董玉英，陳永剛，王亞軍

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，1.碩士研究生；2.副教授，甘肅 蘭州 730070；3.中鐵電氣化局城鐵公司，助理工程師，北京 100036）

道岔融雪系統(tǒng)是道岔轉(zhuǎn)轍設備的基本組成部分之一。當冬季氣溫低于零度或接近零度出現(xiàn)降雪天氣時，道岔軌面就會產(chǎn)生積雪或結冰現(xiàn)象，造成道岔轉(zhuǎn)換困難，存在安全隱患。人工掃雪已無法適應當前鐵路高速、安全、正點和大密度運行的要求。因此，我國部分地區(qū)的鐵路已裝設自動化程度較高RD1的道岔融雪系統(tǒng)。研究道岔融雪系統(tǒng)的可靠性，一方面對設計和管理維修人員具有非常重要的指導意義，另一方面提出相關的改進措施，提高系統(tǒng)的可靠性，對今后系統(tǒng)的發(fā)展很有幫助。

1 道岔融雪系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成 RD1道岔融雪系統(tǒng)由遠動控制終端、車站控制終端、電氣控制柜、隔離變壓器、接線盒、電加熱元件及固定卡具、氣象站、軌溫傳感器等組成（如圖1所示［1-3］）。根據(jù)具體情況，遠程控制終端、車站控制終端、氣象站均為可選件。

1.1.1 遠動控制終端 遠動控制終端由網(wǎng)絡設備、電源設備、電磁干擾防護設備各1套以及1個工作站（控制、網(wǎng)管、維護合用）組成。其功能是實現(xiàn)主控端（遠程服務器）對被控端（車站）的自動，或者人工控制和遠程監(jiān)視下雪報警和故障報警。

1.1.2 車站控制終端 車站控制終端由1個工作站及網(wǎng)絡設備、電源設備、電磁干擾防護設備各1套組成。主要是對該車站的所有電氣控制柜及其加熱電路進行實時控制監(jiān)督。

圖1 電加熱道岔融雪系統(tǒng)構成框圖

1.1.3 電氣控制柜 電氣控制柜用于控制現(xiàn)場道岔加熱系統(tǒng)的啟停、信息采集及運行狀態(tài)監(jiān)測和參數(shù)設置?？刂乒駜?nèi)的控制模塊通過信號電纜與車站控制終端進行通信。

1.1.4 氣象站 每個車站設1套氣象站，安裝于任一電氣控制柜頂部，用于檢測本站的氣溫和雨雪狀況。

1.1.5 軌溫傳感器 每臺電氣控制柜配置1套軌溫傳感器，用于檢測加熱鋼軌的溫度情況。

1.1.6 隔離變壓器 為了保證軌道電路正常工作和人身安全，系統(tǒng)在電氣控制柜和電加熱元件之間設有隔離變壓器。主要技術參數(shù)如下［3］：

1）隔離變壓器容量：5～10KV.A；

2）隔離變壓器一、二次電壓：一次單相AC380V/220V 50Hz；二次單相 AC220V 50Hz；

3）效率：不低于90%。

1.1.7 電加熱元件 電加熱元件是道岔融雪系統(tǒng)的關鍵件，安裝在道岔的尖軌、基本軌部分、可動心軌部分和外鎖閉部分，用于對道岔加熱除雪。壽命不少于10年。主要技術參數(shù)如下［3］：

1）額定工作電壓：AC220V 50Hz；

2）額定加熱功率：200～600 W/m；

3）電熱轉(zhuǎn)換效率不小于96%。

1.1.8 供電電源 道岔融雪系統(tǒng)屬于二級負荷，至少應有一路可靠電源供電。室外道岔融雪設備用電原則盡量不從接觸網(wǎng)取電，每個咽喉區(qū)設立專用電力變壓器，電源規(guī)格為AC220V 50Hz 500W。室內(nèi)設備用電送至各電氣控制柜輸入端子，電源規(guī)格為三相 AC380V 50Hz，或單相 AC440V（2×220V）50Hz。用電功率根據(jù)道岔實際加熱功率計算，并留有一定余量［3］。

1.2 工作原理 正常情況下，系統(tǒng)工作均為自動模式，傳感器采集到雨雪信息和空氣溫度信息后，將信息傳送到電氣控制柜，控制柜把采集到的信息與系統(tǒng)預先設定“門限”值進行比較，當?shù)陀谙到y(tǒng)所設定的“門限”值時，系統(tǒng)將自動啟動預設的加熱方案，對需要加熱的道岔進行加熱，軌溫傳感器實時把鋼軌溫度送至電氣控制柜，當加熱到符合停止加熱的條件時，系統(tǒng)將自動切斷加熱電路。車站控制終端將把所在車站的詳細檢測信息實時打包傳輸給遠動控制終端，同時遠動控制終端可以實現(xiàn)對各車站設備的實時監(jiān)測和控制。當遇到緊急情況時，無論是車站終端還是遠動控制終端均可以實現(xiàn)手動控制。

2 道岔融雪系統(tǒng)的可靠性分析

在可靠性工程中，通常用可靠性框圖、故障樹、FMEA等常用方法對系統(tǒng)進行可靠性分析。故障樹分析是從故障的角度去分析系統(tǒng)的可靠性，它能完成可靠性框圖的分析任務，而且還能分析故障的傳播路線與故障源。因此，更具有優(yōu)越性。本文采用故障樹分析法（FTA），對可能造成道岔融雪系統(tǒng)故障的各種原因進行分析，畫出故障樹，從而確定系統(tǒng)故障原因的各種可能組合方式，計算系統(tǒng)故障率，找出導致系統(tǒng)故障的關鍵組成部分，提出相應的改進措施［4］。

2.1 故障樹的建立 根據(jù)GJB768.1中列出的FTA建樹的6條基本規(guī)則，首先對系統(tǒng)做出以下的前提假設：系統(tǒng)的遠程控制終端和車站控制終端故障不影響系統(tǒng)正常運行，且系統(tǒng)各部件間的信號電纜和電力電纜不發(fā)生故障。建立故障樹如圖2所示。

圖2 電加熱道岔融雪系統(tǒng)故障樹

2.2 故障樹的定性及定量分析 故障樹的定性分析引入割集與最小割集的概念。所謂割集指的是故障樹中一些底事件的集合，當這些底事件都發(fā)生時，頂事件必然發(fā)生。若將割集中所含底事件任意去掉一個就不再成為割集，這就是最小割集［5］。

由圖2可以很清楚地看出，道岔融雪系統(tǒng)故障樹的割集為x1，x2，……x13，該割集同時也是最小割集，當割集中的任意一個事件發(fā)生，頂事件T就會發(fā)生。

故障樹定量化的任務就是要計算，或估計系統(tǒng)頂事件發(fā)生的概率以及系統(tǒng)的一些可靠性指標。對故障樹進行定量化計算，首先要確定事件的故障模式和故障分布參數(shù)，然后從底事件的故障參數(shù)，或故障率求出故障樹頂事件的故障參數(shù)或故障率。一般作以下幾個假設：

1）底事件之間相互獨立；

2）底事件和頂事件都只考慮發(fā)生或不發(fā)生2種狀態(tài)。也就是說，元部件和系統(tǒng)都只有正?；蚬收?種狀態(tài)。

3）一般情況下，故障分布都假定為指數(shù)分布。

從道岔融雪系統(tǒng)的故障樹可以看出頂事件是由若干或門構成，則頂事件發(fā)生的概率也就是系統(tǒng)的不可靠度

式中：Fi（t）為第i個底事件發(fā)生的概率，即第i個底

事件的不可靠度。

設系統(tǒng)每個底事件的故障率分別為λi（t）=λi（i=1，2，…，n），數(shù)據(jù)可以根據(jù)單元故障率的計算以及生產(chǎn)廠家給出的安全性能數(shù)據(jù)得到。設備或者器件的常用失效率數(shù)據(jù)，如表 1所示［4-5］。

表1 底事件的失效率

則每一單元的不可靠度

則系統(tǒng)的不可靠度

通過表1，可以得出系統(tǒng)的故障率

故系統(tǒng)的不可靠度

則系統(tǒng)的可靠度

系統(tǒng)的平均無故障工作時間

計算得到RD1道岔融雪系統(tǒng)的平均無故障工作時間約為3年。中國鐵路通信信號集團公司基礎設備事業(yè)部給出RD1型電加熱道岔融雪系統(tǒng)的設備使用壽命不少于15年，平均無故障工作時間MTBF≥5×104h，合約 5.7年，系統(tǒng)的失效率約為 2×10-5/h［3］。若系統(tǒng)選擇性能更高的元器件，系統(tǒng)可靠度就會更高。

3 提高道岔融雪系統(tǒng)可靠性的措施

道岔融雪系統(tǒng)是道岔轉(zhuǎn)轍設備的一部分，系統(tǒng)的故障會直接影響行車效率和安全，故應該采用合理的措施來保證系統(tǒng)的可靠性。

當?shù)啦砣谘┫到y(tǒng)自動控制模式故障時，在有人值守站可采用人工手動控制加熱電路的通斷來控制，此時系統(tǒng)主要由交流接觸器、電源以及加熱條構成。

綜合考慮道岔融雪系統(tǒng)的自動控制、人工控制以及各底事件的失效率，針對系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)可靠性的措施主要有3項。

3.1 可配備用蓄電池 電源可備蓄電池，一旦發(fā)生供電故障，便可以利用備用蓄電池來給系統(tǒng)供電，使系統(tǒng)正常工作。

3.2 減小加熱條的加熱功率 選用傳導系數(shù)較高的材料，通過提高加熱元件與加熱部位的密貼程度來達到融雪目的，同時又可以提高加熱條的壽命。

3.3 軌溫傳感器采用熱備冗余設計 系統(tǒng)可配備2套軌溫度傳感器。1套為正常工作的主傳感器，另1套為處于熱備狀態(tài)的從傳感器，當主傳感器發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動切換至從傳感器，系統(tǒng)工作不會受到任何影響。

4 結束語

本文采用故障樹分析法對RD1道岔融雪系統(tǒng)進行了可靠性分析，計算出系統(tǒng)的不可靠度和平均無故障工作時間，得出RD1型電加熱道岔融雪系統(tǒng)具有高可靠性。同時對影響系統(tǒng)可靠性的關鍵部件進行分析，提出相應的措施并加以改進和防范，從而提高道岔融雪系統(tǒng)的可靠性和安全性。

［1］王相暉.RD1型電加熱道岔融雪系統(tǒng)介紹及應用實例［J］.鐵路通信信號工程技術，2010，7（1）：48-49.

［2］王濤.電加熱道岔融雪系統(tǒng)設計與實踐［J］.鐵路通信信號，2010，46（7）：37-40.

［3］中國鐵路通信信號集團公司基礎設備事業(yè)部.RD1型電加熱道岔融雪系統(tǒng)［S］.北京：中鐵通電務技術開發(fā)中心.

［4］丁巖.某武器系統(tǒng)可靠性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

［5］酈萌.吳芳美，鐵路信號可靠性安全性理論及證實［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.