鄭許線車輛客室車門系統介紹及典型故障案例分析

李豐恩,劉 博,鄧騰飛

鄭州地鐵集團有限公司,河南 鄭州 450000

0 引言

鄭州地鐵鄭許線為GOA4等級全自動駕駛線路,車輛為3動1拖4編組B型車,運營時速120 km/h,車輛總長80.24 m,客室車門采用雙扇電控電動塞拉門,每節車8套車門,每側各4套車門,呈對稱分布。客室門開關由電子門控器控制,可實現對每一門的單獨控制和列車集中控制[1]。每節車的1門和2門門控器為主門控器,通過以太網與列車控制和管理系統(train control and management system,TCMS)進行通信,其余車門為從門,從門間通過以太網進行數據傳輸。且具有自診斷和故障記錄功能,診斷數據通過以太網數據總線傳輸到TCMS,該功能可實現自動查找并指明功能故障的目的,指導駕駛人員操作隔離裝置進行應急處置,同時也可指導現場人員查找并維修故障。本文主要通過闡述車門系統的工作原理、功能及故障診斷邏輯,研究車門典型故障的處理思路,為車門系統的故障處理提供指導。

1 車門系統工作原理

1.1 車門動作原理

鄭許線車輛客室門系統設置有可靠的機械鎖閉機構、故障隔離裝置、緊急解鎖、重開門等安全設施,保證車門系統的安全性。主要由門控器、驅動電機、聯軸器、承載機構、門頁、絲桿、長導柱、短導柱、上滑道、下滑道、左右旋螺母組件、攜門架、平衡壓輪、下擋銷、下擺臂、解鎖裝置、隔離裝置、直線軸承、H型傳動架、護指膠條、限位開關等部件組成,通過門控器控制,帶動驅動電機來實現車門的開關動作。

傳動裝置采用絲杠方式,傳動裝置、導向裝置、驅動裝置和鎖閉裝置集中為一個緊湊的功能單元,便于安裝和維修。電機組件由1個直流電動機及電機和驅動裝置之間的連接裝置組成。門扇的運動由電機驅動絲桿(對于雙頁門,絲桿一半右旋,一半左旋)來實現。傳動螺母通過鉸鏈結構的H型傳動架帶動直線軸承在長導柱上滑動,進而帶動攜門架組件移動門扇,如圖1所示。

圖1 車門開關原理示意

1.2 車門機械鎖閉和解鎖功能

鄭許線車輛客室車門機械鎖閉和解鎖功能是通過絲桿上LS鎖結構來實現的,由絲桿和螺母組件配合完成車門的機械鎖閉和解鎖動作。LS型鎖閉系統具有鎖閉可靠、傳遞效率高、結構簡單、故障率低、噪音低、運動特性好等顯著優點。

LS鎖左右旋螺母組件的動作原理就是利用變導程絲桿來實現傳動和鎖閉,鎖閉和解鎖是傳動過程的2種狀態,因此LS鎖螺母組件的傳動和鎖閉是一種無源的變導程鎖閉裝置。變導程絲桿由大于摩擦自鎖角的正常導程和小于摩擦自鎖角的零導程組成。

螺母組件上的螺母座與門扇相連,滾動銷安裝在螺母組件的螺母套上。電機正反轉動,帶動絲桿轉動驅動滾動銷左右平移實現開關門,在滾動銷進入絲桿鎖閉段后,實現對螺母組件和門扇的機械鎖閉,在滾動銷離開絲桿鎖閉段后,實現對螺母組件和門扇的解鎖,因此LS鎖絲桿螺母組件是一種螺旋傳動、關閉到位自動鎖閉、開門自動解鎖、無源鎖閉的裝置,如圖2所示。

圖2 LS鎖結構

2 門故障診斷邏輯

車門系統對電子門控器(electronic door control unit,EDCU)內部及門功能進行診斷,并且還可通過監控輸出電流來判斷車門回路中是否有斷路或短路的情況,以便時刻保持車門的安全性。診斷出的故障可分為3級,即主要故障、次要故障、事件。

主要故障為高優先級,乘客的安全或門的操作可能受到影響,工作人員要針對這一情況采取臨時應急措施,例如隔離故障車門;次要故障為低優先級,乘客的安全或門的操作可能受到部分影響,可以在待列車回庫后進行檢查或維修這些故障;事件指門系統重要操作的相關記錄,無需人為干預。當車門被診斷出主要故障后需盡快安排檢查,若故障不能被修復,則故障門需要被隔離;次要故障對于門的安全不會造成影響,所有指令均可以繼續被操作,門需要被檢查。EDCU故障診斷信息表如表1所示。

表1 EDCU故障診斷信息表

3 典型故障分析

3.1 安全互鎖回路異常故障

3.1.1 故障現象

2023年7月14日,車輛段庫內檢修人員報ZX04車HMI上顯示3車5門圖標顯紅,故障履歷現存故障報3車5號門安全互鎖回路異常故障。

3.1.2 電氣原理分析

因地鐵車輛每節車車門數量較多(B型車8套、A型車10套),且屬于直接面對乘客的部件,故對車門的安全性和可靠性要求較高。為保證客室車門的安全可靠性,每套客室車門均設置有1個S2關到位開關、1個S1鎖到位開關,安裝在承載機構上,用于監控車門的關鎖到位狀態。每個開關包含有NO(常開)及NC(常閉)觸點,機械上聯動,但電氣上互相獨立。NC觸點用于列車安全回路,NO觸點用于門控器內部的檢測電路[2],如圖3所示。

圖3 開關安裝示意

鄭許線車輛車門級安全互鎖回路由安全互鎖1回路和安全互鎖2回路組成。安全互鎖1回路由門關到位開關S2的NC觸點與隔離開關S4的NO觸點并聯連接;安全互鎖2回路由門鎖到位開關S1的NC觸點和緊急解鎖開關S3的NC觸點串聯連接。當安全互鎖回路閉合時,安全互鎖1 回路端口1 和安全互鎖1 回路端口2狀態一致且安全互鎖2回路端口1和安全互鎖2回路端口2狀態一致,車輛允許牽引;若檢測到安全互鎖1回路端口1 和安全互鎖1回路端口2狀態不一致或安全互鎖2回路端口1和安全互鎖2回路端口2狀態不一致,則報安全互鎖回路異常故障,車輛牽引封鎖,電氣原理圖如圖4所示。

圖4 安全互鎖回路電氣原理

列車級安全互鎖回路是將整車所有單個車門的安全互鎖回路進行串聯。在車門狀態正常的情況下,前一個車門的安全聯鎖回路出口信號的狀態應該和后一個車門的入口信號的狀態是相同的,如果不相同,則車門之間是存在故障的[3]。

3.1.3 現場故障排查

根據車門安全互鎖回路異常故障報出原理,本次故障重點從2個互鎖回路接線、S1和S2開關狀態及門控器進行查找。

上車檢查3車5門門控器及行程開關各接線未發現存在虛接、脫落、斷線等異常現象;檢查S1、S2開關動作靈活、無卡滯;下載門控器數據顯示安全互鎖回路異常故障,查看故障時刻IO口狀態曲線圖顯示安全互鎖2回路端口1 I16跳變為低電平,使用萬用表測量安全互鎖2回路端口1接線(XT1-41d)電壓為108 V,輸入電壓正常。

通過以上排查,發現3車5門安全互鎖2回路端口1實際為高電平,但門控器卻檢測到為低電平。門控器檢測與實際不一致,判斷故障原因為門控器內部故障,現場更換門控器后故障消失,多次測試車門功能正常。

3.1.4 門控器拆解分析

為進一步鎖定具體故障點,分析是否存在批量隱患,特對門控器進行拆解分析。拆開門控器蓋板檢查控制板外觀無異常;按照技術要求對門控器內部各電源點的阻抗進行測試,均在參考值范圍內;對門控器內部各電源點的輸出電壓進行測試,均在參考值范圍內;對門控器的所有端口進行絕緣—耐壓—絕緣測試,絕緣電阻和耐壓性能滿足要求;按照出廠檢驗技術要求,燒錄出廠檢驗程序,對輸入、輸出、電機驅動、通訊等功能模塊進行功能測試,發現I16輸入口功能異常,進一步檢測為I16輸入口電阻開路,如圖5所示。

圖5 輸入口電阻測量(開路)

3.1.5 結論與措施

經過排查分析,發現故障原因為3車5門門控器I16輸入口電路電阻失效,失效模式為開路,該電阻失效會導致門控器I16輸入口電路異常,使得門控器無法識別I16信號的高電平輸入,導致安全互鎖回路異常故障的發生。

同時為確定是否存在批量質量問題,及時消除隱患,要求車門廠家對使用該批次電阻生產的門控器進行復查,經過初測、老化、復測等測試無不良記錄,確認此次電阻失效為個例情況,其余產品無批量質量隱患。

3.2 車門數據總線通信故障

3.2.1 故障現象

2023年9月20日,車輛段庫內檢修人員報ZX15車HMI上3車6門顯示未知,故障履歷現存故障報3車6號門數據總線通信故障,3車6門上電自檢失敗。

3.2.2 電氣原理分析

根據車門電氣原理圖分析,單節車門間通過X6、X7數據線將門控器進行串聯,并進行數據傳輸,如圖6所示。

圖6 車門數據傳輸電氣原理

3.2.3 現場故障排查

根據電氣原理圖分析,車門間主要通過X6、X7以太網接線及門控器進行通信,本次故障排查主要從X6、X7及門控器展開。

檢查3車6門門控器上X6、X7插頭安裝無松動、插針無異常。下載3車6門門控器數據顯示數據總線通信故障,與列車報出故障一致。查看3車數據,發現1號主門能接收到1、3、5、7、8門數據,2號主門能接收到2、4門數據,均無6門數據,說明ETH內網在6門前后均發生斷線。通過X6、X7連接網口均無法ping通該門,重啟門控器后故障仍存在,判斷為3車6門門控器故障,現場更換門控器后,上電測試故障消失,測試車門功能恢復正常。

3.2.4 門控器拆解分析

為鎖定故障點,特對門控器進行進一步檢查。檢查門控器外觀無異常,內部控制板外觀無異常。同時按照技術要求,對門控器內部電源靜態阻抗測試,均在參考值范圍內;對門控器內部電源電壓測試,均在參考值范圍內;對門控器的所有端口進行絕緣—耐壓—絕緣測試,絕緣電阻和耐壓性能滿足要求;按照出廠檢驗技術要求,燒錄出廠檢驗程序,對輸入、輸出、電機驅動、通信等功能模塊進行功能測試,在進行以太網通信時,發現以太網無法ping通,經檢測,發現為以太網板卡進入固件燒錄模式(boot模式)的按鈕失效(一直處于導通狀態),如圖7所示,其他功能測試正常。

圖7 失效按鈕開關(常導通狀態)

3.2.5 結論與措施

經過排查分析,發現故障原因為門控器以太網板卡上進入固件燒錄模式的按鈕開關失效,失效模式為常導通,導致以太網板卡在上電時直接進入固件燒錄模式,通信無法正常建立,報出通信故障。

同時為確定是否存在批量質量問題,及時消除隱患,要求車門廠家對使用該批次按鈕開關生產的門控器進行復查,經過初測、老化、復測等測試無不良記錄,確認此次電阻失效為個例情況,其余產品無批量質量隱患。

4 結束語

車門系統作為地鐵車輛的關鍵部件,直接影響車輛運行及乘客服務質量,應確保其功能正常,因此,對車門系統的故障診斷是很有必要的。同時在車門系統故障處理時,需要結合車門工作原理、故障診斷邏輯及電氣控制原理,深入分析故障原因,鎖定故障點,若發現存在批量質量問題,應及時制定措施、排除隱患。