基于列車控制與管理系統的雙受電弓主動選擇控制方案

于亞新 于曉杰 崔文成

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,266111,青島)

隨著軌道交通行業的飛速發展,動車和地鐵已經成為人們日常出行的主要交通工具。受電弓作為列車的動力受流裝置,長期處于高速摩擦的受流工作之中,其發生故障的概率和頻次較高[1-3]。受電弓故障將造成列車牽引能力的丟失,嚴重影響列車正常運行。因此,部分列車項目選擇在同一輛車上安裝兩架受電弓,兩架受電弓互為主備冗余。在列車正常運行時,僅一架受電弓工作;當一架受電弓故障時,可及時升起同一輛車上的另一架受電弓,保證列車能夠運行至服務站后再進行受電弓檢修和更換,不影響列車的正常運營。本文根據碳滑板磨耗算法,基于TCMS(列車控制與管理系統),提出一種雙受電弓主動選擇控制方案,提高受電弓控制的智能化程度,降低受電弓維護成本。本文研究可為列車的升弓選擇提供借鑒與判斷依據。

1 研究背景

單輛車安裝雙受電弓的4節編組列車結構示意圖如圖1所示。目前,常用的同一輛車上兩架受電弓的選擇方法為:通過司機室配備的受電弓選擇開關進行控制,受電弓選擇開關有受電弓1和受電弓2兩個檔位,在列車運行的任意時刻,完全由司機主觀判斷升起受電弓1或升起受電弓2。

圖1 單輛車安裝雙受電弓的4節編組列車結構示意圖

這種控制方法的弊端是可能造成某一受電弓碳滑板磨耗嚴重,而另一受電弓碳滑板磨耗輕微,兩架受電弓碳滑板的磨耗程度相差較大,因此兩架受電弓碳滑板的更換周期有所不同。受電弓碳滑板的維護需要工人進行登頂操作,若兩架受電弓碳滑板磨耗程度相差較大,工人需要分兩次登頂才能完成兩架受電弓碳滑板的更換工作,為受電弓的維護造成困難,也提高了碳滑板的更換成本。

2 碳滑板磨耗原因

受電弓碳滑板的磨耗分為機械磨耗和電磨耗。機械磨耗主要與碳滑板接觸高壓電網時的運行距離相關。電磨耗主要指碳滑板的熱損耗,而熱損耗與碳滑板的導通電流有關。

若僅考慮碳滑板的機械損耗,而不將碳滑板在不同運行工況中的熱損耗程度納入考慮,可能存在雖然列車運行距離較短,但由于列車處于頻繁牽引制動工況,使得碳滑板上的電流較大、發熱嚴重導致熱損耗較大,致使所估算出的碳滑板整體磨損輕微的情況;若僅考慮受電弓碳滑板的熱損耗,而不將受電弓在不同運行線路中的機械磨損程度納入考慮,可能存在運行距離較長但由于車輛處于惰行工況的時間較長,使得碳滑板上的電流較小,由于發熱不嚴重導致熱損耗較小,致使估算出的碳滑板整體磨損輕微的情況。上述兩種情況均屬于片面地考慮了影響磨損程度的參數,導致所估算出的碳滑板整體磨損程度不準確,造成受電弓主控選擇邏輯的不完善,最終導致受電弓主動選擇控制方案中控制與管理系統輸出的結果與工程實際不一致。

3 雙受弓主動選擇控制方案設計

3.1 兩架受電弓碳滑板磨耗計算

根據受電弓升降狀態數據(統計每架受電弓碳滑板接觸高壓電網的時間)和列車速度,計算受電弓碳滑板的機械磨耗。根據列車牽引輔助供電系統采集到的輸入端電流、受電弓碳滑板電阻和受電弓升降狀態數據,計算受電弓碳滑板的熱損耗。

某受電弓碳滑板接觸高壓電網t1時刻的運行距離S可以表示為:

(1)

式中:

vt——列車瞬時速度,由牽引電機的瞬時轉速、齒輪箱的齒輪傳動比和車輪直徑計算得到;

t——某受電弓碳滑板接觸高壓電網時間,由控制與管理系統通過對受電弓碳滑板接觸高壓電網的時間進行記錄和累加獲得。

某受電弓碳滑板t1時刻的累計熱損耗Q可以表示為:

(2)

式中:

It——某受電弓碳滑板的瞬時電流;

R——受電弓碳滑板的電阻。

通過式(1)和式(2)可以獲得t1時刻,兩架受電弓A、B的碳滑板累計接觸高壓電網的運行距離SA、SB,以及兩架受電弓A、B的碳滑板累計熱損耗QA、QB,考慮機械磨耗權重m和電磨耗權重n后的受電弓A、B的磨耗占比(表征受電弓的磨損程度)γA和γB可以表示為:

(3)

(4)

m和n是根據經驗得出的數值,當應用于不同項目時,可能由于受電弓碳滑板廠家的不同、高壓接觸網情況的不同等因素進行權重調整,最終根據實際情況確定m和n的值。

3.2 受電弓控制流程

通過上述綜合分析確定了兩架受電弓的磨損程度后,通過以下步驟完成同一輛車上兩架受電弓的主動選擇流程:

步驟1 當受電弓選擇開關處于AUTO(自動選擇)位時,若TCMS無故障,則進入步驟2;若TCMS故障,則進入步驟4。

步驟2 若同一輛車內的兩架受電弓其中一架故障,則TCMS選擇升起狀態正常的受電弓。若同一輛車車內無受電弓故障,則進入步驟3。

步驟3 TCMS根據所提受電弓碳滑板磨耗計算方法,綜合評估兩架受電弓碳滑板的磨耗程度。若受電弓A碳滑板的磨耗程度小于受電弓B,則TCMS的受電弓選擇輸出信號為高電平,控制受電弓A升起;若受電弓A碳滑板的磨耗程度大于受電弓B,則TCMS的受電弓選擇輸出信號為低電平,控制受電弓B升起;若受電弓A碳滑板的磨耗程度等于受電弓B,則TCMS的受電弓選擇輸出信號為低電平,此時默認受電弓B升起。

步驟4 列車默認受電弓B升起。

4 結語

本文提出一種同一輛車上兩架受電弓的主動選擇方案。在列車運行的任意時刻,只允許一架受電弓升起。根據碳滑板磨耗算法,列車實時自動評估同一輛車上兩架受電弓碳滑板的磨耗程度。利用TCMS的參與完成兩架受電弓的選擇控制,可以有效避免某一受電弓由于工作時間過長引起的碳滑板過渡磨損,保證了兩架受電弓的碳滑板磨損程度相當。本文所提雙受電弓主動選擇控制技術具有可靠性高、實現簡單、能夠節省碳滑板頻繁更換人力物力成本等優點,可在配置雙受電弓的列車上廣泛推廣應用。