廣州地鐵A1型車(chē)防開(kāi)門(mén)溜車(chē)技術(shù)的研究

謝 帥

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510310）

1 概述

廣州地鐵一號(hào)線A1型車(chē)已運(yùn)行近20年，車(chē)輛各系統(tǒng)部件都存在一定程度的老化現(xiàn)象，尤其是電子板件老化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。DCU（牽引控制單元）作為車(chē)輛牽引系統(tǒng)的核心部件，其電子板件故障會(huì)引起牽引系統(tǒng)故障，動(dòng)力丟失，甚至?xí)?dǎo)致列車(chē)溜車(chē)等安全事故。根據(jù)廣州地鐵車(chē)輛中心網(wǎng)站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2004年至今已發(fā)生近百起的列車(chē)溜車(chē)事件，近年來(lái)發(fā)生在站臺(tái)的溜車(chē)事件數(shù)量開(kāi)始明顯增加，主要表現(xiàn)為：A1型車(chē)以ATO（自動(dòng)駕駛系統(tǒng)）模式進(jìn)站對(duì)標(biāo)停車(chē)，列車(chē)停穩(wěn)，車(chē)門(mén)及屏蔽門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟后，列車(chē)出現(xiàn)后溜，APT（自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)）使列車(chē)產(chǎn)生緊制，車(chē)門(mén)與屏蔽門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。在此期間如果有乘客上下車(chē)，很可能會(huì)導(dǎo)致客傷事件。對(duì)此，針對(duì)廣州地鐵一號(hào)線A1型車(chē)站臺(tái)溜車(chē)的故障展開(kāi)調(diào)查與研究，并成功地進(jìn)行了技術(shù)改造。

2 故障調(diào)查分析

根據(jù)廣州地鐵一號(hào)線A1型車(chē)車(chē)輛控制的原理，對(duì)列車(chē)站臺(tái)溜車(chē)的可能性展開(kāi)調(diào)查研究，并通過(guò)信號(hào)采集與故障模擬，發(fā)現(xiàn)列車(chē)站臺(tái)產(chǎn)生溜車(chē)的原因是：列車(chē)ECU（制動(dòng)控制單元）異常收到保壓制動(dòng)緩解指令，由于站臺(tái)有坡度，列車(chē)因重力而發(fā)生溜車(chē)。

2.1 保壓制動(dòng)緩解的原理分析

列車(chē)后溜實(shí)際上就是保壓制動(dòng)（氣制動(dòng)）緩解后沒(méi)有牽引力矩，在有坡度的軌道上產(chǎn)生滑行。

列車(chē)的牽引是由牽引控制單元DCU控制的。在DCU控制程序內(nèi)部，把列車(chē)控制定義為21個(gè)狀態(tài)，每一種狀態(tài)用一個(gè)狀態(tài)編號(hào)和一個(gè)狀態(tài)名表示。表1列出了幾個(gè)跟下面分析相關(guān)的部分狀態(tài)。

正常的車(chē)輛保壓制動(dòng)緩解過(guò)程如下（見(jiàn)圖1）：

（1）列車(chē)在站臺(tái)或者車(chē)庫(kù)啟動(dòng)前，列車(chē)控制狀態(tài)處于初始狀態(tài)“0”，當(dāng)符合條件1的時(shí)候，狀態(tài)轉(zhuǎn)為“2”，即進(jìn)入預(yù)充電狀態(tài)；

（2）當(dāng)列車(chē)接收到“牽引方向”信號(hào)，滿足“條件2”和“條件3”后，緊急制動(dòng)緩解，保壓制動(dòng)維持在施加位置，車(chē)輛狀態(tài)由“2”變?yōu)椤?1”，即列車(chē)處于待牽引狀態(tài)；

表1 車(chē)輛狀態(tài)

圖1 車(chē)輛保壓制動(dòng)緩解條件邏輯

（3）列車(chē)處于待牽引狀態(tài)，保壓制動(dòng)施加，當(dāng)滿足“條件4”，列車(chē)狀態(tài)由“21”變?yōu)椤?3”，列車(chē)保壓制動(dòng)緩解，此時(shí)通過(guò)司機(jī)臺(tái)主控手柄或者ATO給出的牽引參考值便可驅(qū)使列車(chē)啟動(dòng)運(yùn)行。

2017年3月17日對(duì)1A0910發(fā)生溜車(chē)故障的車(chē)輛車(chē)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)收集，在列車(chē)下行停靠在西門(mén)口站臺(tái)時(shí)，NI64通道記錄儀記錄下了正常的列車(chē)信號(hào)狀態(tài)。

列車(chē)正常停站到啟動(dòng)，保壓制動(dòng)指令有如下特點(diǎn)：

（1）在t1時(shí)刻，列車(chē)停穩(wěn)（無(wú)速度信號(hào)），列車(chē)無(wú)牽引指令，有方向指令，保壓制動(dòng)施加；

（2）在t2時(shí)刻，列車(chē)開(kāi)始移動(dòng)（有速度信號(hào)），列車(chē)有牽引指令，保壓制動(dòng)緩解指令，并已建立了牽引力矩。

當(dāng)1A0910下行運(yùn)行停靠長(zhǎng)壽路站臺(tái)時(shí)，列車(chē)溜車(chē)，隨后列車(chē)緊急制動(dòng)，NI64通道記錄儀記錄下了該時(shí)間段列車(chē)信號(hào)狀態(tài)。

列車(chē)在站臺(tái)溜車(chē)時(shí)，保壓制動(dòng)指令有如下特點(diǎn)：

（1）在t1時(shí)刻，列車(chē)停穩(wěn)（無(wú)速度信號(hào)），列車(chē)無(wú)牽引指令，有方向指令，但保壓制動(dòng)處于緩解狀態(tài)；

（2）在t2時(shí)刻，列車(chē)開(kāi)始移動(dòng)（有速度信號(hào)），列車(chē)無(wú)牽引指令，有保壓制動(dòng)緩解指令，但并未建立牽引力矩，列車(chē)發(fā)生溜車(chē)；

（3）在t3時(shí)刻，列車(chē)因溜車(chē)，列車(chē)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)ATP使列車(chē)緊急制動(dòng)、快速制動(dòng)、常用制動(dòng)回路斷開(kāi)，列車(chē)同時(shí)產(chǎn)生緊制、常制、快制，不滿足條件4保壓制動(dòng)緩解的邏輯（見(jiàn)圖2），列車(chē)施加保壓制動(dòng)。

圖2 車(chē)輛狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

對(duì)比兩次收集到的正線數(shù)據(jù)，溜車(chē)時(shí)段，列車(chē)停站停穩(wěn)，但仍然有保壓制動(dòng)緩解指令的給出。

廣州地鐵一號(hào)線A1型車(chē)為六節(jié)編組，四動(dòng)兩拖設(shè)計(jì)，根據(jù)其電路控制原理，保壓制動(dòng)的緩解指令是在DCU接收到牽引指令后，其中央控制板A304板給出+5 V的電平使A313板的板件繼電器K3得電，常開(kāi)觸頭閉合，保壓制動(dòng)列車(chē)線110 V導(dǎo)通，ECU執(zhí)行保壓制動(dòng)緩解指令。而當(dāng)任意有一個(gè)牽引控制單元DCU發(fā)出保壓制動(dòng)指令時(shí)，六節(jié)車(chē)制動(dòng)控制單元ECU都會(huì)執(zhí)行保壓制動(dòng)緩解指令。

在對(duì)1A0910車(chē)的檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，其中一節(jié)車(chē)的A313板的K7繼電器觸點(diǎn)處于卡合狀態(tài)，整列車(chē)一直處于保壓制動(dòng)緩解的狀態(tài)，更換該繼電器后，列車(chē)正常。

圖3 保壓制動(dòng)信號(hào)在DCU和ECU間的關(guān)系

2.2 列車(chē)受力分析

主要表現(xiàn)為：列車(chē)在站臺(tái)或折返線（有坡度的軌道）上啟動(dòng)時(shí)發(fā)生后溜。經(jīng)專(zhuān)業(yè)小組技術(shù)攻關(guān)后發(fā)現(xiàn)：大部分發(fā)生溜車(chē)故障時(shí)，列車(chē)在接收到牽引方向信號(hào)的同時(shí)，接收到常用制動(dòng)指令，導(dǎo)致?tīng)恳到y(tǒng)不能正常充電，常用制動(dòng)指令維持約1秒后撤消，列車(chē)隨后接收到牽引指令，使列車(chē)保壓制動(dòng)緩解，但此時(shí)由于牽引系統(tǒng)沒(méi)能正常充電，因而沒(méi)有建立牽引力矩，導(dǎo)致車(chē)輛溜車(chē)；部分時(shí)候出現(xiàn)車(chē)輛牽引控制單元DCU內(nèi)部一塊電子板上的微型繼電器偶然出現(xiàn)故障（見(jiàn)圖4、5），導(dǎo)致列車(chē)保壓制動(dòng)異常緩解，造成列車(chē)在有坡度的站臺(tái)上出現(xiàn)后溜。通過(guò)更換該類(lèi)型的微型繼電器，極大地改善了列車(chē)剛停站即出現(xiàn)后溜的現(xiàn)象。

圖4 DCU控制板件實(shí)物圖

圖5 DCU控制板件原理圖

然而近年來(lái)，由于車(chē)輛牽引控制單元DCU電子板件的使用時(shí)間較長(zhǎng)，由板件誤給出保壓制動(dòng)緩解信號(hào)的情況越發(fā)顯現(xiàn)，導(dǎo)致列車(chē)出現(xiàn)后溜的故障，對(duì)列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)會(huì)造成了很大的影響。

A1型車(chē)列車(chē)進(jìn)站對(duì)標(biāo)停穩(wěn)，車(chē)門(mén)自動(dòng)打開(kāi)后，列車(chē)后溜緊制，車(chē)門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。對(duì)故障列車(chē)進(jìn)行調(diào)查、研究發(fā)現(xiàn)，列車(chē)進(jìn)站由制動(dòng)力停穩(wěn)后收到開(kāi)門(mén)信號(hào)，但由于站臺(tái)軌道有3‰的坡度（一號(hào)線站臺(tái)除坑口、西朗外均有3‰的坡度），如圖6、7所示，一個(gè)DCU誤觸發(fā)保壓制動(dòng)指令BHL，將導(dǎo)致整列車(chē)處于保壓制動(dòng)緩解狀態(tài)，列車(chē)由于自重發(fā)生后溜，零速繼電器2K13繼而得電，列車(chē)產(chǎn)生緊制，同時(shí)開(kāi)門(mén)使能繼電器失電，車(chē)門(mén)關(guān)閉。當(dāng)司機(jī)方向手柄回零位后，列車(chē)有緊急制動(dòng)力而停穩(wěn)。

圖6 長(zhǎng)壽路站下行后溜示意圖

列車(chē)在定員情況下(AW2)，車(chē)輪半磨耗（805 mm），在正線軌道上的相關(guān)參數(shù)如下：

列車(chē)重力：

G=mg 式中：m-定員載荷（AW2）時(shí)的列車(chē)重量為331.6 t；

列車(chē)坡道阻力：

不考慮風(fēng)阻，列車(chē)產(chǎn)生后溜的力為：

F=G×sinα-f=68.16 kN (α -坡度取3‰)

后溜加速度為：

由此可知，當(dāng)列車(chē)因所有氣制動(dòng)緩解后無(wú)牽引力，產(chǎn)生后溜時(shí)，列車(chē)將以0.21 m/s2的加速度向后溜動(dòng)，對(duì)乘客的人身安全將造成巨大的隱患。該故障對(duì)列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)會(huì)造成很大影響，以往解決方案已不能滿足目前一號(hào)線A1型車(chē)的現(xiàn)狀。因此提出對(duì)一號(hào)線A1型車(chē)防開(kāi)門(mén)溜車(chē)的技術(shù)改造方案。

圖7 列車(chē)受力分析圖

3 改造方案

列車(chē)進(jìn)站由制動(dòng)力停穩(wěn)，ATO模式給出開(kāi)門(mén)使能、指令后，車(chē)門(mén)打開(kāi)，此時(shí)正常情況下列車(chē)會(huì)有保壓制動(dòng)力，但如果該車(chē)任意一個(gè)牽引控制單元DCU誤觸發(fā)保壓制動(dòng)緩解信號(hào)BHL，將導(dǎo)致整列車(chē)保壓制動(dòng)緩解。

為防止車(chē)門(mén)打開(kāi)時(shí)，ECU收到保壓制動(dòng)緩解的指令，可對(duì)保壓制動(dòng)緩解指令回路做如下改造。

（1）在4節(jié)動(dòng)車(chē)DCU發(fā)出保壓制動(dòng)緩解指令BHL線路上串接單節(jié)車(chē)關(guān)門(mén)繼電器8K27、8K28的一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)43/44腳，通過(guò)利用列車(chē)冗余的備用線，實(shí)現(xiàn)線路回路的連接。原理示意圖如圖8所示。

（2）為防止改造后出現(xiàn)因4節(jié)動(dòng)車(chē)同時(shí)出現(xiàn)車(chē)門(mén)故障(可能性極低)，引起保壓制動(dòng)信號(hào)BHL均不能給出，在列車(chē)的2節(jié)C車(chē)加裝的串聯(lián)繼電器回路中再加入旁路。利用司機(jī)室車(chē)鉤旁路的旋鈕開(kāi)關(guān)3S97控制，及其所控制的繼電器3K44的一對(duì)剩余常開(kāi)觸點(diǎn)并入回路。

圖8 保壓制動(dòng)緩解信號(hào)改造后的示意圖

本方案利用車(chē)輛B、C車(chē)電子柜與電氣柜相連的備用線，8K27、8K28、3K44繼電器，3S97空余的觸點(diǎn)本身回路進(jìn)行改造，改造成本較低，作業(yè)簡(jiǎn)單，能有效地解決車(chē)輛停穩(wěn)、車(chē)門(mén)打開(kāi)，車(chē)輛后溜的問(wèn)題。

目前廣州地鐵一號(hào)線A1型車(chē)車(chē)輛均已根據(jù)該方案改造完成，運(yùn)行超過(guò)2個(gè)月，未再出現(xiàn)一起開(kāi)門(mén)溜車(chē)的安全事件，證明了該方案安全可行。

4 結(jié)論

由于廣州地鐵一號(hào)線A1型車(chē)設(shè)計(jì)之初，將制動(dòng)控制單元的保壓制動(dòng)緩解設(shè)為了并行控制，即任意一節(jié)動(dòng)車(chē)的牽引控制單元發(fā)出保壓制動(dòng)緩解指令后，六節(jié)車(chē)的制動(dòng)控制單元均會(huì)緩解保壓制動(dòng)。由于A1型車(chē)牽引控制單元板件使用已超過(guò)20年，板載繼電器等部件性能下降，牽引控制單元誤觸發(fā)保壓制動(dòng)導(dǎo)致列車(chē)開(kāi)門(mén)溜車(chē)的事件日益頻發(fā)，對(duì)列車(chē)正線的運(yùn)營(yíng)造成了極大的安全隱患。通過(guò)對(duì)故障原因的深入調(diào)查分析，提出了改造方案并全面實(shí)施，消除了列車(chē)開(kāi)門(mén)溜車(chē)的安全隱患，同時(shí)為車(chē)輛維護(hù)人員自主解決車(chē)輛長(zhǎng)期存在的慣性難題提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，提升了列車(chē)服務(wù)水平。

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