上海轨道交通列车车门系统可靠性研究-成果小结

上海轨道交通列车车门系统可靠性研究

主要研究单位：上海申通轨道交通研究咨询有限公司

同济大学

主要研究人员：皇甫小燕、程祖国、王建兵、浦汉亮、何伟荣

1、研究背景和项目来源

项目背景、立项依据及必要性

上海的轨道交通网络正在进一步扩大，车型增加，网络中车辆数及运营年限逐步增多，客流显著增长，大车、小车的客流在城市中心接驳，车门出现新故障，评估车门故障间隔时间、评估车门的可用性和维修性等显得尤为重要。对车门可靠性、可用性、维修性、安全性(RAMS)性能各项指标有一个量化的、全面的新认识迫在眉睫，站在运营角度升级、完善车门功能，巩固车门效能；制定车门通用技术要求，使车门产品系列化、标准化、通用化；解决车门系列多、种类多引发的配件供应问题，是企业管理水平提升面临的重要课题。

上海轨道交通运输在公共交通运输中所占比例逐年增加，且越来越重要。列车运营车门可靠性研究对车门维护维修、新线车辆采购相关条款的制定具有重要的指导意义。

通过本课题研究也为制定有关列车车门企业规范奠定基础。

2、主要研究内容

2.1 研究内容

2.1.1调研网络车辆车门技术规格，结合车型，按照动力源类型(气动、电动)对车门技术规格进行分类、研究、评估，以寻求和研究满足上海地区客流要求的车门技术要求或规范

城市地铁车辆的车门主要有二大形式的驱动方式：电动和气动。根据门页的运动轨迹分为：直线运动和非直线运动，通常称为：外挂门、内藏门和推拉门。

根据车辆设计安全性要求，它们的控制方式都是通过列车导线传递指令，是属于集中式开、关车门和锁门，而它们的结果信息目前采用网络方式（软件通信），分车辆级和列车级，前者一般采用RS485，后者使用网络结构，属串口连接，有的直接采用网络结构，但是直接采用网络方法，成本相对高、维护成本同样高。每个车门的控制器需要增加一个网卡，如：MWB卡、PC-104工业总线和内部的通信协议，并且目前没有双向传输功能，只能发车门的结果状态信息，如：开门、锁门、切除和通信故障等。随着数字化网络的发展，地铁车辆的车门控制和显示也越来越智能化，如：远程控制车门功能，可以选择单门任意开和关门、故障解除等。不需要司机离开驾驶台就能完成车门的故障切除和故障修复等功能。

上海地铁1、2号线DC01、AC01/02型电动列车的客室车门采用了奥地利IFE 车门公司提供的气动内藏对开式滑门，3号线AC03型电动列车采用奥地利IFE 车门公司提供的电动式塞拉门，1号线AC04型电动列车的客室车门采用法国法维莱(Faiveley)公司提供的电动外挂式移门。各线路运行列车车门类型共20种，其中：采用电动塞拉门的车型6种，采用电动外挂门5种，采用电动内藏门5种，采用气动内藏门4种。

课题分析了三类车门结构、特点，为进一步的分析奠定了基础。

2.1.2收集对照实际运营故障记录，对各类车门的平均故障间隔时间(MTBF)进行统计分析，对车门的可使用性进行评估；

由于地铁列车运营线路站距短，客室车门频繁开启和关闭，因而导致客室车门的门控电气元件和机械零部件损坏；此外在车辆各级检修作业过程中，由于维修人员未严格按照维修手册中车门检修工艺的要求进行检修，造成正线运营列车的客室车门故障频发。

车辆分公司2010年1—6月份各线列车5分钟晚点共143起，图1是列车各大系统累计的故障率相对比，可见车门故障是蛋糕中份额最大者。

分析发现车门故障有明显的早晚高峰特征、工作日特征和季节特征。

一天24小时，以6分钟为单位，列车下线1970起故障的分布情况见图2。可见早高峰7:30～8:30间车门故障率比平峰时间高出许多，8:00时刻车门故障率是平峰的10倍。

图1 列车各大系统故障导致5分钟晚点的比例

图2 车门故障一天之内分布特征（纵坐标：故障次数）与客流分时分布市民早晨9点上班、下午17点下班。结合上海上下班的平均出行距离与交通旅行速度，7:30～8:30是上班高峰时段，交通最为繁忙拥堵，客流量最大。晚上下班不像上班，不一定很准时、很集中。以上下班为主客流的公共交通客流特征呈早晚高峰特征。车门故障高峰与客流高峰完全对应，见图2（右）。

按周统计列车故障下线次数可见双休日车门故障明显低于工作日，且周一故障最高。如果把周二到周五视正常值，则周一故障率高出26％，周六、周日的故障率只有正常值的55％。

按工作习惯，上周的工作小结和本周的工作安排一般都是在周一进行，这种工作例会往往必须参加，故相对其它工作日周一出勤率最高、乘车人最多、车上最拥挤基本能解释得通（当然可能还有其它种种原因），周一车门故障率高于平常工作日与出勤率吻合。

休息为主的周六、周日出行时大多数不是为了上班，时刻的集中度、时间的抓紧度不及工作日，不必挤车。乘客少了，又不因赶时间而挤车，车门的故障率

显著降低。

还研究了车门可靠性可用性维修性等，详见报告。

2.1.3对平均故障间隔时间(MTBF)相对短的故障，或平均故障间隔时间(MTBF)相对长、但引发的运营事故级别高的故障基于运营维修、维护修程、原始设计等方面分析查找故障真正起因，寻求、提出具体解决方案或措施；并对措施实施的有效性进行论证

2007年元旦到2009年4月20日1～9号线与车门有关的列车下线事故约2300起，详细记录故障时刻的列车下线1970起。正线运营列举故障形式50多种，故障较轻则导致该车门被切除，故障较重则导致列车掉线、清客或救援的发生。

将各条线路各列车各种车门的各类故障累计在一起，车门主要零部件的MTBF如表1所示。由表可见，查不出原因的故障最多，平均2起/天，异物引发的车门故障每9天一次，司机操作失误每百天出现一次。

表1 车门主要零部件MTBF（单位:天）对比

根据车门故障类别统计，结合其具体结构，进行FMEA分析。

内藏门FMEA分析。

主要分析解锁气缸、S钩、驱动气缸、门槛条、护指橡胶条、继电器、关门锁闭开关S1、关门限位开关S2及车门维修导致的故障模式、故障对车门功能的影响，提出相应改进措施。

外挂门FMEA分析。

主要分析门控单元、继电器、门槛条、护指橡胶条、紧急解锁开关S4、关门限位开关S2、车门的装配导致的故障模式、故障对车门功能的影响，提出相应改进措施。

塞拉门FMEA分析。

主要分析门控单元、门定位销、继电器、紧急解锁开关S3、关门限位开关S1、车门的装配导致的故障模式、故障对车门功能的影响，提出相应改进措施。

2.1.4对于网络既有线路上运营列车的车门，根据研究结果及其必要性，提出具有针对性的具体技术改造升级方案，并进行可实施性研究，研发样机通过分析和调研结果，确立车门系统可靠性升级研究重点：气动车门自动检测多次再开门功能升级对策研究、电动车门本位机防死机功能升级对策研究、车门S1开关的安全回路触点监控对策研究。

气动车门自动检测多次再开门功能升级对策研究

为应对高峰客流，重点研究气动车门本位机的再开门功能，一旦功能升级，

将可能是降低高峰客流时车门故障的重要措施。

气动车门目前仅有1次自动检测，但是在某些时间仍然需要司机的再开门操作，甚至动用“ATC”切除，列车在线时，司机在操作时受时间限制，经常动用切除功能。能多次再开门则在一定程度上避免经常切除该门。

在关门电磁阀的的气路中Q点增加一个三通连接器，将其一路气源连接的控制器的气源输入口，作用是检测关门压力，内部有压力继电器（压力可调, P<4kg/c㎡）,当车门存在阻力时，超过规定的压力，车门关门暂停1秒，这时可以迅速移动物体，然后车门继续执行关门动作，与电动车门一样反复6次（可调），最后自动将车门打开，等待司机的开关门的操作。

在B2接口中内部连接一个常闭继电器触点，正常情况下，该继电器不带电，只有检测到关门时存在阻力时，继电器才能工作，切断关门电磁阀Y2，控制器工作的必要条件是开门灯A10正常，否则本控制器失去任何控制。

气动车门控制器可安装在作动器上方。该处空间充分，没有相干，不影响作动器原有功能。电线接口和气路接口也能很好的集成在原结构中。

电动车门本位机防死机功能升级对策研究

由于列车是正在正常运营的，所以在设计时必须考虑如下条件：对原功能没影响，改动最少，经改动过的线路不影响原功能；新功能和装臵的失效或故障，不影响原功能的正常使用；采用创新科技，MC33794器件应用于非接触式测量的传感器技术。

当车门EDCU得到来自司机室的“关门”高脉冲（110VDC）信号指令后，车门蜂鸣器便开始延时工作（约3~5秒），然后EDCU输出PWM信号，直流电机开始旋转，由机械带动二门页朝门框中心移动，逐步使二门页朝车厢内推进，完成车门的整个动作。在正常情况下，二门页能顺利关闭，如果二门页有阻力存在（人或物），在电流传感器的检测下，门页会自动停止运动，并向相反方向分别略开20 mm的间隙，确保障碍物能迅速离开，停时片刻然后再关门（延时约1秒），这样可以连续进行3到5次，如果障碍物还不能离开，那么门页就停止运动，门页可能处在原地或完全打开状态，只有等待司机的再开、关门。如果仍然不能使车门迅速关闭，司机就必须到故障的车门处进行车门隔离或重新进行车门的EDCU复位（确认车门控制是故障），最后再回到司机室或开关门一次。整个周期

结束需要一定的时间，而在这些操作时间内有时处理不当必将影响列车的发车时间。

往往在列车正常运营过程中经常出现一些故障现象，并且是瞬间的、随机的，导致列车无法启动或突然停止。经有关车门制造单位、维护单位等共同讨论和分析认为：主要是制动器的应用上有些问题，导致“S1”的瞬间动作，而并不是乘客多的问题造成车门故障，只有在上述事件共同作用下，车门发生该型故障是必然的。

针对上述二个问题，无论列车总体设计者还是列车的使用者，双方都进行过反复的交流，目前仍然没有得到解决问题的方法。要解决的方法必须涉及软件和硬件，前者需要车门制造商对EDCU的改进，可能性不大，或列车总承包商对列车网络管理软件修改同样比较难。也许后者才能彻底解决它们。

尝试增加硬件（称之为“看门狗”）的方法，来解决EDCU的“死机”和S1或S2接触不良。有了硬件“看门狗”，具有自动识别功能，司机可以减少工作量，缩短操作时间；同时列车运动时，监控车门的微动开关S1或S2的位移或接触得到良好稳定及保证。

车门S1开关的安全回路触点监控对策研究

上海轨道交通1、2、3、4、5、8等线路列车在运营高峰时，发生一列车所有车门锁闭灯灭导致正线迫停的故障率较高。

经检查分析，主要是车门S1开关的安全回路触点断开，导致列车施加紧急制动。这一故障对正线运营有以下两点重大影响：

●故障发生时，DDU无任何故障信息，造成司机故障处理时间过长

●正线处理该故障，紧急时必须切除ATC旁路开关，造成该故障升级为清客

故障，严重影响正线运营

提出共有三种整改方案：单片机监控S1常闭触点状态、LED灯指示S1常闭触点状态、增加一只关到位开关S5，比较三种方案的优缺点，建议优选中间方案。

2．1.5对于网络新建线路将要采购的列车，提出与上海地铁客流相适应的车门及其控制技术要求；并同时提出与屏蔽门的具体控制接口要求，以确保运营安全

车门通用技术要求

结合上海轨道交通客流不断增加的客观现实，项目组提出了针对上海轨道交通车辆的车门技术要求：

包括：门页结构要求（门页的结构要求、门页的刚度要求、密封要求）、驱动系统（驱动装臵、传动机构）、门叶悬挂装臵、锁闭机构、紧急解锁装臵；参数调整；功能要求（基本要求、主要功能要求、门控系统、限位开关、单门再开门功能、故障切除和锁闭功能）等。

车门与屏蔽门接口技术要求

为保证乘客进出列车的安全，屏蔽门与列车车门应联动控制，经优化对系统功能提出如下要求：(1)实时监视站台屏蔽门的状态，只有检测到站台屏蔽门处于关闭且锁紧状态才允许列车进站；(2)列车只有在规定的停车点停稳后才允许开启站台屏蔽门；(3)控制列车车门与站台屏蔽门的开启、关闭顺序，开、关车门与屏蔽门做到基本同步；(4)只有确认列车车门和屏蔽门都关闭后才允许列车启动出站；(5)当列车在进站或出站的过程中发现屏蔽门没有处于关闭且锁闭状态时实施紧急制动；(6)当站台一个(或多个)屏蔽门出现故障不能打开，由人工将该扇屏蔽门锁紧并旁路，允许列车进站。在列车进站停稳后，与故障的屏蔽门相对应的列车车门也不能自动打开，并在车门上发出提示相关信息。其他正常屏蔽门与相对应车门可以联动自动开、关；(7)当列车的某一个或多个车门不能打开时，与之对应的站台屏蔽门也不能自动打开，并在相对应屏蔽门上给出提示信息。其他各正常屏蔽门与相应车门可以联动自动开、关。

2.2 研究内容完成情况。

完成了课题任务书提出的各项研究内容的研究。

2.3 项目的关键技术、技术难点和创新点。

2.3.1项目的关键技术、技术难点

1）通过维保中心的VIM系统收集了收集了车门故障数据，对故障数据进行了筛选，建立了车门平均故障间隔时间计算模型，进行了相应计算；

2）建立了车门可使用性计算模型，利用建立的模型针对各类车门、运行于

各线的列车进行计算了它们的可用性；

3）针对三种故障提出了故障解决对策，并进行了论证、优化。

上海申通地铁集团对列车车门的系统可靠性研究在国内处于领先水平，本课题在原先研究成果的基础进一步深入。

2.3.2成果的创造点

通过对故障数据与客流数据的特征量化分析研究，指出车门故障客流强相关，大客流量是导致车门故障率居高不下的根本原因；课题组通过研究编创了车门故障统计软件和车门可靠性分析软件，形成2项知识产权。

3、主要研究成果、指标符合性，成果获奖与专利

根据课题任务书要求提交及完成以下成果：

1）通过研究编写了《上海轨道交通列车车门系统可靠性研究报告》；

2）提出了《上海轨道交通列车车门通用技术要求》；

3）提出典型故障解决方案及其功能升级对策；

4）申请“车门系统故障统计”、“车门系统可靠性指标分析”软件著作权2项；

5）发表“城轨列车车门故障平均间隔时间仿真分析”、“上海轨道交通列车车门故障时域特征分析”论文2篇。

4、应用前景与效益预测

编写了《上海市城市轨道交通车辆客室车门的技术要求》，对将来上海新增车辆（车门系统）的采购具有指导意义；编创了车门故障统计软件和车门可靠性分析软件，有利于及时跟踪了解车门系统的可靠性性能状态，为车门系统可靠性研究点明突破口。

通过车门故障统计软件和车门可靠性分析软件著作权转让将带来一定经济效益。