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(xué)電子與信息工程學(xué)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(gòu)成的電路，用于自動、連續(xù)檢測線路段內(nèi)是否有車輛，也用于控制信號裝置或轉(zhuǎn)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(dāng)軌道區(qū)段內(nèi)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(dāng)軌道區(qū)段內(nèi)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(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號線廣蘭路站的岔區(qū)圖。圖中實線箭頭表示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(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，分析鐵屑的形成機理與過程，針對車輛、工務(wù)、通號、供電等各專業(yè)出現(xiàn)的問題提出解決對策，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、車輛運行工況分析、信號指令分析4個部分。

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(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、護輪軌均有飛邊現(xiàn)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(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(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(guī)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(jié)果可見，鐵屑中C的質(zhì)量分數(shù)明顯高于鋼軌和車輪中C的質(zhì)量分數(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)果及對比

據(jù)了解，復(fù)合閘瓦一般會加入石墨作為摩擦性能調(diào)節(jié)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(zhì)量分數(shù)明顯高于鋼軌中這些元素的質(zhì)量分數(shù)，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(fù)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(qū)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)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(jié)時運行策略和節(jié)能運行策略。節(jié)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(nèi)走完整個區(qū)間。節(jié)能運行策略下，列車加速階段以最大牽引力加速至某一經(jīng)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(jié)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(tǒng)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(qū)列車進站時的電流和速度曲線。

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(qū)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(fā)現(xiàn)，在列車進站停車的過程中，出現(xiàn)了劇烈的牽引制動工況切換。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。

電制動的原理是將電動機按照發(fā)電機運行，將列車動能轉(zhuǎn)化為電能反饋至電網(wǎng)。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(zhuǎn)化完成的。列車是一個大慣量運動系統(tǒng)，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(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。

理想的列車的制動過程是，正向牽引電流逐漸減小至零，再變?yōu)榉聪蛑苿与娏?，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所示的牽引制動工況頻繁切換現(xiàn)象。為此，需進一步分析列車的牽引控制系統(tǒng)。

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(tǒng)的直接指揮，運行中的列車會收到信號系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，列車在進站時，所收到的行車信號中，出現(xiàn)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(tǒng)所給出的2種行車信號，牽引指令的實際含義是列車當(dāng)前速度低于限值，需要牽引提速；制動指令的含義是列車當(dāng)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(xiàn)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(tǒng)和車輛牽引系統(tǒng)之間，需要根據(jù)列車的當(dāng)前運行速度、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)能運行策略，還是節(jié)時運行策略，都不應(yīng)該出現(xiàn)牽引制動頻繁、反復(fù)切換的現(xiàn)象。

對比2號線其他車站及1、3、4號線相似岔區(qū)，未發(fā)現(xiàn)列車進出站時牽引制動頻繁切換現(xiàn)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(tǒng)與信號系統(tǒng)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(dāng)速度降低到20 km/h時，列車處于空氣預(yù)制動狀態(tài)，閘瓦與車輪踏面的間隙減??；當(dāng)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(wěn)。

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

據(jù)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(chǎn)生較小形狀的鐵屑。車輛空氣預(yù)制動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(wù)、通號、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)的改進措施。

(1)車輛專業(yè)：優(yōu)化列車動力系統(tǒng)控制策略，改進列車牽引系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合。更新現(xiàn)有的制動軟件版本，優(yōu)化電空制動策略，將空氣預(yù)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(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、護輪軌距限值等關(guān)鍵幾何參數(shù)，縮短測量維護周期，對岔區(qū)等特殊區(qū)段制定個性化的鋼軌打磨辦法。制定絕緣節(jié)周圍區(qū)段軌道維護保養(yǎng)規(guī)程。

(3)通號專業(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(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)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(yè)：優(yōu)化維護保養(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營調(diào)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(jié)短路。本文通過現(xiàn)場調(diào)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(jù)上海軌道交通的維保管理經(jīng)驗，給出了車輛、工務(wù)、通號、供電各專業(yè)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。