地鐵列車緊急制動(dòng)環(huán)路研究及優(yōu)化

吳安偉 李峰

摘 要：結(jié)合鄭州地鐵列車緊急制動(dòng)不緩解的案例，通過(guò)對(duì)各線路緊急制動(dòng)環(huán)路進(jìn)行研究，并分析其設(shè)計(jì)缺陷，從而優(yōu)化緊急制動(dòng)接觸器選型及環(huán)路設(shè)計(jì)方案，最終形成鄭州地鐵列車通用的緊急制動(dòng)環(huán)路方案，也可為其他地鐵公司設(shè)計(jì)緊急制動(dòng)環(huán)路提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;緊急制動(dòng)環(huán)路;接觸器選型;設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U279.3

緊急制動(dòng)環(huán)路的設(shè)置旨在列車發(fā)生緊急情況時(shí)可以在最短時(shí)間內(nèi)停車，最大限度地保障乘客人身及財(cái)產(chǎn)安全;但該環(huán)路若因故障斷開，列車無(wú)法緩解緊急制動(dòng)則會(huì)造成列車清客、救援事件，對(duì)正線運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生重大影響。因此，緊急制動(dòng)環(huán)路不僅是應(yīng)對(duì)外界不安全因素的重要保障，還是因內(nèi)在故障嚴(yán)重影響正線運(yùn)營(yíng)的重大隱患，具有兩面性。本文通過(guò)梳理鄭州地鐵各條線路中緊急制動(dòng)環(huán)路的安全性問(wèn)題，并針對(duì)相應(yīng)的問(wèn)題提出優(yōu)化意見(jiàn)，設(shè)計(jì)出適合鄭州地鐵列車通用的緊急制動(dòng)環(huán)路方案。

1 列車緊急制動(dòng)不緩解案例

2019年7月1日，鄭州地鐵1號(hào)線0111車發(fā)生緊急制動(dòng)無(wú)法緩解故障，司機(jī)轉(zhuǎn)換至緊急牽引位仍無(wú)法動(dòng)車，當(dāng)換端后故障消失。2018年11月16日，2號(hào)線0229車發(fā)生緊急制動(dòng)無(wú)法緩解故障，司機(jī)依次降級(jí)至非限制人工駕駛模式（NRM）、緊急牽引位仍無(wú)法動(dòng)車，最終列車清客后進(jìn)行救援，造成正線晚點(diǎn)、抽線、下線、加開等重大影響。經(jīng)分析，這2起故障原因均為緊急制動(dòng)接觸器觸點(diǎn)卡滯造成緩解指令無(wú)法傳輸至制動(dòng)閥體。同類案例在上海地鐵7號(hào)線、寧波地鐵1號(hào)線、杭州地鐵2號(hào)線等多家地鐵公司均有發(fā)生，對(duì)正線運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2 緊急制動(dòng)環(huán)路控制原理

列車緊急制動(dòng)環(huán)路包含控制回路和指令回路，控制回路通過(guò)串聯(lián)車輛和信號(hào)系統(tǒng)中影響行車安全的設(shè)備反饋點(diǎn)（如車輛超速保護(hù)、總風(fēng)壓力監(jiān)控、司控器等）控制緊急制動(dòng)接觸器;指令回路串聯(lián)緊急制動(dòng)接觸器觸點(diǎn)和制動(dòng)閥，將控制回路的指令通過(guò)接觸器觸點(diǎn)最終傳輸至制動(dòng)閥體，實(shí)現(xiàn)列車緊急制動(dòng)。通常，緊急制動(dòng)環(huán)路的設(shè)計(jì)理念分為2種：①保制動(dòng)緩解，即通過(guò)接觸器觸點(diǎn)并聯(lián)方式增加緊急制動(dòng)緩解的概率，以列車運(yùn)營(yíng)為導(dǎo)向;② 保制動(dòng)施加，即通過(guò)接觸器多對(duì)觸點(diǎn)串聯(lián)方式增加緊急制動(dòng)施加的概率，以列車安全為導(dǎo)向。接觸器觸點(diǎn)并聯(lián)方式可降低其工作電流，串聯(lián)方式可降低制動(dòng)閥體的工作電壓，實(shí)際應(yīng)用中各有利弊。通過(guò)調(diào)研，一些項(xiàng)目/線路的緊急制動(dòng)環(huán)路接觸器連接方式如表1所示。

鄭州地鐵1號(hào)（0101～0125車）、2號(hào)及5號(hào)線列車緊急制動(dòng)環(huán)路設(shè)計(jì)理念為保制動(dòng)施加，而1號(hào)線（0126～0155車）和城郊線列車為保制動(dòng)緩解，環(huán)路中部件及接線順序大同小異。

2.1 1 號(hào)線（0101～0125車）列車環(huán)路控制

1號(hào)線緊急制動(dòng)控制環(huán)路中依次串聯(lián)司機(jī)室占有、司控器方向、信號(hào)緊急制動(dòng)（EBR）、網(wǎng)絡(luò)（VCU）緊急制動(dòng)、緊急牽引超速、緊急停車、總風(fēng)壓力低、零速、緊急制動(dòng)等設(shè)備及接線;其中自動(dòng)折返（ATB）與司控器方向并聯(lián)、列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）與信號(hào)EBR并聯(lián)、緊急牽引與VCU緊急制動(dòng)和緊急牽引超速并聯(lián)，總風(fēng)壓力低有旁路開關(guān)，警惕按鈕和緊急制動(dòng)接觸器與零速繼電器并聯(lián)。指令回路中將緊急制動(dòng)接觸器的3對(duì)觸點(diǎn)串聯(lián)于緊急制動(dòng)列車線，最后連接至制動(dòng)閥，如圖1所示。

2.2 2 號(hào)、5 號(hào)線列車環(huán)路控制

2號(hào)、5號(hào)線列車緊急制動(dòng)環(huán)路中所包含的設(shè)備及接線與1號(hào)線相同，僅繼電器位置和觸點(diǎn)個(gè)數(shù)稍有差別，結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于：①控制回路中信號(hào)EBR后置，增設(shè)在指令回路中;②緊急停車?yán)^電器提前，設(shè)在司控器方向之后;③指令回路中制動(dòng)閥后增設(shè)信號(hào)和ATP切除并聯(lián)觸點(diǎn)、3對(duì)緊急制動(dòng)接觸器觸點(diǎn)。

2.3 城郊線和1號(hào)線（0126～0155 車）列車環(huán)路控制

城郊線緊急制動(dòng)環(huán)路中同樣包含司機(jī)室占有、司控器方向、信號(hào)EBR、VCU緊急制動(dòng)、緊急牽引超速、緊急停車、總風(fēng)壓力低、零速、緊急制動(dòng)等設(shè)備及接線，但設(shè)備的供電方式、表述方式、設(shè)置順序和數(shù)量與1號(hào)、2號(hào)、5 號(hào)線均有所不同，主要體現(xiàn)在：①城郊線緊急制動(dòng)控制回路及指令回路由2路空氣開關(guān)（也稱空氣斷路器）單獨(dú)供電，1 號(hào)、2號(hào)和5號(hào)線則由1路空氣開關(guān)供電;②1號(hào)線（0126～0155車）由2個(gè)緊急制動(dòng)接觸器分別提供1對(duì)觸點(diǎn)并聯(lián)接入緊急制動(dòng)指令回路中;③城郊線列車由2個(gè)緊急制動(dòng)接觸器分別提供1對(duì)觸點(diǎn)串聯(lián)接入緊急制動(dòng)指令回路中。

3 緊急制動(dòng)環(huán)路存在的問(wèn)題

通過(guò)分析，鄭州地鐵列車緊急制動(dòng)環(huán)路設(shè)計(jì)中存在以下問(wèn)題：

（1）西門子3RT1017-2KF42

型接觸器出現(xiàn)觸點(diǎn)燒熔現(xiàn)象，使用壽命無(wú)法滿足緊急制動(dòng)環(huán)路的實(shí)際需求;

（2）1號(hào)線（0101～0125車）列車的信號(hào)EBR設(shè)置在緊急制動(dòng)控制回路中，信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生緊急制動(dòng)時(shí)會(huì)使緊急制動(dòng)接觸器動(dòng)作，增加其動(dòng)作頻次，從而提升了卡滯的概率;

（3）2號(hào)、5號(hào)線列車的指令回路中，在制動(dòng)閥體前后分別設(shè)置3對(duì)接觸器觸點(diǎn)串聯(lián)，增加了接觸器卡滯導(dǎo)致無(wú)法緩解緊急制動(dòng)的概率;

（4）1號(hào)線（0126～0155車）列車的緊急制動(dòng)環(huán)路采用2對(duì)觸點(diǎn)并聯(lián)方式，與多對(duì)觸點(diǎn)串聯(lián)方式相比，增加了緊急制動(dòng)無(wú)法施加的概率，運(yùn)營(yíng)安全性降低;

（5）設(shè)計(jì)中均未對(duì)緊急制動(dòng)接觸器卡滯設(shè)置旁路功能，一旦出現(xiàn)接觸器卡滯緊急制動(dòng)無(wú)法緩解只能等待救援，嚴(yán)重影響正線運(yùn)營(yíng)。

4 地鐵列車緊急制動(dòng)環(huán)路優(yōu)化

4.1 接觸器選型優(yōu)化

緊急制動(dòng)接觸器是列車緊急制動(dòng)施加和緩解的關(guān)鍵部件，其選型是首先需要考慮的問(wèn)題。緊急制動(dòng)接觸器負(fù)載為制動(dòng)閥體，施加和緩解時(shí)沖擊電流集中在70～90 A之間，持續(xù)時(shí)間約為100 μs ，每次緊急制動(dòng)施加時(shí)接觸器會(huì)動(dòng)作1次。如果接觸器容量不足，反復(fù)大電流沖擊將造成接觸器觸點(diǎn)燒熔。例如，寧波地鐵1號(hào)線、杭州地鐵2號(hào)線、成都地鐵1號(hào)線曾出現(xiàn)緊急制動(dòng)接觸器燒熔故障;寧波地鐵2號(hào)線、鄭州地鐵1號(hào)線出現(xiàn)過(guò)接觸器觸點(diǎn)卡滯的故障。當(dāng)發(fā)生緊急制動(dòng)接觸器觸點(diǎn)燒熔現(xiàn)象后，將原西門子3RT1017-2KF42型接觸器統(tǒng)一更換為施耐德LC1D326FLS207型接觸器。該接觸器3對(duì)觸點(diǎn)串聯(lián)的額定工作電流為50 A，分?jǐn)嘟油芰Υ笥?00 A，其容量滿足實(shí)際需求。

鄭州地鐵列車施加緊急制動(dòng)時(shí)的負(fù)載沖擊電流約為160 A，分?jǐn)喙β始s為44 kW，緊急制動(dòng)接觸器3對(duì)串聯(lián)觸點(diǎn)的每對(duì)分?jǐn)喙β始s為14.67 kW。通過(guò)分析施耐德LC1D326FLS207型接觸器壽命曲線可知，該接觸器每對(duì)主觸頭可承受的最大分?jǐn)喙β蕿?6 kW時(shí)，電氣壽命的動(dòng)作次數(shù)大于3×105次。根據(jù)鄭州地鐵實(shí)際運(yùn)行情況，在5年架修時(shí)更換緊急制動(dòng)接觸器，其動(dòng)作次數(shù)約為9.1萬(wàn)次，小于其使用壽命30萬(wàn)次的1/3，則設(shè)計(jì)壽命滿足實(shí)際需求。但在實(shí)際生產(chǎn)中，無(wú)法保障該接觸器在全壽命周期內(nèi)100%可靠，因此如何減少接觸器動(dòng)作頻次，降低其故障率是緊急制動(dòng)環(huán)路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

4.2 環(huán)路設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

環(huán)路設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的原則是：在確保安全的前提下，最大限度地提升運(yùn)營(yíng)效率。具體內(nèi)容如下：

（1）緊急制動(dòng)環(huán)路設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持安全導(dǎo)向的原則，采用保制動(dòng)施加方案，即多對(duì)觸點(diǎn)在指令回路中串聯(lián);

（2）將信號(hào)EBR設(shè)置在指令回路中，確保信號(hào)系統(tǒng)在施加緊急制動(dòng)時(shí)接觸器不動(dòng)作;

（3）在指令回路中制動(dòng)閥體前設(shè)置接觸器串聯(lián)觸點(diǎn)，取消制動(dòng)閥后的觸點(diǎn);

（4）增設(shè)緊急制動(dòng)接觸器旁路，在出現(xiàn)接觸器卡滯、緊急制動(dòng)無(wú)法緩解的情況下仍具備動(dòng)車條件，無(wú)須啟用救援方案。

具體優(yōu)化方法為：將信號(hào)EBR從控制回路移至指令回路，控制回路中其他設(shè)計(jì)不做變更;指令回路中依次包含緊急制動(dòng)接觸器多對(duì)串聯(lián)觸點(diǎn)、信號(hào)EBR、制動(dòng)閥。增設(shè)的緊急制動(dòng)接觸器旁路連接在接觸器串聯(lián)觸點(diǎn)兩端，旁路包含接觸器串聯(lián)觸點(diǎn)、總風(fēng)壓繼電器觸點(diǎn)、蘑菇按鈕接線，如圖2所示。旁路中串聯(lián)總風(fēng)壓繼電器觸點(diǎn)、蘑菇按鈕接線，確保旁路啟用后列車仍具有總風(fēng)壓力低和蘑菇按鈕防護(hù)功能;同時(shí)，在列車控制系統(tǒng)中增設(shè)旁路監(jiān)控并建立聯(lián)鎖關(guān)系，當(dāng)該旁路被觸發(fā)時(shí)，列車限速30 km/h運(yùn)行，增加安全保障。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)深度分析鄭州地鐵各線路緊急制動(dòng)環(huán)路控制原理，調(diào)研同行業(yè)接觸器設(shè)置方式，以及分析接觸器選型情況，根據(jù)存在的問(wèn)題提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。該方案將正常運(yùn)營(yíng)時(shí)列車的緊急制動(dòng)環(huán)路導(dǎo)向安全;減少接觸器動(dòng)作頻次，降低接觸器卡滯導(dǎo)致緊急制動(dòng)不緩解的概率;在故障發(fā)生時(shí)能確保列車具備動(dòng)車條件。目前該方案已被確定為鄭州地鐵新線列車通用的緊急制動(dòng)環(huán)路設(shè)計(jì)方案，且在2號(hào)線完成部分項(xiàng)目的優(yōu)化工作，已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并投入運(yùn)營(yíng)，目前運(yùn)營(yíng)效果良好。

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收稿日期 2020-05-09

責(zé)任編輯 黨選麗