楊賢武

*中鐵四局電氣化工程有限公司 高級工程師，233000安徽蚌埠

由于傳統(tǒng)的軌道電路工作性能對道床狀態(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軸技術(shù)，以擺脫對鋼軌和道床條件的嚴重依賴。下面以北京地鐵亦莊線為例，介紹了ACS2000輪緣式計軸系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用特性等。

1 ACS2000計軸系統(tǒng)工作原理

計軸設(shè)備是利用軌道傳感器、計數(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，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，該區(qū)段占用。如計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“故障-安全”設(shè)計原則。

圖1為ACS2000系統(tǒng)工作原理圖。在軌道區(qū)段的兩端各有1個車輪傳感器，通過這2個傳感器對進出此軌道區(qū)間的所有車輪進行計數(shù)，并檢測車輪運行方向。車輪傳感器所檢測到的車輪信息通過4芯信號電纜傳輸?shù)绞覂?nèi)EB評估板。該板負責(zé)對此信息進行處理，同時負責(zé)給傳感器供電。EB板將傳感器檢測的車輪數(shù)據(jù)進行預(yù)分析處理后，傳送給計軸ACB板。計軸系統(tǒng)的ACB板主體是一個二乘二取二的故障-安全型計算機板，它根據(jù)與其相連的EB板檢測數(shù)據(jù)，計算出相應(yīng)計數(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)動條件，表示計數(shù)軌道區(qū)間的狀態(tài)。

圖1 ACS2000系統(tǒng)工作原理圖

計軸系統(tǒng)在初次上電和故障修復(fù)重啟系統(tǒng)時，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計軸系統(tǒng)的先進功能

當(dāng)前，實際應(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)備計軸電子盒EAK，EAK將脈沖信號進行調(diào)制和解調(diào)后的FSK頻移鍵控信息傳輸?shù)绞覂?nèi);而輪緣式計軸則通過電磁振蕩直接傳輸電流信號到室內(nèi)，不需要設(shè)置對信號預(yù)先處理的室外軌旁設(shè)備電子盒。

2.1 傳感器輪軸檢測方式

輪緣式傳感器基于磁力線偏轉(zhuǎn)的原理，檢測列車輪緣。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，傳感器的磁感應(yīng)強度會因為磁力線的衍射作用而發(fā)生改變。利用這種作用原理來檢測列車車輪輪緣，同時用來監(jiān)測軌道上傳感器的位置。輪緣式傳感器檢測原理圖如圖2所示。

圖2 輪緣式傳感器檢測原理圖

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。

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干擾。

2.利用渦流及延遲檢測原理比輪軸采用調(diào)相、調(diào)幅拾取方式的輪幅式傳感器相對優(yōu)越，且無須在室外設(shè)置軌旁設(shè)備，用以對傳送至室內(nèi)的信息進行預(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)備的計軸在同等設(shè)備中具有較大的優(yōu)勢。

3.磁場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，就會產(chǎn)生一個明顯不同于正常工作狀態(tài)的信號。例如，傳感器松動或從軌道上掉落等。所以，信號的評估過程變得非常簡單，而高安全性也可輕松滿足。

2.2 信號傳輸方式

傳統(tǒng)的輪幅式傳感器由于兩磁頭產(chǎn)生的軸脈沖在時間上先后不同，根據(jù)兩脈沖的組合時序可確定列車的運行方向，從而進行相應(yīng)的加軸或減軸運算。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)計軸電子盒EAK將脈沖信號進行調(diào)制和解調(diào)。

ACS2000輪緣式傳感器無車時向室內(nèi)傳輸靜態(tài)電流電平;有車時，車輪通過對應(yīng)線圈1、線圈2的室內(nèi)系統(tǒng)1與2的時序，來確定列車運行方向，通過系統(tǒng)1與2的電流變化及阻尼范圍檢測運算，進行相應(yīng)的加軸或減軸運算。如果車輪傳感器松動或從軌道上脫落，就會造成2個傳感器系統(tǒng)的持續(xù)阻尼，據(jù)此可測量電壓檢測傳感器是否安裝完好。由系統(tǒng)1行駛到系統(tǒng)2典型信號走向圖如圖3所示。

2.3 “預(yù)復(fù)位、復(fù)位”安全技術(shù)

因為斷電等各種原因，軸計數(shù)器可能“忘記”一個區(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，就需要人工復(fù)位，有的直接復(fù)位，有的預(yù)復(fù)位。為了增加安全級別，歐洲標(biāo)準(zhǔn)都增加有預(yù)復(fù)位技術(shù)。

在國鐵上，增加計軸預(yù)復(fù)位后，聯(lián)鎖可以暫時跨過檢查此區(qū)段空閑的條件，但行車人員不能確認對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計軸設(shè)備采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)故障級別設(shè)置安全等級，復(fù)位設(shè)置有“預(yù)復(fù)位”和“復(fù)位”2擋。當(dāng)車輪駛進軌道區(qū)段時，安全等級高，需要先“預(yù)復(fù)位”，再“復(fù)位”才能完成整個區(qū)段的計軸復(fù)位動作;當(dāng)車輪駛出軌道區(qū)段時，安全等級稍低，只需直接“復(fù)位”就能完成整個區(qū)段的計軸復(fù)位動作。

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

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給室內(nèi)，沒有室外信息處理電子盒，減少了故障點。

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

4.系統(tǒng)具有故障弱化功能，每個檢測區(qū)段由獨立的主機系統(tǒng)硬件板處理，不會因為某個區(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)計軸主機，檢測點無需地線，節(jié)約成本。

6.面板指示簡單明了，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，安全級別高。

3 ACS2000計軸設(shè)備施工、調(diào)試技術(shù)

ACS2000計軸設(shè)備因技術(shù)改進，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個短軌枕。

3.兩個車輪傳感器的最小間距為2個短軌枕。4.車輪傳感器必須裝在2個短軌枕的中間。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.傳感器避開護輪軌，遠離強電牽引供電區(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.模擬行車一致性測試 ACB板是否工作正常。

5.計軸設(shè)備復(fù)位功能測試。

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。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)機柜配線是否完整及計軸機柜工作電壓是否正常。計軸機柜評估單元無負載電壓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，由計軸機柜供電，直流12～14 V。

3.室內(nèi)模擬調(diào)試。室內(nèi)機柜供電正常后，就可根據(jù)模擬條件 (模擬相應(yīng)計軸區(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。

1)室內(nèi)模擬列車行駛。計軸評估板上對應(yīng)系統(tǒng)1、2設(shè)置有檢測按鈕TA1和TA2，利用每個區(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)人機界面軟件及評估板顯示車軸數(shù)顯示，確認室內(nèi)的各個通道都無錯誤。

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)定正向行車時室內(nèi)評估板先經(jīng)過系統(tǒng)1再經(jīng)過系統(tǒng)2。因此在模擬行車時，先往右按系統(tǒng)1的TA1后再按系統(tǒng)2的TA2，就可模擬一個車輪正向通過該區(qū)段計軸。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檢測按鈕TA1和TA2，則是一個軸，按兩下則是2個軸。按照行車方向依次按壓每個軌道區(qū)段，則可模擬行車。

2)室內(nèi)外模擬列車行駛。室內(nèi)試驗完成后，就可進行室內(nèi)外一致性測試模擬行車行駛。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輪緣式計軸應(yīng)用效果

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

通過對輪緣式計軸ACS2000系統(tǒng)工作原理介紹，分析了功能特點。針對ACS2000計軸設(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。對國內(nèi)計軸設(shè)備的引進、生產(chǎn)有一定的借鑒和參考意義。