朱發(fā)林，吳沛軒，孫曉偉

近年來(lái)，軌道交通已成為我國(guó)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)中，引導(dǎo)城市群空間形態(tài)布局的重要力量和促進(jìn)城市群發(fā)展的基礎(chǔ)條件。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和技術(shù)水平的提升，創(chuàng)建以干線(xiàn)鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網(wǎng)融合”為特征的綜合立體軌道交通網(wǎng)絡(luò)，已成為軌道交通領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)。廣州地鐵18 號(hào)線(xiàn)是國(guó)內(nèi)首條運(yùn)行時(shí)速達(dá)160 km 的全地下市域快軌線(xiàn)路，在設(shè)備選型上與地鐵和國(guó)鐵均有一定區(qū)別。信號(hào)控制設(shè)備采用地鐵的基于通信的列車(chē)信號(hào)控制系統(tǒng)（CBTC）；車(chē)輛方面選用類(lèi)似高鐵列車(chē)的市域D型動(dòng)車(chē)組；牽引供電系統(tǒng)采用交流25 kV 替代傳統(tǒng)城市軌道交通直流1.5 kV 供電，以提高市域鐵路的供電效率和驅(qū)動(dòng)力。隨著供電制式改變和電壓等級(jí)的提升，牽引電流會(huì)達(dá)到數(shù)百安培甚至上千安培［1］，如此大功率非線(xiàn)性整流逆變過(guò)程往往會(huì)帶來(lái)非常豐富的諧波電流［2］，而牽引回流產(chǎn)生的雜散電流及高速時(shí)弓網(wǎng)離線(xiàn)產(chǎn)生的燃弧會(huì)對(duì)計(jì)軸設(shè)備正常工作造成影響；同時(shí)，高速運(yùn)行的列車(chē)對(duì)計(jì)軸傳感器的安裝穩(wěn)固性也提出了更高的要求。因此解決市域快軌在交流25 kV 牽引制式下的電磁干擾問(wèn)題和提升計(jì)軸傳感器安裝穩(wěn)定性就成為亟待研究的課題。

鄭儆醒等［1］對(duì)溫州S1 線(xiàn)25 kV 牽引電流產(chǎn)生的干擾諧波電流進(jìn)行分析，通過(guò)在計(jì)軸傳感器安裝點(diǎn)位置增加接地線(xiàn)，使干擾諧波電流提前通過(guò)接地線(xiàn)釋放到大地，避免對(duì)計(jì)軸傳感器的干擾；王一搏［3］、蔣晶等［4］、付麗等［5］對(duì)牽引傳動(dòng)過(guò)程、牽引回流等外部環(huán)境的電磁兼容性進(jìn)行技術(shù)分析，并從計(jì)軸尾纜布線(xiàn)方式、接地屏蔽處理方面給出解決思路。由于以上研究多從設(shè)備接地和外部屏蔽干擾方面給出解決方案，而對(duì)如何提升計(jì)軸設(shè)備自身可靠性研究較少，因此本文結(jié)合市域快軌計(jì)軸設(shè)備的特點(diǎn)，從外部環(huán)境、自身抗干擾能力、安裝方式等多方面提出提升計(jì)軸設(shè)備可靠性的優(yōu)化方案。

1 ARTJZ-2A型計(jì)軸設(shè)備原理

廣州地鐵18 號(hào)線(xiàn)采用國(guó)產(chǎn)ARTJZ-2A 型計(jì)軸設(shè)備進(jìn)行占用/出清檢測(cè)。ARTJZ-2A 型計(jì)軸設(shè)備由計(jì)軸傳感器、計(jì)數(shù)單元、通信單元、主機(jī)單元等模塊組成。室外計(jì)軸傳感器采用雙傳感器冗余布局，計(jì)軸區(qū)段中任意一個(gè)傳感器故障的情況下，區(qū)段仍可以采用四取三容錯(cuò)計(jì)算方式，保證計(jì)軸區(qū)段可以正常工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體具有較高的可靠性和可用性。

計(jì)軸傳感器設(shè)計(jì)有2 個(gè)接收線(xiàn)圈［6］，通過(guò)2 個(gè)接收線(xiàn)圈探測(cè)輪對(duì)的輪緣以電流形式輸出2 個(gè)方波計(jì)數(shù)信號(hào)SIG1、SIG2，根據(jù)車(chē)輪經(jīng)過(guò)傳感器2 路信號(hào)的時(shí)間差值即可判定列車(chē)的行駛方向。計(jì)數(shù)單元對(duì)來(lái)自計(jì)軸傳感器的計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和輪對(duì)行駛方向判定；通信單元負(fù)責(zé)接收室外計(jì)數(shù)單元發(fā)送的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)軸主機(jī)單元；計(jì)軸主機(jī)單元通過(guò)記錄計(jì)軸傳感器的輪對(duì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)軌道區(qū)段占用和出清狀態(tài)的判定、計(jì)軸區(qū)段的復(fù)位、故障判斷等功能。計(jì)軸設(shè)備原理見(jiàn)圖1。

圖1 國(guó)產(chǎn)ARTJZ-2A型計(jì)軸設(shè)備原理

2 電磁干擾分析

廣州地鐵18 號(hào)線(xiàn)采用25 kV 交流牽引的供電制式，架空剛性接觸網(wǎng)供電。由牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾源主要有2 個(gè)方面：一是牽引電流回流產(chǎn)生的雜散電流干擾；二是列車(chē)升弓運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)離線(xiàn)燃弧干擾。這2 類(lèi)干擾都可能造成計(jì)軸傳感器發(fā)生故障，在信號(hào)系統(tǒng)人機(jī)界面上顯示出計(jì)軸區(qū)段干擾［7］。

2.1 雜散電流電磁干擾分析

市域鐵路的牽引電流由牽引變電所出發(fā)，經(jīng)由饋電線(xiàn)→接觸網(wǎng)→受電弓→電力機(jī)車(chē)→鋼軌或大地→回流線(xiàn)→牽引變電所，形成閉合回路。實(shí)際應(yīng)用時(shí)鋼軌與大地間存在泄漏電導(dǎo)（雜散電流），使部分牽引電流先流入大地，再通過(guò)大地回流到牽引變電所。雜散電流在流經(jīng)大地時(shí)會(huì)引起鋼軌電位的變化，且鋼軌電位越高，流向大地中雜散電流就越大，越容易對(duì)軌旁信號(hào)設(shè)備產(chǎn)生感性、阻性耦合干擾。

廣州地鐵18號(hào)線(xiàn)開(kāi)通后，折返站岔區(qū)計(jì)軸傳感器頻發(fā)故障，經(jīng)示波器監(jiān)測(cè)傳感器輸出電流（圖2）可以看出，輸出電流的方波信號(hào)中存在較多的干擾毛刺雜波，說(shuō)明計(jì)軸傳感器在工作過(guò)程中受到外界電磁干擾，產(chǎn)生了不規(guī)則圖形，無(wú)法識(shí)別有效的輪軸脈沖信號(hào)及車(chē)輪方向［7］。根據(jù)電磁干擾原理，當(dāng)感應(yīng)電流產(chǎn)生功率大于傳感器工作功率時(shí)，傳感器正常的工作信號(hào)會(huì)被淹沒(méi)，無(wú)法正常解析，造成計(jì)軸設(shè)備判斷軸數(shù)無(wú)效或?qū)虬踩珎?cè)。進(jìn)一步排查周邊環(huán)境，發(fā)現(xiàn)該位置在變電所向線(xiàn)路供電的注入處，且此處軌電位電壓高于其他區(qū)域，因此判斷該位置存在較大不均衡牽引回流，造成道床雜散電流功率過(guò)高［8］，從而擾動(dòng)計(jì)軸傳感器正常工作。

圖2 示波器采集故障時(shí)輸出電流波形

2.2 弓網(wǎng)離線(xiàn)燃弧電磁干擾分析

列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，電力機(jī)車(chē)通過(guò)受電弓以滑動(dòng)接觸的方式從接觸網(wǎng)上獲取電能，受流過(guò)程中電力機(jī)車(chē)受電弓與接觸網(wǎng)始終進(jìn)行連續(xù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。受電弓因電力機(jī)車(chē)影響在豎直方向上振動(dòng)，并在水平方向左右擺動(dòng)，同時(shí)接觸網(wǎng)也不斷抖動(dòng)，造成弓網(wǎng)間難以保持良好的接觸，特別是在列車(chē)過(guò)分相時(shí)更易發(fā)生弓網(wǎng)離線(xiàn)，而弓網(wǎng)離線(xiàn)的間隙會(huì)發(fā)生火花放電，引起電弧，導(dǎo)致強(qiáng)電磁脈沖噪聲發(fā)射。弓網(wǎng)離線(xiàn)產(chǎn)生的電磁噪聲為瞬變?cè)肼暎漕l率高、覆蓋范圍廣，已成為市域鐵路中最為嚴(yán)重的干擾源之一。弓網(wǎng)離線(xiàn)產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)在車(chē)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而引發(fā)二次輻射，干擾軌旁信號(hào)設(shè)備。

廣州地鐵18 號(hào)線(xiàn)列車(chē)高速行駛時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn)明顯弓網(wǎng)離線(xiàn)燃弧現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)剛性接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范，架空剛性接觸網(wǎng)適用于時(shí)速不大于160 km 的交流25 kV 牽引制式線(xiàn)路，160 km/h 運(yùn)行速度已經(jīng)是剛性接觸網(wǎng)的工作極限，因此要解決弓網(wǎng)燃弧造成的計(jì)軸干擾問(wèn)題，還需進(jìn)一步研究如何提高自身計(jì)軸設(shè)備的抗干擾能力。

3 計(jì)軸傳感器安裝穩(wěn)固性分析

計(jì)軸傳感器安裝在工字軌內(nèi)側(cè)，采用支架安裝方式，固定螺絲均采用防震防松結(jié)構(gòu)。計(jì)軸傳感器安裝完成后，其頂部不能進(jìn)入軌面下部，距鋼軌側(cè)面距離應(yīng)在0～3 mm，一旦超出該范圍，就會(huì)出現(xiàn)計(jì)軸輸出電流波形異常，嚴(yán)重時(shí)造成計(jì)軸設(shè)備無(wú)法正常工作，產(chǎn)生故障。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，列車(chē)高速運(yùn)行區(qū)域發(fā)生計(jì)軸設(shè)備故障占比較大，主要原因是高速列車(chē)振動(dòng)，使計(jì)軸傳感器位置發(fā)生偏移，傳感器與鋼軌之間的距離不滿(mǎn)足“計(jì)軸傳感器距離鋼軌間隙0～3 mm”的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)生故障時(shí)，計(jì)軸傳感器和鋼軌趨于貼合狀態(tài)，輸出的空閑、占用電流參數(shù)產(chǎn)生變化，影響計(jì)數(shù)功能。

4 計(jì)軸設(shè)備可靠性研究

4.1 解決道床雜散電流問(wèn)題

JZ2102計(jì)軸傳感器故障有2個(gè)特點(diǎn)：一是故障計(jì)軸點(diǎn)位置處于牽引供電回流注入變電所的前方，牽引回流電位相對(duì)較高；二是故障傳感器集中在圖3 所示的沒(méi)有連接牽引回流線(xiàn)的2 號(hào)計(jì)軸傳感器處，而安裝牽引回流線(xiàn)的1 號(hào)計(jì)軸傳感器運(yùn)行較為穩(wěn)定。由此分析得出，列車(chē)車(chē)輪靠近或經(jīng)過(guò)2 號(hào)計(jì)軸傳感器時(shí)，2 號(hào)傳感器處的牽引回流可能存在回流不暢，計(jì)軸輪對(duì)脈沖信號(hào)出現(xiàn)大量的雜波干擾，兩軌之間的電位差越高，雜波信號(hào)越強(qiáng)。因此，提出在JZ2102 傳感器前方增加均流線(xiàn)的方法［9］，將傳感器前方的牽引回流分流到另外一側(cè)鋼軌流向等電位排，減少通過(guò)JZ2102 流入道床的雜散電流，從而達(dá)到減少計(jì)軸設(shè)備受擾的目的。

圖3 加裝均流線(xiàn)解決道床雜散電流

按照?qǐng)D3所示位置安裝均流線(xiàn)后，JZ2102計(jì)軸傳感器受干擾問(wèn)題得到徹底解決。此外還需排查均流線(xiàn)、回流線(xiàn)的安裝牢固性，如果存在虛接，同樣會(huì)造成道床雜散電流過(guò)高，影響計(jì)軸設(shè)備的正常工作。

4.2 優(yōu)化計(jì)軸設(shè)備出清占用判斷邏輯

通過(guò)對(duì)計(jì)軸設(shè)備故障的漏軸數(shù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，計(jì)軸設(shè)備發(fā)生漏1軸的故障占比達(dá)到89%，如能解決該問(wèn)題，將大幅度提升計(jì)軸設(shè)備的可靠性。

根據(jù)原設(shè)計(jì)的計(jì)軸區(qū)段出清、占用邏輯，進(jìn)出區(qū)段的軸數(shù)必須完全一樣，信號(hào)系統(tǒng)才能判定該區(qū)段出清，一旦出現(xiàn)漏軸，必然會(huì)發(fā)生計(jì)軸設(shè)備故障。因此，如需減少偶發(fā)漏軸問(wèn)題造成的設(shè)備故障，需提升計(jì)軸設(shè)備的容錯(cuò)能力，允許偶發(fā)性的漏軸。依據(jù)《鐵路信號(hào)計(jì)軸設(shè)備通用技術(shù)條件》（TB/T 2296—2019）4.4 章節(jié)C 項(xiàng)內(nèi)容：“利用其他特定安全條件，應(yīng)區(qū)分正常行車(chē)和外界干擾，并應(yīng)消除±1軸的外界干擾”［10］。對(duì)計(jì)軸設(shè)備出清、占用邏輯進(jìn)行優(yōu)化，修改計(jì)軸主機(jī)出清、占用判斷邏輯軟件，使計(jì)軸點(diǎn)在受到干擾（±1 軸）時(shí)，仍可按照列車(chē)駛離方向依次出清，不再發(fā)生計(jì)軸故障。該措施在全線(xiàn)實(shí)施后有效降低了計(jì)軸設(shè)備的故障率，提升了信號(hào)計(jì)軸設(shè)備可靠性。

4.3 提升計(jì)軸設(shè)備自身的抗干擾能力

計(jì)軸設(shè)備本身具有濾除一定干擾波形的能力。濾波參數(shù)設(shè)定原則是產(chǎn)生的雜亂波信號(hào)寬度大于1 ms時(shí)，會(huì)導(dǎo)致傳感器受干擾而無(wú)法正常計(jì)數(shù)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的干擾波形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的干擾波形99%以上都在2.5 ms 以?xún)?nèi)，因此現(xiàn)有計(jì)軸設(shè)備無(wú)法有效濾除所有弓網(wǎng)離線(xiàn)燃弧產(chǎn)生的電磁干擾。計(jì)軸設(shè)備設(shè)計(jì)之初是依據(jù)列車(chē)速度不高于800 km/h而設(shè)定濾波間隙參數(shù)為1 ms，即對(duì)1 ms 以?xún)?nèi)的干擾可以有效濾除。

根據(jù)列車(chē)最高運(yùn)行時(shí)速具體計(jì)算公式

式中：V1為原濾波參數(shù)下允許列車(chē)通過(guò)的最高車(chē)速；V2為新濾波參數(shù)下允許列車(chē)通過(guò)的最高車(chē)速；T1為原濾波參數(shù)時(shí)間間隙；T2為新濾波參數(shù)時(shí)間間隙。因此可以根據(jù)波形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，將濾波間隙調(diào)整為2.5 ms［11］，可適應(yīng)最高車(chē)速為320 km/h，同樣滿(mǎn)足市域快軌160 km/h 車(chē)速的運(yùn)行要求，并可以將99%以上的干擾波形濾除。

對(duì)廣州地鐵18 號(hào)線(xiàn)全線(xiàn)計(jì)軸設(shè)備濾波參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整前后的干擾濾波波形見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)計(jì)軸設(shè)備只有接收到大于2.5 ms 以上的干擾波形，才會(huì)影響正常計(jì)數(shù)。該措施實(shí)施后有效解決了因弓網(wǎng)離線(xiàn)燃弧造成的計(jì)軸干擾問(wèn)題，列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)的計(jì)軸傳感器受干擾故障明顯減少，提升了計(jì)軸設(shè)備的可靠性。

圖4 濾波參數(shù)優(yōu)化前后濾波圖形

4.4 加強(qiáng)傳感器安裝穩(wěn)固性

為提升計(jì)軸傳感器的安裝穩(wěn)固性，對(duì)其安裝結(jié)構(gòu)提出如下改進(jìn)措施。

1）安裝螺絲涂抹螺紋緊固劑。列車(chē)高速經(jīng)過(guò)傳感器上方容易造成螺絲松動(dòng)，使傳感器與鋼軌間隙縮小。通過(guò)涂抹螺紋緊固劑再緊固安裝，可有效提升傳感器安裝緊固性。

2）切除部分計(jì)軸尾纜安裝時(shí)加裝的防護(hù)管。計(jì)軸尾纜安裝時(shí)一般套有硬度較高的防護(hù)管，列車(chē)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)造成防護(hù)管擠壓傳感器，導(dǎo)致傳感器位置產(chǎn)生變化。切除部分傳感器尾纜防護(hù)套管后，可極大地改善傳感器受擠狀態(tài)。

3）增加固定螺絲。固定傳感器的螺絲為單螺絲，存在單軸轉(zhuǎn)動(dòng)造成傳感器與鋼軌之間間隙縮小的可能。在傳感器側(cè)面額外加裝一組螺絲，增加傳感器的安裝緊固性，進(jìn)一步提高傳感器安裝可靠度。

4）固定螺絲使用防松螺母。通過(guò)增加放松螺母進(jìn)一步提高傳感器的安裝穩(wěn)固性。

5 結(jié)束語(yǔ)

因在設(shè)計(jì)階段對(duì)計(jì)軸設(shè)備能否有效適應(yīng)市域快軌線(xiàn)路交流25 kV 牽引制式下高強(qiáng)度電磁環(huán)境，以及高速列車(chē)振動(dòng)環(huán)境等認(rèn)識(shí)不足，致使廣州地鐵18 號(hào)線(xiàn)開(kāi)通之初，信號(hào)計(jì)軸設(shè)備受外界電磁干擾問(wèn)題和計(jì)軸傳感器自身安裝緊固性問(wèn)題影響，應(yīng)用可靠性較低。通過(guò)采取在回流點(diǎn)加裝均流線(xiàn)，優(yōu)化計(jì)軸設(shè)備出清、占用判斷邏輯，調(diào)整計(jì)軸設(shè)備的濾波參數(shù)，加強(qiáng)計(jì)軸傳感器安裝緊固性等具體改進(jìn)措施后，計(jì)軸設(shè)備故障明顯減少，設(shè)備可靠性明顯提升。隨著我國(guó)軌道交通發(fā)展加速，市域快軌線(xiàn)路交流25 kV 牽引制式下，信號(hào)系統(tǒng)采用計(jì)軸設(shè)備作為列車(chē)區(qū)段占用/出清檢查手段的項(xiàng)目案例會(huì)越來(lái)越多，本文研究成果能夠?yàn)楹罄m(xù)類(lèi)似線(xiàn)路的設(shè)計(jì)提供有益的參考和借鑒。