軌道電路紅光帶故障原因分析及處理措施

劉金葉 張明銳 吳嚴嚴

(1.上海地鐵維護保障有限公司，200070，上海； 2.同濟大學電子與信息工程學院，201804，上海//第一作者，高級工程師)

軌道電路是由鋼軌線路和鋼軌絕緣構成的電路，用于自動、連續檢測線路段內是否有車輛，也用于控制信號裝置或轉轍裝置，以保證行車安全[1]。

上海軌道交通2號線使用的是50 Hz相敏軌道電路，其工作原理是：當軌道區段內無車輛占用時，軌道電源滿足相位和頻率的要求，軌道繼電器吸氣，亮綠色信號燈；當軌道區段內有車輛占用時，軌道電源被分路，繼電器銜鐵落下，亮紅色信號燈。若沒有車輛占用軌道電路時，軌道繼電器落下，此時即為軌道電路空閑紅光帶故障。上海軌道交通2號線的軌道電路空閑紅光帶故障，原因就是鐵屑造成絕緣節短路，使軌道電路被分路，導致在無車輛占用的情況下繼電器依然落下。圖1是鐵屑出現較多的上海軌道交通2號線廣蘭路站的岔區圖。圖中實線箭頭表示4節編組列車的走行路徑，虛線箭頭表示8節編組列車的走行路徑。

圖1 上海軌道交通2號線廣蘭路站岔區示意圖

造成軌道電路空閑紅光帶的原因有很多，如：鋼軌的安裝絕緣電阻嚴重下降、道床積水等原因造成電流漏泄，鋼軌鎖定不良，軌道電路絕緣節失效或狀態不良，車輛牽引電流產生的沖擊電流和回流不暢造成軌道電路“閃紅”等[4-5]。軌道電路空閑紅光帶是影響地鐵行車效率與安全的典型故障之一[6]。

1 上海軌道交通2號線紅光帶故障概況

自2017年下半年以來，上海軌道交通2號線軌道電路紅光帶故障頻發，多次造成列車延誤。故障記錄見表1。

表1 2017年上海軌道交通2號線軌道電路紅光帶故障情況

檢修人員在一些典型岔區清掃出大量鐵屑，這些鐵屑存在于軌端絕緣節附近，造成絕緣節短路，從而使軌道電路產生空閑紅光帶故障。統計顯示，幾次紅光帶故障，幾乎都是鐵屑造成絕緣節短路所致。2017年12月份的鐵屑清掃記錄見表2。

表2 上海軌道交通2號線典型岔區鐵屑清掃記錄(2017年12月)

2 故障原因分析

為了查找鐵屑來源，分析鐵屑的形成機理與過程，針對車輛、工務、通號、供電等各專業出現的問題提出解決對策，制定一套合理的技術方案。技術方案主要分為現場調研、材料分析、車輛運行工況分析、信號指令分析4個部分。

2.1 現場調研

選擇典型岔區，查看鐵屑散落情況、鋼軌及護輪軌等設備的磨損情況，收集鐵屑樣本，比較分析不同岔區的鐵屑形狀、鐵屑分布、鋼軌磨耗。查看收集岔區的曲線半徑、坡度、進出站限速等行車參數與條件。選擇典型車輛基地，查看2號線4輛編組列車、8輛編組列車車輛的輪轂、閘瓦、剎車踏面等部件的磨損情況。

通過對廣蘭路站岔區調研發現，現場多處散落大小不一的薄鐵片，鋼軌有不同程度、不同類型的磨損，其中3處波磨明顯。淞虹路站岔區調研發現，現場除多處散落鐵屑外，鋼軌、護輪軌均有飛邊現象，護輪軌掉落的長條狀鐵屑、鐵粉較多，鐵屑形狀與廣蘭路站岔區清掃出的有較大不同。鐵屑樣本如圖2所示。

車輛基地調研發現，車輪踏面輕度磨損有凹槽，廢舊閘瓦有較明顯溝狀磨耗，閘瓦和車輪踏面間隙未見異物，部分車輪有側面磨損、邊沿剝落現象，如圖3所示。

2.2 材料分析

將收集的鐵屑，以及閘瓦、輪轂、鋼軌等樣本材料送檢。根據對鐵屑中特有元素的分析，對比閘瓦、輪轂、鋼軌等材料的元素含量，初步判斷鐵屑的來源。典型鐵屑送檢結果見表3。

a) 樣本1

b) 樣本2

c) 樣本3圖2 收集的鐵屑樣本

a)閘瓦溝狀磨耗

b)閘瓦與車輪踏面間隙圖3 閘瓦溝狀磨耗及閘瓦與車輪踏面間隙實圖

表3中鋼軌一欄未對Cr、Ni、Mo、Cu等元素進行標注。國標中規定，這些元素的含量若不高于給定值即可不作標注，但并不排除有微量殘留。對比分析檢測結果可見，鐵屑中C的質量分數明顯高于鋼軌和車輪中C的質量分數，由此可知，這些鐵屑可能來自鋼軌和車輪之外的部件。

表3 鐵屑送檢結果及對比

據了解，復合閘瓦一般會加入石墨作為摩擦性能調節劑，加入碳纖維作為增強材料，所以鐵屑中可能含有閘瓦掉落的粉末。鐵屑中，Cr、Ni、Mo、Cu等元素的質量分數明顯高于鋼軌中這些元素的質量分數，推測其來自車輪的可能性較大，但不排除鋼軌磨損進入鐵屑，因此，從成份看，鐵屑來源不像是單一的車輪、閘瓦或者鋼軌，更像以上三者的復合體。

2.3 列車運行工況

對于鐵屑分布較多的廣蘭路站岔區，結合現場調研時所得到的曲線半徑、坡度、列車進出站限速等行車條件進行牽引計算，得到列車進站的速度曲線和電流曲線。

地鐵列車兩種基本的運行策略是節時運行策略和節能運行策略。節時運行策略下，列車以最大牽引力和最大制動力使列車在最短時間內走完整個區間。節能運行策略下，列車加速階段以最大牽引力加速至某一經濟速度，中間過程以勻速運行或盡可能惰行，進站以最大制動力制動。兩種策略下的列車牽引曲線如圖4、圖5所示。

a) 速度曲線

b) 電流曲線圖4 節時策略下列車牽引典型的速度曲線和電流曲線

對于直流牽引系統而言，電流正值表示列車運行于牽引工況，電流負值表示列車運行于再生制動工況。電流接近零值表示車輛惰行，也就是沒有電能交換。圖6是從2號線列車行車記錄儀中提取的廣蘭路站岔區列車進站時的電流和速度曲線。

b) 電流曲線圖5 節能策略下列車牽引典型的速度曲線和電流曲線

a) 4輛編組列車進站牽引特性曲線

b) 8輛編組列車進站牽引特性曲線圖6 廣蘭路站岔區4輛編組列車與8輛編組 列車進站牽引特性曲線示意圖

從以上列車的實際牽引電流曲線發現，在列車進站停車的過程中，出現了劇烈的牽引制動工況切換。這種現象說明，列車在速度跟蹤過程中，牽引控制策略適應性較差，出現頻繁的工況切換。

電制動的原理是將電動機按照發電機運行，將列車動能轉化為電能反饋至電網。電能和機械能的變換和傳遞都是通過電機氣隙間的磁場轉化完成的。列車是一個大慣量運動系統，高速運行時，由牽引工況切換至制動工況，由于電機氣隙的柔性耦合作用，可以緩解車速的劇烈變化。但是，會增加輪軌之間的滑動摩擦。輪軌間的滑動摩擦幅度較大時，會對輪緣踏面和鋼軌造成額外磨損，產生過量、形狀較大、片狀或較長片狀的金屬碎片。這可能是鐵屑產生的重要原因之一。

理想的列車的制動過程是，正向牽引電流逐漸減小至零，再變為反向制動電流，反向電流由大變小至零，伴隨著列車的速度降低直至停穩。而不應該出現如圖6所示的牽引制動工況頻繁切換現象。為此，需進一步分析列車的牽引控制系統。

2.4 信號指令

目前，上海軌道交通2號線在正常情況下，采用ATO(列車自動運行)模式，列車的運行工況受控于信號系統的直接指揮，運行中的列車會收到信號系統的速度指令和行車指令。圖7為2號線廣蘭路站列車進站過程收到的信號行車指令。

a) 4輛編組列車進出站牽引時序指令

b) 8輛編組列車進出站牽引時序指令

圖7 廣蘭路站4輛編組列車與8輛編組

列車進出站牽引時序指令

圖7中，中軸下部高電平是牽引指令，中軸上部高電平是制動指令。通過指令時序圖可發現，列車在進站時，所收到的行車信號中，出現了牽引制動工況頻繁交替切換。出站過程也存在類似情形。

信號系統所給出的2種行車信號，牽引指令的實際含義是列車當前速度低于限值，需要牽引提速；制動指令的含義是列車當前速度高于限值，需要制動或者惰行。如果按照圖7所給的行車信號，將牽引指令和制動指令直接理解為列車的牽引工況和制動工況，將會出現圖6所示的列車運行特性，牽引和制動2種工況頻繁切換。

因此，地鐵信號系統和車輛牽引系統之間，需要根據列車的當前運行速度、位置和行車區間的限速要求，制定牽引策略。但是，不管是采取節能運行策略，還是節時運行策略，都不應該出現牽引制動頻繁、反復切換的現象。

對比2號線其他車站及1、3、4號線相似岔區，未發現列車進出站時牽引制動頻繁切換現象，也沒有大量鐵屑散落。因此，可以認為列車的牽引控制系統與信號系統的配合不夠理想。

2號線制動模式為電空混合制動，列車在速度較高時采用電制動，也就是再生制動；當速度降低到20 km/h時，列車處于空氣預制動狀態，閘瓦與車輪踏面的間隙減小；當列車速度進一步降低至5 km/h時，再生制動失效，由空氣制動將列車停穩。

在2號線新車調試時，發現制動特性較軟，東延伸段列車的空氣預制動施加速度值較高，有部分列車一直處于空氣預制動狀態。

據此初步推斷，2號線列車進出站時頻繁的牽引制動工況切換，使得輪軌之間的滑動摩擦加劇，產生較小形狀的鐵屑。車輛空氣預制動使得閘瓦與踏面的間隙變小，甚至處于輕微接觸狀態，閘瓦與輪軌之間磨損產生的鐵屑滯留在閘瓦與車輪踏面之間，在車輛的高速摩擦熱力作用下，熔結為圖2所示的鐵屑。待空氣制動緩解，鐵屑散落到鋼軌上，部分鐵屑散落到絕緣節附近，經車輪碾壓卷帶造成絕緣節短路。這就是鐵屑形成的機理和過程。這個過程也可以幫助理解鐵屑的特征：弧形鐵屑，光滑有灼燒痕跡的一面向著車輪踏面；毛糙不平，銹跡較多的一面向著閘瓦。

3 故障處理措施

軌道電路紅光帶故障是車輛、工務、通號、供電等多專業綜合影響的結果，故各專業都要做出相應的改進措施。

(1)車輛專業：優化列車動力系統控制策略，改進列車牽引系統與信號系統的協調配合。更新現有的制動軟件版本，優化電空制動策略，將空氣預制動施加速度值改至低于20 km/h，以減少車輪踏面與閘瓦的磨耗。

(2)工務專業：增加岔區清掃頻次，在限制范圍內，加大絕緣節厚度，降低鐵粉堆積形成短路的可能性。調整岔區小半徑曲線的內外軌超高值、軌距限值、護輪軌距限值等關鍵幾何參數，縮短測量維護周期，對岔區等特殊區段制定個性化的鋼軌打磨辦法。制定絕緣節周圍區段軌道維護保養規程。

(3)通號專業：分解絕緣節，清理絕緣節底部堆積的鐵粉，保證其絕緣性能良好。檢修折返區段軌道電路，確保參數合格。配合車輛專業，優化ATS(列車自動監控)系統及列車牽引制動指令，避免列車在進出站時牽引制動頻繁切換。

(4)供電專業：優化維護保養制度，確保岔區軌道的回流電纜連接可靠，鋼軌安裝的絕緣正常，牽引回流通暢，軌電位處于安全范圍。

4 結語

軌道電路紅光帶故障給地鐵運營調度帶來了很大的壓力。上海軌道交通2號線的紅光帶故障主要是由于鐵屑造成了軌道電路絕緣節短路。本文通過現場調研、材料檢測與對比分析確定了鐵屑的來源，通過列車運行工況、車輛制動特性分析，推斷出鐵屑的形成機理與過程。根據上海軌道交通的維保管理經驗，給出了車輛、工務、通號、供電各專業降低紅光帶故障的對策建議，有效地解決了紅光帶故障，也為軌道交通類似故障的處理提供了參考。