西安地鐵2號線車輛輪對頻繁發(fā)生擦傷的原因分析及對策探討

張興寶，陳永彪，胡立本，申 靜

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司運營分公司，陜西西安710018）

西安地鐵2號線車輛輪對頻繁發(fā)生擦傷的原因分析及對策探討

張興寶，陳永彪，胡立本，申 靜

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司運營分公司，陜西西安710018）

針對目前西安地鐵2號線車輛正線運行時走行部普遍存在周期性異響問題，現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查及下載數(shù)據(jù)分析確認(rèn)車下異響的主要原因是由于車輛牽引系統(tǒng)與空氣制動系統(tǒng)接口問題導(dǎo)致輪對擦傷、滾動圓超限等。根據(jù)現(xiàn)場實際情況制定幾種整改方案，盡快解決由于兩系統(tǒng)接口問題導(dǎo)致輪對擦傷，從根本上解決列車運行時走行部異響的問題。

西安地鐵；地鐵車輛；擦傷；滑行

目前西安地鐵2號線車輛正線運行時走行部普遍存在周期性異響，針對此問題多次組織人員正線添乘，確認(rèn)動車走行部異響數(shù)量較多，且較為嚴(yán)重，同時異響隨著速度的提高而加劇，并具有明顯的周期性。列車回庫后重點檢查異響車輛的輪對，發(fā)現(xiàn)部分車輪對有輕微擦傷、部分車輪對未發(fā)現(xiàn)有擦傷現(xiàn)象，但測量輪徑值，發(fā)現(xiàn)輪對滾動圓超限。通過查看列車運行數(shù)據(jù)，確認(rèn)列車正線運行異響的主要原因是由于車輛牽引系統(tǒng)（以下簡稱VVVF）與空氣制動系統(tǒng)（以下簡稱BECU）接口問題導(dǎo)致輪對擦傷，并且當(dāng)輪對擦傷后檢修時由于某些原因未及時發(fā)現(xiàn)，這樣隨著列車運行，輪對擦傷位置表面逐漸被磨平，擦傷痕跡消失，擦傷不容易被發(fā)現(xiàn)，久而久之輪對就呈現(xiàn)出多邊形或橢圓形。當(dāng)輪對失圓后，列車在低速運行時，異響不明顯，但隨著速度的提高，異響開始加劇。關(guān)于西安地鐵2號線車輛由于輪對擦傷導(dǎo)致的走行部周期性異響問題，對超限或擦傷輪對進(jìn)行旋修不是長久之計，需要從根本上解決輪對擦傷問題（即VVVF與BECU之間接口存在的問題）。本文從分析列車發(fā)生故障時的運行數(shù)據(jù)出發(fā)，找出兩系統(tǒng)（牽引系統(tǒng)與空氣制動系統(tǒng)）接口存在的問題并進(jìn)行分析，最后提出整改方案供參考。

1 故障現(xiàn)象

通過現(xiàn)場跟蹤，由于VVVF與BECU接口問題導(dǎo)致輪對擦傷的實例很多，有單節(jié)動車輪對擦傷的，也有全列車動車輪對擦傷的。下面僅舉單節(jié)動車輪對擦傷的例子來分析輪對擦傷的根本原因。

2011年10月26日0207車運行至敞口段（車輛段與正線隧道的過渡區(qū)域）時ATI（網(wǎng)絡(luò)控制顯示屏）報“5車速度推測異常”故障，此時VVVF停止工作。隨后司機(jī)將主控制器手柄回零復(fù)位，然后再次牽引，故障消失，逆變器開始正常工作。當(dāng)天列車運營時，正線駐站人員反映0207 5車車下有異響。列車回段后進(jìn)行日檢作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)5車8個輪對均有不同程度的擦傷。同時下載列車運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)5車當(dāng)時發(fā)生了滑行，發(fā)生故障時的具體數(shù)據(jù)見圖1（為觀察方便，只對7項重要數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示）：

7：25：02之前，列車施加B1制動，此時列車的速度為32 km/h，運行狀態(tài)良好。

7：25：02司機(jī)操作主控制器手柄由B1至B2，此時5車速度比其他車輛速度有所降低，5車發(fā)生輕微滑行，如圖1曲線6、7。

通過查看當(dāng)天列車運行時刻表，此刻列車正運行至敞口段位置，由于天氣環(huán)境關(guān)系（當(dāng)天早晨有霧）輪軌之間的黏著減小，當(dāng)進(jìn)行增加制動檔位時，此時制動力大于輪軌之間的黏著力，發(fā)生滑行。

7：25：02～7：25：13時段5車的速度一直在減小（曲線7），5車電制動防滑系統(tǒng)檢測出本車發(fā)生滑行，此時牽引系統(tǒng)通過減少5車牽引電機(jī)電流進(jìn)行調(diào)整（曲線3），5車牽引電機(jī)電流減小。

7：25：13此時5車速度變?yōu)榱悖?車輪對抱死。

7：25：13～7：25：19電制動防滑系統(tǒng)檢測到輪對抱死后，牽引系統(tǒng)急劇減少逆變器的輸出電流。當(dāng)牽引系統(tǒng)檢測5車速度為零的狀態(tài)維持6 s后，此時ATI報“5車速度推測異常”［2］，從而斷開逆變器的門極，電機(jī)電流變?yōu)榱悖辞€3。

通過曲線6確認(rèn)列車當(dāng)時速度在30 km/h左右，但5車速度變?yōu)榱恪?/p>

7：25：19之后，逆變器停止工作，牽引電機(jī)電流變?yōu)榱悖藭r電制動防滑功能失效，列車的滑行由空氣制動防滑系統(tǒng)進(jìn)行控制。

7：25：22時5車滑行恢復(fù)正常，5車的速度與其他車速保持一致。

2 問題的提出

速度推測異常的概念：西安地鐵2號線車輛牽引系統(tǒng)的控制采用無速度傳感器的矢量控制技術(shù)，逆變器控制門極開始工作6 s后，如果系統(tǒng)檢測列車速度仍然為零，此時系統(tǒng)認(rèn)為速度推測不正常，封鎖此逆變器，并在ATI報某車“速度推測異常”故障。

通過上面的數(shù)據(jù)分析，此次輪對擦傷的原因是5車發(fā)生了滑行，輪對抱死6s后導(dǎo)致牽引系統(tǒng)報“5車速度推測異常”，然后5車VVVF停止工作（自動保護(hù)）。由于當(dāng)時列車的速度為32 km/h左右，輪對抱死滑行的距離大概為53 m，導(dǎo)致5車輪對擦傷。

列車動車有電制動和空氣制動防滑控制系統(tǒng)，為何系統(tǒng)在17 s（7：25：02～7：25：19）的時間內(nèi)未將此次滑行調(diào)整過來，進(jìn)而導(dǎo)致5車輪對抱死6 s，發(fā)生此次擦輪事件呢？

3 原因分析

如圖2為VVVF與BECU之間的接口示意圖，下面首先說明電制動指令、電制動反饋指令以及電制動防滑反饋指令之間的關(guān)系：

當(dāng)列車進(jìn)行制動時，BECU接收到司機(jī)控制器發(fā)出的制動指令（減速度指令），并通過從空氣彈簧采集到車重信號綜合計算出本單元車所需要的總制動力（西安地鐵2號線是以1動1拖為一制動控制單元），然后將計算的總制動力傳給本單元車VVVF，此時VVVF進(jìn)行計算，通過電制動反饋信號將VVVF所能提供的電制動力反饋給BECU，BEUC進(jìn)行減法計算并分配空氣制動力給單元內(nèi)的兩節(jié)車。

當(dāng)列車在電制動時，如果某車發(fā)生了滑行，此時電制動防滑系統(tǒng)通過減小VVVF的輸出電流，即減小本單元車牽引電機(jī)的電流，并通過電制動防滑反饋信號線將此滑行信息反饋給BECU，從而使BECU不會因為電制動減小而補(bǔ)充空氣制動。

從圖1標(biāo)記的曲線圖看出，當(dāng)5車出現(xiàn)滑行時，5車電機(jī)電流在不斷減小，同時當(dāng)滑行加劇時，電機(jī)電流也急劇減小，但此時5車空氣制動力隨著電機(jī)電流的減小而不斷增大，從而使5車總的制動力未減小或減少的不多。通過這一現(xiàn)象推斷出5車輪對擦傷的原因是兩系統(tǒng)（牽引系統(tǒng)與空氣制動系統(tǒng)）之間的電制動防滑反饋信號出現(xiàn)問題，從而使電制動防滑系統(tǒng)在減小電機(jī)電流來進(jìn)行防滑控制時BECU未接收到電制動防滑信號而誤認(rèn)為是電制動力不足，故空氣制動系統(tǒng)根據(jù)電制動的反饋值補(bǔ)充相應(yīng)的空氣制動，導(dǎo)致總的制動力未減小，滑行未能有效控制。

就此問題和供貨商溝通，專業(yè)人員說明牽引系統(tǒng)與Nabtesco制動系統(tǒng)之間沒有電制動防滑反饋信號線，但他們在軟件上設(shè)置實現(xiàn)了和電制動防滑反饋線類似的功能，具體實現(xiàn)方法如下：

如圖3，列車在電制動時發(fā)生滑行，此時電制動防滑系統(tǒng)立刻減少逆變器輸出電流（減少電機(jī)電流），但為防止此刻BECU誤認(rèn)為是電制動力不夠而補(bǔ)充空氣制動，此時VVVF給BECU 3 s的虛擬信號（即雖然電制動力已經(jīng)減小，但VVVF反饋給BECU的電制動力仍然為減小之前的數(shù)值），此狀態(tài)維持3 s后，VVVF給BECU真實的電制動力，如果在3 s滑行仍未調(diào)整過來，繼續(xù)上面的控制，直到將此次滑行調(diào)整過來為止。

既然在軟件設(shè)計上設(shè)計了電制動防滑反饋的功能，為何會出現(xiàn)圖1的情況？日立專業(yè)人員解釋此控制方案為成熟技術(shù)，在北京地鐵、上海地鐵均有使用業(yè)績，但為何在西安地鐵出現(xiàn)此種情況，需要進(jìn)一步調(diào)查分析。

4 整改方案

此問題后續(xù)多次發(fā)生，通過對當(dāng)時的外界條件進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)輪對擦傷時都是下小雨或有霧雪天氣時在敞口段發(fā)生。就此問題廠家從2號線開始運營至今大概兩年的時間里先后制定了3種整改方案，試車線及正線進(jìn)行了十多次調(diào)試試驗，但驗證效果不明顯，問題依舊存在。廠家先后制定的具體方案如下：

方案1：將滑行時VVVF反饋給BECU虛擬電制動力的時間進(jìn)行調(diào)整

牽引廠家認(rèn)為發(fā)生此次現(xiàn)象是由于滑行時VVVF反饋給BECU虛擬電制動力的時間不合理，試車線進(jìn)行試驗，先后將此時間改為0，1.5，2，3 s，確認(rèn)1.5 s效果良好。但整改后跟蹤時問題依舊再現(xiàn)。

方案2：將“速度推測異常”［2］故障定義的時間變短

列車在運行時，當(dāng)檢測出輪對發(fā)生滑行，此時電制動防滑開始動作，如果電制動防滑未將此次防滑調(diào)整過來，導(dǎo)致輪對抱死，當(dāng)抱死持續(xù)6 s后牽引系統(tǒng)判斷為“速度推測異常”故障，并封鎖牽引，此時電制動防滑失效，空氣制動防滑開始起作用。這樣，如果將速度推測異常的時間6 s變小（例如4 s），由于發(fā)生滑行導(dǎo)致輪對抱死后，在同等的條件下可以減少輪對抱死滑行的時間，從而可以減小列車的滑行距離，進(jìn)而減小輪對的擦傷程度。

此方案僅僅是可以減輕輪對擦傷的程度，但未能從根本上解決此問題。同時，由于司控器發(fā)出牽引指令到VVVF接收到牽引指令，以及VVVF接收到牽引指令到牽引電機(jī)建立磁場，最終使列車起動均需要時間及存在各信號傳輸時間，速度推測異常的時間定為6 s是綜合這些因素及安全余量考慮得到的，當(dāng)此時間變的太短，列車就容易誤報“速度推測異常”的故障。同時此時間的變化是有限的，效果也不明顯，故此方案未采納。

方案3：將滑行、大滑行的判斷標(biāo)準(zhǔn)值減小

如圖4，當(dāng)列車在制動時，系統(tǒng)檢測到某節(jié)動車減速度大于11 Hz/s，此時牽引系統(tǒng)判斷此車發(fā)生滑行，并通過圖3進(jìn)行調(diào)整。但當(dāng)檢測到減速度大于25 Hz/s時，此時系統(tǒng)判斷此車發(fā)生嚴(yán)重的滑行，通過圖3方法已經(jīng)不能進(jìn)行調(diào)整，此時封鎖此車牽引，電制動退出，滑行由空氣制動防滑系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)整。

如果將大滑行的標(biāo)準(zhǔn)值由25 Hz/s減小到20 Hz/s或更小，這樣可以及早切除電制動，此滑行由空氣制動防滑系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。同時，可以將電制動防滑系統(tǒng)判斷滑行的標(biāo)準(zhǔn)值11 Hz/s減小到9 Hz/s或更小，這樣滑行及早檢測，及早調(diào)整，此時更容易將此次滑行調(diào)整過來。

但將大滑行的標(biāo)準(zhǔn)值變小，這樣和之前相比，電制動的利用率降低。同時，由于輪對與鋼軌的配合本該就有微小的滑行（黏著機(jī)理），若將滑行的標(biāo)準(zhǔn)變的太小，列車在正常運行時很容易發(fā)生滑行。將滑行及大滑行的檢測標(biāo)準(zhǔn)提高，即降低檢測值，僅僅能減輕輪對擦傷的程度，但不能從根本上解決此問題。

通過對上面廠家提供的方案進(jìn)行分析，確認(rèn)上述方案在輪對發(fā)生滑行時僅僅可以減緩輪對擦傷的程度，不能解決輪對擦傷的根本問題，指標(biāo)不治本。對此，本人基于上面的分析及現(xiàn)場發(fā)生故障時的列車相關(guān)數(shù)據(jù)，提出此問題的整改方案供參考。

從列車發(fā)生故障時的數(shù)據(jù)看，當(dāng)列車發(fā)生滑行時，黏著不能及時進(jìn)行恢復(fù)不是因為滑行判斷的標(biāo)準(zhǔn)不合適，而是滑行控制時，電制動防滑控制系統(tǒng)與空氣制動防滑控制系統(tǒng)的控制權(quán)限設(shè)定不合理所致。

從圖1及圖4可以看出，西安地鐵2號線車輛目前的防滑控制是當(dāng)列車發(fā)生滑行后，此時電制動防滑系統(tǒng)一直進(jìn)行滑行控制，空氣制動防滑系統(tǒng)不參與滑行的調(diào)整，只有當(dāng)滑行達(dá)到電制動防滑系統(tǒng)預(yù)定的大滑行標(biāo)準(zhǔn)值25 Hz/s或輪對抱死6 s后，牽引系統(tǒng)發(fā)生“速度推測異常”故障，此時封鎖牽引，電制動防滑系統(tǒng)才退出防滑控制，后續(xù)防滑控制才由空氣制動防滑系統(tǒng)來承擔(dān)。

本人認(rèn)為滑行未調(diào)整過來的根本原因是列車發(fā)生滑行后，當(dāng)未達(dá)到大滑行或輪對未抱死6 s期間，滑行控制一直由電制動進(jìn)行調(diào)整，空氣制動防滑系統(tǒng)未發(fā)揮作用，在防滑控制過程中，電制動防滑控制系統(tǒng)的權(quán)限太高。對此，可以對電制動防滑系統(tǒng)與空氣制動防滑系統(tǒng)的防滑控制進(jìn)行如下規(guī)定：

①當(dāng)列車發(fā)生滑行時，首先由電制動防滑控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整（電制動滑行檢測標(biāo)準(zhǔn)高于空氣制動防滑系統(tǒng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，所以滑行首先由電制動檢知），并將此信息反饋給空氣制動系統(tǒng)，當(dāng)空氣制動系統(tǒng)判斷電制動防滑控制時間超出允許值（例如4 s），此時切除電制動，后續(xù)防滑由空氣制動防滑系統(tǒng)來控制。

②當(dāng)空氣制動系統(tǒng)檢測到滑行時間超出允許值（例如3 s），此時空氣制動系統(tǒng)將電制動切除，后續(xù)防滑由空氣制動防滑系統(tǒng)來控制。

③當(dāng)電制動防滑系統(tǒng)檢測到滑行達(dá)到大滑行標(biāo)準(zhǔn)25 Hz/s后，此時切除電制動，后續(xù)防滑由空氣制動防滑系統(tǒng)來控制。

本人認(rèn)為按照上述方案思路進(jìn)行整改可以從根本上解決輪對擦傷問題。同時，也有人提出此方案與目前2號線車輛防滑方案相比電制動的能力下降了，但考慮到列車正常運行時輪對滑行的次數(shù)，同時用滑行時使用電制動防滑節(jié)省的電能與輪對擦傷導(dǎo)致輪對旋輪成本相比，滑行期間節(jié)省的電能可以忽略。此方案需要牽引系統(tǒng)和空氣制動廠家對相應(yīng)的軟件進(jìn)行修訂，并現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試來確認(rèn)各參數(shù)的具體值。

5 結(jié)束語

地鐵車輛牽引系統(tǒng)與空氣制動系統(tǒng)的接口至關(guān)重要，在前期的合同談判及設(shè)計聯(lián)絡(luò)階段應(yīng)該考慮周全，如果在設(shè)計之初未考慮全面，輕則造成由于列車電空轉(zhuǎn)換不順暢或輪對擦傷導(dǎo)致列車運行時沖擊或噪聲大，降低乘客的乘坐舒適度，或由于未充分利用電制動，導(dǎo)致制動閘瓦磨耗嚴(yán)重，增加運營成本，重則出現(xiàn)制動力疊加或制動力不足，存在行車安全隱患。

關(guān)于車輛牽引系統(tǒng)與空氣制動系統(tǒng)的配合問題，西安地鐵組織人員對2號線車輛兩系統(tǒng)（牽引系統(tǒng)與空氣制動系統(tǒng)）的配合進(jìn)行評估，并與其他地鐵線路車輛進(jìn)行對比，除在防滑控制上存在缺陷外，2號線車輛在節(jié)能環(huán)保上、起動或停車時的平穩(wěn)性上具有很多優(yōu)勢，例如2號線車輛實現(xiàn)了全電制動停車，最大能力利用電制動，降低了閘瓦磨耗。同時，由于實現(xiàn)了全電制動停車，列車的低速電空轉(zhuǎn)換點幾乎降低到零，實現(xiàn)了列車平穩(wěn)停車。關(guān)于目前車輛防滑控制問題，在廠商未解決此問題前，車間制定臨時方案，即在雨、雪、霧天氣，早晨出庫的前5列車切除電制動，并安排專人跟隨，待列車運行至北客站（正線始發(fā)站）后恢復(fù)電制動功能，同時，運營分公司也要求在特殊天氣，列車在敞口段處不能采取ATO駕駛，而采取人工駕駛，這些措施都防止由于天氣原因?qū)е鲁诙武撥夝ぶ禂?shù)降低，使列車發(fā)生滑行而未及時調(diào)整過來，導(dǎo)致擦傷輪對。

［1］ 西安市地下鐵道有限責(zé)任公司.西安地鐵2號線車輛合同文件［G］.西安：西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，2008.

［2］ 張興寶.西安地鐵2號線車輛防空轉(zhuǎn)/滑行系統(tǒng)［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2012，35（5）：71-74.

［3］ 陳 英，陳 燕.成都地鐵1號線車輛電氣牽引系統(tǒng)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2009，29（5）：52-55.

Cause Analysis and Countermeasures of Frequency Scrapes of Vehicle Wheels for XI＇an Metro Line 2

ZHANG Xingbao，CHEN Yongbiao，HU Liben，SHEN Jing
（Operating Branch，Xi＇an Metro Company Limited，Xi＇an 710018 Shaanxi，China）

Aiming at the widespread phenomenon of running gear＇s periodic abnormal noise during the normal operation for XI＇an metro line 2，this paper carries out the on－site investigation and data analysis，and confirms that the root cause is mainly due to the interface problems between the vehicle traction system and the air braking system，which leads wheel abrasions and rolling circle overrun.Several schemes which can fundamentally fix up the abnormal sound has been proposed based on the actual situation.

Xi＇an metro；metro vehicle；scrape；slide

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.13

1008－7842（2014）05－0055－04

3—）男，工程師（

2014－04－04）