在保证转辙机基本功能的前提下，得出具有可行性的转辙机监测项点，并以ZD9/ZDJ9 转辙机为例进行了实施，可以实现预计的监测功能，并根据监测数据可以实时掌握转辙机的状态及运动情况，设定合理阈值后可以对转换过程及锁闭后的部分故障进行预警、报警。

由于对多个有一定关系的运动零件实现了基础数据的实时监测采集，结合大数据和人工智能算法，理论上能实现一定程度的故障预测及健康诊断，因此根据转辙机运行过程采集到的基础数据，挖掘数据之间的相互关系及各种规律，以实现对转辙机的故障预警、维护维修指导、健康诊断，最终改善转辙机的可靠性、可用性，甚至提高其安全性是进一步的工作目标。