（电力系统及其自动化专业论文）电力线载波技术在转辙机监测系统中的应用.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t b e f o r et h el a r g es c a l es p e e d - u p _ h a sb e e nc a r r i e do u ti nr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o no f o u rc o u n t r y , t h eg r e a tm a s so fp o i n ts w i t c h e sw e r ed r o v eb yd c - e l e c t r o m o t o r , w h i c h w o r k i n gc u r r e n th a ds o m el i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hp u l l t h ee x i s t i n gd o m e s t i c e q u i p m e n tc o u l dr e a l i z em o n i t o r i n go fi m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h ew h o l et u r n o u t c o n v e r s i o np r o c e s s h o w e v e r , a l o n gw i t ht h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ss p e e d u ps c a l e g r a d u a l l ye n l a r g e ，t h e r ea r em o r ea n dm o r ep o i n ts w i t c h e sd r o v eb ya c - e l e c t r o m o t o r b e e nu s e di nr a i l w a y , w h i c hh a sb r o u g h tf o r w a r dn e wr e q u i r e m e n tt o s a f e t y & m o n i t o r i n go ft u r n o u tw o r k b e s i d e s ，p o i n ts w i t c h sf a i l u r ep r o b a b i l i t yw o u l db o o s t b e c a u s eo ft h ew o r k i n ge n v i r o n m e n th a sc h a n g e dm a r k e d a tp r e s e n t , a l lk i n d so f r a i l w a ys i g n a lc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e md o n th a v et h ef u n c t i o no fa cp o i n t s w i t c h sr e a l t i m em o n i t o r i n g i fw ec a nr e s e a r c h & d e v e l o pa l le f f e c t i v em o n i t o r i n g s y s t e m ，i tw i l lb ev e r ym e a o i n g f u lf o rb o t hg u a r a n t e e i n gt r a n s p o r t a t i o ns a f e t ya n d a d v a n c i n gt e c h n i c a ll e v e lo fr m l w a yi n d u s t r y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eu s i n go fp o w e r - l i n ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi np o i n t s w i t c hm o n i t o r i n gs y s t e m t h em a i nt h o u g h t - w a yo ft h i sm e t h o di sc o u p l i n gd i g i t a l m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o no np o w e rs u p p l yl i n ew h i c hp o w e r e df o rc o l l e c t i o nm o d e l s t h i si s v e r yh e l p f u lf o rb o t hm o n i t o r i n gp r e c i s i o na n de c o n o m i z i n gc o s t t h e h a r d w a r e & s o f t w a r ed e s i g n i n go fp o w e r - l i n ec o m m u n i c a t i o nm o d e la r ea l s ob e e n i n t r o d u c e dd e t a i l e di nt h i sp a p e r b e s i d e s ，t h ea u t h o rh a sb r o u g h tt h eb l u e p r i n to f i n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m sc o n f i g u r m i o n f i n a l l y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：p o i n ts w i t c h ，i n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ，p o w e r - l i n ec o m m u n i c a t i o n 。t e c h n o l o g y , r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ss p e e d - u p i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 力口8 年- 3 月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名： 孜暖鞠 肋8 年弓月1 日 第1 章引言 第1 章引言 铁路运输，以其运距长、运量大、连续性强、速度较快、费用低等综合特 点，成为我国经济的大动脉，其作用是其他运输方式难以代替的。同时，人口 众多，幅员辽阔的国情又决定了铁路运输是满足旅客及货物运输需要的重要方 式。 铁路道龠作为铁路线的咽喉，是线路最薄弱的环节，也是事故的多发点， 因而成为决定行车安全的重要环节。转辙机是转换道岔的关键设备，其工作状 态直接关系到行车安全。在我国铁路大范围提速之前，大部分转辙机均为直流 电动转辙机，转辙机的动作杆由直流电机驱动，而直流电机的工作电流与其牵引 力之间成线性关系，国内设备早已能够完成对道岔转换全过程中直流电动转辙 机动作电流、故障电流、动作时间等重要参数的监测，且监测结果能较直观地 反映其电气特性及机械特性。但随着我国铁路运输提速范围的逐渐扩大，电气化 和自动化程度的逐步提高，以及未来重载、高速列车的发展，重轨和大号码的 道岔逐渐上道，交流电动转辙机的使用量将逐年增加，这对道俞的安全和监测提 出了新的更高的要求。此外，随着列车提速和运量的增加，使道龠转换设备的 工作环境发生了显著变化，转辙机的故障率也随之提高。为了提高安全性和运 输效率，对交流电动转辙机的工作状态进行实时监测就显得越来越重要。 目前各种信号微机监测系统中均空缺交流电动转辙机的在线监测功能，现 有的微机监测系统对转辙机工作状态的实时监测也并不完善，如能开发出一套 有效的监测系统，对于提高新型道岔转换设备运行的可靠性，保障行车安全， 提升我国铁路运输技术水平，不仅具有十分重大的意义，还具有十分明显的经 济应用价值。 1 1 转辙机监测的重要性和必要性 为了适应我国经济和社会发展的需要，提高铁路运输生产力水平，铁路运 输必须实现跨越式发展。进一步提高既有线列车速度，是我国发展铁路快速客 运网和提高货运能力的一项重要战略举措。从1 9 9 7 年4 月l 同至2 0 0 7 年4 月1 8 同， 我国铁路已经过六次大面积提速。目前提速干线时速达2 0 0 公罩，部分区段时速 第1 章引言 达至t j 2 5 0 公里。铁道部制定的一次又一次的提速工程计划，时间跨度至2 0 1 5 年， 将一步步地把我国快速铁路发展起来，连成线，织成路网。j ! w j 2 0 1 5 年，我国 将实现以5 0 0 0 k m 的高速、快速铁路为骨架，以1 4 万的客货混跑快速线为分支 的快速旅客运输网的总目标，使旅客出行“一日行动圈 的快速网络从规划变 成现实。列车速瘦的历史性跨越，有力地摊进了铁路技术装备升级，提高了铁 路运输质量，增强了市场竞争力，取得了明显的经济效益和社会效益。然而同 时也对铁路部门各项维修、管理工作提出了更高的要求，尤其是对电气信号设 备的维修管理工作增加了新的压力。 道偷是铁路轨道连接的重要设备，它直接关系到铁路运输的效率和行车安 全，其功能是承受，传递幽铁道车辆运行弓l 起的各种荷载，零| 导使视车车辆麸 股轨道顺利转入另一股轨道。转辙机作为转换道甜的设备，在列车运行过程 中改变其行进轨道，具有“转换 、“锁闭和“表示道岔位置三种功能， 是铁路系统中一种重要的电气信号设备，同时也是实现道岔转换和铁路运输集 中控制的重要基础设备。它是以电动机为动力，经减速器变速后，经机械传递 装置改变道龠开通方向，当尖鞔与基本轨密贴时，能够将道俞锁闭在规定位置， 并能反映道俞位罱状态。转辙机在列车到来时能否准时、可靠地实现道分转换 关系到列车运行的安全，责任重大，一旦蹴现故障就会弓| 起系列的堵塞、晚 点，影响面较大，且可能危及行车秩序，因此对提高铁路运输效率和保证行车 安全起着至关重要的作用。出于转辙机长年互 乍在野外比较复杂的工作环境下， 且无人值守，要受到风沙，雨雪等自然条件变化的影响，环境恶劣，使用频繁， 过去设备状态的好坏是通过人工巡检或定期下道检修的方式来发现，偶然因素 比较多，如果转辙机的故障无法及时发现和排除，将影响行车安全。随着列车 通过道贫的速度不断提高，及我国铁路运输量的同益增长，密度不断加大，铁 路部门逐步开通了重载列车并采用了重型钢轨道翁，使转辙机的工作环境发生 了显著变化，大量的交流电动转辙机随着重轨和大号码道俞的使用而逐步上道。 从历年铁路电务部f _ 】的故障统计资料来看，转辙枫发生故障的凡率占据首位， 其中因检修不良导致故障发生的约为1 3 左右。现有的人工检测方式不及时不可 靠，道分转换设备检测手段落后，不能准确有效的检测出潜在的设备运行安全 隐患等是最主要的影响因索。 因此，从历史经验，现实需要和未来发展三方面肴，对转辙机的监测与维护， 特别是对于交流电动转辙机的实时监测，己成为铁路系统各电务部门当前急需 2 第1 章引言 解决的重要问题。 1 2 既有转辙机监测手段的主要问题 在铁路大范围提速以前，我国主线和支线铁路普遍采用z d 6 系列的直流电动 转辙机，采用1 6 0 v 直流电源供电。随着我国铁路运输逐步朝高速，重载方向发 展，重轨在铁路上大量使用，转辙机也由小功率机转向大功率机，且产品已形 成系列化，多样化，大量使用新技术的新型转辙机在我国铁路上得到应用。 s 7 0 0 k ，z y j 7 型等大功率交流转辙机在提速干线上已普遍应用。但是与交流转辙 机性能监测相配套的设备开发还不能跟上我国铁路信号设备发展的需要。 监测系统方面，自铁路信号微机监测系统在电务部门投入使用以来，尽管 主要的铁路信号设备各项电气特性参数均能通过“系统监测”设备进行有效监 测。但是，交流转辙机在转换道岔时所受道俞阻力的机械特性，由于各种技术 原因未能实现有效监测，成为微机监测系统设备监测功能的缺项。然而，“道 龠阻力的机械特性”，即交流电动转辙机在转换道龠时受到的阻力是否在其能 正常工作的范围内，是铁路电务部门在对交流转辙机进行监测时最关注的部分， 此外工作电流也是反映转辙机工作状态的重要参数。若转辙机的转换力小于道 俞的转换阻力时，特别是在雨雪天，往往会造成道岔转换不到位，影响行车安 全和行车效率。国内既有的转辙机测试系统多是针对直流电动转辙机自主开发 的，不能适用于交流电动转辙机的动特性测试，且没有一个统一的标准，存在 较多的问题。具体表现在以下三个方面： ( 1 ) 适用范围小，功能不完善：有的测试系统仅仅能测试某种单一型号的 转辙机，不能适用于其他或新型转辙机的性能检测；有的测试系统功 能不完善，仅能测试转辙机的部分参数。 ( 2 ) 模拟负载调整灵活性差：目前国内既有的转辙机测试台都采用液压负 载或重力负载来模拟转辙机转换道翁时所受到的机械阻力，体积大， 调整不方便，负载性能不稳定，给转辙机同常检修工作带来较大困难。 ( 3 ) 不具备信息化管理功能：随着铁路大范围提速，大量重轨使用使得有 些道佾处需要使用两台以上的转辙机，在一个路段的转辙机往往有上 千台之多。这些转辙机的工作状况、维修记录、性能参数等都应该备 档以供检修时查看用，而有些测试系统仅仅来只能做测试用，不能做 第l 章引言 到测试和设备管理统一，不符合铁路信息化发展的要求。 设备方面，目前对电动转辙机的测试设备主要有两类：“电动转辙机综合参 数测试台和“便携式电动转辙机测试仪”。其中，电动转辙机综合参数测试 台多安装在室内，可对电动转辙机进行上道前的检验，使用过程中的定期轮修， 及在电动转辙机大修后，检验其检修结果；而便携式电动转辙机测试仪多用于 现场对电动转辙机各种性能的检测。 ( 1 ) 电动转辙机综合参数测试台 各种电动转辙机综合参数测试台主要由转辙机负载发生器、各种测量传感 器( 如力传感器、电流传感器等) 、对电动转辙机实施启动停止控制的继电控制 电路，和对转辙机的各种参数进行测量显示的测量仪表几部分组成。根据转辙 机负载发生器的不同，测试台可分为“液压负载式测试台和“重锤式负载测 试台”两种。前者使用液压泵模拟转辙机转换道龠时受到的负载阻力，而后者 使用砝码模拟。对于某些功能较先进的电动转辙机综合参数测试台，还配有对 转辙机的测量过程实施自动控制的测量控制器，和用于对测量数据进行管理的 数据库管理系统等。 在使用电动转辙机综合参数测试台测试电动转辙机时，多为电动转辙机处 于离线检修状态，测试时可对转辙机进行拆卸。可以测试包括转辙机在动作过 程中的输出力、转辙机在动作过程中的工作电流、转辙机处于故障状态时的摩 擦电流、转辙机在整个动作过程中的动作时间等各种参数，比较全面。同时， 由于电动转辙机综合参数测试台的传感器与被测转辙机之间的连接受“人为因 素”影响较小，因此测量的结果比较可靠。同时对于配有自动测量控制器和测 量数据库管理系统的电动转辙机综合参数测试台来说，对电动转辙机的测量过 程可以实施自动控制，对测量的数据可以进行长期的、有效的系统化管理。 然而，目前电务部门修配所固定式的模拟负载转辙机试验台已经不能满足 各种不同类型转辙机的测试要求。此外，测试台体积大、重量重、移动不方便， 使用时需要拆卸转辙机，操作比较繁琐。因此电动转辙机综合参数测试台不适 合对电动转辙机进行现场实时检测，只适合于电动转辙机的定期下道入检修所 检修，及检修后进行验收检测时使用。 ( 2 ) 便携式电动转辙机测试仪 既有的便携式电动转辙机测试仪通常主要由两部分组成：测量转辙机性能 指标参数的传感器( 力传感器、电流传感器) 和用于对测量结果进行记录、显示 4 第1 章引言 的二次仪表。便携式电动转辙机测试仪具有体积小、重量轻、携带方便等优点， 因此特别适合对电动转辙机进行实时在线检测。但是既有的便携式电动转辙机 测试仪对电动转辙机测量时，所能测量的参数类型比较有限。例如目前使用的 “m e k s 一1 0 ”型便携式转辙机测试仪只能测量转辙机的输出力。 此外现有的便携式电动转辙机测试仪在测量原理上都依赖于使用“阻力传 感器”。无论牵引电机是直流还是交流电动机，电动转辙机均是通过动作杆将 电动机的输出功率传递给“道岔，而“道岔 与“动作杆”的连接采用的是 “销 连接法。若要直接测量转辙机的输出力( 包括拉力、压力) ，“力”传感 器就要放置在“动作杆 和“道佾 的连接处，因此对转辙机输出力的测量， 力传感器的外形须采用“柱销式”。自交流电动转辙机上道使用的近十年以来， 铁路电务部门已购置了采用“销式传感器”为测量手段的提速道岔牵引力及阻 力测试设备，在道岔现场利用列车运行间隔，对交流电动转辙机进行牵引力和 阻力的机械特性测试。然而在铁路运输高速、重载、密度大的背景下，在现场 测试时需安装“销式传感器”已严重限制了其应用。一方面，传感器使用的“人 为”影响因素较多，测量结果也存在偏差。另一方面，考虑到电务工作人员及 铁路运输的安全，已停止使用上述现场测试的方法。而目前又无可用的在线监 测系统，因此已无法对交流电动转辙机在使用期间的牵引力及阻力的机械特性 进行监测。 综上，必须建立一套对列车运行影响最小的转辙机工作状态实时监测系统， 来替代传统的现场道岔阻力测试的方法，使铁路电务部门随时掌握转辙机的工 作状况，在设备工作环境出现异常时能及时发现( 如道岔被异物卡住等) ，排除 干扰，设备出现故障时能得到及时维修，不影响铁路的安全、准点运行。 1 3 本文选题的意义及来源 本文来源于“上海铁大电信设备有限公司 的横向课题。该公司已研制出 “道俞阻力测试系列产品”，屏弃了以往相关设备使用“销式传感器”的传统 思路，通过在转辙机安装现场对其驱动电路的电气特性进行隔离采样，并将传 感器采集到的驱动电机的工作电压、电流( 对于交流转辙机，利用其交流电机 的三相工作电压、电流) 转化为数字量形式，应用数字信号处理技术进行运算 和分析，从而间接测量道岔阻力，并记录转辙机运转全过程所受阻力的变化曲 第1 章引言 线，对测试结果可以存档、显示、分析和打印输出。结合专家诊断系统对转辙 机的状况进行评估；超限情况下可以适当的方式输出报警信息。产品使用范围 覆盖了国内目前普遍使用的各类转辙机，包括直流电机控制转辙机、新型三相 交流电动转辙机、三相交流液压转辙机。可测项目包括转换道岔阻力测试、摩 擦阻力检测和校调、三相电机缺相的判断等。 然而，尽管该系列产品摆脱了使用“销式传感器 的限制，却仍难实现转 辙机工作状态的在线实时监测。主要问题有以下两个方面： ( 1 )测试精度难以保证：由于待监测的转辙机数量多、分布广、间距 远，而任何电缆线路均存在阻抗、分布电容和等效电感，若仅仅 简单的将道贫阻力测试设备安置在铁路信号机械室内，则无论将 测量传感器安置在转辙机的供电线路引出端，还是安置在道龠现 场，模拟量形式的监测信息在传送过程中都必然会由于电缆的实 际特性而大大影响测试的精确性和准确性。 ( 2 )无专用通信通道：若将测量传感器安置在转辙机使用现场采集其 工作电压、电流，并现场将其转换为数字量形式，虽然能够保证 测试精度，但由于铁路电缆“专线专用”的特点，因此不能使用 为转辙机供电的电力电缆为监测用“数模转换模块 供电。若 单独为监测用“数模转换模块”铺设一对供电线路，则由于现 场无专用通信通道可用，因此还需为传送监测信息单独铺设一对 通信通道。由于转辙机数量众多分布广泛，若专门铺设两对( 共 四条) 监测用线路，无疑会大大增加沿线用电缆数量和监测系统 成本。 综上所述，需要寻求新的方法，既能实现转辙机工作参数的精确实时采集， 又能尽可能少增设新的电缆。“电力线载波技术”是实现这一目标的最佳方案， 利用供电电缆，在电源线上实现监测信息同传。由于为转辙机供电的电力电缆 同时为众多重要设备供电，因此在这条电缆上实现信息同传存在安全隐患，也 不符合铁路部门对于重要电缆“专线专用 的规定。充分考虑现有资源及可行 性，选择在铁路信号机械室安置一台“2 4 v 直流电源 ，并使用铁路专用信号电 缆将其引出到所有待监测转辙机的工作现场，为所有监测用设备供电，同时将 数字量形式的监测信息耦合在该电缆上实时同传，无疑是解决问题的最佳方案。 一方面，转辙机工作参数在道岔安置现场进行模数转换，保证了监测精度；另 6 第1 章芍| 言 方瑟，可以免去专门铺设通信电缆，节省成本。 本课题就是在这样的一种背景下被提出来的。可以预见，本课题的开展对 于建立套完整有效，使用范围广的转辙机监测系统具有重要意义。为提速道 岔转换设备的监测、维修、管理提供了新的手段。对于提高铁路信息化管理， 方便转辙机日常维修、在线监测，提高转辙机使用的安全可靠性，减少操作者 的劳动强度，促进铁路提速工作的顺利进行、保证铁路的安全运行等方面均具 有重要的实践意义和社会意义。 1 。4 本文主要工作及内容 本文针对交流电动转辙机实时工作状态的监测空白，主要探讨了转辙机在 线监测的可行性及解决方案，重点研究了“电力线载波技术在转辙视在线监 测子系统中的应用，解决了“实时工作参数监测信号与“监测设备用电源信 号 同线传递的阆题。 第1 章结合我国铁路运输的发展现状及趋势介绍了课题提出的背景、来源 及实际意义。 第2 章系统介绍了转辙机的分类和交流电动转辙机的工作原理，详细介绍 了直流、交流转辙机的电气特性，结合铁路电务部门的实际需求提出了监测要 求。 第3 章系统介绍了铁路部门正在使用的“铁路信号微机监测系统 ，并结 合该系统的技术特点及“道岔阻力测试设备 详细介绍了“转辙机在线监测子 系统 的结构、基本功能及特点。 第4 章讲解了频率键控调制( f s k ) 技术原理及电力线载波通信系统原理。 结合使用的调制解调芯片和控制用单片机，详细介绍了电力线载波模块的软、 硬彳孛设计。 第5 章对本文的工作做了总结和展望，对于未来系统的改进提出了建议。 7 第2 章转辙机工作原理及监测要求 第2 章转辙机工作原理及监测要求 转辙机的工作状况与道岔的状态、外界环境的影响、列车的冲击、尖轨爬 行、道岔转换阻力等许多因素的变化有关。丽这些变化都将直接反映在转辙机 动态特性曲线的变化上。转辙机的主要技术指标为：动作电压、动作电流、转 换力、转换时间和单线串电阻。其巾对于安全运输最为重要，同时也是铁路电 务部门最为关心的两个环节，是对转辙机的袭示杆缺口位移和转换力的实时在 线监测，从而保证道龠转换性能，同时为故障预警、分析、处理提供有利的依 据。对于缺口位移的在线监测已相对成熟，本文所述的对转辙机动态特性的监 测，主要是指对其转换道笳时受到的阻力进行监测。 2 1 转辙机的分类 可以从转辙机使用的电动机类型和转辙机提供的动力类型两个角度对转辙 机进行分类： ( 1 ) 根据转辙机使用的电动机类型 可分为“直流电动转辙机”和“交流电动转辙机 两类。直流电动转辙机 主要有z d 6 、z d 7 以及z d 8 等系列。交流电动转辙机主要有s 7 0 0 k 系列。 z d 6 系列直流电动转辙机采用1 6 0 v 直流电源，以电动机直接提供动力， 经过齿轮减速器和传动系统推动道岔转向所需位置。z d 6 属于辍载型转 辙机，转换时问较长，型号比较多，各种转辙机结构和技术参数又有 所不同，额定载萄都不大于6 0 0 0 n ，有的加了辅助锁闭装置。在过去我 国大量使用的就是z d 6 系列转辙机( 后由单机牵引改为双机同步牵引， z d 6 一e 和z d 6 - j 型同时使用) 。 s 7 0 0 k 型是引进德国西门予公司的一种能适用于外锁闭道岔的三相交 流电动转辙机，具有6 8 6 0 n 保持力。其技术特点是采用三相交流动力， 简化机械传动，主要零部件尽可能采属模块化结构设计以利于更换。 s 7 0 0 k 型转辙机可用来操纵各种型号规格的道俞。 ( 2 根据转辙枫提供的动力类型： 可分为“电动转辙机”和“电液转辙机两类。 第2 章转辙机工作原理及监测要求 电动转辙机是采用电动传动方式，电动机提供的动力直接用于扳动道岔。 电液转辙机是指液压式电动转辙机，是采用电动、液压传动方式，用液压传递 动力获得所需的速度比和转换力。与电动转辙机的不同之处在于它的电机提供 的动力是用于驱动液压，而不是为道岔提供转换力。电液转辙机又分为交、直 流两种系列。国产电液转辙机直流系列用z y 表示，一般采用1 6 0 v 直流电源；以 z y 加后缀j 代表交流，女n z v j 型，是采用3 8 0 v 交流电源。我国早期研制的有z y 、 z y l 、z y 2 、z y 3 型四种型号的电液转辙机，后来在这几种基础上又开发出了z y ( j ) 4 、z y ( j ) 6 、z y j 7 型电液转辙机。 我国铁路提速前基本上都是采用z d 6 系列直流电动转辙机，提速后随着重型 钢轨的使用对转辙机的性能要求越来越高，例如：由于列车轴重的增加，使得 轨旁一切设备都需要承受较大的应力；由于列车驶过道岔时的震动加剧，就要 求转辙机有更大的锁闭力；此外，从维修保养角度出发，少维修、易维护等要 求也随着行车密度的增加越来越高。在此背景下我国引进了s 7 0 0 k 型交流电动转 辙机。据不完全统计，目前全国铁路共有道岔l o 万组，其中提速道俞约有1 万多 组，提速道俞采用z y j 7 、s 7 0 0 k 、l h 7 0 0 h 三种转辙机，其余支线均采用z d 6 、z d 9 转辙机。 2 2 电动转辙机的工作原理 转辙机作为铁路轨道转换装置终端执行机构，主要是用来完成对铁路道岔 的牵引。它以电动机带动减速器，将转速降低并增大转矩，经由主轴将转矩传 动给动作杆，从而改变道岔开通方向，当尖轨与基本轨密贴时，能够将道岔锁 闭在规定位置，并能反映道佾位置状态。具有转换道岔、锁闭道俞和表示道岔 位置三种功能。 目前，我国铁路系统使用的转辙机多为电动转辙机，主要由电动机、减速 器、自动开闭器、主轴、动作杆、表示杆、锁闭齿轮等部件组成。自动开闭器 是跟随转辙机一起工作的电器节点，它与道岔控制电路和表示电路直接发生联 系，且能直接或间接地反映出道俞定位密贴和反位密贴。 转辙机进行道俞转换时其转换对象是安装在道岔中的转辙器的尖轨。无论 是交流转辙机还是直流转辙机，其力学原理均为：转辙机的额定转换力应大于 所转换道岔的有效阻力。转换阻力是将道俞可动部件( 尖轨，可动心轨等) 从 9 第2 章转辙机工作原理及监测要求 一个位置转换到另一个位置过程中所要克服的各种阻力的总和，即 f = p + p + p ( 2 1 ) 式中：f 转换阻力； p 由尖轨重量产生的摩擦力反映到拉杆的阻力； p7 尖轨的弹性力； p 其它阻力； 其中p + p 是工务部门提供的理论转换力，指转换过程中的最大值。p 是 弹性可弯尖轨在密贴位的弹性力。p ”是指一些磨卡现象所产生的阻力和非弹性 可弯尖轨的弹性力。如普通爬坡式尖轨在密贴时，特别是在道岔维修不良时则 发生磨卡。普通非弹性可弯尖轨从理论上讲没有弹力。但实际上尖轨是有反弹 的，主要是因为尖轨在使用中产生弯曲变形造成，因此不能忽略这个因素。 转辙机的整个工作过程分为两种情况： ( 1 )当给转辙机加上正向电压时，转辙机内部的电动机正向转动，带动 转辙机的转动杆伸出，推动铁轨道分末端从起始位置移动以连接目 标铁轨，此过程叫伸出过程，以转辙机传动杆带动铁轨到达目标轨 道( 简称为转辙机伸出到位) 为结束； ( 2 )当给转辙机加上反向电压时，电动机反转，转辙机的传动杆缩回， 拉动铁轨末端缩回以连接另一个目标铁轨( 缩回到位) 。 转辙机的工作性能主要体现在以下三个方面： ( 1 ) 道岔锁闭：道岔锁闭是指转辙机转换道岔动作结束时，操纵源被切断， 道岔被锁闭在一定位置，从尖轨传来的外力不能将尖轨移动的状态。 转换一次道分的过程，必须经过切断表示、解锁、转换、锁闭、接通 另一位置的表示等过程。锁闭道佾是保证行车安全的绝对条件。 ( 2 ) 密贴力：密贴力用以保证行车通过道俞时，施加到道岔上的压力和冲 击力不至于在尖轨和基本轨之间出现危机行车安全的缝隙。密贴力太 小会危机行车安全，过大则会加大转辙机的负载，加速机械磨损和疲 劳，影响设备的使用寿命。 ( 3 ) 正、反位一致性：正、反位一致性是指在额定电压下，j 下、反位工作 电流相差程度不超过3 。 1 0 第2 章转辙机工作原理及监测要求 2 3 直流与交流电动转辙机电气特性对比 直流电动转辙机使用的驱动电机均为“串励电机 ，交流电动转辙机使用 的驱动电机多为“三相交流异步电动机”。尽管直流与交流转辙机的力学原理 基本相同，但由于所使用的驱动电动机不同，两者在电气特性上有较大差别。 2 3 1 直流电动转辙机的电气特性 直流电动转辙机中所使用的电机是一种“串励电机”，具有转速高、体积小、 启动转矩大、过载能力强以及调速方便等优点，特别满足铁路道岔转换的要求， 是直流电动转辙机的核心部分。这种电机的励磁绕组与电枢绕组串联，其励磁 电路如图2 1 所示，励磁电流等于电枢电流，电机主磁通随电枢电流的变化而 变化，当电流增大时，电机转速降低，而扭矩增大，因此启动力矩大，这些特 点都特别适用于铁路道岔转换。其机械特性如图2 2 所示。 图2 1 励磁电路图2 2 串励电机机械特性n = f ( t ) t 串励电机的励磁绕组与电枢回路串联，即电枢电流i a 就是励磁电流i f ， 其转速特性方程如下： i a = i f 咒：u - l r ：j l 一r + r i( k2 。3 ) 规= 一= 厶。d ， c e c e ac e k 第2 章转辙规工作朦理及监浏要求 其转矩特性方程如下 t = c r 固l 孑 上舞式中爻f 是串励绕组的电阻，为电枢电阻，零表示气隙磁通，至a 为 电枢电流，k 是比例常数。 由上式可以褥出串励电机鲍转速与电枢电流成反毙，与电压成正比，丽电 磁转矩与电枢电流的平方成正比，所以它的转速特性近似于双曲线，转矩特性 近似于抛物线。因此睾励电动枧的机械特性是软特性，随着转矩的增加，转速 迅速下降，而当电压增加时转速也增大，这种特性使它特别适用于负载转矩经 常变化的场合。当负载转矩增大后转速自动降低，使输出功率变化不大，电机 也不至于因负载转矩增大丽过载损坏。但在电机空载或负载很小时，电机转速 很高，易产生飞车现象，导致电枢损坏。图2 3 是盥流转辙机在扳动道岔时可 能的受力情况，图2 。4 是串励电机驱动电流曲线。 图2 。3 可能的受力情况圈2 。4 直流串励电机驱动电流曲线 2 3 2 交流电动转辙机的电气特性 以下借助三相交流异步电动机的一相等效电路来分析其三相功率流。如下 图2 5 所示，其中： 输入有功功率暑= 3 u 墓c o s s式中l j s 、i s 为定子栩电压、相电流。 定子铜耗最蕊= e 足苫定子铁耗z 殛然e 如 1 2 第2 章转辙机工作原理及监测要求 转子铜耗圪，= t 2 r ， 杂散损耗只( 含各谐波损耗) 风摩损耗厶 空载损耗e o = 易+ 只 图2 5 三相交流异步电动机的一相等效电路 轴上输出功率 p 2 一- 卜 室 机械功率= p e m 一吃，轴上输出功率只= 一e o 由等值电路可知： 电磁功率又可表达为e e m ：3 e ：，：c 。s 矽，：3 ，：2 生 s 故机械功率 转子铜耗 于3 f 2 ( 生尺：) ：匕( 1 一s ) s 吃，= e e 肌s = 只称为转差功率。 综上：异步电动机轴上输出功率最= 墨一一一只一r 在转矩方面，定义异步电动机的电磁转矩 乙= 鲁= 瓦p e m 。= 丽2 r e ( 小s = 罢厶= 告) 第2 章转辙机工作原理及监测要求 轴上输出转矩丁= 云 空载转矩t o 百1 o d n 最= 冗一p o 墨= 鱼一一p o q = 一2 7 t ，z qq q 7 6 0 即：t = l m 一兀 e e m = 3 e ：c o s 矽 ，：= f 1r ，e ：= k 。e ， a 7 p ，m = 3 er i ? c o s o r 州，“4 4 f , n r k u r m 乇卟缸= 吾警= 等 乙= 鲁= 学矽m i r c o s 以 p ， 1 1 = ( 3 p = 竺r k 胁) 5 2 i m l ，c o s 矽, t 绷= k 丁矽m i ，c o s 矽r( 2 5 ) 图2 6 是交流电动转辙机在扳动道龠时可能的受力情况，图2 7 反映了三 相异步电机的电气特性： 一有功功亭 图2 6 可能的受力情况 幽2 7 三相异步电机j 二作电气特性 1 4 第2 章转辙机j i ：作原理及监测要求 2 3 3 两种转辙机的特性对比 根据上述对直流转辙机和交流转辙机内所使用电动机的电气和机械特性的 分析，可以得出以下结论： ( 1 ) 在工作过程中可能的受力情况相同； ( 2 ) 直流串励电机在励磁不变时电磁转矩和电枢电流的平方成正比； ( 3 ) 异步交流电机即使磁通不变，电磁转矩仅取决于转子电流的有功分量； ( 4 ) 直流电机在磁通、电流不变时，电磁转矩为常数；而异步电机转子电流是 有效值，不是瞬时值，因此即使电磁转矩各项不变，瞬时值仍会不同； ，一1x ，s ( 5 ) 转子功率因数角办2t g1 是转- a 率s ，即转速n 的函数。即使磁通 n ， 不变，不同转速下同样电流得到的电磁转矩也有很大差别； ( 6 ) 电磁转矩主要为转子参数，直接测量、控制困难，转矩瞬时值控制更困难。 图2 8 是三相交流电动转辙机从启动到转换道佾结束的整个动作过程中， 其中一相的电压和电流波形，动作h 寸间约为5 秒钟。 恒挲荸 一 蛐 图2 8 二相交流电动转辙机动作全过样相i l l 乐、电流波形 瓣镬瘦瀵超攀影i参滥磷嚣；0盘鬻嚣卜盘鬻灌霪盘 ，磴帮爨霪漾魅 覃专矗 鬻熏簟盘鬻渗零童盏 磴罄誉耄盛 留臻曛潆腓 #十， 一 ， 第2 章转辙机i ：作原理及监测要求 从以上原始波形可以看出电动机动作时间和启动时电流的波动。但电压和 电流的信号均未发生明显变化，因此对于交流转辙机，不能延用监测工作电流 的方法来监测电动机所受到的阻力( 这一方法一直用于对直流电动转辙机的监 测中) 。 若把上述电压和电流波形拟合在一起，如图2 9 所示，可以明显看出两者 相位的差异。 幽2 9 干h 电压! j 相电流的曲线拟合幽 2 4 交流电动转辙机的监测要求 影响转辙机 ：作性能的t 要因素仃电气和机械两个方面。电气参数包括转 辙机启动| 乜流、电压：币常1 ：作ff ! ! | j ：【作在额定负载) 条件下的f ：作电流、电 j j i ；摩擦工作( 也就是达到最大的负载) 条件下的工作电流、电压； ：作状态 下转辙机的绝缘电阻以及从肩动剑推杆将负载推到位置的转换时问。机械方面 第2 章转辙机工作原理及监测要求 主要是根据铁路转辙机维护规程的要求对转辙机进行外观和电气配线的检查。 转辙机内电机工作性能的好坏直接决定转辙机能否正常完成工作，因而对 电动转辙机进行监测的重点，在于对其驱动电动机的工作参数的监测。由于本 论文立足于解决对“三相交流电动转辙机 的实时监测这一问题，因此此处所 述的监测要求主要针对三相交流电动转辙机。主要监测的参数包括以下三个方 面： ( 1 ) 直接测量：三相电机的三相电压、三相电流； ( 2 ) 间接计算：三相电机的牵引有功总功率； ( 3 ) 直接记录：转换道贫动作时间。 此外，根据铁路电务部门对信号设备监测系统的整体要求，在获取了上述 主要监测参数的前提下，可在监测系统的上层处理机上实现转辙机在转换道翁 的整个动作过程中，有功功率曲线和所受阻力曲线的记录。 1 7 第3 章转辙机监测子系统 第3 章转辙机监测子系统 本文所探讨的转辙机监测系统，是在现有的铁路信号微机监测系统中，对 于交流电动转辙机在转换道岔时所受道岔阻力的机械特性监测存在缺项的背景 下提出的。因此在系统构成及组网技术方面，主要以便于与现有的铁路信号微 机监测系统集成为目标。 3 1 铁路信号微机监测系统 信号微机监测系统是保证行车安全、加强信号设备结合部管理、监测铁路 信号设备运用质量的重要行车设备。 信号微机监测系统是铁路装备现代化的重要组成部分。它把现代最新技术， 如传感器、现场总线、计算机网络通信、数据库及软件工程等技术，融为一体， 监测并记录信号设备的主要运行状态，为电务部门掌握设备的运用质量和故障 分析提供科学依据。同时，系统还具有数据逻辑判断功能，当信号设备的工作 情况偏离预定界限或出现异常时及时报警，避免因设备故障或违章操作影响列 车的安全、正点运行。 信号微机监测系统是由铁道部、铁路局、铁路分局上层监测设备和电务段、 车间( 领工区) 、车站基层监测设备组成的，监测本单位管辖内各车站信号设备 运行状态的网络系统。信号微机监测系统应用计算机和信息采集机实时监测各 种信号设备。监测对象的类型大体上可分为模拟量和丌关量。模拟量包括：电 源屏电压、轨道电路电压、道俞动作电流、电缆绝缘电阻和电源对地漏泄电流 等。开关量包括：关键继电器状态、控制台按钮、与表示灯状态、熔丝状态、 灯丝状态和道衍表示缺口状态等。 目前，现场推广使用的t j w x - 2 0 0 0 型信号微机监测系统是铁道部在2 0 0 0 年组 织联合攻关的产品，是专家集体智慧的结晶。 3 1 1 铁路信号微机监测系统结构 t j w x 一2 0 0 0 型信号微机监测系统由车站系统、车间机、电务段管理系统、上 第3 章转辙机临测r 系统 层网络终端( 包括分局、路局、铁道部豁测终端) ，以及广域网数据传输系统组 成，其结构如图3 1 所示。 i 冬j3 1 信l j 微机 监：；j j l 0 系统 球j 幽 第3 章转辙机监测子系统 ( 1 ) 车站系统 车站系统包括站机、采集机、机柜、隔离转换单元等，是信号微机监测系 统的最基本单元，负责数据的采集、分类和处理，实现信号设备的实时监测和 人机对话。其中站机实现集中管理，完成实时监测和人机对话，收集数据、处 理数据( 分类形成图表) 、存储数据，查看数据等。采集机实现集中管理下的 分散采集信息，在线采集数据，并进行预处理。隔离转换单元用于采集模拟量 或开关量数据，其结构如图3 2 所示： 站机 接口板接口板接口板 图3 2 午站系统结构图 在结构方面，车站系统按不同站场规模配置采集机数量，根据功能要求配 置各种类型的采集机。采集机可以集中安装，也可以分散安装。使用c a n 现场总 线使采集机与站机连接简捷，同时采用多项纠错措施保障通信可靠；另外，由 于采用非破坏性总线仲裁技术和短帧结构，使得通信的实时性好，效率高。车 站采集系统中，最重要的是系统要有自恢复功能，即分机和站机在受干扰和发 现非致命性故障时，系统能自恢复，不至于崩溃。为此，t j w x 一2 0 0 0 型信号微机 2 0 第3 章转辙机监测子系统 监测系统在软件和硬件上均采用了看门狗、自校验及自启动恢复技术，以提高 系统的稳定性。 在功能方面，站机由工控机、显示器、键盘、鼠标、u p s 电源、打印机等设 备组成。站机作为一个车站的集中管理设备，集中处理各采集机采集的实时信 息，并进行显示和存储，同时又为操作人员提供人机界面。根据对信号设备监 测的结果，人机界面实现车站作业状态及设备运用状态的实时显示和各种数据 的查询功能。站机可将本站监测信息传送到服务器，为实现远程监测和管理提 供基础。采集机用于在线采集各种信号设备的模拟量或开关量数据，对各种数 据进行预处理，并传送给站机。每个采集机均由1 块电源板、i 块：c p u 板和若干块 接口板组成。c p u 采用8 0 c 1 9 6 k b ，具有集成度高、功能强、耗电少等特点，适用 于实时自动监测和自动控制系统。采集机的微处理器( c p u ) 通过总线板对采集 机接口板读取数据或进行测量控制。使用信息采集端子连接外部引线，外部信 号即可通过采集端子、总线板、采集板进入采集机。每个采集机拥有独立线性 隔离电源，总线板采用无源底板。采集机电源及各种采集板均采用前插拔通过 总线板连接，便于维修。 采集机按功能划分为综合采集机、道岔采集机、轨道采集机、开关量采集 机、区间采集机和其他专用采集机。 综合采集机具有下列功能： 采集电源屏输入输出电压； 采集电源屏相序及瞬间断电； 采集电缆对地绝缘、电源屏对地漏泄电流； 监测熔丝、灯丝断丝。 道岔采集机具有下列功能： 采集控制台道翁表示灯状态、l d q j 和2 d q j 状态； 监测道岔( 普通提速) 动作电流曲线； 道俞表示的一致性监测和报警； s j 封连的监测和报警。 其中1 d q j 和2 d q j 均为人工控制道岔扳动用继电器。1 d q j 为l 号继电器，用 于控制转辙机三相交流工作电源的连接与切断：当它“吸起”时，三相交流电 源给转辙机内电动机供电，反之则切断供电；2 d q j 为2 号继电器，用于控制转辙 机三相交流工作电源的相位：当它“吸