地鐵車(chē)輛輪緣潤(rùn)滑裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■ 王冬冬??楊興寬

地鐵車(chē)輛輪緣潤(rùn)滑裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■ 王冬冬??楊興寬

針對(duì)城軌新環(huán)境，開(kāi)發(fā)新的輪緣潤(rùn)滑裝置控制系統(tǒng)。通過(guò)加速度傳感器檢測(cè)車(chē)輛振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)特征識(shí)別車(chē)輛進(jìn)入曲線線路，判斷車(chē)輛在曲線段時(shí)的輪緣磨耗側(cè)并給出單側(cè)噴脂指令，避免了非磨耗側(cè)油脂積累造成環(huán)境污染。所設(shè)計(jì)的輪緣潤(rùn)滑裝置控制系統(tǒng)在某地鐵線路成功運(yùn)用，試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的有效性。

輪緣潤(rùn)滑；小半徑曲線；加速度傳感器；單側(cè)潤(rùn)滑；輪軌磨耗

0 引言

近年來(lái)，城市軌道交通的蓬勃發(fā)展極大地緩解了城市交通壓力，但是軌道線路曲線眾多，尤其是小半徑曲線線路使得輪軌磨耗問(wèn)題也日益突出，不僅縮短了車(chē)輪與鋼軌的使用壽命，也增加了能源的損耗。輪緣潤(rùn)滑技術(shù)的研究和應(yīng)用不但能夠有效解決輪軌磨耗問(wèn)題，還可以降低輪軌內(nèi)部剪切應(yīng)力，有利于減輕輪軌表面的接觸疲勞損傷及降低車(chē)輪脫軌系數(shù)，有利于提高車(chē)輛運(yùn)行安全性[1]。從車(chē)輛與線路整體考慮，闡述適用于城市軌道交通的輪緣潤(rùn)滑控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理

城市軌道交通不同于鐵路交通，運(yùn)行區(qū)間多位于人口稠密的城市，且大多為地下線路，運(yùn)行環(huán)境較為封閉，輪緣潤(rùn)滑裝置噴射的潤(rùn)滑脂在達(dá)到減磨效果的同時(shí)不應(yīng)對(duì)環(huán)境造成污染。所噴射的潤(rùn)滑脂如果沒(méi)有被適時(shí)消耗掉，多余的潤(rùn)滑脂會(huì)堆積到輪緣邊緣和踏面處，當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)會(huì)形成甩濺而污染車(chē)體和環(huán)境，踏面處的潤(rùn)滑脂又會(huì)影響行車(chē)安全。單從控制角度考慮，當(dāng)車(chē)輛在直線段行駛時(shí)，輪緣與鋼軌的磨耗較小，僅需要較少的潤(rùn)滑脂來(lái)保證輪緣與鋼軌之間的潤(rùn)滑油膜；當(dāng)車(chē)輛在彎道段行駛且運(yùn)行速度與線路超高不匹配時(shí)，輪緣與鋼軌單側(cè)磨耗較大，磨耗較大一側(cè)需要較多的潤(rùn)滑脂來(lái)實(shí)現(xiàn)減磨效果，另一側(cè)不需要潤(rùn)滑脂。控制系統(tǒng)的要求，關(guān)鍵是潤(rùn)滑裝置能夠自動(dòng)準(zhǔn)確地檢測(cè)車(chē)輛進(jìn)入彎道段，并根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)給出相應(yīng)的噴脂指令。地鐵車(chē)輛用華寶（HB）輪緣潤(rùn)滑裝置的控制系統(tǒng)，采用加速度傳感器ADXL203檢測(cè)彎道信號(hào)，并通過(guò)軟件算法給出適宜的噴脂指令。

以下通過(guò)軟、硬件設(shè)計(jì)及在某地鐵線路的實(shí)際應(yīng)用，具體介紹地鐵車(chē)輛用華寶（HB）輪緣潤(rùn)滑裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路

該控制系統(tǒng)的硬件電路功能框圖見(jiàn)圖1[2]，主要由加速度傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路、主控制器、電源EMC濾波電路及電源管理模塊、鍵盤(pán)輸入、LCD液晶顯示、強(qiáng)弱電隔離電路與車(chē)輛交互的信號(hào)接口電路組成。

其中主控制器采用Cyanal公司的C8051F020器件，是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU，內(nèi)部集成64個(gè)數(shù)字I/O引腳、SPI通信、64k字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器、12位A/D轉(zhuǎn)換器及25 MPIS的最高速度，使電路的組成大為簡(jiǎn)化，縮小硬件尺寸的同時(shí)提高了系統(tǒng)可靠性。

圖1 硬件電路功能框圖

加速度傳感器ADXL203是完整的高精度、低功耗、雙軸加速度計(jì)，提供經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的電壓輸出，所有功能均集成于一個(gè)單芯片IC中。器件的量程范圍為±1．7 g，精度為1 mg，滿足車(chē)體振動(dòng)范圍。在加速度的作用下，傳感器中的多晶體硅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移，于是就會(huì)拉動(dòng)電容的運(yùn)動(dòng)極板滑動(dòng)使電容值發(fā)生變化，最終導(dǎo)致輸出電壓變化。利用這個(gè)原理，就可以通過(guò)差動(dòng)電容檢測(cè)到加速度的變化，加速度值與輸出電壓成正比。

ADXL203既可以測(cè)量靜態(tài)加速度，也可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，其最小帶寬為0．5 Hz，最大帶寬可以達(dá)到2 500 Hz，滿足下面的關(guān)系式:

式中：BW為帶寬，Hz；Rf為集成在芯片內(nèi)部為32 kΩ的電阻，Ω；Cf為濾波器電容，F(xiàn)。由于列車(chē)橫向振動(dòng)能量主要集中在低頻段1～10 Hz，故本系統(tǒng)的采樣帶寬選擇為50 Hz，由式（1）計(jì)算得到濾波電容值Cf=0．1μF。

電源EMC濾波電路用于滿足電磁兼容要求，電源管理模塊用于產(chǎn)生控制系統(tǒng)所需要的3．3 V、5．0 V和9．0 V電源。LCD液晶顯示屏和鍵盤(pán)輸入電路用于設(shè)定控制系統(tǒng)參數(shù)及顯示故障信息（如噴脂運(yùn)行時(shí)間、噴脂間隔時(shí)間、傳感器故障等）。信號(hào)接口電路用于本控制系統(tǒng)與車(chē)輛進(jìn)行信息交互。使用光電隔離器件將控制系統(tǒng)的強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性。

2.2 軟件流程

控制系統(tǒng)的主流程見(jiàn)圖2[3]，采用C語(yǔ)言編程，模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)。系統(tǒng)初始化模塊對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O端口及ADC采樣進(jìn)行設(shè)置。ADC采用定時(shí)器3中斷的方式進(jìn)行采樣，每隔1 ms采集一次振動(dòng)信號(hào)，定時(shí)器3的特殊功能寄存器設(shè)定值如下所示：

TMR3CN=0x06;//允許定時(shí)器3，且使用系統(tǒng)時(shí)鐘

TMR3RLL=0x9A;//定時(shí)器3重載寄存器低字節(jié)

TMR3RLH=0xA9;//定時(shí)器3重載寄存器高字節(jié)

處理器晶振頻率為22．118 4 MHz，采樣頻率為1 kHz，即定時(shí)器周期為1 ms，重載值由式（2）計(jì)算得出：

式中：α=0xA99A，即為所需重載值。

系統(tǒng)設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)裝載到CPU的Flash中，程序用到某些參數(shù)時(shí)直接從Flash中調(diào)用。彎道信號(hào)的檢測(cè)由ADC中斷程序完成。每采集256個(gè)數(shù)據(jù)判斷一次是否為彎道信號(hào)，如果判斷是彎道信號(hào)，進(jìn)一步會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)特征判斷是執(zhí)行左側(cè)噴脂還是右側(cè)噴脂，如果判斷不是彎道信號(hào)，則執(zhí)行定時(shí)噴脂。

圖2 控制系統(tǒng)主流程

3 地鐵線路實(shí)際應(yīng)用

為驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的有效性，做如下試驗(yàn)：采用自制的數(shù)據(jù)采集裝置采集加速度傳感器振動(dòng)幅值，該采集裝置可以同時(shí)采集兩路模擬量信號(hào)，采樣頻率為1 kHz，數(shù)據(jù)以十進(jìn)制的形式存儲(chǔ)于SD卡中。將該采集裝置固定在華寶輪緣潤(rùn)滑裝置的位置，實(shí)時(shí)采樣。為了對(duì)比數(shù)據(jù)更加直觀，將實(shí)際線路中的兩段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析。

3.1 ①號(hào)線路段分析

①號(hào)線路段數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3，R表示線路曲線半徑，Ls表示起緩和線長(zhǎng)，L表示曲線全長(zhǎng)，H表示現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際超高。A、B兩點(diǎn)是地鐵線路的兩個(gè)站臺(tái)，車(chē)輛由A點(diǎn)駛向B點(diǎn)，運(yùn)行的彎道方向先向左進(jìn)入彎道后向右進(jìn)入彎道。通過(guò)采集裝置采集的原始振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。為了能更加明顯地顯示線路特征，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行10 Hz低通濾波處理后，得到濾波數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖5）。通過(guò)比較圖3與圖5可以看出，控制系統(tǒng)檢測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)能夠表示線路彎道信息，與線路數(shù)據(jù)有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將輪緣潤(rùn)滑裝置中的控制程序移植到Matlab中，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬運(yùn)算得到①號(hào)線路段彎道信號(hào)（見(jiàn)圖6）。彎道信號(hào)為正值時(shí)，表示前進(jìn)方向右側(cè)噴脂；彎道信號(hào)為負(fù)值時(shí)，表示前進(jìn)方向左側(cè)噴脂。圖6表示當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入R300 m的向右曲線時(shí)，控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別曲線線路，此時(shí)前進(jìn)端右側(cè)給出加量噴脂指令，且可以判斷出此時(shí)車(chē)輛為過(guò)超高運(yùn)行。

圖3 ①號(hào)線路段數(shù)據(jù)

圖4 ①號(hào)線路段原始振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖5 ①號(hào)線路段濾波振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖6 ①號(hào)線路段噴脂指令

3.2 ②號(hào)線路段分析

②號(hào)線路段數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7，A、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)地鐵線路的2個(gè)站臺(tái)，車(chē)輛運(yùn)行方向從A點(diǎn)到B點(diǎn)，中間有一個(gè)R400 m的向右曲線段。對(duì)應(yīng)于該線路段的原始振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8，圖9為10 Hz低通濾波振動(dòng)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比圖7與圖9可以發(fā)現(xiàn)，所檢測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)與線路曲線具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖10為模擬控制系統(tǒng)得到彎道信號(hào)，與曲線線路具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，此時(shí)車(chē)輛前進(jìn)端左側(cè)給出加量噴脂指令，可以判斷出此時(shí)車(chē)輛為欠超高運(yùn)行。

圖7 ②號(hào)線路段數(shù)據(jù)

3.3 ①、②號(hào)線路對(duì)比分析

從曲線方向來(lái)看，①、②號(hào)線路段都是向右進(jìn)入曲線段。但①號(hào)線路段超高H=120 mm，實(shí)時(shí)運(yùn)行速度與超高不匹配，為過(guò)超高運(yùn)行，車(chē)輛運(yùn)行方向內(nèi)側(cè)輪緣與鋼軌磨耗較大，圖6噴脂指令為正，表示前進(jìn)方向右側(cè)噴脂；而②號(hào)線路段超高H=70 mm，實(shí)時(shí)運(yùn)行速度與超高不匹配，為欠超高運(yùn)行，車(chē)輛運(yùn)行方向外側(cè)輪緣與鋼軌磨耗較大，圖10噴脂指令為負(fù)，表示前進(jìn)方向左側(cè)噴脂。對(duì)比分析說(shuō)明：控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)判斷車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)并給出適宜噴脂指令。

圖8 ②號(hào)線路段原始振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖9 ②號(hào)線路段濾波振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖10 ②號(hào)線路段噴脂指令

4 結(jié)論

地鐵車(chē)輛用華寶（HB）輪緣潤(rùn)滑裝置控制系統(tǒng)，可以通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛振動(dòng)信號(hào)來(lái)識(shí)別曲線線路，并根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)特征，實(shí)時(shí)判斷出哪一側(cè)噴脂，可避免非磨耗側(cè)油脂積累造成污染，該系統(tǒng)已在某地鐵線路進(jìn)行試驗(yàn)，證明了該系統(tǒng)的有效性。

[1] 俞展猷． 輪軌磨耗機(jī)理與輪軌潤(rùn)滑[J]． 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2000，20(5)：11-14．

[2] 鮑可進(jìn)． C8051F單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]． 北京：中國(guó)電力出版社，2006．

[3] 張大波． 嵌入式系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]． 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

王冬冬：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，助理研?究員，北京，100081

楊興寬：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，副研?究員，北京，100081

責(zé)任編輯李葳

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1672-061X（2016）06-0110-05