地鐵車輛車門安全環(huán)路故障分析與探討

薛世城，章賀磊，王自鑫

（鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

鄭州地鐵4 號線車輛網(wǎng)絡(luò)控制和診斷系統(tǒng)，采用國產(chǎn)化DTECS（Distribute Train Electric Control System，分布式列車電氣控制系統(tǒng)）平臺，它好比列車的眼睛和大腦，有監(jiān)視電客車和針對各種情況做出邏輯判斷的功能[1]。

車輛安全環(huán)路是以故障安全導(dǎo)向為基礎(chǔ)的一種控制方法，介紹4 號線近期在正線出現(xiàn)多起無規(guī)律車門安全環(huán)路故障，通過深入分析車門安全環(huán)路故障、網(wǎng)絡(luò)零速邏輯、車輛速度傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理等方面，查明故障原因，為車輛檢修人員處理該故障提供理論支持[2]。

1 車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)介紹

TCMS（Train Control and Management System，列車控制及管理系統(tǒng)）采用國產(chǎn)化DTECS 系統(tǒng)，按照不同的功能與硬件配置分為3 種車型：有司機室的拖車（Tc 車）、無司機室?guī)茈姽膭榆嚕∕p 車）、無司機室的動車（M 車）。不同車型由數(shù)量不同的網(wǎng)關(guān)模塊（EGWM）、中繼器（REPs）、數(shù)字量輸入、輸出模塊（DXMe）、數(shù)字量輸入模塊（DIMe）、模擬量輸入、輸出模塊（AXMe）、人機接口模塊（HMI）組成[3]。

TCMS 通過以太網(wǎng)接口用來連接第三方設(shè)備將列車故障信息、狀態(tài)信息傳送到地面分析設(shè)備，具有很多便于用戶使用的特點。例如，采用分布式模塊化設(shè)計，易于配置和維修；采用符合IEC 61375-1 標(biāo)準(zhǔn)的TCN 總線，易于擴展，適應(yīng)不同形式的列車編組；通信采用雙通道互相替補機制，提高系統(tǒng)運行可靠性等。

2 典型故障分析

某日0406 車在某站下行站臺，ATC（Automatic Train Control，列車自動控制系統(tǒng)）車載設(shè)備發(fā)出開門指令，車門同步打開；司機操作Tc2 車左門關(guān)按鈕，車門同步關(guān)閉；隨后HMI 顯示“Tc2車右側(cè)門安全環(huán)路故障”，司機點擊確認(rèn)后故障消失，司機向行調(diào)報告故障情況。

2.1 車門安全環(huán)路故障上報邏輯

列車占有信號與列車非零速信號同時有效時，網(wǎng)絡(luò)才允許進(jìn)行門安全環(huán)路故障的判斷。當(dāng)上述信號同時有效且列車左門與右門關(guān)好信號任意一個丟失時，網(wǎng)絡(luò)會依次檢測Tc 車、Mp 車、M 車的左門或右門的門關(guān)好信號是否有效。若檢測到某節(jié)車的門關(guān)好信號無效，則網(wǎng)絡(luò)判定“X 車左（右）門安全環(huán)路故障”。故此類故障的主要故障點可能為列車占有信號丟失、列車門關(guān)好信號丟失、列車網(wǎng)絡(luò)零速信號丟失等，車門安全環(huán)路故障上報邏輯如圖1 所示。

圖1 車門安全環(huán)路故障上報邏輯

2.2 列車網(wǎng)絡(luò)零速判定邏輯

列車網(wǎng)絡(luò)零速判斷時，需先進(jìn)行速度有效性判斷，當(dāng)BCU發(fā)送的速度在0.1～120 km/h 時，認(rèn)定該軸速度有效。然后取兩個Tc 車8 根軸的速度，去掉一個最大值和一個最小值，然后取剩下6 根軸的平均速度作為網(wǎng)絡(luò)計算的列車綜合速度。當(dāng)僅有一根軸的速度信號有效時，即取該軸速度為列車綜合速度。

當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)速度低于0.5 km/h 時，網(wǎng)絡(luò)零速有效，當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)速度高于1.0 km/h 時，網(wǎng)絡(luò)零速失效。

2.3 事件記錄儀數(shù)據(jù)分析

選取最近一次故障數(shù)據(jù)，分析故障時間點的事件記錄儀數(shù)據(jù)，Tc1 車為占有端，故障前后列車占有相關(guān)信號無異常波動，Tc1 車列車左門關(guān)好信號、Tc2 車右門關(guān)好信號都與Tc1 車開關(guān)門指令同步動作，與網(wǎng)絡(luò)零速相關(guān)的信號量中，除Tc2 車4 軸速度信號于18:18:00 跳變?yōu)?6.9 km/h 外，其他軸均為0。事件記錄儀數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 事件記錄儀數(shù)據(jù)

綜合事件記錄儀數(shù)據(jù)，判斷該故障為列車靜止?fàn)顟B(tài)下，BCU向TCMS 發(fā)送的Tc2 車4 軸的速度信號異常引起。

3 速度傳感器分析

3.1 速度傳感器結(jié)構(gòu)

鄭州地鐵4 號線采用的是FS01A 電流型速度傳感器[4]（圖3），為單通道霍爾速度傳感器，安裝于軸箱端蓋位置，用于給空氣制動系統(tǒng)提供軸速信號。傳感器頭和線纜為整體部件，頭部采用圓柱螺栓固定連接，尾端采用快速連接器連接，線纜為4 芯屏蔽電纜，被測轉(zhuǎn)動物體為80 齒的的導(dǎo)磁性測速齒輪。

圖3 FS01A 電流型速度傳感器

3.2 速度傳感器工作原理

列車所使用的速度傳感器是一種具有霍爾特性的成熟型傳感器。根據(jù)美國物理學(xué)家E.H.Hall 提出的觀點，霍爾效應(yīng)本質(zhì)上是一種電磁效應(yīng)。給一段導(dǎo)體上通上電流，導(dǎo)體周圍就會產(chǎn)生一個磁場，通過的電流越大產(chǎn)生的磁場也就越強。磁體是有極性的，可分為南極（S 級）和北極（N 級），不同極性相互靠近時會產(chǎn)生相互的吸引力，而不同的極性相互靠近時會產(chǎn)生排斥力。舉一個簡單的例子，給一塊金屬板的左右兩邊加上電源，金屬板里電子在電源的作用下開始移動，產(chǎn)生電流進(jìn)而產(chǎn)生磁場，這時，把一個磁鐵靠近金屬板，磁鐵自身的磁場和電流產(chǎn)生的磁場相互作用，會使得金屬板上的電流產(chǎn)生偏移，電子不斷的向下聚集，上下部之間的差值稱為霍爾電壓，磁鐵越靠近金屬板，相互作用越強，霍爾電壓越大，這就是霍爾效應(yīng)[5]。

對比地鐵列車的速度傳感器檢測系統(tǒng)，當(dāng)測速齒輪在磁場中轉(zhuǎn)動時，在霍爾效應(yīng)的作用下，速度傳感器會產(chǎn)生一系列的脈沖信號，制動系統(tǒng)可以通過每分鐘的脈沖數(shù)來計算軸的轉(zhuǎn)速。

3.3 速度傳感器計數(shù)

FS01A 電流型速度傳感器是單通道霍爾速度傳感器，輸出信號波形為方波，每個EP2002 制動控制閥讀取該閥所對應(yīng)轉(zhuǎn)向架的2 個軸速信息。霍爾式速度傳感器相對于電磁式速度傳感器而言，屬于有源速度傳感器，需要借助外部電源工作，速度傳感器通過EP2002 閥提供的DC 15 V 電源工作。

霍爾式速度傳感器利用霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電壓。當(dāng)安裝在車軸端部的測速齒輪轉(zhuǎn)動時，使得與之配對安裝的速度傳感器內(nèi)通過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，從而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出準(zhǔn)正弦波電壓，此信號由速度傳感器自帶的電子電路轉(zhuǎn)換成脈沖電流信號。由于霍爾元件的輸出電壓與被測物體的運動速度無關(guān)，因此它的高、低速特性很好，若用其測量物體的轉(zhuǎn)速，其下限速度從理論上講可以接近于0（實際最小為1 Hz），當(dāng)EP2002 閥本架上的一個速度傳感器故障時，該EP2002 閥的防滑保護(hù)控制處于架控狀態(tài)，但由于此時速度傳感器故障，沒有實際軸速，僅能以該轉(zhuǎn)向架另一個軸的速度來控制這根軸的防滑動作，此時與傳統(tǒng)意義的架控防滑仍有區(qū)別，沒有實際軸速的情況下，這根軸出現(xiàn)擦輪的可能性較高。當(dāng)EP2002 閥本架上的兩個速度傳感器都存在故障時，該EP2002閥將沒有防滑保護(hù)控制。

地鐵列車速度傳感器對應(yīng)的測速齒輪通常是80 齒，如果要產(chǎn)生一個脈沖變化，則相當(dāng)于至少轉(zhuǎn)動4.5°，換算下來EP2002閥讀取的速度傳感器最低速度為0.5 km/h。輸出脈沖如圖4 所示。

圖4 速度傳感器輸出脈沖

4 結(jié)束語

通過對車門安全環(huán)路故障的上報邏輯、網(wǎng)絡(luò)零速判斷邏輯及FS01A 型速度傳感器結(jié)構(gòu)、工作原理、計數(shù)原理等進(jìn)行分析，得出導(dǎo)致速度傳感器計數(shù)跳變的原因及排查方法如下：

（1）速度傳感器自身故障。檢查EP 閥插頭無縮針，檢查速度傳感器間隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，速度傳感器表面無破損、污染。選取一個跳變的速度傳感器，換位置后跟蹤是否故障跟隨轉(zhuǎn)移，以便檢查或排除是否速度傳感器自身存在故障。

（2）受到外部電磁干擾。排查跳變軸附近是否有瞬間大電流（如接地點）經(jīng)過。

（3）列車晃動導(dǎo)致測速齒輪轉(zhuǎn)動。4 號線電客車速度傳感器對應(yīng)的測速齒輪是80 齒。根據(jù)計數(shù)原理分析，如果要產(chǎn)生一個脈沖變化，僅需要測速齒輪轉(zhuǎn)動4.5°即可。

（4）輪對失圓導(dǎo)致停車時測速齒輪轉(zhuǎn)動。單側(cè)輪對失圓或雙側(cè)輪對均失圓導(dǎo)致停車時兩側(cè)車軸未處于同一水平高度，輕微晃動就會引發(fā)測速齒輪出現(xiàn)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而產(chǎn)生軸速。