城軌及動車組車輛輪對轉向判別方式的改進和運用

杜守忠 譚元冰

摘? 要：文章在分析原有輪對轉向判別方式后，提出一種新的輪對轉向判別方式，并對此方式在城軌及動車組車輛上的使用進行研究和驗證，提出運用的方法，解決了輪對轉向判別的技術難點，提升判別效率和可靠性。

關鍵詞：牽引電機;轉向判別;聯軸節;傾角傳感器

中圖分類號：U266? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0114-03

Abstract： Based on the analysis of the original wheelset steering discrimination mode，this paper proposes a new wheelset steering discrimination mode， studies and verifies the use of this mode on urban rail and EMU vehicles，and puts forward the method of application，which solves the technical difficulties of wheelset steering discrimination and improves the efficiency and reliability of discrimination.

Keywords： traction motor; steering discrimination; coupling; incination sensor

引言

城軌車輛旅行速度高、載客能力大的特點，要求其必須具有大編組、多動力的能力，多編組、動力分散已經是軌道車輛發展的趨勢。為滿足多編組列車動力性能要求，車輛的牽引系統一般于各節車輛上分散布置，分別給每臺動車的四臺牽引電機供電，牽引電機則采用三相供電方式。如果其中一個或多個電機的三相線接線錯誤，在運行過程中就會造成電機燒損。所以，為了確保列車轉向符合列車控制系統的要求，在運行前需正確判別每個電機的轉向情況。

1 輪對轉向判別方式

目前，國內有兩種方式判別列車輪對轉向的一致性，具體如下。

1.1 架車轉輪判別方式

為判別整列車輪對轉向，需要使用架車機將所有動車架起，之后將車輛分別落在工裝上，再進行整列車牽引操作，使列車輪對懸空旋轉，以驗證所有輪對的轉向是否正確。

由于架車機數量和同步性限制，只能將架起的節車落在工裝上，再將架車機撤去，用于下一節車架車。城軌及動車組車輛轉向架結構多樣，所以需要不同形式的工裝滿足架車的要求，架車機及架車工裝的采購及維護成本高。一列常規6節編組4動2拖的列車，需要重復架落車4次才能完成轉輪試驗，并且至少需要6名試驗操作人員配合進行，試驗人員的勞動強度高，耗時長，效率低。并且，在列車不解編的情況下，分節架車可能對車鉤和貫通道有損傷。

1.2 人工觸摸聯軸節判別方式

由于轉向架齒輪箱中的齒輪有間隙，列車在啟動時，電機會帶動電機與齒輪箱之間的聯軸節動作，操作人員可以用手觸摸聯軸節的方式感受電機轉動的方向，結合齒輪箱的傳動方式，可以間接判斷出輪對的轉向。

但是，以一列常規6節編組4動2拖的列車為例，一般每節動車有4個電機，每次向前或向后試驗時，需人工觸摸16次聯軸節才能全部驗證完成，操作列車啟停的次數多，工作效率低。并且，由于聯軸節齒輪間隙的不確定性，人工判斷轉向易造成誤判的現象。人員在列車底部操作，在列車啟停的過程中，也具有較高的安全風險。

根據上述輪對轉向判別的兩種方式，可以看出，目前面臨著試驗效率低、設備成本高、勞動強度大、準確度低和安全風險高等諸多問題，對現有試驗方式的改進迫切性較高。

2 新型輪對轉向判別方式的提出

由于牽引電機在組裝完成后，其內部電路無法拆開進行檢查，為了判別三相線接線是否正確，便要尋找可以直觀觀察其旋轉方向的方法。牽引電機到輪對之間的部件有聯軸節和齒輪箱，由于齒輪箱內的齒輪有間隙，當車輪抱死施加牽引使電機轉動時，會使齒輪間隙咬合緊密，從而使聯軸節發生微小的轉動，產生一定的角度，可以通過判別聯軸節的轉動方向進而確認輪對的轉動方向。

3 轉向識別系統的原理和組成

為了判別聯軸節微小的轉動，需要使用包含高精度傾角傳感器和對應判別邏輯在內的一套轉向識別系統。首先可將傾角傳感器安裝至聯軸節上，找起始靜態平衡位置后，啟動電機使傳感器轉動，傳感器采集到的數據會出現逐漸增大的趨勢，由于聯軸節轉動和齒輪間隙有關，電機啟動和停止過程中，聯軸節轉動的角度變化也有很多不確定性，需要通過判別轉動趨勢的變化規律，找到確認轉向的方法。

轉向識別系統的基本功能是通過轉向采集器采集電機轉向傾角數據，通過無線傳輸的方式與手持機通信，手持機上位機軟件通過數據分析實現電機轉向的判斷。

以4動2拖的列車為例，整列車有16個牽引電機，在啟動試驗前，需要將16個轉向采集器分別安裝到電機聯軸節處。在啟動試驗過程中，聯軸節轉向的狀態就會在手持機上顯示出來，并實現判斷功能。轉向識別系統組成如圖1所示。

系統主要功能如下：

（1）轉向數據采集：實現對電機轉向微小角度的實時測量，為便于安裝至聯軸節上，設計成為磁鐵吸附形式。

（2）無線傳輸通信：主要完成轉向采集器與手持機之間的無線數據傳輸通信，系統采用ZigBee無線通信方式。

（3）數據處理：對采集器傳輸至上位機的轉向數據進行轉向判斷。

（4）試驗結果顯示與判斷：手持機運行的軟件實現電機轉向的顯示，啟動試驗結束后，判斷轉向結果。

4 轉向識別系統的運用及測試

4.1 手持機終端主界面介紹

手持機終端界面即為打開軟件的主界面，詳見圖2所示。

4.2 系統測試步驟

（1）手持機開機，打開手持機上位機軟件，選擇相應編組形式，如“2D1T”，點擊確定按鈕，選擇試驗的列車車廂號和轉向采集器模塊數量。

（2）轉向采集器開機，并處于相對靜止狀態，點擊初始化，進行手持機和采集器間的無線連接，連接完成后顯示每個采集器的狀態。

（3）轉向采集器通過底部的磁鐵直接吸附到聯軸節處，箭頭指向1車位置，采集器安裝時應按照編號順序從1端開始逐個軸順次安裝，安裝方式如下圖3所示。

（4）將列車停放制動施加，并旁路牽引信號，以便牽引系統可以收到牽引指令來驅動牽引電機動作。手持機上選擇1端主控前向試驗，點擊“開始試驗”，操作列車1端牽引手柄，施加10%～15%牽引，列車保持靜止，持續3s，牽引手柄回零，手持機上點擊“確定”。

（5）手持機輸出測試結果，測試結果顯示正轉，測試通過，如圖4所示。

4.3 系統判別邏輯

牽引電機帶動聯軸節轉動的轉向工況較為復雜， 首先需確認查找出靜態點，對干擾數據進行過濾，再通過合適的閾值進行判斷。系統轉向曲線圖如圖5所示。

系統判別邏輯如圖6所示。

圖6可以看出，所有采集器的平衡位置確定后，可以根據尋找轉向曲線圖的規律進行向前或向后的判別。

由于聯軸節轉動和齒輪箱齒輪間隙有關，正常情況下，聯軸節轉動時，曲線會表現出連續上升或下降的工況。但是，在啟動試驗過程中還出現了聯軸節不確定性的轉動現象，在牽引起始和終止階段，存在聯軸節短暫反轉的現象，為了過濾這一反轉，并且排除自由狀態下的角度突變偏移，確定了動閾值和動次數為判別標準。

經過多次采樣測試，最終確定采樣數據與平衡位置的數據差值大于動閾值（95），且點數達到動次數（20），判斷為正轉;采樣數據與平衡點數據差值大于動閾值（-95），且點數達到動次數（20），判斷為反轉;否則靜止。數值95為角度轉換量，動閾值1個單位對應0.0028度。后經多次測試，均可正確判斷出電機轉向。

5 轉向識別系統的運用經驗

經過長時間的運用及總結，為了提高轉向識別系統判別的準確性，綜合試驗安全因素，做出如下規范性要求。

（1）試驗列車應位于平直軌道上，且前后兩個方向均應放置止輪器。

（2）試驗列車前后至少應有2m軌道距離，且軌道范圍內無其他物體存在，便于異常動車后留有安全距離進行應急停車處理。

（3）試驗時列車底架、車頂和兩旁1m內不得有人員進入。

（4）完成一次試驗后，將所有采集器全部順移一個位置，重復進行試驗，試驗結果應一致。此方式可以排除單個采集器故障導致的誤判情況。

（5）由于系統判別的是聯軸節的轉向，齒輪箱傳動級性的不同會改變輪對旋轉的方向，上位機軟件設置了齒輪箱傳動方式的選擇，在試驗時應選擇正確的齒輪箱傳動方式。

（6）牽引時，操作者應施加10%～15%牽引，使電機有持續的運轉聲。列車如開始移動，則應立即施加制動停車。

6 結束語

本文對原有輪對轉向判別方式的弊端進行了分析說明，提出采用了一種新型判別方式，通過各項試驗驗證確定其判別參數，并且完成了89列城軌及動車組車輛的試驗驗證，驗證結果全部通過，現已投入正式使用。轉向識別系統的使用，提升了試驗效率，降低了勞動強度，節省了原有設備的采購和維護成本，已經廣泛運用于城軌及動車組車輛的輪對轉向判別試驗。

參考文獻：

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