列車滑行緊制故障分析及應(yīng)對(duì)

廣州地鐵集團(tuán)有限公司 潘青青

2020年初，廣州地鐵21號(hào)線列車在正線運(yùn)行過(guò)程中多次出現(xiàn)ATC緊急制動(dòng)故障，嚴(yán)重影響列車運(yùn)營(yíng)安全質(zhì)量，檢查發(fā)現(xiàn)為列車滑行引起信號(hào)系統(tǒng)報(bào)故障，觸發(fā)緊急制動(dòng)，經(jīng)過(guò)整治成功降低列車滑行緊制故障率。本文主要從信號(hào)系統(tǒng)角度分析列車滑行緊制原因，并闡述在應(yīng)對(duì)列車滑行問(wèn)題中的相關(guān)措施及信號(hào)系統(tǒng)濕軌模式的應(yīng)用。

廣州地鐵21號(hào)線在2019年12月20日全線開(kāi)通，作為連通增城與廣州中心城區(qū)線路，具有站間距離長(zhǎng)、運(yùn)行速度高、高架線路多等特點(diǎn)。高架露天線路易受氣候等不可抗力的外部環(huán)境影響，2020年上半年廣州雨水天氣多發(fā)，在下雨天氣，21號(hào)線列車在正線運(yùn)行過(guò)程中頻繁發(fā)生列車ATC緊急制動(dòng)故障，查看報(bào)警信息故障主要有2類：超速緊制、高速度差異緊制。

1 列車緊制機(jī)制

廣州地鐵21號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)采用的是Seltrac?無(wú)線CBTC系統(tǒng)，在信號(hào)系統(tǒng)防護(hù)模式下，信號(hào)系統(tǒng)為列車提供速度監(jiān)督功能，根據(jù)列車當(dāng)前位置土建限速、臨時(shí)限速、目標(biāo)距離、速度曲線等實(shí)時(shí)計(jì)算列車允許速度，并通過(guò)信號(hào)屏顯示，若列車速度接近允許速度，信號(hào)屏將會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警，若列車速度超過(guò)允許速度，信號(hào)系統(tǒng)將命令列車緊急制動(dòng)。

廣州地鐵21號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)每列車有兩套VOBC（車載控制器）設(shè)備，每套VOBC包含兩個(gè)速度傳感器，分別安裝于不同的制動(dòng)非牽引軸上，信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)2個(gè)速度傳感器同時(shí)輔以加速度計(jì)的方式進(jìn)行測(cè)速，最終測(cè)速值取兩個(gè)速度傳感器測(cè)速平均值，若兩個(gè)速度傳感器測(cè)量值存在偏差，偏差超過(guò)4KM/H時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)將判斷列車速度誤差較大，超過(guò)系統(tǒng)容限，從而命令列車緊急制動(dòng)，報(bào)高速度差異報(bào)警。

2 故障原因分析

2.1 列車緊制原因分析

圖1 列車超速緊制運(yùn)行曲線圖

對(duì)列車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，列車超速緊制時(shí)運(yùn)行曲線如圖1所示，ATO模式下，信號(hào)系統(tǒng)VOBC輸出牽引/制動(dòng)指令、牽引/制動(dòng)模擬量給到車輛牽引及制動(dòng)系統(tǒng)，控制車輛牽引及制動(dòng)系統(tǒng)輸出牽引/制動(dòng)力的大小，從而控制列車運(yùn)行速度。故障時(shí)VOBC輸出制動(dòng)指令，持續(xù)增大制動(dòng)模擬量，期望車輛響應(yīng)較大制動(dòng)力控制列車減速，但VOBC輸出制動(dòng)模擬量持續(xù)增大過(guò)程中，列車減速度減小，未跟隨VOBC制動(dòng)模擬量變化，列車整體制動(dòng)性能下降，速度下降較慢，導(dǎo)致列車實(shí)際運(yùn)行速度超過(guò)允許速度而超速緊制。

列車高速度差異緊制時(shí)運(yùn)行曲線如圖2所示，故障時(shí)檢測(cè)到兩個(gè)輪軸均處于不同程度的打滑狀態(tài)，兩個(gè)速度傳感器測(cè)速差異較大，VOBC檢測(cè)到兩個(gè)速度傳感器測(cè)速差異大于4km/h，列車報(bào)高速度差異緊制。

圖2 列車超速緊制運(yùn)行曲線圖

查看故障時(shí)列車空轉(zhuǎn)/滑行狀態(tài)，均檢測(cè)處于滑行狀態(tài)，且列車緩解緊制后可恢復(fù)正常運(yùn)行，同時(shí)檢查列車設(shè)備均正常，可排除設(shè)備硬件故障，而列車運(yùn)行過(guò)程中若輪軌之間的粘著力小于列車制動(dòng)力，車輪將發(fā)生滑行，甚至抱死，車輪滑行時(shí)的有效制動(dòng)力大大小于車輪與鋼軌處于正常粘著狀態(tài)時(shí)的制動(dòng)力，同時(shí)由于廣州地鐵21號(hào)線信號(hào)2個(gè)速度傳感器安裝在不同的輪軸上，通過(guò)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)速，當(dāng)兩個(gè)車輪處于不同程度的滑行狀態(tài)，2個(gè)速度傳感器測(cè)速值將不一致，因此判斷為列車滑行導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)觸發(fā)緊制。

2.2 列車滑行原因分析

列車空轉(zhuǎn)/滑行發(fā)生的根本原因是輪軌之間的粘著力小于列車牽引/制動(dòng)時(shí)所需的摩擦力，車輛、信號(hào)及軌道等各方面因素都與空轉(zhuǎn)/滑行的發(fā)生有關(guān)。而通過(guò)對(duì)廣州地鐵21號(hào)線滑行緊制故障情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，故障有以下特點(diǎn)：1）故障均發(fā)生在列車制動(dòng)減速階段；2）故障時(shí)列車制動(dòng)力需求較高；3）故障發(fā)生在下雨天氣，軌道無(wú)明顯油污但表面濕滑；4）故障發(fā)生地點(diǎn)較為集中，在高架露天段或高架與地下交界段，其中朱村站-鳳崗站下行區(qū)段最多；5）故障列車不固定，存在普遍性，檢查故障列車各項(xiàng)設(shè)備無(wú)異常，非下雨天氣滑行區(qū)段列車運(yùn)行正常。根據(jù)故障發(fā)生特性，分析目前廣州地鐵21號(hào)線滑行故障主要受以下因素影響。

2.2.1 下雨天氣導(dǎo)致軌道濕滑

根據(jù)對(duì)故障情況統(tǒng)計(jì)，廣州地鐵21號(hào)線列車滑行緊制故障均發(fā)生在下雨天氣，且故障發(fā)生地點(diǎn)較為集中，均在高架露天段或高架與地下交界段，受天氣影響，軌道均處于濕滑狀態(tài)，粘著力變小，難以滿足列車制動(dòng)減速過(guò)程中的制動(dòng)力需求。

2.2.2 線路特性

對(duì)廣州地鐵21號(hào)線列車滑行緊制故障高發(fā)區(qū)域朱村站-鳳崗站下行區(qū)段線路排查分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)段為高架與地下交界段，線路處于一個(gè)持續(xù)下坡過(guò)程，最大坡度達(dá)到28‰，受重力加速度作用，列車在進(jìn)站減速時(shí)需要更大的制動(dòng)力維持制動(dòng)，同時(shí)下雨天氣時(shí)，高架段軌道濕滑，而隧道段也會(huì)有雨水順著下坡從隧道口進(jìn)入，同樣造成軌道濕滑，導(dǎo)致列車在該區(qū)段極易發(fā)生滑行。

3 應(yīng)對(duì)措施

3.1 信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置濕軌模式，降低制動(dòng)力需求

廣州地鐵21號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置有濕軌模式，通過(guò)濕軌模式命令，可使ATO模式列車降低加速度/制動(dòng)率，降低列車加減速過(guò)程中的牽引/制動(dòng)力需求，列車性能更容易滿足，減少列車由于在加減速過(guò)程中車輪滑行和抱死造成故障，從而引起緊急制動(dòng)的可能，有助于阻止由于雨天或軌道濕滑引起的列車緊急制動(dòng)的施加。

信號(hào)系統(tǒng)中有3種不同的加速度/制動(dòng)率類型，正常運(yùn)行模式下加速度/制動(dòng)率類型為正常，濕軌模式下加速度/制動(dòng)率類型有：類型I、類型II，類型I能將列車的加速度/制動(dòng)率減少25%，類型II能將列車的加速度/制動(dòng)率減少50%。

濕軌命令允許中央調(diào)度員通過(guò)以下兩種操作方式實(shí)施：

（1）對(duì)車站間區(qū)域設(shè)置較低的加速度/制動(dòng)率類型。一旦車站間區(qū)域被設(shè)置降低加速度/制動(dòng)率，當(dāng)列車?？吭搮^(qū)域的前方站臺(tái)，ATS將在列車進(jìn)路觸發(fā)時(shí)向VOBC發(fā)送命令降低加速度/制動(dòng)率，列車進(jìn)入設(shè)置區(qū)域后按照相應(yīng)設(shè)置的類型運(yùn)行，停靠下一站臺(tái)后系統(tǒng)重置為正常加速/制動(dòng)率類型。

（2）對(duì)列車設(shè)置較低的加速度和制動(dòng)率類型。對(duì)列車設(shè)置較低的加速度和制動(dòng)率類型，ATS會(huì)立刻向VOBC發(fā)送命令降低加速度/制動(dòng)率，但運(yùn)行中的列車不會(huì)立即執(zhí)行，當(dāng)列車到達(dá)?？空九_(tái)后應(yīng)用新的加速度/制動(dòng)率，?？肯乱徽九_(tái)后系統(tǒng)重置為正常加速/制動(dòng)率類型。

同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)濕軌模式命令允許中央操作員隨時(shí)設(shè)置或取消，可選擇只在下雨時(shí)間、易打滑區(qū)段設(shè)置，可操作性強(qiáng)。

現(xiàn)場(chǎng)選取廣州地鐵21號(hào)線滑行故障率較高的朱村-鳳崗下行區(qū)間，列車ATO模式在不同加速度/制動(dòng)率類型下的加速度/制動(dòng)率及速度曲線如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 正常加速度/制動(dòng)率列車運(yùn)行曲線圖

圖4 類型1加速度/制動(dòng)率列車運(yùn)行曲線圖

圖5 類型2加速度/制動(dòng)率列車運(yùn)行曲線圖

從列車運(yùn)行曲線圖可看出，列車采用不同的加速度/制動(dòng)率類型表現(xiàn)出來(lái)的加速度/制動(dòng)率不同，濕軌模式下的加速度/制動(dòng)率類型I、類型II，在列車加減速時(shí)加速度/制動(dòng)率可分別降低25%、50%，即對(duì)列車運(yùn)行時(shí)的牽引/制動(dòng)輸出要求下降，列車性能更容易滿足，可有效減少滑行的發(fā)生，同時(shí)對(duì)于區(qū)間最大速度保持不變，也可降低對(duì)區(qū)間運(yùn)行時(shí)間的影響。

廣州地鐵21號(hào)線于2020年4月22日開(kāi)始在下雨天氣對(duì)正線高架段軌道濕滑區(qū)域?qū)嵭性O(shè)置濕軌模式，使用加速度/制動(dòng)率類型I。

圖6 廣州地鐵21號(hào)線2020年滑行故障統(tǒng)計(jì)圖

3.2 增大車輛撒砂裝置撒砂量

廣州地鐵21號(hào)線列車在設(shè)計(jì)之初考慮到有高架線路，車輛已配置了撒砂裝置作為輪軌增粘設(shè)備，由于考慮到隧道內(nèi)的軌面不會(huì)受到雨水的影響，而撒砂到道岔范圍內(nèi)會(huì)影響道岔的功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以在道岔區(qū)域、折返線及隧道內(nèi)禁止撒砂。但在現(xiàn)場(chǎng)列車實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，在高架轉(zhuǎn)隧道過(guò)渡段，線路往往處于下坡?tīng)顟B(tài)，受列車運(yùn)行及線路坡度影響，雨水易順著下坡從隧道口進(jìn)入，該區(qū)段軌道同樣處于濕滑狀態(tài)。坡道加上軌道濕滑導(dǎo)致該區(qū)段極易發(fā)生列車滑行，因此計(jì)劃增加車輛撒砂裝置撒砂區(qū)域，將高架轉(zhuǎn)隧道過(guò)渡段也納入撒砂區(qū)域范圍，使列車在該區(qū)段發(fā)生滑行時(shí)能得到改善，該措施計(jì)劃在2020年第四季度完成軟件修改。

4 實(shí)施效果

廣州地鐵21號(hào)線2020年滑行故障情況如圖6所示，2020年2、3、4月份廣州地鐵21號(hào)線列車滑行導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)觸發(fā)緊制故障較多，4月底通過(guò)在下雨天氣對(duì)正線高架段軌道濕滑區(qū)域?qū)嵭性O(shè)置濕軌模式，正線區(qū)域未再次出現(xiàn)列車滑行導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)觸發(fā)緊制故障，僅6月份在象嶺出廠線未設(shè)置濕軌模式區(qū)域發(fā)生2次故障，故障得到了有效控制，效果顯著。

結(jié)語(yǔ)：列車滑行是軌道交通行業(yè)列車運(yùn)行中常見(jiàn)的現(xiàn)象，特別是對(duì)于廣州雨水、潮濕天氣較多，同時(shí)廣州地鐵21號(hào)線有高架線路，受環(huán)境影響較大，更易出現(xiàn)列車滑行故障，影響列車安全運(yùn)營(yíng)。但通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置濕軌模式等措施有效降低了故障率，同時(shí)廣州地鐵21號(hào)線也是廣州首條信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置濕軌模式的線路，具有設(shè)置簡(jiǎn)單，效果顯著的特點(diǎn)，對(duì)于后續(xù)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中優(yōu)化列車打滑問(wèn)題具有很好的參考價(jià)值。