天津市地下铁道运营有限公司 天津市 300222
摘要：司控器是保证电客车正常行车的核心部件，控制整列车的牵引、制动指令，若其指令输出异常，电客车则不能按照正常指令进行控车，影响正线的行车安全。天津地铁3号线现有电客车司控器为欧洲进口产品。司控器自运营以来发生过“牵引/制动请求不对称”，“指令消失”等故障，后续通过改造对故障有一定降低。此外，现有司控器存在返修周期长，采购、维修价格高等问题。为解决国外备件采购价格高、采购渠道单一和采购周期长等问题，所以考虑3号线电客车司控器的换型研究工作。
关键词：司控器；编码器；牵引；制动
1司控器基本原理介绍
1.1 主要功能
司控器作为列车换向、调速的主令电器。主要通过控制低压电路来间接控制主电路的电气设备，其主要功能如下：
（1）根据司机操控档位，实现不同电路间的导通及断开；（2）根据速度调节手柄的转动角度，将DC15V转换成1-8.5V不同电压，反馈到TIMS；（3）实现机械互锁，防止错误操作。
1.2 主要组成
司控器电气部位分为两部分：
（1）数字信号部分：数字信号部分为物理开关连接，实现简单而可靠的导通、关断动作，其工作电压为DC110V和DC24V。数字信号根据调速手柄的位置只能识别0位、牵引位和制动位、快速制动和紧急制动5个位置。
（2）模拟信号输出部分：模拟信号部位根据调速手柄的旋转角度连续输出DC1V-DC8.5V电压给TIMS，TIMS根据电压值给牵引系统发送不同的牵引力、制动力指令。模拟信号为两路同时输出，两路相互比较、参考，防止错误指令。
2 现有司控器故障统计
自2013年5月至2016年9月，天津地铁3号线电客车司控器共发生“模拟量输出超差0.15V，1系与2系超差0.2V，模拟信号与数字信号不符”14次，“开关、按钮失效”共13次，“机械结构松动、卡滞”6次。且部件采购周期至少在6个月以上，一旦司控器出现部件故障时，如果现场备件不足，采购周期过长供应不及时，将会对车辆运用造成极大的影响。所以进一步研究司控器可靠性换型方案具有特殊意义。
3 司控器整改换型方案说明
整改换型的司控器必须在安装物理接口及电气接口与现有司控器保持一致，可直接进行替代更换，无需对车辆进行更改。
3.1 换型司控器主要性能参数
工作电压：
开关：DC 110V和DC 24V
编码器：DC 15V
输出（编码器）：DC 1V（RB）→DC 8.5V（P100）。
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3.2结构、电气优化说明
3.2.1 使用编码器替代电位计
现有司控器模拟量信号输出使用电位计用电阻分压的原理实现，这种方式存在如下缺点：
（1）模拟量电压输出直接随输入电源（TIMS15VDC的公差为±5%）的变化而变化，故前期天津3号线出现了很多次输出不匹配的问题。
（2）电位计一般由电阻盘和电刷组成，电刷移动时和电阻盘保持接触而引起磨损。
（3）电位计容易受环境影响，如温漂等现象。
（4）输出电压曲线不线性。
本次换型使用新型的编码器方案，其存在如下优点：
（1）宽泛的工作电压范围，不会随输入电压的变化而变化。
（2）无机械接触，故没有机械磨损。
（3）抗振动、抗腐蚀、抗污染、抗干扰和宽温度特性。
（4）能输出线性的电压曲线。
3.2.2 简化机械结构，降低故障率及维护难度
司控器内部机械传动简单可靠，与现有司控器相比，零部件减少30%左右，降低故障率及维护难度。
3.2.3 编码器电磁屏蔽、防尘、防水设计
为防止司控器使用过程中受其他电气设备的干扰，换型司控器编码器使用铝合金壳体进行屏蔽，同时外接线束为全屏蔽线，保证了模拟量输出侧信号全方位屏蔽。同时编码器及连接部位使用密封环进行保护，防尘防水等级达到IP65（完全防止粉尘进入，任何角度低压水喷射无影响）。
3.2.4滚动轴承设计
换型司控器的旋转轴使用滚动轴承设计，滚动轴承为两端封闭型免维护轴承，增加使用寿命降低摩擦损耗，提高机械精度的同时，降低维护成本。
3.2.5编码器互换设计、快速复位功能设计
2个编码器为同一型号，故左右两个编码器可进行互换，同时可以单个进行更换，降低维修成本。同时，为方便安装及维护，新型编码器带有快速复位功能，在复位功能的帮助下，可以根据电压输出范围快速校准零点。如0-10V输出范围，可将中间值（5V）设置为旋转编码器的当前位置。为避免断电造成数据丢失，这个数值被保存在旋转编码器中。这样在进行编码器的安装时，不需进行机械校准，只需在安装完成后，将司控器主手柄置为“N”位，启动一下编码的复位功能即可自动校准到5V模拟量输出，同时其他档位的模拟量输出也能自动匹配。
3.2.6 冗余设计
换型司控器的开关为冗余设计方式，使用双开关或双触点型式代替原来的单开关、单触点，大大提高可靠性。
3.2.7 合理的凸轮设计
换型司控器严格按照开关的结构强度设计凸轮结构，降低开关快速动作时，凸轮对开关的冲击力，防止开关开裂。
4 整改达到效果预评价
4.1维护周期、费用的降低
现有司控器存在维修周期长、费用高的问题，而本次换型司控器不需进行特殊的维护，只在为确保司控器在全寿命周期内能发挥应有功能，在达到一定使用年限或公里数后才进行部分易耗件的检查及关键部件的更换。换型司控器的部件采购时间最多不超过3个月。
4.2 采购成本的降低
进口件在制作成本上本来就高，再加上关税及运输费用，其价格更是居高难下。而且对于小批量配件，其价格更可以翻好几倍。而此次换型司控器为国产件，价格较进口件能降低20%至30%的价格。并且国产价格不会因为汇率、停产等原因而随意加价。
4.3 售后响应时间缩短
换型司控器厂家可以在最短时间内派遣售后人员解决，而进口件如出现问题，则需与海外技术人员进行沟通，也需海外人员进行解决，响应时间相对国产件会慢很多。
5 结论
按照司控器换型方案，换型司控器已经于天津地铁3号线车辆上试装2台。并且通过静态试验测试机械操作动作顺畅，静态测量各级电信号输出与TIMS接口信号及车辆不同负载下司控器各级电压输出均正常。高压状况下进行牵引、制动、方向、主控复位功能测试均正常。自2018年1月以来新型司控器使用公里数已达到2万公里，期间未出现故障，司控器可靠度将会随着公里数里程的增多继续验证使用效果。
论文作者:卿立勇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/20
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