基于列車控制與管理系統(tǒng)的雙受電弓主動(dòng)選擇控制方案

于亞新 于曉杰 崔文成

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,266111,青島)

隨著軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展,動(dòng)車和地鐵已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械闹饕煌üぞ摺Ｊ茈姽鳛榱熊嚨膭?dòng)力受流裝置,長(zhǎng)期處于高速摩擦的受流工作之中,其發(fā)生故障的概率和頻次較高[1-3]。受電弓故障將造成列車牽引能力的丟失,嚴(yán)重影響列車正常運(yùn)行。因此,部分列車項(xiàng)目選擇在同一輛車上安裝兩架受電弓,兩架受電弓互為主備冗余。在列車正常運(yùn)行時(shí),僅一架受電弓工作;當(dāng)一架受電弓故障時(shí),可及時(shí)升起同一輛車上的另一架受電弓,保證列車能夠運(yùn)行至服務(wù)站后再進(jìn)行受電弓檢修和更換,不影響列車的正常運(yùn)營(yíng)。本文根據(jù)碳滑板磨耗算法,基于TCMS(列車控制與管理系統(tǒng)),提出一種雙受電弓主動(dòng)選擇控制方案,提高受電弓控制的智能化程度,降低受電弓維護(hù)成本。本文研究可為列車的升弓選擇提供借鑒與判斷依據(jù)。

1 研究背景

單輛車安裝雙受電弓的4節(jié)編組列車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。目前,常用的同一輛車上兩架受電弓的選擇方法為:通過司機(jī)室配備的受電弓選擇開關(guān)進(jìn)行控制,受電弓選擇開關(guān)有受電弓1和受電弓2兩個(gè)檔位,在列車運(yùn)行的任意時(shí)刻,完全由司機(jī)主觀判斷升起受電弓1或升起受電弓2。

圖1 單輛車安裝雙受電弓的4節(jié)編組列車結(jié)構(gòu)示意圖

這種控制方法的弊端是可能造成某一受電弓碳滑板磨耗嚴(yán)重,而另一受電弓碳滑板磨耗輕微,兩架受電弓碳滑板的磨耗程度相差較大,因此兩架受電弓碳滑板的更換周期有所不同。受電弓碳滑板的維護(hù)需要工人進(jìn)行登頂操作,若兩架受電弓碳滑板磨耗程度相差較大,工人需要分兩次登頂才能完成兩架受電弓碳滑板的更換工作,為受電弓的維護(hù)造成困難,也提高了碳滑板的更換成本。

2 碳滑板磨耗原因

受電弓碳滑板的磨耗分為機(jī)械磨耗和電磨耗。機(jī)械磨耗主要與碳滑板接觸高壓電網(wǎng)時(shí)的運(yùn)行距離相關(guān)。電磨耗主要指碳滑板的熱損耗,而熱損耗與碳滑板的導(dǎo)通電流有關(guān)。

若僅考慮碳滑板的機(jī)械損耗,而不將碳滑板在不同運(yùn)行工況中的熱損耗程度納入考慮,可能存在雖然列車運(yùn)行距離較短,但由于列車處于頻繁牽引制動(dòng)工況,使得碳滑板上的電流較大、發(fā)熱嚴(yán)重導(dǎo)致熱損耗較大,致使所估算出的碳滑板整體磨損輕微的情況;若僅考慮受電弓碳滑板的熱損耗,而不將受電弓在不同運(yùn)行線路中的機(jī)械磨損程度納入考慮,可能存在運(yùn)行距離較長(zhǎng)但由于車輛處于惰行工況的時(shí)間較長(zhǎng),使得碳滑板上的電流較小,由于發(fā)熱不嚴(yán)重導(dǎo)致熱損耗較小,致使估算出的碳滑板整體磨損輕微的情況。上述兩種情況均屬于片面地考慮了影響磨損程度的參數(shù),導(dǎo)致所估算出的碳滑板整體磨損程度不準(zhǔn)確,造成受電弓主控選擇邏輯的不完善,最終導(dǎo)致受電弓主動(dòng)選擇控制方案中控制與管理系統(tǒng)輸出的結(jié)果與工程實(shí)際不一致。

3 雙受弓主動(dòng)選擇控制方案設(shè)計(jì)

3.1 兩架受電弓碳滑板磨耗計(jì)算

根據(jù)受電弓升降狀態(tài)數(shù)據(jù)(統(tǒng)計(jì)每架受電弓碳滑板接觸高壓電網(wǎng)的時(shí)間)和列車速度,計(jì)算受電弓碳滑板的機(jī)械磨耗。根據(jù)列車牽引輔助供電系統(tǒng)采集到的輸入端電流、受電弓碳滑板電阻和受電弓升降狀態(tài)數(shù)據(jù),計(jì)算受電弓碳滑板的熱損耗。

某受電弓碳滑板接觸高壓電網(wǎng)t1時(shí)刻的運(yùn)行距離S可以表示為:

(1)

式中:

vt——列車瞬時(shí)速度,由牽引電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、齒輪箱的齒輪傳動(dòng)比和車輪直徑計(jì)算得到;

t——某受電弓碳滑板接觸高壓電網(wǎng)時(shí)間,由控制與管理系統(tǒng)通過對(duì)受電弓碳滑板接觸高壓電網(wǎng)的時(shí)間進(jìn)行記錄和累加獲得。

某受電弓碳滑板t1時(shí)刻的累計(jì)熱損耗Q可以表示為:

(2)

式中:

It——某受電弓碳滑板的瞬時(shí)電流;

R——受電弓碳滑板的電阻。

通過式(1)和式(2)可以獲得t1時(shí)刻,兩架受電弓A、B的碳滑板累計(jì)接觸高壓電網(wǎng)的運(yùn)行距離SA、SB,以及兩架受電弓A、B的碳滑板累計(jì)熱損耗QA、QB,考慮機(jī)械磨耗權(quán)重m和電磨耗權(quán)重n后的受電弓A、B的磨耗占比(表征受電弓的磨損程度)γA和γB可以表示為:

(3)

(4)

m和n是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的數(shù)值,當(dāng)應(yīng)用于不同項(xiàng)目時(shí),可能由于受電弓碳滑板廠家的不同、高壓接觸網(wǎng)情況的不同等因素進(jìn)行權(quán)重調(diào)整,最終根據(jù)實(shí)際情況確定m和n的值。

3.2 受電弓控制流程

通過上述綜合分析確定了兩架受電弓的磨損程度后,通過以下步驟完成同一輛車上兩架受電弓的主動(dòng)選擇流程:

步驟1 當(dāng)受電弓選擇開關(guān)處于AUTO(自動(dòng)選擇)位時(shí),若TCMS無故障,則進(jìn)入步驟2;若TCMS故障,則進(jìn)入步驟4。

步驟2 若同一輛車內(nèi)的兩架受電弓其中一架故障,則TCMS選擇升起狀態(tài)正常的受電弓。若同一輛車車內(nèi)無受電弓故障,則進(jìn)入步驟3。

步驟3 TCMS根據(jù)所提受電弓碳滑板磨耗計(jì)算方法,綜合評(píng)估兩架受電弓碳滑板的磨耗程度。若受電弓A碳滑板的磨耗程度小于受電弓B,則TCMS的受電弓選擇輸出信號(hào)為高電平,控制受電弓A升起;若受電弓A碳滑板的磨耗程度大于受電弓B,則TCMS的受電弓選擇輸出信號(hào)為低電平,控制受電弓B升起;若受電弓A碳滑板的磨耗程度等于受電弓B,則TCMS的受電弓選擇輸出信號(hào)為低電平,此時(shí)默認(rèn)受電弓B升起。

步驟4 列車默認(rèn)受電弓B升起。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種同一輛車上兩架受電弓的主動(dòng)選擇方案。在列車運(yùn)行的任意時(shí)刻,只允許一架受電弓升起。根據(jù)碳滑板磨耗算法,列車實(shí)時(shí)自動(dòng)評(píng)估同一輛車上兩架受電弓碳滑板的磨耗程度。利用TCMS的參與完成兩架受電弓的選擇控制,可以有效避免某一受電弓由于工作時(shí)間過長(zhǎng)引起的碳滑板過渡磨損,保證了兩架受電弓的碳滑板磨損程度相當(dāng)。本文所提雙受電弓主動(dòng)選擇控制技術(shù)具有可靠性高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、能夠節(jié)省碳滑板頻繁更換人力物力成本等優(yōu)點(diǎn),可在配置雙受電弓的列車上廣泛推廣應(yīng)用。