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1、 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研宄成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 宂 成果 也不句 .含获 兰州交通大学 或其他教有机构的学位或证书 M 使用过的材料。与 我 - 同工 作 的同志 对 本研究 所 做的任 何 贡献均 己 在论文 中 作了明 确 的说明 并 表示了 谢 意 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 兰州交通大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 兰州夺通太学 可以将学位论文 的全部或部分内容编入冇关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供査阅和
2、借阅。同 意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适叫本授权说明） 硕 士 学 位 论 文 新型道岔控制电路研宄及其可靠性安全性分析 Research on New Switch Control Circuit and Its Reliability and Safety Analysis 兰 州 交 通 大 学 Lanzhou Jiaotong University 兰州交 通 大学硕士学 位 论 文 摘 要 道岔控制电路用于来控制道岔，其可靠性安全性高低对行车效率和运输安全影响重 大 1 。目前我国铁路上使用的道岔控制电路根据转辙机类型大体分为三种：一
3、是用于直 流 转辙机的四线制控制电路，二是用于直流转辙机的六线制控制电路，三是用于三相交 流 转辙机的五线制电路。这几种道岔控制电路经过长期使用，发现存在以下几个问题： 首 先，道岔位置表示只通过表示二极管的极性确定，略显简单，在某些特定条件下，外 电 路可形成二极管特性，造成 “ 虚假 ” 表示，影响系统的安全性；其次，这三种道岔控 制 电路没有匹配的防雷电路，容易因雷电产生故障；最后，这几种道岔控制电路都属于 继 电器联锁范畴，该系统配线复杂，此外，继电器由于工艺材质等原因故障频发，使得 道 岔控制电路的可靠性不高。上述问题严重影响着既有道岔控制电路的可靠性与安全 性， 然而道岔控制电路在
4、铁道信号控制领域中恰恰是技术要求最高、故障防护能力最强 的。 本文正是在这种背景下开展了对新型 道岔控制电路一一全电子道岔电路的研宄。 论文 主 要完成了以 下 工作 ： 详细 分 析了五线制 道 岔控制电路 的 故障 ， 总结 出 五线 制 道 岔控制 电 路存在的问题， 并 在此基础上综 合 运 用 FMEA 和故障 树 分析方法对其性 能 进 行 定量分析； 论 文对西门 子 S1 Wes2 道岔控制系 统 的组成及工作原理进 行 了较详细的 描 述 ， 并 以 此为 依 据提出 了 一些 方 法来 解 决五线 制 道岔 控 制电 路 存在的 问 题； 论 文在 充 分 分 析 全 电
5、子道 岔 电路功 能 需求 和 性能 需 求的基 础 上， 采 用可 靠 性高的 电 力电 子 开关 等 元 器 件 代替 继 电器，并采 取 多种故障 -设计 措 施设计出全 电 子道岔电路 ； 论文以元器 件 失 效率 等 基础数 据 为依据 ， 利 用 Markov 模型计 算 了全电子道岔电 路 的可靠性 ， 利用硬 件 失效概 率 评 估 方法 对 道岔电 子 电路 的 安全 性 进行定 量 分析 ； 最后 ， 按照 铁 道信 号 电 气 设 备 电 磁 兼容 性 试验及其限 值 对全电子 道 岔电路进行 了 静电测试， 输 入 /输出 线 的 电 快速 脉 冲 测 试以 及 防雷测
6、试， 测 试结果表明 全 电子道岔电 路 的电磁兼容 水 平能够达到 规 定的 水 平 。 全电子道岔电路综合运用了电力电子开关技术、通信技术、计算机技术等。该电路 具 有占用面积小、实现功能多、无维修少维护、短路自动保护报警等优点。因而，全电 子 道岔电路具有较高的可靠性与安全性，它能够提高列车的运输效率，更好的保证列车 运 行安全，符合未来我国铁路事业对信号系统的需求。 关键词：道岔控制电路；全电子道岔电路；可靠性；安全性； 论文类型：应用研究 兰州交 通 大学硕士学 位 论 文 Abstract Switch control circuit is used to control the
7、turnout .Its reliability and safety have a great impact on the efficiency and safety of train operation. Currently in our country, the switch control circuit can be divided into three types according to switch machine: the first one is the four-wire circuit to control DC switch machine; the second o
8、ne is six-wire circuit applied to control DC switch machine; the last one is the five-wire circuit for 3-phase AC switch machines. After been used for a long time, All this three types of switch control circuit have questions as following: firstly, indication of switch position is determined only by
9、 means of the polarity of the diode, which is a bit simple. Therefore, under certain conditions, the outside circuit can form the diode characteristics resulting to a false indication of switch position, affecting the security of train operation; Secondly, these three turnout control circuits do not
10、 have a matching lightning protection, so the whole system always gets fault caused by lightning strikes; Last, these control circuits belong to the relay interlocking system which makes switch control circuit frequently fail because of its complicating match wiring and relays of low reliability due
11、 to their making process materiel and other reasons. Questions above greatly affects the reliability of switch control circuit, but the switch control circuit is required to have the the highest technical requirements and the strongest fault protection in the field of railway signal control. In this
12、 background, this paper begins the research for new turnout control circuit-the fully electronic switch circuit. This paper completes works as followings: Papers analyses failure modes and reasons of five-wire control circuit, summarizes its existing problems, and comprehensively uses FMEA and fault
13、 tree analysis method to do quantitative analysis of its performance on above basics. Papers describes the composition and work principle of the control system of Siemens Siwes2 , and puts forward a solution to problems of five -wire control switch circuit on the basic of its characteristics. On the
14、 foundation of the full analysis of the functional requirements and performance requirements of switch electronic circuit, fully electronic switch circuit is designed which uses the high reliability components as power electronic switches instead of electrical relays and multiple failure to safety m
15、easures. This paper uses the Markov model to calculate the reliability of switch electronic circuit according to The component failure rate and other basic data ;on the other hand, hardware failure probability assessment method is applied to determine security quantitate of switch electronic circuit
16、. Finally, according to the Railway Signal electromagnetic compatibility testing of electrical equipment and its limits,it does the static electricity test , electricity fast pulse test on input and output lines and lightning protection test on switch electronic circuit results. The result 新型道 岔 控制电
17、路研 究 及其可靠性 安 全性分 析 shows that the electromagnetic compatibility of switch electronic circuit can achieve the required level. Fully electronic switch circuit integrates technologies as power electronics technology, communication technology, computer technology and other technologies.lt has advantages
18、 alike small footprint , no maintenance or less maintenance, automatic protection and automatic alarm when circuit is short. The fully electronic switch circuit is being of high reliability and safety , and it can improve the efficiency of train operation, and better ensure safety . The fully electr
19、onic switch circuit is able to meet future demands for signal system of Chinas railway. Key Words: switch control circuit; full electronic switch circuit; reliability;safety; 兰州交 通 大学硕士学 位 论 文 目 录 W . I Abstract . II 1 绪论 . -1- 1.1 选题的背景及意义 .-1- 1.2 选题的国内外发展概况 .-1- 1.2.1 国内道岔控制电路发展概况 . -1- 1.2.2 国外道
20、岔控制电路发展概况 .-3- 1.3 课题主要内容及章节安排 . -3- 2 既有道岔控制电路 . -5- 2.1 五线制道岔控制电路组成 . -5- 2.2 五线制道岔控制电路工作原理 .-7- 2.2.1 道岔启动电路 . -7- 2.2.2 道岔表示电路原理 .-8- 2.3 五线道岔控制电路故障分析 . -9- 2.3.1 室内控制电路故障 .-9- 2.3.2 控制电路电缆线路故障 . -9- 2.3.3 室外电路故障 . -9- 2.3.4 三相电源故障 . -10- 2.4 道岔控制电路性能分析 . -10- 2.4.1 FMEA 分析 . -10- 2.4.2 故障树分析 .
21、-12- 2.5 Siwes2 道岔控制系统 .-15 - 2.5.1 Siwes2 道岔控制系统组成 .-15 - 2.5.2 Siwes2 道岔控制系统工作原理 . -16- 2.5.3 Siwes2 道岔控制系统特点 . -19- 2.6 会吉 i 仑 . -19- 2.6.1 定性分析结论 . -19- 2.6.2 定量分析结论 . -20- 3 新型道岔控制电路 .-21 - 3.1 全电子道岔电路需求分析 . -21- 3.1.1 功能需求分析 . -21 - 新型道 岔 控制电路研 宄 及其可靠性 安 全性分 析 3.1.2 性能需求分析 . -22- 3.2 道岔控制电路整体方
22、案设计 . -22- 1.3 表 7K 电路 . -23- 3.3.1 表示信号采集电路模型设计 . -23- 3.3.2 工作原理 .-24- 3.4 动作电路 .-24- 3.4.1 动作电路模型设计 . -24- 3.4.2 工作原理 .-25 - 3.5 软件设计 .-26- 3.5.1 软件功能设计 . -26- 3.5.2 软件流程设计 . -26- 3.6 可靠性与安全性保障 .-27- 4 新型道岔控制电路可靠性和安全性 .-31 - 4.1 可靠性分析 .-31- 4.1.1 可靠性框图 . -31- 4.1.2 可靠性计算 . -32- 4.1.3 可修复时间 . -38-
23、 4.2 安全性计算 .-38- 4.2.1 子系统划分 . -39- 4.2.2 传感器子系统安全性计算 . -40- 4.2.3 道岔控制模块安全性计算 . -41- 4.3 本章小节 .-42- 5 新型道岔控制电路电磁兼容性测试 .-43 - 5.1 静电测试 .-43- 5.1.1 试验等级 .-43- 5.1.2 试验方法及结果 . -43- 5.2 电快速脉冲测试 . -44- 5.2.1 试验等级 .-44- 5.2.2 试验电路 .-44- 5.2.3 试验方法及结果 . -44- 5.3 防雷测试 .-45- 5.3.1 防雷测试电路 . -45- 兰州交 通 大学硕士学
24、位 论 文 5.3.2 测试方法及结果 .-45- 5.4 本章小节 . -47- 6.-49- 至夂 i 射 . -50- 参 考 文 献 . -51 - 攻读学位期间的研宄成果 .-53- 兰州交 通 大学硕士学 位 论 文 1 绪论 1.1 选题的背景及意义 随着我国铁路事业的蓬勃发展，列车运行速度越来越快，运输载重越来越大，这对 铁 路的信号设备，尤其对道岔控制电路的要求越来越高。道岔控制电路是安全相关设备， 它 不仅得保证行车的高效率，而且要保证行车安全，其可靠性与安全性的高低直接影响 着 运输安全和铁路运输效率的高低。 目前在铁路上使用的道岔控制电路根据控制的转辙机的不同大体分为三种：四线制 直流转辙机（如 ZD6-D 型）、六线制直流转辙机（如 ZD6-E/J)和五线制交流转辙机（如 S700K、 ZYJ-7 等）。这些道岔控制电路都属于电气集中联锁系统，它是一种用继电器 来 实现自动控制的系统，在我国铁路发展的长河中扮演着重要的角色，而且直到现在还 在 许多车站上发挥着重要作用。后来，计算机技术的发展使得计算机联锁系统得以实现， 并 得到很大程度的推广使用。但是由于受到一些技术与安全方面因素的制约，计算机联 锁 系统的道岔控制功能还是得靠继电器组合来实现控制。实践证明，继电器组成的道岔