城市軌道交通行車安全管理中設備老化問題及維護對策

摘 要：城市軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分，其行車安全至關重要，而設備老化是影響城市軌道交通行車安全的關鍵因素之一。本文深入分析了城市軌道交通行車安全管理中設備老化的問題，包括設備老化的表現形式，以及老化引發的信號系統故障、供電故障、車輛故障和軌道故障等安全風險。針對這些問題，采用狀態監測技術實時掌握設備狀態，運用預防性維護技術提前預防故障，實施設備升級與改造技術提升設備性能，構建智能運維平臺實現高效運維管理等，旨在提高設備可靠性，保障城市軌道交通行車安全。

關鍵詞：城市軌道交通 行車安全 設備老化 維護對策

隨著城市化進程的加速，城市軌道交通在城市交通體系中的地位日益重要，為人們的出行提供了高效、便捷的選擇。然而，城市軌道交通行車安全問題不容忽視，其中設備老化受多種因素影響，不僅降低了設備的性能和可靠性，還可能引發各類安全事故，給乘客生命財產安全和城市交通秩序帶來嚴重影響。因此，深入研究城市軌道交通行車安全管理中設備老化問題，并制定有效的維護對策，對于保障城市軌道交通的安全、穩定運行具有重要的現實意義。

1 主要設備類型

列車自動控制系統（ATC）是城市軌道交通信號系統的核心，它包含列車自動監控（ATS）、列車自動運行（ATO）和列車自動保護（ATP）三個子系統，ATS能實時監控列車運行狀態，ATO實現列車的自動運行、自動調整停站時間等功能，ATP為列車運行提供安全保障，防止列車超速、冒進信號等危險情況發生[1]。聯鎖設備通過技術手段，使信號機、道岔和進路之間形成相互制約的關系，確保列車進路的安全排列。變電站負責將高壓電轉換為適合列車使用的電壓等級。接觸網是沿軌道線路向列車供電的特殊輸電線路，列車通過受電弓與接觸網接觸獲取電能。車輛設備方面，地鐵、輕軌等車輛是城市軌道交通的運輸載體，牽引系統為車輛提供動力，制動系統能使列車在需要時及時減速或停車，轉向架影響列車的運行平穩性和曲線通過能力。軌道設備中，鋼軌為車輛提供行駛的基礎路徑，承受列車的重量并引導列車前進，道岔可實現列車的轉線功能，使列車能夠從一條線路轉換到另一條線路，軌道電路能監督列車的占用情況，為信號系統提供信息，輔助實現列車運行的自動控制[2]。

2 設備老化的表現形式

機械部件磨損方面，轉向架的輪對、軸箱等部件，由于頻繁的振動和摩擦，可能出現零部件變形，比如輪對的圓度偏差增大，超出規定的±0.05mm范圍。制動系統部件如制動盤、制動閘片，長期制動產生的高溫和摩擦，可能導致裂紋出現。電氣元件老化方面，信號繼電器的絕緣電阻從初始的數兆歐下降到幾百千歐，容易引發短路故障。供電設備中的電纜，絕緣層老化后，絕緣電阻降低，耐壓能力下降。變壓器長期運行，鐵芯和繞組老化，性能參數漂移。軟件系統兼容性降低方面，新的列車控制系統硬件升級后，原軟件系統可能出現數據傳輸錯誤、控制指令無法執行等問題[3]。

3 設備老化問題分析

在城市軌道交通領域，科技進步促使新技術、新設備不斷涌現。然而，現有部分設備受使用壽命和資金制約，難以跟上更新步伐，使得設備在老化的同時，性能與新設備差距逐漸增大，故障隱患增多[4]。城市軌道交通部分線路處于地下，相對封閉的空間濕度常保持在60%-80%，溫度在20℃-30℃之間，金屬部件易受潮生銹，電子元件的絕緣性能下降，加速了設備老化。高峰時段，客流量劇增，設備使用頻率和負荷大幅提升，以自動售檢票系統為例，正常時段每小時處理乘客購票、檢票約500-800人次，高峰時可達1500-2000人次，設備長時間高負荷運行，機械部件磨損加劇，電子元件發熱嚴重，老化速度加快，故障發生率明顯上升。另外，行業技術標準隨技術發展不斷更新，對列車的防火、隔音、智能化等方面提出了更高要求，原有的設備可能因設計和技術局限，無法滿足新的標準，而設備的技術改造或升級涉及復雜的技術和資金問題，導致改造滯后。

4 設備維護的對策

4.1 狀態監測技術

傳感器技術是狀態監測的核心手段，通過在關鍵設備上安裝各類傳感器，能夠實時、精準地獲取設備運行狀態參數[5]。轉向架是地鐵車輛的關鍵部件，在轉向架的關鍵部位，如軸箱和構架上安裝振動傳感器。以壓電式振動傳感器為例，其測量范圍可設置為0-100g（g為重力加速度），靈敏度為100mV/g。安裝時，采用專用的安裝支架和螺栓固定，保證傳感器能夠準確捕捉振動信號。在列車運行過程中，振動幅度應保持在0.5g-2g之間，若振動幅度超過5g，系統將自動發出預警，提示可能存在部件松動、磨損等問題。牽引電機溫度監測方面，在牽引電機的定子繞組和軸承部位安裝溫度傳感器，測量范圍為－40℃～200℃，精度可達±0.5℃。安裝過程中，要保證傳感器與被測部位良好接觸。運行時，當定子繞組溫度超過130℃，或軸承溫度超過90℃，系統會立即發出警報，因為過高的溫度可能預示著電機絕緣老化、過載等故障。供電系統的開關柜負責分配和控制電力，在開關柜的進線和出線母排上安裝電流傳感器，測量范圍為0-2000A，精度為±1%。安裝時，要確保傳感器安裝位置正確。在系統運行中，進線電流應根據列車運行數量和負載情況在一定范圍內波動，若某一相電流與其他相電流偏差超過10%，或電流突然大幅增大或減小，可能表示存在短路、過載或接觸不良等問題。通過在城市軌道交通關鍵設備上合理安裝和運用各類傳感器，實時獲取這些關鍵參數，能夠及時發現設備運行中的異常情況，為設備的維護和故障排除提供有力依據。

4.2 預防性維護技術

基于可靠性的維護計劃制定：根據設備的可靠性分析結果，結合設備的運行時間、運行里程、故障歷史等因素，制定科學合理的預防性維護計劃，確定維護項目、維護周期和維護內容，見表1。

激光熔覆技術是一種先進的預防性維護手段，以下以地鐵車輛受電弓滑板的修復為例，選用功率為3k-5kW的光纖激光器，配備同軸送粉裝置，送粉精度可達±0.5g/min。根據受電弓滑板的工作要求和材質，選擇銅基合金粉末，其硬度適中、導電性良好，粒度范圍在150-300目之間。將磨損的受電弓滑板從車輛上拆卸下來，先用有機溶劑清洗表面的油污和灰塵，再用清水沖洗干凈，然后放入超聲波清洗機中，以40kHz的頻率清洗15-20分鐘，徹底去除雜質。使用砂紙對滑板表面進行打磨，粗糙度控制在Ra3.2-Ra6.3μm，打磨過程中要注意保持滑板表面的平整度。激光熔覆操作時，開啟激光熔覆設備，調整光路系統，光斑直徑控制在3-4mm，能量分布均勻。將銅基合金粉末裝入送粉器，設置送粉速度為10-15g/min，通過調試使粉末在激光束作用區域均勻分布。根據滑板的材質和磨損程度，將激光功率設置在2k-3kW之間。掃描速度設定為5-8mm/s，使熔池有足夠的時間凝固。離焦量控制在5-10mm，形成均勻的熔覆層。將清洗打磨后的受電弓滑板固定在工作臺上，調整位置使待熔覆區域位于激光束正下方。啟動激光熔覆設備，按照預設的參數開始熔覆操作。

由于受電弓滑板磨損深度較大，需要進行多層熔覆，每層熔覆厚度控制在0.3-0.5mm，相鄰兩層之間的搭接率為30%～40%，以保證熔覆層的整體性和均勻性。熔覆完成后，將受電弓滑板放入熱處理爐中進行去應力退火處理。加熱溫度為300℃～400℃，保溫時間2-3小時，然后隨爐冷卻，消除熔覆層內部的殘余應力。使用銑床對熔覆后的滑板進行粗加工，去除多余的熔覆材料，使滑板的尺寸接近設計要求，加工余量控制在0.5-1mm。采用磨床對滑板進行精加工，將表面粗糙度加工至Ra0.8-Ra1.6μm，尺寸精度控制在±0.05mm以內。最后通過目視檢查熔覆層表面是否有裂紋、氣孔、夾雜物等缺陷。使用硬度計對熔覆層進行硬度測試，熔覆層硬度一般在HRC20-HRC30之間。采用劃痕試驗等方法檢測熔覆層與基體之間的結合力，結合力應滿足使用要求。實踐證明，激光熔覆技術能夠有效地修復地鐵車輛受電弓滑板的磨損，提高其性能和使用壽命，為城市軌道交通設備的預防性維護提供可靠的技術支持。

4.3 設備升級與改造技術

隨著時間推移，部分設備會出現老化、性能落后等問題，需要通過硬件升級和軟件升級與優化來提升設備性能。以某城市軌道交通線路的列車自動控制系統（ATC）中的軌旁設備硬件升級為例。對現有軌旁設備全面檢查發現，信號機的燈泡老化，發光強度不足，原設計發光強度為1000cd，實際測量部分燈泡僅為600cd；軌道電路的電氣參數出現偏差，原工作頻率為2000Hz，實際波動范圍達到±50Hz。根據評估結果，將信號機燈泡更換為新型LED燈泡，發光強度提升至1500cd，壽命延長至50000小時；軌道電路更換為數字化軌道電路設備，工作頻率穩定在2000Hz±10Hz，提高列車位置檢測精度至厘米級。升級實施：在夜間停運時段，按照設備安裝說明書，將新的信號機燈泡和數字化軌道電路設備進行安裝，信號機的安裝角度偏差控制在±0.5°以內，軌道電路的電纜連接牢固，接觸電阻小于0.1Ω。安裝完成后，信號機的顯示模式、亮度等參數按照設計要求進行調整，軌道電路的發送功率、接收靈敏度等參數進行精確校準，發送功率設置為5W，接收靈敏度達到－100dBm。新硬件設備安裝調試完成后，與整個ATC系統進行聯調。

軟件升級與優化方面，以自動售檢票系統為例。對現有自動售檢票系統軟件進行全面評估，發現軟件在高峰時段處理售票業務的響應時間較長，平均響應時間達到3秒；部分功能模塊存在漏洞，如數據統計模塊在處理大量數據時會出現數據丟失現象。針對評估問題，搭建與實際運行環境相同的測試環境，將升級后的軟件版本部署到測試環境中，模擬各種業務場景，對軟件的各項功能進行嚴格測試。同時，測試軟件與不同型號的終端設備的兼容性。測試通過后，在夜間停運時段對正式運行系統進行軟件升級。升級完成后，進行實時監測，觀察系統運行是否穩定，各項性能指標是否達到優化目標，有效提升城市軌道交通設備的性能和可靠性，保障系統的安全穩定運行。

4.4 智能運維技術

城市軌道交通設備智能運維平臺的建設，能極大提升運維管理的效率與精準度。首先對城市軌道交通各專業設備的運維需求進行詳細調研，確定設備狀態監測數據、維護計劃、維修記錄等，以此規劃平臺的功能模塊。在關鍵設備上安裝各類傳感器，比如在供電設備的變壓器上安裝溫度傳感器，測量范圍為－40℃～200℃，精度±0.5℃；在車輛的轉向架上安裝振動傳感器，測量范圍0-100g，靈敏度100mV/g。通過有線或無線通信網絡將傳感器采集的數據傳輸至平臺，采用工業以太網時，傳輸速率不低于100Mbps。選用高性能服務器，內存不低于 64GB，存儲容量不小于10TB，配備數據存儲設備。采用云計算技術，構建分布式計算平臺，運用大數據處理框架對海量數據高效處理。數據庫選用關系型數據庫和非關系型數據庫相結合的方式，存儲不同類型的數據。對采集到的原始數據進行清洗，去除噪聲數據和異常值。運用機器學習和數據挖掘算法，對設備狀態數據進行分析。功能模塊開發方面，實時展示設備的運行狀態參數，當參數超出閾值時，及時發出預警信息。根據設備的運行狀況和維護周期，自動生成維護計劃，并可進行人工調整。記錄設備的維修歷史，方便查詢和統計分析。

5 總結

綜上所述，城市軌道交通行車安全管理受設備老化問題影響顯著。設備老化表現為機械部件磨損、電氣元件性能下降、軟件兼容性降低等，進而引發信號、供電、車輛及軌道等故障，威脅行車安全。為解決這些問題，需利用狀態監測技術實時掌握設備狀況，實施預防性維護，對老化設備進行升級改造，搭建智能運維平臺等，以此提升設備可靠性，保障城市軌道交通行車安全與穩定運行。

參考文獻：

[1]王俊哲，朱琳，劉志鋼，等.基于可靠性分析的城市軌道交通設備生命周期風險評估[J/OL].城市軌道交通研究，1-9[2025-02-28].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/31.1749.u.20250212.1321.018.html.

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