西安地铁2号线车辆轮对频繁发生擦伤的原因分析及对策探讨

张兴宝，陈永彪，胡立本，申 静

（西安市地下铁道有限责任公司运营分公司，陕西西安710018）

西安地铁2号线车辆轮对频繁发生擦伤的原因分析及对策探讨

张兴宝，陈永彪，胡立本，申 静

（西安市地下铁道有限责任公司运营分公司，陕西西安710018）

针对目前西安地铁2号线车辆正线运行时走行部普遍存在周期性异响问题，现场进行调查及下载数据分析确认车下异响的主要原因是由于车辆牵引系统与空气制动系统接口问题导致轮对擦伤、滚动圆超限等。根据现场实际情况制定几种整改方案，尽快解决由于两系统接口问题导致轮对擦伤，从根本上解决列车运行时走行部异响的问题。

西安地铁；地铁车辆；擦伤；滑行

目前西安地铁2号线车辆正线运行时走行部普遍存在周期性异响，针对此问题多次组织人员正线添乘，确认动车走行部异响数量较多，且较为严重，同时异响随着速度的提高而加剧，并具有明显的周期性。列车回库后重点检查异响车辆的轮对，发现部分车轮对有轻微擦伤、部分车轮对未发现有擦伤现象，但测量轮径值，发现轮对滚动圆超限。通过查看列车运行数据，确认列车正线运行异响的主要原因是由于车辆牵引系统（以下简称VVVF）与空气制动系统（以下简称BECU）接口问题导致轮对擦伤，并且当轮对擦伤后检修时由于某些原因未及时发现，这样随着列车运行，轮对擦伤位置表面逐渐被磨平，擦伤痕迹消失，擦伤不容易被发现，久而久之轮对就呈现出多边形或椭圆形。当轮对失圆后，列车在低速运行时，异响不明显，但随着速度的提高，异响开始加剧。关于西安地铁2号线车辆由于轮对擦伤导致的走行部周期性异响问题，对超限或擦伤轮对进行旋修不是长久之计，需要从根本上解决轮对擦伤问题（即VVVF与BECU之间接口存在的问题）。本文从分析列车发生故障时的运行数据出发，找出两系统（牵引系统与空气制动系统）接口存在的问题并进行分析，最后提出整改方案供参考。

1 故障现象

通过现场跟踪，由于VVVF与BECU接口问题导致轮对擦伤的实例很多，有单节动车轮对擦伤的，也有全列车动车轮对擦伤的。下面仅举单节动车轮对擦伤的例子来分析轮对擦伤的根本原因。

2011年10月26日0207车运行至敞口段（车辆段与正线隧道的过渡区域）时ATI（网络控制显示屏）报“5车速度推测异常”故障，此时VVVF停止工作。随后司机将主控制器手柄回零复位，然后再次牵引，故障消失，逆变器开始正常工作。当天列车运营时，正线驻站人员反映0207 5车车下有异响。列车回段后进行日检作业时，发现5车8个轮对均有不同程度的擦伤。同时下载列车运行数据进行分析，发现5车当时发生了滑行，发生故障时的具体数据见图1（为观察方便，只对7项重要数据进行显示）：

7：25：02之前，列车施加B1制动，此时列车的速度为32 km/h，运行状态良好。

7：25：02司机操作主控制器手柄由B1至B2，此时5车速度比其他车辆速度有所降低，5车发生轻微滑行，如图1曲线6、7。

通过查看当天列车运行时刻表，此刻列车正运行至敞口段位置，由于天气环境关系（当天早晨有雾）轮轨之间的黏着减小，当进行增加制动档位时，此时制动力大于轮轨之间的黏着力，发生滑行。

7：25：02～7：25：13时段5车的速度一直在减小（曲线7），5车电制动防滑系统检测出本车发生滑行，此时牵引系统通过减少5车牵引电机电流进行调整（曲线3），5车牵引电机电流减小。

7：25：13此时5车速度变为零，即5车轮对抱死。

7：25：13～7：25：19电制动防滑系统检测到轮对抱死后，牵引系统急剧减少逆变器的输出电流。当牵引系统检测5车速度为零的状态维持6 s后，此时ATI报“5车速度推测异常”［2］，从而断开逆变器的门极，电机电流变为零，即曲线3。

通过曲线6确认列车当时速度在30 km/h左右，但5车速度变为零。

7：25：19之后，逆变器停止工作，牵引电机电流变为零，此时电制动防滑功能失效，列车的滑行由空气制动防滑系统进行控制。

7：25：22时5车滑行恢复正常，5车的速度与其他车速保持一致。

2 问题的提出

速度推测异常的概念：西安地铁2号线车辆牵引系统的控制采用无速度传感器的矢量控制技术，逆变器控制门极开始工作6 s后，如果系统检测列车速度仍然为零，此时系统认为速度推测不正常，封锁此逆变器，并在ATI报某车“速度推测异常”故障。

通过上面的数据分析，此次轮对擦伤的原因是5车发生了滑行，轮对抱死6s后导致牵引系统报“5车速度推测异常”，然后5车VVVF停止工作（自动保护）。由于当时列车的速度为32 km/h左右，轮对抱死滑行的距离大概为53 m，导致5车轮对擦伤。

列车动车有电制动和空气制动防滑控制系统，为何系统在17 s（7：25：02～7：25：19）的时间内未将此次滑行调整过来，进而导致5车轮对抱死6 s，发生此次擦轮事件呢？

3 原因分析

如图2为VVVF与BECU之间的接口示意图，下面首先说明电制动指令、电制动反馈指令以及电制动防滑反馈指令之间的关系：

当列车进行制动时，BECU接收到司机控制器发出的制动指令（减速度指令），并通过从空气弹簧采集到车重信号综合计算出本单元车所需要的总制动力（西安地铁2号线是以1动1拖为一制动控制单元），然后将计算的总制动力传给本单元车VVVF，此时VVVF进行计算，通过电制动反馈信号将VVVF所能提供的电制动力反馈给BECU，BEUC进行减法计算并分配空气制动力给单元内的两节车。

当列车在电制动时，如果某车发生了滑行，此时电制动防滑系统通过减小VVVF的输出电流，即减小本单元车牵引电机的电流，并通过电制动防滑反馈信号线将此滑行信息反馈给BECU，从而使BECU不会因为电制动减小而补充空气制动。

从图1标记的曲线图看出，当5车出现滑行时，5车电机电流在不断减小，同时当滑行加剧时，电机电流也急剧减小，但此时5车空气制动力随着电机电流的减小而不断增大，从而使5车总的制动力未减小或减少的不多。通过这一现象推断出5车轮对擦伤的原因是两系统（牵引系统与空气制动系统）之间的电制动防滑反馈信号出现问题，从而使电制动防滑系统在减小电机电流来进行防滑控制时BECU未接收到电制动防滑信号而误认为是电制动力不足，故空气制动系统根据电制动的反馈值补充相应的空气制动，导致总的制动力未减小，滑行未能有效控制。

就此问题和供货商沟通，专业人员说明牵引系统与Nabtesco制动系统之间没有电制动防滑反馈信号线，但他们在软件上设置实现了和电制动防滑反馈线类似的功能，具体实现方法如下：

如图3，列车在电制动时发生滑行，此时电制动防滑系统立刻减少逆变器输出电流（减少电机电流），但为防止此刻BECU误认为是电制动力不够而补充空气制动，此时VVVF给BECU 3 s的虚拟信号（即虽然电制动力已经减小，但VVVF反馈给BECU的电制动力仍然为减小之前的数值），此状态维持3 s后，VVVF给BECU真实的电制动力，如果在3 s滑行仍未调整过来，继续上面的控制，直到将此次滑行调整过来为止。

既然在软件设计上设计了电制动防滑反馈的功能，为何会出现图1的情况？日立专业人员解释此控制方案为成熟技术，在北京地铁、上海地铁均有使用业绩，但为何在西安地铁出现此种情况，需要进一步调查分析。

4 整改方案

此问题后续多次发生，通过对当时的外界条件进行调查，发现轮对擦伤时都是下小雨或有雾雪天气时在敞口段发生。就此问题厂家从2号线开始运营至今大概两年的时间里先后制定了3种整改方案，试车线及正线进行了十多次调试试验，但验证效果不明显，问题依旧存在。厂家先后制定的具体方案如下：

方案1：将滑行时VVVF反馈给BECU虚拟电制动力的时间进行调整

牵引厂家认为发生此次现象是由于滑行时VVVF反馈给BECU虚拟电制动力的时间不合理，试车线进行试验，先后将此时间改为0，1.5，2，3 s，确认1.5 s效果良好。但整改后跟踪时问题依旧再现。

方案2：将“速度推测异常”［2］故障定义的时间变短

列车在运行时，当检测出轮对发生滑行，此时电制动防滑开始动作，如果电制动防滑未将此次防滑调整过来，导致轮对抱死，当抱死持续6 s后牵引系统判断为“速度推测异常”故障，并封锁牵引，此时电制动防滑失效，空气制动防滑开始起作用。这样，如果将速度推测异常的时间6 s变小（例如4 s），由于发生滑行导致轮对抱死后，在同等的条件下可以减少轮对抱死滑行的时间，从而可以减小列车的滑行距离，进而减小轮对的擦伤程度。

此方案仅仅是可以减轻轮对擦伤的程度，但未能从根本上解决此问题。同时，由于司控器发出牵引指令到VVVF接收到牵引指令，以及VVVF接收到牵引指令到牵引电机建立磁场，最终使列车起动均需要时间及存在各信号传输时间，速度推测异常的时间定为6 s是综合这些因素及安全余量考虑得到的，当此时间变的太短，列车就容易误报“速度推测异常”的故障。同时此时间的变化是有限的，效果也不明显，故此方案未采纳。

方案3：将滑行、大滑行的判断标准值减小

如图4，当列车在制动时，系统检测到某节动车减速度大于11 Hz/s，此时牵引系统判断此车发生滑行，并通过图3进行调整。但当检测到减速度大于25 Hz/s时，此时系统判断此车发生严重的滑行，通过图3方法已经不能进行调整，此时封锁此车牵引，电制动退出，滑行由空气制动防滑系统来进行调整。

如果将大滑行的标准值由25 Hz/s减小到20 Hz/s或更小，这样可以及早切除电制动，此滑行由空气制动防滑系统进行调整。同时，可以将电制动防滑系统判断滑行的标准值11 Hz/s减小到9 Hz/s或更小，这样滑行及早检测，及早调整，此时更容易将此次滑行调整过来。

但将大滑行的标准值变小，这样和之前相比，电制动的利用率降低。同时，由于轮对与钢轨的配合本该就有微小的滑行（黏着机理），若将滑行的标准变的太小，列车在正常运行时很容易发生滑行。将滑行及大滑行的检测标准提高，即降低检测值，仅仅能减轻轮对擦伤的程度，但不能从根本上解决此问题。

通过对上面厂家提供的方案进行分析，确认上述方案在轮对发生滑行时仅仅可以减缓轮对擦伤的程度，不能解决轮对擦伤的根本问题，指标不治本。对此，本人基于上面的分析及现场发生故障时的列车相关数据，提出此问题的整改方案供参考。

从列车发生故障时的数据看，当列车发生滑行时，黏着不能及时进行恢复不是因为滑行判断的标准不合适，而是滑行控制时，电制动防滑控制系统与空气制动防滑控制系统的控制权限设定不合理所致。

从图1及图4可以看出，西安地铁2号线车辆目前的防滑控制是当列车发生滑行后，此时电制动防滑系统一直进行滑行控制，空气制动防滑系统不参与滑行的调整，只有当滑行达到电制动防滑系统预定的大滑行标准值25 Hz/s或轮对抱死6 s后，牵引系统发生“速度推测异常”故障，此时封锁牵引，电制动防滑系统才退出防滑控制，后续防滑控制才由空气制动防滑系统来承担。

本人认为滑行未调整过来的根本原因是列车发生滑行后，当未达到大滑行或轮对未抱死6 s期间，滑行控制一直由电制动进行调整，空气制动防滑系统未发挥作用，在防滑控制过程中，电制动防滑控制系统的权限太高。对此，可以对电制动防滑系统与空气制动防滑系统的防滑控制进行如下规定：

①当列车发生滑行时，首先由电制动防滑控制系统进行调整（电制动滑行检测标准高于空气制动防滑系统的检测标准，所以滑行首先由电制动检知），并将此信息反馈给空气制动系统，当空气制动系统判断电制动防滑控制时间超出允许值（例如4 s），此时切除电制动，后续防滑由空气制动防滑系统来控制。

②当空气制动系统检测到滑行时间超出允许值（例如3 s），此时空气制动系统将电制动切除，后续防滑由空气制动防滑系统来控制。

③当电制动防滑系统检测到滑行达到大滑行标准25 Hz/s后，此时切除电制动，后续防滑由空气制动防滑系统来控制。

本人认为按照上述方案思路进行整改可以从根本上解决轮对擦伤问题。同时，也有人提出此方案与目前2号线车辆防滑方案相比电制动的能力下降了，但考虑到列车正常运行时轮对滑行的次数，同时用滑行时使用电制动防滑节省的电能与轮对擦伤导致轮对旋轮成本相比，滑行期间节省的电能可以忽略。此方案需要牵引系统和空气制动厂家对相应的软件进行修订，并现场进行调试来确认各参数的具体值。

5 结束语

地铁车辆牵引系统与空气制动系统的接口至关重要，在前期的合同谈判及设计联络阶段应该考虑周全，如果在设计之初未考虑全面，轻则造成由于列车电空转换不顺畅或轮对擦伤导致列车运行时冲击或噪声大，降低乘客的乘坐舒适度，或由于未充分利用电制动，导致制动闸瓦磨耗严重，增加运营成本，重则出现制动力叠加或制动力不足，存在行车安全隐患。

关于车辆牵引系统与空气制动系统的配合问题，西安地铁组织人员对2号线车辆两系统（牵引系统与空气制动系统）的配合进行评估，并与其他地铁线路车辆进行对比，除在防滑控制上存在缺陷外，2号线车辆在节能环保上、起动或停车时的平稳性上具有很多优势，例如2号线车辆实现了全电制动停车，最大能力利用电制动，降低了闸瓦磨耗。同时，由于实现了全电制动停车，列车的低速电空转换点几乎降低到零，实现了列车平稳停车。关于目前车辆防滑控制问题，在厂商未解决此问题前，车间制定临时方案，即在雨、雪、雾天气，早晨出库的前5列车切除电制动，并安排专人跟随，待列车运行至北客站（正线始发站）后恢复电制动功能，同时，运营分公司也要求在特殊天气，列车在敞口段处不能采取ATO驾驶，而采取人工驾驶，这些措施都防止由于天气原因导致敞口段钢轨黏着系数降低，使列车发生滑行而未及时调整过来，导致擦伤轮对。

［1］ 西安市地下铁道有限责任公司.西安地铁2号线车辆合同文件［G］.西安：西安市地下铁道有限责任公司，2008.

［2］ 张兴宝.西安地铁2号线车辆防空转/滑行系统［J］.电力机车与城轨车辆，2012，35（5）：71-74.

［3］ 陈 英，陈 燕.成都地铁1号线车辆电气牵引系统［J］.铁道机车车辆，2009，29（5）：52-55.

Cause Analysis and Countermeasures of Frequency Scrapes of Vehicle Wheels for XI＇an Metro Line 2

ZHANG Xingbao，CHEN Yongbiao，HU Liben，SHEN Jing
（Operating Branch，Xi＇an Metro Company Limited，Xi＇an 710018 Shaanxi，China）

Aiming at the widespread phenomenon of running gear＇s periodic abnormal noise during the normal operation for XI＇an metro line 2，this paper carries out the on－site investigation and data analysis，and confirms that the root cause is mainly due to the interface problems between the vehicle traction system and the air braking system，which leads wheel abrasions and rolling circle overrun.Several schemes which can fundamentally fix up the abnormal sound has been proposed based on the actual situation.

Xi＇an metro；metro vehicle；scrape；slide

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.13

1008－7842（2014）05－0055－04

3—）男，工程师（

2014－04－04）