道岔基坑抽水装置控制电路研究

杨 进，王 青，张 璟

（1.南京铁道职业技术学院 通信信号学院，副教授，江苏 南京 210035；2.扬州大学农学院，硕士研究生，江苏 扬州 225009；3.苏州市轨道交通集团有限公司运营一分公司 工务通号中心，工程师，江苏 苏州 215100）

我国东部地区受到海洋性季风气候影响，夏季湿热多雨，尤其是在梅雨季节，地铁正线隧道内道岔基坑极容易积水。积水来源主要有道床冲洗水、隧道结构渗漏水及消防废水等。转辙机基坑内的积水如不能及时排出，积水会进入转辙机内部甚至漫过转辙机，而转辙机与基础角钢、基础角钢与钢轨之间均有绝缘垫片，由于隧道积水略偏碱性，积水会导致绝缘性能降低，回流电流从钢轨向转辙机泄露，对角钢、转辙机等产生电腐蚀；转辙机也会因浸泡在水中不能正常工作，造成信号失表，进而影响地铁正常运营，引发运营事故。正线整体道床完工交付以后，排水系统长年有钙化物质沉积，导致排水不畅，再进行基坑排水整治，需要“工电联整”，破坏道床，且难度较大。

因此设计了一种新型道岔基坑排水装置，由蓄电池供电，将坑内的积水抽到附近的排水沟，既能代替人工排水，又能避免“工电联整”，且维护极少，成本低。

1 道岔抽水装置安装

抽水装置用来控制转辙机角钢下，基坑内积水的高度，通过抽水管将基坑内的积水排到排水沟内，防止积水侵蚀转辙机。积水过程是连续且缓慢的，在水位较低时，并不需要抽水装置工作，只有在积水位置较高时，装置才启动，执行排水任务。图1为排水装置安装图。

图1 排水装置安装示意图

道岔抽水装置控制电路安放在道岔基坑附近，在道岔基坑内设置两个水位传感器，分别是低位传感器和高位传感器。为了保护抽水电机，避免电机短时间内反复启动，只有当积水同时淹没两个传感器的情况下，抽水电机才启动。此时排水管不断将转辙机基坑内的水抽到附近工务排水沟内，直到积水水面低于低位传感器位置，电机停止工作。

因此，在现场布置传感器时，低位传感器放置在基坑底部，高位传感器放置在转辙机底壳附近，就能够将水位控制在转辙机底壳以下位置。传感器选用小型液位浮阀传感器，对电路来说，传感器可视为接点，被淹没时，接点闭合，方便电路逻辑设计。且浮阀结构简单，工作可靠，成本低，方便安装更换。

2 道岔抽水装置控制电路

为了应对不同的应用场景，设计了三款不同原理的道岔抽水装置控制电路，功能有所相同，但各有特点。

2.1 继电器抽水装置控制电路

继电器抽水装置主要由小型弹簧式继电器构成，继电器J1 为低位浮阀继电器，J2 为高位浮阀继电器，J3为保持继电器。图2为电路原理图。

图2 继电器抽水装置电路图

当低位浮阀接点K2 闭合，继电器J1 吸起，其接点J1-J闭合。

当高位浮阀接点K3 闭合，继电器J2 吸起，J2-J接点闭合。此时，保持继电器J3 得电吸起，接点J3-J闭合，同时，电机M1启动，开始排水。

当水位下降到高位浮阀传感器以下，继电器J2失电落下。由于保持继电器J3 线圈两端电容C1 的作用，继电器缓动，通过接点J3-J 构成的回路，继电器J3 保持吸起，维持抽水电机的供电，装置继续抽水。

当水位下降到低位浮阀以下，浮阀接点K2 断开，继电器J1 失电落下，J1-J断开，继电器J3 和电机M1失电，装置停止工作。

该电路由继电器构成，结构简单。继电器抗干扰能力强，所以该电路性能可靠。缺点是控制系统体积较大，并且如果继电器选型不当将导致系统功耗较大；如果选用机械式继电器，在潮湿环境下接点组易氧化，因此需要选择小功率固态继电器。该控制电路系统适用于可以提供远程供电的场景。

2.2 触发器抽水装置控制电路

与继电器设计的抽水装置不同，触发器抽水装置采用以D触发器为核心，功耗低，续航能力更强。

当D 触发器的复位端M（—）R（—）（低电平有效）为高电平时，时钟脚CP 触发信号有效，输出端Q的电平跟随输入端D 的电平。电路原理图如图3 所示。

图3 触发器抽水装置电路图

低位浮阀的接点K1 和施密特触发器输入端相连。在水位较低，低位浮阀接点K1 未闭合的情况下，施密特反相器输出低电平，D 触发器复位端MR有效，触发器输出为低电平，后级三极管不导通，继电器接点J1-J断开，电机不工作。

当基坑内水位上升，淹没低位浮阀，浮阀K1 接点闭合，D 触发器的输入端D 和复位端M（—）R（—）电平被拉高，进入工作状态。

当水位淹没过高位浮阀时，接点K2 闭合，D 触发器的时钟脚将输入一路有效上升沿信号。此时，D 触发器的输出端Q 的电平将跟随输入端D，为高电平，后级NPN 三极管导通，继电器J1 吸起，接点J1-J 闭合，接通抽水电机M1 的工作电路，开始排水工作。

当水位下降到高位浮阀以下，D 触发器时钟脚上的电平恢复低电平，用来等待下次有效上升沿触发信号到来。但此时，D 触发器Q 端锁存前一状态，输出依然为高电平，三极管饱和导通，继电器接点持续闭合，排水电机保持工作。

当水位下降到低位浮阀以下，D 触发器的复位端重新被置低，复位端低电平有效，输出端Q 被清0，三极管处于截止状态，继电器线圈失电，接点断开，抽水电机M1自动停止工作。

触发器类型的道岔抽水装置，用到了一个D 触发器和两个施密特触发器，以及少量的半导体电子元件。电路设计逻辑清晰，PCB布板连线极为简单，D触发器输出端在M（—）R（—）无效，上升沿时钟信号有效的情况下，才能输出高电平，误动作几率小，可靠性高，且功率极低。缺点是触发器型抽水装置对PCB 板工艺要求较高，需要保护地敷铜设计，以减小现场大功率电机启动瞬间产生的电磁干扰，此外PCB 需要进行防水、防尘、防腐蚀处理。因此，该电路系统适用于专业公司批量生产抽水设备的场景。

2.3 单稳态触发器抽水装置控制电路

单稳态触发器道岔抽水装置选用555 定时器设计，由于单稳态触发器输入信号为电平信号，大功率电机启动的瞬时干扰并不会持续施加在电路上，所以相比较于上升沿有效的D 触发器，555 定时器的抽水装置，对PCB 绘制的工艺要求更低，单稳态电路比触发器电路抗干扰能力更强；与继电器型抽水装置相比，电路功耗低，元件少，可靠性高。

图4为单稳态触发器抽水装置的电路原理图。

图4 单稳态道岔抽水装置电路图

R1、R2 取值在1kΩ～10kΩ 之间，K1、K2 分别是低位和高位浮阀接点，浮阀在未被积水淹没时，555定时器的Vi1 输入端和Vi2 输入端电平均被拉高到电源电压（VCC），输出端Vout 输出低电平，后级NPN三极管处于截止状态；

根据555 芯片基本电路原理，当低液位浮阀被淹没，接点K1 闭合，此时输入端Vi1 电平被拉低，小于，而引脚Vi2 上的电压保持高电平，电压值大于，输出端Vout 保持前一输出状态，输出电压为逻辑低，后级三极管依然处于截止状态，继电器落下，抽水电机M1不工作。

当水位继续上升，淹没高位浮阀时，接点K2 闭合，输入端Vi2 电平被拉低，小于，输出端Vo翻转电平，输出高电平，后级三极管饱和导通，继电器J1得电吸起，电机M1工作，系统开始抽水。

当水位逐渐下降，高位传感器接点断开，输入端Vi2 电平重新被上拉电阻拉高，大于，但Vi1保持低电平，依然小于电压，定时器输出端保持上一个输出状态，三极管饱和导通，抽水电机继续工作。

当水位下降到低位浮阀以下，低位浮阀接点断开，输入端Vi1 电平重新拉高至大于，此时输出端再次翻转电平，三极管截止，抽水电机停止工作。

由于555 定时器的输出信号和输入电平有关，短时干扰不影响电路工作，所以装置抗干扰能力强，对PCB 布线的要求也较低，仅需要对电路进行防尘、防水、防腐蚀处理。整个电路待机时功耗较低小于10mA，续航能力也较强。因此该控制电路适用场景广泛。

3 现场测试安装

电路板焊接完成后，采用蓄电池供电，电操转辙机，模拟现场转辙机对抽水装置的干扰，以测试抽水装置的可靠性。图5为室内模拟测试图。

图5 抽水装置模拟测试图

测试在S700K 转辙机平台上进行，打开转辙机机盖，设置转辙机定操、反操各200次，通过示波器，观察被测试对象的输出引脚上电平的波动情况。实验结果表明，在利用更换下来的UPS 蓄电池作为供电电源的基础上，每种电路都能够可靠工作，不会因现场干扰而有错误逻辑输出。蓄电池充满后的电量足够三种抽水装置使用，整个夏季无需对蓄电池进行更换。

2016 年～2022 年，每年梅雨季节（5 月～8 月）来临之际，在正线上及时安放道岔抽水装置以应对积水问题，待梅雨季节结束再拆除，图6为苏州地铁现场安装图。

图6 抽水装置现场安装图

图6 中，抽水装置控制板安装在黑色金属盒子内，以达到防尘放水的目的，蓄电池一次充满电，可供抽水装置使用整个梅雨季节。装置放在基坑靠隧道壁一侧，并固定住，不影响行车，每天正线运营结束，工作人员下现场观察水位情况，未出现过基坑大量积水情况，减少了正线现场作业负担。抽水装置设计简单可靠，故障点少，使用期间可以做到无维修，极少维护。

4 结束语

本文设计了三种道岔抽水装置电路并分析了其工作原理，三种电路有各自的优缺点。在实际应用时，可根据运营条件选择可行的方案。抽水装置无论哪种电路结构，电路设计材料成本均低于300元，价格低。通过地铁正线使用3 个月后的反馈，三种抽水装置从功能、可靠性、功耗方面均能满足雨季排水要求，且无需维修，极少维护，为正线工班减少作业量。目前在线上设有道岔的站点均有投放，效果良好。