軌道交通車輛主動(dòng)徑向系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全策略研究*

羅湘萍 肖春昱 田師嶠

(同濟(jì)大學(xué)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(fā)展十分迅速，但其線路設(shè)置受城市布局影響較大，線路多出現(xiàn)小半徑曲線?？紤]到車輛運(yùn)行安全及輪軌磨耗，列車在小半徑曲線段不得不限速運(yùn)行。這影響了車輛的運(yùn)行效率。隨著人們對城市軌道交通要求的進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)模式的走行部已經(jīng)成為了制約城市軌道交通發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為解決上述矛盾，可采用先進(jìn)的主動(dòng)徑向技術(shù)。

主動(dòng)徑向技術(shù)是提高轉(zhuǎn)向架曲線通過性能，解決曲線通過性與直線穩(wěn)定性之間矛盾的有效方法。

任何主動(dòng)系統(tǒng)的各子部件都存在失效的可能[1-3]。主動(dòng)徑向系統(tǒng)在某一時(shí)刻發(fā)生故障時(shí)，若不對故障行為加以控制及約束，將導(dǎo)致列車出軌等一系列嚴(yán)重后果，危及行車安全。因此進(jìn)行主動(dòng)徑向系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循故障導(dǎo)向安全原則[4]。

1 總體技術(shù)要求與故障導(dǎo)向安全原則

1.1 總體技術(shù)要求

(1) 在正常工作狀態(tài)下，主動(dòng)徑向系統(tǒng)必須保證轉(zhuǎn)向架運(yùn)行穩(wěn)定及安全，并應(yīng)兼顧主動(dòng)徑向功能。

(2) 在故障模式下，主動(dòng)徑向系統(tǒng)應(yīng)具有可靠的故障導(dǎo)向安全功能，必須保證車輛的運(yùn)行安全。此時(shí)對系統(tǒng)的徑向效果不作要求，應(yīng)等同于被動(dòng)導(dǎo)向的傳統(tǒng)模式。

1.2 故障導(dǎo)向安全原則

對于與車輛運(yùn)行安全性相關(guān)的主動(dòng)徑向系統(tǒng)，必須具備故障導(dǎo)向安全功能。為此提出如下安全原則：

(1) 在車輛正常運(yùn)行，并且不希望主動(dòng)徑向時(shí)，故障導(dǎo)向安全原則是要避免產(chǎn)生主動(dòng)徑向行為，維持車輛安全運(yùn)行。

(2) 在主動(dòng)徑向系統(tǒng)發(fā)生故障，但車輛仍希望運(yùn)行時(shí)，故障導(dǎo)向安全原則是使車輛維持安全運(yùn)行狀態(tài)。

基于上述兩點(diǎn)原則，將主動(dòng)徑向系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全的模式定義為：轉(zhuǎn)向架輪對軸回到無偏轉(zhuǎn)角的被動(dòng)位。

2 主動(dòng)徑向系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元技術(shù)方案

2.1 技術(shù)方案一

圖1為方案一驅(qū)動(dòng)單元布置架構(gòu)。1個(gè)轉(zhuǎn)向架配備的2套驅(qū)動(dòng)單元，各自連接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與軸箱。同轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動(dòng)單元由1臺(tái)徑向控制器控制。當(dāng)列車行駛在直線上時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元不動(dòng)作，其作動(dòng)器處于自鎖狀態(tài)而成為二力桿；當(dāng)列車進(jìn)入曲線時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)幼鳎渥鲃?dòng)器推拉軸箱，輪對繞另一端軸箱定位點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而處于“八字”形徑向位置。圖2為作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)單邊軸箱時(shí)的輪對齒輪箱狀態(tài)位置。

圖1 方案一驅(qū)動(dòng)單元布置架構(gòu)

圖2 方案一輪對齒輪箱狀態(tài)位置

設(shè)作動(dòng)器橫向跨距為2 m，轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)余量，則作動(dòng)器推拉最大行程定為±15 mm。

2017年韓國化妝品對中國大陸出口同比增長23.1%，達(dá)129億元。而經(jīng)過一年的調(diào)整，以愛茉莉太平洋及LG生活健康為代表的韓妝企業(yè)迎來了新的曙光。2018年第二季度，二者化妝品業(yè)務(wù)銷售額及營業(yè)利潤均達(dá)到雙位數(shù)增長，高端品牌表現(xiàn)亮眼。

本技術(shù)方案特點(diǎn)如下：

(1) 動(dòng)作模式為單邊作動(dòng)器推拉軸箱。

(2) 正常工作時(shí)通過徑向控制器統(tǒng)一管理，2套驅(qū)動(dòng)單元的狀態(tài)信息、故障信息、指令信息在徑向控制器處匯總，從而實(shí)現(xiàn)單元間的信息互通。

(3) 如圖2所示，當(dāng)作動(dòng)器單邊驅(qū)動(dòng)位移達(dá)到15 mm時(shí)，在聯(lián)軸器處將產(chǎn)生約9 mm的附加縱向位移。

本方案動(dòng)作模式為單邊推拉軸箱。當(dāng)某驅(qū)動(dòng)單元故障時(shí)，系統(tǒng)若要滿足輪對車軸回到無偏轉(zhuǎn)角的被動(dòng)位要求，需額外配備1套儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)(如儲(chǔ)能器)，以提供備用動(dòng)力。此舉將降低整套系統(tǒng)的集成度，不利于系統(tǒng)的小型化。。

2.2 技術(shù)方案二

圖3為方案二驅(qū)動(dòng)單元布置架構(gòu)。驅(qū)動(dòng)單元連接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與軸箱。1個(gè)轉(zhuǎn)向架配備的4套驅(qū)動(dòng)單元，由1臺(tái)徑向控制器控制。正常工作模式下，4套驅(qū)動(dòng)單元共同工作。

圖3 方案二動(dòng)作執(zhí)行單元布置架構(gòu)

作動(dòng)器推拉最大行程為方案一的一半，即±7.5 mm。此種布局架構(gòu)可降低驅(qū)動(dòng)單元的功率，使其結(jié)構(gòu)尺寸減小，便于系統(tǒng)集成。

本技術(shù)方案特點(diǎn)如下：

(2) 正常工作時(shí)，在徑向控制器的統(tǒng)一管理下，4套驅(qū)動(dòng)單元同時(shí)工作，促使輪對處于“八字”形徑向位置。4套驅(qū)動(dòng)單元的狀態(tài)信息、故障信息、指令信息在徑向控制器處匯總，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元間的信息互通。

(3) 當(dāng)1個(gè)徑向作動(dòng)器發(fā)生故障后，該作動(dòng)器自鎖，停在故障位。徑向控制器給同軸異側(cè)作動(dòng)器下達(dá)動(dòng)作指令，使該作動(dòng)器的輸出位移與故障作動(dòng)器相同。進(jìn)而保證故障狀態(tài)下，輪對軸能回到無偏轉(zhuǎn)角的被動(dòng)位。

(4) 圖4為作動(dòng)器動(dòng)作及故障狀態(tài)時(shí)輪對齒輪箱的狀態(tài)位置。當(dāng)同一輪對上的2套作動(dòng)器各動(dòng)作7.5 mm時(shí)，輪對繞其中心線轉(zhuǎn)動(dòng)，處于徑向位置，而在聯(lián)軸器處產(chǎn)生的附加縱向位移為1.5 mm。當(dāng)作動(dòng)器在最大行程7.5 mm處發(fā)生故障而自鎖時(shí)，同軸異側(cè)正常作動(dòng)器動(dòng)作至故障側(cè)相同位移，維持輪對無偏轉(zhuǎn)角，即進(jìn)入故障導(dǎo)向安全模式。此時(shí)，聯(lián)軸器產(chǎn)生的附加縱向位移為7.5 mm，略小于方案一。

a) 作動(dòng)器動(dòng)作狀態(tài)b) 作動(dòng)器故障狀態(tài)

圖4 方案二輪對齒輪箱狀態(tài)位置

2.3 方案對比分析

表1為2種技術(shù)方案的對比匯總。由表1分析可確定，技術(shù)方案二為優(yōu)選技術(shù)架構(gòu)方案。此技術(shù)方案同時(shí)兼具如下優(yōu)點(diǎn)：

表1 技術(shù)方案比較

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

(2) 工作及故障模式下對齒輪箱及聯(lián)軸器的工作環(huán)境影響較小。

(3) 有利于作動(dòng)器小型化及系統(tǒng)集成。

3 總體架構(gòu)及故障導(dǎo)向安全

3.1 總體架構(gòu)

結(jié)合上述優(yōu)選的驅(qū)動(dòng)單元技術(shù)方案，提出主動(dòng)徑向系統(tǒng)的總體架構(gòu)。系統(tǒng)各部分故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)均在其基礎(chǔ)上開展。

圖5為系統(tǒng)總體架構(gòu)[4-5]，圖中箭頭表示信息的交互。由圖5可知，列車級(jí)控制器從車載線路檢測硬件處獲取實(shí)時(shí)線路信息，進(jìn)而運(yùn)算產(chǎn)生動(dòng)作位移指令，并將其下達(dá)給車控徑向控制器；車控徑向控制器指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)幼?；?qū)動(dòng)單元將位移反饋信號(hào)上傳給上層系統(tǒng)。

圖5 主動(dòng)徑向系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

3.2 列車級(jí)控制器故障導(dǎo)向安全

全車配備了2個(gè)布置于頭車的列車級(jí)控制器。二者間可進(jìn)行數(shù)據(jù)互校，以提高系統(tǒng)冗余度。同時(shí)，列車級(jí)控制器應(yīng)具有故障自診能力。表2為列車級(jí)控制器可能出現(xiàn)的故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案。

表2 列車級(jí)控制器故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案

3.3 車控徑向控制器故障導(dǎo)向安全

車控徑向控制器從列車級(jí)控制器獲取4個(gè)動(dòng)作執(zhí)行單元的動(dòng)作位移指令。車控徑向控制器應(yīng)具有故障自診能力。表3為車控徑向控制器可能出現(xiàn)的故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案。出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)需上傳故障信息至列車級(jí)控制器。

表3 車控徑向控制器故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案

3.4 車載線路檢測硬件故障導(dǎo)向安全

車載線路檢測硬件由頭車二系回轉(zhuǎn)角度傳感器、車載測速雷達(dá)、線路信標(biāo)及車載信標(biāo)接收器組成。所用硬件均基于冗余原則設(shè)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(jí)控制器實(shí)時(shí)獲取各硬件傳遞來的信息，并對各硬件的2路信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，若一致，則進(jìn)行徑向控制器目標(biāo)動(dòng)作位移的計(jì)算；否則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入故障模式，各徑向控制器目標(biāo)動(dòng)作位移輸出指令置零。

3.5 驅(qū)動(dòng)單元故障導(dǎo)向安全

驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)具有故障自診能力。同一轉(zhuǎn)向架上的驅(qū)動(dòng)單元由車控徑向控制器進(jìn)行統(tǒng)一管理及狀態(tài)監(jiān)測，并可實(shí)現(xiàn)互相通信。表5為驅(qū)動(dòng)單元可能出現(xiàn)的故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案。當(dāng)出現(xiàn)故障后，驅(qū)動(dòng)單元上傳故障信息至列車級(jí)控制器。

表5 驅(qū)動(dòng)單元故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案

4 結(jié)語

本文主要成果如下：

(1) 主動(dòng)徑向系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全模式定義為轉(zhuǎn)向架輪對軸回到無偏轉(zhuǎn)角的被動(dòng)位。故障狀態(tài)下，軸距可能發(fā)生微小變化，仍可維持安全運(yùn)行。

(2) 對比優(yōu)選了1套適用于軌道交通車輛的主動(dòng)徑向系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元技術(shù)方案。

(3) 基于主動(dòng)徑向系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全模式的定義，針對軌道交通車輛主動(dòng)徑向系統(tǒng)的每層級(jí)，設(shè)置了故障導(dǎo)向安全的技術(shù)路徑。

上述成果增強(qiáng)了主動(dòng)徑向系統(tǒng)的安全性，提高了該系統(tǒng)的工程運(yùn)用價(jià)值，可為主動(dòng)徑向系統(tǒng)的工程化運(yùn)用提供了一定的參考。