楊 進(jìn)，王 青，張 璟

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信信號學(xué)院，副教授，江蘇 南京 210035；2.揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，碩士研究生，江蘇 揚(yáng)州 225009；3.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營一分公司 工務(wù)通號中心，工程師，江蘇 蘇州 215100）

我國東部地區(qū)受到海洋性季風(fēng)氣候影響，夏季濕熱多雨，尤其是在梅雨季節(jié)，地鐵正線隧道內(nèi)道岔基坑極容易積水。積水來源主要有道床沖洗水、隧道結(jié)構(gòu)滲漏水及消防廢水等。轉(zhuǎn)轍機(jī)基坑內(nèi)的積水如不能及時(shí)排出，積水會進(jìn)入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部甚至漫過轉(zhuǎn)轍機(jī)，而轉(zhuǎn)轍機(jī)與基礎(chǔ)角鋼、基礎(chǔ)角鋼與鋼軌之間均有絕緣墊片，由于隧道積水略偏堿性，積水會導(dǎo)致絕緣性能降低，回流電流從鋼軌向轉(zhuǎn)轍機(jī)泄露，對角鋼、轉(zhuǎn)轍機(jī)等產(chǎn)生電腐蝕；轉(zhuǎn)轍機(jī)也會因浸泡在水中不能正常工作，造成信號失表，進(jìn)而影響地鐵正常運(yùn)營，引發(fā)運(yùn)營事故。正線整體道床完工交付以后，排水系統(tǒng)長年有鈣化物質(zhì)沉積，導(dǎo)致排水不暢，再進(jìn)行基坑排水整治，需要“工電聯(lián)整”，破壞道床，且難度較大。

因此設(shè)計(jì)了一種新型道岔基坑排水裝置，由蓄電池供電，將坑內(nèi)的積水抽到附近的排水溝，既能代替人工排水，又能避免“工電聯(lián)整”，且維護(hù)極少，成本低。

1 道岔抽水裝置安裝

抽水裝置用來控制轉(zhuǎn)轍機(jī)角鋼下，基坑內(nèi)積水的高度，通過抽水管將基坑內(nèi)的積水排到排水溝內(nèi)，防止積水侵蝕轉(zhuǎn)轍機(jī)。積水過程是連續(xù)且緩慢的，在水位較低時(shí)，并不需要抽水裝置工作，只有在積水位置較高時(shí)，裝置才啟動(dòng)，執(zhí)行排水任務(wù)。圖1為排水裝置安裝圖。

圖1 排水裝置安裝示意圖

道岔抽水裝置控制電路安放在道岔基坑附近，在道岔基坑內(nèi)設(shè)置兩個(gè)水位傳感器，分別是低位傳感器和高位傳感器。為了保護(hù)抽水電機(jī)，避免電機(jī)短時(shí)間內(nèi)反復(fù)啟動(dòng)，只有當(dāng)積水同時(shí)淹沒兩個(gè)傳感器的情況下，抽水電機(jī)才啟動(dòng)。此時(shí)排水管不斷將轉(zhuǎn)轍機(jī)基坑內(nèi)的水抽到附近工務(wù)排水溝內(nèi)，直到積水水面低于低位傳感器位置，電機(jī)停止工作。

因此，在現(xiàn)場布置傳感器時(shí)，低位傳感器放置在基坑底部，高位傳感器放置在轉(zhuǎn)轍機(jī)底殼附近，就能夠?qū)⑺豢刂圃谵D(zhuǎn)轍機(jī)底殼以下位置。傳感器選用小型液位浮閥傳感器，對電路來說，傳感器可視為接點(diǎn)，被淹沒時(shí)，接點(diǎn)閉合，方便電路邏輯設(shè)計(jì)。且浮閥結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低，方便安裝更換。

2 道岔抽水裝置控制電路

為了應(yīng)對不同的應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)了三款不同原理的道岔抽水裝置控制電路，功能有所相同，但各有特點(diǎn)。

2.1 繼電器抽水裝置控制電路

繼電器抽水裝置主要由小型彈簧式繼電器構(gòu)成，繼電器J1 為低位浮閥繼電器，J2 為高位浮閥繼電器，J3為保持繼電器。圖2為電路原理圖。

圖2 繼電器抽水裝置電路圖

當(dāng)?shù)臀桓￠y接點(diǎn)K2 閉合，繼電器J1 吸起，其接點(diǎn)J1-J閉合。

當(dāng)高位浮閥接點(diǎn)K3 閉合，繼電器J2 吸起，J2-J接點(diǎn)閉合。此時(shí)，保持繼電器J3 得電吸起，接點(diǎn)J3-J閉合，同時(shí)，電機(jī)M1啟動(dòng)，開始排水。

當(dāng)水位下降到高位浮閥傳感器以下，繼電器J2失電落下。由于保持繼電器J3 線圈兩端電容C1 的作用，繼電器緩動(dòng)，通過接點(diǎn)J3-J 構(gòu)成的回路，繼電器J3 保持吸起，維持抽水電機(jī)的供電，裝置繼續(xù)抽水。

當(dāng)水位下降到低位浮閥以下，浮閥接點(diǎn)K2 斷開，繼電器J1 失電落下，J1-J斷開，繼電器J3 和電機(jī)M1失電，裝置停止工作。

該電路由繼電器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。繼電器抗干擾能力強(qiáng)，所以該電路性能可靠。缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)體積較大，并且如果繼電器選型不當(dāng)將導(dǎo)致系統(tǒng)功耗較大；如果選用機(jī)械式繼電器，在潮濕環(huán)境下接點(diǎn)組易氧化，因此需要選擇小功率固態(tài)繼電器。該控制電路系統(tǒng)適用于可以提供遠(yuǎn)程供電的場景。

2.2 觸發(fā)器抽水裝置控制電路

與繼電器設(shè)計(jì)的抽水裝置不同，觸發(fā)器抽水裝置采用以D觸發(fā)器為核心，功耗低，續(xù)航能力更強(qiáng)。

當(dāng)D 觸發(fā)器的復(fù)位端M（—）R（—）（低電平有效）為高電平時(shí)，時(shí)鐘腳CP 觸發(fā)信號有效，輸出端Q的電平跟隨輸入端D 的電平。電路原理圖如圖3 所示。

圖3 觸發(fā)器抽水裝置電路圖

低位浮閥的接點(diǎn)K1 和施密特觸發(fā)器輸入端相連。在水位較低，低位浮閥接點(diǎn)K1 未閉合的情況下，施密特反相器輸出低電平，D 觸發(fā)器復(fù)位端MR有效，觸發(fā)器輸出為低電平，后級三極管不導(dǎo)通，繼電器接點(diǎn)J1-J斷開，電機(jī)不工作。

當(dāng)基坑內(nèi)水位上升，淹沒低位浮閥，浮閥K1 接點(diǎn)閉合，D 觸發(fā)器的輸入端D 和復(fù)位端M（—）R（—）電平被拉高，進(jìn)入工作狀態(tài)。

當(dāng)水位淹沒過高位浮閥時(shí)，接點(diǎn)K2 閉合，D 觸發(fā)器的時(shí)鐘腳將輸入一路有效上升沿信號。此時(shí)，D 觸發(fā)器的輸出端Q 的電平將跟隨輸入端D，為高電平，后級NPN 三極管導(dǎo)通，繼電器J1 吸起，接點(diǎn)J1-J 閉合，接通抽水電機(jī)M1 的工作電路，開始排水工作。

當(dāng)水位下降到高位浮閥以下，D 觸發(fā)器時(shí)鐘腳上的電平恢復(fù)低電平，用來等待下次有效上升沿觸發(fā)信號到來。但此時(shí)，D 觸發(fā)器Q 端鎖存前一狀態(tài)，輸出依然為高電平，三極管飽和導(dǎo)通，繼電器接點(diǎn)持續(xù)閉合，排水電機(jī)保持工作。

當(dāng)水位下降到低位浮閥以下，D 觸發(fā)器的復(fù)位端重新被置低，復(fù)位端低電平有效，輸出端Q 被清0，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器線圈失電，接點(diǎn)斷開，抽水電機(jī)M1自動(dòng)停止工作。

觸發(fā)器類型的道岔抽水裝置，用到了一個(gè)D 觸發(fā)器和兩個(gè)施密特觸發(fā)器，以及少量的半導(dǎo)體電子元件。電路設(shè)計(jì)邏輯清晰，PCB布板連線極為簡單，D觸發(fā)器輸出端在M（—）R（—）無效，上升沿時(shí)鐘信號有效的情況下，才能輸出高電平，誤動(dòng)作幾率小，可靠性高，且功率極低。缺點(diǎn)是觸發(fā)器型抽水裝置對PCB 板工藝要求較高，需要保護(hù)地敷銅設(shè)計(jì)，以減小現(xiàn)場大功率電機(jī)啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的電磁干擾，此外PCB 需要進(jìn)行防水、防塵、防腐蝕處理。因此，該電路系統(tǒng)適用于專業(yè)公司批量生產(chǎn)抽水設(shè)備的場景。

2.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器抽水裝置控制電路

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器道岔抽水裝置選用555 定時(shí)器設(shè)計(jì)，由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸入信號為電平信號，大功率電機(jī)啟動(dòng)的瞬時(shí)干擾并不會持續(xù)施加在電路上，所以相比較于上升沿有效的D 觸發(fā)器，555 定時(shí)器的抽水裝置，對PCB 繪制的工藝要求更低，單穩(wěn)態(tài)電路比觸發(fā)器電路抗干擾能力更強(qiáng)；與繼電器型抽水裝置相比，電路功耗低，元件少，可靠性高。

圖4為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器抽水裝置的電路原理圖。

圖4 單穩(wěn)態(tài)道岔抽水裝置電路圖

R1、R2 取值在1kΩ～10kΩ 之間，K1、K2 分別是低位和高位浮閥接點(diǎn)，浮閥在未被積水淹沒時(shí)，555定時(shí)器的Vi1 輸入端和Vi2 輸入端電平均被拉高到電源電壓（VCC），輸出端Vout 輸出低電平，后級NPN三極管處于截止?fàn)顟B(tài)；

根據(jù)555 芯片基本電路原理，當(dāng)?shù)鸵何桓￠y被淹沒，接點(diǎn)K1 閉合，此時(shí)輸入端Vi1 電平被拉低，小于，而引腳Vi2 上的電壓保持高電平，電壓值大于，輸出端Vout 保持前一輸出狀態(tài)，輸出電壓為邏輯低，后級三極管依然處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器落下，抽水電機(jī)M1不工作。

當(dāng)水位繼續(xù)上升，淹沒高位浮閥時(shí)，接點(diǎn)K2 閉合，輸入端Vi2 電平被拉低，小于，輸出端Vo翻轉(zhuǎn)電平，輸出高電平，后級三極管飽和導(dǎo)通，繼電器J1得電吸起，電機(jī)M1工作，系統(tǒng)開始抽水。

當(dāng)水位逐漸下降，高位傳感器接點(diǎn)斷開，輸入端Vi2 電平重新被上拉電阻拉高，大于，但Vi1保持低電平，依然小于電壓，定時(shí)器輸出端保持上一個(gè)輸出狀態(tài)，三極管飽和導(dǎo)通，抽水電機(jī)繼續(xù)工作。

當(dāng)水位下降到低位浮閥以下，低位浮閥接點(diǎn)斷開，輸入端Vi1 電平重新拉高至大于，此時(shí)輸出端再次翻轉(zhuǎn)電平，三極管截止，抽水電機(jī)停止工作。

由于555 定時(shí)器的輸出信號和輸入電平有關(guān)，短時(shí)干擾不影響電路工作，所以裝置抗干擾能力強(qiáng)，對PCB 布線的要求也較低，僅需要對電路進(jìn)行防塵、防水、防腐蝕處理。整個(gè)電路待機(jī)時(shí)功耗較低小于10mA，續(xù)航能力也較強(qiáng)。因此該控制電路適用場景廣泛。

3 現(xiàn)場測試安裝

電路板焊接完成后，采用蓄電池供電，電操轉(zhuǎn)轍機(jī)，模擬現(xiàn)場轉(zhuǎn)轍機(jī)對抽水裝置的干擾，以測試抽水裝置的可靠性。圖5為室內(nèi)模擬測試圖。

圖5 抽水裝置模擬測試圖

測試在S700K 轉(zhuǎn)轍機(jī)平臺上進(jìn)行，打開轉(zhuǎn)轍機(jī)機(jī)蓋，設(shè)置轉(zhuǎn)轍機(jī)定操、反操各200次，通過示波器，觀察被測試對象的輸出引腳上電平的波動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在利用更換下來的UPS 蓄電池作為供電電源的基礎(chǔ)上，每種電路都能夠可靠工作，不會因現(xiàn)場干擾而有錯(cuò)誤邏輯輸出。蓄電池充滿后的電量足夠三種抽水裝置使用，整個(gè)夏季無需對蓄電池進(jìn)行更換。

2016 年～2022 年，每年梅雨季節(jié)（5 月～8 月）來臨之際，在正線上及時(shí)安放道岔抽水裝置以應(yīng)對積水問題，待梅雨季節(jié)結(jié)束再拆除，圖6為蘇州地鐵現(xiàn)場安裝圖。

圖6 抽水裝置現(xiàn)場安裝圖

圖6 中，抽水裝置控制板安裝在黑色金屬盒子內(nèi)，以達(dá)到防塵放水的目的，蓄電池一次充滿電，可供抽水裝置使用整個(gè)梅雨季節(jié)。裝置放在基坑靠隧道壁一側(cè)，并固定住，不影響行車，每天正線運(yùn)營結(jié)束，工作人員下現(xiàn)場觀察水位情況，未出現(xiàn)過基坑大量積水情況，減少了正線現(xiàn)場作業(yè)負(fù)擔(dān)。抽水裝置設(shè)計(jì)簡單可靠，故障點(diǎn)少，使用期間可以做到無維修，極少維護(hù)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了三種道岔抽水裝置電路并分析了其工作原理，三種電路有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)運(yùn)營條件選擇可行的方案。抽水裝置無論哪種電路結(jié)構(gòu)，電路設(shè)計(jì)材料成本均低于300元，價(jià)格低。通過地鐵正線使用3 個(gè)月后的反饋，三種抽水裝置從功能、可靠性、功耗方面均能滿足雨季排水要求，且無需維修，極少維護(hù)，為正線工班減少作業(yè)量。目前在線上設(shè)有道岔的站點(diǎn)均有投放，效果良好。