城市軌道交通車(chē)輛牽引系統(tǒng)輪徑校準(zhǔn)功能研究

谷 健，任寧寧

（北京城市軌道交通咨詢有限公司，北京 100068）

1 概述

列車(chē)在頻繁的牽引、制動(dòng)過(guò)程中，由于輪軌的相互作用，會(huì)對(duì)列車(chē)輪對(duì)和軌道鋼軌產(chǎn)生不同程度的磨損。隨著磨損的積累，列車(chē)實(shí)際輪徑值與牽引控制單元（Drive Control Unit，DCU）存儲(chǔ)的輪徑值之間的差值會(huì)越來(lái)越大。由于列車(chē)車(chē)速測(cè)量過(guò)程中，輪徑值是關(guān)鍵，當(dāng)輪徑差值超限時(shí)，各車(chē)之間的速度差值較大，列車(chē)會(huì)發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行等故障，引發(fā)牽引封鎖，影響列車(chē)運(yùn)行。輪徑校準(zhǔn)會(huì)根據(jù)實(shí)際的輪徑值對(duì)DCU存儲(chǔ)的輪徑值進(jìn)行更新，保證不會(huì)因輪徑差導(dǎo)致列車(chē)測(cè)到的速度差影響車(chē)輛控制。除此之外，在地鐵車(chē)輛維護(hù)中，當(dāng)車(chē)輛達(dá)到鏇修標(biāo)準(zhǔn)后，鏇修后的車(chē)輛輪徑發(fā)生改變也需要進(jìn)行新的輪徑校準(zhǔn)后車(chē)輛才能穩(wěn)定運(yùn)行。

2 輪徑校準(zhǔn)原理

輪徑校準(zhǔn)功能的實(shí)現(xiàn)主要是對(duì)輪徑校準(zhǔn)前置條件進(jìn)行判斷，條件滿足后根據(jù)設(shè)定的參考軸輪徑值來(lái)對(duì)其他校準(zhǔn)軸的值進(jìn)行積分，積分的時(shí)間參數(shù)由實(shí)際速度與參考速度的速度差來(lái)判斷，同時(shí)通過(guò)對(duì)于測(cè)得速度的差值來(lái)進(jìn)行閉環(huán)的PI控制，最終將校準(zhǔn)成功后的輪徑值作為新的輪徑值存儲(chǔ)在DCU中。

2.1 輪徑校準(zhǔn)觸發(fā)邏輯

輪徑校準(zhǔn)以觸發(fā)方式區(qū)別可分為兩種：手動(dòng)觸發(fā)和自動(dòng)觸發(fā)，手動(dòng)觸發(fā)的形式大多會(huì)在司機(jī)室背屏內(nèi)增加一個(gè)按鈕或斷路器，通過(guò)人為手動(dòng)觸發(fā)來(lái)進(jìn)行輪徑校準(zhǔn)，DCU采用該電平信號(hào)來(lái)進(jìn)行輪徑校準(zhǔn)觸發(fā)，自動(dòng)觸發(fā)的形式會(huì)由DCU進(jìn)行輪徑校準(zhǔn)判斷，當(dāng)條件滿足時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行輪徑校準(zhǔn)，本文主要以自動(dòng)校準(zhǔn)的方式進(jìn)行研究，其校準(zhǔn)指令觸發(fā)邏輯如圖1所示。

圖1 輪徑校準(zhǔn)指令觸發(fā)邏輯Fig.1 Trigger logic of wheel diameter calibration instruction

圖1中，輸出量B_CalWhDm為輪徑校準(zhǔn)指令，若該指令為1，則會(huì)激活DCU輪徑校準(zhǔn)功能模塊。當(dāng)同時(shí)滿足以下條件時(shí)，B_CalWhDm輸出為1。

數(shù)據(jù)有效位需保持有效（速度有效、牽引/制動(dòng)參考值有效）；

牽引/制動(dòng)力數(shù)值不超過(guò)校準(zhǔn)限定最大值（±5 kN）；

校準(zhǔn)速度限值最小值<列車(chē)速度<校準(zhǔn)速度限值最大值（大于30 km/h）；

列車(chē)速度與參考速度差不超過(guò)速度偏差值限制最大值（10 km/h）。

2.1.1 參考軸輪徑值設(shè)定

參考軸的選定為任意某一動(dòng)車(chē)軸，通過(guò)檢修人員測(cè)量參考軸得到的輪徑值即為參考輪徑值。該值通過(guò)列車(chē)HMI人為設(shè)定輸入后，TCMS轉(zhuǎn)發(fā)至牽引系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)采用該值作為校準(zhǔn)的參考值。

參考軸輪徑設(shè)定由DCU內(nèi)部的判斷邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終輸出參考軸使能B_RefAxEn代表參考軸設(shè)定狀態(tài)。B_RefAxEn為1時(shí)，代表參考軸已設(shè)定成功，此時(shí)DCU采用輸入的參考輪徑值。B_RefAxEn為1，需滿足以下條件。

參考軸輪徑有效位為有效；

列車(chē)速度小于1（車(chē)輛靜止）；

參考軸輪徑設(shè)定值在有效范圍內(nèi)（770～840 mm）。

2.1.2 速度監(jiān)控

輪徑校準(zhǔn)過(guò)程中，由DCU速度監(jiān)控邏輯塊對(duì)4個(gè)軸的軸速進(jìn)行監(jiān)控處理，輸出變量為DifAx（4個(gè)軸速與參考速度偏差最大值），該值會(huì)被用于輪徑校準(zhǔn)過(guò)程中允許速度的計(jì)算，其處理過(guò)程簡(jiǎn)化后可簡(jiǎn)化為公式（1）。

公式（1）中，DifAx代表4個(gè)軸速與參考速度偏差比較后的最大值，max()為取最大值操作，abs()為取絕對(duì)值操作，v0代表車(chē)速，vi（i=1,2,3,4）代表4個(gè)軸的軸速。

列車(chē)在輪徑校準(zhǔn)的整個(gè)過(guò)程中，對(duì)于所有軸軸速的監(jiān)控尤為重要，由于輪徑無(wú)法直接測(cè)量得到，但電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)速度傳感器精確得知，輪徑校準(zhǔn)的過(guò)程，其實(shí)就是縮小校準(zhǔn)軸軸速與參考軸軸速（參考速度）的速度差Δv的過(guò)程。除對(duì)輪徑校準(zhǔn)過(guò)程中各軸軸速值進(jìn)行監(jiān)控，DCU對(duì)于速度的監(jiān)控還包括所有軸速度傳感器的狀態(tài)、軸速有效位、空轉(zhuǎn)/滑行監(jiān)控、校準(zhǔn)過(guò)程中速度偏差等級(jí)的監(jiān)控等，可簡(jiǎn)化為公式（2）。

公式（2）中，ω1、ω2為速度傳感器測(cè)量值考慮齒輪傳動(dòng)比后的值；d1為參考軸輪徑值，測(cè)量得到；d2為校準(zhǔn)軸輪徑值，調(diào)用上次校準(zhǔn)成功的存儲(chǔ)值。

綜上所述，可總結(jié)為輪徑校準(zhǔn)的差值Δd可直接表現(xiàn)為軸速之間的差值Δv。

2.1.3 輪徑值監(jiān)控

DCU對(duì)于輪徑值的監(jiān)控原理如圖2所示。

圖2中，輸出量1、2為對(duì)于輪徑值超差的故障報(bào)警，輸入值1～4為4個(gè)軸的輪徑值，DCU對(duì)4個(gè)軸輪徑分別取最大值和最小值，通過(guò)求差，求得4軸中輪徑差值的最大值。當(dāng)差值超過(guò)7 mm時(shí)，DCU對(duì)于輪徑的監(jiān)控下會(huì)觸發(fā)“輪徑差值高1”的故障報(bào)警。當(dāng)超過(guò)11 mm時(shí)，DCU對(duì)于輪徑的監(jiān)控下會(huì)觸發(fā)“輪徑差值高2”的故障報(bào)警并封鎖牽引。

圖2 DCU對(duì)于輪徑監(jiān)控邏輯Fig.2 DCU monitoring logic for wheel diameter

DCU會(huì)對(duì)本節(jié)動(dòng)車(chē)4個(gè)軸的輪徑值進(jìn)行監(jiān)控，城市軌道車(chē)輛的輪徑值大多為770～840 mm，新造車(chē)輪的輪徑值大多為840 mm。除參考軸外，其他校準(zhǔn)軸的輪徑值均由DCU進(jìn)行監(jiān)控及保存，一般設(shè)定，DCU輪徑的初始值為840。當(dāng)DCU進(jìn)行過(guò)一次成功的輪徑校準(zhǔn)后，則會(huì)將校準(zhǔn)成功的值存儲(chǔ)在DCU的寄存器內(nèi)。DCU上電初始化完成后，除參考軸外其余軸輪徑調(diào)用該存儲(chǔ)值。

輪徑監(jiān)控還包括對(duì)于輪徑值有效位的監(jiān)控、4個(gè)軸之間輪徑值超差、輪徑校準(zhǔn)報(bào)警提示的監(jiān)控等。

2.1.4 牽引/制動(dòng)力監(jiān)控

列車(chē)的牽引/制動(dòng)力的施加，會(huì)對(duì)列車(chē)產(chǎn)生加/減速度，造成速度變化，所以在輪徑校準(zhǔn)過(guò)程中，需保持牽引手柄在惰行位（無(wú)牽引/制動(dòng)輸出）。同時(shí)需排除坡道對(duì)于輪徑校準(zhǔn)的影響，應(yīng)選擇平直軌道，可簡(jiǎn)化為公式（3）。

公式（3）中，F(xiàn)為作用在列車(chē)的合力；m為列車(chē)質(zhì)量；為瞬時(shí)加速度a?？煽闯觯饬Φ氖┘訒?huì)對(duì)速度的變化值產(chǎn)生影響，所以在輪徑校準(zhǔn)中，牽引/制動(dòng)力應(yīng)避免施加，DCU設(shè)定輪徑校準(zhǔn)的過(guò)程中，該力變化應(yīng)不超過(guò)5 kN。

2.2 輪徑校準(zhǔn)積分過(guò)程邏輯算法

DCU對(duì)于輪徑值的校準(zhǔn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 DCU輪徑校準(zhǔn)功能邏輯Fig.3 DCU function logic for wheel diameter calibration

圖3中分兩部分，第一部分是對(duì)校準(zhǔn)軸軸速與參考速度進(jìn)行比較，計(jì)算出軸速與參考速度之間的速度差Δv，通過(guò)判斷Δv與設(shè)定參數(shù)1%XV_Tn和2%XV_Tn進(jìn)行比較，來(lái)進(jìn)行積分時(shí)間的選擇。

Δv的產(chǎn)生可簡(jiǎn)化為公式（4）：

公式（4）中，v1表示DCU計(jì)算出的某軸軸速（非參考軸）；v0表示參考速度；f1為該軸電機(jī)速度傳感器所測(cè)頻率；d1為該軸本周期內(nèi)軸輪徑值；i為該齒輪箱的齒輪傳動(dòng)比。

當(dāng)速度偏差較低時(shí)，選擇模塊SEL輸出為0，此時(shí)積分時(shí)間為常用積分時(shí)間參數(shù)（PT_IntWhDm）=3 600 ms，軸輪徑校準(zhǔn)過(guò)程中輪徑變化較慢。

當(dāng)速度偏差過(guò)高時(shí)，選擇模塊SEL輸出為1，此時(shí)積分時(shí)間為快速積分時(shí)間參數(shù)（PT_IntWhDmFs）=11 ms，軸輪徑校準(zhǔn)過(guò)程中輪徑值變化較快。

圖3中第二部分為輪徑校準(zhǔn)過(guò)程中的主要邏輯塊——INTEGR_R積分邏輯塊，即INTEGR_R。

積分邏輯塊基本原理：當(dāng)SET為1時(shí)，輸出值Y會(huì)趨向設(shè)定VALUE的值，具體的變化趨勢(shì)受其他參數(shù)影響。其中X代表校準(zhǔn)軸速與參考速度之間的差值，具體影響到該算法中的增益。

T為積分時(shí)間參數(shù)，由第一部分的選擇模塊來(lái)進(jìn)行選擇調(diào)用（常用積分或快速積分）。

SET為積分觸發(fā)，當(dāng)SET為1時(shí)邏輯塊開(kāi)始進(jìn)行積分，SET為1需滿足“該軸為參考軸被設(shè)定或DCU可調(diào)用該軸存儲(chǔ)輪徑值”。

VALUE為本軸當(dāng)前輪徑值（若為參考軸，則該值為輸入輪徑值）。

Y_MAX、Y_MIN則為輪徑有效值的最大值和最小值，用于判斷輪徑校準(zhǔn)后的值是否有效。

HOLD為輪徑校準(zhǔn)過(guò)程中需保持的值，校準(zhǔn)過(guò)程中需常為0（輪徑校準(zhǔn)指令且速度有效）。

Y為本周期積分輸出的輪徑校準(zhǔn)值，該值會(huì)作為下一周期的輪徑值輸入?yún)⑴c校準(zhǔn)值速度計(jì)算。

3 工程應(yīng)用及分析

輪徑校準(zhǔn)過(guò)程數(shù)據(jù)選自北京地鐵16號(hào)線，輪徑采用自動(dòng)校準(zhǔn)功能，當(dāng)條件滿足時(shí)自動(dòng)觸發(fā)輪徑校準(zhǔn)功能。MP2車(chē)其中一個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程中1軸數(shù)據(jù)如圖4所示。

數(shù)據(jù)中紅色邊框指令為輪徑校準(zhǔn)指令B_CalWhDm，紅色框中XS_WhDM1為1軸輪徑校準(zhǔn)過(guò)程中輪徑值的變化。當(dāng)輪徑校準(zhǔn)前，輪徑值為830.612 5 mm（上次輪徑校準(zhǔn)成功時(shí)的輪徑值存儲(chǔ)在DCU），輪徑值停止積分，此時(shí)校準(zhǔn)后的輪徑值為830.136 mm，速度偏差為0.000 688 362 5。從圖4中藍(lán)色邊框標(biāo)記處可看到，由于此時(shí)牽引級(jí)位WX_TrBr上升（司控器手柄未在零位）導(dǎo)致輪徑校準(zhǔn)指令為0，輪徑校準(zhǔn)退出。

圖4 輪徑校準(zhǔn)過(guò)程Fig.4 Wheel diameter calibration process

通過(guò)分析輪徑校準(zhǔn)的原理邏輯，采用自動(dòng)校準(zhǔn)模式的列車(chē)進(jìn)行輪徑校準(zhǔn)時(shí)，列車(chē)必須滿足以下條件：校準(zhǔn)過(guò)程中列車(chē)需運(yùn)行在平直軌道，保證列車(chē)速度不會(huì)發(fā)生突變；校準(zhǔn)過(guò)程中車(chē)速需保證速度大于30 km/h；牽引手柄保持在惰行位（牽引/制動(dòng)力變化小于±5 kN）；設(shè)定的參考輪徑值為正確有效值；速度傳感器無(wú)故障。

通過(guò)對(duì)輪徑校準(zhǔn)條件的研究，可對(duì)地鐵車(chē)輛運(yùn)營(yíng)和維護(hù)起到一定幫助。參考軸輪徑的輸入值對(duì)于輪徑校準(zhǔn)過(guò)程至關(guān)重要，因此對(duì)于列車(chē)車(chē)輪的輪徑值觀測(cè)應(yīng)保證合理的檢修周期；DCU對(duì)于輪徑值的監(jiān)控會(huì)調(diào)用至系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，當(dāng)列車(chē)輪徑超差過(guò)限時(shí)會(huì)引發(fā)故障報(bào)警，嚴(yán)重會(huì)引發(fā)牽引封鎖，運(yùn)維人員應(yīng)時(shí)刻關(guān)注牽引系統(tǒng)故障日志；輪徑校準(zhǔn)過(guò)程中，速度傳感器對(duì)于速度的比較采集至關(guān)重要，應(yīng)關(guān)注該部件的連接牢固性，定期維護(hù)；校準(zhǔn)后的輪徑值被存儲(chǔ)在DCU中，當(dāng)更新DCU軟件程序時(shí)若涉及到底層更改，可能會(huì)將存儲(chǔ)輪徑值初始化，對(duì)于升級(jí)改造牽引系統(tǒng)程序的列車(chē)，上線運(yùn)營(yíng)前應(yīng)進(jìn)行一次成功的輪徑校準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)于輪徑校準(zhǔn)的相關(guān)研究可有力支撐地鐵車(chē)輛維護(hù)和線路輪軌關(guān)系的研究。通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)自動(dòng)輪徑校準(zhǔn)觸發(fā)的地點(diǎn)，可對(duì)線路實(shí)際運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)線路維護(hù)保養(yǎng)有一定的指導(dǎo)作用；通過(guò)對(duì)輪徑校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析可對(duì)地鐵車(chē)輛日常檢修周期和車(chē)輛鏇修周期進(jìn)行優(yōu)化；通過(guò)對(duì)周期內(nèi)輪徑值數(shù)據(jù)分析可有力地推動(dòng)列車(chē)輪軌關(guān)系和車(chē)輛震動(dòng)沖擊關(guān)系的研究。