地铁车辆轮缘润滑装置控制系统设计

2016-02-13王冬冬杨兴宽

铁路技术创新 2016年6期

■ 王冬冬杨兴宽

地铁车辆轮缘润滑装置控制系统设计

■ 王冬冬杨兴宽

针对城轨新环境，开发新的轮缘润滑装置控制系统。通过加速度传感器检测车辆振动信号，根据实时数据特征识别车辆进入曲线线路，判断车辆在曲线段时的轮缘磨耗侧并给出单侧喷脂指令，避免了非磨耗侧油脂积累造成环境污染。所设计的轮缘润滑装置控制系统在某地铁线路成功运用，试验数据验证了该控制系统的有效性。

轮缘润滑；小半径曲线；加速度传感器；单侧润滑；轮轨磨耗

0 引言

近年来，城市轨道交通的蓬勃发展极大地缓解了城市交通压力，但是轨道线路曲线众多，尤其是小半径曲线线路使得轮轨磨耗问题也日益突出，不仅缩短了车轮与钢轨的使用寿命，也增加了能源的损耗。轮缘润滑技术的研究和应用不但能够有效解决轮轨磨耗问题，还可以降低轮轨内部剪切应力，有利于减轻轮轨表面的接触疲劳损伤及降低车轮脱轨系数，有利于提高车辆运行安全性[1]。从车辆与线路整体考虑，阐述适用于城市轨道交通的轮缘润滑控制系统。

1 系统原理

城市轨道交通不同于铁路交通，运行区间多位于人口稠密的城市，且大多为地下线路，运行环境较为封闭，轮缘润滑装置喷射的润滑脂在达到减磨效果的同时不应对环境造成污染。所喷射的润滑脂如果没有被适时消耗掉，多余的润滑脂会堆积到轮缘边缘和踏面处，当车辆运行时会形成甩溅而污染车体和环境，踏面处的润滑脂又会影响行车安全。单从控制角度考虑，当车辆在直线段行驶时，轮缘与钢轨的磨耗较小，仅需要较少的润滑脂来保证轮缘与钢轨之间的润滑油膜；当车辆在弯道段行驶且运行速度与线路超高不匹配时，轮缘与钢轨单侧磨耗较大，磨耗较大一侧需要较多的润滑脂来实现减磨效果，另一侧不需要润滑脂。控制系统的要求，关键是润滑装置能够自动准确地检测车辆进入弯道段，并根据实时运行状态给出相应的喷脂指令。地铁车辆用华宝（HB）轮缘润滑装置的控制系统，采用加速度传感器ADXL203检测弯道信号，并通过软件算法给出适宜的喷脂指令。

以下通过软、硬件设计及在某地铁线路的实际应用，具体介绍地铁车辆用华宝（HB）轮缘润滑装置的控制系统设计。

2 系统设计

2.1 硬件电路

该控制系统的硬件电路功能框图见图1[2]，主要由加速度传感器及其信号调理电路、主控制器、电源EMC滤波电路及电源管理模块、键盘输入、LCD液晶显示、强弱电隔离电路与车辆交互的信号接口电路组成。

其中主控制器采用Cyanal公司的C8051F020器件，是完全集成的混合信号系统级MCU，内部集成64个数字I/O引脚、SPI通信、64k字节可在系统编程的FLASH存储器、12位A/D转换器及25 MPIS的最高速度，使电路的组成大为简化，缩小硬件尺寸的同时提高了系统可靠性。

图1 硬件电路功能框图

加速度传感器ADXL203是完整的高精度、低功耗、双轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出，所有功能均集成于一个单芯片IC中。器件的量程范围为±1．7 g，精度为1 mg，满足车体振动范围。在加速度的作用下，传感器中的多晶体硅结构会产生偏移，于是就会拉动电容的运动极板滑动使电容值发生变化，最终导致输出电压变化。利用这个原理，就可以通过差动电容检测到加速度的变化，加速度值与输出电压成正比。

ADXL203既可以测量静态加速度，也可以测量动态加速度，其最小带宽为0．5 Hz，最大带宽可以达到2 500 Hz，满足下面的关系式:

式中：BW为带宽，Hz；Rf为集成在芯片内部为32 kΩ的电阻，Ω；Cf为滤波器电容，F。由于列车横向振动能量主要集中在低频段1～10 Hz，故本系统的采样带宽选择为50 Hz，由式（1）计算得到滤波电容值Cf=0．1μF。

电源EMC滤波电路用于满足电磁兼容要求，电源管理模块用于产生控制系统所需要的3．3 V、5．0 V和9．0 V电源。LCD液晶显示屏和键盘输入电路用于设定控制系统参数及显示故障信息（如喷脂运行时间、喷脂间隔时间、传感器故障等）。信号接口电路用于本控制系统与车辆进行信息交互。使用光电隔离器件将控制系统的强弱电进行隔离，增强系统的抗干扰性。

2.2 软件流程

控制系统的主流程见图2[3]，采用C语言编程，模块化设计，便于系统维护和升级。系统初始化模块对系统时钟、I/O端口及ADC采样进行设置。ADC采用定时器3中断的方式进行采样，每隔1 ms采集一次振动信号，定时器3的特殊功能寄存器设定值如下所示：

TMR3CN=0x06;//允许定时器3，且使用系统时钟

TMR3RLL=0x9A;//定时器3重载寄存器低字节

TMR3RLH=0xA9;//定时器3重载寄存器高字节

处理器晶振频率为22．118 4 MHz，采样频率为1 kHz，即定时器周期为1 ms，重载值由式（2）计算得出：

式中：α=0xA99A，即为所需重载值。

系统设定的运行参数装载到CPU的Flash中，程序用到某些参数时直接从Flash中调用。弯道信号的检测由ADC中断程序完成。每采集256个数据判断一次是否为弯道信号，如果判断是弯道信号，进一步会根据数据特征判断是执行左侧喷脂还是右侧喷脂，如果判断不是弯道信号，则执行定时喷脂。

图2 控制系统主流程

3 地铁线路实际应用

为验证该控制系统的有效性，做如下试验：采用自制的数据采集装置采集加速度传感器振动幅值，该采集装置可以同时采集两路模拟量信号，采样频率为1 kHz，数据以十进制的形式存储于SD卡中。将该采集装置固定在华宝轮缘润滑装置的位置，实时采样。为了对比数据更加直观，将实际线路中的两段数据分别进行分析。

3.1 ①号线路段分析

①号线路段数据见图3，R表示线路曲线半径，Ls表示起缓和线长，L表示曲线全长，H表示现场实际超高。A、B两点是地铁线路的两个站台，车辆由A点驶向B点，运行的弯道方向先向左进入弯道后向右进入弯道。通过采集装置采集的原始振动数据见图4。为了能更加明显地显示线路特征，对原始数据进行10 Hz低通滤波处理后，得到滤波数据（见图5）。通过比较图3与图5可以看出，控制系统检测的振动数据能够表示线路弯道信息，与线路数据有良好的对应关系。将轮缘润滑装置中的控制程序移植到Matlab中，对采样数据进行模拟运算得到①号线路段弯道信号（见图6）。弯道信号为正值时，表示前进方向右侧喷脂；弯道信号为负值时，表示前进方向左侧喷脂。图6表示当车辆进入R300 m的向右曲线时，控制系统能够准确识别曲线线路，此时前进端右侧给出加量喷脂指令，且可以判断出此时车辆为过超高运行。

图3 ①号线路段数据

图4 ①号线路段原始振动数据

图5 ①号线路段滤波振动数据

图6 ①号线路段喷脂指令

3.2 ②号线路段分析

②号线路段数据见图7，A、B两点对应地铁线路的2个站台，车辆运行方向从A点到B点，中间有一个R400 m的向右曲线段。对应于该线路段的原始振动数据见图8，图9为10 Hz低通滤波振动数据。通过对比图7与图9可以发现，所检测的振动数据与线路曲线具有对应关系。图10为模拟控制系统得到弯道信号，与曲线线路具有对应关系，此时车辆前进端左侧给出加量喷脂指令，可以判断出此时车辆为欠超高运行。

图7 ②号线路段数据

3.3 ①、②号线路对比分析

从曲线方向来看，①、②号线路段都是向右进入曲线段。但①号线路段超高H=120 mm，实时运行速度与超高不匹配，为过超高运行，车辆运行方向内侧轮缘与钢轨磨耗较大，图6喷脂指令为正，表示前进方向右侧喷脂；而②号线路段超高H=70 mm，实时运行速度与超高不匹配，为欠超高运行，车辆运行方向外侧轮缘与钢轨磨耗较大，图10喷脂指令为负，表示前进方向左侧喷脂。对比分析说明：控制系统可以实时判断车辆的实际运行状态并给出适宜喷脂指令。