軌道車輛轉(zhuǎn)向架電控設(shè)計(jì)方案

李 楊 王虎高 周 利 柳曉峰 沈龍江

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，株洲 412001）

當(dāng)今人們對軌道車輛的運(yùn)行品質(zhì)和性能要求越來越高，而軌道車輛由于輪載分布不均、動態(tài)性能十分復(fù)雜等，使軌道車輛的改進(jìn)困難。目前，國內(nèi)軌道車輛一般采用機(jī)械裝置調(diào)節(jié)相關(guān)部件，不便于實(shí)時監(jiān)測軌道交通車輛相關(guān)部件的參數(shù)[1]，且機(jī)械裝置易磨損，精度和靈敏度相對較低，不便于實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛的自動化控制[2]。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文介紹了軌道車輛轉(zhuǎn)向架電控方案。基于此類電控方案，可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向架一系彈簧狀態(tài)參數(shù)、二系彈簧壓力參數(shù)、車輛的運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測與分析[3]，進(jìn)而通過對轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時控制、觀測與評估，來滿足車輛動態(tài)運(yùn)行過程中對輪載分布的要求、牽引力與制動力分配要求、車輛門通道與站臺的相對高度的要求，為提高車輛安全性與舒適性、車輛可靠性與維修效率、降低維護(hù)成本提供了新思路。

1 設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)不同功能，本文介紹4 種設(shè)計(jì)方案。

1.1 方案1

如圖1 所示，設(shè)計(jì)方案1 中（以轉(zhuǎn)向架上設(shè)置8個一系彈簧和4 個二系彈簧為例），轉(zhuǎn)向架的每個二系彈簧上均安裝有位移傳感器（即空簧簧高傳感器），每個二系彈簧的進(jìn)氣通道內(nèi)均安裝有壓力傳感器（即空簧壓力傳感器）。位移傳感器和壓力傳感器均與電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）電連接。電子控制單元與4 個電磁閥電連接，4 個電磁閥的輸入口均與儲氣罐連通，每個電磁閥的輸出口與一個二系彈簧的進(jìn)氣口連通，每個二系彈簧的節(jié)流閥與一個空氣室連通。

節(jié)流閥與電子控制單元電連接，便于電子控制單元控制二系彈簧空氣閥泄壓。

設(shè)計(jì)中使用的電磁閥為三位三通電磁閥。該電磁閥的進(jìn)氣口與儲氣罐連通，工作口與二系彈簧的進(jìn)氣口連通，排氣口與大氣相通。

空簧簧高傳感器可以實(shí)時監(jiān)測二系彈簧高度方向的位移量。空簧壓力傳感器可以實(shí)時監(jiān)測二系彈簧進(jìn)氣通道內(nèi)的壓力。ECU 可以根據(jù)該壓力參數(shù)判斷二系彈簧是否泄漏或破損（即ECU 可以預(yù)設(shè)一閾值，當(dāng)進(jìn)氣通道內(nèi)的壓力低于該閾值時，認(rèn)為二系彈簧泄漏或破損），并調(diào)節(jié)電磁閥活塞的位置（如設(shè)計(jì)方案中三位三通電磁閥一位置為進(jìn)氣口與空簧（二系彈簧）連通，二位置時空簧和大氣連通，三位置進(jìn)氣口、空簧、大氣互不連通，此處是將電磁閥活塞的位置從其他位置（一位置或者三位置）調(diào)節(jié)到二位置），控制所有的二系彈簧泄壓[4]。

目前，軌道車輛空氣彈簧有3 種控制方式，即兩點(diǎn)控制、三點(diǎn)控制和四點(diǎn)控制。四點(diǎn)控制方式中，轉(zhuǎn)向架的每個空氣彈簧均設(shè)置一個高度閥，而且每個空氣彈簧供風(fēng)系統(tǒng)獨(dú)立，相互之間通過一個差壓閥連接。差壓閥在兩個空氣彈簧壓力差超過設(shè)定值時起連通作用，限制兩個空氣彈簧的壓力差。當(dāng)四點(diǎn)控制的空氣彈簧中有一個出現(xiàn)嚴(yán)重泄露和破損時，同一轉(zhuǎn)向架上另一個空氣彈簧會由于壓差閥的作用一同泄壓，使同一轉(zhuǎn)向架上兩個空氣彈簧的高度保持一致，確保車輛使用的安全性。兩點(diǎn)控制方式中，轉(zhuǎn)向架的兩個空氣彈簧共用一個高度閥。高度閥設(shè)在轉(zhuǎn)向架縱向中心線上，兩個空氣彈簧相互連通，壓力相同。當(dāng)兩點(diǎn)控制的空氣彈簧中有一個出現(xiàn)嚴(yán)重泄露和破損時，同一轉(zhuǎn)向架上兩個空氣彈簧是相互連通的，所以會一同泄壓，使同一轉(zhuǎn)向架上兩個空氣彈簧的高度保持一致，確保車輛使用的安全性。三點(diǎn)控制方式結(jié)合了四點(diǎn)控制方式和兩點(diǎn)控制方式兩者的特點(diǎn)，一端與四點(diǎn)控制方式相同，另一端與兩點(diǎn)控制方式相同。當(dāng)三點(diǎn)控制的空氣彈簧中有一個出現(xiàn)嚴(yán)重泄露和破損時，同一轉(zhuǎn)向架上兩個空氣彈簧會一同泄壓，使同一轉(zhuǎn)向架上兩個空氣彈簧的高度保持一致，確保車輛使用的安全性。

雖然這3 種方式都能確保當(dāng)一個轉(zhuǎn)向架上有空氣彈簧存在嚴(yán)重泄露和破損時該轉(zhuǎn)向架上的兩個空氣彈簧同時泄氣而高度一致，但是從整節(jié)車廂來看，其他的空氣彈簧仍保持原高度，導(dǎo)致整節(jié)車廂由于前后轉(zhuǎn)向架空氣彈簧高度不一而產(chǎn)生傾斜，會對車輛的運(yùn)行性能產(chǎn)生不利影響，輕則影響乘坐的舒適度，重則在列車進(jìn)行牽引和制動時導(dǎo)致輪軸重分布不均，出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)和打滑事故。因此，相比傳統(tǒng)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)高度閥控制桿的空氣懸架系統(tǒng)，現(xiàn)采用精度和靈敏度更高的電控系統(tǒng)實(shí)時控制每個空氣彈簧，控制方式更加靈活可靠[5]。在某個或某幾個空氣彈簧出現(xiàn)嚴(yán)重泄露和破損時，可使一節(jié)車廂中所有空氣彈簧一同泄壓，確保整節(jié)車廂的高度水平，有效提高軌道車輛運(yùn)行的安全性和舒適性。

1.2 方案2

如圖2 所示，設(shè)計(jì)方案2 中，每節(jié)車廂的門通道位置均安裝有車高傳感器，便于監(jiān)測車門通道處與軌面的相對高度。

1.3 方案3

如圖3 所示，為了實(shí)時監(jiān)測一系彈簧的壓力參數(shù)。設(shè)計(jì)方案3 中，轉(zhuǎn)向架的每個一系彈簧底部受壓處安裝有一系彈簧壓力傳感器，壓力傳感器與電子控制單元電連接。

1.4 方案4

如圖4 所示，設(shè)計(jì)方案4 中，車體上固定振動傳感器，振動傳感器與ECU 電連接。振動傳感器可以監(jiān)測車輛的振動參數(shù)。為了便于實(shí)時監(jiān)測車輛的運(yùn)行速度和加速度，設(shè)計(jì)方案4 在車輪上安裝了速度傳感器和加速度傳感器，并將速度傳感器、加速度傳感器與ECU 連接，為控制車輛運(yùn)行速度提供了便利。

根據(jù)上述電控設(shè)計(jì)方案，可以形成豐富多樣的轉(zhuǎn)向架控制實(shí)用功能。這里以一種特定情況下車身高度的控制方法為例進(jìn)行說明。該方法包括以下過程：電子控制單元讀取某一節(jié)車廂的二系彈簧的壓力參數(shù)，當(dāng)該壓力參數(shù)小于預(yù)設(shè)值（預(yù)設(shè)值可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置）時，判定該節(jié)車廂二系彈簧泄露或破損；電子控制單元調(diào)節(jié)電磁閥的位置和節(jié)流閥的開度，使該節(jié)車廂上所有二系彈簧同時泄壓，從而調(diào)節(jié)該節(jié)車廂的高度；當(dāng)4 個二系彈簧高度方向位移量（該參數(shù)由位移傳感器獲得）相等或相近（一定范圍值內(nèi)，該范圍值可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置）且不再變化，或者該節(jié)車各車門通道與軌面的相對高度（該參數(shù)由車高傳感器獲得）相等或相近（一定范圍值內(nèi)，該范圍值可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置）且不再變化時，調(diào)節(jié)結(jié)束。通過該方法可實(shí)現(xiàn)車廂高度的自動調(diào)節(jié)，能有效提高軌道車輛運(yùn)行的安全性和舒適性。

2 結(jié)語

提出的設(shè)計(jì)方案采用了多種類型傳感器來監(jiān)測軌道交通車輛的各種狀態(tài)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時自動監(jiān)測。此外，設(shè)計(jì)方案用電子設(shè)備替代了相關(guān)機(jī)械裝置，可解決機(jī)械裝置易磨損、精度和靈敏度不足的問題，有利于實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛的自動化控制。