軌道列車彎道輪軌智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魏保立 劉 博

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450000）

隨著我國(guó)的城市軌道交通與鐵路交通運(yùn)輸行業(yè)的蓬勃發(fā)展，列車運(yùn)行環(huán)境逐漸趨于復(fù)雜化與多樣化[1]。城市軌道交通與高速鐵路的發(fā)展，進(jìn)一步提升了我國(guó)在國(guó)際舞臺(tái)上的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。但是，在享受鐵路為人們帶來(lái)多方面便利的同時(shí)，軌道列車運(yùn)行過程中的輪軌磨損問題也日益突出。特別是在軌道列車經(jīng)過曲線軌道時(shí)，軌道列車車輪輪緣與軌道邊緣的接觸造成了輪緣與鐵軌的嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致軌道列車輪對(duì)的報(bào)廢或鐵路軌道的損壞，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，影響了軌道列車運(yùn)行的安全穩(wěn)定性[2]。同時(shí)，輪軌之間的摩擦很容易產(chǎn)生噪聲，對(duì)環(huán)境造成了噪聲污染。

輪軌智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)為解決上述問題而設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在軌道列車運(yùn)行過程中對(duì)輪軌進(jìn)行快速、方便、高效的潤(rùn)滑，對(duì)減少由于輪軌之間的摩擦帶來(lái)的噪聲、延長(zhǎng)輪軌的使用年限、提高軌道列車的牽引效率和安全穩(wěn)定性具有十分重要的意義。

1 設(shè)計(jì)原理

圖1為輪軌智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)的組成。系統(tǒng)采用高性能32位嵌入式芯片作為主控制芯片。系統(tǒng)由液位傳感器及壓力傳感器信號(hào)采集模塊、人機(jī)交互單元、位置獲取單元、軌道彎曲半徑檢測(cè)單元、電機(jī)控制單元和核心處理器等模塊構(gòu)成。智能潤(rùn)滑系統(tǒng)基于列車高精定位和列車運(yùn)行姿態(tài)檢測(cè)兩種方式共同進(jìn)行潤(rùn)滑控制。

圖1 輪軌智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)組成

智能潤(rùn)滑系統(tǒng)控制器內(nèi)存儲(chǔ)有運(yùn)行線路上需要進(jìn)行潤(rùn)滑的線路區(qū)間起始點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)。列車自身的高精定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲得列車當(dāng)前所在經(jīng)緯度坐標(biāo)?？刂破鲗?duì)數(shù)據(jù)庫(kù)潤(rùn)滑區(qū)間坐標(biāo)數(shù)據(jù)和列車當(dāng)前所在位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)列車運(yùn)到到潤(rùn)滑區(qū)間時(shí)，控制器發(fā)出控制指令，啟動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)開始噴油潤(rùn)滑動(dòng)作。智能潤(rùn)滑系統(tǒng)上的軌道彎曲半徑檢測(cè)單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道列車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的檢測(cè)，經(jīng)微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）分析處理后，根據(jù)算法判定軌道列車是否在做拐彎運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而確定是否控制驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)噴油模塊產(chǎn)生噴油動(dòng)作，并根據(jù)拐彎程度的大小和列車速度控制噴油量的多少[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

電源變換單元如圖2所示。該單元將自機(jī)車獲得的直流12 V輸入電源變換為供MCU、人機(jī)交互單元、列車運(yùn)行位置獲取單元以及軌道彎曲半徑檢測(cè)單元所需要的電壓。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性和抗干擾能力，電源輸入端采用URB1205YMD隔離電源模塊對(duì)供電部分進(jìn)行電氣隔離。該隔離電源模塊將直流12 V變換成直流5 V，然后再經(jīng)過一個(gè)LDO穩(wěn)壓芯片NCP1117變換為直流3.3 V后為單片機(jī)等電路進(jìn)行供電。

圖2 電源變換單元

RS485通信電源電路如圖3所示。采用URB1205YMD-6WR3進(jìn)行電氣隔離，將自列車過來(lái)的12 V轉(zhuǎn)換為通信所需要的5 V電壓。

圖3 RS485通信隔離電源電路

2.2 通信模塊

MCU與軌道列車連接的RS485端口主要用來(lái)獲取當(dāng)前列車當(dāng)前位置。系統(tǒng)的MCU單元通過串口USART2擴(kuò)展出一路高速RS485通信接口。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力和工作可靠性，也為了避免因潤(rùn)滑系統(tǒng)故障對(duì)列車設(shè)備的正常工作造成干擾，MCU單元與RS485收發(fā)器之間采用高速光耦及隔離電源模塊進(jìn)行電氣隔離[4]。如圖4所示，RS485接口的A與B之間及A、B信號(hào)線與地之間放置3個(gè)TVS，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗雷擊、浪涌及脈沖群干擾。接口處的TVS與自恢復(fù)保險(xiǎn)絲構(gòu)成過壓保護(hù)電路，可以避免外部高壓意外接入到RS485接口而對(duì)通信接口造成損壞。

圖4 RS485通信模塊

2.3 六軸傳感器電路

如圖5所示，潤(rùn)滑系統(tǒng)中設(shè)置有一個(gè)六軸傳感器組件MPU6050，其內(nèi)部含有三軸的陀螺儀和三軸的加速度傳感器，通過I2C接口與MCU進(jìn)行通信。MPU6050可以同時(shí)檢測(cè)在X、Y、Z軸方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，三軸的加速度傳感器可以同時(shí)感受到在X、Y、Z軸方向上的重力向量。通過MPU6050的寄存器，可以及時(shí)讀取其檢測(cè)到的3個(gè)軸向的角速度和加速度的原始數(shù)據(jù)，再經(jīng)過MPU6050自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（Digital Motion Processor，DMP），可以將原始數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成四元數(shù)進(jìn)行輸出，進(jìn)而可以方便地計(jì)算期望得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)，即歐拉角，包括航向角（yaw）、橫滾角（roll）和俯仰角（pitch），確定其在空間位置中的姿態(tài)[5]。

圖5 六軸傳感器電路

MCU根據(jù)MPU6050發(fā)來(lái)的當(dāng)前空間姿態(tài)數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前行駛路段軌道的彎曲半徑大小，以此判斷是否駛?cè)霃澋绤^(qū)間，然后由MCU發(fā)出控制命令控制出氣電機(jī)和噴油電機(jī)一起協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該段導(dǎo)軌進(jìn)行噴油潤(rùn)滑。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路見圖6。驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī)。使能端ENA和ENB高電平時(shí)有效。設(shè)置IN1與IN2，即可控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)動(dòng)作，同時(shí)通過對(duì)使能端PWM脈沖的輸出實(shí)現(xiàn)調(diào)速，從而控制單位時(shí)間內(nèi)的噴油量。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

2.5 人機(jī)界面

MCU的ADC可采集外部液位傳感器及壓力傳感器的壓力值。當(dāng)檢測(cè)到潤(rùn)滑系統(tǒng)液位過低或噴油過程中壓力過小時(shí)，通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)可以在人機(jī)界面實(shí)時(shí)查看液位和潤(rùn)滑管路壓力大小。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件流程如圖7所示。潤(rùn)滑系統(tǒng)存儲(chǔ)芯片內(nèi)存儲(chǔ)有線路上需要潤(rùn)滑的區(qū)間的區(qū)間起始點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)。列車運(yùn)行過程中，MCU通過RS485通信實(shí)時(shí)獲取列車當(dāng)前的位置坐標(biāo)信息，并與自身數(shù)據(jù)庫(kù)中的潤(rùn)滑點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行對(duì)比。如果檢測(cè)到當(dāng)前行駛到的位置與數(shù)據(jù)庫(kù)中需要潤(rùn)滑區(qū)間的信息一致，則認(rèn)為列車運(yùn)行到待潤(rùn)滑區(qū)間，然后由MCU發(fā)出控制命令控制出氣電機(jī)和噴油電機(jī)一起協(xié)調(diào)工作。出氣壓力大小和噴油量可通過調(diào)節(jié)控制電機(jī)的PWM波占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)定的噴油時(shí)間到或者列車駛出潤(rùn)滑區(qū)間，則噴油動(dòng)作自動(dòng)停止。

圖7 系統(tǒng)軟件流程

輪軌智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)控制器的RS485通信接口與列車的狀態(tài)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連。應(yīng)用于普通列車時(shí)，RS485與普通列車的TAX箱的RS485通信接口相連；應(yīng)用于高鐵時(shí)，RS485與高鐵DMS主機(jī)的RS485通信接口相連，以通信的方式獲取列車的位置信息（目前，線上運(yùn)行的所有列車都裝有GPS高精定位系統(tǒng)，列車通過GPS、北斗、慣性制導(dǎo)等技術(shù)已做到非常精準(zhǔn)的定位）。這樣既節(jié)省了成本，也提高了定位精度。

為了做到更精準(zhǔn)的定點(diǎn)定量噴油，對(duì)于一些重要的彎道，制作噴油點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，將這些需要噴油區(qū)間的坐標(biāo)信息錄入自動(dòng)噴油潤(rùn)滑系統(tǒng)控制器內(nèi)。當(dāng)列車運(yùn)行到該位置時(shí)，控制器根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的坐標(biāo)信息開始噴油。噴油量大小和噴油時(shí)間可由控制器控制兩個(gè)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于未錄入數(shù)據(jù)庫(kù)的彎道點(diǎn)，通過控制器自帶的六軸傳感器檢測(cè)列車的車身姿態(tài)，并根據(jù)車身的結(jié)構(gòu)計(jì)算出列車車身的傾斜角度，以此判斷當(dāng)前是否運(yùn)行到彎曲路段，并判斷出彎道大小。當(dāng)彎道大于一定值時(shí)，啟動(dòng)噴油工作?？刂破鞲鶕?jù)計(jì)算出的彎道大小來(lái)定量噴油，列車通過彎道后噴油動(dòng)作自動(dòng)停止。

作為補(bǔ)充，智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)輔助有地面噴油系統(tǒng)。在一些關(guān)鍵彎道及軌道易于磨損的區(qū)間路段，設(shè)置地面噴油系統(tǒng)。噴油出口引出分支管道，構(gòu)成多點(diǎn)潤(rùn)滑油噴油出口。每次噴油潤(rùn)滑可以對(duì)該段鐵軌進(jìn)行噴油潤(rùn)滑，做到每天定時(shí)定量對(duì)這些部位進(jìn)行噴油潤(rùn)滑。

系統(tǒng)還設(shè)置有濕度傳感器，檢測(cè)到下雨雪時(shí)停止噴油潤(rùn)滑。

4 結(jié)語(yǔ)

軌道列車彎道輪軌智能潤(rùn)滑控制系統(tǒng)可批量應(yīng)用在高鐵、普速列車上，以降低輪軌之間的磨損。同時(shí)，項(xiàng)目組為了降低潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)環(huán)境造成的污染，相應(yīng)的環(huán)?？山到鉂?rùn)滑劑正在配套測(cè)試中。在中國(guó)鐵路、城軌蓬勃發(fā)展的今天，本系統(tǒng)的商業(yè)化具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。