常州地鐵1號線牽引輪徑異常故障分析及解決

陳玲茜 杜友勝

摘要：常州地鐵1號線自開通運行一年后，T11車由于輪對磨耗進行了一定程度的鏇修，并開始頻繁在正線下行過彎道曲線時報出牽引輪徑異常故障，主要表現為每節動車經自動輪徑校準后輪徑差值超出牽引系統設定閥值。主要通過對常州地鐵1號線牽引輪徑校準功能的控制原理和牽引輪徑異常故障判斷邏輯分析查找故障原因，有針對性的解決問題以及提高牽引輪徑校準功能的可靠性。

關鍵詞：地鐵車輛;輪徑校準;輪徑異常;故障分析

一、故障概述

常州地鐵1號線自2020年6月開始，T11車在正線頻繁報出牽引輪徑異常故障，采取人工輪徑校準方法對輪徑進行復核，每節車同軸、同轉向架及同車的車輪直徑差符合檢修標準，但牽引系統輪徑校準功能得出的輪徑差值為6.1mm，超出了系統輪徑差閥值6mm。通過重新調整牽引系統數據記錄清單，增加牽引系統對動車輪徑值得記錄，并且對故障車進行數據信號實時監控，總結故障有以下特點：

（1）跟蹤實時數據信號時，發現列車經過下行區間彎道曲線時，T11車會報出牽引輪徑異常故障。

（2）跟蹤故障數據發現，僅僅T11車的Mp2車的輪徑差值超限報出故障。

二、列車自動輪徑校準功能原理

（1）輪徑校準依據：牽引系統將每列車Mp1車的第一根軸作為參考軸，其軸速作為參考速度，牽引系統將參考速度信號發給車輛網絡TCMS系統，再由TCMS系統將此參考速度信號轉發到所有動車牽引控制模塊并作為輪徑校準的依據。

（2）輪徑校準功能激活指令：牽引系統內部判斷輪徑校準條件是否滿足，條件包括車輛網絡TCMS系統發出的牽引級位小于5%（惰行條件），列車速度滿足輪徑校準的最低速度（車速大于30km/h），車速變化率小于0.5m/s2（加速度要求），列車速度和參考速度差值小于10km/h，同時牽引系統根據這幾個條件也判斷出列車在平直道運行符合輪徑校準條件。

當輪徑校準條件滿足時，牽引系統延時3秒開始激活輪徑校準功能。參考速度與每根動車軸軸速進行對比，軸速差值輸入積分器進行積分校正，積分器直接輸出校準后的輪徑值。積分器的目的就是把軸速和列車速度無限接近，積分器輸出的每根動車軸的輪徑值實時參與軸速計算，最終使每根動車軸軸速與參考速度差值理論為0，此時牽引輪徑值就校準到了實際輪徑值，即牽引系統完成輪徑校準功能，詳細見下方原理圖：

Vcal為輪徑校準的參考速度，Vaxle為軸速。參考速度和每根動車軸軸速的差值實時輸入輪徑校準控制器1/P（即積分控制器），輸出值即為實時校準（累積）出來的輪徑值，并且實時存入DCU內部的存儲器中。校準的輪徑通過和實時的電機轉速運算得到實時的軸速，反饋到控制器前端，形成閉環控制。

即：當前時刻的輪徑值=上一時刻的輪徑值+（Vcal-Vaxle）*Tc/T;

注：TC/T為積分器的時間常數，相當于一個決定輪徑校準快慢的一個系數。

當輪徑校準激活，通過持續的閉環計算，輪徑值在初始輪徑值的基礎上不斷累積（增大或減小），最終使得參考速度無限接近于軸速。

三、故障分析

1.1 故障判斷邏輯

根據牽引數據下載顯示，T11車Mp2車報出的牽引輪徑異常故障對應的牽引系統故障為輪徑差值高故障。

輪徑差值高故障的判斷邏輯是動車的牽引控制單元比較本車四個軸的輪徑值，并將其中最大值和最小值比較。當最大值與最小值差值大于6mm時，牽引控制單元會延時5秒后報出輪徑差值高故障，即牽引輪徑異常故障，從而導致故障時刻牽引模塊（MCM）輸出轉矩因輪徑差值而被限制，實際轉矩與限制因子密切相關，如下圖所示：

當輪徑差值在0-6mm范圍內時，限制因子為1，即不限制轉矩;當輪徑差值在6-9mm范圍內時，限制因子線性下降，對應的牽引模塊（MCM）輸出的轉矩也線性下降;當輪徑差值大于9mm時轉矩下降為0，且延時3秒后保護封鎖牽引模塊（MCM）。

1.2 故障原因分析

更新牽引系統軟件數據記錄清單，增加動車輪徑值的記錄后，采集了2020年6月24日T11車牽引數據，具體如下

（1）6月24日分別報出三次故障，故障時刻分別為09：04：09、11：20：23和15：40：57，故障地點都是環球港站到新區公園站（見圖3）。

（2）以故障時刻11：20：23的速度數據為例（見圖4），環球港站到新區公園站區間，出站加速到一直處于接近惰性狀態，并結合環球港到新區公園站區段圖（見圖5）發現列車連續經過彎道曲線，此時ATO模式下牽引級位也較低，所以全程滿足輪徑校準功能條件。

（3）整理牽引系統記錄的輪徑數據，通過表格對三個故障時刻（2020年6月24日）的T11車Mp2車各軸輪徑變化值進行分析（見表1）。從數據看，每個時間點的故障現象一致，在環球港到新區公園區間，Mp2車在輪徑校準前后4根軸輪徑值最大值和最小值的差值高于故障判斷邏輯閾值6mm，報出了輪徑差值高故障，即牽引輪徑異常故障。

（4）數據總結分析

根據數據分析得出，在環球港到新區公園區間，列車在彎道行駛區間持續保持51km/h和56km/h運行，速度滿足大于30km/h且車輛處于惰行，激活了輪徑校準功能。牽引系統根據前面自身接收到的信號進行了判斷是符合輪徑校準條件并觸發了輪徑校準功能，但是牽引系統也正是在沒有彎道傳感器的情況下，根據這些信號也可判斷出列車是否在平直段運行。T11車在該區間彎道曲線運行時，牽引系統根據自身接收信號誤判電客車處于平直段運行并進行了輪徑校準功能。

又由于列車在此區間過彎道時，外側轉速顯然是要大于內側，軸速出現較大失真，與參考速度存在一定差值，此時輪徑就會不斷校準，最終輸出的輪徑值經過實時校準累積得出，出現的失真也就越來越大。此外，T11車Mp2車由于前期運營輪軌關系磨合，已經經過鏇修作業，實際同車4根軸輪徑差值已按照作業標準在3.7-4mm之間。所以，T11車Mp2車由于本身存在的輪徑差與彎道產生的校準誤差，使得經過校準后的輪徑值超過故障判斷的閥值，報出牽引輪徑異常故障。

四、解決措施

由于列車經過彎道曲線時，其軸速出現較大失真，與參考速度存在一定差值，又由于列車運行條件滿足輪徑校準，輪徑值被不斷進行實時校準累積，使得最終輸出輪徑值偏差越來越大。為減少在彎道產生的輪徑校準誤差，對輪徑校準邏輯中快速積分時間常數進行修改，由原先11ms增加至1000ms，使得列車下行在經過彎道曲線且滿足輪徑校準條件時不立即進行輪徑校準激活，待四節動車進入平直段后再進行，即規避彎道曲線導致的輪徑校準失真。

T11車軟件經過修改后進行了3個月正線驗證，輪徑差值在4.7mm，接近于實際測量值，小于故障閥值6mm，如圖7所示：

五、結束語

通過對車輛牽引控制系統實際運營路況下的數據分析和驗證結果可以得知，列車經過彎道曲線時會產生軸速失真，使得輪徑校準誤差增大。通過對輪徑校準功能激活指令參數的修改，使得輪徑校準功能在平直段激活，減小輪徑校準誤差，使校準值更接近于實際測量值。

經過三個多月的正線跟蹤，牽引輪徑校準功能穩定，未再出現牽引輪徑異常故障。