整体梁型跨座式单轨道岔电控系统的设计研究

李琦

摘 要：道岔是跨座式单轨系统的三大关键技术之一，道岔电控系统的可靠性和安全性对整个道岔起着至关重要的作用。本文在对整体梁型跨座式单轨道岔的结构及工作原理进行简单介绍的基础上对道岔电控系统的设计研究进行了阐述。本次设计研发使用了道岔故障在线诊断系统，实现了道岔各关键部件从计划性到状态修的突破。增设了在人工驾驶模式下的道岔的位置与锁闭信息自检功能，安全性得到了大幅度的提升。在电控系统设计研究的过程中，首先选用高精度的伺服系统作为驱动装置的控制方式。但在调试阶段发现，该方案不能精准地控制道岔梁活动端在每次转辙后的位置。通过现场的不断试验，将控制点从驱动装置改为终端。即在设计中增设道岔梁在终端处控制点（梁减速传感器和梁到位传感器）。较好地解决了闭环伺服方案在试验中所发现的问题。并在实际项目中得到了良好的应用，有一定的推广价值。

关键词：跨座式单轨道岔;电控系统;故障在线诊断

中图分类号：U213.6 文献标识码：A

1 整体梁型跨座式单轨道岔的结构及工作原理

跨座式单轨道岔从结构形式上可分为节段梁型和整体梁型两种，其中节段梁型道岔已应用在重庆跨座式单轨交通系统中。整体梁型道岔又可分为枢轴型和换梁型两类，此类型道岔将应用在芜湖跨座式单轨交通系统中。以整体梁型道岔为例，道岔主要由道岔梁、转辙驱动装置、锁定装置、台车、尾轴、底板、轨道以及电气控制系统等部分组成。

其工作原理为：在集中控制模式下，当道岔收到转辙信号后，锁定装置的电动推杆带动锁销收回。当道岔解锁后，驱动装置的电动推杆驱动道岔梁转动。当道岔转辙到位后，锁定装置的电动推杆带动锁销伸出，此时道岔锁定在给定位置的信息传至中控室，允许车辆正常通车。

2 电控系统概述

道岔电控系统包括驱动控制、锁销控制、状态检测及手动操作等，它负责对道岔各部件进行控制和监测，即按照信号系统发出的转动指令，完成道岔的锁销解锁、道岔梁转动、锁销锁定、检测等作业，并将道岔的状态信息实时反馈给信号系统，保证道岔系统能够安全、高效地运行。

本次设计的道岔电控系统研发使用了故障在线诊断系统，智能化水平大幅度提升。并增设了在人工驾驶模式下的道岔的位置及锁闭信息自检功能，极大提升了系统的安全性及可靠性。电控系统的程序编制采用模块化编程思路，一套程序适用于不同类型的换梁型及枢轴型道岔，效率更高、可维护性更好。系统支持RS485、MODBUS以及TCP/IP等多种通讯协议，系统兼容性更好。在道岔控制柜内设人机交互式触摸屏，人机界面更加友好，可扩展性更强。

道岔的控制方式分为集中控制、本地控制以及手动控制三种模式，有且仅有一种控制方式有效。道岔电控系统的逻辑流程图如图1所示。

3 关键技术及创新点

3.1 增设了故障在线诊断系统

本次设计研究研发使用了故障在线诊断系统，通过基于神经网络的图像识别技术实现了对道岔的锁销状态，接缝板与走行面的平齐状态，推杆、连杆、驱动安装座处的螺栓状态等关键部件的智能化实时监测，实现了从计划修到状态修的突破。通过基于传感器采集技术及MFC框架平台对道岔在转辙过程中道岔梁的振动、噪声以及电机的各项参数进行归纳汇总并描绘出样条分析曲线，实现了线路所有道岔的系统化与网络化管理及道岔设备的全寿命周期管理，为智能运维的实现奠定了基础。

3.2 增设了独立的发光警示装置及标签控制单元

当信号系统失效时，列车将由全自动驾驶模式转为人工驾驶模式，在人工驾驶模式下，常规的电控设计并没有可行的有效措施确保列车通过道岔时的可靠性及安全性，存在一定的安全隐患。为了保证行车安全，提高智能化水平。本次研究设计的道岔电控系统增设了独立的发光警示装置及标签控制单元，不受信号系统的影响。

其中枢轴型道岔的发光警示装置安装于活动端固定段的走行面上，换梁型道岔的发光警示装置安装于枢轴端固定段的走行面上。发光警示装置内部由4个发光区域组成，2红2绿，其能见度不低于100 m，并以1 Hz 的频率闪烁。当道岔锁闭在列车行进方向的相应位置时，驾驶员观察到的发光警示装置为绿色，可安全通行。当道岔异常或未锁闭到位时，发光警示装置为红色，禁止通行。

标签控制单元由道岔状态分析柜、信标装置及车载设备等组成，道岔状态分析柜就近安装在道岔控制柜旁，并在距道岔端部200 m左右的位置增设信标装置。当信号系统失效，车辆在人工驾驶模式下，若道岔未锁闭在列车行进方向的规定位置，在电控系统的逻辑判断下，信标装置将触发经过此处的列车紧急制动，避免车辆冲出道岔等意外事故发生。

3.3 模块化的程序编制

在电控系统的程序编制方面采用了模块化的编程思路，较线性编程而言更简洁，逻辑性更强。在编程过程中考虑了不同类型的换梁型道岔及枢轴型道岔在控制逻辑上的共性及差异，研发出了一套综合程度较高、包容性较强的程序。一套程序即可适用于不同类型的道岔，无需为不同类型道岔上载不同的程序，降低了出错率、提高了工作效率，使后期的可維护性更便捷。

4 存在问题及改进措施

在整体梁型跨座式单轨道岔电控系统国产化设计研究的初期阶段，选用伺服系统作为驱动装置的控制方式，利用闭环伺服系统具有高精度的特性，通过伺服电机的脉冲来控制电动推杆的动作。但在调试阶段发现，这种利用闭环伺服系统的控制方式虽然精准地控制了电动推杆的运动行程，但不能精准地控制道岔梁活动端在每次转辙后的位置。以至于当道岔转辙到位后，锁销在锁闭过程中有较为明显的撞击声（锁销与锁销槽碰撞时发出的声音）。经过多次的试验后发现，在不同温度下，道岔梁活动端在每次转辙后的位置存在差异。通过研究分析后得出造成此现象的原因如下：

虽然闭环伺服系统有极高的精确度，但是驱动装置大致位于整个道岔梁的中部，加之制造误差、安装误差以及道岔在转辙过程中的一些不可控因素（例如：“旁弯”，由于道岔梁整体为箱型钢结构，且道岔的使用环境在室外，当环境温度变化时易引起道岔梁的“旁弯”，且形变不可控），即便精准地控制了驱动装置电动推杆的行程，也不能很好地控制终端处道岔梁活动端的位置。控制点不在终端导致误差在终端处被放大且不可控。

通过试验得出的结论，在设计中增设道岔梁在终端处控制点（梁减速传感器和梁到位传感器）。即将控制点从驱动装置改为终端。该方案经过多次试验后证实更符合整体梁型跨座式单轨道岔的实际工况，较好地解决了闭环伺服方案在试验中所发现的问题。

5 结论

截止目前，跨座式单轨交通系统已在我国重庆及世界多个国家建成并运营。重庆轨道交通七号线及芜湖市跨座式单轨一号线一期和二号线正在建设中。而道岔及道岔电控系统对跨座式单轨交通系统的安全、可靠性有着密切的联系。本文就整体梁型跨座式单轨道岔电控系统的设计研究做了阐述。系统增设的故障在线诊断系统、独立的发光警示装置及标签控制单元大大提升了系统的智能化水平及安全性能。并通过试验的方式发现问题，得出结论，解决问题。并在实际项目中得到了良好的应用，有一定的推广价值。

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