胡 波 馬 飛 高常君 周宇航 王中祥
(中車青島四方車輛研究所有限公司技術(shù)中心,266031,青島)
軌道交通車輛傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的定位剛度較大,在通過(guò)中小半徑曲線時(shí),輪軌間存在明顯的橫向力,尤其是導(dǎo)向輪對(duì),其輪軌磨耗較大,運(yùn)營(yíng)效率不高。
在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架在構(gòu)架和輪對(duì)軸箱之間設(shè)置了徑向驅(qū)動(dòng)裝置[1]。當(dāng)車輛沿直線軌道運(yùn)行時(shí),徑向驅(qū)動(dòng)裝置鎖定在固定位置上,以保證輪對(duì)軸線平行且具備足夠的定位剛度;當(dāng)車輛通過(guò)曲線軌道時(shí),徑向驅(qū)動(dòng)裝置使輪對(duì)軸線趨于軌道曲線的徑向位置,使輪對(duì)沖角趨近于0,從而減小輪軌間的橫向力,降低輪軌磨耗。為了提高車輛在既有線路和高速線路的跨線運(yùn)營(yíng)能力[2-3],從工程化應(yīng)用的角度出發(fā),本文參照需求和標(biāo)準(zhǔn)研制了一種徑向控制器,在其探測(cè)到曲線的同時(shí)能夠驅(qū)動(dòng)徑向作動(dòng)器,使轉(zhuǎn)向架輪對(duì)趨于徑向位置,并在半實(shí)物仿真平臺(tái)和環(huán)形線路上進(jìn)行了主動(dòng)徑向系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。本文研究可為主動(dòng)徑向系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供工程經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)指導(dǎo)。
主動(dòng)徑向系統(tǒng)由線路狀態(tài)探測(cè)單元、徑向控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,如圖1所示。線路狀態(tài)探測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛的運(yùn)行參數(shù)信息,徑向控制器通過(guò)這些信息判斷當(dāng)前車輛是否進(jìn)入曲線,并計(jì)算所進(jìn)入曲線的半徑。徑向控制器根據(jù)車輛所處的曲線條件計(jì)算各徑向作動(dòng)器的目標(biāo)位移,并發(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu),執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)徑向作動(dòng)器動(dòng)作,使輪對(duì)達(dá)到徑向位置。
圖1 主動(dòng)徑向系統(tǒng)組成示意圖
主動(dòng)徑向系統(tǒng)工作原理示意圖如圖2所示,轉(zhuǎn)向架類型為軸箱內(nèi)置式。其中:θ為轉(zhuǎn)向架兩條輪對(duì)軸線夾角的一半;a為徑向作動(dòng)器橫向安裝跨距;b為轉(zhuǎn)向架軸距;R為軌道曲線半徑。
圖2 主動(dòng)徑向系統(tǒng)工作原理示意圖
每條輪對(duì)兩側(cè)軸箱分別安裝徑向作動(dòng)器并獨(dú)立控制,當(dāng)轉(zhuǎn)向架輪對(duì)處于完全徑向位置時(shí),同一轉(zhuǎn)向架4個(gè)徑向作動(dòng)器的位移可由式(1)近似計(jì)算獲得:
(1)
式中:
x——徑向作動(dòng)器位移;
m——徑向倍率,默認(rèn)為1.0;
P——徑向作動(dòng)器位移與軸箱繞上端定位彈簧偏擺形成的輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架間的縱向位移比例系數(shù),由轉(zhuǎn)向架及徑向作動(dòng)器安裝結(jié)構(gòu)所決定,取為1.3。
線路曲率可以表示為:
(2)
式中:
k——線路曲率;
ω——車體搖頭角速度;
ω′——車體搖頭角加速度;
d——車輛定距;
v——車速。
式(2)能夠補(bǔ)償由車體幾何尺寸引起的慣性滯后,使計(jì)算獲得的曲率測(cè)量值與線路曲率實(shí)際值的同步性較高。
徑向控制器的功能主要包括:①接收傳感器提供的車速、車體搖頭角速度及信標(biāo)信息;②計(jì)算線路曲率,判斷車輛是否進(jìn)入曲線,再計(jì)算曲率的倒數(shù)并取整,獲取當(dāng)前曲線半徑;③根據(jù)當(dāng)前曲線半徑,計(jì)算各轉(zhuǎn)向架徑向作動(dòng)器的目標(biāo)參數(shù);④根據(jù)主動(dòng)徑向控制策略,將控制指令發(fā)送給各轉(zhuǎn)向架上的徑向作動(dòng)器;⑤具備網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和故障記錄功能。
根據(jù)設(shè)計(jì)需求,徑向控制器采用標(biāo)準(zhǔn)3U機(jī)箱,電路板為插板形式,主要包括電源模塊、徑向控制模塊、接口模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊等,其徑向控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
注:CAN為控制器局域網(wǎng)絡(luò);MVB為多功能車輛總線。
1) 電源模塊。電源模塊包括電磁兼容和過(guò)欠壓保護(hù)電路,能夠提供穩(wěn)定的工作電源。
2) 徑向控制模塊。徑向控制模塊主要包括模擬量輸入及RS485通信電路,主芯片采用dsPIC30F系列。模擬量輸入是通過(guò)傳感器將角速度、加速度等信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),再經(jīng)過(guò)濾波、信號(hào)放大和運(yùn)放跟隨后傳至主芯片,角速度測(cè)量范圍為±12(°)/s,加速度測(cè)量范圍為±2g(g為重力加速度)。RS485通信電路與雷達(dá)進(jìn)行通信,獲取列車速度、運(yùn)行距離等信息。
3) 接口模塊。接口模塊包括開(kāi)關(guān)量模塊、信標(biāo)模塊和存儲(chǔ)模塊。開(kāi)關(guān)量模塊包括帶光電隔離的輸入通道和繼電器輸出通道,負(fù)責(zé)采集光電開(kāi)關(guān)的狀態(tài)及輸出系統(tǒng)故障信號(hào)。輸入通道具有防反保護(hù)和邏輯自檢電路,繼電器輸出通道具有短路保護(hù)和狀態(tài)反饋?zhàn)詸z電路。信標(biāo)模塊采用RS485通信電路與信標(biāo)閱讀器進(jìn)行通信,獲取信標(biāo)信息。存儲(chǔ)模塊采用非易失性存儲(chǔ),可以存儲(chǔ)3個(gè)月以上的數(shù)據(jù)。
4) 網(wǎng)絡(luò)通信模塊。網(wǎng)絡(luò)通信模塊包括CAN模塊和MVB模塊。CAN模塊采用CAN網(wǎng)絡(luò)與徑向作動(dòng)器進(jìn)行通信,下發(fā)控制指令,同時(shí)收集徑向作動(dòng)器的狀態(tài)。MVB模塊負(fù)責(zé)與TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))進(jìn)行通信,上傳主動(dòng)徑向系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。該模塊還設(shè)置有數(shù)碼管和按鍵,可以通過(guò)按鍵選擇信標(biāo)模式或主動(dòng)檢測(cè)模式,數(shù)碼管顯示當(dāng)前工作模式。
本節(jié)重點(diǎn)介紹主動(dòng)徑向控制策略及軟件實(shí)現(xiàn)方法,參照EN 50128:2011《鐵路應(yīng)用—通信、信號(hào)和處理系統(tǒng)—鐵路控制和監(jiān)控系統(tǒng)的軟件》定義的軟件開(kāi)發(fā)生命周期模型,將軟件劃分為A(模擬)/D(數(shù)字)采集、徑向控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信等多個(gè)組件。
2.3.1 A/D采集
A/D采集角速度傳感器的模擬量值,軟件循環(huán)讀取模擬量采樣端口的角速度信息,當(dāng)采樣次數(shù)達(dá)到設(shè)定閾值后,對(duì)采樣值進(jìn)行中值濾波,再對(duì)濾波結(jié)果進(jìn)行邊界判斷,對(duì)在邊界值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波,對(duì)在邊界范圍外的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷,最終返回角速度值。由于采用了低通濾波處理,角速度值的計(jì)算會(huì)引入延時(shí),該延時(shí)時(shí)長(zhǎng)為50 ms。
2.3.2 徑向控制
徑向控制分為精確型的信標(biāo)模式和引導(dǎo)型的主動(dòng)檢測(cè)模式。信標(biāo)模式根據(jù)所讀取到的信標(biāo)、行走的距離和存儲(chǔ)的線路獲取線路曲率;主動(dòng)檢測(cè)模式根據(jù)式(2)的曲率公式計(jì)算線路曲率,參照基于軌道交通車輛二系回轉(zhuǎn)角的線路曲率測(cè)量方法[4],軟件通過(guò)PID(比例積分微分)控制[5]調(diào)節(jié)車體搖頭角的動(dòng)態(tài)修正項(xiàng)。
徑向控制器首先判斷是否為信標(biāo)模式,再根據(jù)精確型或引導(dǎo)型的不同模式獲取線路曲率,檢測(cè)列車運(yùn)行方向的第一轉(zhuǎn)向架是否進(jìn)入曲線,在進(jìn)入曲線開(kāi)始徑向動(dòng)作的同時(shí)記錄線路信息和位移數(shù)據(jù),出曲線后記錄曲線終點(diǎn)并終止數(shù)據(jù)記錄,同時(shí)將徑向作動(dòng)器的位移清零。第一轉(zhuǎn)向架徑向控制程序流程圖如圖4所示,循環(huán)周期不超過(guò)10 ms。
圖4 第一轉(zhuǎn)向架徑向控制程序流程圖
其余轉(zhuǎn)向架先根據(jù)車輛定距和鄰車相鄰轉(zhuǎn)向架中心距計(jì)算其與第一轉(zhuǎn)向架的間距,再根據(jù)列車行進(jìn)的距離判斷是否進(jìn)入曲線,在曲線內(nèi)與第一轉(zhuǎn)向架保持相同的徑向位移動(dòng)作,出曲線亦然。其余轉(zhuǎn)向架徑向控制程序流程圖如圖5所示,循環(huán)周期不超過(guò)10 ms。
注:一架指列車運(yùn)行方向的第一個(gè)轉(zhuǎn)向架;本架指下一個(gè)即將進(jìn)入或出曲線的轉(zhuǎn)向架;各架指列車的各個(gè)轉(zhuǎn)向架。
2.3.3 數(shù)據(jù)處理
將徑向作動(dòng)器位移指令、角速度、半徑等發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包,將徑向作動(dòng)器狀態(tài)、工作模式等接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,同時(shí)進(jìn)行超時(shí)判斷,當(dāng)通信中斷時(shí)采用默認(rèn)的安全側(cè)數(shù)據(jù)。
2.3.4 網(wǎng)絡(luò)通信
網(wǎng)絡(luò)通信包括CAN通信和RS485通信。通信組件包括初始化、錯(cuò)誤處理及接收中斷模塊,以及對(duì)幀序號(hào)及數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。
為確保系統(tǒng)裝車后的運(yùn)行安全,在地面搭建了半實(shí)物仿真平臺(tái),采用車輛實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真模型與主動(dòng)徑向系統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)物相結(jié)合的方式[6]進(jìn)行邏輯驗(yàn)證和性能測(cè)試。
半實(shí)物仿真平臺(tái)主要包括車輛動(dòng)力學(xué)仿真、測(cè)控系統(tǒng)和機(jī)械臺(tái)架三部分。車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型使用Simpack軟件搭建,線路模型可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置,一般為包含直線、緩和曲線、圓曲線、緩和曲線、直線的完整曲線。測(cè)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)各模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和模式轉(zhuǎn)換,機(jī)械臺(tái)架模擬主動(dòng)徑向系統(tǒng)在車輛上的功能和布局。
試驗(yàn)運(yùn)行時(shí),仿真器進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)模型仿真運(yùn)算,獲得車輛速度、車體搖頭角速度等參數(shù)。測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)接收這些參數(shù),并將其轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)發(fā)送給徑向控制器。徑向控制器接收到這些信號(hào)后進(jìn)行判斷和運(yùn)算,計(jì)算各徑向作動(dòng)器的位移數(shù)據(jù),并通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)徑向作動(dòng)器動(dòng)作。徑向作動(dòng)器的實(shí)際位移由位移傳感器測(cè)量獲得,仿真器中的車輛動(dòng)力學(xué)模型接收到各徑向作動(dòng)器的位移數(shù)據(jù)后,驅(qū)動(dòng)模型中的徑向作動(dòng)器動(dòng)作,帶動(dòng)輪對(duì)趨于線路曲線的徑向位置,從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)徑向系統(tǒng)的硬件在環(huán)測(cè)試。
車輛仿真模型以70 km/h的速度通過(guò)帶有緩和曲線的右向曲線,曲線半徑為300 m,對(duì)系統(tǒng)的工作過(guò)程、響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行測(cè)試,并將徑向作動(dòng)器實(shí)際位移輸入車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行輪軌橫向力等參數(shù)的仿真。兩個(gè)轉(zhuǎn)向架徑向作動(dòng)器位移曲線如圖6所示。徑向作動(dòng)器的實(shí)際位移為2.7 mm,與理論計(jì)算值一致。相較于前轉(zhuǎn)向架,后轉(zhuǎn)向架徑向作動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間理論值(車輛定距除以車速)為915 ms,后轉(zhuǎn)向架徑向作動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間實(shí)際值為894 ms,與理論值基本一致,符合徑向控制策略。轉(zhuǎn)向架各輪對(duì)的輪軌橫向力仿真曲線如圖7所示。轉(zhuǎn)向架主動(dòng)徑向通過(guò)曲線時(shí)的輪軌橫向力明顯小于被動(dòng)式通過(guò)曲線時(shí)的輪軌橫向力,其中導(dǎo)向輪對(duì)的表現(xiàn)尤為突出。
注:wheelset_1表示轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向輪對(duì);wheelset_2表示轉(zhuǎn)向架的非導(dǎo)向輪對(duì);l表示曲線外側(cè)車輪;r表示曲線內(nèi)側(cè)車輪;b1表示前轉(zhuǎn)向架;b2表示后轉(zhuǎn)向架;徑向作動(dòng)器位移以徑向作動(dòng)器向外伸出為正,以徑向作動(dòng)器向內(nèi)縮回為負(fù),轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)軸線呈外八字,趨于徑向位置通過(guò)曲線;余類同。
注:n表示轉(zhuǎn)向架主動(dòng)徑向通過(guò)曲線;p表示轉(zhuǎn)向架被動(dòng)式通過(guò)曲線;輪軌橫向力以行車方向左向?yàn)檎?以行車方向右向?yàn)樨?fù)。
主動(dòng)徑向系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間總計(jì)為150 ms,包括車體角速度計(jì)算時(shí)低通濾波引入的50 ms延時(shí),以及徑向作動(dòng)器從接收到指令至開(kāi)始動(dòng)作的100 ms延時(shí),該響應(yīng)時(shí)間是影響系統(tǒng)運(yùn)行效率的關(guān)鍵因素之一。但由于連續(xù)緩和曲線的存在,結(jié)合徑向控制器的曲線半徑算法,響應(yīng)時(shí)間的影響可以忽略不計(jì)。試驗(yàn)臺(tái)接收到的線路曲率及徑向作動(dòng)器位移曲線如圖8所示。其中,線路曲率是通過(guò)仿真器發(fā)送的車體搖頭角速度和車輛速度等參數(shù)計(jì)算得到的??紤]到實(shí)際線路存在緩和曲線,在試驗(yàn)中設(shè)定將曲線半徑為800 m作為主動(dòng)徑向系統(tǒng)工作的起始點(diǎn)來(lái)考核系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。由圖8可知:車輛進(jìn)入曲線至曲線半徑為800 m的位置時(shí),相較于理想狀態(tài),即曲線半徑為800 m處的理論位移,徑向作動(dòng)器已提前約40 ms達(dá)到指定位移;當(dāng)車輛駛出曲線至曲線半徑為800 m的位置時(shí),徑向作動(dòng)器已開(kāi)始動(dòng)作,達(dá)到指定位移的延時(shí)約為260 ms。
圖8 試驗(yàn)臺(tái)接收到的線路曲率及徑向作動(dòng)器位移曲線
2021年4月,主動(dòng)徑向系統(tǒng)在CR400AF-S雙層動(dòng)車組試驗(yàn)車上進(jìn)行裝車,并在環(huán)行線上進(jìn)行了試驗(yàn)。環(huán)形試驗(yàn)線路從起點(diǎn)開(kāi)始包含了長(zhǎng)約730 m、半徑為250 m的右向曲線段,多個(gè)小半徑曲線及直線段的組合,長(zhǎng)約770 m、半徑為280 m的右向曲線段,以及長(zhǎng)約760 m的直線段。試驗(yàn)按照列車直線段的運(yùn)行速度15~60 km/h、曲線段的運(yùn)行速度15~30 km/h、主動(dòng)檢測(cè)模式和信標(biāo)模式等多種工況組合進(jìn)行。為進(jìn)一步研究徑向位移對(duì)輪軌橫向力的影響,設(shè)定式(1)中徑向倍率m為0.8~1.6,結(jié)合線路實(shí)際運(yùn)行工況,對(duì)比驗(yàn)證各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。
試驗(yàn)過(guò)程中,先設(shè)定主動(dòng)徑向系統(tǒng)的工作模式為引導(dǎo)型主動(dòng)檢測(cè)模式或精確型信標(biāo)模式,再設(shè)定徑向倍率,然后以不同的列車運(yùn)行速度圍繞環(huán)形試驗(yàn)線運(yùn)行,如此反復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)。引導(dǎo)型主動(dòng)檢測(cè)模式實(shí)測(cè)徑向作動(dòng)器位移如圖9 a)所示,其與環(huán)形試驗(yàn)線的線路信息吻合。采用精確型信標(biāo)模式時(shí),信標(biāo)設(shè)置在半徑為250 m的右向緩和曲線前20 m處,精確型信標(biāo)模式實(shí)測(cè)徑向作動(dòng)器位移曲線如圖9 b)所示,該圖驗(yàn)證了主動(dòng)徑向系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確響應(yīng)信標(biāo)模式。
a) 引導(dǎo)型主動(dòng)檢測(cè)模式
對(duì)環(huán)線試驗(yàn)中主動(dòng)徑向系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,取列車在直線段的運(yùn)行速度60 km/h、曲線段的運(yùn)行速度30 km/h的相關(guān)數(shù)據(jù),以半徑為250 m的右向曲線段為例,分析主動(dòng)徑向系統(tǒng)對(duì)列車通過(guò)曲線時(shí)的輪軌橫向力的影響。
當(dāng)主動(dòng)徑向系統(tǒng)采用引導(dǎo)型主動(dòng)檢測(cè)模式通過(guò)曲線段時(shí),導(dǎo)向輪對(duì)內(nèi)外側(cè)車輪的輪軌橫向力曲線如圖10所示。主動(dòng)徑向作動(dòng)器通過(guò)曲線時(shí)的輪軌橫向力明顯小于被動(dòng)式通過(guò)曲線時(shí)的輪軌橫向力,且隨著徑向作動(dòng)器位移量的增加,輪軌橫向力的降低更明顯,在1.2倍徑向作動(dòng)器位移時(shí),輪軌橫向力達(dá)到最小值。
a) 內(nèi)側(cè)
當(dāng)主動(dòng)徑向系統(tǒng)采用精確型信標(biāo)檢測(cè)模式通過(guò)曲線段時(shí),導(dǎo)向輪對(duì)內(nèi)外側(cè)車輪的輪軌橫向力曲線如圖11所示。輪軌橫向力的變化趨勢(shì)與引導(dǎo)型主動(dòng)檢測(cè)模式類似,在1.4倍徑向作動(dòng)器位移時(shí),輪軌橫向力達(dá)到最小值,但超過(guò)1.4倍徑向作動(dòng)器位移時(shí),輪對(duì)沖角反向增大,輪軌橫向力不降反升。
a) 內(nèi)側(cè)
精確型信標(biāo)檢測(cè)模式下的非導(dǎo)向輪對(duì)內(nèi)外側(cè)車輪輪軌橫向力對(duì)比如圖12所示。非導(dǎo)向輪對(duì)的變化趨勢(shì)與導(dǎo)向輪對(duì)相同,但其變化量小于導(dǎo)向輪對(duì)的變化量。
a) 內(nèi)側(cè)
通過(guò)仿真試驗(yàn)和環(huán)行線路試驗(yàn),對(duì)徑向控制器的功能及性能進(jìn)行驗(yàn)證,主要獲得以下結(jié)論:
1) 無(wú)論采用引導(dǎo)型主動(dòng)檢測(cè)模式還是精確型信標(biāo)檢測(cè)模式,徑向控制器均能有效探測(cè)到曲線段,使轉(zhuǎn)向架輪對(duì)趨于徑向位置通過(guò)曲線段,且符合實(shí)際的線路信息。
2) 徑向控制器驅(qū)動(dòng)第一轉(zhuǎn)向架和其余轉(zhuǎn)向架的徑向位移一致,各轉(zhuǎn)向架徑向作動(dòng)器的動(dòng)作延遲時(shí)間與理論計(jì)算值相符,符合主動(dòng)徑向控制策略。
3) 列車在進(jìn)出曲線時(shí),徑向控制器能夠驅(qū)動(dòng)徑向作動(dòng)器即刻或提前完成動(dòng)作,有效改善遲滯時(shí)間。
4) 對(duì)比仿真試驗(yàn)和環(huán)行線路試驗(yàn),安裝有主動(dòng)徑向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的列車在通過(guò)曲線段時(shí),其輪軌橫向力的變化趨勢(shì)一致,均明顯小于傳統(tǒng)車輛被動(dòng)式曲線通過(guò)狀態(tài)下的參數(shù)指標(biāo),其中導(dǎo)向輪對(duì)的表現(xiàn)尤為突出。所提主動(dòng)徑向控制器有效提高了列車的曲線段通過(guò)性能,降低了輪軌磨耗。