廣州地鐵六號線L3型車架修后沖標(biāo)故障分析

刁滿佳，代秀秀，楊丹楓

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510310）

0 引言

地鐵車輛沖標(biāo)是指列車在ATO模式運(yùn)行條件下，由車輛信號系統(tǒng)控制車輛進(jìn)站停車過程中，超出車站的指定停車區(qū)間，稱為沖標(biāo)。當(dāng)列車停在車站停車區(qū)間內(nèi)的停車點(diǎn)，車輛已檢測到零速且施加制動，信號設(shè)備發(fā)出開門允許授權(quán)，授權(quán)列車打開正確側(cè)車門；當(dāng)列車停車超出車站的停車區(qū)間，車載信號接收超出信號機(jī)的范圍，即使在零速且施加制動的情況下，車門可能無法正常打開，需通過司機(jī)進(jìn)行手動對標(biāo)，影響列車運(yùn)行效率，極易造成列車晚點(diǎn)［1］。廣州地鐵6號線L3型車檢測列車停穩(wěn)在停車點(diǎn)±50 cm范圍均可正常實(shí)現(xiàn)屏蔽門與車門聯(lián)動，一旦列車停穩(wěn)后距離停車點(diǎn)超出50 cm，屏蔽門與車門無法聯(lián)動，繼而出現(xiàn)沖標(biāo)故障。

列車沖標(biāo)是列車運(yùn)行時(shí)常發(fā)生的問題，其往往與列車的制動系統(tǒng)和車輛與信號系統(tǒng)的接口問題相關(guān)。羅曦春等［1］從車輛制動控制等方面闡述了列車沖標(biāo)的可能原因，并以沖標(biāo)實(shí)例展開分析。羅慶［2］通過對廣州地鐵4號線沖標(biāo)問題的分析，得出直線電機(jī)車型感應(yīng)板的不連續(xù)性是造成列車沖標(biāo)的原因之一，并提出了改進(jìn)措施。列車沖標(biāo)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，其與車輛控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、輪徑值與系統(tǒng)的匹配性、制動施加的磨合性、信號傳輸延時(shí)及軌旁設(shè)備等因素息息相關(guān)，而頻繁的沖標(biāo)故障對行車組織也帶來一定的壓力［3－5］。陳寧寧等［6］及劉明［7］分別從車地通信雙通道冗余防護(hù)系統(tǒng)的研究和基于列車自動控制曲線研究沖標(biāo)防護(hù)系統(tǒng)方面開展對列車沖標(biāo)故障防范措施的研究。

1 對標(biāo)原理分析

在正線ATO運(yùn)行進(jìn)站對標(biāo)期間，由信號系統(tǒng)給出牽引制動的0～10 V電壓的模擬量信號，經(jīng)過列車控制及診斷系統(tǒng)（TMS）的模／數(shù)轉(zhuǎn)換及處理后，以網(wǎng)絡(luò)的方式傳遞到牽引系統(tǒng)的門控單元（DCU）和制動系統(tǒng)（ECU）。在停穩(wěn)對標(biāo)的第一階段，當(dāng)列車速度小于6 km／h的情況下，由制動指令和電制動有效信號發(fā)起，然后空氣制動開始逐漸取代電制動。在第二階段，空氣制動完全取代電制動，所施加的制動力滿足制動需求和沖動限制。在第三階段，當(dāng)保持制動信號有效、制動施加以及保持制動確保列車能停在斜坡上而不倒溜。當(dāng)列車停在車站停車窗內(nèi)的停車點(diǎn)，車輛已檢測到零速且實(shí)施制動，信號設(shè)備發(fā)出開門允許授權(quán)，授權(quán)列車打開正確側(cè)車門；如果包括列車運(yùn)行對標(biāo)過程錯(cuò)過停車點(diǎn)超出允許范圍，信號設(shè)備不發(fā)出開門授權(quán)；六號線L3型車檢測列車停穩(wěn)在停車點(diǎn)±50 cm范圍均可正常實(shí)現(xiàn)屏蔽門與車門聯(lián)動，一旦列車停穩(wěn)后距離停車點(diǎn)超出50 cm，屏蔽門與車門無法聯(lián)動，繼而出現(xiàn)沖標(biāo)故障。

2 原因分析

故障發(fā)生后，廣州地鐵聯(lián)合車輛和信號專業(yè)從車輛電制動功能、車輛氣制動功能、車輛進(jìn)站期間電制動與氣制動配合、信號控制、車輛與信號接口配合幾個(gè)方面調(diào)查，分析造成車輛ATO進(jìn)站沖標(biāo)的故障原因。

2.1 電制動功能核查

檢查故障時(shí)刻車輛監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，牽引系統(tǒng)無故障，列車電制動功能無異常，將架修后故障沖標(biāo)車的電制動部件互換到其他正常列車后故障未轉(zhuǎn)移，互換后原對標(biāo)正常列車上線運(yùn)營對標(biāo)準(zhǔn)確無故障，故障沖標(biāo)車上線運(yùn)營仍有沖標(biāo)現(xiàn)象，判斷L3型車架修后電制動相關(guān)部件無異常。

2.2 氣制動功能核查

試車線按壓SBUCO按鈕切除車輛電制動驗(yàn)證純氣制動功能，測量10組以上純氣制動工況下100%常用制動及快速制動的減速度和制動距離，數(shù)據(jù)如表1所示，各項(xiàng)數(shù)值均在正常范圍內(nèi)，判斷L3型車架修后列車純氣制動功能無異常。

表1 40 km／h初速度時(shí)不同工況下切除電制動純氣制動的制動距離測試

2.3 列車進(jìn)站期間電制動與氣制動配合情況核查

通過分析沖標(biāo)前的電制動與氣制動ER數(shù)據(jù)，在沖標(biāo)故障前，由信號系統(tǒng)給出制動模擬量信號以后，當(dāng)車輛執(zhí)行電制動至車輛速度下降約至6 km／h，此時(shí)進(jìn)入停穩(wěn)對標(biāo)的第一階段，氣制動開始補(bǔ)充，電制動以一定斜率下降；在第二階段，列車速度約為3 km／h時(shí)，電制動完全由氣制動取代，電制動力退出；第三階段，保壓制動有效，此時(shí)列車對標(biāo)準(zhǔn)確停穩(wěn)。保持制動確保列車能停在斜坡上而不倒溜，如圖1所示，判斷列車進(jìn)站電制動與氣制動配合無異常。

圖1 電制動退出

2.4 信號控制方面核查

故障發(fā)生后，信號專業(yè)下載數(shù)據(jù)檢查信號相關(guān)ATO參數(shù)正常，為進(jìn)一步排除信號設(shè)備問題，將對標(biāo)有關(guān)的CBS（編碼里程計(jì)和信標(biāo)天線接口管理）板，cmP（核心處理板）板與其他正常無故障車對換，并更新信號速度傳感器，后續(xù)跟蹤故障車上線運(yùn)營時(shí)仍出現(xiàn)沖標(biāo)故障，故障未消除，判斷信號控制無異常。

2.5 車輛與信號接口配合

通過查看故障時(shí)刻車輛與信號接口數(shù)據(jù)可知，信號控制車輛牽引制動模擬量與車輛實(shí)際收到的牽引制動模擬量存在固有500 ms網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，由于延時(shí)存在，會導(dǎo)致信號與車輛接口控制精度誤差偏大，列車高速度段同樣存在車輛速度線跟隨不佳現(xiàn)象，見圖2。

圖2 信號與車輛接口數(shù)據(jù)

在車輛克諾爾控制系統(tǒng)停車對標(biāo)階段控制邏輯中，列車速度下降到3 km／h電制動完全退出后，氣制動只按30%級位執(zhí)行，以避免停車前減速率過大給乘客產(chǎn)生沖擊感，提高乘客舒適度，如圖3所示。但是通過查看信號控制數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，在純氣制動階段克諾爾制動系統(tǒng)只按30%級位執(zhí)行（圖3），雖然此時(shí)信號系統(tǒng)已給出最大控制制動模擬量（圖2），仍然出現(xiàn)了對標(biāo)良好車與沖標(biāo)故障車在純氣制動階段（3 km／h以下）列車實(shí)際速度與信號推薦速度均存在偏離的情況，由此可知，六號線的車輛與信號系統(tǒng)存在固有匹配缺陷。對于純氣制動階段克諾爾制動系統(tǒng)只執(zhí)行30%級位的固有控制邏輯設(shè)計(jì)，六號線信號系統(tǒng)并沒有進(jìn)行相應(yīng)的控制配合設(shè)計(jì)，致使在設(shè)計(jì)源頭上就存在一定程度車輛系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的控制配合不佳的影響。

圖3 氣制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)

另經(jīng)查詢制動距離的標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行計(jì)算，3 km／h車速的情況下純氣制動階段100%級位與30%級位的制動距離偏差最大可達(dá)72 cm。詳細(xì)計(jì)算如下。

（1）3 km／h車速100%制動級位的制動距離計(jì)算

制動減速率分配為：

制動等效減速率為：

等效延遲響應(yīng)時(shí)間為：

平均減速率為：

制動距離為：

（2）3 km／h車速30%制動級位的制動距離計(jì)算

制動減速率分配為：

制動等效減速率為：

等效延遲響應(yīng)時(shí)間為：

平均減速率為：

制動距離為：

另通過信號控制數(shù)據(jù)，如圖4所示，六號線信號系統(tǒng)在車輛速度與列車度存在偏差時(shí)，輸出控制車輛系統(tǒng)的控制制動模擬量以一定斜率上升至模擬量最大值的60%～70%，此時(shí)車輛速度與信號推薦速度在一個(gè)較寬泛的時(shí)間段逐漸貼合，對比其他線路信號控制系統(tǒng)100%補(bǔ)償修正，六號線信號系統(tǒng)在補(bǔ)償修正輸出級位低于其他信號系統(tǒng)，對車輛配合響應(yīng)提出更高要求。

圖4 沖標(biāo)故障信號數(shù)據(jù)

對于特殊沖標(biāo)故障車，如L3－019020車，在分析其沖標(biāo)故障期間的信號數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（圖4），在列車停穩(wěn)對標(biāo)前，車輛實(shí)際速度為10 km／h左右，信號系統(tǒng)推薦減速度大于車輛實(shí)際減速度（減速度為負(fù)值，比較其絕對值），此時(shí)由于車輛減速度未能達(dá)到信號推薦值，信號系統(tǒng)應(yīng)該增大制動模擬量，而如圖4所示，信號控制制動模擬量卻存在一個(gè)下降趨勢，對比正常對標(biāo)的06083084車，如圖5所示，由于車輛實(shí)際減速度大于信號推薦減速度，信號控制制動模擬量存在下降趨勢為正常邏輯，由此推測，在車輛實(shí)際減速度與信號推薦減速度存在偏差時(shí)，信號控制制動的不穩(wěn)定性對車輛系統(tǒng)與信號系統(tǒng)的匹配產(chǎn)生了一定偏差。而在電制動退出氣制動補(bǔ)充階段（車速3 km／h），由于信號控制模擬量下降再以最大斜率上升至最大值，即信號系統(tǒng)輸出控制制動模擬量存在列車最后停車階段由下降到急劇上升過程，氣制動隨之響應(yīng)需要一定時(shí)間（約0.5 s），此過程也對車輛氣制動執(zhí)行響應(yīng)配合存在一定影響。

圖5 對標(biāo)良好信號數(shù)據(jù)

核查沖標(biāo)故障信號數(shù)據(jù)，在6－3 km／h以下電－空氣制動轉(zhuǎn)換時(shí)，如圖6所示，就開始發(fā)生信號推薦與車輛實(shí)際速度開始偏離，導(dǎo)致沖標(biāo)故障出現(xiàn)，且由于L3型車架修期間，根據(jù)維修規(guī)程要求［8］，采用整列車的新輪，閘片與制動盤非原位匹配裝車，雖然通過以上測試數(shù)據(jù)可知，車輛的制動性能滿足規(guī)程及廠家標(biāo)準(zhǔn)值，但制動執(zhí)行部件仍需要一個(gè)磨合過程以進(jìn)一步提高制動性能，進(jìn)而與信號系統(tǒng)達(dá)到更高的匹配程度，因此沖標(biāo)故障與氣制動系統(tǒng)的閘片與盤之間摩擦力偏低有一定關(guān)聯(lián)。綜上調(diào)查分析可知，L3型車架修后上線運(yùn)營發(fā)生沖標(biāo)是由于信號與車輛控制誤差較大、3 km／h速度以下制動系統(tǒng)固定級位30%偏低、閘片與制動盤之間摩擦力偏低（架修后的閘片與盤仍處于磨合期）等疊加因素導(dǎo)致的故障發(fā)生，詳細(xì)分析如下：

圖6 故障時(shí)刻電空制動轉(zhuǎn)換點(diǎn)速度曲線

（1）新列車制造時(shí)存在一定控制固有誤差，信號與車輛控制接口跟隨不佳現(xiàn)象，與L型車非架大修質(zhì)保車輛同樣存在偶發(fā)性對標(biāo)不穩(wěn)定現(xiàn)象有密切關(guān)系；

（2）由于六號線車輛系統(tǒng)與信號系統(tǒng)各自的設(shè)計(jì)特性，對于3 km／h車速以下車輛，制動系統(tǒng)只執(zhí)行30%制動力級位的固有控制邏輯設(shè)計(jì)，信號系統(tǒng)并沒有進(jìn)行相應(yīng)的控制配合設(shè)計(jì)，導(dǎo)致列車進(jìn)站對標(biāo)低速時(shí)，信號系統(tǒng)對車輛速度的控制擬合較差；

（3）六號線信號系統(tǒng)在車輛速度與信號推薦速度出現(xiàn)偏差時(shí)給出的修正補(bǔ)償級位（制動模擬量）低于其他信號系統(tǒng)（其他線路為100%），導(dǎo)致電空混合制動階段制動車輛速度與信號推薦速度擬合度差，引起沖標(biāo)現(xiàn)象；

（4）車輛減速度與信號推薦減速偏差時(shí)，信號控制制動存在不穩(wěn)定性（正常非沖標(biāo)車輛制動模擬信號穩(wěn)步快速提升，沖標(biāo)車輛制動模擬信號波動提升），導(dǎo)致車輛速度與信號推薦速度無法擬合，引起沖標(biāo)現(xiàn)象；

（5）氣制動系統(tǒng)的閘片與盤之間摩擦力偏低，導(dǎo)致6－3－0 km以下處于電－空轉(zhuǎn)換過程，車輛速度曲線與信號推薦速度曲線開始偏離，出現(xiàn)沖標(biāo)故障。

3 處理措施

處理措施如下。

（1）鑒于六號線制動與信號廠家溝通后，通過調(diào)整優(yōu)化軟件以補(bǔ)償兩個(gè)系統(tǒng)的配合誤差，在后續(xù)運(yùn)用過程的配合效果仍存在不確定性，且修改軟件產(chǎn)生的人力物力損耗費(fèi)用較高，現(xiàn)階段未進(jìn)行制動與信號系統(tǒng)軟件的優(yōu)化調(diào)整。

（2）架修期間，已通過提高車輛制動閘片與制動盤的裝車選配平整度標(biāo)準(zhǔn)，對單個(gè)閘片凹凸不平整深度超過0.4 mm的進(jìn)行旋切或打磨平整，同時(shí)為保證同一側(cè)閘片的平整性，需對兩片同時(shí)旋切或打磨；另對于制動盤，需檢查盤環(huán)面跳動（測量位置為盤環(huán)面中部距車軸中心約200 mm處）小于0.5 mm，盤轂端面跳動小于或等于0.1 mm。通過以上措施提高制動盤與閘片的裝車標(biāo)準(zhǔn)，提升車輛氣制動磨合效率與氣制動性能。

（3）架修調(diào)試期間，通過細(xì)化正線對標(biāo)參數(shù)的管理，即后續(xù)L3型車架修后，如尾班車對標(biāo)數(shù)據(jù)超出零標(biāo)30 cm以上超出20%站點(diǎn)列車，需增加1次尾班車切除電制使用純氣制動的磨合調(diào)試作業(yè)，以提高車輛磨合效率，進(jìn)而改善車輛與信號系統(tǒng)的接口匹配性能。

4 結(jié)束語

在聯(lián)合車輛、信號專業(yè)開展交流分析后，通過修改軟件提升信號系統(tǒng)與車輛制動系統(tǒng)配合度，以及優(yōu)化車輛制動與信號控制系統(tǒng)自身軟件固有誤差的整改措施，不作為L3型車架修后沖標(biāo)故障的首選處理措施。現(xiàn)階段已通過提高車輛制動閘片與制動盤的裝車平整度標(biāo)準(zhǔn)，以及增加對車輛與信號系統(tǒng)配合不佳，特殊列車增加尾班車切除電制動磨合閘片作業(yè)，已解決L3型車架修后沖標(biāo)故障問題，六號線L3型車架修后上線運(yùn)營對標(biāo)正常，有效保證了地鐵運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。