城市軌道交通行車(chē)安全管理中設(shè)備老化問(wèn)題及維護(hù)對(duì)策

摘 要：城市軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分，其行車(chē)安全至關(guān)重要，而設(shè)備老化是影響城市軌道交通行車(chē)安全的關(guān)鍵因素之一。本文深入分析了城市軌道交通行車(chē)安全管理中設(shè)備老化的問(wèn)題，包括設(shè)備老化的表現(xiàn)形式，以及老化引發(fā)的信號(hào)系統(tǒng)故障、供電故障、車(chē)輛故障和軌道故障等安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題，采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)掌握設(shè)備狀態(tài)，運(yùn)用預(yù)防性維護(hù)技術(shù)提前預(yù)防故障，實(shí)施設(shè)備升級(jí)與改造技術(shù)提升設(shè)備性能，構(gòu)建智能運(yùn)維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)維管理等，旨在提高設(shè)備可靠性，保障城市軌道交通行車(chē)安全。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通 行車(chē)安全 設(shè)備老化 維護(hù)對(duì)策

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市軌道交通在城市交通體系中的地位日益重要，為人們的出行提供了高效、便捷的選擇。然而，城市軌道交通行車(chē)安全問(wèn)題不容忽視，其中設(shè)備老化受多種因素影響，不僅降低了設(shè)備的性能和可靠性，還可能引發(fā)各類(lèi)安全事故，給乘客生命財(cái)產(chǎn)安全和城市交通秩序帶來(lái)嚴(yán)重影響。因此，深入研究城市軌道交通行車(chē)安全管理中設(shè)備老化問(wèn)題，并制定有效的維護(hù)對(duì)策，對(duì)于保障城市軌道交通的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 主要設(shè)備類(lèi)型

列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的核心，它包含列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）、列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行（ATO）和列車(chē)自動(dòng)保護(hù)（ATP）三個(gè)子系統(tǒng)，ATS能實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，ATO實(shí)現(xiàn)列車(chē)的自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)調(diào)整停站時(shí)間等功能，ATP為列車(chē)運(yùn)行提供安全保障，防止列車(chē)超速、冒進(jìn)信號(hào)等危險(xiǎn)情況發(fā)生[1]。聯(lián)鎖設(shè)備通過(guò)技術(shù)手段，使信號(hào)機(jī)、道岔和進(jìn)路之間形成相互制約的關(guān)系，確保列車(chē)進(jìn)路的安全排列。變電站負(fù)責(zé)將高壓電轉(zhuǎn)換為適合列車(chē)使用的電壓等級(jí)。接觸網(wǎng)是沿軌道線路向列車(chē)供電的特殊輸電線路，列車(chē)通過(guò)受電弓與接觸網(wǎng)接觸獲取電能。車(chē)輛設(shè)備方面，地鐵、輕軌等車(chē)輛是城市軌道交通的運(yùn)輸載體，牽引系統(tǒng)為車(chē)輛提供動(dòng)力，制動(dòng)系統(tǒng)能使列車(chē)在需要時(shí)及時(shí)減速或停車(chē)，轉(zhuǎn)向架影響列車(chē)的運(yùn)行平穩(wěn)性和曲線通過(guò)能力。軌道設(shè)備中，鋼軌為車(chē)輛提供行駛的基礎(chǔ)路徑，承受列車(chē)的重量并引導(dǎo)列車(chē)前進(jìn)，道岔可實(shí)現(xiàn)列車(chē)的轉(zhuǎn)線功能，使列車(chē)能夠從一條線路轉(zhuǎn)換到另一條線路，軌道電路能監(jiān)督列車(chē)的占用情況，為信號(hào)系統(tǒng)提供信息，輔助實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行的自動(dòng)控制[2]。

2 設(shè)備老化的表現(xiàn)形式

機(jī)械部件磨損方面，轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)、軸箱等部件，由于頻繁的振動(dòng)和摩擦，可能出現(xiàn)零部件變形，比如輪對(duì)的圓度偏差增大，超出規(guī)定的±0.05mm范圍。制動(dòng)系統(tǒng)部件如制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)閘片，長(zhǎng)期制動(dòng)產(chǎn)生的高溫和摩擦，可能導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)。電氣元件老化方面，信號(hào)繼電器的絕緣電阻從初始的數(shù)兆歐下降到幾百千歐，容易引發(fā)短路故障。供電設(shè)備中的電纜，絕緣層老化后，絕緣電阻降低，耐壓能力下降。變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行，鐵芯和繞組老化，性能參數(shù)漂移。軟件系統(tǒng)兼容性降低方面，新的列車(chē)控制系統(tǒng)硬件升級(jí)后，原軟件系統(tǒng)可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤、控制指令無(wú)法執(zhí)行等問(wèn)題[3]。

3 設(shè)備老化問(wèn)題分析

在城市軌道交通領(lǐng)域，科技進(jìn)步促使新技術(shù)、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)。然而，現(xiàn)有部分設(shè)備受使用壽命和資金制約，難以跟上更新步伐，使得設(shè)備在老化的同時(shí)，性能與新設(shè)備差距逐漸增大，故障隱患增多[4]。城市軌道交通部分線路處于地下，相對(duì)封閉的空間濕度常保持在60%-80%，溫度在20℃-30℃之間，金屬部件易受潮生銹，電子元件的絕緣性能下降，加速了設(shè)備老化。高峰時(shí)段，客流量劇增，設(shè)備使用頻率和負(fù)荷大幅提升，以自動(dòng)售檢票系統(tǒng)為例，正常時(shí)段每小時(shí)處理乘客購(gòu)票、檢票約500-800人次，高峰時(shí)可達(dá)1500-2000人次，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)械部件磨損加劇，電子元件發(fā)熱嚴(yán)重，老化速度加快，故障發(fā)生率明顯上升。另外，行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)隨技術(shù)發(fā)展不斷更新，對(duì)列車(chē)的防火、隔音、智能化等方面提出了更高要求，原有的設(shè)備可能因設(shè)計(jì)和技術(shù)局限，無(wú)法滿足新的標(biāo)準(zhǔn)，而設(shè)備的技術(shù)改造或升級(jí)涉及復(fù)雜的技術(shù)和資金問(wèn)題，導(dǎo)致改造滯后。

4 設(shè)備維護(hù)的對(duì)策

4.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

傳感器技術(shù)是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的核心手段，通過(guò)在關(guān)鍵設(shè)備上安裝各類(lèi)傳感器，能夠?qū)崟r(shí)、精準(zhǔn)地獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)[5]。轉(zhuǎn)向架是地鐵車(chē)輛的關(guān)鍵部件，在轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部位，如軸箱和構(gòu)架上安裝振動(dòng)傳感器。以壓電式振動(dòng)傳感器為例，其測(cè)量范圍可設(shè)置為0-100g（g為重力加速度），靈敏度為100mV/g。安裝時(shí)，采用專用的安裝支架和螺栓固定，保證傳感器能夠準(zhǔn)確捕捉振動(dòng)信號(hào)。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)幅度應(yīng)保持在0.5g-2g之間，若振動(dòng)幅度超過(guò)5g，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出預(yù)警，提示可能存在部件松動(dòng)、磨損等問(wèn)題。牽引電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)方面，在牽引電機(jī)的定子繞組和軸承部位安裝溫度傳感器，測(cè)量范圍為－40℃～200℃，精度可達(dá)±0.5℃。安裝過(guò)程中，要保證傳感器與被測(cè)部位良好接觸。運(yùn)行時(shí)，當(dāng)定子繞組溫度超過(guò)130℃，或軸承溫度超過(guò)90℃，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，因?yàn)檫^(guò)高的溫度可能預(yù)示著電機(jī)絕緣老化、過(guò)載等故障。供電系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)柜負(fù)責(zé)分配和控制電力，在開(kāi)關(guān)柜的進(jìn)線和出線母排上安裝電流傳感器，測(cè)量范圍為0-2000A，精度為±1%。安裝時(shí)，要確保傳感器安裝位置正確。在系統(tǒng)運(yùn)行中，進(jìn)線電流應(yīng)根據(jù)列車(chē)運(yùn)行數(shù)量和負(fù)載情況在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，若某一相電流與其他相電流偏差超過(guò)10%，或電流突然大幅增大或減小，可能表示存在短路、過(guò)載或接觸不良等問(wèn)題。通過(guò)在城市軌道交通關(guān)鍵設(shè)備上合理安裝和運(yùn)用各類(lèi)傳感器，實(shí)時(shí)獲取這些關(guān)鍵參數(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中的異常情況，為設(shè)備的維護(hù)和故障排除提供有力依據(jù)。

4.2 預(yù)防性維護(hù)技術(shù)

基于可靠性的維護(hù)計(jì)劃制定：根據(jù)設(shè)備的可靠性分析結(jié)果，結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行里程、故障歷史等因素，制定科學(xué)合理的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，確定維護(hù)項(xiàng)目、維護(hù)周期和維護(hù)內(nèi)容，見(jiàn)表1。

激光熔覆技術(shù)是一種先進(jìn)的預(yù)防性維護(hù)手段，以下以地鐵車(chē)輛受電弓滑板的修復(fù)為例，選用功率為3k-5kW的光纖激光器，配備同軸送粉裝置，送粉精度可達(dá)±0.5g/min。根據(jù)受電弓滑板的工作要求和材質(zhì)，選擇銅基合金粉末，其硬度適中、導(dǎo)電性良好，粒度范圍在150-300目之間。將磨損的受電弓滑板從車(chē)輛上拆卸下來(lái)，先用有機(jī)溶劑清洗表面的油污和灰塵，再用清水沖洗干凈，然后放入超聲波清洗機(jī)中，以40kHz的頻率清洗15-20分鐘，徹底去除雜質(zhì)。使用砂紙對(duì)滑板表面進(jìn)行打磨，粗糙度控制在Ra3.2-Ra6.3μm，打磨過(guò)程中要注意保持滑板表面的平整度。激光熔覆操作時(shí)，開(kāi)啟激光熔覆設(shè)備，調(diào)整光路系統(tǒng)，光斑直徑控制在3-4mm，能量分布均勻。將銅基合金粉末裝入送粉器，設(shè)置送粉速度為10-15g/min，通過(guò)調(diào)試使粉末在激光束作用區(qū)域均勻分布。根據(jù)滑板的材質(zhì)和磨損程度，將激光功率設(shè)置在2k-3kW之間。掃描速度設(shè)定為5-8mm/s，使熔池有足夠的時(shí)間凝固。離焦量控制在5-10mm，形成均勻的熔覆層。將清洗打磨后的受電弓滑板固定在工作臺(tái)上，調(diào)整位置使待熔覆區(qū)域位于激光束正下方。啟動(dòng)激光熔覆設(shè)備，按照預(yù)設(shè)的參數(shù)開(kāi)始熔覆操作。

由于受電弓滑板磨損深度較大，需要進(jìn)行多層熔覆，每層熔覆厚度控制在0.3-0.5mm，相鄰兩層之間的搭接率為30%～40%，以保證熔覆層的整體性和均勻性。熔覆完成后，將受電弓滑板放入熱處理爐中進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。加熱溫度為300℃～400℃，保溫時(shí)間2-3小時(shí)，然后隨爐冷卻，消除熔覆層內(nèi)部的殘余應(yīng)力。使用銑床對(duì)熔覆后的滑板進(jìn)行粗加工，去除多余的熔覆材料，使滑板的尺寸接近設(shè)計(jì)要求，加工余量控制在0.5-1mm。采用磨床對(duì)滑板進(jìn)行精加工，將表面粗糙度加工至Ra0.8-Ra1.6μm，尺寸精度控制在±0.05mm以內(nèi)。最后通過(guò)目視檢查熔覆層表面是否有裂紋、氣孔、夾雜物等缺陷。使用硬度計(jì)對(duì)熔覆層進(jìn)行硬度測(cè)試，熔覆層硬度一般在HRC20-HRC30之間。采用劃痕試驗(yàn)等方法檢測(cè)熔覆層與基體之間的結(jié)合力，結(jié)合力應(yīng)滿足使用要求。實(shí)踐證明，激光熔覆技術(shù)能夠有效地修復(fù)地鐵車(chē)輛受電弓滑板的磨損，提高其性能和使用壽命，為城市軌道交通設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)提供可靠的技術(shù)支持。

4.3 設(shè)備升級(jí)與改造技術(shù)

隨著時(shí)間推移，部分設(shè)備會(huì)出現(xiàn)老化、性能落后等問(wèn)題，需要通過(guò)硬件升級(jí)和軟件升級(jí)與優(yōu)化來(lái)提升設(shè)備性能。以某城市軌道交通線路的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）中的軌旁設(shè)備硬件升級(jí)為例。對(duì)現(xiàn)有軌旁設(shè)備全面檢查發(fā)現(xiàn)，信號(hào)機(jī)的燈泡老化，發(fā)光強(qiáng)度不足，原設(shè)計(jì)發(fā)光強(qiáng)度為1000cd，實(shí)際測(cè)量部分燈泡僅為600cd；軌道電路的電氣參數(shù)出現(xiàn)偏差，原工作頻率為2000Hz，實(shí)際波動(dòng)范圍達(dá)到±50Hz。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，將信號(hào)機(jī)燈泡更換為新型LED燈泡，發(fā)光強(qiáng)度提升至1500cd，壽命延長(zhǎng)至50000小時(shí)；軌道電路更換為數(shù)字化軌道電路設(shè)備，工作頻率穩(wěn)定在2000Hz±10Hz，提高列車(chē)位置檢測(cè)精度至厘米級(jí)。升級(jí)實(shí)施：在夜間停運(yùn)時(shí)段，按照設(shè)備安裝說(shuō)明書(shū)，將新的信號(hào)機(jī)燈泡和數(shù)字化軌道電路設(shè)備進(jìn)行安裝，信號(hào)機(jī)的安裝角度偏差控制在±0.5°以內(nèi)，軌道電路的電纜連接牢固，接觸電阻小于0.1Ω。安裝完成后，信號(hào)機(jī)的顯示模式、亮度等參數(shù)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整，軌道電路的發(fā)送功率、接收靈敏度等參數(shù)進(jìn)行精確校準(zhǔn)，發(fā)送功率設(shè)置為5W，接收靈敏度達(dá)到－100dBm。新硬件設(shè)備安裝調(diào)試完成后，與整個(gè)ATC系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)。

軟件升級(jí)與優(yōu)化方面，以自動(dòng)售檢票系統(tǒng)為例。對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)售檢票系統(tǒng)軟件進(jìn)行全面評(píng)估，發(fā)現(xiàn)軟件在高峰時(shí)段處理售票業(yè)務(wù)的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，平均響應(yīng)時(shí)間達(dá)到3秒；部分功能模塊存在漏洞，如數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。針對(duì)評(píng)估問(wèn)題，搭建與實(shí)際運(yùn)行環(huán)境相同的測(cè)試環(huán)境，將升級(jí)后的軟件版本部署到測(cè)試環(huán)境中，模擬各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)軟件的各項(xiàng)功能進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試。同時(shí)，測(cè)試軟件與不同型號(hào)的終端設(shè)備的兼容性。測(cè)試通過(guò)后，在夜間停運(yùn)時(shí)段對(duì)正式運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級(jí)。升級(jí)完成后，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，觀察系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)是否達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，有效提升城市軌道交通設(shè)備的性能和可靠性，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.4 智能運(yùn)維技術(shù)

城市軌道交通設(shè)備智能運(yùn)維平臺(tái)的建設(shè)，能極大提升運(yùn)維管理的效率與精準(zhǔn)度。首先對(duì)城市軌道交通各專業(yè)設(shè)備的運(yùn)維需求進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，確定設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、維護(hù)計(jì)劃、維修記錄等，以此規(guī)劃平臺(tái)的功能模塊。在關(guān)鍵設(shè)備上安裝各類(lèi)傳感器，比如在供電設(shè)備的變壓器上安裝溫度傳感器，測(cè)量范圍為－40℃～200℃，精度±0.5℃；在車(chē)輛的轉(zhuǎn)向架上安裝振動(dòng)傳感器，測(cè)量范圍0-100g，靈敏度100mV/g。通過(guò)有線或無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至平臺(tái)，采用工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)，傳輸速率不低于100Mbps。選用高性能服務(wù)器，內(nèi)存不低于 64GB，存儲(chǔ)容量不小于10TB，配備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。采用云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建分布式計(jì)算平臺(tái)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)處理框架對(duì)海量數(shù)據(jù)高效處理。數(shù)據(jù)庫(kù)選用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的方式，存儲(chǔ)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)。對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除噪聲數(shù)據(jù)和異常值。運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘算法，對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。功能模塊開(kāi)發(fā)方面，實(shí)時(shí)展示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)參數(shù)超出閾值時(shí)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況和維護(hù)周期，自動(dòng)生成維護(hù)計(jì)劃，并可進(jìn)行人工調(diào)整。記錄設(shè)備的維修歷史，方便查詢和統(tǒng)計(jì)分析。

5 總結(jié)

綜上所述，城市軌道交通行車(chē)安全管理受設(shè)備老化問(wèn)題影響顯著。設(shè)備老化表現(xiàn)為機(jī)械部件磨損、電氣元件性能下降、軟件兼容性降低等，進(jìn)而引發(fā)信號(hào)、供電、車(chē)輛及軌道等故障，威脅行車(chē)安全。為解決這些問(wèn)題，需利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)掌握設(shè)備狀況，實(shí)施預(yù)防性維護(hù)，對(duì)老化設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，搭建智能運(yùn)維平臺(tái)等，以此提升設(shè)備可靠性，保障城市軌道交通行車(chē)安全與穩(wěn)定運(yùn)行。

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