城軌及動車組車輛輪對轉(zhuǎn)向判別方式的改進(jìn)和運(yùn)用

杜守忠 譚元冰

摘? 要：文章在分析原有輪對轉(zhuǎn)向判別方式后，提出一種新的輪對轉(zhuǎn)向判別方式，并對此方式在城軌及動車組車輛上的使用進(jìn)行研究和驗(yàn)證，提出運(yùn)用的方法，解決了輪對轉(zhuǎn)向判別的技術(shù)難點(diǎn)，提升判別效率和可靠性。

關(guān)鍵詞：牽引電機(jī);轉(zhuǎn)向判別;聯(lián)軸節(jié);傾角傳感器

中圖分類號：U266? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0114-03

Abstract： Based on the analysis of the original wheelset steering discrimination mode，this paper proposes a new wheelset steering discrimination mode， studies and verifies the use of this mode on urban rail and EMU vehicles，and puts forward the method of application，which solves the technical difficulties of wheelset steering discrimination and improves the efficiency and reliability of discrimination.

Keywords： traction motor; steering discrimination; coupling; incination sensor

引言

城軌車輛旅行速度高、載客能力大的特點(diǎn)，要求其必須具有大編組、多動力的能力，多編組、動力分散已經(jīng)是軌道車輛發(fā)展的趨勢。為滿足多編組列車動力性能要求，車輛的牽引系統(tǒng)一般于各節(jié)車輛上分散布置，分別給每臺動車的四臺牽引電機(jī)供電，牽引電機(jī)則采用三相供電方式。如果其中一個(gè)或多個(gè)電機(jī)的三相線接線錯誤，在運(yùn)行過程中就會造成電機(jī)燒損。所以，為了確保列車轉(zhuǎn)向符合列車控制系統(tǒng)的要求，在運(yùn)行前需正確判別每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向情況。

1 輪對轉(zhuǎn)向判別方式

目前，國內(nèi)有兩種方式判別列車輪對轉(zhuǎn)向的一致性，具體如下。

1.1 架車轉(zhuǎn)輪判別方式

為判別整列車輪對轉(zhuǎn)向，需要使用架車機(jī)將所有動車架起，之后將車輛分別落在工裝上，再進(jìn)行整列車牽引操作，使列車輪對懸空旋轉(zhuǎn)，以驗(yàn)證所有輪對的轉(zhuǎn)向是否正確。

由于架車機(jī)數(shù)量和同步性限制，只能將架起的節(jié)車落在工裝上，再將架車機(jī)撤去，用于下一節(jié)車架車。城軌及動車組車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)多樣，所以需要不同形式的工裝滿足架車的要求，架車機(jī)及架車工裝的采購及維護(hù)成本高。一列常規(guī)6節(jié)編組4動2拖的列車，需要重復(fù)架落車4次才能完成轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)，并且至少需要6名試驗(yàn)操作人員配合進(jìn)行，試驗(yàn)人員的勞動強(qiáng)度高，耗時(shí)長，效率低。并且，在列車不解編的情況下，分節(jié)架車可能對車鉤和貫通道有損傷。

1.2 人工觸摸聯(lián)軸節(jié)判別方式

由于轉(zhuǎn)向架齒輪箱中的齒輪有間隙，列車在啟動時(shí)，電機(jī)會帶動電機(jī)與齒輪箱之間的聯(lián)軸節(jié)動作，操作人員可以用手觸摸聯(lián)軸節(jié)的方式感受電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向，結(jié)合齒輪箱的傳動方式，可以間接判斷出輪對的轉(zhuǎn)向。

但是，以一列常規(guī)6節(jié)編組4動2拖的列車為例，一般每節(jié)動車有4個(gè)電機(jī)，每次向前或向后試驗(yàn)時(shí)，需人工觸摸16次聯(lián)軸節(jié)才能全部驗(yàn)證完成，操作列車啟停的次數(shù)多，工作效率低。并且，由于聯(lián)軸節(jié)齒輪間隙的不確定性，人工判斷轉(zhuǎn)向易造成誤判的現(xiàn)象。人員在列車底部操作，在列車啟停的過程中，也具有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)上述輪對轉(zhuǎn)向判別的兩種方式，可以看出，目前面臨著試驗(yàn)效率低、設(shè)備成本高、勞動強(qiáng)度大、準(zhǔn)確度低和安全風(fēng)險(xiǎn)高等諸多問題，對現(xiàn)有試驗(yàn)方式的改進(jìn)迫切性較高。

2 新型輪對轉(zhuǎn)向判別方式的提出

由于牽引電機(jī)在組裝完成后，其內(nèi)部電路無法拆開進(jìn)行檢查，為了判別三相線接線是否正確，便要尋找可以直觀觀察其旋轉(zhuǎn)方向的方法。牽引電機(jī)到輪對之間的部件有聯(lián)軸節(jié)和齒輪箱，由于齒輪箱內(nèi)的齒輪有間隙，當(dāng)車輪抱死施加牽引使電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，會使齒輪間隙咬合緊密，從而使聯(lián)軸節(jié)發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生一定的角度，可以通過判別聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)動方向進(jìn)而確認(rèn)輪對的轉(zhuǎn)動方向。

3 轉(zhuǎn)向識別系統(tǒng)的原理和組成

為了判別聯(lián)軸節(jié)微小的轉(zhuǎn)動，需要使用包含高精度傾角傳感器和對應(yīng)判別邏輯在內(nèi)的一套轉(zhuǎn)向識別系統(tǒng)。首先可將傾角傳感器安裝至聯(lián)軸節(jié)上，找起始靜態(tài)平衡位置后，啟動電機(jī)使傳感器轉(zhuǎn)動，傳感器采集到的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)逐漸增大的趨勢，由于聯(lián)軸節(jié)轉(zhuǎn)動和齒輪間隙有關(guān)，電機(jī)啟動和停止過程中，聯(lián)軸節(jié)轉(zhuǎn)動的角度變化也有很多不確定性，需要通過判別轉(zhuǎn)動趨勢的變化規(guī)律，找到確認(rèn)轉(zhuǎn)向的方法。

轉(zhuǎn)向識別系統(tǒng)的基本功能是通過轉(zhuǎn)向采集器采集電機(jī)轉(zhuǎn)向傾角數(shù)據(jù)，通過無線傳輸?shù)姆绞脚c手持機(jī)通信，手持機(jī)上位機(jī)軟件通過數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的判斷。

以4動2拖的列車為例，整列車有16個(gè)牽引電機(jī)，在啟動試驗(yàn)前，需要將16個(gè)轉(zhuǎn)向采集器分別安裝到電機(jī)聯(lián)軸節(jié)處。在啟動試驗(yàn)過程中，聯(lián)軸節(jié)轉(zhuǎn)向的狀態(tài)就會在手持機(jī)上顯示出來，并實(shí)現(xiàn)判斷功能。轉(zhuǎn)向識別系統(tǒng)組成如圖1所示。

系統(tǒng)主要功能如下：

（1）轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)采集：實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)向微小角度的實(shí)時(shí)測量，為便于安裝至聯(lián)軸節(jié)上，設(shè)計(jì)成為磁鐵吸附形式。

（2）無線傳輸通信：主要完成轉(zhuǎn)向采集器與手持機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸通信，系統(tǒng)采用ZigBee無線通信方式。

（3）數(shù)據(jù)處理：對采集器傳輸至上位機(jī)的轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)向判斷。

（4）試驗(yàn)結(jié)果顯示與判斷：手持機(jī)運(yùn)行的軟件實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的顯示，啟動試驗(yàn)結(jié)束后，判斷轉(zhuǎn)向結(jié)果。

4 轉(zhuǎn)向識別系統(tǒng)的運(yùn)用及測試

4.1 手持機(jī)終端主界面介紹

手持機(jī)終端界面即為打開軟件的主界面，詳見圖2所示。

4.2 系統(tǒng)測試步驟

（1）手持機(jī)開機(jī)，打開手持機(jī)上位機(jī)軟件，選擇相應(yīng)編組形式，如“2D1T”，點(diǎn)擊確定按鈕，選擇試驗(yàn)的列車車廂號和轉(zhuǎn)向采集器模塊數(shù)量。

（2）轉(zhuǎn)向采集器開機(jī)，并處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，點(diǎn)擊初始化，進(jìn)行手持機(jī)和采集器間的無線連接，連接完成后顯示每個(gè)采集器的狀態(tài)。

（3）轉(zhuǎn)向采集器通過底部的磁鐵直接吸附到聯(lián)軸節(jié)處，箭頭指向1車位置，采集器安裝時(shí)應(yīng)按照編號順序從1端開始逐個(gè)軸順次安裝，安裝方式如下圖3所示。

（4）將列車停放制動施加，并旁路牽引信號，以便牽引系統(tǒng)可以收到牽引指令來驅(qū)動牽引電機(jī)動作。手持機(jī)上選擇1端主控前向試驗(yàn)，點(diǎn)擊“開始試驗(yàn)”，操作列車1端牽引手柄，施加10%～15%牽引，列車保持靜止，持續(xù)3s，牽引手柄回零，手持機(jī)上點(diǎn)擊“確定”。

（5）手持機(jī)輸出測試結(jié)果，測試結(jié)果顯示正轉(zhuǎn)，測試通過，如圖4所示。

4.3 系統(tǒng)判別邏輯

牽引電機(jī)帶動聯(lián)軸節(jié)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)向工況較為復(fù)雜， 首先需確認(rèn)查找出靜態(tài)點(diǎn)，對干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，再通過合適的閾值進(jìn)行判斷。系統(tǒng)轉(zhuǎn)向曲線圖如圖5所示。

系統(tǒng)判別邏輯如圖6所示。

圖6可以看出，所有采集器的平衡位置確定后，可以根據(jù)尋找轉(zhuǎn)向曲線圖的規(guī)律進(jìn)行向前或向后的判別。

由于聯(lián)軸節(jié)轉(zhuǎn)動和齒輪箱齒輪間隙有關(guān)，正常情況下，聯(lián)軸節(jié)轉(zhuǎn)動時(shí)，曲線會表現(xiàn)出連續(xù)上升或下降的工況。但是，在啟動試驗(yàn)過程中還出現(xiàn)了聯(lián)軸節(jié)不確定性的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，在牽引起始和終止階段，存在聯(lián)軸節(jié)短暫反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，為了過濾這一反轉(zhuǎn)，并且排除自由狀態(tài)下的角度突變偏移，確定了動閾值和動次數(shù)為判別標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過多次采樣測試，最終確定采樣數(shù)據(jù)與平衡位置的數(shù)據(jù)差值大于動閾值（95），且點(diǎn)數(shù)達(dá)到動次數(shù)（20），判斷為正轉(zhuǎn);采樣數(shù)據(jù)與平衡點(diǎn)數(shù)據(jù)差值大于動閾值（-95），且點(diǎn)數(shù)達(dá)到動次數(shù)（20），判斷為反轉(zhuǎn);否則靜止。數(shù)值95為角度轉(zhuǎn)換量，動閾值1個(gè)單位對應(yīng)0.0028度。后經(jīng)多次測試，均可正確判斷出電機(jī)轉(zhuǎn)向。

5 轉(zhuǎn)向識別系統(tǒng)的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)

經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)用及總結(jié)，為了提高轉(zhuǎn)向識別系統(tǒng)判別的準(zhǔn)確性，綜合試驗(yàn)安全因素，做出如下規(guī)范性要求。

（1）試驗(yàn)列車應(yīng)位于平直軌道上，且前后兩個(gè)方向均應(yīng)放置止輪器。

（2）試驗(yàn)列車前后至少應(yīng)有2m軌道距離，且軌道范圍內(nèi)無其他物體存在，便于異常動車后留有安全距離進(jìn)行應(yīng)急停車處理。

（3）試驗(yàn)時(shí)列車底架、車頂和兩旁1m內(nèi)不得有人員進(jìn)入。

（4）完成一次試驗(yàn)后，將所有采集器全部順移一個(gè)位置，重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)一致。此方式可以排除單個(gè)采集器故障導(dǎo)致的誤判情況。

（5）由于系統(tǒng)判別的是聯(lián)軸節(jié)的轉(zhuǎn)向，齒輪箱傳動級性的不同會改變輪對旋轉(zhuǎn)的方向，上位機(jī)軟件設(shè)置了齒輪箱傳動方式的選擇，在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選擇正確的齒輪箱傳動方式。

（6）牽引時(shí)，操作者應(yīng)施加10%～15%牽引，使電機(jī)有持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)聲。列車如開始移動，則應(yīng)立即施加制動停車。

6 結(jié)束語

本文對原有輪對轉(zhuǎn)向判別方式的弊端進(jìn)行了分析說明，提出采用了一種新型判別方式，通過各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證確定其判別參數(shù)，并且完成了89列城軌及動車組車輛的試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果全部通過，現(xiàn)已投入正式使用。轉(zhuǎn)向識別系統(tǒng)的使用，提升了試驗(yàn)效率，降低了勞動強(qiáng)度，節(jié)省了原有設(shè)備的采購和維護(hù)成本，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于城軌及動車組車輛的輪對轉(zhuǎn)向判別試驗(yàn)。

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