地铁工程车自动换端控制原理及改进方案

作者：邓宗群；毛金虎；李开晔；杨智；谢军威

摘 要：

针对地铁蓄电池工程车使用过程中出现的自动换端不成功现象，首先介绍了工程车自动换端控制原理，并结合工程车停放控制原理分析自动换端失败的原因，综合考虑自动换端的安全性和可靠性后提出了一种改进方案。改进后的自动换端方案采用压力传感器采集的制动缸压力信号作为自动换端的条件之一，既能保证自动换端成功，又不影响制动系统的安全性。

0 引言

自动换端功能，即在受电弓不降弓、主断路器闭合、压缩机等设备持续工作的状态下实现换端作业，而且换端成功后自动将受电弓、主断路器、压缩机等设备切换至操作端控制[1]。因此自动换端将不再需要受电弓频繁地降弓和升弓，可以有效避免在雾霾和雨雪天气发生的车顶高压设备雾闪接触网断网事故和受电弓冻结无法升起的事故，提高换端作业及转线作业的效率[2]。

地铁工程车的作用是在检修基地牵引地铁列车、平板车、钢轨打磨车等进行调车作业，或到正线牵引救援事故列车，如果不具备自动换端功能，那么换端操作时司乘人员需在操作端降受电弓、断主断，然后到另一端重新升受电弓和合主断，操作烦琐。因此，目前地铁蓄电池工程车设有自动换端功能，但是地铁工程车在使用过程中存在自动换端不成功的问题，给客户的换端操作带来不便。本文从自动换端和停放制动控制原理出发，分析了自动换端失败的原因，并提出了一种有效和可靠的自动换端改进方案。

1 自动换端控制原理

地铁蓄电池工程车通过按司机室操作台上的自动换端按钮激活“自动换端”程序，之后只要同时满足以下3个条件就能实现自动换端：

（1）司控器在“零”位，同时模式选择开关在“零”位，即无方向选择信号；

（2）机车处于静止状态；

（3）施加了停放制动。

在激活了自动换端到本操作台司机钥匙拔出，再到另外一个操作台被占用这段时间内，所有的微机显示屏均显示“自动换端正在进行”。如果在自动换端有效时间内有一端司机室操作台再次被占用，这时“自动换端”程序应结束，并在微机显示屏上提示“自动换端结束”，自动换端成功；如果在自动换端有效时间内没有操作台被再次占用，所有空气压缩机等辅机停止工作，高速断路器断开，同时降下受电弓，然后“自动换端”程序结束，在此过程中微机显示屏上显示“自动换端超时故障”，自动换端失败；如果自动换端程序没有被成功激活，则微机显示屏上显示“自动换端条件不满足，激活失败”，自动换端不成功。

2 自动换端不成功的原因分析

目前工程车自动换端条件之一是必须施加停放制动，但根据调试人员和客户反馈，当制动缸压力达到450 kPa时，停放制动压力开关动作并给出停放缓解信号，如图1所示，导致自动换端失败。工程车停放制动控制原理如图2所示，制动缸压力和停放总风压力通过比较阀、停放塞门进入停放缸，这种防止停放制动力和制动缸压力同时叠加的设计原理，当制动缸压力上升到一定值后存在缓解停放制动的可能性，影响自动换端。

地铁工程车自动换端时，司乘人员需按压操作台停放施加按钮，双脉冲电磁阀动作，停放缸压力通过停放塞门和比较阀排向大气。如果停放缸压力降至400 kPa以下，停放压力开关动作，停放制动施加并将信号传给工程车中央控制单元。同时大闸置重联位、小闸置运转、钥匙开关断掉制动控制器的电源，制动柜内部所有电磁阀均失电，制动电磁阀因失电将均衡风缸压力按常用制动速率排向大气[3-4]。由于均衡风缸压力变化，中继阀被带动动作，保证列车管压力跟均衡压力保持一致（相差不超过10 kPa），如图3所示。当列车管压力降至260 kPa以下时，分配阀增压部阀口在压力差作用下被打开[5]，总风经阀口向容积室充风，制动缸压力最终上升至（450±20）kPa，并通过比较阀进入停放缸，停放压力开关动作，输出高电平缓解信号给工程车I/O模块。如果在制动缸压力上升到450 kPa之前和自动换端有效时间内完成换端所有程序和操作，那么自动换端成功；否则，自动换端失败。

3 自动换端改进方案

由于地铁工程车停放控制原理采用制动缸压力与停放总风压力比较后进入停放缸，这种控制方式存在制动缸压力上升后缓解停放制动的问题。为解决调试和运用过程中出现的自动换端不成功问题，可以采用调高停放压力开关整定值的应急措施，但其存在以下问题：一是停放压力开关的整定值会随环境、使用时间发生变化，需定期进行整定压力值的校准；二是当停放缸的风压达到450 kPa时，停放缸实际已经完全缓解，但由于停放压力开关没有动作，给出的信号还是停放施加信号，所以工程车I/O模块监控的停放状态跟实际状况并不吻合。因此，既要考虑安全停车，尤其是在坡道上安全停车，又要能够实现自动换端，本文提出了一种改进的工程车自动换端方案。

改进后的自动换端条件取消“施加了停放制动”，并将“制动缸压力大于360 kPa”作为自动换端的条件之一。单台地铁工程车共有8个单元制动器，其中4个带停放制动功能，4个不带停放功能。经计算分析，当制动缸压力达到360 kPa左右时，8个制动缸产生的总制动力约为63 000 N，4个停放缸施加的停放制动力约为34 000 N。即使在停放制动完全缓解的状态下，只要制动缸压力达到360 kPa，也能够满足平直轨道和单机40‰坡道上安全停车，因此将制动缸压力大于360 kPa作为自动换端条件更加安全和可靠。

地铁工程车电空制动机制动缸模块控制原理如图4所示，压力传感器可以对制动缸压力进行实时监控和采集[6]，且采集的压力信号通过硬线传给工程车I/O模块，如图5所示。I/O模块只需将传感器采集的制动缸压力信号转换成对应的压力值并作为自动换端的条件之一，即可保证自动换端，同时实现自动换端不受停放制动影响。

改进后的自动换端需同时满足以下3个条件：

（1）司控器在“零”位，同时模式选择开关在“零”位，即无方向选择信号；

（2）机车处于静止状态；

（3）制动缸压力大于360 kPa。

4 试验验证结果

改进后的自动换端方案已在工程车上完成试验验证，能够解决现有的工程车自动换端不成功的问题，而且实现了停放缓解状态下的自动换端功能。改进方案跟目前电力机车自动换端条件相似[7]，电力机车是制动控制单元采集制动缸压力传感器信号判断制动机已施加制动，并将制动机制动信号发送给机车中央控制单元作为自动换端的条件之一，工程车是I/O模块通过传感器直接采集制动缸压力值，并将其大于360 kPa作为自动换端条件之一，因此改进后的自动换端方案是一种成熟和可靠的方案。

5 结语

本文针对地铁工程车使用过程中自动换端不成功问题，提出了一种改进的自动换端方案。改进方案是工程车I/O模块通过采集制动缸压力传感器的压力信号作为自动换端的条件之一，相比改进前的自动换端条件，压力传感器的稳定性和可靠性比压力开关更高，同时又避免了停放制动对自动换端的影响。

综上所述，改进后的地铁工程车自动换端方案相比改进前，换端操作步骤不变，能够在现有的地铁工程车上广泛应用，既不影响工程车制动系统的安全性，又实现了自动换端。

审核编辑：汤梓红