上海地铁5号线司机控制器国产化开发

李 卿

（西安开天铁路电气股份有限公司，西安 710065)

上海地铁5号线（莘闵线）于2003年起试运营，全线共有17列车。经过近15年运行，大部分车辆已进入检修周期，因此上海地铁方需要采购新的司机控制器。司机控制器是机车车辆的主令控制电器，用来转换机车牵引与制动工况，改变机车运行方向，设定机车运行速度，从而对机车进行起动和调速。原车辆上的司机控制器采用进口法国阿尔斯通司机控制器，此司机控制器采购周期长且价格昂贵，为解决进口司机控制器价格昂贵、采购周期长等问题，受上海申通地铁集团有限公司维护保障中心车辆公司委托，西安开天铁路电气股份有限公司为上海地铁5号线地铁车辆开发国产化司机控制器，替代原有进口电器产品。

1 国产化研制

1.1 司机控制器基本结构介绍

上海地铁5号线司机控制器由三个单元模块组成，分别为电钥匙单元（含有电磁阀机构）、换向单元和调速单元（含有警惕按钮结构），如图1所示。电钥匙单元电钥匙和换向单元换向手柄操作方式为圆周转动；调速单元调试手柄为平推式；司机控制器上的电磁阀、电钥匙、换向单元、调速单元采用机械联锁方式进行互锁：司机器电磁阀上电后，电磁阀吸合，此时电钥匙解锁，可由断开位转动到接通位，换向单元解锁，换向单元可进行操作；当换向单元手柄转离“断开”位至“手动”、“向前限速”、“洗车”以及“向后限速”位时，调速手柄可在“牵引”、“惰性”、“制动”以及“快速制动”位推动；当司机控制器不工作时，调速手柄被锁定在“惰性”位置上，换向手柄和电钥匙在“断开”位，此时电钥匙单元被电磁阀锁住。

图1 上海地铁5号线司机控制器组成

1.2 国产化研制要求

国产化司机控制器作为进口司机控制器替代产品，研制的关键是保证与车辆上原司机控制器功能相通，能够实现无条件互换，这是上海申通地铁维护保障中心对西安开天铁路电气股份有限公司所研制的司机控制器最主要的要求，也是国产化司机控制器主要技术所在。要想与原司机控制器功能互通，国产化司机控制器的安装尺寸、信号输出、档位显示、操纵方式以及联锁关系均应与原司机保持一致，主要技术难点可总结为以下九个方面：

第一，司机控制器外形结构设计；第二，司机控制器和车辆接口设计；第三，司机控制器和操纵台安装接口设计；第四，司机控制器和车辆电气接口设计；第五，司机控制器的辅助触头选型及输出设计；第六，司机控制器电磁阀选型；第七，司机控制器电位器选型及输出设计；第八，司机控制器手柄操作力值要求；第九，司机控制器各部分机械联锁设计。

1.3 国产化研制方案

1.3.1 国产化司机控制器基本结构

由于车辆上安装司机控制器位置、空间、方向均已定确定，因此国产化司机控制器必须符合特定安装条件，在设计时司机控制器外形尺寸必须和原车司机控制器外形结构一致，才能使国产化司机控制器安装在特定的环境中。因此可在原司机控制器基本结构基础上，进行国产化司机控制器外形尺寸设计。

1.3.2 国产化司机控制器主要零部件的选型

连接器作为司机控制器和车辆的电气连接口，将司机控制器指令传动到车辆控制单元，因此国产化司机控制器插头必须和车辆上接口配合良好，且配合后信号导通能力要保持良好。基于以上要求，国产化司机控制器插头必须和原装司机控制器插头具有一致性、互换性。所以国产化司机控制器和原车的司机控制器插头采用同一厂家、同一型号的插头，以保证电气接口完全一致。

上海地铁5号线司机控制器辅助触头存在无输出故障现象，国产化司机控制器采用防护等级和可靠性更高的、且被大批量使用的QKW5型速动开关。

在司机操作司机控制器时，首先按动开启按钮，电磁阀回路接通，电磁阀吸合，解除主控钥匙上联锁关系，此时将司机控制器上主控钥匙转动到“接通”位，进而才能操作司机控制器。因此电磁阀作为司机控制器主控钥匙锁定装置，具有非常重要作用，在选用电磁阀时，需选用可靠性高、使用寿命长且已经经过验证的电磁阀。所以国产化司机控制器选用了和原司机控制器相同的MECALECTRO电磁阀，该电磁阀在地铁司机控制器应用多年，其可靠性已经得到了充分验证。

编码器作为司机控器制控制器车辆速度的信号源，具有极其重要作用。编码器的输出信号型式、精度、大小、寿命、可靠性等参数均会影响到国产化司机控制器设计，因此电位器选型非常关键。在进行编码器选型时，需要考虑到编码器输入电压、线性误差、机械转角、重复性误差、安装尺寸、外形尺寸、工作温度和运输储藏温度等参数。通过对编码器分析和相关资料查询，国产化司机控制器选用了和原司机控制器一样的进口KINAX 3W2编码器。

1.4 原车辆司机控制器潜在隐患及改进

在进行司机控制器国产化设计时，不但要求性能、外形结构、输出和操作方式等和原司机控制器保持一致，而且要进一步优化使用性能。因此，要对上海地铁5号线司机控制器运行过程中存在的问题进行提升改进，原司机控制器主要存在以下问题：第一，由于触头防护等级低，且受灰尘影响，出现无输出故障隐患；第二，模式选择开关单元底板上无支撑，存在轴向窜动风险；第三，警惕按钮压板转轴磨损，导致两个安装转轴不同心，存在断裂风险。

在进行国产化司机控制器设计时，对以上隐患进行改进，具体方法如下：第一，触头更换为性能等级更高的QKW5型速动开关（防护等级IP60）；第二，对模式选择开关单元底板进行结构调整，增加自润滑法兰轴承；第三，在旋转轴上增加自润滑耐磨轴承。国产化司机控制器设计外形结构如图2所示。

图2 国产化司机控制器

2 国产化司机控制器研制难点

由于司机在操作过程中，已经习惯了原司机控制器特点，很难改变操作习惯，因此在国产化司机控制器设计时，需符合司机操作要求。国产化司机控制器结构和原司机控制器的结构基本一致，因此在操作时习惯基本没有变化，所以操作过程中换向和调速手柄力值要求显得尤为重要。

国产化司机控制器在研制完成后，虽然调速单元手柄力值在要求范围内，但司机在操作中感觉手柄力值过大。针对此现象进行分析，发现调速单元采用的导轨和轴承的摩擦系数过大，因此调速手柄在推动时的起动摩擦力比较大，同时调速手柄在面板上的毛刷、定位弹簧力作用下，推动时力值感觉较大。在和其他种类的导轨、轴承配合情况进行对比后，决定在国产化司机控制器中选用THK带有滚珠的轴承和THK导轨，新的导轨和轴承配合摩擦系数降低为原来的十分之一，更换轴承后调速手柄在推动时力起动摩擦力明显减小，调速手柄测试力值详如表1所示。

表1 司机控制器力值要求

3 结语

国产化司机控制器在设计时基本和原样机结构一致，从而保证了新样机和原样机的互换性。同时国产化样机重要零部件均采用和原进口样机一致的国外原装进口零件，与原样机电性能一致。滑动导轨采用日本THK导轨，该导轨摩擦系数极小，保证了调速手柄滑动流畅性，大大提高了司机控制器使用寿命。国产化司机控制器经过了上海地铁方厂内试运行性能测试以及国家铁路产品质量监督检验中心的型式试验认证，司机控制器性能符合车辆要求。目前国产化司机控制器已批量用于上海地铁中，使用情况良好。上海地铁5号线司机控制器国产化，为后续同类型司机控制器国产化设计奠定了基础。