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型車已運(yùn)行近20年，車輛各系統(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)致列車溜車等安全事故。根據(jù)廣州地鐵車輛中心網(wǎng)站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2004年至今已發(fā)生近百起的列車溜車事件，近年來(lái)發(fā)生在站臺(tái)的溜車事件數(shù)量開始明顯增加，主要表現(xiàn)為：A1型車以ATO（自動(dòng)駕駛系統(tǒng)）模式進(jìn)站對(duì)標(biāo)停車，列車停穩(wěn)，車門及屏蔽門自動(dòng)開啟后，列車出現(xiàn)后溜，APT（自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)）使列車產(chǎn)生緊制，車門與屏蔽門自動(dòng)關(guān)閉。在此期間如果有乘客上下車，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型車站臺(tái)溜車的故障展開調(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型車車輛控制的原理，對(duì)列車站臺(tái)溜車的可能性展開調(diào)查研究，并通過信號(hào)采集與故障模擬，發(fā)現(xiàn)列車站臺(tái)產(chǎn)生溜車的原因是：列車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，列車因重力而發(fā)生溜車。

2.1 保壓制動(dòng)緩解的原理分析

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

列車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)。

正常的車輛保壓制動(dòng)緩解過程如下（見圖1）：

（1）列車在站臺(tái)或者車庫(kù)啟動(dòng)前，列車控制狀態(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，車輛狀態(tài)由“2”變?yōu)椤?1”，即列車處于待牽引狀態(tài)；

表1 車輛狀態(tài)

圖1 車輛保壓制動(dòng)緩解條件邏輯

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

2017年3月17日對(duì)1A0910發(fā)生溜車故障的車輛車進(jìn)行在線數(shù)據(jù)收集，在列車下行?？吭谖鏖T口站臺(tái)時(shí)，NI64通道記錄儀記錄下了正常的列車信號(hào)狀態(tài)。

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

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

（2）在t2時(shí)刻，列車開始移動(dòng)（有速度信號(hào)），列車有牽引指令，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?？块L(zhǎng)壽路站臺(tái)時(shí)，列車溜車，隨后列車緊急制動(dòng)，NI64通道記錄儀記錄下了該時(shí)間段列車信號(hào)狀態(tài)。

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

（1）在t1時(shí)刻，列車停穩(wěn)（無(wú)速度信號(hào)），列車無(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，列車開始移動(dòng)（有速度信號(hào)），列車無(wú)牽引指令，有保壓制動(dòng)緩解指令，但并未建立牽引力矩，列車發(fā)生溜車；

（3）在t3時(shí)刻，列車因溜車，列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)ATP使列車緊急制動(dòng)、快速制動(dòng)、常用制動(dòng)回路斷開，列車同時(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（見圖2），列車施加保壓制動(dòng)。

圖2 車輛狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

對(duì)比兩次收集到的正線數(shù)據(jù)，溜車時(shí)段，列車停站停穩(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，常開觸頭閉合，保壓制動(dòng)列車線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車的檢查過程中發(fā)現(xiàn)，其中一節(jié)車的A313板的K7繼電器觸點(diǎn)處于卡合狀態(tài)，整列車一直處于保壓制動(dòng)緩解的狀態(tài)，更換該繼電器后，列車正常。

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

2.2 列車受力分析

主要表現(xiàn)為：列車在站臺(tái)或折返線（有坡度的軌道）上啟動(dòng)時(shí)發(fā)生后溜。經(jīng)專業(yè)小組技術(shù)攻關(guān)后發(fā)現(xiàn)：大部分發(fā)生溜車故障時(shí)，列車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)致牽引系統(tǒng)不能正常充電，常用制動(dòng)指令維持約1秒后撤消，列車隨后接收到牽引指令，使列車保壓制動(dòng)緩解，但此時(shí)由于牽引系統(tǒng)沒能正常充電，因而沒有建立牽引力矩，導(dǎo)致車輛溜車；部分時(shí)候出現(xiàn)車輛牽引控制單元DCU內(nèi)部一塊電子板上的微型繼電器偶然出現(xiàn)故障（見圖4、5），導(dǎo)致列車保壓制動(dòng)異常緩解，造成列車在有坡度的站臺(tái)上出現(xiàn)后溜。通過更換該類型的微型繼電器，極大地改善了列車剛停站即出現(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)致列車出現(xiàn)后溜的故障，對(duì)列車的安全運(yùn)營(yíng)會(huì)造成了很大的影響。

A1型車列車進(jìn)站對(duì)標(biāo)停穩(wěn)，車門自動(dòng)打開后，列車后溜緊制，車門自動(dòng)關(guān)閉。對(duì)故障列車進(jìn)行調(diào)查、研究發(fā)現(xiàn)，列車進(jìn)站由制動(dòng)力停穩(wěn)后收到開門信號(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)致整列車處于保壓制動(dòng)緩解狀態(tài)，列車由于自重發(fā)生后溜，零速繼電器2K13繼而得電，列車產(chǎn)生緊制，同時(shí)開門使能繼電器失電，車門關(guān)閉。當(dāng)司機(jī)方向手柄回零位后，列車有緊急制動(dòng)力而停穩(wěn)。

圖6 長(zhǎng)壽路站下行后溜示意圖

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

列車重力：

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

列車坡道阻力：

不考慮風(fēng)阻，列車產(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)列車因所有氣制動(dòng)緩解后無(wú)牽引力，產(chǎn)生后溜時(shí)，列車將以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型車的現(xiàn)狀。因此提出對(duì)一號(hào)線A1型車防開門溜車的技術(shù)改造方案。

圖7 列車受力分析圖

3 改造方案

列車進(jìn)站由制動(dòng)力停穩(wěn)，ATO模式給出開門使能、指令后，車門打開，此時(shí)正常情況下列車會(huì)有保壓制動(dòng)力，但如果該車任意一個(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)致整列車保壓制動(dòng)緩解。

為防止車門打開時(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DCU發(fā)出保壓制動(dòng)緩解指令BHL線路上串接單節(jié)車關(guān)門繼電器8K27、8K28的一對(duì)常開觸點(diǎn)43/44腳，通過利用列車冗余的備用線，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)車同時(shí)出現(xiàn)車門故障(可能性極低)，引起保壓制動(dòng)信號(hào)BHL均不能給出，在列車的2節(jié)C車加裝的串聯(lián)繼電器回路中再加入旁路。利用司機(jī)室車鉤旁路的旋鈕開關(guān)3S97控制，及其所控制的繼電器3K44的一對(duì)剩余常開觸點(diǎn)并入回路。

圖8 保壓制動(dòng)緩解信號(hào)改造后的示意圖

本方案利用車輛B、C車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，能有效地解決車輛停穩(wěn)、車門打開，車輛后溜的問題。

目前廣州地鐵一號(hào)線A1型車車輛均已根據(jù)該方案改造完成，運(yùn)行超過2個(gè)月，未再出現(xiàn)一起開門溜車的安全事件，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)車的牽引控制單元發(fā)出保壓制動(dòng)緩解指令后，六節(jié)車的制動(dòng)控制單元均會(huì)緩解保壓制動(dòng)。由于A1型車牽引控制單元板件使用已超過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)致列車開門溜車的事件日益頻發(fā)，對(duì)列車正線的運(yùn)營(yíng)造成了極大的安全隱患。通過對(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，消除了列車開門溜車的安全隱患，同時(shí)為車輛維護(hù)人員自主解決車輛長(zhǎng)期存在的慣性難題提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，提升了列車服務(wù)水平。

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