基于电涡流的道岔综合监测方法研究

常浏凯 王 昊

随着城市轨道交通的快速发展，地铁的运行里程越来越长，列车的运行间隔越来越小，对地铁信号设备的安全性及可靠性提出了更高的要求。目前在城市轨道交通线路中，对道岔及转辙机的监测仍然采用以故障修和计划修为主的维修模式，这种模式已不能满足日益繁忙的轨道交通对信号系统的要求。对道岔及转辙机进行实时监测是转变道岔维修维护模式，使其向着综合化、智能化方向发展的主要手段之一。

在整个道岔及转辙机组成的系统中，衡量设备状态的参数，包括牵引点尖轨与基本轨密贴度、尖轨与基本轨斥离度、转辙机转换力、转辙机工作电压和电流、振动加速度等。此外，还有一些病害会对道岔密贴造成影响，主要包括：道岔连接点出现松动；爬行影响；温度影响；绷、卡的影响等。

1 国内外道岔监测的发展现状

国内外的轨道交通系统对于道岔状态的实时监测高度重视，都开发了相应的道岔监测系统。如德国和奥地利的Roadmaster2000道岔监测系统，对尖轨位置、转辙机电流及电压、牵引点转换力及转换时间、最小轮缘槽、钢轨纵向力、钢轨温度、加热装置等，都可以进行实时的监测；法国的TTMS道岔监测系统、俄罗斯的无接触道岔自动控制器ABKC，对于道岔的监测都处于世界领先水平。

在上世纪90年代，对道岔密贴量的监测主要是通过监测转辙机表示杆缺口值，来间接监测道岔的密贴程度。然而这种监测方式存在着以下的缺点：首先，表示杆缺口是与锁闭机构、表示用电接点开闭装置、挤岔监督装置共同设计在转辙机内部，结构复杂，连接环节多；其次，道岔表示杆距道岔尖轨的垂直距离有300mm，且表示杆与表示连杆之间均为活动连接，中间存在着连接间隙，因此在到达连接终端的表示缺口时，已经不能准确表示密贴值，仅能作为一种限位装置。

近几年针对缺口监测存在的不足，相关部门、厂家开发了新型的道岔密贴监测系统，如上海铁路局利用电磁感应技术，实现对道岔密贴量的直接监测。但该方法需要在轨腰上钻孔，会对既有设备造成伤害，降低轨道的原有强度。安康电务段的 “道岔密贴状态实时监测系统”，在道岔外锁闭齿轮输出轴上安装角度传感器，通过对道岔密贴瞬间角度的监测，实现对道岔密贴量的监测。该方法是一种间接测量方式，无法实时、准确地反应道岔的密贴数值。

此外，目前已研制成功并投入使用的监测系统，绝大多数都是以铁路或高速铁路的需求为基础的，虽然地铁与铁路道岔系统有很多相似的地方，但在设备环境和使用等方面还存在很大的差异。比如相比于铁路开放的环境，地铁隧道内的环境更为恶略，粉尘等污染更为严重，很多在铁路上的监测手段无法使用。

2 道岔监测系统的实现

2．1 监测方式的选择

目前常用的工业测距方法主要有：超声波、激光、图像识别以及电涡流4种方式，各有优缺点。激光测距精度高，在密贴量、斥离量的测量上可以达到0．01mm的测量精度，对电磁干扰不敏感，但对反射面的光洁度、偏转角度等有要求，核心模块国产化率低，成本高。图像识别测距方式具有成本低、非接触并能够远程获取道岔密贴现场状态的优点，但这2种方式测量精度易受环境粉尘影响。根据城市轨道交通道岔运用中粉尘大、扳动频繁等实际情况，虽然电涡流会受到地铁列车通过时电磁干扰的影响，但其受粉尘、油污影响小的特点，更适用于地铁的现场应用环境。

2．2 电涡流测距

根据法拉第电磁感应定律，如图1所示，当传感器探头线圈通以正弦交变电流i1时，线圈周围空间会产生正弦交变磁场H1，它使置于此磁场中的被测金属导体表面产生感应电流i2，即电涡流。同时，i2又产生新的交变磁场H2；H2与H1方向相反，并削弱H1，从而导致探头线圈的等效电阻相应地发生变化。其变化程度取决于被测金属导体的电阻率ρ，磁导率μ，线圈与金属导体的距离δ，以及线圈激励电流的频率f，因此通过测量阻抗Z就可以反映探头与被测金属导体间的距离，从而实现测距。

图1 电涡流工作原理

应用中，将线圈密封在探头中，线圈阻抗的变化通过前置器转化成电压输出。输出电压U0与被测距离δ的关系曲线如图2所示。图2中在线性区中点δ0处 （对应输出电压U0）线性最好，其斜率（即灵敏度）较大，在线性区两端，斜率 （灵敏度）逐渐下降，线性变差。因此作为测距用途的电涡流传感器就是要利用其线性部分，其量程为δ1至δ2。

图2 输出电压与距离关系示意图

2．3 密贴、轨距及轨距监测模块构成

针对道岔密贴及轨距监测的特点，设计了安装于尖轨与基本轨上的监测组件。整个系统采用模块化设计，以1组道岔的密贴、轨距及爬行作为1个标准的监测单元。在1个监测单元中道岔密贴与轨距监测组件集成在一起作为1个模块，爬行监测组件作为1个单独的模块。

1．密贴及轨距监测模块构成。为了能够尽量真实的反映道岔的密贴状况，将密贴与轨距监测模块安装在第1牵引点后的第4个与第5个牵引点之间。整个模块包含3个部分，尖轨与基本轨上各安装1个工作参考面作为被测金属导体，在基本轨下地面上安装有2个电涡流传感器。定位与反位各安装一组此模块，如图3所示。

图3 密贴及轨距监测模块示意图

图3的整个模块中，①②用于反位密贴监测，③④用于定位密贴监测，①④用于反位轨距监测，③②用于定位轨距监测。

2．爬行监测模块构成。尖轨爬行监测模块安装在第1牵引点后第3个与第4个轨枕之间。整个模块包含工作参考面和传感器2部分，在定位与反位各安装1组模块，分别用于监测定位与反位的尖轨爬行情况，如图4所示。

图4 爬行监测模块示意图

3 试验验证

1．功能测试。为了验证实际功能，在北京地铁昌平线西二旗站2号道岔处进行了道岔故障模拟试验，通过手摇道岔的方式，模拟道岔密贴不到位的情况。当尖轨与基本轨密贴良好时，系统显示为道岔密贴；当尖轨与基本轨间插入2mm检查规尺时，系统发出预警；当尖轨与基本轨间插入4mm检查规尺时，系统发出超限报警，模拟试验的结果显示系统达到0．1mm的监测精度。

2．性能测试。从2012年开始，具备道岔密贴、爬行及轨距监测功能的 “道岔状态监测系统”，在大铁诸暨站进行了长时间的实物测试，得到了大量的试验数据；2014年4月，系统在昌平线沙河高教园站，对结构件的安全性和可靠性进行了试验，累计试验600h，共完成640次道岔扳动。试验测试显示，安装于轨上和转辙机内部的传感器及安装结构件，未对既有设备产生影响，且其自身紧固部件未出现松动，验证了室外设备的安全性及可靠性。

2014年8月开始，“道岔状态监测系统”在北京地铁昌平线西二旗站安装测试。试验期间系统准确记录了各种参数的数值并绘制出了变化趋势曲线。为了验证整个道岔监测系统监测数据的精度，项目组还在西二旗站模拟了道岔缺口、密贴及爬行参数出现连续变化、直至故障情况下，监测系统的监测数值。经过试验，系统达到0．1mm监测精度要求，并在数值超过预警及报警门限后进行预警及报警。

在试验期间，系统发现被监测道岔在更换尖轨后出现密贴值偏大超过预警门限值情况，由于及时发现潜在故障隐患，使得维护人员根据数值在故障发生前将故障排除，达到了预防故障的目的。

4 结论

为了对道岔进行在线监测，基于电涡流测距的道岔密贴、轨距及爬行的监测方法，在北京地铁运营压力最大的昌平线西二旗站2号道岔进行了验证和测试。试验结果表明，该监测方法在不改动既有设备的情况下，能够实现对道岔的密贴、爬行及轨距状态的精确测量，其安装结构的可靠性能够经受住极大运营压力的考验，为道岔维护的远程化、自动化提供了新的方法。

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