计轴系统说明书

目录

1概述2

1.1系统简介------------------------------------------2

1.2研制背景------------------------------------------2

1.3设计原则------------------------------------------4

2基本工作原理--------------------------5

3系统构造---------------------------5

3.1室外设备-----------------------------------------8

3.1.1车轴传感器------------------------------------8

3.1.2信息处理单元---------------------------------13

3.2室内设备-----------------------------------------16

3.2.1机械室设备-----------------------------------17

3.2.2控制台设备-----------------------------------24

3.3传播电缆-----------------------------------------26

3.3.1站内传播电缆---------------------------------26

3.3.2站间传播电缆---------------------------------28

4系统重要特点---------------------------28

5重要技术参数---------------------------29

6东双桥车站使用系统简介----------------30

1概述

1.1系统简介

HHJZ-OI型计轴系统（如下简称计轴系统）是用于检测轨道、

道岔区段、道口以及区间线路的占用或空闲确实保行车安全的重

要信号设备。

计轴系统把微处理器技术、通信技术、自动控制技术、冗余

技术、传感器技术、防雷技术融为一体，通过安装在轨道、道岔

区段、道口或区间线路上的车轴传感器，将信号调制后传送到室

内，经微处理器的分析处理、存储、显示、输出，判断线路与否

被占用。

同步可以很好地处理轨道电路分路不良（俗称“压不死”）

的问题，防止轨道绝缘破损的问题，保证行车安全；在处理“红

光带”区段，提高传播效能方面，也是很有效的。

1.2研制背景

伴随铁路现代化的发展和多次铁路大提速以来，列车速度在

不停的增长，列车的运行时间也在不停的缩短，保证线路与否被

占用是保证行车安全、高速运行的必要条件。

列车在区间内运行的重要特点是：列车运行速度高，质量重,

制动距离长，不能避让。鉴于以上特点，为了保证列车在区间内

的运行安全，列车由车站发车时，必须保证区间内没有列车，以

免发生列车正面冲突或追尾事故。

对于半自动闭塞区段，不具有区间检查功能，存在安全隐患。

为了可以保证行车安全，提高运送效率，必须实现自动闭塞c采

用计轴系统作为区间空闲状态的检查手段，并通过增长有关结合

电路，即可实现自动站间闭塞系统，对保障行车安全、提高运送

能力起到了重要的作用。

尤其是伴随提速向半自动区段的延伸，增长计轴区间检查设

备更为迫切。

站内轨道电路有其特定的长处，不过也有自身无法克服的缺

陷。

1、不常常行车的区段，钢轨生锈；

2、码头，由于潮湿，钢轨也会生锈；

3、沙漠地带，风沙大，沙尘浮在钢轨表面；

4、轨道区段跳线锈断；

5、轨道绝缘破损。

站内轨道电路是信号联锁的重要构成部分，以上状况常常会

导致轨道电路分路不良，分路不良区段占总区段数量的3%,成

为目前安全生产的一种突出微弱环节，由于轨道电路分路不良导

致的事故给全路带来了重大损失和惨肺•的教训。

而计轴系统在钢轨表面生锈、污染的条件下，仍能安全可靠

地检测列车。假如在对应区段安装计轴系统后，一旦区段有车占

用，对应轨道线电器落下，就可以防止事故的发生。

在铁路跨越式发展会议上，铁道部已明确将半自动闭塞提速

区段和计轴系统相结合实现站间闭塞作为深入提速的条件。并规

定科研和设计部门针对站内分路不良纨道电路开展技术攻关，力

争尽快突破。

此外在隧道内部等地方，由于潮湿等客观原因影响，道床电

阻极低，既有的轨道电路不能正常工作，常常出现红光带，产重

影响了行车效率。

而计轴系统不受道床条件影响，可以彻底处理红光带问题。

1.3设计原则

系统设计在充足考虑其功能的可靠性、技术的先进性的基础

上还充足考虑如下原则：

a）系统设计严格遵照铁道部《自动站间闭塞技术条件》。

b）保证不影响既有的轨道电路正常工作

C）保证不影响原有信号设备的正常工作。

d）系统要具有较高的可靠性和实用性。

e）系统电源部分要具有较高的可靠性。

0系统应能满足轨道、道岔区段、道口以及区间线路的使

用。

g）软、硬件设计保证大中小站、多种型号类钢轨、车轮兼

容，便于系统扩充。

h）软、硬件部分采用模块化、小型化，使系统应安装简朴,

以便维护。

i）具有抗电化干扰能力，在电化区段能正常工作。

j）具有抗恶劣环境能力，在站场的高温、低温、潮湿及列

车通过时的强烈震动下均能可靠运行。

k）支持较远的通讯传播距离，能满足较大站场的规定。

2基本工作原理

在所监测的区段端口各设一种计轴点，运用计轴点来记录驶

入和驶出所监测区段的列车轴数。

为了精确地判断所监测区段内的车轴数，在每一种计轴点安

装两对车轴传感器，不仅能计算通过计轴点的车轴数，并且能判

断列车的运行方向。

列车通过所检测区段的计轴点，每当有一种车轮通过时，车

轴传感器就产生一种对应的轴信号，信息处理单元对传感器所产

生的轴信号进行处理，然后传入到室内的CPU。

CPU通过处理信息处理单元传来的信息，结合运行方向记录

轴数（增轴或减轴），不停地对区段的各个计轴点的轴数进行记

录和比较，然后给出对应区段的占用或空闲状态。

对于区间，则两站之间的CPU通过MODEM通讯，不停地

对区间的两端计轴点的轴数进行记录和比较，然后给出区间的占

用或空闲状态。

3系统构造

计轴系统可以分为室内设备、室外设备和传播电缆三大部

分。室内部分方框图如图1所示，室外部分方框图如图2所示。

图1室内部分方桂图

图2室外部分方框图

3.1室外设备

3.1.1车轮传感器

车轴传感器由两对安装在钢轨上的磁头传感器构成，每对磁

头又包括一种发送磁头（T）和一种接受磁头（R）。

车轴传感器采用电磁式有源探测方式，采用调幅和调相制相

结合，具有很高的可靠性和良好的抗干扰性。当有车轮通过传感

器时，将变化固定于钢轨两边的发射磁头（T）和接受磁头（R）

之间磁场的幅度和相位。发射磁头（T）安装在钢轨外侧，接受

磁头（R）安装在钢轨内侧。

发射磁头（T）线圈产生的交变磁场穿过接受磁头（R）,并

在其中产生感应电压。将发射磁头（T）和接受磁头（R）的位

置调整到合适的位置，当车轮边缘通过磁头时，接受磁头（R）

内的电压翻转。详细过程如下：

当车轮边缘距磁头中心线200mm以外时，发射磁头（T）的

磁力线与接受磁头（R）中线圈绕组的截面以a角相交，感应的

交流电压相位与发送电压相似。如图3所示。

当车轮进入距磁头中心线200mm范围（作用区）以内时，

发射磁头（T）的磁力线与接受磁头（R）中线圈绕组的截面几

乎垂直，感应电压为零。如图4示。

当车轮越过磁头时，发射磁头（T）的磁力线与接受磁头（R）

中线圈绕组的截面以-Q角相交，感应的交流电压相位与发送电

压相移180°o如图5所示。

图3

ffl4

@5

为了可以鉴别列车运行的方向，在每一种检测点需要安装两

对磁头传感器构成（Tl、R1和T2、R2）o

为了防止两对磁头之间互相影响，两对磁头分别采用不一样

的发送频率，此外为了与电力牵引装置所产生的电流的频率范围

保持较大的差距，一对为41KHz，另一对为37KHz,并且所有

金属部件采用绝缘管及绝缘垫板与钢凯绝缘。

车轴传感器安装在区段的各个端口，安装在钢轨绝缘节外

侧，距离钢轨绝缘节省2米处。

车轴传感器和信息处理单元之间通过屏蔽电缆进行连接，为

了防止外界的破坏，电缆外部采用软胶管防护起来

由于采用调幅和调相相结合的方式，规定发射磁头和接受磁

头之间保持一定的角度和距离，安装孔尺寸如图6所示。

h：刷界高

a=(0.467*h)-6nn

b=l31n+0.2Di

c=l48nnf0.2ni

6

3.1.2信息处理单元

信息处理单元连接车轴传感器和室内的CPU。它给发射磁头

提供信号源，并将接受磁头接受到的信号处理后传送给室内的

CPUo

信息处理单元包括1个电源板、2个收发板、1个调制板和

防雷单元。

电源板将室内送来的交流电压通过防雷、隔离、降压、整流、

滤波后供收发板和调制板工作，收发板用来给磁头提供发射和接

受信号，由于高频信号传送距离有限，调制板将接受磁头的高频

信号转换为低频信号通过2芯线传送到空内。

信息处理单元的额定电压为AC110V,为了适应不一样站场

的距离，电源电压最高极限230V,最低极限65V,由室内冗余

电源通过隔离后对每一种信息处理单元采用两芯供电，所有的信

息处理单兀供电可以并联使用。

为了防止两对磁头之间的互相干扰，两个收发板连接到对应

的发射、接受磁头，向发射磁头发送频率信号，并处理来自接受

磁头的信息，两块收发板的谐振频率是不一样样的，一块为发射

频率为41KHz±10Hz,接受频宽为41KHz±60Hz；另一块为发

射频率为37KHz±10Hz,接受频宽为37KHz±60Hzo

发射频率由LC振荡器产生，发射电流和发射电压是同相位

的。在接受磁头上感应的电压，通过收发板上的相敏整流器整流,

该相敏整流器采用发射部分的发射频率电压作为参照电，用以和

感应电压比较相位。

相敏整流器又称相敏放大器，广泛应用于工业检测中，是一

种伺服放大器，其输出信号的极性和相位由输入信号和参照电压

之间的相位关系而定。

当发射电压和接受电压同相时，输出电压为正；异相时，输

出电压为负；两者相位相差90°时，输出为零。

调制板把来自两块收发板的信号，分别作为6370Hz和

5150Hz振荡器的开关，这两个信号共同送入与门，进而控制

4030Hz振荡器，只有两者均在容许范围内的数值时，才能有输

出，三个频率信号通过合成后，运用2根芯线送往室内。如图7

所示。

图7

室外部分的波形变化示意图如图8所示。

为了减少雷击的损害，室外电源和通道均采用了防雷。信息

处理单元外壳必须接大地，接地电阻最佳不不小于4欧姆。

AAA

图8

信息处理单元安装在钢轨旁的一种底座上，先在安装点做一

种混凝土基础平台，并预埋安装用螺钉M10,外部露出不不不小

于35mm,安装尺寸如图9所示。

图9

车轴传感器和信息处理单元之间的现场连接示意图如图10

所示。

图10

3.2室内设备

室内设备对信息处理单元送来的信息进行运算，其重

耍任务是：

（1）搜集计轴点送来的信息；

（2）检测室外设备与否正常；

（3）对车轴进行计算；

（4）提供“轨道空闲”或“轨道占用”的表达信息，并将

信息供应联锁电路；

（5）显示每人计轴点的车轴数量。

3.2.1机械室设备

机械室设备包括冗余电源、防雷、解调、CPU、输出继电器、

MODEM等部分。

要提高系统的整体可靠性，实现采样的稳定运行，前提是保

证电源的稳定性。虽然目前的电源平均无端障工作时间（MTBF）

很高，但对于本系统而言，仍需提高。

为此将系统电源设计为具有容错功能的冗余配置方案，来处

理这个问题。假如系统的一种电源故障，系统自动将有故障的电

源实现“脱机”，而不影响整个系统的正常工作。

平均无端障工作时间（MTBF）：系统两次相邻故障间的工作时

间平均值。

瞬时失效率（X）：系统发生瞬时失效的概率。

系统运用率（A）：工作时间与工作时间和停机时间的总和之比。

修复率(U):系统瞬时被修复的概率。

©无冗余系统:

MTBF尸！

A

A尸产r

2R

②双机冗余系统:

MTBF=—+

2义222

1

—4-、

22万

A2=I1

-----1--------4-----

22A2//

由以上公式可知：采用双机冗余系统，其MTBF至少比无冗

余系统的MTBF提高50%o

I1

A2=>7=AI

1

1+-1+f4〃

1+"

—十------

2222A

A2>AI,阐明采用双机冗余系统，其系统运用率也将有所提

高。

由于采用了可维修单元，当一种单元发生故障进行维修时，

另一种备用单元仍在继续工作。除非发生两个单元同步故障时，

系统才能中断运行，显然就系统而言，双机冗余可维修系统的运

用率要不小于无冗余系统的运用率。

若按照上面的假设条件，取入=000025,u=0.004,则由上

述公式计算得：MTBFi=4000h,A)=94.12%

MTBF2=38()()()h,A2=99.31%

由以上分析及计算成果表明：采用双机冗余系统，可较大幅

度提高系统平均无端障工作时间及运用率，保证系统可以长时间

不间断运行的规定c

UPS采用纯在线式1.5KVA,保证在外电网断电的状况下每

个UPS能正常使用30分钟。并且UPS采用冗余构造，大大减少

了对电源的规定。

(1)假如一路电源断电对整个系统没有任何影响；

(2)两路电源都断电，UPS可以支持系统工作60分钟以

上；

(3)一种UPS故障，系统自动切断故障的UPS,系统电源

自动零切换到另一路。

（4）两个UPS同步故障，系统停止使用.

从上面状况可以看出，只有两个UPS同步故障，系统才会

停止工作，不过这种状况几率极低。

为了减少雷击的危险性，系统从整体构造上考虑防雷和电磁

兼容能力，采用如下措施：

（1）室内外连接均增长了隔离变压器，一旦遭受雷击，隔

离变压相的线圈为感性，极大的抵御了传播过来的累

积能量。

（2）系统对外室外的信息处理单元，均加入大地线。

（3）室内外连接电缆的屏蔽层在室外和各点的大地相连接,

室内采用浮地方式。

（4）室内防雷地、外壳地通过一点方式分别连接到信号设

备的对应地线。

（5）CPU板采用屏蔽外壳。

（6）电源进入到电路板均采用DC/DC隔离模块。

（7）由室内到室外的所有电缆均增长了防雷单元，包括电

源防雷和信息通道防雷。

由于室外送来的信息是叠加合成信号，信息首先进入解调

板，解调板由中心频率不一样的带通滤波器将不一样的频率信号

分开，然后通过放大，赔偿传播线路的衰耗后送入CPU板。

CPU采用双机并行系统，双机各自独立运行，对于每个计轴

点由两个CPU分别采集轴数，并在两个CPU之间不停的进行数

据互换和比较，以保证两者的数据一致，假如两者不一致，则立

即让继电器落下。

CPU采样对应波形如图11所示。

由图11可以看出，CPU根据两对车釉传感器送来的信息的

前后次序，就可以判断出列车运行方向，对每个计轴点不间断的

进行对应的加轴计算或者减轴计算。

图11

继电器输出采用分别输出、外部结合的方式：对输出继电器

的控制，由两个CPU分别运算、分别输出，在外部串联结合起

来使用，只有两者输出一致才会让输出继电器吸起。

两个CPU分别不间断的对对方的输出继电器进行检查，检

查对方输出继电器状态与否为CPU输出状态，假如检查到对方

继电器状态和对方CPU输出状态不一致时，立即断开输出继电

器的电源。

电路原理如图12所示。

一旦CPU检测到下列状况，立即让输出继电器落下:

(I)两个CPU之间对同一种点的轴数计算不一致；

(2)收到室外设备故障信号;

（3）区段入口轴数和出口轴数不一致，即区段内由车占用；

（4）两个CPU通讯中断超过设定期间（30秒）;

（5）车轴还没有完全进入，不过有车轮压在车轴传感器位

置；

（6）输出继电器和监督回路检测到的不一致。

输出继电器均采用吸起接点控制背面的电路，一旦系统停电

或者线路故障时均可以导致输出继电器落下，保证断开背面的电

路，即不会误动作背面的电路，也不影响原有联锁电路的正常使

用，由此可以证明，系统是完全符合安全一故障原则的。

输出继电器输出均采用空接点方式，防止对既有联锁电路产

生影响。

站间CPU之间通讯采用MODEM,MODEM采用自己定义

协议方式传播的专用MODEM,假如采用市场上既有MODEM,

由于通讯线路质量影响或者受干扰导致通讯中断时，需要较长时

间的握手信号，由于计轴系统是一种实时采集系统，会常常导致

系统通讯不正常。

MODEM采用软硬件滤波相结合的方式，防止线路的干扰影

响系统的正常工作。

速率可以通过拨码开关进行设定，最高可以调整到9600bps,

由于CPU之间传播数据较少，为了增长系统的稳定可靠性，

MODEM之间通讯速率采用3OObpso

为了适应铁路的后来发展，通信方式可以多种方式，系统预

留光缆接口，可以根据不一样的传播介质，选择不一样的传播方

式。

机柜采用欧标机柜,尺寸为：700X600X1600mmo

每个CPU最多可以采集5个计轴点的信息，每个机柜中最

多可以采集20个计轴点的信息，根据不一样的状况，可以检测

不一样的区段数量。

系统采用积木式构造，需要检查多少个区段就配置对应数量

的设备。

3.2.2控制台设备

控制台设备由液晶轴数显示屏（简称液晶轴显）、区段停用

开关和复位按钮构成。

液晶轴显：显示每个计轴点的车轴数，每个区段的占用/空

闲状态。每个点的计轴数范围为±4095轴。

为了以便观测每个计轴点车轴数，轴显部分采用液晶显示方

式，将安装有计轴点的站场图画出来，每个安装计轴点的位置，

不停的刷新显示该计轴点的车轴数，当区段内车轴数不为0,即

有车占用区段时，对应区段显示红光带，如图13所示。

图13

当车出清区段时位，红光带消失，为了便于观测通过计轴点

的车轴数量，区段出清后车轴数保留30秒，如图14所示。

图14

30秒后自动将车轴数置零，如图15所示。

图15

为了防止系统故障时影响原有联锁电路的使用，在控制台上

设置区段停用开关，每个区段对应一种，当区段停用开关按下时,

对应的灯点亮，并且计轴系统空接点被封连，跨过整个计轴系统,

保证停用计轴系统。

复零按钮：在某些条件下，经人工确认区段空闲，不过计轴

系统显示红光带时，可以按下对应区段的复零按钮，按钮灯亮起,

对应的区段计轴数复位清零，该区段显示轴数为0,以便使区段

恢复正常工作。

区段停用开关和复零按钮均设铅封，防止人为的误操作该系

统。

3.3传播电缆

3.3.1站内传播电缆

1）机械室到信息处理单元连接电缆

机械室到信息处理单元之间的连接电缆采用计轴综合电缆

（或非加感通信屏蔽电缆）。

计轴综合电缆一般为4芯组、屏液、铠装绝缘护套电缆，它

包括低频通信组和信号组。低频通信组用来传播数据信息；信号

组用来传播电源。

为了防止电源对信息的干扰，电源和数据信息不得使用同一

种绕组。

计轴专用电缆电气性能如下表：

低频通信4线组电器性能：

序号项目单位指标

1导电芯线直流电组（20℃）Q/KmW28.5

2工作线对导体电阻不平衡%1

3工作电容0.8〜l.OKHznF/Km<27

绝缘电阻

4每根芯线对其他芯线（与屏蔽及金属套连MQ.Km210000

接）

5绝缘介质强度50Hz2min

5.1所有芯线连在一起对屏蔽与金属套V1800

5.2芯对芯1000

6电容耦合系数0.8〜l.OKHz

6.1K1最大值W300

pF/Km

6.2K9-K12平均值<168

最大值W472

对地电容不平衡0.8~l.OKHz

7pF/KmW800

ei,e2最大值

信号单线、对线组及四线组电气性能:

序号项目单位指标

1导电芯线直流电组（20℃）Q/KmW23.5

2工作线对导体电阻不平衡%2

3工作电容0.8~l.OKHz

3.1四线组工作电容W50

nF/Km

3.2对线组工作电容W70

3.3任一芯线对连接到地的其他线芯间电容<100

绝缘电阻

4每根芯线对其他芯线（与屏蔽及金属套连MC.Km23000

接）

5绝缘介质强度50Hz2min

5.1所有芯线连在一起对屏蔽与金属套V1800

5.2芯对芯1000

6电容耦合系数0.8~l.OKHz

6.1K1平均值<100

最大值pF/5()()mW33O

6.2K9〜K12平均值<120

最大值W23O

对地电容不平衡0.8~l.OKHz

7eai,ea2平均值pF/500mW33O

最大值W1300

电缆理想屏蔽系数铝护套型

8—W01

综合护套型W08

2）机械室到运转室控制台连接电缆

轴数显示屏电源由机柜内电源层提供，使用2芯电缆。

CPU送来的数据采用485通讯，需要2芯对绞屏蔽电缆。

由于每个区段对应一种区段停用开关和一-种计轴复零按钮,

每个区段对应2芯开关信号和2芯复位信号线。开关信号线和复

位信号线采用一般电缆即可。

其中电源线、数据线、复位信号线不得使用同一种绕组。

3.3.2站间传播电缆

站间通讯根据各地实际状况不一样样，采用不一样的通讯介

质和通讯手段，可以采用专线MODEM,也可以使用光MODEM,

专线MODEM采用屏蔽双绞线，光MODEM采用光缆。

4系统重要特点

（1）车轴传感器既鉴幅，又鉴相，提高系统的可靠性和抗

干扰能力。

（2）系统符合故障一安全原则。

（2）适应车速高，当车轮直径不小于350mm时、可以适应

500km/h的列车速度。

（3）可以自动记录每天所通过车辆数量。

（4）可以自动计算出通过传感器的车速。

（5）软、硬件均采用模块化积木式构造，根据现场需求，

灵活配置。

（6）可以进行自诊断故障，提供报警功能。

（7）室内采用整体机柜。

（8）轴数显示屏采用液晶方式，将站场图直接显示出来,

即可以显示每一种不一样位置的轴数，又可以显示红

光带，一目了然。

(9)每组CPU可支持5个计轴点。

(10)对于区间：系统采集JGJ和WGJ条件，采用容错结

合电路；

对于站内：采集相邻区段轨道继电器条件，处理±1轴

问题。

(11)可合用于43kg/m、50kg/m>60kg/m等多种型号钢轨。

5重要技术参数

(1)温度范围：室外设备：-40℃〜+85℃

室内设备：-10℃~+45℃

(2)相对湿度：不不小于95%(25℃时)

(3)海拔高度：不不小于4000米

(4)输入电源：-220±20%

输入功率：1.5KVA

输入频率：50±1Hz

(5)计轴容量：±4096轴

(6)可靠性：对的计轴平均数不不不小于109轴

(7)平均无端障时间(MTBF)：不不不小于200天

(8)站间传播距离：20km

(9)室内外设备传播距离：3Km,不小于3Km时可以增长

中继

6东双桥车站使用系统简介

东双桥车站共检测了两个区段，现场安装了5个计轴点，如

图16所示。

第一种区段为2・24DG,共有两个入口和两个出口。

第二个区段为26DG,有一种土挡，相称于一种入口和一种

出口，由于土当处不也许有车进出，土挡处可以不安装，这样可

以节省一种计轴点的设备。

对于2-24DG和26DG的交接点处d点既是2-24DG的入口，

又是26DG的出口，可以复用一种计轴点，节省计轴设备，不过

也存在缺陷：由于当两者的某一种区段出现故障，需要清零时，

必须保证，此外一种区段没有车占用。例如，当2-24DG故障时，,

按下2.24DG区段清零后，假如直接清零，则e计轴点的车轴数

变为零，不过假如此时26DG有车占用，则势必不能将e点置零。

因此需要人工清零时，必须确认两个区段内均没有车占用。

对于2-24DG,计算措施如下：

a点轴数+b点轴数=c点轴数+d点轴数，则2-24DG区段内

肯定没有车。举例如下：

从a点进入2-24DG100个车轴。状况分别如下：

1从c点出去

（1）当车没有出清时，假如出去80个车轴时

a+b=100+0=100

c+d=80+0=90

a+bWc+d,则阐明2・24DG区段内肯定尚有车轴，

没有出清，区段仍被占月。

（2）当车出清时

a+b=100+0=100

c+d=100+0=100

a+b=c+d,则阐明2-24DG区段内肯定没有车轴，区

段没有被占用。

2从d点出去

（1）当车没有出清时，假如出去80个车轴时

a+b=100+0=100

c+d=0+80=80

a+bWc+d,则阐明2-24DG区段内肯定尚有车轴，

没有出清，区段仍被占用。

(