動車組車門系統(tǒng)站臺補償器故障分析與改進

胡繼珍，鞏文東，鞏長義，王文超

（1.IFE-威奧軌道車輛門系統(tǒng)（青島）有限公司 工程部，高級工程師，山東 青島 266108；2.山東職業(yè)學(xué)院 城市軌道學(xué)院，講師，山東 濟南 250304）

引言

CRH380系列高速動車組車門系統(tǒng)采用壓力密封型電動單扇塞拉門系統(tǒng)，每套車門配備一套站臺補償器（腳踏），用于減少車輛同站臺之間的間隙。車門和站臺補償器由門控器控制，門控器接收車門區(qū)域的乘客按鈕信號和來自列車司機控制臺的指令，控制車門的打開、關(guān)閉，并對車門和站臺補償器的狀態(tài)進行監(jiān)控。CRH380系列動車組上線運營已超過十年，在長期運營和檢修過程中針對站臺補償器進行過多次改進，如更換新型供氣節(jié)流閥、優(yōu)化站臺補償器控制邏輯［1］［2］［3］等，降低了站臺補償器的故障率，但運營過程中仍然有偶發(fā)故障現(xiàn)象。為進一步降低車門故障率，提高車輛運營安全性，有必要進一步分析站臺補償器的故障原因，制定改進措施，為車輛的安全高效運營提供保障。

1 站臺補償器介紹

站臺補償器機械結(jié)構(gòu)如圖1所示［4］。站臺補償器安裝在車門底部，踏板可以放平或收起。車門打開時，踏板放平，用于填補車輛同站臺之間的間隙，方便乘客上下車輛。車門關(guān)閉時，踏板收起。

圖1 站臺補償器的結(jié)構(gòu)

站臺補償器的控制系統(tǒng)包括氣缸、打開電磁閥、關(guān)閉電磁閥、“腳踏打開”限位開關(guān)（B10）、“腳踏已關(guān)閉”限位開關(guān)（B11）、隔離機構(gòu)及氣動節(jié)流閥裝置。

站臺補償器由門控器控制［5］，開門過程中，車門首先打開，在車門的開度約150mm時門控器驅(qū)動打開電磁閥，使氣缸打開方向充氣，將踏板往打開方向開啟。關(guān)閉過程中，車門首先關(guān)閉，在車門開度還剩下300mm時門控器驅(qū)動關(guān)閉電磁閥，使氣缸向關(guān)閉方向充氣，使踏板往關(guān)閉方向動作。限位開關(guān)B10和B11分別用于指示踏板的打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)。站臺補償器底部配置一個隔離結(jié)構(gòu)，使用四角鑰匙操作隔離機構(gòu)可使踏板被機械鎖閉在關(guān)閉位置，此時觸發(fā)機械隔離限位開關(guān)，指示站臺補償器處于機械隔離狀態(tài)。

車門系統(tǒng)定義了5個故障代碼用于指示站臺補償器的故障狀態(tài)（如表1所示）［6］。

表1 站臺補償器故障代碼

門控器監(jiān)控站臺補償器的狀態(tài)，并通過通信總線將站臺補償器的狀態(tài)和故障信號發(fā)送給車輛。

2 站臺補償器故障分析

CRH380系列某型動車組共25列車，統(tǒng)計2018年10月至2020年10月兩年間發(fā)生的車門站臺補償器故障共16起，故障情況如表2所示：

表2 站臺補償器故障統(tǒng)計

由表2可知，站臺補償器故障主要是故障代碼96和故障代碼97/98對應(yīng)的故障，故障代碼98伴隨故障代碼97發(fā)生。以下針對這兩類主要故障進行分析。

2.1 “在規(guī)定時間內(nèi)腳踏未能關(guān)閉”故障的分析

站臺補償器關(guān)閉時，如果踏板在6s內(nèi)未能觸發(fā)限位開關(guān)（B11），則門控器會判斷為踏板在規(guī)定的時間內(nèi)沒有關(guān)閉，并產(chǎn)生故障代碼96。腳踏關(guān)閉過程的控制邏輯如圖2所示。

圖2 腳踏關(guān)閉控制邏輯

導(dǎo)致踏板未能關(guān)閉的原因可能是電磁閥故障、供氣節(jié)流閥故障、氣缸故障、限位開關(guān)（B11）故障、限位開關(guān)（B11）安裝位置偏差、異物卡滯等。根據(jù)現(xiàn)場的故障處理情況，故障發(fā)生時踏板通常已經(jīng)處于關(guān)閉位置，但是限位開關(guān)（B11）無法觸發(fā)，適當調(diào)整限位開關(guān)（B11）的位置，可以使限位開關(guān)（B11）切換為觸發(fā)狀態(tài)。

限位開關(guān)（B11）和限位開關(guān)（B10）為磁性開關(guān)，靠氣缸內(nèi)部的活塞磁鐵的磁力激活，開關(guān)的安裝位置是一段區(qū)域。每個開關(guān)的安裝范圍約15mm，安裝時通常將限位開關(guān)安裝在安裝范圍的中間位置，采用塑料卡箍固定在氣缸的外壁上，安裝方式如圖3所示。踏板關(guān)閉時，氣缸活塞推進至上部的限位開關(guān)（B11）附近，并激活限位開關(guān)（B11）；踏板打開時，氣缸活塞推進至下部的限位開關(guān)（B10）附近，激活限位開關(guān)（B10）。

圖3 限位開關(guān)安裝區(qū)域

由于氣缸外殼為表面光滑的不銹鋼，且氣缸在推動踏板連桿旋轉(zhuǎn)時氣缸本身會隨著運動，因此限位開關(guān)存在著安裝位置偏移的風(fēng)險。

站臺補償器的打開過程和關(guān)閉過程時序如圖4所示。打開電磁閥激活后，踏板往打開方向運動，踏板離開關(guān)閉位置時限位開關(guān)（B11）復(fù)位，踏板到達打開位置后，激活限位開關(guān)（B10）。關(guān)閉電磁閥激活后，踏板往關(guān)閉方向運動，踏板離開打開位置時限位開關(guān)（B10）復(fù)位，踏板到達關(guān)閉位置后，激活限位開關(guān)（B11）。

圖4 站臺補償器打開和關(guān)閉過程時序圖

分別將限位開關(guān)B10/B11安裝在安裝范圍的中間位置、上限位置、下限位置，測量不同的安裝位置對限位開關(guān)動作時間的影響，測量結(jié)果如表3所示。

表3 踏板打開/關(guān)閉過程中限位開關(guān)觸發(fā)時間

結(jié)果顯示，限位開關(guān)（B10）的安裝位置對踏板的打開時間影響很小；限位開關(guān)（B11）的調(diào)整位置處于上限時，對踏板的關(guān)閉過程影響明顯，限位開關(guān)（B11）的激活時間超出其它情況下開關(guān)激活時間的2倍，但該時間小于6s，不會導(dǎo)致故障代碼96產(chǎn)生。但安裝位置偏移超出安裝范圍時，會導(dǎo)致限位開關(guān)無法觸發(fā)，影響踏板的正常打開/關(guān)閉。

2.2 限位開關(guān)“腳踏已關(guān)閉”故障和限位開關(guān)“腳踏打開”故障的分析

車門關(guān)閉后門控器會發(fā)出“車門已關(guān)閉”和“腳踏關(guān)閉”狀態(tài)信號，司機室屏顯示車門關(guān)閉圖標和腳踏關(guān)閉圖標。正線運營出現(xiàn)司機室屏顯示車門關(guān)閉但腳踏未關(guān)閉現(xiàn)象，故障發(fā)生時車門和腳踏實際處于關(guān)閉位置，門控器記錄故障代碼97/98。針對發(fā)生該故障的站臺補償器氣缸和限位開關(guān)（B11）進行檢測，發(fā)現(xiàn)氣缸功能良好，而限位開關(guān)B11的常開觸點發(fā)生形變，導(dǎo)致常開觸點存在粘連的可能，即踏板打開后B11開關(guān)可能會因常開觸點粘連無法復(fù)位，導(dǎo)致B11限位開關(guān)故障代碼97產(chǎn)生。

限位開關(guān)（B11）故障代碼97的控制邏輯如圖5所示：腳踏打開電磁閥啟動，限位開關(guān)（B10）已經(jīng)指示腳踏打開，但限位開關(guān)（B11）仍然指示腳踏已關(guān)閉，300ms后報出故障代碼97；腳踏打開狀態(tài)下，若限位開關(guān)（B11）復(fù)位，則故障代碼97復(fù)位。

圖5 故障代碼97控制邏輯

限位開關(guān)（B10）故障代碼98的控制邏輯如圖6所示：腳踏關(guān)閉電磁閥啟動，“限位開關(guān)（B11）已經(jīng)指示腳踏關(guān)閉，但限位開關(guān)（B10）仍然指示腳踏打開，300ms后報出故障代碼98。腳踏關(guān)閉狀態(tài)下，若限位開關(guān)（B10）復(fù)位，則故障代碼98復(fù)位。

圖6 故障代碼98控制邏輯

“腳踏關(guān)閉”信號的控制邏輯如圖7所示：限位開關(guān)（B11）激活狀態(tài)且沒有產(chǎn)生故障代碼97。

圖7 腳踏關(guān)閉信號邏輯

如果限位開關(guān)（B11）常開觸點粘連，B11信號會持續(xù)激活，腳踏打開后，會產(chǎn)生故障代碼97。之后將腳踏關(guān)閉，97故障仍處于激活狀態(tài)，此時車門無法發(fā)出“腳踏關(guān)閉”信號。由表3可知，腳踏關(guān)閉過程中，打開電磁閥激活200-300ms后“腳踏打開”限位開關(guān)B10才會復(fù)位，而故障代碼98的控制邏輯中，B10/B11同時激活300ms報出故障代碼98。在B11限位開關(guān)常開觸點粘連的情況下，腳踏關(guān)閉過程中、打開電磁閥激活后，B11和B10會同時激活近300ms，因此導(dǎo)致偶發(fā)的故障代碼98產(chǎn)生。

上述分析可知，造成站臺補償器故障的原因為：限位開關(guān)B10/B11為電磁磁性開關(guān)，安裝位置偏移超出設(shè)計范圍后影響開關(guān)的觸發(fā)；且開關(guān)觸點容易出現(xiàn)粘連，導(dǎo)致開關(guān)觸點無法復(fù)位。司機室屏顯示車門關(guān)閉但腳踏未關(guān)閉時，車門和踏板實際處于關(guān)閉位置，是由于開關(guān)故障導(dǎo)致門控器無法識別到踏板的實際狀態(tài)。

3 站臺補償器優(yōu)化措施

3.1 限位開關(guān)安裝方式優(yōu)化

根據(jù)上述分析，針對性的提出如下解決措施：使用金屬卡箍替代原有的塑料卡箍，使限位開關(guān)B10/B11固定更牢固。并在車輛月檢、年檢等檢修中增加對限位開關(guān)安裝位置和安裝方向的檢查，防止限位開關(guān)安裝位置和方向出現(xiàn)較大偏移。

研究B10/B11限位開關(guān)替代方案，采用更可靠的機械式微動開關(guān)替代磁性開關(guān)。限位開關(guān)不再使用卡箍安裝在氣缸壁上，而是使用螺栓緊固在站臺補償器底部的踏板機械連桿附近的支架上，并在大修修程中完成限位開關(guān)的換裝，以徹底解決限位開關(guān)觸點粘連和安裝位置偏移導(dǎo)致的腳踏故障。

3.2 控制邏輯優(yōu)化

①正線故障時，車門和站臺補償器均處于關(guān)閉位置，因此可以確認限位開關(guān)（B11）故障情況下，不會影響車門的關(guān)門過程。優(yōu)化后的“腳踏關(guān)閉”狀態(tài)信號控制邏輯如圖8所示：

圖8 優(yōu)化后的腳踏關(guān)閉邏輯

該邏輯可以保證在故障情況下車門和處于關(guān)閉位置時，司機室HMI屏顯示車門和站臺補償器為關(guān)閉狀態(tài)：

站臺補償器正常關(guān)閉時，門控器發(fā)出“腳踏關(guān)閉”信號。

B11常開觸點粘連時（持續(xù)激活狀態(tài)），由于車門/腳踏已經(jīng)關(guān)閉，門控器發(fā)出“腳踏關(guān)閉”信號。

B11故障無法觸發(fā)時，由于車門已經(jīng)到達關(guān)閉位置，門控器發(fā)出“腳踏關(guān)閉”信號。

因其它部件如電磁閥、氣缸等引起站臺補償器故障，導(dǎo)致站臺補償器無法關(guān)閉時，車門關(guān)閉過程中會碰撞踏板，并觸發(fā)障礙物探測功能，導(dǎo)致車門無法關(guān)閉，司機室HMI屏?xí)崾緸檐囬T防夾狀態(tài)，提醒乘務(wù)人員處置車門故障。

②優(yōu)化故障代碼97和98的判斷時間。由表3可知，B10/B11在不同安裝位置情況下，打開或關(guān)閉電磁閥啟動后限位開關(guān)B10/B11的動作時間最大為1.7s，經(jīng)試驗可將故障代碼97/98的判斷時間由300ms延長到2s，避免由于限位開關(guān)偶發(fā)故障情況下閃報故障代碼97/98。優(yōu)化后的控制邏輯于2021年3月起在現(xiàn)場應(yīng)用，運行情況良好，目前沒收到相關(guān)故障報告。

4 結(jié)論

車門站臺補償器通過電磁閥驅(qū)動氣缸控制踏板的動作，通過電磁限位開關(guān)判斷踏板是否打開/關(guān)閉到位，為復(fù)雜的電、磁、氣控制系統(tǒng)。本文提出的優(yōu)化車門控制邏輯方案，已應(yīng)用到列車運營中，有效的降低了站臺補償器故障率；限位開關(guān)安裝方式優(yōu)化方案計劃在后續(xù)的大修過程中實施，可進一步減少站臺補償器故障，為車門系統(tǒng)的正常關(guān)閉提供保證，從而保障列車的安全、準時運營。