钩型外锁闭提速道岔转换曲线监测与分析

马 赛，戴民权，陈维明，俞 建

提速道岔及转换锁闭装置在铁路运输中起着重要作用，其运用质量直接影响铁路运输安全和效率［1-2］。既有道岔监测内容包括道岔动作电流/功率曲线［3］、转换阻力曲线［4］和表示缺口等［5］。其中，道岔动作电流/功率曲线反映转辙机工作电流、输出功率等数据，能间接反映道岔转换过程中各种动作状态；转换阻力曲线反映转辙机输出拉力；表示缺口能间接反映道岔密贴值。但以上数据都不能直接反映道岔转换过程中转辙机动作杆动程、尖轨位移及锁闭装置的动作状态，而道岔尖轨移动及锁闭装置锁闭/解锁又是直接影响道岔能否正常转换的，因此有必要对道岔转换过程中尖轨移动和锁闭装置动作进行监测，以此作为分析道岔转换过程的数据支撑。

近年来有不少设备被用于道岔密贴和开程监测，如磁力［5］、电涡流［6］、图像等传感器［7］，但这些设备仅能实现静态监测，还无法获取道岔转换过程中尖轨位移，且应用效果受到现场环境限制（如光照、灰尘、雨、雪等）。文献［8］提出的方法虽然可实现道岔尖轨位移动态监测，但没有对道岔转换过程尖轨位移与锁闭装置动作、动作杆动程等进行分析。为此，本文提出采用激光传感器与磁致伸缩效应位移传感器结合的应用方式，实时获取提速道岔转换过程中转辙机动作杆动程和直曲尖轨位移，并生成道岔转换曲线，通过该曲线计算道岔密贴量/开程量、空动距离、锁闭量/解锁量等，经与人工测量值对比，进一步验证转换曲线的正确性；同时分析道岔转换时，动作杆、尖轨、锁闭装置动作及转换的平顺性和同步性。

1 监测传感器选择

转辙机动作杆动程和直曲尖轨位移监测传感器需满足监测精度、响应频率、现场环境和使用维护等要求，其安装不能影响转辙机和道岔正常工作。为此，提出采用激光传感器监测动作杆动程，磁致伸缩效应位移传感器监测尖轨位移。

1.1 动作杆动程监测

转辙机动作杆动程监测采用三角法激光传感器，利用定制结构件，将传感器固定在转辙机外壳边框内侧；将转辙机保持连接器作为激光反射面。随着转辙机动作杆线性移动，实时采集传感器输出信号，经换算即可获取道岔转换过程中动作杆动程随时间变化的数据曲线。图1 为转辙机动作杆动程监测安装图。传感器安装时需保证其发射光线与反射面垂直，以使动作杆移动时传感器发射光线在反射面上始终保持在一点。由于有转辙机外壳防护，传感器免受自然光、降水等影响，使动程杆动程监测精度可达到±0.5 mm。

图1 S700K-C转辙机动作杆动程监测安装

动作杆动程的换算方法为：假设激光传感器量程为R，最大、最小量程所对应的输出电流信号分别为Imax、Imin，动作杆拉入时激光传感器输出电流信号为Iref，则当动作杆移动到任意位置，传感器输出电流信号为Ix时，计算动作杆动程Rx为

1.2 尖轨位移监测

采用基于磁致伸缩效应的位移传感器，对道岔尖轨位移曲线进行监测。磁致伸缩效应位移传感器由电子仓、波导管和磁块组成。尖轨位移监测见图2。在道岔牵引点两侧基本轨的底部，采用螺栓紧固的扣件固定位移传感器电子仓；在尖轨上通过金属件固定传感器磁块。道岔转换时，尖轨与基本轨的相对移动会引起磁块在波导管的位置变化，随之引起传感器输出电流信号的对应变化。通过实时采集传感器输出信号，经换算后可得到道岔转换过程中尖轨位移随时间变化的数据曲线。该方式为非接触式监测，雨水、温度、列车轮对冲击等不影响测量精度，精度可达±0.1 mm。

图2 尖轨位移监测

尖轨位移的换算方法为：当位移传感器所在牵引点侧为密贴时，其输出电流信号为Im，现场人工测得密贴量为Dm；当位移传感器所在牵引点侧为开程时，其输出电流信号为Ik，现场人工测得开程量为Dk。由于传感器输出电流与道岔尖轨位移为线性关系，则当道岔尖轨转动到密贴和开程间任意位置，其输出电流信号为Ix时，计算出对应尖轨位移值Dx为

2 道岔理想转换曲线分析

图3 为根据钩型外锁闭提速道岔转换过程，绘制出的道岔定位转反位的理想转换曲线（实际曲线有一定波动），及道岔转换动作与对应动作杆动程。其中，蓝色曲线表示动作杆从拉入位移动到伸出位，绿色曲线表示密贴尖轨从密贴位移动到开程位，红色曲线表示斥离尖轨从开程位移动到密贴位。

图3 道岔理想转换曲线及道岔转换动作与动作杆动程

图3 横轴表示道岔转换动作时间，t0-t4为道岔转换全程，斥离尖轨转换从t1-t3，密贴尖轨转换从t2-t4。图3下部分表示斥离/密贴尖轨侧动作顺序及经历时间，与横轴中t0-t4时刻相对应。图3 纵轴表示动作杆动程，左侧从下到上依次为道岔斥离尖轨侧走空动、转换、上锁闭台阶、锁闭4个动作［9］及对应动作杆动程；右侧从下到上依次为道岔密贴尖轨侧解锁、下锁闭台阶、走空动、转换4 个动作［9］及对应动作杆动程。动作杆从开始转换到斥离尖轨开始移动，即t0-t1期间的动程为空动距离；斥离尖轨转换到密贴位，锁钩上锁闭台阶后，锁闭杆与锁钩重合部分的长度为锁闭量；密贴尖轨锁钩下锁闭台阶前，锁闭杆与锁钩重合部分的长度为解锁量［10］。分析理想转换曲线可以得出以下结论。

1） 密贴尖轨开始解锁t0到开始移动t2期间，道岔经过解锁、下锁闭台阶、走空动3 个动作，期间动作杆先走行空动距离，斥离尖轨再转换一定位移，因此密贴尖轨解锁量等于t1到t2期间，斥离尖轨位移减去锁闭杆锁闭台阶高度。

2） 斥离尖轨移动到密贴位t3到锁闭完成t4期间，道岔经过上锁闭台阶、锁闭2 个动作，此时密贴尖轨移动到开程，因此斥离尖轨锁闭量等于t3到t4期间，密贴尖轨位移减去锁闭台阶高度。

3） 斥离尖轨空动距离等于动作杆开始移动t0到斥离尖轨开始移动t1期间的动作杆动程。

由此从转换曲线可以获得每次转换密贴/开程量、动作杆动程、尖轨位移、锁闭/解锁量、空动距离等数据，可以详细分析道岔转换过程。此外，由于道岔转换时受解锁/锁闭阻力、滑床板摩擦力、牵引点动作同步性等影响，通过转换曲线还可以查看道岔转换的平顺性和同步性。

3 道岔实际转换曲线获取及分析

在上海西站选择一组60 kg/m-1/12 双机牵引单开有砟固定辙叉道岔，获取实际道岔转换曲线。现场在尖轨2 个牵引点分别安装1 对位移传感器，2 台S700K-C 转辙机上分别安装1 个激光传感器，监测传感器现场安装示意见图4。所有传感器接入1 个轨旁采集单元。在机房设置1 台服务器，用来存储、显示和分析道岔转换曲线数据。道岔转换过程中，轨旁采集单元以40 Hz 频率实时采集转辙机和尖轨位移传感器输出的电流信号，并记录为转换数据文件，通过双绞线电力载波将数据文件上传到站机服务器。

图4 监测传感器安装示意

当各牵引点传感器和轨旁采集单元、服务器等安装完成后，将道岔扳动到定位/反位，记录定/反时位传感器和激光传感器的输出电流，同时人工测量道岔定/反位时密贴量及开程量。根据式（1）、式（2），服务器从道岔转换数据文件中电流数据换算出动作杆动程和尖轨位移数据，绘制出道岔各牵引点动作杆动程，及尖轨位移随时间变化的道岔转换曲线，见图5。

图5 实际转换曲线

图5（a）、图5（b）分别为现场监测的牵引点J1、J2一次定位到反位转换曲线，可以看出实际监测曲线与理想曲线形状一致。斥离尖轨在动作杆移动空动距离后开始转换，与此同时密贴尖轨进行解锁，解锁完成后2 根尖轨同时移动，最后斥离尖轨锁闭，密贴尖轨移动到开程。受锁闭阻力和滑床板摩擦力等影响，曲线局部有轻微抖动。由于J1 空动距离只有5 mm，图5（a）中J1 转换曲线中动作杆先移动不明显，而J2 空动距离31 mm，从图5（b）中可以明显看出动作杆先于斥离轨移动。

3.1 牵引点转换过程分析

3.1.1 J1定位转反位动作顺序

牵引点J1 设计动作杆动程220 mm，锁闭台阶高7.13 mm，空动距离5 mm。从图5（a）中J1 转换曲线数据可以得出该次转换J1定位密贴0，开程163.4 mm，反位密贴0，开程164.4 mm，动作杆动程220.6 mm，从而算出该次定位转反位解锁量为44.07 mm，锁闭量为45.07 mm。从转换曲线得出的道岔各参数均在合理范围内，说明该道岔牵引点调整到位。

由于J1 设计空动距离较小只有5 mm，不适合从转换曲线计算，分析J1 动作顺序采用空动距离设计值。从J1 转换曲线计算结果，可以分析J1 定位转反位详细动作顺序为：

1） 动作杆动程44.07+7.13=51.2（mm）时解锁，此时斥离尖轨移动51.2-5=46.2（mm），开程为163.4-46.2=117.2（mm）；

2） 解锁后动作杆再走行5 mm，密贴尖轨开始移动，此时斥离尖轨开程117.2-5=112.2（mm）；

3） 动作杆再走行112.2 mm，斥离尖轨密贴；

4） 动作杆再走行7.13+45.07=52.2（mm），道岔反位锁闭， 此时开程为112.2+52.2=164.4（mm），即为测得的反位开程值。

3.1.2 J2定位转反位动作顺序

牵引点J2 设计动作杆动程150 mm，锁闭台阶高7.13 mm，空动距离31 mm。从图5（b）中J2转换曲线数据可以得出该次转换定/反位密贴均为0，定位开程73.7 mm，反位开程74 mm，动作杆动程150.5 mm，空动距离为29.7 mm，计算出该次定位转反位解锁量为39.67 mm，锁闭量为39.97 mm。

从J2 转换曲线计算结果可以分析J2 定位转反位详细动作顺序为：

1）动作杆动程39.67+7.13=46.8（mm）时解锁，此时斥离尖轨移动46.8-29.7=17.1（mm），其开程为73.7-17.1=56.6（mm）；

2）解锁后动作杆再走行29.7 mm，密贴尖轨开始移动，此时斥离尖轨开程56.6-29.7=26.9（mm）；

3）动作杆再走行26.9 mm，斥离尖轨密贴；

4）动作杆再走行7.13+39.97=47.1（mm），道岔反位锁闭，此时道岔开程26.9+47.1=74（mm），为测得反位开程值。

3.2 锁闭量分析

道岔转换锁闭/解锁量能反映转辙机和道岔转换健康情况。如果实际锁闭量与设计值偏差过大，可能导致道岔不能正常锁闭、解锁。该型号道岔设计要求J1 锁闭解锁量大于30 mm，J2 锁闭解锁量大于20 mm。表1 和表2 中从连续10 次转换曲线计算的锁闭量表明该道岔实际锁闭量符合设计要求。

表1 J1转换曲线计算值与人工测量结果对比mm

表2 J2转换曲线计算值与人工测量结果对比mm

由于牵引点一侧尖轨随道岔转换交替进行锁闭、解锁动作，因此从一次转换曲线计算出的锁闭（解锁）量与下一次转换曲线计算出的解锁（锁闭）量相比，应变化较小。目前《技规》中暂无相关变化范围的规定，根据现场经验实际使用中建议设定2 mm。如果变化超出范围，可以认为道岔锁闭/解锁动作不一致。此外，道岔斥离/密贴尖轨的锁闭/解锁量偏差能反映道岔定反位调整均衡性。技术标准规定两侧锁闭量偏差不超过3 mm，表1和表2中锁闭量数据显示J1、J2连续2次转换解锁量和锁闭量变化范围较小，表明其转换一致性和定反位调整均衡性较好。

3.3 空动距离分析

从转换曲线可以计算出动作杆开始移动，到斥离尖轨开始移动期间的动作杆动程，此位移即斥离尖轨实际空动距离。

对于多牵引点道岔J1 牵引点一般设计空动距离较小，对于J2 与之后牵引点设计空动距离比较大，可以通过获取的转换曲线计算实际空动距离。从该道岔实际监测转换曲线（图5（b））计算出J2 空动距离约30 mm，与锁闭杆设计空动距离31 mm相比偏差较小，表明尖轨开程调整良好。

实际空动距离与锁闭杆设计值之差，为斥离尖轨锁钩凹槽与锁闭杆锁闭台阶作用面离缝，即“虚开”距离［11］。因此从道岔转换曲线可以发现该牵引点是否存在“虚开”。如果“虚开”距离过大，则需工电联合整治道岔。另外，如果斥离尖轨存在因为反弹或移动惯性导致的“虚开”，过车时，轮对冲击影响可能造成过车后斥离尖轨回弹，使道岔开程值变小，因此比较过车前、后转换曲线中开程量，可一定程度上发现斥离尖轨是否有“虚开”。

3.4 道岔转换平顺性和同步性分析

道岔转换曲线能反映转换平顺性，由图5 转换曲线可以看出，除J1 反位尖轨启动时有轻微缓动，道岔J1、J2 整体转换比较平顺，不存在明显别卡或卡阻。

经过长期监测，现场记录到如图6 所示一组反位转定位转换曲线，分析该曲线可知2 个牵引点转换的同步性。

图6 反位转定位时道岔转换曲线

1）J1 在2.76 s 时刻转换至道岔中心位置（转换曲线中斥离、密贴尖轨位移曲线交点，此时2 根尖轨开程相等），J2 在3.0 s 时刻转换至中心位置。J1 在5.0 s 时刻转换结束，J2 在5.16 s 时刻转换结束。J2 转换至中心位置和转换至定位均比J1 晚0.16 s。2）在1.96～2 s时，J1双轨停止转换（尖轨位移曲线为水平），此时J1 斥离尖轨位置94.8 mm，密贴尖轨位置21.1 mm；在2.06～2.10 s 时，J2 双轨卡阻停止转换（尖轨位移曲线为水平），此时J2斥离尖轨位置46.1 mm，密贴尖轨位置6.6 mm。

3）J1 在解锁动作期间斥离尖轨存在缓动（尖轨位移曲线斜率偏小），分析原因可能是外锁闭装置或斥离尖轨摩擦过大。转换曲线指导现场调整锁闭框后缓动消除。

4 人工测量验证

为验证本文获取道岔转换曲线方法的正确性，选择试验道岔连续10 次的转换曲线，从曲线数据计算出道岔动作杆动程、空动距离、密贴量、开程量和锁闭量，与人工测量锁闭量对比，见表1 和表2。J1 转辙机设计动程为220 mm，J2 转辙机设计动程为150 mm。人工测量J1 定位开程量为163 mm，反位开程量为164 mm，定反位密贴量均为0；J2 定/反位开程量均为74 mm，定/反位密贴量均为0。人工测量锁闭量为在2 次转换之间用锁闭量检查尺测得。

经过人工测量验证，从转换曲线数据获得的道岔定反位密贴量与人工测量结果偏差小于0.5 mm，开程量与人工测量结果偏差小于1 mm，满足《技规》中道岔牵引点定/反位密贴间隙应不超过0.5 mm，开程与道岔设计值偏差不超过2 mm 的要求；动作杆动程与转辙机设计值偏差小于0.5 mm；计算锁闭量与人工测量结果偏差小于2%；J2 转换曲线计算空动距离偏差小于2 mm。表明本文方法能正确获取道岔转换曲线。从实际转换曲线数据可以计算出动作杆动程、空动距离、密贴量/开程量、解锁/锁闭量等道岔转换过程参数。

5 结束语

利用监测传感器现场获取道岔转换曲线，通过转换曲线计算动作杆动程、空动距离、密贴/开程量、锁闭/解锁量等，分析道岔转换各阶段动作杆、尖轨、锁闭装置动作，有助于减少道岔日常检查工作，能发现“天窗”检查时不易发现的转换缓动、卡阻、牵引点不同步等隐藏问题，指导现场维护人员开展精准维修，预防和减少转换不良故障。