鮑才讓太，莫重明，翟文革，丁召榮

（1.中國鐵路青藏集團(tuán)有限公司電務(wù)部，西寧 810006；2.通號（西安）軌道交通工業(yè)集團(tuán)有限公司工業(yè)研究院，西安 710100；3.西安鐵路信號有限責(zé)任公司，西安 710100）

1 概述

隨著我國鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，尤其高速鐵路的快速發(fā)展，道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的發(fā)展也取得長足的進(jìn)步，上線運行的設(shè)備和系統(tǒng)越來越多，運輸業(yè)務(wù)對道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的依賴性也越來越高。由于所處位置的特殊性及所處環(huán)境的惡劣性，道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的故障率在鐵路運輸設(shè)備總故障中所占比例明顯高于其他類別設(shè)備或系統(tǒng)。道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的故障直接影響運輸效率、運輸秩序甚至運輸安全，并且道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備由于所處位置距離車站較遠(yuǎn)，且不能隨意接近，故障的處理比較耗時，很容易造成故障升級。

為保證設(shè)備可靠性，通常需要對設(shè)備進(jìn)行及時的維護(hù)和預(yù)防性維修。不適當(dāng)?shù)木S護(hù)包括過度維護(hù)、無效維護(hù)或維護(hù)不足。過度維護(hù)和無效維護(hù)造成資源的浪費，提高使用成本，維護(hù)不足會造成設(shè)備故障率升高，壽命下降，加大故障風(fēng)險?？梢?，對設(shè)備的適當(dāng)維護(hù)和適時的預(yù)防性維修能以較小的成本保證設(shè)備的可靠性。

適當(dāng)維護(hù)和適時的預(yù)防性維修得以實施的前提條件是長期的使用經(jīng)驗結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)場的實際環(huán)境條件，并且需要及時掌握設(shè)備的運行情況，也就是說設(shè)備運行狀態(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是能實施適當(dāng)維護(hù)和適時預(yù)防性維修的前提條件之一，也是設(shè)備智能化的前提條件。

對于道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備，尤其是轉(zhuǎn)轍機(jī)，增強(qiáng)其狀態(tài)感知能力，實現(xiàn)其運行狀態(tài)的綜合監(jiān)測，不但是實現(xiàn)維護(hù)和預(yù)防性維修適時有度的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)智能化的基礎(chǔ)。

2 研究現(xiàn)狀及問題

對鐵路運營設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，長期以來是國內(nèi)外鐵路運輸設(shè)備供應(yīng)商競相研究的課題，多種運營設(shè)備的監(jiān)測系統(tǒng)或監(jiān)測設(shè)備目前都得到運用，如電源屏智能監(jiān)測、信號集中監(jiān)測等。由于道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的特殊性和重要性，也有多家廠商對其監(jiān)測進(jìn)行研究，并有產(chǎn)品上道應(yīng)用。

2.1 道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備相關(guān)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

法國科吉富公司研發(fā)道岔監(jiān)測及道岔環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)用于其高速道岔。德國BWG 公司采用其母公司（VAE 公司）提供的Roadmaster2000 道岔監(jiān)測系統(tǒng)，對道岔的監(jiān)控數(shù)據(jù)包括：尖軌的位置、轉(zhuǎn)轍機(jī)的電流、電壓、拉力、轉(zhuǎn)換時間、最小輪緣槽、鋼軌徑向力、鋼軌溫度和加熱裝置，并對信號系統(tǒng)和軌道電路做同步監(jiān)測。這兩家公司的高速道岔均在我國高鐵線路上有應(yīng)用，但其監(jiān)測設(shè)備在我國未見應(yīng)用。其思路均為對道岔參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，以掌握道岔運行情況，降低道岔故障率。

北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司研究設(shè)計道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備故障診斷與預(yù)測系統(tǒng)，其目標(biāo)是在線監(jiān)測道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的運行狀態(tài)，對故障進(jìn)行實時診斷和精確定位，為實現(xiàn)故障診斷與健康管理提供支撐。

也有一些廠商針對轉(zhuǎn)轍機(jī)“卡缺口”故障高發(fā)的實際情況，研發(fā)缺口監(jiān)測系統(tǒng)，用于對轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口數(shù)值超標(biāo)進(jìn)行預(yù)警報警。目前，上道應(yīng)用的缺口監(jiān)測系統(tǒng)主要有視頻圖像方法、非接觸電磁式、碰珠式等。由于應(yīng)用效果明顯，轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測系統(tǒng)近年應(yīng)用比較廣泛。

卡斯柯信號有限公司等信號集中監(jiān)測廠商利用轉(zhuǎn)轍機(jī)工作電流、電壓等數(shù)據(jù)，對轉(zhuǎn)轍機(jī)電源輸出功率進(jìn)行監(jiān)測，希望以此判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)載荷大小。由于實施方便，目前也得到比較廣泛的應(yīng)用。

2.2 存在的問題

上述的以道岔相關(guān)參數(shù)為監(jiān)測目標(biāo)的設(shè)備或系統(tǒng)由于傳感器使用環(huán)境限制，或者會對道岔維護(hù)產(chǎn)生一定影響等原因，目前其應(yīng)用并不廣泛。

轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口監(jiān)測系統(tǒng)功能單一，主要預(yù)警卡缺口故障，對其他類型故障不能預(yù)警報警，如電機(jī)轉(zhuǎn)速不正常、摩擦力與轉(zhuǎn)換阻力不匹配、轉(zhuǎn)轍機(jī)反彈過大等。同時，各種缺口監(jiān)測系統(tǒng)由于系統(tǒng)特點，也存在一定的缺憾，如碰珠式缺口監(jiān)測為接觸式監(jiān)測，存在自身故障率高或者誘發(fā)轉(zhuǎn)轍機(jī)故障率增大的問題，近年其應(yīng)用明顯減少。視頻監(jiān)測系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量大，攝像頭抗污染及抗振動差，清潔鏡頭的維護(hù)工作量大。若缺口數(shù)值在上位機(jī)計算，則進(jìn)行缺口調(diào)整維護(hù)工作時，需詢問室內(nèi)缺口數(shù)值。

非接觸磁電式缺口監(jiān)測系統(tǒng)利用磁電傳感器監(jiān)測缺口數(shù)值，抗污染，不與被監(jiān)測零件接觸，近年應(yīng)用較多，發(fā)展前景比較好。

現(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機(jī)功率監(jiān)測是對電源輸出功率的監(jiān)測，包含輸電線路消耗及轉(zhuǎn)轍機(jī)輸入功率，對于交流轉(zhuǎn)轍機(jī)，不能簡單的由電源輸出功率大小來判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)的輸出功率大小?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)轍機(jī)功率監(jiān)測數(shù)值對同一臺轉(zhuǎn)轍機(jī)在同一安裝位置進(jìn)行縱向定性對比有一定參考意義，不同安裝位置的橫向?qū)Ρ群投康难芯繒a(chǎn)生較大誤差。

3 轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合監(jiān)測需求

目前道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備中，轉(zhuǎn)轍機(jī)具有良好的防護(hù)殼體，且是道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的動力源及狀態(tài)檢查器，部分道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的故障與其有比較高的關(guān)聯(lián)性，在轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測器材，具有較高的可行性及現(xiàn)實意義。

轉(zhuǎn)轍機(jī)的主要功能是轉(zhuǎn)換并鎖閉道岔或者牽引外鎖閉裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)換道岔，檢查并指示道岔位置、狀態(tài)，其對道岔或外鎖閉的轉(zhuǎn)換需要輸出轉(zhuǎn)換力及轉(zhuǎn)換行程，對道岔位置、狀態(tài)的檢查依靠機(jī)內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運動，對道岔的鎖閉通過轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的鎖閉機(jī)構(gòu)執(zhí)行，對道岔位置、狀態(tài)的指示通過機(jī)械結(jié)構(gòu)控制機(jī)內(nèi)接點的接通、斷開來進(jìn)行。因此其運行狀態(tài)監(jiān)測主要應(yīng)包含以下內(nèi)容。

1）動作桿輸出的功率及動作桿的實時位置，其可測參量為動作桿的轉(zhuǎn)換力及動作桿的位移，通過位移變化計算速度，動作桿速度和轉(zhuǎn)換力之積就是功率。

2）鎖閉機(jī)構(gòu)的鎖閉量或者鎖閉深度，由各型轉(zhuǎn)轍機(jī)的鎖閉機(jī)構(gòu)決定，如ZD9/ZDJ9 轉(zhuǎn)轍機(jī)可用推板套停止位置與斷表示位置的距離表示。

3）接點轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角或角度位置，或者控制接點轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵零件位置，ZD9/ZDJ9 轉(zhuǎn)轍機(jī)及使用同類接點機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)轍機(jī)可對動接點角度位置進(jìn)行測量。

4）動接點處于接通位置時的接點電阻數(shù)值、接點壓力數(shù)值。

5）轉(zhuǎn)換過程表示桿行程及鎖閉時停止位置，或者需要檢測表示桿的實時位置。

對這些運行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的異常，并及早預(yù)警，使設(shè)備在故障發(fā)生前得到維修。對于突發(fā)故障，有利于準(zhǔn)確定位故障點，壓縮故障處理時間。

4 ZD9/ZDJ9轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合監(jiān)測的實現(xiàn)

4.1 傳感器及安裝結(jié)構(gòu)的限制

針對轉(zhuǎn)轍機(jī)綜合監(jiān)測的需求，分析其可行性，以ZD9/ZDJ9 轉(zhuǎn)轍機(jī)為例進(jìn)行設(shè)計實現(xiàn)。

前述轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測需求中，除動作桿轉(zhuǎn)換力、接點電阻數(shù)值、接點壓力數(shù)值外，其余均為位移或運動的監(jiān)測，并且其運動形式主要是旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)運動，因此，對此類零件的運動監(jiān)測主要是采集其線性位移或角位移及其對應(yīng)的時刻，從而得到其位移時間曲線，進(jìn)而通過計算可以得出其速度時間曲線和加速度時間曲線。這樣就可以了解被監(jiān)測件的運動特性，并部分了解其動力特性，對這些信息的分析可以發(fā)現(xiàn)運動過程的異常，從而對故障預(yù)警，也可以在故障后提供分析數(shù)據(jù)，以確定故障發(fā)生原因。

轉(zhuǎn)轍機(jī)動作桿轉(zhuǎn)換力的監(jiān)測需使用拉壓傳感器或者以應(yīng)力監(jiān)測方式進(jìn)行，這均會改變轉(zhuǎn)轍機(jī)動作桿的結(jié)構(gòu)，正在進(jìn)行相關(guān)研究，暫時難以實現(xiàn)監(jiān)測。接點電阻及接點壓力的監(jiān)測目前尚無成熟且經(jīng)濟(jì)的非接觸檢測方法，而使用導(dǎo)線接入檢測設(shè)備的方法由于難以解決安全問題而不可行，故目前難以實現(xiàn)接點電阻及接點壓力的監(jiān)測。

線性位移和角位移均有非接觸測量方法，其中磁阻式位移傳感器已經(jīng)用于缺口監(jiān)測，使用中其抗油污性能良好，且滿足-40 ～70℃環(huán)境使用要求，能滿足轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作環(huán)境要求。

溫濕度傳感器、三軸加速度傳感器等已經(jīng)有在轉(zhuǎn)轍機(jī)中應(yīng)用的案例，故這些傳感器可以在轉(zhuǎn)轍機(jī)中可靠應(yīng)用，實現(xiàn)對應(yīng)的監(jiān)測功能。

針對具體轉(zhuǎn)轍機(jī)型號設(shè)計時，除了需有可應(yīng)用的傳感器之外，安裝結(jié)構(gòu)需考慮對轉(zhuǎn)轍機(jī)RAMS 指標(biāo)的影響，如加工安裝所需的結(jié)構(gòu)后不能明顯降低零件強(qiáng)度，傳感器等器件安裝后不能影響各零件運動與動作，更不能影響轉(zhuǎn)轍機(jī)功能，所有新增加的器件和零件不能明顯降低轉(zhuǎn)轍機(jī)原有功能的可靠性，監(jiān)測功能所新增加的器件、零件故障后不影響轉(zhuǎn)轍機(jī)原有功能。

4.2 ZDJ9轉(zhuǎn)轍機(jī)可監(jiān)測項點

應(yīng)用前述傳感器，以ZD9/ZDJ9 轉(zhuǎn)轍機(jī)為例，可以對以下項點進(jìn)行監(jiān)測。

電機(jī)運動參數(shù)監(jiān)測：檢測電機(jī)轉(zhuǎn)動圈數(shù)及實時轉(zhuǎn)速，可以掌握電機(jī)工作狀態(tài)及電機(jī)負(fù)載情況。

動作桿運動參數(shù)監(jiān)測：檢測動作桿位移，實時位置及速度，可以掌握轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)及外鎖閉狀態(tài)（是否鎖閉、是否轉(zhuǎn)換中、是否進(jìn)入鎖閉），可根據(jù)設(shè)定閾值對轉(zhuǎn)換過程的卡阻及阻力過大進(jìn)行預(yù)警報警。

動作板（對應(yīng)推板套）運動參數(shù)監(jiān)測：檢測動作板（推板套）位移，實時位置及速度，可以掌握轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)（是否鎖閉、是否轉(zhuǎn)換中、是否進(jìn)入鎖閉）及鎖閉之后的鎖閉可靠性（以停止位置與斷表示位置的距離為指標(biāo)），可根據(jù)設(shè)定閾值對鎖閉可靠性降低進(jìn)行預(yù)警報警，對轉(zhuǎn)換過程的卡阻及阻力過大進(jìn)行預(yù)警報警。

表示桿運動參數(shù)監(jiān)測：檢測表示桿位移，實時位置及速度，在轉(zhuǎn)轍機(jī)鎖閉狀態(tài)檢測密貼缺口數(shù)值及斥離缺口數(shù)值，可根據(jù)設(shè)定閾值對指定側(cè)缺口過小或過大進(jìn)行預(yù)警報警，對表示桿行程變化進(jìn)行預(yù)警報警。

動接點軸（對應(yīng)動接點）轉(zhuǎn)動參數(shù)監(jiān)測：檢測動接點軸角位移，實時角度及角速度，可以掌握動接點組接通靜接點組的情況及動接點組轉(zhuǎn)換的速度，可根據(jù)設(shè)定閾值對動接點轉(zhuǎn)換遲滯故障進(jìn)行預(yù)警、報警。

轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部溫度、濕度監(jiān)測：掌握轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度及濕度，可根據(jù)設(shè)定閾值提醒及時維護(hù)。

轉(zhuǎn)轍機(jī)三軸加速度數(shù)值監(jiān)測：掌握轉(zhuǎn)轍機(jī)的振動情況，可根據(jù)設(shè)定閾值提醒及時維護(hù)。

以動作桿位移監(jiān)測參數(shù)為例，簡單說明其應(yīng)用。轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換過程發(fā)生卡阻時，查看動作桿位移，若動作桿位移為零，則轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部卡阻，轉(zhuǎn)轍機(jī)不能解鎖。若轉(zhuǎn)轍機(jī)動作桿位移量不足20 mm 或30 mm，則外鎖閉裝置卡阻，外鎖閉不能解鎖，也就是說，通過檢測到的動作桿實時位移或位置，對于道岔轉(zhuǎn)換中卡阻及外鎖閉不能鎖閉，轉(zhuǎn)轍機(jī)不能鎖閉等故障，均可根據(jù)動作桿卡阻時所處位置進(jìn)行分析判斷并準(zhǔn)確定位，有利于及時解決故障，縮短排除故障所花費的時間。

4.3 監(jiān)測樣例

制作轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測設(shè)備樣機(jī)，并在ZDJ9 轉(zhuǎn)轍機(jī)上安裝測試。定義動作桿右伸轉(zhuǎn)轍機(jī)以動作桿拉入鎖閉位置為初始位置（0 位移位置），動接點接通1排或4 排靜接點位置為對應(yīng)動接點的初始位置（0角度位置），動作桿動程為220 mm 的轉(zhuǎn)轍機(jī)從伸出鎖閉轉(zhuǎn)換到拉入鎖閉的轉(zhuǎn)換行程各零件位移或轉(zhuǎn)角測得數(shù)據(jù)曲線如圖1 所示，圖1 中位移單位為mm，動接點轉(zhuǎn)角單位為度，電機(jī)轉(zhuǎn)角單位為圈。

從圖1 可見，本例中，連接左表示桿的尖軌行程約160 mm，連接右表示桿的尖軌行程約170 mm，兩者相差10 mm，道岔兩側(cè)開口值偏差過大。各零件開始位移及結(jié)束時刻，動接點轉(zhuǎn)動開始及結(jié)束時間均可以查出對應(yīng)具體時刻，進(jìn)而計算得出各過程消耗時長。通過表示桿位移數(shù)據(jù)可以計算得出轉(zhuǎn)轍機(jī)鎖閉時密貼缺口及斥離缺口的規(guī)定側(cè)間隙數(shù)值，也可以將其數(shù)值隨時間變化曲線繪出。

對位移數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，可以得出各零件速度，對應(yīng)圖1 的拉入行程中各運動零件速度如圖2所示。

從圖2 可以看出，本次動作，接點斷開和接通速度很大，且接通時速度明顯大于斷開時速度，接點轉(zhuǎn)換正常，各桿件被推板套驅(qū)動，轉(zhuǎn)換過程速度與推板套速度基本相同。左表示桿連接的尖軌處于斥離位，先開始運動，右表示桿連接的尖軌處于密貼位，將其開始運動時的速度和動作桿速度比較可以判斷道岔反彈情況。本測試?yán)?，外鎖閉使用滾動鎖閉框結(jié)構(gòu)，左表示桿停止運動前速度的變化符合該鎖閉機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點。電機(jī)斷電后仍有慣性，振蕩動作后停止。結(jié)合圖1 和圖2 可以確定各種特征時刻的位置（位移）和速度參數(shù)。

圖1 轉(zhuǎn)轍機(jī)拉入行程各零件位移或轉(zhuǎn)角曲線Fig.1 Displacement or rotation angle curve of each part in pull-in stroke of switch machine

圖2 轉(zhuǎn)轍機(jī)拉入行程各零件速度或轉(zhuǎn)速曲線Fig.2 Speed curve of each part in pull-in stroke of switch machine

使用軟件對各參數(shù)與設(shè)定閾值進(jìn)行比照，可以在超出閾值時產(chǎn)生預(yù)警、報警信息，提示維護(hù)人員進(jìn)行處理。進(jìn)一步對大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以發(fā)掘深層次的關(guān)系和規(guī)律，為轉(zhuǎn)轍機(jī)乃至道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備及道岔的健康診斷及故障預(yù)測，維護(hù)維修計劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 小結(jié)

通過分析研究，根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測的實際需求和現(xiàn)有技術(shù)條件下所能采取的技術(shù)手段，在保證轉(zhuǎn)轍機(jī)基本功能的前提下，得出具有可行性的轉(zhuǎn)轍機(jī)監(jiān)測項點，并以ZD9/ZDJ9 轉(zhuǎn)轍機(jī)為例進(jìn)行了實施，可以實現(xiàn)預(yù)計的監(jiān)測功能，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實時掌握轉(zhuǎn)轍機(jī)的狀態(tài)及運動情況，設(shè)定合理閾值后可以對轉(zhuǎn)換過程及鎖閉后的部分故障進(jìn)行預(yù)警、報警。

由于對多個有一定關(guān)系的運動零件實現(xiàn)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測采集，結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能算法，理論上能實現(xiàn)一定程度的故障預(yù)測及健康診斷，因此根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)運行過程采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系及各種規(guī)律，以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)轍機(jī)的故障預(yù)警、維護(hù)維修指導(dǎo)、健康診斷，最終改善轉(zhuǎn)轍機(jī)的可靠性、可用性，甚至提高其安全性是進(jìn)一步的工作目標(biāo)。