轨道电路红光带故障原因分析及处理措施

刘金叶 张明锐 吴严严

(1.上海地铁维护保障有限公司，200070，上海； 2.同济大学电子与信息工程学院，201804，上海//第一作者，高级工程师)

轨道电路是由钢轨线路和钢轨绝缘构成的电路，用于自动、连续检测线路段内是否有车辆，也用于控制信号装置或转辙装置，以保证行车安全[1]。

上海轨道交通2号线使用的是50 Hz相敏轨道电路，其工作原理是：当轨道区段内无车辆占用时，轨道电源满足相位和频率的要求，轨道继电器吸气，亮绿色信号灯；当轨道区段内有车辆占用时，轨道电源被分路，继电器衔铁落下，亮红色信号灯。若没有车辆占用轨道电路时，轨道继电器落下，此时即为轨道电路空闲红光带故障。上海轨道交通2号线的轨道电路空闲红光带故障，原因就是铁屑造成绝缘节短路，使轨道电路被分路，导致在无车辆占用的情况下继电器依然落下。图1是铁屑出现较多的上海轨道交通2号线广兰路站的岔区图。图中实线箭头表示4节编组列车的走行路径，虚线箭头表示8节编组列车的走行路径。

图1 上海轨道交通2号线广兰路站岔区示意图

造成轨道电路空闲红光带的原因有很多，如：钢轨的安装绝缘电阻严重下降、道床积水等原因造成电流漏泄，钢轨锁定不良，轨道电路绝缘节失效或状态不良，车辆牵引电流产生的冲击电流和回流不畅造成轨道电路“闪红”等[4-5]。轨道电路空闲红光带是影响地铁行车效率与安全的典型故障之一[6]。

1 上海轨道交通2号线红光带故障概况

自2017年下半年以来，上海轨道交通2号线轨道电路红光带故障频发，多次造成列车延误。故障记录见表1。

表1 2017年上海轨道交通2号线轨道电路红光带故障情况

检修人员在一些典型岔区清扫出大量铁屑，这些铁屑存在于轨端绝缘节附近，造成绝缘节短路，从而使轨道电路产生空闲红光带故障。统计显示，几次红光带故障，几乎都是铁屑造成绝缘节短路所致。2017年12月份的铁屑清扫记录见表2。

表2 上海轨道交通2号线典型岔区铁屑清扫记录(2017年12月)

2 故障原因分析

为了查找铁屑来源，分析铁屑的形成机理与过程，针对车辆、工务、通号、供电等各专业出现的问题提出解决对策，制定一套合理的技术方案。技术方案主要分为现场调研、材料分析、车辆运行工况分析、信号指令分析4个部分。

2.1 现场调研

选择典型岔区，查看铁屑散落情况、钢轨及护轮轨等设备的磨损情况，收集铁屑样本，比较分析不同岔区的铁屑形状、铁屑分布、钢轨磨耗。查看收集岔区的曲线半径、坡度、进出站限速等行车参数与条件。选择典型车辆基地，查看2号线4辆编组列车、8辆编组列车车辆的轮毂、闸瓦、刹车踏面等部件的磨损情况。

通过对广兰路站岔区调研发现，现场多处散落大小不一的薄铁片，钢轨有不同程度、不同类型的磨损，其中3处波磨明显。淞虹路站岔区调研发现，现场除多处散落铁屑外，钢轨、护轮轨均有飞边现象，护轮轨掉落的长条状铁屑、铁粉较多，铁屑形状与广兰路站岔区清扫出的有较大不同。铁屑样本如图2所示。

车辆基地调研发现，车轮踏面轻度磨损有凹槽，废旧闸瓦有较明显沟状磨耗，闸瓦和车轮踏面间隙未见异物，部分车轮有侧面磨损、边沿剥落现象，如图3所示。

2.2 材料分析

将收集的铁屑，以及闸瓦、轮毂、钢轨等样本材料送检。根据对铁屑中特有元素的分析，对比闸瓦、轮毂、钢轨等材料的元素含量，初步判断铁屑的来源。典型铁屑送检结果见表3。

a) 样本1

b) 样本2

c) 样本3图2 收集的铁屑样本

a)闸瓦沟状磨耗

b)闸瓦与车轮踏面间隙图3 闸瓦沟状磨耗及闸瓦与车轮踏面间隙实图

表3中钢轨一栏未对Cr、Ni、Mo、Cu等元素进行标注。国标中规定，这些元素的含量若不高于给定值即可不作标注，但并不排除有微量残留。对比分析检测结果可见，铁屑中C的质量分数明显高于钢轨和车轮中C的质量分数，由此可知，这些铁屑可能来自钢轨和车轮之外的部件。

表3 铁屑送检结果及对比

据了解，复合闸瓦一般会加入石墨作为摩擦性能调节剂，加入碳纤维作为增强材料，所以铁屑中可能含有闸瓦掉落的粉末。铁屑中，Cr、Ni、Mo、Cu等元素的质量分数明显高于钢轨中这些元素的质量分数，推测其来自车轮的可能性较大，但不排除钢轨磨损进入铁屑，因此，从成份看，铁屑来源不像是单一的车轮、闸瓦或者钢轨，更像以上三者的复合体。

2.3 列车运行工况

对于铁屑分布较多的广兰路站岔区，结合现场调研时所得到的曲线半径、坡度、列车进出站限速等行车条件进行牵引计算，得到列车进站的速度曲线和电流曲线。

地铁列车两种基本的运行策略是节时运行策略和节能运行策略。节时运行策略下，列车以最大牵引力和最大制动力使列车在最短时间内走完整个区间。节能运行策略下，列车加速阶段以最大牵引力加速至某一经济速度，中间过程以匀速运行或尽可能惰行，进站以最大制动力制动。两种策略下的列车牵引曲线如图4、图5所示。

a) 速度曲线

b) 电流曲线图4 节时策略下列车牵引典型的速度曲线和电流曲线

对于直流牵引系统而言，电流正值表示列车运行于牵引工况，电流负值表示列车运行于再生制动工况。电流接近零值表示车辆惰行，也就是没有电能交换。图6是从2号线列车行车记录仪中提取的广兰路站岔区列车进站时的电流和速度曲线。

b) 电流曲线图5 节能策略下列车牵引典型的速度曲线和电流曲线

a) 4辆编组列车进站牵引特性曲线

b) 8辆编组列车进站牵引特性曲线图6 广兰路站岔区4辆编组列车与8辆编组 列车进站牵引特性曲线示意图

从以上列车的实际牵引电流曲线发现，在列车进站停车的过程中，出现了剧烈的牵引制动工况切换。这种现象说明，列车在速度跟踪过程中，牵引控制策略适应性较差，出现频繁的工况切换。

电制动的原理是将电动机按照发电机运行，将列车动能转化为电能反馈至电网。电能和机械能的变换和传递都是通过电机气隙间的磁场转化完成的。列车是一个大惯量运动系统，高速运行时，由牵引工况切换至制动工况，由于电机气隙的柔性耦合作用，可以缓解车速的剧烈变化。但是，会增加轮轨之间的滑动摩擦。轮轨间的滑动摩擦幅度较大时，会对轮缘踏面和钢轨造成额外磨损，产生过量、形状较大、片状或较长片状的金属碎片。这可能是铁屑产生的重要原因之一。

理想的列车的制动过程是，正向牵引电流逐渐减小至零，再变为反向制动电流，反向电流由大变小至零，伴随着列车的速度降低直至停稳。而不应该出现如图6所示的牵引制动工况频繁切换现象。为此，需进一步分析列车的牵引控制系统。

2.4 信号指令

目前，上海轨道交通2号线在正常情况下，采用ATO(列车自动运行)模式，列车的运行工况受控于信号系统的直接指挥，运行中的列车会收到信号系统的速度指令和行车指令。图7为2号线广兰路站列车进站过程收到的信号行车指令。

a) 4辆编组列车进出站牵引时序指令

b) 8辆编组列车进出站牵引时序指令

图7 广兰路站4辆编组列车与8辆编组

列车进出站牵引时序指令

图7中，中轴下部高电平是牵引指令，中轴上部高电平是制动指令。通过指令时序图可发现，列车在进站时，所收到的行车信号中，出现了牵引制动工况频繁交替切换。出站过程也存在类似情形。

信号系统所给出的2种行车信号，牵引指令的实际含义是列车当前速度低于限值，需要牵引提速；制动指令的含义是列车当前速度高于限值，需要制动或者惰行。如果按照图7所给的行车信号，将牵引指令和制动指令直接理解为列车的牵引工况和制动工况，将会出现图6所示的列车运行特性，牵引和制动2种工况频繁切换。

因此，地铁信号系统和车辆牵引系统之间，需要根据列车的当前运行速度、位置和行车区间的限速要求，制定牵引策略。但是，不管是采取节能运行策略，还是节时运行策略，都不应该出现牵引制动频繁、反复切换的现象。

对比2号线其他车站及1、3、4号线相似岔区，未发现列车进出站时牵引制动频繁切换现象，也没有大量铁屑散落。因此，可以认为列车的牵引控制系统与信号系统的配合不够理想。

2号线制动模式为电空混合制动，列车在速度较高时采用电制动，也就是再生制动；当速度降低到20 km/h时，列车处于空气预制动状态，闸瓦与车轮踏面的间隙减小；当列车速度进一步降低至5 km/h时，再生制动失效，由空气制动将列车停稳。

在2号线新车调试时，发现制动特性较软，东延伸段列车的空气预制动施加速度值较高，有部分列车一直处于空气预制动状态。

据此初步推断，2号线列车进出站时频繁的牵引制动工况切换，使得轮轨之间的滑动摩擦加剧，产生较小形状的铁屑。车辆空气预制动使得闸瓦与踏面的间隙变小，甚至处于轻微接触状态，闸瓦与轮轨之间磨损产生的铁屑滞留在闸瓦与车轮踏面之间，在车辆的高速摩擦热力作用下，熔结为图2所示的铁屑。待空气制动缓解，铁屑散落到钢轨上，部分铁屑散落到绝缘节附近，经车轮碾压卷带造成绝缘节短路。这就是铁屑形成的机理和过程。这个过程也可以帮助理解铁屑的特征：弧形铁屑，光滑有灼烧痕迹的一面向着车轮踏面；毛糙不平，锈迹较多的一面向着闸瓦。

3 故障处理措施

轨道电路红光带故障是车辆、工务、通号、供电等多专业综合影响的结果，故各专业都要做出相应的改进措施。

(1)车辆专业：优化列车动力系统控制策略，改进列车牵引系统与信号系统的协调配合。更新现有的制动软件版本，优化电空制动策略，将空气预制动施加速度值改至低于20 km/h，以减少车轮踏面与闸瓦的磨耗。

(2)工务专业：增加岔区清扫频次，在限制范围内，加大绝缘节厚度，降低铁粉堆积形成短路的可能性。调整岔区小半径曲线的内外轨超高值、轨距限值、护轮轨距限值等关键几何参数，缩短测量维护周期，对岔区等特殊区段制定个性化的钢轨打磨办法。制定绝缘节周围区段轨道维护保养规程。

(3)通号专业：分解绝缘节，清理绝缘节底部堆积的铁粉，保证其绝缘性能良好。检修折返区段轨道电路，确保参数合格。配合车辆专业，优化ATS(列车自动监控)系统及列车牵引制动指令，避免列车在进出站时牵引制动频繁切换。

(4)供电专业：优化维护保养制度，确保岔区轨道的回流电缆连接可靠，钢轨安装的绝缘正常，牵引回流通畅，轨电位处于安全范围。

4 结语

轨道电路红光带故障给地铁运营调度带来了很大的压力。上海轨道交通2号线的红光带故障主要是由于铁屑造成了轨道电路绝缘节短路。本文通过现场调研、材料检测与对比分析确定了铁屑的来源，通过列车运行工况、车辆制动特性分析，推断出铁屑的形成机理与过程。根据上海轨道交通的维保管理经验，给出了车辆、工务、通号、供电各专业降低红光带故障的对策建议，有效地解决了红光带故障，也为轨道交通类似故障的处理提供了参考。