陈利东

道岔设备是保障行车安全的重要基础设备之一。我国自行研制的道岔外锁闭机构结构简单、锁闭可靠，已在普速和高速铁路上广泛应用。目前，在进行解锁、转换、锁闭动作时，道岔外锁闭结构中配置的锁钩与锁闭铁、锁钩与锁杆，以及锁钩与销轴之间相对运动产生的高负载摩擦副（见图1），需依靠良好的润滑来减少摩擦阻力，如果润滑不到位，将会发生道岔转换不到位的故障［1-2］。

图1 外锁闭摩擦副示意

1 现状分析

摩擦副的润滑工作通常采用人工现场巡视、手动涂油的方式，每周在道岔外锁闭各部位至少涂油2 次，如果在雨后则需要尽快补充润滑油。随着铁路运力的提升，列车开行愈加密集，“天窗短、上道难、任务重”成为道岔维护过程中越来越突出的问题。为解决维护与运营的矛盾，提出了一种可远程控制的道岔自动注油系统（简称“注油系统”），实现对道岔全自动注油，并具备监测、反馈、报警等功能，以提高设备运用质量和工作效率，满足铁路设备日益繁重的维护任务需求［3-4］。

2 需求分析

为实现道岔由自动注油代替人工注油，道岔自动注油系统需完全遵循铁路信号系统设计原则，做到与行车相关的信号系统无关联，注油设备与被润滑设备之间无电气关联，任何情况下不能影响其他信号设备的正常工作；要具有抗雷电及电气化铁路电磁干扰的能力，位于轨旁的设备能够适应铁路沿线常年潮湿、多雨、多风的气候条件，并稳定工作［5-6］；具备故障自诊断和远程维护功能，可以满足无人值守的要求；应提供口令验证、加密、权限控制等有效的安全保密机制；应与道岔缺口监测系统、信号集中监测系统接口，将注油系统的监测信息纳入集中监测系统；预留接口条件和扩展功能，能在不同操作系统和平台上移植［7-10］。

3 系统架构

3.1 硬件架构

注油系统硬件架构见图2，主要由信号机械室内的主机柜（可与道岔缺口监测系统复用）、室外数据传输单元，以及道岔牵引点外锁闭附近的注油分机及配套管件、卡具等组成。道岔每处牵引点对应1 台注油分机，注油分机内置控制模块，可对油压、油量、油温等数据进行预处理和缓存，同时控制机电部件注油或加热操作，并与数据传输单元建立连接以交换数据。每台注油分机可对单个牵引点定/反位的锁闭框及钩头销轴进行注油润滑。各台注油分机之间采用总线形式接入数据传输单元。注油系统从道岔缺口监测系统或信号集中监测系统RJ-45 接口获取定/反位信息，实现在道岔锁闭位置精准注油。当无接口条件时，还可从室内组合架采用开口互感器形式采集道岔定/反位信息。

图2 系统硬件架构

3.1.1主机柜

注油系统主机柜设置在信号微机室内。当注油系统与道岔缺口监测系统合并上线时，主机柜可安装在道岔缺口监测系统机柜内，主要包括工控机、通信主机、系统电源端子及防雷等设备。工控机与通信主机采用网线连接，通信主机经过防雷器防护后（如为2 线模式，还需增加载波模块），与各路室外数据传输单元箱通过信号电缆的备用芯线连接。当注油系统单独上线时，因带宽需求较低，主机与注油分机之间无需设置数据传输单元，采用2芯线贯通即可。

3.1.2注油分机

注油分机是注油系统的核心部件，安装在牵引点附近，通过油管与外锁闭结构上的注油嘴连接。注油分机主要分为负责通信与控制的注油装置和负责机电执行的注油器2部分，见图3。

图3 注油分机

1）注油装置。具备独立的IP 地址，可以满足定点控制需求。该装置接收上一级（主机→数据传输单元→注油装置）传输过来的注油指令，并完成注油操作，同时采集注油器内的油位、油压和油温数据信息，上传给上一级设备进行处理（注油装置→数据传输单元→主机）。注油装置自带按键和LED 显示，可以满足现场数据检查、人工手动注油的维护作业操作需求。

2）注油器。作为负责执行注油动作的机电元件，注油器主要包括贮油罐、电机、油泵、滤清器、分配器（包含流量调节螺母）、电磁阀、油位传感器、油温传感器、油压传感器、油标尺、安全阀、单向阀、加热器（寒冷地区配置）、外壳、油路等器件，每台注油器可以对1组外锁闭装置的4个注油点进行注油，每个注油点的注油量可以通过流量调节螺母单独进行调节，满足个性化需求。

3.1.3数据传输单元箱

该单元箱仅当注油系统与道岔缺口监测系统合并上线时使用（见图4），用于提高注油分机、缺口监测分机至室内上位机之间的传输带宽。多台数据传输单元箱与室内通信主机构成系统传输的主干网络，数据传输单元箱与安装于七方向盒下属的各台注油分机和缺口监测分机构成总线型高带宽局域网。

图4 数据传输单元箱

3.1.4注油管路及附件

注油管路及附件主要包含注油嘴、注油油管、油管接头、防护管、固定油管和防护管的支架等。注油油管采用与电液转辙机输油管同级别的耐低温细径液压管。

3.2 软件架构

注油系统采用C/S 架构，由上位机系统作为服务器，与各个注油分机内的控制模块（客户端）进行任务和信息交互。控制模块接收注油指令后，驱动相关继电器及电磁阀执行注油操作，并将执行结果及所采集的相关状态信息，向上位机进行反馈。注油系统上位机软件从信号集中监测或道岔缺口监测系统中获取每组道岔的定/反位状态，支持网口和串口通信；从注油分机获取注油机的油量、油温、油压等模拟量信息及故障信息，并向注油机发送注油、加热等控制命令。数据流向原理见图5。系统软件包括系统参数、注油控制、故障/告警、日志、站场图、网络拓扑图等功能模块。

图5 数据流向原理

1）系统参数模块。提供系统参数配置、设备信息查看、“天窗”管理、用户管理等功能，用来配置系统是否支持加热，是否启用自动注油，是否启动计划注油。配置油温上/下限、油压上/下限、油量下限、最大注油时长等，选择定/反位通信协议；显示注油机的道岔号、IP 地址，修改定/反位采集设备的通信参数、增加/修改关键部件等信息；增加新的“天窗”点，在“天窗”期间，站机软件不记录告警和故障信息。

2）注油控制模块。提供计划注油、人工注油、自动注油3 种方式；提供人工启动/停止加热功能；提供查看注油机实时数据，查询注油记录等功能。控制模块面向的对象包括全部注油机、单组道岔的油机、单台注油机3 种，在执行全站自动注油时，控制模块按内部逻辑，控制各台注油分机按时序启动，将系统总功率维持在较低水平。

3）告警/故障模块。提供实时显示告警/故障信息和查询一年内告警/故障信息功能。实时显示的告警内容包括油量超限、油压超限、油温超限等；实时显示的故障内容包括油温传感器故障、定/反位电磁阀故障、通信中断等。查询告警/故障信息支持按注油机、开始时间、结束时间的条件过滤功能。

4）日志模块。提供记录用户操作行为、系统运行行为、日志查询等功能。可记录用户修改系统参数、设备信息、“天窗”管理、用户信息、自动注油配置、计划注油配置等用户操作行为，以及系统的加热行为和异常行为等。

5）站场图模块。提供整个站场全局道岔、注油机信息图。

6）网络拓扑图模块。显示整个站场全部注油机的网络通信拓扑图，实时显示每台分机的通信状态。

4 工作原理及流程

注油系统采用传感器技术、宽带数据传输技术，以及油路控制技术，实现对道岔润滑点进行注油控制、加热控制，对油量、油压和油温进行采集监测。依据相关规则和现场环境设置注油策略，并结合注油记录查询，掌握各个注油器的油量变化趋势。

注油系统采用电力载波技术进行总线组网，将采集的注油器状态以及相关传感器采集的信息等，通过TCP/IP 协议传输到室内主机，供系统分析、处理、存储，以及供维修人员查询和应用。系统工作流程如下。

Step 1主机软件系统分解注油计划或接收人工指令。

Step 2向注油分机下发工作指令。

Step 3注油分机通过驱动电路控制电机运转，带动油泵泵油。

Step 4根据道岔缺口监测主机得到的外锁闭位置信息，得出相对应的电磁阀道岔缺口。

Step 5油路导通，润滑油通过内部油路及外部油管向相应位置注油。

Step 6运行时间结束，切断电源。

Step 7同时控制主机端收到液压传感器、温度传感器、油位传感器等返回的监测信息，监测注油分机状态。

Step 8当电磁阀未打开或油路阻塞时，安全阀打开，使油泵上的润滑油流回油箱。

5 主要功能

1）注油功能。分为自动注油、计划注油和人工注油3 种方式。为了获取最佳的注油效果，系统根据从信号集中监测或道岔缺口监测系统获取到的道岔定/反位信息，选择道岔在定/反位状态时，对锁闭侧注油，以便对摩擦副达到最佳的润滑效果。

2）分时注油。为避免同一线路上多个注油器同时加油，导致线路电能功耗过大，注油系统能够通过内部逻辑，自动控制同一路外线连接的注油装置依次顺序工作，避免对电源屏造成负荷冲击，保证了使用安全。

3）加热功能。为了适应严寒地区使用环境，注油器设计了加热装置，可以在需要时对润滑油加热（人工控制或者自动控制），以保证设备稳定工作。

4）油压、注油量调节。在现场通过调整溢流阀压力（出厂设定是1MPa 油压），实现油压调整，从而控制出油速率；还可根据季节、环境变化、人工控量等大数据深度学习进行智能调节。

5）油位、油温监测。注油分机自带油位及油温监测功能，注油系统通过软件既能在室内显示各注油器内的剩余油量，还能在现场通过观察油标尺及数码显示屏查看油量。当存油量少于设定门限时自动报警。油温监测功能与加热功能形成闭环，当油温超过预设门限时，注油分机停止对润滑油加热。

6）模拟量报警。当注油系统监测到注油器内油箱存油量、油温、注油压力超限时，可以给出报警信息，提示维护人员及时注油。

7）注油记录查询。监测站机下发的每次注油动作，注油系统都会保存命令执行情况，注油记录保存1 年。用户通过查看注油记录，可以了解每台注油机对应的外锁闭道岔的油润情况，并根据注油记录来优化注油计划。

8）故障自诊断功能。注油分机故障时，显示“通信中断”；电磁阀工作故障时，无法返回注油成功信息，提示“注油不成功”；电机或油泵故障或者油路泄漏时，油压报警；显示油温传感器故障等。

9）网络拓扑功能。采用直观易懂的拓扑图结构，显示本站注油分机的在线状态。

10）设备管理。注油分机通过IP 地址进行区分，并对应站内各个外锁闭道岔，可远程对注油分机控制程序进行升级及复位操作，并设计了“天窗”管理功能。

6 关键技术

6.1 电力载波(PLC)传输技术

注油系统根据现场电缆特点以及与道岔缺口监测系统的结合关系，创新应用了2 种基于1 对芯线的PLC 传输技术：①独立实施，采用长距离、低带宽的PLC 传输技术；②结合道岔缺口监测系统，采用长距离、高带宽的PLC传输技术。

1）长距离、低带宽PLC 传输技术（无中继）。最远传输距离可达10 km，理论传输速率可达300 kb/s，从机械室至注油机之间采用1 对总线型线缆贯穿即可。由室内机柜至各注油分机之间的贯通电缆可能有若干条，可以将若干对干线电缆在室内分线盘并联后，接到载波模块的室内端，每32台室外注油分机需划分为一个子网。经实测，在无中继条件下，该载波方案传输距离可达7 km，带宽实测≥100 kb/s，完全满足注油系统独立建设时，主机与注油分机之间的通信数据速率需求，且减少了施工工作量。

2）长距离、高带宽PLC 传输技术（有中继）。与道岔缺口监测系统合建，仍然基于1 对电力芯线，需在主干电缆第1 个方向盒处设置中继设备，由室内主机柜经由1 对电缆，与中继设备建立点对点高带宽连接；中继设备经由备用芯线，与各牵引点附近的注油分机建立总线型高带宽局域网。该传输模式的下行带宽可达3.5 Mb/s，上行带宽可达2 Mb/s，传输距离可达5 km。

6.2 轮巡启动注油技术

注油分机待机功率为5 W，启动瞬时功率为90 W，如多台注油分机同时动作，可能对传输电缆和电源屏造成负荷冲击，影响系统的稳定性，为此设定轮巡启动逻辑。在收到批量注油命令时，采取限制策略，轮巡执行注油任务队列中的任务，同一时间内最大允许3 台注油分机启动，每完成1 处可补充1处新注油任务，充分降低功耗。

6.3 油路完整性自检技术

采用压力传感器检测注油回路的油压，通过算法及经验数据，可以对注油回路的泄漏情况、部件工作正常与否等进行检查，发现潜在问题，及时提示人工检查维修确认，保证注油功能得到有效实施。

6.4 分路控制输出技术

采用独特的液压电磁伺服机构，在一个注油器内部采用4 个可控注油输出口，且每个注油输出口能独立控制，以实现分时控制输出，可以满足4 处不同频次及油量的润滑需求。另外，由于安装位置限制，钢轨两侧的注油点油路传输管道长度不一致，油路传输管道内部的传输阻力也不一致，因此在这种情况下，4 个通道分时独立控制就可以满足不同阻力情况下的注油需求，实现最优润滑效果。

6.5 道岔转换系统注油装置

根据实际需求选择输出控制模块的安装数量，实现道岔滑床板、外锁、转辙机动作杆、表示杆各个部位的分别注油，每一注油点的注油量、注油时长、注油频次均可调节，方便现场随时调整。

6.6 喷油阀结构注油

注油装置工作时，利用喷油阀结构排出的润滑油可顺利喷注到道岔的滑床板部位，实现道岔滑床板部位的自动注油润滑；而且调向帽可以360°旋转，通过调整油液出口朝向，以匹配不同部位、不同开口大小的滑床板部位。

6.7 液位监测装置

采用一种集识别迅速、测量准确、不挑油品等特点于一体的液位监测装置，对自动注油机的液位进行实时采集，并上传到监测站机，从而使工作人员可以在室内即可获取到注油分机的油量信息，提醒工作人员及时加注润滑油。

6.8 状态智能监测技术

采取智能监测技术对设备进行工作状态监测，出现异常报警提示维护，既可提高设备的可用性，又降低了设备的维护工作量。

6.9 现场总线及网络管理技术

采用现场总线及网络管理技术，实现了对室外各注油分机集中管理与测控，以达到自动注油、计划注油、人工注油、分时注油、精准注油等目的。

7 结束语

远程操控式道岔自动注油系统自2020 年在郑州东动车所上道运用以来，不受恶劣天气和环境低温影响，可对道岔自动执行注油，在行车期间仍能保证对道岔及时注油润滑，既降低了道岔转换不良风险，又降低了人员劳动工作量和人身安全风险，延长了道岔的使用寿命，提高了“天窗”的利用率和道岔维护的现代化水平。该系统2021 年通过了郑州局集团公司的科研评审，正在逐步推广运用。