地鐵車輛輪緣潤滑裝置控制系統(tǒng)設計

■ 王冬冬??楊興寬

地鐵車輛輪緣潤滑裝置控制系統(tǒng)設計

■ 王冬冬??楊興寬

針對城軌新環(huán)境，開發(fā)新的輪緣潤滑裝置控制系統(tǒng)。通過加速度傳感器檢測車輛振動信號，根據(jù)實時數(shù)據(jù)特征識別車輛進入曲線線路，判斷車輛在曲線段時的輪緣磨耗側并給出單側噴脂指令，避免了非磨耗側油脂積累造成環(huán)境污染。所設計的輪緣潤滑裝置控制系統(tǒng)在某地鐵線路成功運用，試驗數(shù)據(jù)驗證了該控制系統(tǒng)的有效性。

輪緣潤滑；小半徑曲線；加速度傳感器；單側潤滑；輪軌磨耗

0 引言

近年來，城市軌道交通的蓬勃發(fā)展極大地緩解了城市交通壓力，但是軌道線路曲線眾多，尤其是小半徑曲線線路使得輪軌磨耗問題也日益突出，不僅縮短了車輪與鋼軌的使用壽命，也增加了能源的損耗。輪緣潤滑技術的研究和應用不但能夠有效解決輪軌磨耗問題，還可以降低輪軌內部剪切應力，有利于減輕輪軌表面的接觸疲勞損傷及降低車輪脫軌系數(shù)，有利于提高車輛運行安全性[1]。從車輛與線路整體考慮，闡述適用于城市軌道交通的輪緣潤滑控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理

城市軌道交通不同于鐵路交通，運行區(qū)間多位于人口稠密的城市，且大多為地下線路，運行環(huán)境較為封閉，輪緣潤滑裝置噴射的潤滑脂在達到減磨效果的同時不應對環(huán)境造成污染。所噴射的潤滑脂如果沒有被適時消耗掉，多余的潤滑脂會堆積到輪緣邊緣和踏面處，當車輛運行時會形成甩濺而污染車體和環(huán)境，踏面處的潤滑脂又會影響行車安全。單從控制角度考慮，當車輛在直線段行駛時，輪緣與鋼軌的磨耗較小，僅需要較少的潤滑脂來保證輪緣與鋼軌之間的潤滑油膜；當車輛在彎道段行駛且運行速度與線路超高不匹配時，輪緣與鋼軌單側磨耗較大，磨耗較大一側需要較多的潤滑脂來實現(xiàn)減磨效果，另一側不需要潤滑脂?？刂葡到y(tǒng)的要求，關鍵是潤滑裝置能夠自動準確地檢測車輛進入彎道段，并根據(jù)實時運行狀態(tài)給出相應的噴脂指令。地鐵車輛用華寶（HB）輪緣潤滑裝置的控制系統(tǒng)，采用加速度傳感器ADXL203檢測彎道信號，并通過軟件算法給出適宜的噴脂指令。

以下通過軟、硬件設計及在某地鐵線路的實際應用，具體介紹地鐵車輛用華寶（HB）輪緣潤滑裝置的控制系統(tǒng)設計。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件電路

該控制系統(tǒng)的硬件電路功能框圖見圖1[2]，主要由加速度傳感器及其信號調理電路、主控制器、電源EMC濾波電路及電源管理模塊、鍵盤輸入、LCD液晶顯示、強弱電隔離電路與車輛交互的信號接口電路組成。

其中主控制器采用Cyanal公司的C8051F020器件，是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU，內部集成64個數(shù)字I/O引腳、SPI通信、64k字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器、12位A/D轉換器及25 MPIS的最高速度，使電路的組成大為簡化，縮小硬件尺寸的同時提高了系統(tǒng)可靠性。

圖1 硬件電路功能框圖

加速度傳感器ADXL203是完整的高精度、低功耗、雙軸加速度計，提供經過信號調理的電壓輸出，所有功能均集成于一個單芯片IC中。器件的量程范圍為±1．7 g，精度為1 mg，滿足車體振動范圍。在加速度的作用下，傳感器中的多晶體硅結構會產生偏移，于是就會拉動電容的運動極板滑動使電容值發(fā)生變化，最終導致輸出電壓變化。利用這個原理，就可以通過差動電容檢測到加速度的變化，加速度值與輸出電壓成正比。

ADXL203既可以測量靜態(tài)加速度，也可以測量動態(tài)加速度，其最小帶寬為0．5 Hz，最大帶寬可以達到2 500 Hz，滿足下面的關系式:

式中：BW為帶寬，Hz；Rf為集成在芯片內部為32 kΩ的電阻，Ω；Cf為濾波器電容，F(xiàn)。由于列車橫向振動能量主要集中在低頻段1～10 Hz，故本系統(tǒng)的采樣帶寬選擇為50 Hz，由式（1）計算得到濾波電容值Cf=0．1μF。

電源EMC濾波電路用于滿足電磁兼容要求，電源管理模塊用于產生控制系統(tǒng)所需要的3．3 V、5．0 V和9．0 V電源。LCD液晶顯示屏和鍵盤輸入電路用于設定控制系統(tǒng)參數(shù)及顯示故障信息（如噴脂運行時間、噴脂間隔時間、傳感器故障等）。信號接口電路用于本控制系統(tǒng)與車輛進行信息交互。使用光電隔離器件將控制系統(tǒng)的強弱電進行隔離，增強系統(tǒng)的抗干擾性。

2.2 軟件流程

控制系統(tǒng)的主流程見圖2[3]，采用C語言編程，模塊化設計，便于系統(tǒng)維護和升級。系統(tǒng)初始化模塊對系統(tǒng)時鐘、I/O端口及ADC采樣進行設置。ADC采用定時器3中斷的方式進行采樣，每隔1 ms采集一次振動信號，定時器3的特殊功能寄存器設定值如下所示：

TMR3CN=0x06;//允許定時器3，且使用系統(tǒng)時鐘

TMR3RLL=0x9A;//定時器3重載寄存器低字節(jié)

TMR3RLH=0xA9;//定時器3重載寄存器高字節(jié)

處理器晶振頻率為22．118 4 MHz，采樣頻率為1 kHz，即定時器周期為1 ms，重載值由式（2）計算得出：

式中：α=0xA99A，即為所需重載值。

系統(tǒng)設定的運行參數(shù)裝載到CPU的Flash中，程序用到某些參數(shù)時直接從Flash中調用。彎道信號的檢測由ADC中斷程序完成。每采集256個數(shù)據(jù)判斷一次是否為彎道信號，如果判斷是彎道信號，進一步會根據(jù)數(shù)據(jù)特征判斷是執(zhí)行左側噴脂還是右側噴脂，如果判斷不是彎道信號，則執(zhí)行定時噴脂。

圖2 控制系統(tǒng)主流程

3 地鐵線路實際應用

為驗證該控制系統(tǒng)的有效性，做如下試驗：采用自制的數(shù)據(jù)采集裝置采集加速度傳感器振動幅值，該采集裝置可以同時采集兩路模擬量信號，采樣頻率為1 kHz，數(shù)據(jù)以十進制的形式存儲于SD卡中。將該采集裝置固定在華寶輪緣潤滑裝置的位置，實時采樣。為了對比數(shù)據(jù)更加直觀，將實際線路中的兩段數(shù)據(jù)分別進行分析。

3.1 ①號線路段分析

①號線路段數(shù)據(jù)見圖3，R表示線路曲線半徑，Ls表示起緩和線長，L表示曲線全長，H表示現(xiàn)場實際超高。A、B兩點是地鐵線路的兩個站臺，車輛由A點駛向B點，運行的彎道方向先向左進入彎道后向右進入彎道。通過采集裝置采集的原始振動數(shù)據(jù)見圖4。為了能更加明顯地顯示線路特征，對原始數(shù)據(jù)進行10 Hz低通濾波處理后，得到濾波數(shù)據(jù)（見圖5）。通過比較圖3與圖5可以看出，控制系統(tǒng)檢測的振動數(shù)據(jù)能夠表示線路彎道信息，與線路數(shù)據(jù)有良好的對應關系。將輪緣潤滑裝置中的控制程序移植到Matlab中，對采樣數(shù)據(jù)進行模擬運算得到①號線路段彎道信號（見圖6）。彎道信號為正值時，表示前進方向右側噴脂；彎道信號為負值時，表示前進方向左側噴脂。圖6表示當車輛進入R300 m的向右曲線時，控制系統(tǒng)能夠準確識別曲線線路，此時前進端右側給出加量噴脂指令，且可以判斷出此時車輛為過超高運行。

圖3 ①號線路段數(shù)據(jù)

圖4 ①號線路段原始振動數(shù)據(jù)

圖5 ①號線路段濾波振動數(shù)據(jù)

圖6 ①號線路段噴脂指令

3.2 ②號線路段分析

②號線路段數(shù)據(jù)見圖7，A、B兩點對應地鐵線路的2個站臺，車輛運行方向從A點到B點，中間有一個R400 m的向右曲線段。對應于該線路段的原始振動數(shù)據(jù)見圖8，圖9為10 Hz低通濾波振動數(shù)據(jù)。通過對比圖7與圖9可以發(fā)現(xiàn)，所檢測的振動數(shù)據(jù)與線路曲線具有對應關系。圖10為模擬控制系統(tǒng)得到彎道信號，與曲線線路具有對應關系，此時車輛前進端左側給出加量噴脂指令，可以判斷出此時車輛為欠超高運行。

圖7 ②號線路段數(shù)據(jù)

3.3 ①、②號線路對比分析

從曲線方向來看，①、②號線路段都是向右進入曲線段。但①號線路段超高H=120 mm，實時運行速度與超高不匹配，為過超高運行，車輛運行方向內側輪緣與鋼軌磨耗較大，圖6噴脂指令為正，表示前進方向右側噴脂；而②號線路段超高H=70 mm，實時運行速度與超高不匹配，為欠超高運行，車輛運行方向外側輪緣與鋼軌磨耗較大，圖10噴脂指令為負，表示前進方向左側噴脂。對比分析說明：控制系統(tǒng)可以實時判斷車輛的實際運行狀態(tài)并給出適宜噴脂指令。

圖8 ②號線路段原始振動數(shù)據(jù)

圖9 ②號線路段濾波振動數(shù)據(jù)

圖10 ②號線路段噴脂指令

4 結論

地鐵車輛用華寶（HB）輪緣潤滑裝置控制系統(tǒng)，可以通過檢測車輛振動信號來識別曲線線路，并根據(jù)振動信號的數(shù)據(jù)特征，實時判斷出哪一側噴脂，可避免非磨耗側油脂積累造成污染，該系統(tǒng)已在某地鐵線路進行試驗，證明了該系統(tǒng)的有效性。

[1] 俞展猷． 輪軌磨耗機理與輪軌潤滑[J]． 鐵道機車車輛，2000，20(5)：11-14．

[2] 鮑可進． C8051F單片機原理及應用[M]． 北京：中國電力出版社，2006．

[3] 張大波． 嵌入式系統(tǒng)原理設計與應用[M]． 北京：機械工業(yè)出版社，2009．

王冬冬：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，助理研?究員，北京，100081

楊興寬：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，副研?究員，北京，100081

責任編輯李葳

U495；U231+.94

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1672-061X（2016）06-0110-05