低地板車用輪緣潤滑裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

王冬冬

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2. 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；3. 鐵科縱橫（天津）科技發(fā)展有限公司，天津 301700）

0 引言

在我國大城市發(fā)展過程中，要緩解城市交通壓力，同時又要保護(hù)環(huán)境，降低城市大氣及噪聲污染，必然大力發(fā)展城市軌道交通系統(tǒng)[1]。在城市軌道交通系統(tǒng)中，低地板輕軌交通以其快捷、方便、投資少、見效快、環(huán)境污染小等特點成為首選，研制低地板車就成為必然選擇[2-3]。由于低地板車沒有獨立路權(quán)，可在城市道路上與其他形式車輛混跑，線路沒有超高就意味著當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時車輪與鋼軌的磨耗更加嚴(yán)重，尤其是小半徑曲線線路會大大減小車輪與鋼軌的使用壽命，輪緣潤滑技術(shù)的研究和應(yīng)用可有效解決輪軌磨耗問題[4-7]。針對低地板車研制開發(fā)了相適應(yīng)的低地板車輪緣潤滑控制系統(tǒng)（簡稱控制系統(tǒng)）。

1 控制系統(tǒng)概述

對于輪緣潤滑控制系統(tǒng)，低地板車與地鐵車輛相比有2個方面不同：

（1）低地板車不提供噴脂風(fēng)源，為保證輪緣潤滑裝置能夠正常工作，該控制系統(tǒng)需要配置供風(fēng)系統(tǒng)；

（2）低地板車提供電源電壓為24 V直流電和三相380 V交流電，且24 V直流電功率有限，需將系統(tǒng)內(nèi)功率設(shè)備進(jìn)行分配，與地鐵車輛常用的110 V直流電不同，需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

控制系統(tǒng)以“直線+彎道”的定時控制模式進(jìn)行工作，當(dāng)車輛運行在相當(dāng)直線線路上時，系統(tǒng)采用直線間隔時間噴脂動作；當(dāng)車輛運行在相當(dāng)彎道線路上時，系統(tǒng)采用彎道間隔時間噴脂動作。通常情況下，彎道間隔時間比直線間隔時間短；當(dāng)車輛發(fā)出撒沙信號時，輪緣潤滑控制系統(tǒng)停止工作，避免造成車輪空轉(zhuǎn)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)的用電設(shè)備有電控器、驅(qū)動泵、電磁閥和檢測閥，依據(jù)車輛提供的供電電源及功率配置，將用電設(shè)備分為弱電控制部分和強電動力部分。弱電控制部分使用24 V直流電源，其用電設(shè)備包括電控器、電磁閥和檢測閥；強電動力部分使用380 V交流電源，其用電設(shè)備為驅(qū)動泵。這樣區(qū)分的好處還在于避免由于驅(qū)動泵頻繁啟停對控制系統(tǒng)造成的電磁干擾。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。其中電控器為系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)噴脂指令的輸出和供風(fēng)風(fēng)源的控制；驅(qū)動泵M為氣缸打風(fēng)，選用的驅(qū)動泵電機為110 V直流電機，需配置380 V轉(zhuǎn)110 V的轉(zhuǎn)換電源為電機供電；氣缸為儲氣裝置，主要用于儲氣和穩(wěn)定噴脂風(fēng)源氣壓，所選用的氣缸容積為8 L；電磁閥用于驅(qū)動噴頭輸出潤滑脂；壓力閥用于檢測氣缸內(nèi)氣壓的壓力，以高低電平值作為檢測信號輸入到電控器內(nèi)，當(dāng)噴脂過程檢測到風(fēng)缸氣壓低于500 kPa時，此時壓力閥輸出跳變?yōu)榈碗娖?，?dāng)驅(qū)動泵打風(fēng)過程中檢測到風(fēng)缸氣壓高于900 kPa時，壓力閥輸出跳變?yōu)楦唠娖?，電控器需檢測信號跳變過程，用于控制驅(qū)動泵的啟停。

整個控制系統(tǒng)以電控器為核心，主要功能為：

（1）采集車輛提供的3路控制信號（運行信號、方向信號、撒沙信號）及檢測裝置本身的加速度傳感器信號，通過內(nèi)部邏輯判斷輸出控制信號，驅(qū)動電磁閥動作；

（2）電控器通過采集連接在氣缸上的壓力傳感器判斷是否接通供電 電源為氣缸充氣；

（3）彎道信號檢測功能也集中于電控器內(nèi)，用于判斷車輛是否通過彎道線路。

2.1 驅(qū)動泵啟動電路分析

輪緣潤滑裝置需頻繁啟停驅(qū)動泵為氣缸充氣，需考慮驅(qū)動泵電機在啟動過程中啟動電流影響，避免啟動電流過大造成對電機壽命的影響，或引起前端電氣設(shè)備故障。驅(qū)動泵直接啟動時的供電電流波形見圖2，可以看出，沖擊電流為60.0 A，持續(xù)時間為10 ms；啟動電流為21.3 A，持續(xù)時間為150 ms；而額定運行電流為4.7 A，可見啟動沖擊電流是額定運行時的數(shù)倍。綜合考慮各種軟啟動方法，采用降壓啟動方式實現(xiàn)軟啟動。

軟啟動方式的主電路結(jié)構(gòu)為：380 V電源與轉(zhuǎn)換電源之間使用固態(tài)繼電器連接，通過控制固態(tài)繼電器通斷控制驅(qū)動泵運行，而轉(zhuǎn)換電源直接連接驅(qū)動泵電機。轉(zhuǎn)換電源輸出0～110 V為線性增加，時間為2 s，此時驅(qū)動泵電機啟動時的電流波形見圖3，可見該形式的啟動電流很小。此種主電路結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換電源的軟啟動設(shè)置可解決驅(qū)動泵頻繁啟停帶來的沖擊電流影響。

2.2 電控器硬件電路設(shè)計

電控器硬件電路框圖見圖4[8]，主要由加速度傳感器及其信號調(diào)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C8051F020器件，是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU，其內(nèi)部集成數(shù)字I/O引腳、SPI通信、64K字節(jié)FLASH存儲器、12位A/D轉(zhuǎn)換器及25 MPIS（每秒執(zhí)行百萬條指令）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 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 驅(qū)動泵直接啟動時的供電電 流波形

圖3 降壓啟動時的電流波形

圖4 電控器硬件電路框圖

選擇加速度傳感器ADXL203作為彎道檢測元器件，是完整的高精度、低功耗、雙軸加速度計，提供經(jīng)過信號調(diào)理的電壓輸出，所有功能均集成于1個單芯片IC中。器件的量程范圍為±1.7g，精度為0.001g，滿足車體振動范圍。在加速度作用下，傳感器中的多晶體硅結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生偏移，拉動電容運動極板滑動使電容值發(fā)生變化，最終導(dǎo)致輸出電壓變化，利用這個原理，可通過差動電容檢測到加速度變化，加速度值與輸出電壓成正比。

ADXL203既可測量靜態(tài)加速度，也可測量動態(tài)加速度，其最小帶寬為0.5 Hz，最大帶寬可達(dá)到2 500.0 Hz，滿足以下關(guān)系：

式中：Rf為集成在芯片內(nèi)部阻值為32 kΩ的電阻；Cf為濾波器電容。

由于列車橫向振動能量主要集中在低頻段1～10 Hz，最小不失真采樣帶寬為20 Hz，為更精確測量，本控制系統(tǒng)采樣帶寬選擇為50 Hz，由式（1）計算得到濾波電容值Cf=0.1 μF。

2.3 防浪涌電路設(shè)計

車輛供電環(huán)境復(fù)雜，其中雷擊浪涌現(xiàn)象對控制系統(tǒng)具有很強的破壞力，其瞬時尖峰電壓可達(dá)數(shù)千伏，瞬時沖擊電流可對控制系統(tǒng)造成永久性損壞，為了保證控制系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠運行，需在控制系統(tǒng)供電入口端加入浪涌保護(hù)電路（見圖5）。其中，F(xiàn)21為保險絲，F(xiàn)22為自恢復(fù)保險絲，D21為防反接二極管，R21為壓敏電阻，R22為放電管，由R21和R22組成放電回路。工作原理為：當(dāng)雷擊浪涌發(fā)生時，過電壓將開啟壓敏電阻R21與放電管R22組合體，將浪涌能量泄放掉，保護(hù)后續(xù)工作電路和元器件，在壓敏電阻R21與放電管R22組合體開啟瞬間，線路中將產(chǎn)生瞬時脈沖電流，由于自恢復(fù)保險絲F22的作用，使得線路中脈沖電流幅值降低，既保護(hù)熔斷體F21不發(fā)生熔斷，又降低了瞬時脈沖電流對壓敏電阻的沖擊，延長其使用壽命；同時，在控制系統(tǒng)開機通電瞬間，由于內(nèi)部電路中的濾波電容等效電阻為零，線路中也會產(chǎn)生瞬間尖峰電流，此時自恢復(fù)保險絲能有效降低尖峰電流幅值，保護(hù)后續(xù)電路和元器件，同時也避免該尖峰電流燒毀熔斷體。

2.4 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)總體流程見圖6[9]。在主程序中，會實時采集車輛的運行信號、方向信號和撒沙信號，當(dāng)檢測出車輛給定運行信號和方向信號的同時沒有撒沙信號，控制系統(tǒng)執(zhí)行潤滑控制策略。彎道信號由ADC觸發(fā)中斷程序執(zhí)行，每0.5 s判斷1次是否有彎道信號，如果檢測到彎道信號則執(zhí)行1次彎道噴脂，在一定時間間隔后再次判斷車輛行駛線路狀態(tài)。

控制系統(tǒng)同時監(jiān)測氣缸內(nèi)壓力值。當(dāng)壓力值低于500 kPa時，控制系統(tǒng)給出接通380 V電源開關(guān)信號，空壓機正常啟動工作為氣缸充氣；當(dāng)壓力值高于900 kPa時，控制系統(tǒng)切斷380 V電源開關(guān)，停止為氣缸充氣。

3 應(yīng)用情況

圖5 浪涌保護(hù)電路

圖6 控制系統(tǒng)總體流程

控制系統(tǒng)安裝集成度高，將電控器、轉(zhuǎn)換電源、驅(qū)動泵、氣缸、電磁閥、檢測閥、儲脂罐及管路全部集成安裝于統(tǒng)一整體，便于車輛安裝布置。該控制系統(tǒng)已通過國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的型式試驗，試驗項目包括功能試驗、振動試驗、電磁兼容試驗，且全部試驗項點符合要求并取得型式試驗報告。目前，該控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用到廣州低地板車項目中（見圖7），該項目自2016年裝車應(yīng)用至今，裝置能自動識別彎道線路，輪緣減摩效果明顯，證明該控制系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

圖7 控制系統(tǒng)應(yīng)用于廣州低地板車項目