軌道交通車輛轉向架主動徑向控制器

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中心,266031,青島)

軌道交通車輛傳統轉向架的定位剛度較大,在通過中小半徑曲線時,輪軌間存在明顯的橫向力,尤其是導向輪對,其輪軌磨耗較大,運營效率不高。

在傳統轉向架結構的基礎上,主動徑向轉向架在構架和輪對軸箱之間設置了徑向驅動裝置[1]。當車輛沿直線軌道運行時,徑向驅動裝置鎖定在固定位置上,以保證輪對軸線平行且具備足夠的定位剛度;當車輛通過曲線軌道時,徑向驅動裝置使輪對軸線趨于軌道曲線的徑向位置,使輪對沖角趨近于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營能力[2-3],從工程化應用的角度出發,本文參照需求和標準研制了一種徑向控制器,在其探測到曲線的同時能夠驅動徑向作動器,使轉向架輪對趨于徑向位置,并在半實物仿真平臺和環形線路上進行了主動徑向系統的試驗驗證。本文研究可為主動徑向系統的推廣應用提供工程經驗與技術指導。

1 主動徑向系統及其控制原理

1.1 系統簡介

主動徑向系統由線路狀態探測單元、徑向控制器和執行機構組成,如圖1所示。線路狀態探測單元實時檢測車輛的運行參數信息,徑向控制器通過這些信息判斷當前車輛是否進入曲線,并計算所進入曲線的半徑。徑向控制器根據車輛所處的曲線條件計算各徑向作動器的目標位移,并發送至執行機構,執行機構驅動徑向作動器動作,使輪對達到徑向位置。

圖1 主動徑向系統組成示意圖

1.2 控制原理

主動徑向系統工作原理示意圖如圖2所示,轉向架類型為軸箱內置式。其中:θ為轉向架兩條輪對軸線夾角的一半;a為徑向作動器橫向安裝跨距;b為轉向架軸距;R為軌道曲線半徑。

圖2 主動徑向系統工作原理示意圖

每條輪對兩側軸箱分別安裝徑向作動器并獨立控制,當轉向架輪對處于完全徑向位置時,同一轉向架4個徑向作動器的位移可由式(1)近似計算獲得:

(1)

式中:

x——徑向作動器位移;

m——徑向倍率,默認為1.0;

P——徑向作動器位移與軸箱繞上端定位彈簧偏擺形成的輪對與轉向架間的縱向位移比例系數,由轉向架及徑向作動器安裝結構所決定,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)能夠補償由車體幾何尺寸引起的慣性滯后,使計算獲得的曲率測量值與線路曲率實際值的同步性較高。

2 徑向控制器研制

2.1 功能需求

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信息;②計算線路曲率,判斷車輛是否進入曲線,再計算曲率的倒數并取整,獲取當前曲線半徑;③根據當前曲線半徑,計算各轉向架徑向作動器的目標參數;④根據主動徑向控制策略,將控制指令發送給各轉向架上的徑向作動器;⑤具備網絡通信、數據存儲和故障記錄功能。

2.2 硬件設計

根據設計需求,徑向控制器采用標準3U機箱,電路板為插板形式,主要包括電源模塊、徑向控制模塊、接口模塊以及網絡通信模塊等,其徑向控制器結構示意圖如圖3所示。

注:CAN為控制器局域網絡;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欠壓保護電路,能夠提供穩定的工作電源。

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。模擬量輸入是通過傳感器將角速度、加速度等信號轉換為電壓信號,再經過濾波、信號放大和運放跟隨后傳至主芯片,角速度測量范圍為±12(°)/s,加速度測量范圍為±2g(g為重力加速度)。RS485通信電路與雷達進行通信,獲取列車速度、運行距離等信息。

3) 接口模塊。接口模塊包括開關量模塊、信標模塊和存儲模塊。開關量模塊包括帶光電隔離的輸入通道和繼電器輸出通道,負責采集光電開關的狀態及輸出系統故障信號。輸入通道具有防反保護和邏輯自檢電路,繼電器輸出通道具有短路保護和狀態反饋自檢電路。信標模塊采用RS485通信電路與信標閱讀器進行通信,獲取信標信息。存儲模塊采用非易失性存儲,可以存儲3個月以上的數據。

4) 網絡通信模塊。網絡通信模塊包括CAN模塊和MVB模塊。CAN模塊采用CAN網絡與徑向作動器進行通信,下發控制指令,同時收集徑向作動器的狀態。MVB模塊負責與TCMS(列車控制與管理系統)進行通信,上傳主動徑向系統的相關數據。該模塊還設置有數碼管和按鍵,可以通過按鍵選擇信標模式或主動檢測模式,數碼管顯示當前工作模式。

2.3 軟件設計

本節重點介紹主動徑向控制策略及軟件實現方法,參照EN 50128:2011《鐵路應用—通信、信號和處理系統—鐵路控制和監控系統的軟件》定義的軟件開發生命周期模型,將軟件劃分為A(模擬)/D(數字)采集、徑向控制、數據處理、網絡通信等多個組件。

2.3.1 A/D采集

A/D采集角速度傳感器的模擬量值,軟件循環讀取模擬量采樣端口的角速度信息,當采樣次數達到設定閾值后,對采樣值進行中值濾波,再對濾波結果進行邊界判斷,對在邊界值范圍內的數據進行低通濾波,對在邊界范圍外的數據進行故障診斷,最終返回角速度值。由于采用了低通濾波處理,角速度值的計算會引入延時,該延時時長為50 ms。

2.3.2 徑向控制

徑向控制分為精確型的信標模式和引導型的主動檢測模式。信標模式根據所讀取到的信標、行走的距離和存儲的線路獲取線路曲率;主動檢測模式根據式(2)的曲率公式計算線路曲率,參照基于軌道交通車輛二系回轉角的線路曲率測量方法[4],軟件通過PID(比例積分微分)控制[5]調節車體搖頭角的動態修正項。

徑向控制器首先判斷是否為信標模式,再根據精確型或引導型的不同模式獲取線路曲率,檢測列車運行方向的第一轉向架是否進入曲線,在進入曲線開始徑向動作的同時記錄線路信息和位移數據,出曲線后記錄曲線終點并終止數據記錄,同時將徑向作動器的位移清零。第一轉向架徑向控制程序流程圖如圖4所示,循環周期不超過10 ms。

圖4 第一轉向架徑向控制程序流程圖

其余轉向架先根據車輛定距和鄰車相鄰轉向架中心距計算其與第一轉向架的間距,再根據列車行進的距離判斷是否進入曲線,在曲線內與第一轉向架保持相同的徑向位移動作,出曲線亦然。其余轉向架徑向控制程序流程圖如圖5所示,循環周期不超過10 ms。

注:一架指列車運行方向的第一個轉向架;本架指下一個即將進入或出曲線的轉向架;各架指列車的各個轉向架。

2.3.3 數據處理

將徑向作動器位移指令、角速度、半徑等發送的數據進行打包,將徑向作動器狀態、工作模式等接收到的數據進行解析,同時進行超時判斷,當通信中斷時采用默認的安全側數據。

2.3.4 網絡通信

網絡通信包括CAN通信和RS485通信。通信組件包括初始化、錯誤處理及接收中斷模塊,以及對幀序號及數據進行校驗。

3 仿真試驗驗證

為確保系統裝車后的運行安全,在地面搭建了半實物仿真平臺,采用車輛實時動力學仿真模型與主動徑向系統產品實物相結合的方式[6]進行邏輯驗證和性能測試。

3.1 半實物仿真平臺

半實物仿真平臺主要包括車輛動力學仿真、測控系統和機械臺架三部分。車輛動力學仿真模型使用Simpack軟件搭建,線路模型可以根據需要進行設置,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。測控系統負責各模塊之間的數據傳輸和模式轉換,機械臺架模擬主動徑向系統在車輛上的功能和布局。

試驗運行時,仿真器進行車輛動力學模型仿真運算,獲得車輛速度、車體搖頭角速度等參數。測控系統通過以太網實時接收這些參數,并將其轉化為模擬量信號發送給徑向控制器。徑向控制器接收到這些信號后進行判斷和運算,計算各徑向作動器的位移數據,并通過CAN網絡發送給執行機構,驅動徑向作動器動作。徑向作動器的實際位移由位移傳感器測量獲得,仿真器中的車輛動力學模型接收到各徑向作動器的位移數據后,驅動模型中的徑向作動器動作,帶動輪對趨于線路曲線的徑向位置,從而實現主動徑向系統的硬件在環測試。

3.2 試驗驗證

車輛仿真模型以70 km/h的速度通過帶有緩和曲線的右向曲線,曲線半徑為300 m,對系統的工作過程、響應時間等進行測試,并將徑向作動器實際位移輸入車輛動力學模型進行輪軌橫向力等參數的仿真。兩個轉向架徑向作動器位移曲線如圖6所示。徑向作動器的實際位移為2.7 mm,與理論計算值一致。相較于前轉向架,后轉向架徑向作動器的響應時間理論值(車輛定距除以車速)為915 ms,后轉向架徑向作動器的響應時間實際值為894 ms,與理論值基本一致,符合徑向控制策略。轉向架各輪對的輪軌橫向力仿真曲線如圖7所示。轉向架主動徑向通過曲線時的輪軌橫向力明顯小于被動式通過曲線時的輪軌橫向力,其中導向輪對的表現尤為突出。

注:wheelset_1表示轉向架的導向輪對;wheelset_2表示轉向架的非導向輪對;l表示曲線外側車輪;r表示曲線內側車輪;b1表示前轉向架;b2表示后轉向架;徑向作動器位移以徑向作動器向外伸出為正,以徑向作動器向內縮回為負,轉向架前后輪對軸線呈外八字,趨于徑向位置通過曲線;余類同。

注:n表示轉向架主動徑向通過曲線;p表示轉向架被動式通過曲線;輪軌橫向力以行車方向左向為正,以行車方向右向為負。

主動徑向系統的響應時間總計為150 ms,包括車體角速度計算時低通濾波引入的50 ms延時,以及徑向作動器從接收到指令至開始動作的100 ms延時,該響應時間是影響系統運行效率的關鍵因素之一。但由于連續緩和曲線的存在,結合徑向控制器的曲線半徑算法,響應時間的影響可以忽略不計。試驗臺接收到的線路曲率及徑向作動器位移曲線如圖8所示。其中,線路曲率是通過仿真器發送的車體搖頭角速度和車輛速度等參數計算得到的?？紤]到實際線路存在緩和曲線,在試驗中設定將曲線半徑為800 m作為主動徑向系統工作的起始點來考核系統的響應時間。由圖8可知:車輛進入曲線至曲線半徑為800 m的位置時,相較于理想狀態,即曲線半徑為800 m處的理論位移,徑向作動器已提前約40 ms達到指定位移;當車輛駛出曲線至曲線半徑為800 m的位置時,徑向作動器已開始動作,達到指定位移的延時約為260 ms。

圖8 試驗臺接收到的線路曲率及徑向作動器位移曲線

4 環形線路試驗驗證

4.1 試驗工況

2021年4月,主動徑向系統在CR400AF-S雙層動車組試驗車上進行裝車,并在環行線上進行了試驗。環形試驗線路從起點開始包含了長約730 m、半徑為250 m的右向曲線段,多個小半徑曲線及直線段的組合,長約770 m、半徑為280 m的右向曲線段,以及長約760 m的直線段。試驗按照列車直線段的運行速度15～60 km/h、曲線段的運行速度15～30 km/h、主動檢測模式和信標模式等多種工況組合進行。為進一步研究徑向位移對輪軌橫向力的影響,設定式(1)中徑向倍率m為0.8～1.6,結合線路實際運行工況,對比驗證各項指標參數。

4.2 試驗過程

試驗過程中,先設定主動徑向系統的工作模式為引導型主動檢測模式或精確型信標模式,再設定徑向倍率,然后以不同的列車運行速度圍繞環形試驗線運行,如此反復進行多次試驗。引導型主動檢測模式實測徑向作動器位移如圖9 a)所示,其與環形試驗線的線路信息吻合。采用精確型信標模式時,信標設置在半徑為250 m的右向緩和曲線前20 m處,精確型信標模式實測徑向作動器位移曲線如圖9 b)所示,該圖驗證了主動徑向系統能夠準確響應信標模式。

a) 引導型主動檢測模式

4.3 試驗結果分析

對環線試驗中主動徑向系統的測試數據進行處理,取列車在直線段的運行速度60 km/h、曲線段的運行速度30 km/h的相關數據,以半徑為250 m的右向曲線段為例,分析主動徑向系統對列車通過曲線時的輪軌橫向力的影響。

當主動徑向系統采用引導型主動檢測模式通過曲線段時,導向輪對內外側車輪的輪軌橫向力曲線如圖10所示。主動徑向作動器通過曲線時的輪軌橫向力明顯小于被動式通過曲線時的輪軌橫向力,且隨著徑向作動器位移量的增加,輪軌橫向力的降低更明顯,在1.2倍徑向作動器位移時,輪軌橫向力達到最小值。

a) 內側

當主動徑向系統采用精確型信標檢測模式通過曲線段時,導向輪對內外側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與引導型主動檢測模式類似,在1.4倍徑向作動器位移時,輪軌橫向力達到最小值,但超過1.4倍徑向作動器位移時,輪對沖角反向增大,輪軌橫向力不降反升。

a) 內側

精確型信標檢測模式下的非導向輪對內外側車輪輪軌橫向力對比如圖12所示。非導向輪對的變化趨勢與導向輪對相同,但其變化量小于導向輪對的變化量。

a) 內側

5 結語

通過仿真試驗和環行線路試驗,對徑向控制器的功能及性能進行驗證,主要獲得以下結論:

1) 無論采用引導型主動檢測模式還是精確型信標檢測模式,徑向控制器均能有效探測到曲線段,使轉向架輪對趨于徑向位置通過曲線段,且符合實際的線路信息。

2) 徑向控制器驅動第一轉向架和其余轉向架的徑向位移一致,各轉向架徑向作動器的動作延遲時間與理論計算值相符,符合主動徑向控制策略。

3) 列車在進出曲線時,徑向控制器能夠驅動徑向作動器即刻或提前完成動作,有效改善遲滯時間。

4) 對比仿真試驗和環行線路試驗,安裝有主動徑向系統轉向架的列車在通過曲線段時,其輪軌橫向力的變化趨勢一致,均明顯小于傳統車輛被動式曲線通過狀態下的參數指標,其中導向輪對的表現尤為突出。所提主動徑向控制器有效提高了列車的曲線段通過性能,降低了輪軌磨耗。