馬 賽，戴民權(quán)，陳維明，俞 建

提速道岔及轉(zhuǎn)換鎖閉裝置在鐵路運(yùn)輸中起著重要作用，其運(yùn)用質(zhì)量直接影響鐵路運(yùn)輸安全和效率［1-2］。既有道岔監(jiān)測內(nèi)容包括道岔動作電流/功率曲線［3］、轉(zhuǎn)換阻力曲線［4］和表示缺口等［5］。其中，道岔動作電流/功率曲線反映轉(zhuǎn)轍機(jī)工作電流、輸出功率等數(shù)據(jù)，能間接反映道岔轉(zhuǎn)換過程中各種動作狀態(tài)；轉(zhuǎn)換阻力曲線反映轉(zhuǎn)轍機(jī)輸出拉力；表示缺口能間接反映道岔密貼值。但以上數(shù)據(jù)都不能直接反映道岔轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)轍機(jī)動作桿動程、尖軌位移及鎖閉裝置的動作狀態(tài)，而道岔尖軌移動及鎖閉裝置鎖閉/解鎖又是直接影響道岔能否正常轉(zhuǎn)換的，因此有必要對道岔轉(zhuǎn)換過程中尖軌移動和鎖閉裝置動作進(jìn)行監(jiān)測，以此作為分析道岔轉(zhuǎn)換過程的數(shù)據(jù)支撐。

近年來有不少設(shè)備被用于道岔密貼和開程監(jiān)測，如磁力［5］、電渦流［6］、圖像等傳感器［7］，但這些設(shè)備僅能實現(xiàn)靜態(tài)監(jiān)測，還無法獲取道岔轉(zhuǎn)換過程中尖軌位移，且應(yīng)用效果受到現(xiàn)場環(huán)境限制（如光照、灰塵、雨、雪等）。文獻(xiàn)［8］提出的方法雖然可實現(xiàn)道岔尖軌位移動態(tài)監(jiān)測，但沒有對道岔轉(zhuǎn)換過程尖軌位移與鎖閉裝置動作、動作桿動程等進(jìn)行分析。為此，本文提出采用激光傳感器與磁致伸縮效應(yīng)位移傳感器結(jié)合的應(yīng)用方式，實時獲取提速道岔轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)轍機(jī)動作桿動程和直曲尖軌位移，并生成道岔轉(zhuǎn)換曲線，通過該曲線計算道岔密貼量/開程量、空動距離、鎖閉量/解鎖量等，經(jīng)與人工測量值對比，進(jìn)一步驗證轉(zhuǎn)換曲線的正確性；同時分析道岔轉(zhuǎn)換時，動作桿、尖軌、鎖閉裝置動作及轉(zhuǎn)換的平順性和同步性。

1 監(jiān)測傳感器選擇

轉(zhuǎn)轍機(jī)動作桿動程和直曲尖軌位移監(jiān)測傳感器需滿足監(jiān)測精度、響應(yīng)頻率、現(xiàn)場環(huán)境和使用維護(hù)等要求，其安裝不能影響轉(zhuǎn)轍機(jī)和道岔正常工作。為此，提出采用激光傳感器監(jiān)測動作桿動程，磁致伸縮效應(yīng)位移傳感器監(jiān)測尖軌位移。

1.1 動作桿動程監(jiān)測

轉(zhuǎn)轍機(jī)動作桿動程監(jiān)測采用三角法激光傳感器，利用定制結(jié)構(gòu)件，將傳感器固定在轉(zhuǎn)轍機(jī)外殼邊框內(nèi)側(cè)；將轉(zhuǎn)轍機(jī)保持連接器作為激光反射面。隨著轉(zhuǎn)轍機(jī)動作桿線性移動，實時采集傳感器輸出信號，經(jīng)換算即可獲取道岔轉(zhuǎn)換過程中動作桿動程隨時間變化的數(shù)據(jù)曲線。圖1 為轉(zhuǎn)轍機(jī)動作桿動程監(jiān)測安裝圖。傳感器安裝時需保證其發(fā)射光線與反射面垂直，以使動作桿移動時傳感器發(fā)射光線在反射面上始終保持在一點(diǎn)。由于有轉(zhuǎn)轍機(jī)外殼防護(hù)，傳感器免受自然光、降水等影響，使動程桿動程監(jiān)測精度可達(dá)到±0.5 mm。

圖1 S700K-C轉(zhuǎn)轍機(jī)動作桿動程監(jiān)測安裝

動作桿動程的換算方法為：假設(shè)激光傳感器量程為R，最大、最小量程所對應(yīng)的輸出電流信號分別為Imax、Imin，動作桿拉入時激光傳感器輸出電流信號為Iref，則當(dāng)動作桿移動到任意位置，傳感器輸出電流信號為Ix時，計算動作桿動程Rx為

1.2 尖軌位移監(jiān)測

采用基于磁致伸縮效應(yīng)的位移傳感器，對道岔尖軌位移曲線進(jìn)行監(jiān)測。磁致伸縮效應(yīng)位移傳感器由電子倉、波導(dǎo)管和磁塊組成。尖軌位移監(jiān)測見圖2。在道岔牽引點(diǎn)兩側(cè)基本軌的底部，采用螺栓緊固的扣件固定位移傳感器電子倉；在尖軌上通過金屬件固定傳感器磁塊。道岔轉(zhuǎn)換時，尖軌與基本軌的相對移動會引起磁塊在波導(dǎo)管的位置變化，隨之引起傳感器輸出電流信號的對應(yīng)變化。通過實時采集傳感器輸出信號，經(jīng)換算后可得到道岔轉(zhuǎn)換過程中尖軌位移隨時間變化的數(shù)據(jù)曲線。該方式為非接觸式監(jiān)測，雨水、溫度、列車輪對沖擊等不影響測量精度，精度可達(dá)±0.1 mm。

圖2 尖軌位移監(jiān)測

尖軌位移的換算方法為：當(dāng)位移傳感器所在牽引點(diǎn)側(cè)為密貼時，其輸出電流信號為Im，現(xiàn)場人工測得密貼量為Dm；當(dāng)位移傳感器所在牽引點(diǎn)側(cè)為開程時，其輸出電流信號為Ik，現(xiàn)場人工測得開程量為Dk。由于傳感器輸出電流與道岔尖軌位移為線性關(guān)系，則當(dāng)?shù)啦砑廛夀D(zhuǎn)動到密貼和開程間任意位置，其輸出電流信號為Ix時，計算出對應(yīng)尖軌位移值Dx為

2 道岔理想轉(zhuǎn)換曲線分析

圖3 為根據(jù)鉤型外鎖閉提速道岔轉(zhuǎn)換過程，繪制出的道岔定位轉(zhuǎn)反位的理想轉(zhuǎn)換曲線（實際曲線有一定波動），及道岔轉(zhuǎn)換動作與對應(yīng)動作桿動程。其中，藍(lán)色曲線表示動作桿從拉入位移動到伸出位，綠色曲線表示密貼尖軌從密貼位移動到開程位，紅色曲線表示斥離尖軌從開程位移動到密貼位。

圖3 道岔理想轉(zhuǎn)換曲線及道岔轉(zhuǎn)換動作與動作桿動程

圖3 橫軸表示道岔轉(zhuǎn)換動作時間，t0-t4為道岔轉(zhuǎn)換全程，斥離尖軌轉(zhuǎn)換從t1-t3，密貼尖軌轉(zhuǎn)換從t2-t4。圖3下部分表示斥離/密貼尖軌側(cè)動作順序及經(jīng)歷時間，與橫軸中t0-t4時刻相對應(yīng)。圖3 縱軸表示動作桿動程，左側(cè)從下到上依次為道岔斥離尖軌側(cè)走空動、轉(zhuǎn)換、上鎖閉臺階、鎖閉4個動作［9］及對應(yīng)動作桿動程；右側(cè)從下到上依次為道岔密貼尖軌側(cè)解鎖、下鎖閉臺階、走空動、轉(zhuǎn)換4 個動作［9］及對應(yīng)動作桿動程。動作桿從開始轉(zhuǎn)換到斥離尖軌開始移動，即t0-t1期間的動程為空動距離；斥離尖軌轉(zhuǎn)換到密貼位，鎖鉤上鎖閉臺階后，鎖閉桿與鎖鉤重合部分的長度為鎖閉量；密貼尖軌鎖鉤下鎖閉臺階前，鎖閉桿與鎖鉤重合部分的長度為解鎖量［10］。分析理想轉(zhuǎn)換曲線可以得出以下結(jié)論。

1） 密貼尖軌開始解鎖t0到開始移動t2期間，道岔經(jīng)過解鎖、下鎖閉臺階、走空動3 個動作，期間動作桿先走行空動距離，斥離尖軌再轉(zhuǎn)換一定位移，因此密貼尖軌解鎖量等于t1到t2期間，斥離尖軌位移減去鎖閉桿鎖閉臺階高度。

2） 斥離尖軌移動到密貼位t3到鎖閉完成t4期間，道岔經(jīng)過上鎖閉臺階、鎖閉2 個動作，此時密貼尖軌移動到開程，因此斥離尖軌鎖閉量等于t3到t4期間，密貼尖軌位移減去鎖閉臺階高度。

3） 斥離尖軌空動距離等于動作桿開始移動t0到斥離尖軌開始移動t1期間的動作桿動程。

由此從轉(zhuǎn)換曲線可以獲得每次轉(zhuǎn)換密貼/開程量、動作桿動程、尖軌位移、鎖閉/解鎖量、空動距離等數(shù)據(jù)，可以詳細(xì)分析道岔轉(zhuǎn)換過程。此外，由于道岔轉(zhuǎn)換時受解鎖/鎖閉阻力、滑床板摩擦力、牽引點(diǎn)動作同步性等影響，通過轉(zhuǎn)換曲線還可以查看道岔轉(zhuǎn)換的平順性和同步性。

3 道岔實際轉(zhuǎn)換曲線獲取及分析

在上海西站選擇一組60 kg/m-1/12 雙機(jī)牽引單開有砟固定轍叉道岔，獲取實際道岔轉(zhuǎn)換曲線。現(xiàn)場在尖軌2 個牽引點(diǎn)分別安裝1 對位移傳感器，2 臺S700K-C 轉(zhuǎn)轍機(jī)上分別安裝1 個激光傳感器，監(jiān)測傳感器現(xiàn)場安裝示意見圖4。所有傳感器接入1 個軌旁采集單元。在機(jī)房設(shè)置1 臺服務(wù)器，用來存儲、顯示和分析道岔轉(zhuǎn)換曲線數(shù)據(jù)。道岔轉(zhuǎn)換過程中，軌旁采集單元以40 Hz 頻率實時采集轉(zhuǎn)轍機(jī)和尖軌位移傳感器輸出的電流信號，并記錄為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)文件，通過雙絞線電力載波將數(shù)據(jù)文件上傳到站機(jī)服務(wù)器。

圖4 監(jiān)測傳感器安裝示意

當(dāng)各牽引點(diǎn)傳感器和軌旁采集單元、服務(wù)器等安裝完成后，將道岔扳動到定位/反位，記錄定/反時位傳感器和激光傳感器的輸出電流，同時人工測量道岔定/反位時密貼量及開程量。根據(jù)式（1）、式（2），服務(wù)器從道岔轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)文件中電流數(shù)據(jù)換算出動作桿動程和尖軌位移數(shù)據(jù)，繪制出道岔各牽引點(diǎn)動作桿動程，及尖軌位移隨時間變化的道岔轉(zhuǎn)換曲線，見圖5。

圖5 實際轉(zhuǎn)換曲線

圖5（a）、圖5（b）分別為現(xiàn)場監(jiān)測的牽引點(diǎn)J1、J2一次定位到反位轉(zhuǎn)換曲線，可以看出實際監(jiān)測曲線與理想曲線形狀一致。斥離尖軌在動作桿移動空動距離后開始轉(zhuǎn)換，與此同時密貼尖軌進(jìn)行解鎖，解鎖完成后2 根尖軌同時移動，最后斥離尖軌鎖閉，密貼尖軌移動到開程。受鎖閉阻力和滑床板摩擦力等影響，曲線局部有輕微抖動。由于J1 空動距離只有5 mm，圖5（a）中J1 轉(zhuǎn)換曲線中動作桿先移動不明顯，而J2 空動距離31 mm，從圖5（b）中可以明顯看出動作桿先于斥離軌移動。

3.1 牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換過程分析

3.1.1 J1定位轉(zhuǎn)反位動作順序

牽引點(diǎn)J1 設(shè)計動作桿動程220 mm，鎖閉臺階高7.13 mm，空動距離5 mm。從圖5（a）中J1 轉(zhuǎn)換曲線數(shù)據(jù)可以得出該次轉(zhuǎn)換J1定位密貼0，開程163.4 mm，反位密貼0，開程164.4 mm，動作桿動程220.6 mm，從而算出該次定位轉(zhuǎn)反位解鎖量為44.07 mm，鎖閉量為45.07 mm。從轉(zhuǎn)換曲線得出的道岔各參數(shù)均在合理范圍內(nèi)，說明該道岔牽引點(diǎn)調(diào)整到位。

由于J1 設(shè)計空動距離較小只有5 mm，不適合從轉(zhuǎn)換曲線計算，分析J1 動作順序采用空動距離設(shè)計值。從J1 轉(zhuǎn)換曲線計算結(jié)果，可以分析J1 定位轉(zhuǎn)反位詳細(xì)動作順序為：

1） 動作桿動程44.07+7.13=51.2（mm）時解鎖，此時斥離尖軌移動51.2-5=46.2（mm），開程為163.4-46.2=117.2（mm）；

2） 解鎖后動作桿再走行5 mm，密貼尖軌開始移動，此時斥離尖軌開程117.2-5=112.2（mm）；

3） 動作桿再走行112.2 mm，斥離尖軌密貼；

4） 動作桿再走行7.13+45.07=52.2（mm），道岔反位鎖閉， 此時開程為112.2+52.2=164.4（mm），即為測得的反位開程值。

3.1.2 J2定位轉(zhuǎn)反位動作順序

牽引點(diǎn)J2 設(shè)計動作桿動程150 mm，鎖閉臺階高7.13 mm，空動距離31 mm。從圖5（b）中J2轉(zhuǎn)換曲線數(shù)據(jù)可以得出該次轉(zhuǎn)換定/反位密貼均為0，定位開程73.7 mm，反位開程74 mm，動作桿動程150.5 mm，空動距離為29.7 mm，計算出該次定位轉(zhuǎn)反位解鎖量為39.67 mm，鎖閉量為39.97 mm。

從J2 轉(zhuǎn)換曲線計算結(jié)果可以分析J2 定位轉(zhuǎn)反位詳細(xì)動作順序為：

1）動作桿動程39.67+7.13=46.8（mm）時解鎖，此時斥離尖軌移動46.8-29.7=17.1（mm），其開程為73.7-17.1=56.6（mm）；

2）解鎖后動作桿再走行29.7 mm，密貼尖軌開始移動，此時斥離尖軌開程56.6-29.7=26.9（mm）；

3）動作桿再走行26.9 mm，斥離尖軌密貼；

4）動作桿再走行7.13+39.97=47.1（mm），道岔反位鎖閉，此時道岔開程26.9+47.1=74（mm），為測得反位開程值。

3.2 鎖閉量分析

道岔轉(zhuǎn)換鎖閉/解鎖量能反映轉(zhuǎn)轍機(jī)和道岔轉(zhuǎn)換健康情況。如果實際鎖閉量與設(shè)計值偏差過大，可能導(dǎo)致道岔不能正常鎖閉、解鎖。該型號道岔設(shè)計要求J1 鎖閉解鎖量大于30 mm，J2 鎖閉解鎖量大于20 mm。表1 和表2 中從連續(xù)10 次轉(zhuǎn)換曲線計算的鎖閉量表明該道岔實際鎖閉量符合設(shè)計要求。

表1 J1轉(zhuǎn)換曲線計算值與人工測量結(jié)果對比mm

表2 J2轉(zhuǎn)換曲線計算值與人工測量結(jié)果對比mm

由于牽引點(diǎn)一側(cè)尖軌隨道岔轉(zhuǎn)換交替進(jìn)行鎖閉、解鎖動作，因此從一次轉(zhuǎn)換曲線計算出的鎖閉（解鎖）量與下一次轉(zhuǎn)換曲線計算出的解鎖（鎖閉）量相比，應(yīng)變化較小。目前《技規(guī)》中暫無相關(guān)變化范圍的規(guī)定，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗實際使用中建議設(shè)定2 mm。如果變化超出范圍，可以認(rèn)為道岔鎖閉/解鎖動作不一致。此外，道岔斥離/密貼尖軌的鎖閉/解鎖量偏差能反映道岔定反位調(diào)整均衡性。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定兩側(cè)鎖閉量偏差不超過3 mm，表1和表2中鎖閉量數(shù)據(jù)顯示J1、J2連續(xù)2次轉(zhuǎn)換解鎖量和鎖閉量變化范圍較小，表明其轉(zhuǎn)換一致性和定反位調(diào)整均衡性較好。

3.3 空動距離分析

從轉(zhuǎn)換曲線可以計算出動作桿開始移動，到斥離尖軌開始移動期間的動作桿動程，此位移即斥離尖軌實際空動距離。

對于多牽引點(diǎn)道岔J1 牽引點(diǎn)一般設(shè)計空動距離較小，對于J2 與之后牽引點(diǎn)設(shè)計空動距離比較大，可以通過獲取的轉(zhuǎn)換曲線計算實際空動距離。從該道岔實際監(jiān)測轉(zhuǎn)換曲線（圖5（b））計算出J2 空動距離約30 mm，與鎖閉桿設(shè)計空動距離31 mm相比偏差較小，表明尖軌開程調(diào)整良好。

實際空動距離與鎖閉桿設(shè)計值之差，為斥離尖軌鎖鉤凹槽與鎖閉桿鎖閉臺階作用面離縫，即“虛開”距離［11］。因此從道岔轉(zhuǎn)換曲線可以發(fā)現(xiàn)該牽引點(diǎn)是否存在“虛開”。如果“虛開”距離過大，則需工電聯(lián)合整治道岔。另外，如果斥離尖軌存在因為反彈或移動慣性導(dǎo)致的“虛開”，過車時，輪對沖擊影響可能造成過車后斥離尖軌回彈，使道岔開程值變小，因此比較過車前、后轉(zhuǎn)換曲線中開程量，可一定程度上發(fā)現(xiàn)斥離尖軌是否有“虛開”。

3.4 道岔轉(zhuǎn)換平順性和同步性分析

道岔轉(zhuǎn)換曲線能反映轉(zhuǎn)換平順性，由圖5 轉(zhuǎn)換曲線可以看出，除J1 反位尖軌啟動時有輕微緩動，道岔J1、J2 整體轉(zhuǎn)換比較平順，不存在明顯別卡或卡阻。

經(jīng)過長期監(jiān)測，現(xiàn)場記錄到如圖6 所示一組反位轉(zhuǎn)定位轉(zhuǎn)換曲線，分析該曲線可知2 個牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換的同步性。

圖6 反位轉(zhuǎn)定位時道岔轉(zhuǎn)換曲線

1）J1 在2.76 s 時刻轉(zhuǎn)換至道岔中心位置（轉(zhuǎn)換曲線中斥離、密貼尖軌位移曲線交點(diǎn)，此時2 根尖軌開程相等），J2 在3.0 s 時刻轉(zhuǎn)換至中心位置。J1 在5.0 s 時刻轉(zhuǎn)換結(jié)束，J2 在5.16 s 時刻轉(zhuǎn)換結(jié)束。J2 轉(zhuǎn)換至中心位置和轉(zhuǎn)換至定位均比J1 晚0.16 s。2）在1.96～2 s時，J1雙軌停止轉(zhuǎn)換（尖軌位移曲線為水平），此時J1 斥離尖軌位置94.8 mm，密貼尖軌位置21.1 mm；在2.06～2.10 s 時，J2 雙軌卡阻停止轉(zhuǎn)換（尖軌位移曲線為水平），此時J2斥離尖軌位置46.1 mm，密貼尖軌位置6.6 mm。

3）J1 在解鎖動作期間斥離尖軌存在緩動（尖軌位移曲線斜率偏?。?，分析原因可能是外鎖閉裝置或斥離尖軌摩擦過大。轉(zhuǎn)換曲線指導(dǎo)現(xiàn)場調(diào)整鎖閉框后緩動消除。

4 人工測量驗證

為驗證本文獲取道岔轉(zhuǎn)換曲線方法的正確性，選擇試驗道岔連續(xù)10 次的轉(zhuǎn)換曲線，從曲線數(shù)據(jù)計算出道岔動作桿動程、空動距離、密貼量、開程量和鎖閉量，與人工測量鎖閉量對比，見表1 和表2。J1 轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)計動程為220 mm，J2 轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)計動程為150 mm。人工測量J1 定位開程量為163 mm，反位開程量為164 mm，定反位密貼量均為0；J2 定/反位開程量均為74 mm，定/反位密貼量均為0。人工測量鎖閉量為在2 次轉(zhuǎn)換之間用鎖閉量檢查尺測得。

經(jīng)過人工測量驗證，從轉(zhuǎn)換曲線數(shù)據(jù)獲得的道岔定反位密貼量與人工測量結(jié)果偏差小于0.5 mm，開程量與人工測量結(jié)果偏差小于1 mm，滿足《技規(guī)》中道岔牽引點(diǎn)定/反位密貼間隙應(yīng)不超過0.5 mm，開程與道岔設(shè)計值偏差不超過2 mm 的要求；動作桿動程與轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)計值偏差小于0.5 mm；計算鎖閉量與人工測量結(jié)果偏差小于2%；J2 轉(zhuǎn)換曲線計算空動距離偏差小于2 mm。表明本文方法能正確獲取道岔轉(zhuǎn)換曲線。從實際轉(zhuǎn)換曲線數(shù)據(jù)可以計算出動作桿動程、空動距離、密貼量/開程量、解鎖/鎖閉量等道岔轉(zhuǎn)換過程參數(shù)。

5 結(jié)束語

利用監(jiān)測傳感器現(xiàn)場獲取道岔轉(zhuǎn)換曲線，通過轉(zhuǎn)換曲線計算動作桿動程、空動距離、密貼/開程量、鎖閉/解鎖量等，分析道岔轉(zhuǎn)換各階段動作桿、尖軌、鎖閉裝置動作，有助于減少道岔日常檢查工作，能發(fā)現(xiàn)“天窗”檢查時不易發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換緩動、卡阻、牽引點(diǎn)不同步等隱藏問題，指導(dǎo)現(xiàn)場維護(hù)人員開展精準(zhǔn)維修，預(yù)防和減少轉(zhuǎn)換不良故障。