城市軌道交通固定式架車機的安全可靠性因素分析

摘 要:鑒于城市軌道交通車輛的機械結構特點與運營作業要求，采用固定式架車機對車輛進行解列或不解列的架落車作業，不僅可提高檢修作業的工作效率，同時保證檢修作業的安全可靠。本文通過分析固定式架車機的性能和機理，提出固定架車機在設計、制造中需重點考慮的涉及安全性、可靠性的主要因素。

研究結論:通過分析，提出固定式架車機在車輛段工藝設計中應注意的涉及安全性、可靠性的問題。

關鍵詞:固定式架車機 安全性 可靠性

中圖分類號:U279.3文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)08(a)-0139-02城市軌道交通運營的特點和需求決定了地鐵列車實行高密度、小編組的開行方案，一般情況下為固定編組，車輛與車輛之間通常采用半自動車鉤和半永久牽引桿連接。當列車隊中的車輛或某一轉向架發生故障需要維修時，則需要進行架車作業，脫離故障單元。由于車輛之間不同連接方式的電氣連接、機械連接、風管連接十分復雜，解編作業和架車作業將消耗很多時間。為提高作業效率，固定式架車機組應運而生，可極大地滿足城市軌道交通車輛段的檢修作業要求，目前這種設備已在國外以及上海、北京、廣州、南京等車輛段大量使用使用。

1 固定式架車機的使用目的

如前所述，固定式架車機組主要是滿足固定列車編組的檢修作業需要。其作用一是在不完全解體條件下的單節車輛解鉤或單個轉向架更換，二是整列車解鉤作業以及全部轉向架推出檢修。(圖1，2，3)

2 國內地鐵領域固定式架車機的主要使用參數

2.1 環境參數

環境溫度:-5～45℃;

相對濕度:在25℃時相對濕度小于95%;

地震烈度為Ⅵ度;

海拔高度:≤1000m;

滿足安裝于室內空氣中含有酸雨、灰塵、硫酸化合物、二氧化硫等腐蝕場合。

2.2 主要技術參數

(1)起重能力

每套架車機的轉向架架車單元合計起重能力:400kN;

每套架車機的車體架車單元合計起重能力 400kN。

(2)起升高度

車輛架車機最大升程≥1，600mm;

車體架車機最大凈升程 ≥3，000mm;

(3)各架車機升降立柱間凈寬

車輛架車機凈寬 ≥3，000mm;

車體架車機凈寬 ≥3，100mm;

(4)升降速度

各升降機升降速度≤400mm／min。

(5)升降同步誤差±5mm;

(6)驅動功率:

轉向架架車單元5.5kW

合計5.5×6 =33kW

車體架車單元2.2kW

合計2.2×12=26.4kW

總計59.5kW

總計:59.4kW

2.3 設備同步性能

(1)與相鄰架車機構之間的高度偏差

8mm

(2)任何架車機之間的高度偏差

8mm

(3)每條軌道的兩端點間的水平偏差

+6mm

(4)每臺架車機兩條軌橋中心線間的水平偏差+6mm

(5)降下后的架車機橋應與車間軌道平齊縱向間隙≤10mm

接頭高低差≤1mm

3 固定式架車機安全可靠性的保護措施

3.1 聲光警示

當架車機工作時設有聲光警示信號;

3.2 人工操作與監護

(1)為能在控制架車機工作的同時還能及時了解車廂兩側的情況，通過PLC控制程序設置，兩個工作人員在車廂兩側共同控制相互確認架車機處于安全工作狀態，并監視車廂的舉升情況。控制器為安全模式配置，采用點動下按運行方式，任何一個人松手，架車機立即停機。

(2)專人操作

電源開關和選擇開關等都設置專門鑰匙，只有專業人員才能操作。

(3)維修開關

在地坑一層的接線箱上安裝一個維修開關，工作人員在地坑中檢修時，可以將這個開關關斷，這時系統的動力電源即被切斷，這樣可以防止維修過程中對設備誤操作并保證地坑中人員的人身安全。

3.3 機械保護

(1)承載螺母、安全螺母

承載螺母和安全螺母為青銅材料(GC-CuSn12)，耐用性好。在所有承載螺母的下面都設有安全螺母，一旦發生承載螺母破壞或螺桿螺紋破壞時，安全螺母將起到承載作用，以確保設備安全。

安全螺母采用特殊設計可承受全部載荷，因而，對整個架車機系統來說沒有緊急的危險。主提升螺母和安全螺母的新安裝間隙為3.6～4.2mm。

(2)帶自鎖功能的螺紋絲桿

提升螺桿采用梯型螺紋，具有自鎖功能，梯形螺紋絲桿由C45碳鋼制造，有防塵的絲桿護套保護，這是架車機行業普遍認同的安全可靠防跌落鎮定措施。

絲桿有防塵的絲桿護套保護，每個絲桿的自動潤滑轉向架舉升單元和車體舉升/支撐單元的每根絲桿均配有自動潤滑裝置。(圖4)

自動潤滑裝置可持續向絲桿壓送潤滑脂12個月，經由電化學反應提供自動潤滑，可定期更換。

(3)防滾落裝置

每個起升橫梁上均設置帶凹緣的防滾落裝置升降軌，作業時輪踏面位于特殊加工的防滾落槽內，結構簡單可靠，確保在舉升過程中，轉向架不會從軌道橋上滾落下來。該系統的優點是不會被鐵銹或其他任何零件的不活動而卡死。因此，該系統不需要能引起故障的電控系統。為了準確的定位車輛/轉向架，在凹陷處安裝有車輪探測設備和限位開關。

(4)輔助軌道

設置輔助軌道，使螺桿在車輛進出架車機時處于無載荷狀態，避免螺桿受意外沖擊載荷的影響，確保安全。

(5)架車單元卡住保護

為防止架車單元卡住時電機繼續運行而損壞機械結構，在架車單元承載螺母上安裝一個保護開關。當架車單元卡住時，裝在安全螺母上的支桿壓動這個保護開關，發出信號，控制系統命令停機，并禁止架車機下降運動。只能上升運動使架車單元脫離阻卡故障區，然后排除造成故障的原因。(圖5，6)

3.4 電氣保護

(1)急停開關

在聯動工作方式下，現場按下任何一個急停開關都將切斷所有正在工作架車單元的動力電源，使架車機立即停機。

(2)限位開關

設定正確的運行行程，保證設備運行于安全工作范圍，防止機械運行行程超出工作范圍。在單動工作方式時，每個架車單元的限位開關僅限制自身的工作;而在聯動工作方式時，如果某個架車單元的限位開關動作，所有架車單元同時停機。每個位置的限位功能由組合式限位開關實現動作控制，即兩只限位開關完成。如在上限位置設置上終點限位開關和上極限限位開關，確保在上終點限位開關故障時仍可具有上限位功能。

該限位開關直接連接在舉升變速箱上部的位置。全部停止位置(運行0/1600高度限位和安全限位以及下降距地面150/400mm安全限位均有該組合式限位開關控制)。

(3)150mm/400mm停機保護

為防止維修車廂時有異物阻礙架車單元頭部下降沉沒地下，每次架車單元下降回零點時，至150mm/400mm處自動停機，待檢查無異物后，除按動現場控制器的“下降”按鈕外，同時還要按下“回零位”按鈕，才能使架車機繼續下降，這樣既可加強操作人員的責任感，同時并保證設備安全運行。

(4)相序保護

在中央控制柜內動力電源進線側安裝一個相序保護繼電器，如果進線電源相序發生顛倒，這個繼電器動作，使動力電源接觸器釋放，這樣可以防止電機反轉引起故障。

(5)安全接地保護

所有按鈕、信號燈、現場控制器等使用的工作電源都經過隔離變壓器的外殼隔離處理，從而保證操作人員的安全。

所有設備、電動機、接線箱、中央控制臺和架車單元的外殼都采用可靠接地，使之同車間安全接地網連接在一起，避免人身觸電意外。

(6)電機保護

每個架車單元的電機設置一個保護器，作短路，缺相和過載保護。在使用雙PLC程序監視每個電機的接觸器是否能按指令要求動作，如果發生以上故障，控制系統將自動停機。

(7)IP等級

中央控制臺的防護等級≥IP55，檢測開關和旋轉編碼器的防護等級不低于IP64，接線箱的防護等級不低于IP54。

電機絕緣等級不低于F級。

3.5 智能保護

(1)失步保護

固定式架車機具有同步控制的特點，它可使舉升柱在成組模式的舉升和下降過程中，具有同樣的速度以保證載荷平穩和整體升降。當舉升柱以成組模式操作時，自動進行同步控制。系統中設置架車單元之間高差的極限值。當架車單元或架車單元組之間的高差大于極限值，將被視為失步故障，這時系統停止工作。失步狀態由傳感器自動判斷，當排除引發故障的原因后并按下校準按鈕，控制系統將自動調整架車單元的高度，直至架車單元之間高差退到允許的范圍之內。

(2)冗余配置

架車機主控制系統采用冗余保護措施，根據最新的歐洲架升設備安全規范:“DIN EN1493和VDE”標準，架升設備控制系統必須安裝備有2個PLC單元，以實現自動安全的冗余保護和同步控制。

主控柜配置雙PLC控制、監察運行方式，自動判定工作、只有當設備狀態處于安全工作狀態時才能啟動設備。

感應傳感器的信號回傳至2套PLC系統，系統會自動比較兩個PLC單元中的數據，如果一切正常則設備持續運行，如果出現故障，系統會自動停機并自動在控制面板上顯示故障信息，冗余控制保證了自動同步功能的正常運行。

(3)承載螺母預期磨損監視

為確保螺紋絲桿在安全狀態才能運行，每根螺紋絲桿均裝備有可供視覺檢查磨損量和撕裂損壞以及自動(電器開關控制)的螺母檢測系統，監視承載螺母螺紋磨損情況。一方面通過螺紋的2°23’的傾角與外部尺寸的配合保證絕對自鎖;另一方面在架車單元承載螺母上設置一個保護開關。當承載螺母的螺紋磨損到安全設定值時，裝在安全螺母上的支桿壓動這個保護開關，發出信號，控制系統命令停機，并禁止架車機升降運動。這時需經專業檢修人員檢查，確認可以工作，并且在中央控制柜設定“允許下降”信號，才能使架車機下降運動將車廂放在地面，然后更換螺母。這種預期磨損監測可避免承載螺母磨損破壞后突發的意外事故。

4 結語

近年來隨著國內城市軌道交通的迅速發展，固定式架車機在地鐵車輛段領域得到了越來越多的運用，作為車輛段內重要和關鍵的工藝設備，必須要高度重視并確保該設備的技術配置與影響作業使用的安全性和可靠性因素，以在保障作業員工和設備質量安全的前提下，高效地完成作業。