地鐵列車(chē)自動(dòng)折返機(jī)理及相關(guān)問(wèn)題研究

張興寶

(西安市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司 陜西 西安 710016)

0 概述

列車(chē)自動(dòng)折返(ATB)是指列車(chē)通過(guò)折返軌，從到達(dá)站臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行至發(fā)車(chē)站臺(tái)，并完成駕駛模式的切換。折返站的折返能力是地鐵線路通過(guò)能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響著全線列車(chē)的通過(guò)能力。所以如何提高折返能力，縮短折返時(shí)間以及提高折返成功率一直以來(lái)是每個(gè)地鐵公司以及信號(hào)廠家研究的重點(diǎn)課題。

1 列車(chē)自動(dòng)折返控制機(jī)理

折返的形式很多，例如按其折返線布置形式分，主要有盡頭式折返線和貫通式折返線,按其折返時(shí)機(jī)分，主要包括站前折返和站后折返等。雖然折返的形式很多，但其控制理念基本是一致的。下面就以最常用的盡頭式站后折返為例來(lái)闡述列車(chē)折返時(shí)的控制機(jī)理。

1.1 自動(dòng)折返全過(guò)程

列車(chē)自動(dòng)折返過(guò)程如圖1所示，列車(chē)到達(dá)終點(diǎn)站下行(上行)站臺(tái)對(duì)標(biāo)停穩(wěn)， 確認(rèn)乘客下車(chē)， 關(guān)閉客室車(chē)門(mén)， 然后轉(zhuǎn)列車(chē)駕駛模式至ATB， 將方向手柄回零， 拔下司控器鑰匙， 最后在地面或司機(jī)室按壓ATO發(fā)車(chē)按鈕， 此時(shí)列車(chē)進(jìn)入自動(dòng)折返駕駛模式。 列車(chē)開(kāi)始啟動(dòng)， 自動(dòng)進(jìn)入折返線， 列車(chē)到達(dá)折返線內(nèi)指定位置停車(chē)， 然后自動(dòng)啟動(dòng)， 出折返線， 到達(dá)上行(下行)站臺(tái)對(duì)標(biāo)停車(chē)， 列車(chē)自動(dòng)開(kāi)門(mén)， 折返結(jié)束。

圖1 列車(chē)自動(dòng)折返示意圖

1.2 自動(dòng)折返時(shí)信號(hào)系統(tǒng)控制列車(chē)的方式

列車(chē)在自動(dòng)折返時(shí)，完全無(wú)人操控駕駛。當(dāng)列車(chē)投入折返模式后，司機(jī)不用做任何操作，全程列車(chē)的啟動(dòng)、加速、運(yùn)行、制動(dòng)和精確停車(chē)以及期間列車(chē)的方向信號(hào)、司機(jī)室激活鑰匙信號(hào)等都由車(chē)載信號(hào)和地面信號(hào)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制完成。

如圖2所示，目前國(guó)內(nèi)地鐵列車(chē)在折返線從進(jìn)入到駛出，整個(gè)過(guò)程中的控制主要有兩種形式，具體如下：

第一種形式：如圖2-a所示，列車(chē)從下行(上行)站臺(tái)進(jìn)入折返線停穩(wěn)，然后換向，退行出折返線，進(jìn)入上行(下行)站臺(tái)停穩(wěn)。

第二種形式：如圖2-b所示，列車(chē)從下行(上行)站臺(tái)進(jìn)入折返線停穩(wěn)，然后換端，牽引出折返線，進(jìn)入上行(下行)站臺(tái)停穩(wěn)。

圖2 自動(dòng)折返列車(chē)進(jìn)入折返線后出折返線時(shí)的控制方案

上述兩種控制形式，從控制難易程度以及可靠性上分析，其區(qū)別不大，但控制理念完全不同。同時(shí)兩種方案在實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)信息的處理時(shí)機(jī)要選擇得當(dāng)，否則都會(huì)導(dǎo)致折返失敗。

第1種形式：換向的時(shí)機(jī)要選擇恰當(dāng)，否則會(huì)出現(xiàn)電機(jī)電流異常增加，列車(chē)發(fā)生牽引電機(jī)過(guò)電流故障，從而折返失敗。

第2種形式：換端的時(shí)機(jī)要控制恰當(dāng)，否則會(huì)出現(xiàn)兩端司機(jī)室均未激活導(dǎo)致列車(chē)觸發(fā)EB或其他故障，從而折返失敗。

關(guān)于第2種形式的折返控制，兩端司機(jī)室的換端時(shí)機(jī)是關(guān)鍵，不能長(zhǎng)時(shí)間兩端都不激活，也不能長(zhǎng)時(shí)間兩端都同時(shí)激活，但完全無(wú)縫切換又存在困難。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮信號(hào)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)此切換時(shí)間的允許值，做好3個(gè)系統(tǒng)之間的配合關(guān)系，確保列車(chē)能夠成功折返。

關(guān)于第1種形式的折返控制，換向的時(shí)機(jī)是關(guān)鍵。下面就以西安地鐵2號(hào)線為例，說(shuō)明折返時(shí)換向時(shí)機(jī)的選擇以及時(shí)機(jī)選擇不當(dāng)出現(xiàn)牽引電機(jī)過(guò)電流的原因。

2 折返時(shí)列車(chē)發(fā)生電機(jī)過(guò)電流故障的數(shù)據(jù)分析

隨著西安地鐵線網(wǎng)的形成，正線客流急劇增加。西安地鐵為提高運(yùn)能，壓縮行車(chē)間隔，地鐵公司和信號(hào)廠家就目前的信號(hào)控制模型進(jìn)行研究，對(duì)信號(hào)控制模型中的部分限速值進(jìn)行了提升，對(duì)部分時(shí)間進(jìn)行了壓縮，并于2017年3月份對(duì)2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行全面升級(jí)。

升級(jí)后，解決了信號(hào)系統(tǒng)之前的一些缺陷和慣性問(wèn)題，列車(chē)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。但升級(jí)后同時(shí)也出現(xiàn)了一個(gè)新的問(wèn)題，即列車(chē)在終點(diǎn)站折返時(shí)，列車(chē)牽引系統(tǒng)頻繁發(fā)生電機(jī)過(guò)電流故障，最終導(dǎo)致折返失敗。通過(guò)對(duì)相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確認(rèn)此故障和此次信號(hào)升級(jí)提高折返時(shí)的加速度(減速度)有關(guān)，具體分析如下。

2.1 信號(hào)升級(jí)前后列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3為信號(hào)升級(jí)前列車(chē)折返時(shí)的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，列車(chē)在進(jìn)入折返線即將停穩(wěn)時(shí)，列車(chē)的制動(dòng)級(jí)位為50%，此刻電機(jī)再生電流為200 A左右，換向時(shí)電機(jī)再生電流已經(jīng)衰減至零(由于速度傳感器精度問(wèn)題，車(chē)輛和信號(hào)檢測(cè)到列車(chē)速度為零的時(shí)刻不同。信號(hào)檢測(cè)到列車(chē)停穩(wěn)至換向瞬間的時(shí)間為2.6 s，車(chē)輛檢測(cè)到列車(chē)停穩(wěn)至換向瞬間的時(shí)間為4.0 s，車(chē)輛檢測(cè)列車(chē)停穩(wěn)至電機(jī)電流衰減到零所需時(shí)間為1.4 s)。

圖4為信號(hào)升級(jí)后，列車(chē)在折返運(yùn)行時(shí)發(fā)生電機(jī)過(guò)電流故障的相關(guān)數(shù)據(jù)波形圖。從圖中可以看出，列車(chē)在進(jìn)入折返線即將停穩(wěn)時(shí)，列車(chē)的制動(dòng)級(jí)位為100%，電機(jī)再生電流為380 A左右，換向瞬間電機(jī)再生電流還未衰減至零(由于速度傳感器精度問(wèn)題，車(chē)輛和信號(hào)檢測(cè)到列車(chē)速度為零的時(shí)刻不同。信號(hào)檢測(cè)到列車(chē)停穩(wěn)至換向瞬間的時(shí)間為2.6 s，車(chē)輛檢測(cè)到列車(chē)停穩(wěn)至換向瞬間的時(shí)間為2.8 s，車(chē)輛檢測(cè)到列車(chē)停穩(wěn)至電機(jī)電流衰減到零所需時(shí)間為3.2 s)。

圖3 信號(hào)升級(jí)前列車(chē)折返時(shí)的數(shù)據(jù)波形及局部放大圖

圖4 信號(hào)升級(jí)后列車(chē)折返時(shí)的數(shù)據(jù)波形及局部放大圖

從信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)前后列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比看出，升級(jí)前后，列車(chē)進(jìn)入折返線停車(chē)時(shí)的制動(dòng)級(jí)位發(fā)生了變化(從B50%提高至B100%),停車(chē)瞬間(車(chē)輛檢測(cè))牽引電機(jī)再生電流發(fā)生了變化(從200 A提高至380 A)，信號(hào)檢測(cè)到列車(chē)停穩(wěn)至換向的時(shí)間未發(fā)生變化(升級(jí)前后均為2.6 s)，車(chē)輛檢測(cè)列車(chē)停穩(wěn)至換向的時(shí)間發(fā)生了變化(從4 s變?yōu)?.8 s)。同時(shí)升級(jí)前，列車(chē)在換向時(shí)，電機(jī)電流已衰減至零，但升級(jí)后，列車(chē)在換向時(shí)，電機(jī)電流未衰減至零。

通過(guò)分析，確認(rèn)信號(hào)升級(jí)前后如上數(shù)據(jù)的變化，制動(dòng)級(jí)位的變化是因，其他變化是果。即信號(hào)升級(jí)后，列車(chē)進(jìn)入折返線停車(chē)時(shí)的制動(dòng)級(jí)位從50%提高至100%，這樣減速度提高了1倍，再生電流也就提高1倍(從200 A提高至380 A),同時(shí)由于信號(hào)檢測(cè)到列車(chē)停穩(wěn)至換向的時(shí)間未發(fā)生變化(升級(jí)前后均為2.6 s)，這樣車(chē)輛檢測(cè)列車(chē)停穩(wěn)至換向的時(shí)間相應(yīng)也縮小了，并且由于升級(jí)后列車(chē)從停穩(wěn)(信號(hào)檢測(cè))到電機(jī)電流衰減至零的時(shí)間(2.8 s)大于列車(chē)從停穩(wěn)(信號(hào)檢測(cè))到換向的時(shí)間(2.6 s)，導(dǎo)致出現(xiàn)了換向瞬間電機(jī)電流還未衰減至零的現(xiàn)象。(注：西安地鐵2號(hào)線列車(chē)實(shí)現(xiàn)全電制動(dòng)停車(chē)，即在列車(chē)停車(chē)前，列車(chē)施加的是電制動(dòng)，直至列車(chē)停穩(wěn)后空氣制動(dòng)開(kāi)始投入。)

2.2 換向?qū)е码姍C(jī)過(guò)電流的原因

通過(guò)上面的數(shù)據(jù)對(duì)比，確認(rèn)電機(jī)過(guò)電流故障就是由于制動(dòng)級(jí)位提高，停車(chē)瞬間再生電流增加，列車(chē)在折返換向瞬間牽引電機(jī)電流未衰減至零所致，但電機(jī)電流未衰減至零進(jìn)行換向，為何會(huì)出現(xiàn)電機(jī)過(guò)電流呢？

如圖5所示，列車(chē)在制動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向和定子上的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向同向，但轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率大于定子上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率(逆變器頻率)，從而電機(jī)轉(zhuǎn)子切割磁感線，產(chǎn)生再生電勢(shì)(電流)，具體關(guān)系如公式所示：

(1)

其中：f1為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率；f0為逆變器頻率(定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)頻率)。

當(dāng)列車(chē)在制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率f1大于定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)頻率f0，此時(shí)式(1)可表述成式(2)，即：

(2)

當(dāng)列車(chē)在制動(dòng)狀態(tài)(發(fā)電狀態(tài))，此時(shí)突然改變列車(chē)方向(定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向發(fā)生了改變)，即式(1)可表述成式(3)，即：

(3)

由于：

│f1∣-∣f0∣<│f1∣+∣f0∣

(4)

所以，列車(chē)在再生電流未衰減至零進(jìn)行換向，此時(shí)牽引電機(jī)再生電流會(huì)急劇增加。

圖5 換向后定子磁場(chǎng)的變化示意圖

為驗(yàn)證以上分析的準(zhǔn)確性，下載發(fā)生故障時(shí)列車(chē)的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如下：

如圖6所示，發(fā)生故障時(shí)(也是換向的時(shí)間)，在制動(dòng)級(jí)位未變化的前提下，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率在90 ms內(nèi)從0.2 Hz突增至2.9 Hz，所以確定是由于換向?qū)е码姍C(jī)轉(zhuǎn)差率急劇增加，從而使電機(jī)電流急劇增加，最終出現(xiàn)電機(jī)過(guò)電流。

圖6 換向后電機(jī)轉(zhuǎn)差率的變化情況

為確定折返時(shí)發(fā)生的電機(jī)過(guò)電流故障是真實(shí)故障，不是假故障，下載了VVVF(牽引逆變器)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視和高速脈沖數(shù)據(jù)，確認(rèn)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)的實(shí)際電流值。

從標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視數(shù)據(jù)看(見(jiàn)圖7-a)， 發(fā)生故障時(shí)電機(jī)電流值為706 A。 由于標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視數(shù)據(jù)采集周期較長(zhǎng)(10 ms采集1次數(shù)據(jù))， 不能如實(shí)地反映發(fā)生故障的瞬間電流值， 繼續(xù)下載VVVF高速脈沖數(shù)據(jù)(200 us采集1次數(shù)據(jù))， 從高速脈沖數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖7-b)可以看出發(fā)生故障時(shí)W相的電流值上升到了1 562.4 A， 隨后開(kāi)始衰減。 由于發(fā)生電機(jī)過(guò)電流故障后，牽引系統(tǒng)立刻封鎖牽引， 電機(jī)電流急劇下降， 所以可以推測(cè)， 如果將此采集時(shí)間繼續(xù)縮小， 在圖7-b中68至69格之間一定有超過(guò)1 700 A的瞬間(電機(jī)過(guò)電流故障的判斷標(biāo)準(zhǔn)為其瞬時(shí)值大于1 700 A)[1], 所以能夠確定此故障為真實(shí)故障， 而不是假故障。

圖7 發(fā)生電機(jī)過(guò)電流故障瞬間電流局部放大圖

3 折返時(shí)列車(chē)發(fā)生電機(jī)過(guò)電流故障的整改措施

針對(duì)此問(wèn)題，先后組織牽引廠家和信號(hào)廠家召開(kāi)專(zhuān)題會(huì)議數(shù)次，對(duì)此故障后續(xù)的整改方案進(jìn)行討論，研究出各方整改方案。

3.1 調(diào)整牽引系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

通過(guò)對(duì)發(fā)生故障時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在列車(chē)停穩(wěn)瞬間(信號(hào)采集)，列車(chē)牽引電機(jī)電流為250 A左右，2.8 s電機(jī)電流衰減至零，由于此刻電機(jī)電流的衰減速率是一個(gè)定值，計(jì)算確認(rèn)為89 A/s。所以要通過(guò)修改VVVF內(nèi)相關(guān)參數(shù)來(lái)解決此問(wèn)題，則需要將電機(jī)電流的衰減速率提高，保證在2.6 s內(nèi)電機(jī)電流衰減至零(2.6 s為換向時(shí)間)[2-4]。

方案1：提高牽引電機(jī)電流的衰減速率(斜率是固定值)

如圖8所示，考慮1.2倍的安全余量，將電機(jī)電流的衰減速率由原來(lái)的89 A/s提高至119 A/s，這樣在其他外界工況不變的情況下(制動(dòng)級(jí)位)，2.2 s電機(jī)電流即可衰減至零，由于列車(chē)從停穩(wěn)至換向的時(shí)間為2.6 s，所以故障可以解決。

方案2：電機(jī)電流衰減的時(shí)間一定

如圖8所示，不論列車(chē)停車(chē)瞬間電機(jī)電流為多少，都必須在規(guī)定的時(shí)間電流衰減至零，考慮到1.2倍的安全余量，故此時(shí)間推薦為2.2 s。

圖8 牽引系統(tǒng)方整改方案

如上兩方案現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，次生問(wèn)題較多。并且推測(cè)按照如上方案修改VVVF內(nèi)參數(shù)后，相應(yīng)的還需要優(yōu)化牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)之間的接口參數(shù)等?；谌缟弦蛩兀唤ㄗh通過(guò)修改VVVF相關(guān)參數(shù)解決此問(wèn)題。

3.2 調(diào)整信號(hào)控制相關(guān)參數(shù)

由于此問(wèn)題是信號(hào)升級(jí)后出現(xiàn)的，所以通過(guò)修改信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)解決此問(wèn)題相對(duì)容易操作，具體有兩個(gè)方案，即將停車(chē)前的制動(dòng)級(jí)位降低或?qū)Q向時(shí)間延長(zhǎng)[5]。

方案1 ：延長(zhǎng)換向時(shí)間

如圖9所示，在最大級(jí)位制動(dòng)工況下，列車(chē)從停穩(wěn)(信號(hào)檢測(cè))至電機(jī)電流降低到零的時(shí)間為2.8 s，考慮1.2倍的安全余量，換向時(shí)間從原來(lái)的2.6 s延長(zhǎng)至3.4 s后問(wèn)題即可解決。

方案2 ：降低停車(chē)前的制動(dòng)級(jí)位

如圖9所示，100%制動(dòng)時(shí)，列車(chē)從停穩(wěn)(信號(hào)檢測(cè))至電機(jī)電流衰減到零的時(shí)間為2.8 s，通過(guò)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，50%制動(dòng)時(shí)，列車(chē)從停穩(wěn)(信號(hào)檢測(cè))至電機(jī)電流衰減到零的時(shí)間為2.1 s，考慮到1.2倍的安全余量，將制動(dòng)級(jí)位最大值設(shè)為50%，修改后此問(wèn)題即可解決。

圖9 車(chē)載信號(hào)方整改方案

但信號(hào)系統(tǒng)修改此參數(shù)后，一是工作量大，二是無(wú)法預(yù)判是否會(huì)帶來(lái)次生問(wèn)題。最后三方權(quán)衡考慮，采取了如下措施：

信號(hào)系統(tǒng)發(fā)換向信號(hào)后，牽引系統(tǒng)延遲1 s執(zhí)行，這樣牽引系統(tǒng)動(dòng)作小，信號(hào)系統(tǒng)不用做任何改變，風(fēng)險(xiǎn)也最小。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)刷新后，問(wèn)題再未發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

信號(hào)系統(tǒng)與列車(chē)上相關(guān)系統(tǒng)之間的接口較為復(fù)雜和嚴(yán)謹(jǐn)，所以在設(shè)計(jì)階段，務(wù)必要確保接口設(shè)計(jì)合理。在調(diào)試或運(yùn)營(yíng)期間發(fā)現(xiàn)由于信號(hào)和車(chē)輛各系統(tǒng)之間的接口問(wèn)題導(dǎo)致列車(chē)發(fā)生故障，可以在認(rèn)真評(píng)判的基礎(chǔ)上，先通過(guò)修改系統(tǒng)軟件等手段解決此問(wèn)題，然后選取更加合理、更加容易修改以及更加安全的方案[6]。

以上對(duì)西安地鐵2號(hào)線車(chē)輛折返出現(xiàn)的電機(jī)過(guò)電流問(wèn)題的整改措施，可以為采用此種折返方式的城市地鐵列車(chē)折返時(shí)的換向時(shí)機(jī)提供參考依據(jù)。