上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司 陳思維

編制本文主要有三個(gè)目的。首先，研究了地鐵三、四號(hào)線信號(hào)車載接收線圈接收信號(hào)的必要技術(shù)和缺陷。其次，本文旨在提供優(yōu)化接收線圈的性能和可靠性的方法。第三，為實(shí)現(xiàn)接收線圈的國(guó)產(chǎn)化提供理論和實(shí)踐依據(jù)。本文通過對(duì)上海地鐵三、四號(hào)線接收線圈的技術(shù)國(guó)產(chǎn)化研究，提出了一系列需要解決的問題。這些問題包括設(shè)備老化、故障率上升、購(gòu)置和維護(hù)成本高、采購(gòu)周期長(zhǎng)、并受制于國(guó)外廠家的配件不足。通過研究接收線圈，可以降低地鐵運(yùn)行維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，上海地鐵的安全和正常運(yùn)行也得到了較好的保障。

1 研究接收線圈國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的背景

1.1 接收線圈的功能

上海地鐵3、4號(hào)線車載信號(hào)接收線圈是安裝在列車第一個(gè)轉(zhuǎn)向架的第一根輪軸前左右鋼軌上方的軌道電路信號(hào)感應(yīng)接收裝置。地面主機(jī)發(fā)送的環(huán)線和鋼軌信號(hào)通過鋼軌進(jìn)行傳遞，由該線圈進(jìn)行感應(yīng)接收，再通過航空接插件與車載主機(jī)連接，完成地面與車載信號(hào)連續(xù)傳輸，是車載信號(hào)系統(tǒng)車地通信最主要且最重要的設(shè)備，通常我們也稱之為PICK-UP-COIL。

1.2 接收線圈的使用現(xiàn)狀

上海地鐵3、4號(hào)線的設(shè)備投用已將近15年，由于露天高架線路的環(huán)境因素及安裝設(shè)計(jì)缺陷，車載外掛設(shè)備老化程度加劇，故障率上升，對(duì)正常運(yùn)營(yíng)與安全產(chǎn)生了一定的影響。其中軌道交通3、4號(hào)線信號(hào)U200車載系統(tǒng)的接收線圈，由于安裝設(shè)計(jì)缺陷以及使用環(huán)境非常惡劣，其安裝于列車TC車底部第一個(gè)轉(zhuǎn)向架的第一個(gè)輪軸前，位于左右兩條鋼軌上方，常年遭雨水、輪對(duì)濺水等的侵襲，因此老化、腐蝕、損壞率尤為突出，故障率逐年增高。同時(shí)，進(jìn)口接收線圈采購(gòu)流程通常都達(dá)到48周以上，且采購(gòu)價(jià)格昂貴，近幾年國(guó)外供應(yīng)商隨著檢測(cè)維修成本的不斷上升與其具有技術(shù)壟斷性，3、4號(hào)線接收線圈返修成本已非常接近購(gòu)買新件的價(jià)格，從成本上來說，該設(shè)備已不具備返廠維修的價(jià)值。由于國(guó)外供應(yīng)商對(duì)核心技術(shù)的保密，我維護(hù)方對(duì)該設(shè)備并沒有技術(shù)條件進(jìn)行元器件級(jí)的自行維修，而國(guó)外供應(yīng)商也考慮成本問題，不建議維修而是建議重采購(gòu)新件，由此產(chǎn)生了我維護(hù)方采購(gòu)預(yù)算嚴(yán)重不足，而且冗長(zhǎng)的采購(gòu)周期還會(huì)產(chǎn)生備件斷檔等問題。由于接收線圈庫(kù)存量已接近零庫(kù)存，已威脅到3、4號(hào)線的正常維護(hù)與運(yùn)營(yíng)。

1.3 接收線圈國(guó)產(chǎn)化研究的必要性

在這樣的背景下，我維護(hù)部向公司提出了國(guó)產(chǎn)化需求，無(wú)論從根本上解決預(yù)期的備件斷檔問題、填補(bǔ)自身檢修與維護(hù)的空白，還是從經(jīng)濟(jì)利益與保障運(yùn)營(yíng)考慮，對(duì)3、4號(hào)線車載信號(hào)接收線圈的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)進(jìn)行研究是必要的，國(guó)產(chǎn)化接收線圈技術(shù)研究成功，不但可以從根本上改變目前受制于國(guó)外供應(yīng)商的被動(dòng)局面，變被動(dòng)為主動(dòng)，還可以降低了3、4號(hào)線運(yùn)營(yíng)維修成本，提高經(jīng)濟(jì)效益與維護(hù)水平，同時(shí)更能為3、4號(hào)線正常運(yùn)營(yíng)與乘客的舒適度提供了一份保障。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析與優(yōu)化

2.1 接收線圈工作原理

我們對(duì)已損壞的接收線圈進(jìn)行了解剖與分析（圖1），發(fā)現(xiàn)接收線圈主要由兩個(gè)功能性感應(yīng)線圈組成和一塊電路板，其兩個(gè)功能線圈分別是接收軌道電路信息所發(fā)送信息的鋼軌感應(yīng)線圈，和接收岔區(qū)環(huán)線的環(huán)線（LOOP）感應(yīng)線圈。接收線圈的電路板模塊由車體車載設(shè)備根據(jù)進(jìn)路地圖，計(jì)算當(dāng)前所在位置的軌道電路頻率，并通過CTC板向接收線圈發(fā)送選擇相應(yīng)的軌道電路或環(huán)線需要接收頻率的指令，由接收線圈內(nèi)部的選頻電路完成頻率轉(zhuǎn)換，接收當(dāng)前有效的軌道電路或環(huán)線頻率中的信息。

圖1 車載信號(hào)接收線圈原理框圖

通過研究接收線圈電路板與一系列測(cè)試（圖2），得出：來自鋼軌傳遞的信號(hào)，首先通過LB和LB2二個(gè)電感線圈進(jìn)行感應(yīng)耦合，分別經(jīng)LB、L2、C2和LB2、L、1C1二個(gè)復(fù)式寬頻帶LC諧振槽路網(wǎng)絡(luò)，再由T2、L2、C2和T1、L1、C1組成二個(gè)選頻放大器進(jìn)行放大器進(jìn)行放大，最后由T2、T1與車載信號(hào)輸入端構(gòu)成射極跟隨器進(jìn)行輸出。

圖2 車載信號(hào)接收線圈原理圖

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)研究結(jié)果，經(jīng)進(jìn)口車載接收線圈各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與性能的測(cè)試，得出其完整的幅頻特性，通過PSPICE電路仿真軟件進(jìn)行仿真，計(jì)算出各個(gè)關(guān)鍵元器件的參數(shù)靈敏度，從而確定關(guān)鍵元器件的參數(shù)誤差要求，以此為依據(jù)開發(fā)出與進(jìn)口車載信號(hào)接收線圈技術(shù)指標(biāo)性能相符的試驗(yàn)品。而接收線圈國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的關(guān)鍵及難點(diǎn)在于如何有效解決接收線圈電路中的槽路通頻帶寬窄與選擇性好壞之間關(guān)系。

車載感應(yīng)接收傳感器采用了復(fù)合式LC諧振槽路組成的寬頻帶選頻網(wǎng)絡(luò)，完成軌旁對(duì)車載的連續(xù)傳輸軌道信號(hào)。接收線圈中的軌道電路接收傳感器的選擇非常重要，因?yàn)槠湫阅軆?yōu)劣直接對(duì)信號(hào)傳遞質(zhì)量產(chǎn)生影響。而LC槽路的選擇性與通頻帶的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。若電路中電抗大，電阻小，當(dāng)阻抗明顯變化，則幅頻特性曲線尖銳，反之則曲線平坦。曲線越尖銳則此電路的選擇性就越好，頻率分辨能力就強(qiáng)，濾除噪音雜波性能就好，若僅從選擇性好考慮則諧振曲線尖銳較好，但電路的通頻帶就變窄了，其接收軌道電路頻率的適應(yīng)能力就相對(duì)較弱，回路選擇頻率范圍的能力也相對(duì)較差。反之則通頻帶雖寬，可是選擇性卻差了，所以對(duì)軌道電路信號(hào)接收傳感器就必須兩者兼顧，由于軌道電路被分為9.5kHZ、11.1kHZ、12.7kHZ、14.3kHZ、15.9kHZ、17.5kHZ、19.1kHZ、20.7kHZ八個(gè)頻率，偏頻正負(fù)100HZ，因此需要保障足夠的通頻帶寬，也要具備良好的頻率點(diǎn)選擇性，不能讓軌道或隧道中的其它頻率信號(hào)產(chǎn)生干擾軌道電路信號(hào)正常的接收。所以傳感器的設(shè)計(jì)采用了串并復(fù)式諧振槽路模式，以此來確保軌道電路接收傳感器性能，解決了通頻帶狹窄和頻點(diǎn)選擇性差的矛盾。

所以在研制過程中，根據(jù)仿真軟件的結(jié)果，制作符合要求的品質(zhì)因數(shù)Q值的電感線圈，并達(dá)到符合要求的幅頻特性；選擇溫度穩(wěn)定性高和低損耗的高品質(zhì)的電容，使得新產(chǎn)品的使用穩(wěn)定性和耐用性上克服原產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上的某些不足，從而克服原型產(chǎn)品的缺陷；在電氣性能以及機(jī)械性能上達(dá)到或超過原型產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)；保證國(guó)產(chǎn)化設(shè)備能夠在惡劣環(huán)境下準(zhǔn)確的接收軌道信號(hào)。

2.3 技術(shù)優(yōu)化

在電源和信號(hào)的輸入輸出端均采取了抗高壓和雷擊保護(hù)措施，通過靜電放電抗擾度試驗(yàn)，點(diǎn)快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)和浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)，提高了產(chǎn)品的使用可靠性；

經(jīng)過剖析大量損壞的進(jìn)口車載接收線圈裝置，我們發(fā)現(xiàn)原航空接插件密封性差，容易進(jìn)水，有很大部分的接插件發(fā)生插針霉斷或接觸不良，甚至由于航空接口滲水而產(chǎn)生毛細(xì)血管現(xiàn)象，造成接插件上部電纜內(nèi)部電腐蝕，不易通過日常維護(hù)所發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)至設(shè)備不能正常工作。因此否定了進(jìn)口接收線圈航空接插件形式與電纜連接的設(shè)計(jì)，以電纜直接引出的方式，使接收線圈與電纜一體化設(shè)計(jì)，從而根本上解決了接收線圈與電纜接插件部分進(jìn)水而導(dǎo)致設(shè)備故障隱患，提高設(shè)備的可靠性與環(huán)境適應(yīng)性。

將原裝接收線圈裝置與機(jī)車連接的航空插頭設(shè)計(jì)為不銹鋼航空連接器，解決航空接頭外表防腐繡死而造成的無(wú)法檢查與更換電纜的問題。

3 測(cè)試驗(yàn)證

使用調(diào)試專用列車，在有岔區(qū)的線路上將兩個(gè)接收線圈國(guó)產(chǎn)化試驗(yàn)品安裝于列車下行頭，試驗(yàn)列車是否能正常使用ATP、ATO模式運(yùn)營(yíng)，同時(shí)觀察列車在正線和岔區(qū)接收線圈接收到的電平強(qiáng)度。

正線（區(qū)段24.7.1）電平：最低00000110（十進(jìn)制數(shù)為6）、最高01110100（十進(jìn)制數(shù)為116）。如圖3、圖4所示。

圖3 二個(gè)接收線圈國(guó)產(chǎn)化試驗(yàn)品正線區(qū)段電平接收情況

圖4 二個(gè)進(jìn)口接收線圈正線區(qū)段電平接收情況

岔區(qū)（區(qū)段9.6.0）電平：最低00000110（十進(jìn)制數(shù)為6）、最高01010101（十進(jìn)制數(shù)為85）。如圖5、圖6所示。

圖5 二個(gè)接收線圈國(guó)產(chǎn)化試驗(yàn)品岔區(qū)區(qū)段電平接收情況

圖6 二個(gè)進(jìn)口接收線圈岔區(qū)區(qū)段電平接收情況

比較：安裝兩個(gè)進(jìn)口接收線圈在試驗(yàn)條件相同的情況下，正線最低00000010（十進(jìn)制數(shù)為2），最高01110111（十進(jìn)制數(shù)為119）；岔區(qū)最低00000010（十進(jìn)制數(shù)為2），最高01100100（十進(jìn)制數(shù)為100）。比較圖如圖7所示。

圖7 二個(gè)國(guó)產(chǎn)接收線圈與二個(gè)進(jìn)口原裝接收線圈電平接收比較圖

同一車頭安裝兩個(gè)國(guó)產(chǎn)接收線圈在相同區(qū)段內(nèi)接收到的電平與安裝兩個(gè)進(jìn)口接收線圈接收到的電平基本持平。列車能夠正常使用ATP、ATO模式運(yùn)營(yíng)。

結(jié)論：從測(cè)試結(jié)果上看，國(guó)產(chǎn)化接受線圈具備既有設(shè)備的主要功能，并且性能測(cè)試良好。

本次對(duì)軌道交通3、4號(hào)線車載信號(hào)接收線圈國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的研究成果，不但可以解決目前三、四號(hào)線接收線圈備件不足的問題，還能使我們擺脫一些關(guān)鍵設(shè)備過于依賴國(guó)外廠商的局面，同時(shí)節(jié)約大量的時(shí)間和資金，產(chǎn)生一定的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，如果軌道交通3、4號(hào)線車載接收線圈國(guó)產(chǎn)化技術(shù)得到應(yīng)用，在經(jīng)過國(guó)產(chǎn)化量產(chǎn)后，采購(gòu)、維護(hù)、大修成本將有很大程度下降。僅大修成本節(jié)約效益一項(xiàng)就可達(dá)到千萬(wàn)級(jí)。同時(shí)使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員對(duì)接收線圈的各項(xiàng)指標(biāo)與參數(shù)有了更深的了解，為接收線圈日后的國(guó)產(chǎn)化以及二級(jí)維護(hù)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)維護(hù)人員的技術(shù)水平也得到進(jìn)一步提升，提高了設(shè)備的維修效率。