郑许线车辆客室车门系统介绍及典型故障案例分析

李丰恩,刘 博,邓腾飞

郑州地铁集团有限公司,河南 郑州 450000

0 引言

郑州地铁郑许线为GOA4等级全自动驾驶线路,车辆为3动1拖4编组B型车,运营时速120 km/h,车辆总长80.24 m,客室车门采用双扇电控电动塞拉门,每节车8套车门,每侧各4套车门,呈对称分布。客室门开关由电子门控器控制,可实现对每一门的单独控制和列车集中控制[1]。每节车的1门和2门门控器为主门控器,通过以太网与列车控制和管理系统(train control and management system,TCMS)进行通信,其余车门为从门,从门间通过以太网进行数据传输。且具有自诊断和故障记录功能,诊断数据通过以太网数据总线传输到TCMS,该功能可实现自动查找并指明功能故障的目的,指导驾驶人员操作隔离装置进行应急处置,同时也可指导现场人员查找并维修故障。本文主要通过阐述车门系统的工作原理、功能及故障诊断逻辑,研究车门典型故障的处理思路,为车门系统的故障处理提供指导。

1 车门系统工作原理

1.1 车门动作原理

郑许线车辆客室门系统设置有可靠的机械锁闭机构、故障隔离装置、紧急解锁、重开门等安全设施,保证车门系统的安全性。主要由门控器、驱动电机、联轴器、承载机构、门页、丝杆、长导柱、短导柱、上滑道、下滑道、左右旋螺母组件、携门架、平衡压轮、下挡销、下摆臂、解锁装置、隔离装置、直线轴承、H型传动架、护指胶条、限位开关等部件组成,通过门控器控制,带动驱动电机来实现车门的开关动作。

传动装置采用丝杠方式,传动装置、导向装置、驱动装置和锁闭装置集中为一个紧凑的功能单元,便于安装和维修。电机组件由1个直流电动机及电机和驱动装置之间的连接装置组成。门扇的运动由电机驱动丝杆(对于双页门,丝杆一半右旋,一半左旋)来实现。传动螺母通过铰链结构的H型传动架带动直线轴承在长导柱上滑动,进而带动携门架组件移动门扇,如图1所示。

图1 车门开关原理示意

1.2 车门机械锁闭和解锁功能

郑许线车辆客室车门机械锁闭和解锁功能是通过丝杆上LS锁结构来实现的,由丝杆和螺母组件配合完成车门的机械锁闭和解锁动作。LS型锁闭系统具有锁闭可靠、传递效率高、结构简单、故障率低、噪音低、运动特性好等显著优点。

LS锁左右旋螺母组件的动作原理就是利用变导程丝杆来实现传动和锁闭,锁闭和解锁是传动过程的2种状态,因此LS锁螺母组件的传动和锁闭是一种无源的变导程锁闭装置。变导程丝杆由大于摩擦自锁角的正常导程和小于摩擦自锁角的零导程组成。

螺母组件上的螺母座与门扇相连,滚动销安装在螺母组件的螺母套上。电机正反转动,带动丝杆转动驱动滚动销左右平移实现开关门,在滚动销进入丝杆锁闭段后,实现对螺母组件和门扇的机械锁闭,在滚动销离开丝杆锁闭段后,实现对螺母组件和门扇的解锁,因此LS锁丝杆螺母组件是一种螺旋传动、关闭到位自动锁闭、开门自动解锁、无源锁闭的装置,如图2所示。

图2 LS锁结构

2 门故障诊断逻辑

车门系统对电子门控器(electronic door control unit,EDCU)内部及门功能进行诊断,并且还可通过监控输出电流来判断车门回路中是否有断路或短路的情况,以便时刻保持车门的安全性。诊断出的故障可分为3级,即主要故障、次要故障、事件。

主要故障为高优先级,乘客的安全或门的操作可能受到影响,工作人员要针对这一情况采取临时应急措施,例如隔离故障车门;次要故障为低优先级,乘客的安全或门的操作可能受到部分影响,可以在待列车回库后进行检查或维修这些故障;事件指门系统重要操作的相关记录,无需人为干预。当车门被诊断出主要故障后需尽快安排检查,若故障不能被修复,则故障门需要被隔离;次要故障对于门的安全不会造成影响,所有指令均可以继续被操作,门需要被检查。EDCU故障诊断信息表如表1所示。

表1 EDCU故障诊断信息表

3 典型故障分析

3.1 安全互锁回路异常故障

3.1.1 故障现象

2023年7月14日,车辆段库内检修人员报ZX04车HMI上显示3车5门图标显红,故障履历现存故障报3车5号门安全互锁回路异常故障。

3.1.2 电气原理分析

因地铁车辆每节车车门数量较多(B型车8套、A型车10套),且属于直接面对乘客的部件,故对车门的安全性和可靠性要求较高。为保证客室车门的安全可靠性,每套客室车门均设置有1个S2关到位开关、1个S1锁到位开关,安装在承载机构上,用于监控车门的关锁到位状态。每个开关包含有NO(常开)及NC(常闭)触点,机械上联动,但电气上互相独立。NC触点用于列车安全回路,NO触点用于门控器内部的检测电路[2],如图3所示。

图3 开关安装示意

郑许线车辆车门级安全互锁回路由安全互锁1回路和安全互锁2回路组成。安全互锁1回路由门关到位开关S2的NC触点与隔离开关S4的NO触点并联连接;安全互锁2回路由门锁到位开关S1的NC触点和紧急解锁开关S3的NC触点串联连接。当安全互锁回路闭合时,安全互锁1 回路端口1 和安全互锁1 回路端口2状态一致且安全互锁2回路端口1和安全互锁2回路端口2状态一致,车辆允许牵引;若检测到安全互锁1回路端口1 和安全互锁1回路端口2状态不一致或安全互锁2回路端口1和安全互锁2回路端口2状态不一致,则报安全互锁回路异常故障,车辆牵引封锁,电气原理图如图4所示。

图4 安全互锁回路电气原理

列车级安全互锁回路是将整车所有单个车门的安全互锁回路进行串联。在车门状态正常的情况下,前一个车门的安全联锁回路出口信号的状态应该和后一个车门的入口信号的状态是相同的,如果不相同,则车门之间是存在故障的[3]。

3.1.3 现场故障排查

根据车门安全互锁回路异常故障报出原理,本次故障重点从2个互锁回路接线、S1和S2开关状态及门控器进行查找。

上车检查3车5门门控器及行程开关各接线未发现存在虚接、脱落、断线等异常现象;检查S1、S2开关动作灵活、无卡滞;下载门控器数据显示安全互锁回路异常故障,查看故障时刻IO口状态曲线图显示安全互锁2回路端口1 I16跳变为低电平,使用万用表测量安全互锁2回路端口1接线(XT1-41d)电压为108 V,输入电压正常。

通过以上排查,发现3车5门安全互锁2回路端口1实际为高电平,但门控器却检测到为低电平。门控器检测与实际不一致,判断故障原因为门控器内部故障,现场更换门控器后故障消失,多次测试车门功能正常。

3.1.4 门控器拆解分析

为进一步锁定具体故障点,分析是否存在批量隐患,特对门控器进行拆解分析。拆开门控器盖板检查控制板外观无异常;按照技术要求对门控器内部各电源点的阻抗进行测试,均在参考值范围内;对门控器内部各电源点的输出电压进行测试,均在参考值范围内;对门控器的所有端口进行绝缘—耐压—绝缘测试,绝缘电阻和耐压性能满足要求;按照出厂检验技术要求,烧录出厂检验程序,对输入、输出、电机驱动、通讯等功能模块进行功能测试,发现I16输入口功能异常,进一步检测为I16输入口电阻开路,如图5所示。

图5 输入口电阻测量(开路)

3.1.5 结论与措施

经过排查分析,发现故障原因为3车5门门控器I16输入口电路电阻失效,失效模式为开路,该电阻失效会导致门控器I16输入口电路异常,使得门控器无法识别I16信号的高电平输入,导致安全互锁回路异常故障的发生。

同时为确定是否存在批量质量问题,及时消除隐患,要求车门厂家对使用该批次电阻生产的门控器进行复查,经过初测、老化、复测等测试无不良记录,确认此次电阻失效为个例情况,其余产品无批量质量隐患。

3.2 车门数据总线通信故障

3.2.1 故障现象

2023年9月20日,车辆段库内检修人员报ZX15车HMI上3车6门显示未知,故障履历现存故障报3车6号门数据总线通信故障,3车6门上电自检失败。

3.2.2 电气原理分析

根据车门电气原理图分析,单节车门间通过X6、X7数据线将门控器进行串联,并进行数据传输,如图6所示。

图6 车门数据传输电气原理

3.2.3 现场故障排查

根据电气原理图分析,车门间主要通过X6、X7以太网接线及门控器进行通信,本次故障排查主要从X6、X7及门控器展开。

检查3车6门门控器上X6、X7插头安装无松动、插针无异常。下载3车6门门控器数据显示数据总线通信故障,与列车报出故障一致。查看3车数据,发现1号主门能接收到1、3、5、7、8门数据,2号主门能接收到2、4门数据,均无6门数据,说明ETH内网在6门前后均发生断线。通过X6、X7连接网口均无法ping通该门,重启门控器后故障仍存在,判断为3车6门门控器故障,现场更换门控器后,上电测试故障消失,测试车门功能恢复正常。

3.2.4 门控器拆解分析

为锁定故障点,特对门控器进行进一步检查。检查门控器外观无异常,内部控制板外观无异常。同时按照技术要求,对门控器内部电源静态阻抗测试,均在参考值范围内;对门控器内部电源电压测试,均在参考值范围内;对门控器的所有端口进行绝缘—耐压—绝缘测试,绝缘电阻和耐压性能满足要求;按照出厂检验技术要求,烧录出厂检验程序,对输入、输出、电机驱动、通信等功能模块进行功能测试,在进行以太网通信时,发现以太网无法ping通,经检测,发现为以太网板卡进入固件烧录模式(boot模式)的按钮失效(一直处于导通状态),如图7所示,其他功能测试正常。

图7 失效按钮开关(常导通状态)

3.2.5 结论与措施

经过排查分析,发现故障原因为门控器以太网板卡上进入固件烧录模式的按钮开关失效,失效模式为常导通,导致以太网板卡在上电时直接进入固件烧录模式,通信无法正常建立,报出通信故障。

同时为确定是否存在批量质量问题,及时消除隐患,要求车门厂家对使用该批次按钮开关生产的门控器进行复查,经过初测、老化、复测等测试无不良记录,确认此次电阻失效为个例情况,其余产品无批量质量隐患。

4 结束语

车门系统作为地铁车辆的关键部件,直接影响车辆运行及乘客服务质量,应确保其功能正常,因此,对车门系统的故障诊断是很有必要的。同时在车门系统故障处理时,需要结合车门工作原理、故障诊断逻辑及电气控制原理,深入分析故障原因,锁定故障点,若发现存在批量质量问题,应及时制定措施、排除隐患。