軌道交通車輛主動徑向系統故障導向安全策略研究*

羅湘萍 肖春昱 田師嶠

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海//第一作者，副教授)

近年來，城市軌道交通發展十分迅速，但其線路設置受城市布局影響較大，線路多出現小半徑曲線。考慮到車輛運行安全及輪軌磨耗，列車在小半徑曲線段不得不限速運行。這影響了車輛的運行效率。隨著人們對城市軌道交通要求的進一步提高，傳統模式的走行部已經成為了制約城市軌道交通發展的關鍵環節。為解決上述矛盾，可采用先進的主動徑向技術。

主動徑向技術是提高轉向架曲線通過性能，解決曲線通過性與直線穩定性之間矛盾的有效方法。

任何主動系統的各子部件都存在失效的可能[1-3]。主動徑向系統在某一時刻發生故障時，若不對故障行為加以控制及約束，將導致列車出軌等一系列嚴重后果，危及行車安全。因此進行主動徑向系統設計必須遵循故障導向安全原則[4]。

1 總體技術要求與故障導向安全原則

1.1 總體技術要求

(1) 在正常工作狀態下，主動徑向系統必須保證轉向架運行穩定及安全，并應兼顧主動徑向功能。

(2) 在故障模式下，主動徑向系統應具有可靠的故障導向安全功能，必須保證車輛的運行安全。此時對系統的徑向效果不作要求，應等同于被動導向的傳統模式。

1.2 故障導向安全原則

對于與車輛運行安全性相關的主動徑向系統，必須具備故障導向安全功能。為此提出如下安全原則：

(1) 在車輛正常運行，并且不希望主動徑向時，故障導向安全原則是要避免產生主動徑向行為，維持車輛安全運行。

(2) 在主動徑向系統發生故障，但車輛仍希望運行時，故障導向安全原則是使車輛維持安全運行狀態。

基于上述兩點原則，將主動徑向系統故障導向安全的模式定義為：轉向架輪對軸回到無偏轉角的被動位。

2 主動徑向系統驅動單元技術方案

2.1 技術方案一

圖1為方案一驅動單元布置架構。1個轉向架配備的2套驅動單元，各自連接轉向架構架與軸箱。同轉向架的驅動單元由1臺徑向控制器控制。當列車行駛在直線上時，驅動單元不動作，其作動器處于自鎖狀態而成為二力桿；當列車進入曲線時，驅動單元動作，其作動器推拉軸箱，輪對繞另一端軸箱定位點轉動，進而處于“八字”形徑向位置。圖2為作動器驅動單邊軸箱時的輪對齒輪箱狀態位置。

圖1 方案一驅動單元布置架構

圖2 方案一輪對齒輪箱狀態位置

設作動器橫向跨距為2 m，轉向架軸距為2.5 m，列車徑向通過最小曲線半徑為200 m，考慮一定設計余量，則作動器推拉最大行程定為±15 mm。

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本技術方案特點如下：

(1) 動作模式為單邊作動器推拉軸箱。

(2) 正常工作時通過徑向控制器統一管理，2套驅動單元的狀態信息、故障信息、指令信息在徑向控制器處匯總，從而實現單元間的信息互通。

(3) 如圖2所示，當作動器單邊驅動位移達到15 mm時，在聯軸器處將產生約9 mm的附加縱向位移。

本方案動作模式為單邊推拉軸箱。當某驅動單元故障時，系統若要滿足輪對車軸回到無偏轉角的被動位要求，需額外配備1套儲能機構(如儲能器)，以提供備用動力。此舉將降低整套系統的集成度，不利于系統的小型化。。

2.2 技術方案二

圖3為方案二驅動單元布置架構。驅動單元連接轉向架構架與軸箱。1個轉向架配備的4套驅動單元，由1臺徑向控制器控制。正常工作模式下，4套驅動單元共同工作。

圖3 方案二動作執行單元布置架構

作動器推拉最大行程為方案一的一半，即±7.5 mm。此種布局架構可降低驅動單元的功率，使其結構尺寸減小，便于系統集成。

本技術方案特點如下：

(2) 正常工作時，在徑向控制器的統一管理下，4套驅動單元同時工作，促使輪對處于“八字”形徑向位置。4套驅動單元的狀態信息、故障信息、指令信息在徑向控制器處匯總，以實現驅動單元間的信息互通。

(3) 當1個徑向作動器發生故障后，該作動器自鎖，停在故障位。徑向控制器給同軸異側作動器下達動作指令，使該作動器的輸出位移與故障作動器相同。進而保證故障狀態下，輪對軸能回到無偏轉角的被動位。

(4) 圖4為作動器動作及故障狀態時輪對齒輪箱的狀態位置。當同一輪對上的2套作動器各動作7.5 mm時，輪對繞其中心線轉動，處于徑向位置，而在聯軸器處產生的附加縱向位移為1.5 mm。當作動器在最大行程7.5 mm處發生故障而自鎖時，同軸異側正常作動器動作至故障側相同位移，維持輪對無偏轉角，即進入故障導向安全模式。此時，聯軸器產生的附加縱向位移為7.5 mm，略小于方案一。

a) 作動器動作狀態b) 作動器故障狀態

圖4 方案二輪對齒輪箱狀態位置

2.3 方案對比分析

表1為2種技術方案的對比匯總。由表1分析可確定，技術方案二為優選技術架構方案。此技術方案同時兼具如下優點：

表1 技術方案比較

(1) 具有可靠的故障導向安全功能，故障模式下可使輪對回到無偏轉角的被動位。

(2) 工作及故障模式下對齒輪箱及聯軸器的工作環境影響較小。

(3) 有利于作動器小型化及系統集成。

3 總體架構及故障導向安全

3.1 總體架構

結合上述優選的驅動單元技術方案，提出主動徑向系統的總體架構。系統各部分故障導向安全的設計均在其基礎上開展。

圖5為系統總體架構[4-5]，圖中箭頭表示信息的交互。由圖5可知，列車級控制器從車載線路檢測硬件處獲取實時線路信息，進而運算產生動作位移指令，并將其下達給車控徑向控制器；車控徑向控制器指導驅動單元動作；驅動單元將位移反饋信號上傳給上層系統。

圖5 主動徑向系統總體架構框圖

3.2 列車級控制器故障導向安全

全車配備了2個布置于頭車的列車級控制器。二者間可進行數據互校，以提高系統冗余度。同時，列車級控制器應具有故障自診能力。表2為列車級控制器可能出現的故障模式及相應故障導向方案。

表2 列車級控制器故障模式及相應故障導向方案

3.3 車控徑向控制器故障導向安全

車控徑向控制器從列車級控制器獲取4個動作執行單元的動作位移指令。車控徑向控制器應具有故障自診能力。表3為車控徑向控制器可能出現的故障模式及相應故障導向方案。出現故障后，系統需上傳故障信息至列車級控制器。

表3 車控徑向控制器故障模式及相應故障導向方案

3.4 車載線路檢測硬件故障導向安全

車載線路檢測硬件由頭車二系回轉角度傳感器、車載測速雷達、線路信標及車載信標接收器組成。所用硬件均基于冗余原則設置。表4為各硬件布置情況匯總。

表4 車載線路檢測硬件匯總

列車級控制器實時獲取各硬件傳遞來的信息，并對各硬件的2路信號進行數據校驗，若一致，則進行徑向控制器目標動作位移的計算；否則系統轉入故障模式，各徑向控制器目標動作位移輸出指令置零。

3.5 驅動單元故障導向安全

驅動單元應具有故障自診能力。同一轉向架上的驅動單元由車控徑向控制器進行統一管理及狀態監測，并可實現互相通信。表5為驅動單元可能出現的故障模式及相應故障導向方案。當出現故障后，驅動單元上傳故障信息至列車級控制器。

表5 驅動單元故障模式及相應故障導向方案

4 結語

本文主要成果如下：

(1) 主動徑向系統故障導向安全模式定義為轉向架輪對軸回到無偏轉角的被動位。故障狀態下，軸距可能發生微小變化，仍可維持安全運行。

(2) 對比優選了1套適用于軌道交通車輛的主動徑向系統驅動單元技術方案。

(3) 基于主動徑向系統故障導向安全模式的定義，針對軌道交通車輛主動徑向系統的每層級，設置了故障導向安全的技術路徑。

上述成果增強了主動徑向系統的安全性，提高了該系統的工程運用價值，可為主動徑向系統的工程化運用提供了一定的參考。