上海地鐵5號(hào)線司機(jī)控制器國(guó)產(chǎn)化開發(fā)

李 卿

（西安開天鐵路電氣股份有限公司，西安 710065)

上海地鐵5號(hào)線（莘閔線）于2003年起試運(yùn)營(yíng)，全線共有17列車。經(jīng)過(guò)近15年運(yùn)行，大部分車輛已進(jìn)入檢修周期，因此上海地鐵方需要采購(gòu)新的司機(jī)控制器。司機(jī)控制器是機(jī)車車輛的主令控制電器，用來(lái)轉(zhuǎn)換機(jī)車牽引與制動(dòng)工況，改變機(jī)車運(yùn)行方向，設(shè)定機(jī)車運(yùn)行速度，從而對(duì)機(jī)車進(jìn)行起動(dòng)和調(diào)速。原車輛上的司機(jī)控制器采用進(jìn)口法國(guó)阿爾斯通司機(jī)控制器，此司機(jī)控制器采購(gòu)周期長(zhǎng)且價(jià)格昂貴，為解決進(jìn)口司機(jī)控制器價(jià)格昂貴、采購(gòu)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，受上海申通地鐵集團(tuán)有限公司維護(hù)保障中心車輛公司委托，西安開天鐵路電氣股份有限公司為上海地鐵5號(hào)線地鐵車輛開發(fā)國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器，替代原有進(jìn)口電器產(chǎn)品。

1 國(guó)產(chǎn)化研制

1.1 司機(jī)控制器基本結(jié)構(gòu)介紹

上海地鐵5號(hào)線司機(jī)控制器由三個(gè)單元模塊組成，分別為電鑰匙單元（含有電磁閥機(jī)構(gòu)）、換向單元和調(diào)速單元（含有警惕按鈕結(jié)構(gòu)），如圖1所示。電鑰匙單元電鑰匙和換向單元換向手柄操作方式為圓周轉(zhuǎn)動(dòng)；調(diào)速單元調(diào)試手柄為平推式；司機(jī)控制器上的電磁閥、電鑰匙、換向單元、調(diào)速單元采用機(jī)械聯(lián)鎖方式進(jìn)行互鎖：司機(jī)器電磁閥上電后，電磁閥吸合，此時(shí)電鑰匙解鎖，可由斷開位轉(zhuǎn)動(dòng)到接通位，換向單元解鎖，換向單元可進(jìn)行操作；當(dāng)換向單元手柄轉(zhuǎn)離“斷開”位至“手動(dòng)”、“向前限速”、“洗車”以及“向后限速”位時(shí)，調(diào)速手柄可在“牽引”、“惰性”、“制動(dòng)”以及“快速制動(dòng)”位推動(dòng)；當(dāng)司機(jī)控制器不工作時(shí)，調(diào)速手柄被鎖定在“惰性”位置上，換向手柄和電鑰匙在“斷開”位，此時(shí)電鑰匙單元被電磁閥鎖住。

圖1 上海地鐵5號(hào)線司機(jī)控制器組成

1.2 國(guó)產(chǎn)化研制要求

國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器作為進(jìn)口司機(jī)控制器替代產(chǎn)品，研制的關(guān)鍵是保證與車輛上原司機(jī)控制器功能相通，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)條件互換，這是上海申通地鐵維護(hù)保障中心對(duì)西安開天鐵路電氣股份有限公司所研制的司機(jī)控制器最主要的要求，也是國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器主要技術(shù)所在。要想與原司機(jī)控制器功能互通，國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器的安裝尺寸、信號(hào)輸出、檔位顯示、操縱方式以及聯(lián)鎖關(guān)系均應(yīng)與原司機(jī)保持一致，主要技術(shù)難點(diǎn)可總結(jié)為以下九個(gè)方面：

第一，司機(jī)控制器外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二，司機(jī)控制器和車輛接口設(shè)計(jì)；第三，司機(jī)控制器和操縱臺(tái)安裝接口設(shè)計(jì)；第四，司機(jī)控制器和車輛電氣接口設(shè)計(jì)；第五，司機(jī)控制器的輔助觸頭選型及輸出設(shè)計(jì)；第六，司機(jī)控制器電磁閥選型；第七，司機(jī)控制器電位器選型及輸出設(shè)計(jì)；第八，司機(jī)控制器手柄操作力值要求；第九，司機(jī)控制器各部分機(jī)械聯(lián)鎖設(shè)計(jì)。

1.3 國(guó)產(chǎn)化研制方案

1.3.1 國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器基本結(jié)構(gòu)

由于車輛上安裝司機(jī)控制器位置、空間、方向均已定確定，因此國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器必須符合特定安裝條件，在設(shè)計(jì)時(shí)司機(jī)控制器外形尺寸必須和原車司機(jī)控制器外形結(jié)構(gòu)一致，才能使國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器安裝在特定的環(huán)境中。因此可在原司機(jī)控制器基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器外形尺寸設(shè)計(jì)。

1.3.2 國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器主要零部件的選型

連接器作為司機(jī)控制器和車輛的電氣連接口，將司機(jī)控制器指令傳動(dòng)到車輛控制單元，因此國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器插頭必須和車輛上接口配合良好，且配合后信號(hào)導(dǎo)通能力要保持良好。基于以上要求，國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器插頭必須和原裝司機(jī)控制器插頭具有一致性、互換性。所以國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器和原車的司機(jī)控制器插頭采用同一廠家、同一型號(hào)的插頭，以保證電氣接口完全一致。

上海地鐵5號(hào)線司機(jī)控制器輔助觸頭存在無(wú)輸出故障現(xiàn)象，國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器采用防護(hù)等級(jí)和可靠性更高的、且被大批量使用的QKW5型速動(dòng)開關(guān)。

在司機(jī)操作司機(jī)控制器時(shí)，首先按動(dòng)開啟按鈕，電磁閥回路接通，電磁閥吸合，解除主控鑰匙上聯(lián)鎖關(guān)系，此時(shí)將司機(jī)控制器上主控鑰匙轉(zhuǎn)動(dòng)到“接通”位，進(jìn)而才能操作司機(jī)控制器。因此電磁閥作為司機(jī)控制器主控鑰匙鎖定裝置，具有非常重要作用，在選用電磁閥時(shí)，需選用可靠性高、使用壽命長(zhǎng)且已經(jīng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電磁閥。所以國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器選用了和原司機(jī)控制器相同的MECALECTRO電磁閥，該電磁閥在地鐵司機(jī)控制器應(yīng)用多年，其可靠性已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證。

編碼器作為司機(jī)控器制控制器車輛速度的信號(hào)源，具有極其重要作用。編碼器的輸出信號(hào)型式、精度、大小、壽命、可靠性等參數(shù)均會(huì)影響到國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器設(shè)計(jì)，因此電位器選型非常關(guān)鍵。在進(jìn)行編碼器選型時(shí)，需要考慮到編碼器輸入電壓、線性誤差、機(jī)械轉(zhuǎn)角、重復(fù)性誤差、安裝尺寸、外形尺寸、工作溫度和運(yùn)輸儲(chǔ)藏溫度等參數(shù)。通過(guò)對(duì)編碼器分析和相關(guān)資料查詢，國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器選用了和原司機(jī)控制器一樣的進(jìn)口KINAX 3W2編碼器。

1.4 原車輛司機(jī)控制器潛在隱患及改進(jìn)

在進(jìn)行司機(jī)控制器國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)，不但要求性能、外形結(jié)構(gòu)、輸出和操作方式等和原司機(jī)控制器保持一致，而且要進(jìn)一步優(yōu)化使用性能。因此，要對(duì)上海地鐵5號(hào)線司機(jī)控制器運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行提升改進(jìn)，原司機(jī)控制器主要存在以下問(wèn)題：第一，由于觸頭防護(hù)等級(jí)低，且受灰塵影響，出現(xiàn)無(wú)輸出故障隱患；第二，模式選擇開關(guān)單元底板上無(wú)支撐，存在軸向竄動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)；第三，警惕按鈕壓板轉(zhuǎn)軸磨損，導(dǎo)致兩個(gè)安裝轉(zhuǎn)軸不同心，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

在進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)以上隱患進(jìn)行改進(jìn)，具體方法如下：第一，觸頭更換為性能等級(jí)更高的QKW5型速動(dòng)開關(guān)（防護(hù)等級(jí)IP60）；第二，對(duì)模式選擇開關(guān)單元底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，增加自潤(rùn)滑法蘭軸承；第三，在旋轉(zhuǎn)軸上增加自潤(rùn)滑耐磨軸承。國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器設(shè)計(jì)外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器

2 國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器研制難點(diǎn)

由于司機(jī)在操作過(guò)程中，已經(jīng)習(xí)慣了原司機(jī)控制器特點(diǎn)，很難改變操作習(xí)慣，因此在國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器設(shè)計(jì)時(shí)，需符合司機(jī)操作要求。國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器結(jié)構(gòu)和原司機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)基本一致，因此在操作時(shí)習(xí)慣基本沒(méi)有變化，所以操作過(guò)程中換向和調(diào)速手柄力值要求顯得尤為重要。

國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器在研制完成后，雖然調(diào)速單元手柄力值在要求范圍內(nèi)，但司機(jī)在操作中感覺手柄力值過(guò)大。針對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)速單元采用的導(dǎo)軌和軸承的摩擦系數(shù)過(guò)大，因此調(diào)速手柄在推動(dòng)時(shí)的起動(dòng)摩擦力比較大，同時(shí)調(diào)速手柄在面板上的毛刷、定位彈簧力作用下，推動(dòng)時(shí)力值感覺較大。在和其他種類的導(dǎo)軌、軸承配合情況進(jìn)行對(duì)比后，決定在國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器中選用THK帶有滾珠的軸承和THK導(dǎo)軌，新的導(dǎo)軌和軸承配合摩擦系數(shù)降低為原來(lái)的十分之一，更換軸承后調(diào)速手柄在推動(dòng)時(shí)力起動(dòng)摩擦力明顯減小，調(diào)速手柄測(cè)試力值詳如表1所示。

表1 司機(jī)控制器力值要求

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器在設(shè)計(jì)時(shí)基本和原樣機(jī)結(jié)構(gòu)一致，從而保證了新樣機(jī)和原樣機(jī)的互換性。同時(shí)國(guó)產(chǎn)化樣機(jī)重要零部件均采用和原進(jìn)口樣機(jī)一致的國(guó)外原裝進(jìn)口零件，與原樣機(jī)電性能一致。滑動(dòng)導(dǎo)軌采用日本THK導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌摩擦系數(shù)極小，保證了調(diào)速手柄滑動(dòng)流暢性，大大提高了司機(jī)控制器使用壽命。國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器經(jīng)過(guò)了上海地鐵方廠內(nèi)試運(yùn)行性能測(cè)試以及國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的型式試驗(yàn)認(rèn)證，司機(jī)控制器性能符合車輛要求。目前國(guó)產(chǎn)化司機(jī)控制器已批量用于上海地鐵中，使用情況良好。上海地鐵5號(hào)線司機(jī)控制器國(guó)產(chǎn)化，為后續(xù)同類型司機(jī)控制器國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。