劉金葉 張明銳 吳嚴(yán)嚴(yán)

(1.上海地鐵維護(hù)保障有限公司，200070，上海； 2.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，201804，上海//第一作者，高級(jí)工程師)

軌道電路是由鋼軌線路和鋼軌絕緣構(gòu)成的電路，用于自動(dòng)、連續(xù)檢測線路段內(nèi)是否有車輛，也用于控制信號(hào)裝置或轉(zhuǎn)轍裝置，以保證行車安全[1]。

上海軌道交通2號(hào)線使用的是50 Hz相敏軌道電路，其工作原理是：當(dāng)軌道區(qū)段內(nèi)無車輛占用時(shí)，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(hào)燈；當(dāng)軌道區(qū)段內(nèi)有車輛占用時(shí)，軌道電源被分路，繼電器銜鐵落下，亮紅色信號(hào)燈。若沒有車輛占用軌道電路時(shí)，軌道繼電器落下，此時(shí)即為軌道電路空閑紅光帶故障。上海軌道交通2號(hào)線的軌道電路空閑紅光帶故障，原因就是鐵屑造成絕緣節(jié)短路，使軌道電路被分路，導(dǎo)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(xiàn)較多的上海軌道交通2號(hào)線廣蘭路站的岔區(qū)圖。圖中實(shí)線箭頭表示4節(jié)編組列車的走行路徑，虛線箭頭表示8節(jié)編組列車的走行路徑。

圖1 上海軌道交通2號(hào)線廣蘭路站岔區(qū)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(yán)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(jié)失效或狀態(tài)不良，車輛牽引電流產(chǎn)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(hào)線紅光帶故障概況

自2017年下半年以來，上海軌道交通2號(hào)線軌道電路紅光帶故障頻發(fā)，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(hào)線軌道電路紅光帶故障情況

檢修人員在一些典型岔區(qū)清掃出大量鐵屑，這些鐵屑存在于軌端絕緣節(jié)附近，造成絕緣節(jié)短路，從而使軌道電路產(chǎn)生空閑紅光帶故障。統(tǒng)計(jì)顯示，幾次紅光帶故障，幾乎都是鐵屑造成絕緣節(jié)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(hào)線典型岔區(qū)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(jī)理與過程，針對(duì)車輛、工務(wù)、通號(hào)、供電等各專業(yè)出現(xiàn)的問題提出解決對(duì)策，制定一套合理的技術(shù)方案。技術(shù)方案主要分為現(xiàn)場調(diào)研、材料分析、車輛運(yùn)行工況分析、信號(hào)指令分析4個(gè)部分。

2.1 現(xiàn)場調(diào)研

選擇典型岔區(qū)，查看鐵屑散落情況、鋼軌及護(hù)輪軌等設(shè)備的磨損情況，收集鐵屑樣本，比較分析不同岔區(qū)的鐵屑形狀、鐵屑分布、鋼軌磨耗。查看收集岔區(qū)的曲線半徑、坡度、進(jìn)出站限速等行車參數(shù)與條件。選擇典型車輛基地，查看2號(hào)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(duì)廣蘭路站岔區(qū)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)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(qū)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場除多處散落鐵屑外，鋼軌、護(hù)輪軌均有飛邊現(xiàn)象，護(hù)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(qū)清掃出的有較大不同。鐵屑樣本如圖2所示。

車輛基地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，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(cè)面磨損、邊沿剝落現(xiàn)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(jù)對(duì)鐵屑中特有元素的分析，對(duì)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(jié)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(shí)圖

表3中鋼軌一欄未對(duì)Cr、Ni、Mo、Cu等元素進(jìn)行標(biāo)注。國標(biāo)中規(guī)定，這些元素的含量若不高于給定值即可不作標(biāo)注，但并不排除有微量殘留。對(duì)比分析檢測結(jié)果可見，鐵屑中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于鋼軌和車輪中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，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(jié)果及對(duì)比

據(jù)了解，復(fù)合閘瓦一般會(huì)加入石墨作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑，加入碳纖維作為增強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于鋼軌中這些元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，推測其來自車輪的可能性較大，但不排除鋼軌磨損進(jìn)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(fù)合體。

2.3 列車運(yùn)行工況

對(duì)于鐵屑分布較多的廣蘭路站岔區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研時(shí)所得到的曲線半徑、坡度、列車進(jìn)出站限速等行車條件進(jìn)行牽引計(jì)算，得到列車進(jìn)站的速度曲線和電流曲線。

地鐵列車兩種基本的運(yùn)行策略是節(jié)時(shí)運(yùn)行策略和節(jié)能運(yùn)行策略。節(jié)時(shí)運(yùn)行策略下，列車以最大牽引力和最大制動(dòng)力使列車在最短時(shí)間內(nèi)走完整個(gè)區(qū)間。節(jié)能運(yùn)行策略下，列車加速階段以最大牽引力加速至某一經(jīng)濟(jì)速度，中間過程以勻速運(yùn)行或盡可能惰行，進(jìn)站以最大制動(dòng)力制動(dòng)。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(jié)時(shí)策略下列車牽引典型的速度曲線和電流曲線

對(duì)于直流牽引系統(tǒng)而言，電流正值表示列車運(yùn)行于牽引工況，電流負(fù)值表示列車運(yùn)行于再生制動(dòng)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(hào)線列車行車記錄儀中提取的廣蘭路站岔區(qū)列車進(jìn)站時(shí)的電流和速度曲線。

b) 電流曲線圖5 節(jié)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(jìn)站牽引特性曲線

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

從以上列車的實(shí)際牽引電流曲線發(fā)現(xiàn)，在列車進(jìn)站停車的過程中，出現(xiàn)了劇烈的牽引制動(dòng)工況切換。這種現(xiàn)象說明，列車在速度跟蹤過程中，牽引控制策略適應(yīng)性較差，出現(xiàn)頻繁的工況切換。

電制動(dòng)的原理是將電動(dòng)機(jī)按照發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能反饋至電網(wǎng)。電能和機(jī)械能的變換和傳遞都是通過電機(jī)氣隙間的磁場轉(zhuǎn)化完成的。列車是一個(gè)大慣量運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，高速運(yùn)行時(shí)，由牽引工況切換至制動(dòng)工況，由于電機(jī)氣隙的柔性耦合作用，可以緩解車速的劇烈變化。但是，會(huì)增加輪軌之間的滑動(dòng)摩擦。輪軌間的滑動(dòng)摩擦幅度較大時(shí)，會(huì)對(duì)輪緣踏面和鋼軌造成額外磨損，產(chǎn)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(chǎn)生的重要原因之一。

理想的列車的制動(dòng)過程是，正向牽引電流逐漸減小至零，再變?yōu)榉聪蛑苿?dòng)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(wěn)。而不應(yīng)該出現(xiàn)如圖6所示的牽引制動(dòng)工況頻繁切換現(xiàn)象。為此，需進(jìn)一步分析列車的牽引控制系統(tǒng)。

2.4 信號(hào)指令

目前，上海軌道交通2號(hào)線在正常情況下，采用ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)模式，列車的運(yùn)行工況受控于信號(hào)系統(tǒng)的直接指揮，運(yùn)行中的列車會(huì)收到信號(hào)系統(tǒng)的速度指令和行車指令。圖7為2號(hào)線廣蘭路站列車進(jìn)站過程收到的信號(hào)行車指令。

a) 4輛編組列車進(jìn)出站牽引時(shí)序指令

b) 8輛編組列車進(jìn)出站牽引時(shí)序指令

圖7 廣蘭路站4輛編組列車與8輛編組

列車進(jìn)出站牽引時(shí)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(dòng)指令。通過指令時(shí)序圖可發(fā)現(xiàn)，列車在進(jìn)站時(shí)，所收到的行車信號(hào)中，出現(xiàn)了牽引制動(dòng)工況頻繁交替切換。出站過程也存在類似情形。

信號(hào)系統(tǒng)所給出的2種行車信號(hào)，牽引指令的實(shí)際含義是列車當(dāng)前速度低于限值，需要牽引提速；制動(dòng)指令的含義是列車當(dāng)前速度高于限值，需要制動(dòng)或者惰行。如果按照?qǐng)D7所給的行車信號(hào)，將牽引指令和制動(dòng)指令直接理解為列車的牽引工況和制動(dòng)工況，將會(huì)出現(xiàn)圖6所示的列車運(yùn)行特性，牽引和制動(dòng)2種工況頻繁切換。

因此，地鐵信號(hào)系統(tǒng)和車輛牽引系統(tǒng)之間，需要根據(jù)列車的當(dāng)前運(yùn)行速度、位置和行車區(qū)間的限速要求，制定牽引策略。但是，不管是采取節(jié)能運(yùn)行策略，還是節(jié)時(shí)運(yùn)行策略，都不應(yīng)該出現(xiàn)牽引制動(dòng)頻繁、反復(fù)切換的現(xiàn)象。

對(duì)比2號(hào)線其他車站及1、3、4號(hào)線相似岔區(qū)，未發(fā)現(xiàn)列車進(jìn)出站時(shí)牽引制動(dòng)頻繁切換現(xiàn)象，也沒有大量鐵屑散落。因此，可以認(rèn)為列車的牽引控制系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)的配合不夠理想。

2號(hào)線制動(dòng)模式為電空混合制動(dòng)，列車在速度較高時(shí)采用電制動(dòng)，也就是再生制動(dòng)；當(dāng)速度降低到20 km/h時(shí)，列車處于空氣預(yù)制動(dòng)狀態(tài)，閘瓦與車輪踏面的間隙減??；當(dāng)列車速度進(jìn)一步降低至5 km/h時(shí)，再生制動(dòng)失效，由空氣制動(dòng)將列車停穩(wěn)。

在2號(hào)線新車調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)特性較軟，東延伸段列車的空氣預(yù)制動(dòng)施加速度值較高，有部分列車一直處于空氣預(yù)制動(dòng)狀態(tài)。

據(jù)此初步推斷，2號(hào)線列車進(jìn)出站時(shí)頻繁的牽引制動(dòng)工況切換，使得輪軌之間的滑動(dòng)摩擦加劇，產(chǎn)生較小形狀的鐵屑。車輛空氣預(yù)制動(dòng)使得閘瓦與踏面的間隙變小，甚至處于輕微接觸狀態(tài)，閘瓦與輪軌之間磨損產(chǎn)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(jié)為圖2所示的鐵屑。待空氣制動(dòng)緩解，鐵屑散落到鋼軌上，部分鐵屑散落到絕緣節(jié)附近，經(jīng)車輪碾壓卷帶造成絕緣節(jié)短路。這就是鐵屑形成的機(jī)理和過程。這個(gè)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(wù)、通號(hào)、供電等多專業(yè)綜合影響的結(jié)果，故各專業(yè)都要做出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

(1)車輛專業(yè)：優(yōu)化列車動(dòng)力系統(tǒng)控制策略，改進(jìn)列車牽引系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合。更新現(xiàn)有的制動(dòng)軟件版本，優(yōu)化電空制動(dòng)策略，將空氣預(yù)制動(dòng)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(wù)專業(yè)：增加岔區(qū)清掃頻次，在限制范圍內(nèi)，加大絕緣節(jié)厚度，降低鐵粉堆積形成短路的可能性。調(diào)整岔區(qū)小半徑曲線的內(nèi)外軌超高值、軌距限值、護(hù)輪軌距限值等關(guān)鍵幾何參數(shù)，縮短測量維護(hù)周期，對(duì)岔區(qū)等特殊區(qū)段制定個(gè)性化的鋼軌打磨辦法。制定絕緣節(jié)周圍區(qū)段軌道維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程。

(3)通號(hào)專業(yè)：分解絕緣節(jié)，清理絕緣節(jié)底部堆積的鐵粉，保證其絕緣性能良好。檢修折返區(qū)段軌道電路，確保參數(shù)合格。配合車輛專業(yè)，優(yōu)化ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)及列車牽引制動(dòng)指令，避免列車在進(jìn)出站時(shí)牽引制動(dòng)頻繁切換。

(4)供電專業(yè)：優(yōu)化維護(hù)保養(yǎng)制度，確保岔區(qū)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(jié)語

軌道電路紅光帶故障給地鐵運(yùn)營調(diào)度帶來了很大的壓力。上海軌道交通2號(hào)線的紅光帶故障主要是由于鐵屑造成了軌道電路絕緣節(jié)短路。本文通過現(xiàn)場調(diào)研、材料檢測與對(duì)比分析確定了鐵屑的來源，通過列車運(yùn)行工況、車輛制動(dòng)特性分析，推斷出鐵屑的形成機(jī)理與過程。根據(jù)上海軌道交通的維保管理經(jīng)驗(yàn)，給出了車輛、工務(wù)、通號(hào)、供電各專業(yè)降低紅光帶故障的對(duì)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。