上海地鐵5號線司機控制器國產化開發

李 卿

（西安開天鐵路電氣股份有限公司，西安 710065)

上海地鐵5號線（莘閔線）于2003年起試運營，全線共有17列車。經過近15年運行，大部分車輛已進入檢修周期，因此上海地鐵方需要采購新的司機控制器。司機控制器是機車車輛的主令控制電器，用來轉換機車牽引與制動工況，改變機車運行方向，設定機車運行速度，從而對機車進行起動和調速。原車輛上的司機控制器采用進口法國阿爾斯通司機控制器，此司機控制器采購周期長且價格昂貴，為解決進口司機控制器價格昂貴、采購周期長等問題，受上海申通地鐵集團有限公司維護保障中心車輛公司委托，西安開天鐵路電氣股份有限公司為上海地鐵5號線地鐵車輛開發國產化司機控制器，替代原有進口電器產品。

1 國產化研制

1.1 司機控制器基本結構介紹

上海地鐵5號線司機控制器由三個單元模塊組成，分別為電鑰匙單元（含有電磁閥機構）、換向單元和調速單元（含有警惕按鈕結構），如圖1所示。電鑰匙單元電鑰匙和換向單元換向手柄操作方式為圓周轉動；調速單元調試手柄為平推式；司機控制器上的電磁閥、電鑰匙、換向單元、調速單元采用機械聯鎖方式進行互鎖：司機器電磁閥上電后，電磁閥吸合，此時電鑰匙解鎖，可由斷開位轉動到接通位，換向單元解鎖，換向單元可進行操作；當換向單元手柄轉離“斷開”位至“手動”、“向前限速”、“洗車”以及“向后限速”位時，調速手柄可在“牽引”、“惰性”、“制動”以及“快速制動”位推動；當司機控制器不工作時，調速手柄被鎖定在“惰性”位置上，換向手柄和電鑰匙在“斷開”位，此時電鑰匙單元被電磁閥鎖住。

圖1 上海地鐵5號線司機控制器組成

1.2 國產化研制要求

國產化司機控制器作為進口司機控制器替代產品，研制的關鍵是保證與車輛上原司機控制器功能相通，能夠實現無條件互換，這是上海申通地鐵維護保障中心對西安開天鐵路電氣股份有限公司所研制的司機控制器最主要的要求，也是國產化司機控制器主要技術所在。要想與原司機控制器功能互通，國產化司機控制器的安裝尺寸、信號輸出、檔位顯示、操縱方式以及聯鎖關系均應與原司機保持一致，主要技術難點可總結為以下九個方面：

第一，司機控制器外形結構設計；第二，司機控制器和車輛接口設計；第三，司機控制器和操縱臺安裝接口設計；第四，司機控制器和車輛電氣接口設計；第五，司機控制器的輔助觸頭選型及輸出設計；第六，司機控制器電磁閥選型；第七，司機控制器電位器選型及輸出設計；第八，司機控制器手柄操作力值要求；第九，司機控制器各部分機械聯鎖設計。

1.3 國產化研制方案

1.3.1 國產化司機控制器基本結構

由于車輛上安裝司機控制器位置、空間、方向均已定確定，因此國產化司機控制器必須符合特定安裝條件，在設計時司機控制器外形尺寸必須和原車司機控制器外形結構一致，才能使國產化司機控制器安裝在特定的環境中。因此可在原司機控制器基本結構基礎上，進行國產化司機控制器外形尺寸設計。

1.3.2 國產化司機控制器主要零部件的選型

連接器作為司機控制器和車輛的電氣連接口，將司機控制器指令傳動到車輛控制單元，因此國產化司機控制器插頭必須和車輛上接口配合良好，且配合后信號導通能力要保持良好?；谝陨弦?，國產化司機控制器插頭必須和原裝司機控制器插頭具有一致性、互換性。所以國產化司機控制器和原車的司機控制器插頭采用同一廠家、同一型號的插頭，以保證電氣接口完全一致。

上海地鐵5號線司機控制器輔助觸頭存在無輸出故障現象，國產化司機控制器采用防護等級和可靠性更高的、且被大批量使用的QKW5型速動開關。

在司機操作司機控制器時，首先按動開啟按鈕，電磁閥回路接通，電磁閥吸合，解除主控鑰匙上聯鎖關系，此時將司機控制器上主控鑰匙轉動到“接通”位，進而才能操作司機控制器。因此電磁閥作為司機控制器主控鑰匙鎖定裝置，具有非常重要作用，在選用電磁閥時，需選用可靠性高、使用壽命長且已經經過驗證的電磁閥。所以國產化司機控制器選用了和原司機控制器相同的MECALECTRO電磁閥，該電磁閥在地鐵司機控制器應用多年，其可靠性已經得到了充分驗證。

編碼器作為司機控器制控制器車輛速度的信號源，具有極其重要作用。編碼器的輸出信號型式、精度、大小、壽命、可靠性等參數均會影響到國產化司機控制器設計，因此電位器選型非常關鍵。在進行編碼器選型時，需要考慮到編碼器輸入電壓、線性誤差、機械轉角、重復性誤差、安裝尺寸、外形尺寸、工作溫度和運輸儲藏溫度等參數。通過對編碼器分析和相關資料查詢，國產化司機控制器選用了和原司機控制器一樣的進口KINAX 3W2編碼器。

1.4 原車輛司機控制器潛在隱患及改進

在進行司機控制器國產化設計時，不但要求性能、外形結構、輸出和操作方式等和原司機控制器保持一致，而且要進一步優化使用性能。因此，要對上海地鐵5號線司機控制器運行過程中存在的問題進行提升改進，原司機控制器主要存在以下問題：第一，由于觸頭防護等級低，且受灰塵影響，出現無輸出故障隱患；第二，模式選擇開關單元底板上無支撐，存在軸向竄動風險；第三，警惕按鈕壓板轉軸磨損，導致兩個安裝轉軸不同心，存在斷裂風險。

在進行國產化司機控制器設計時，對以上隱患進行改進，具體方法如下：第一，觸頭更換為性能等級更高的QKW5型速動開關（防護等級IP60）；第二，對模式選擇開關單元底板進行結構調整，增加自潤滑法蘭軸承；第三，在旋轉軸上增加自潤滑耐磨軸承。國產化司機控制器設計外形結構如圖2所示。

圖2 國產化司機控制器

2 國產化司機控制器研制難點

由于司機在操作過程中，已經習慣了原司機控制器特點，很難改變操作習慣，因此在國產化司機控制器設計時，需符合司機操作要求。國產化司機控制器結構和原司機控制器的結構基本一致，因此在操作時習慣基本沒有變化，所以操作過程中換向和調速手柄力值要求顯得尤為重要。

國產化司機控制器在研制完成后，雖然調速單元手柄力值在要求范圍內，但司機在操作中感覺手柄力值過大。針對此現象進行分析，發現調速單元采用的導軌和軸承的摩擦系數過大，因此調速手柄在推動時的起動摩擦力比較大，同時調速手柄在面板上的毛刷、定位彈簧力作用下，推動時力值感覺較大。在和其他種類的導軌、軸承配合情況進行對比后，決定在國產化司機控制器中選用THK帶有滾珠的軸承和THK導軌，新的導軌和軸承配合摩擦系數降低為原來的十分之一，更換軸承后調速手柄在推動時力起動摩擦力明顯減小，調速手柄測試力值詳如表1所示。

表1 司機控制器力值要求

3 結語

國產化司機控制器在設計時基本和原樣機結構一致，從而保證了新樣機和原樣機的互換性。同時國產化樣機重要零部件均采用和原進口樣機一致的國外原裝進口零件，與原樣機電性能一致?；瑒訉к壊捎萌毡綯HK導軌，該導軌摩擦系數極小，保證了調速手柄滑動流暢性，大大提高了司機控制器使用壽命。國產化司機控制器經過了上海地鐵方廠內試運行性能測試以及國家鐵路產品質量監督檢驗中心的型式試驗認證，司機控制器性能符合車輛要求。目前國產化司機控制器已批量用于上海地鐵中，使用情況良好。上海地鐵5號線司機控制器國產化，為后續同類型司機控制器國產化設計奠定了基礎。