轨道车辆转向架电控设计方案

李 杨 王虎高 周 利 柳晓峰 沈龙江

（中车株洲电力机车有限公司，株洲 412001）

当今人们对轨道车辆的运行品质和性能要求越来越高，而轨道车辆由于轮载分布不均、动态性能十分复杂等，使轨道车辆的改进困难。目前，国内轨道车辆一般采用机械装置调节相关部件，不便于实时监测轨道交通车辆相关部件的参数[1]，且机械装置易磨损，精度和灵敏度相对较低，不便于实现轨道交通车辆的自动化控制[2]。针对现有技术的不足，本文介绍了轨道车辆转向架电控方案。基于此类电控方案，可实现对转向架一系弹簧状态参数、二系弹簧压力参数、车辆的运动状态参数的实时监测与分析[3]，进而通过对转向架关键部件运行状态进行实时控制、观测与评估，来满足车辆动态运行过程中对轮载分布的要求、牵引力与制动力分配要求、车辆门通道与站台的相对高度的要求，为提高车辆安全性与舒适性、车辆可靠性与维修效率、降低维护成本提供了新思路。

1 设计方案

为了实现不同功能，本文介绍4 种设计方案。

1.1 方案1

如图1 所示，设计方案1 中（以转向架上设置8个一系弹簧和4 个二系弹簧为例），转向架的每个二系弹簧上均安装有位移传感器（即空簧簧高传感器），每个二系弹簧的进气通道内均安装有压力传感器（即空簧压力传感器）。位移传感器和压力传感器均与电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）电连接。电子控制单元与4 个电磁阀电连接，4 个电磁阀的输入口均与储气罐连通，每个电磁阀的输出口与一个二系弹簧的进气口连通，每个二系弹簧的节流阀与一个空气室连通。

节流阀与电子控制单元电连接，便于电子控制单元控制二系弹簧空气阀泄压。

设计中使用的电磁阀为三位三通电磁阀。该电磁阀的进气口与储气罐连通，工作口与二系弹簧的进气口连通，排气口与大气相通。

空簧簧高传感器可以实时监测二系弹簧高度方向的位移量。空簧压力传感器可以实时监测二系弹簧进气通道内的压力。ECU 可以根据该压力参数判断二系弹簧是否泄漏或破损（即ECU 可以预设一阈值，当进气通道内的压力低于该阈值时，认为二系弹簧泄漏或破损），并调节电磁阀活塞的位置（如设计方案中三位三通电磁阀一位置为进气口与空簧（二系弹簧）连通，二位置时空簧和大气连通，三位置进气口、空簧、大气互不连通，此处是将电磁阀活塞的位置从其他位置（一位置或者三位置）调节到二位置），控制所有的二系弹簧泄压[4]。

目前，轨道车辆空气弹簧有3 种控制方式，即两点控制、三点控制和四点控制。四点控制方式中，转向架的每个空气弹簧均设置一个高度阀，而且每个空气弹簧供风系统独立，相互之间通过一个差压阀连接。差压阀在两个空气弹簧压力差超过设定值时起连通作用，限制两个空气弹簧的压力差。当四点控制的空气弹簧中有一个出现严重泄露和破损时，同一转向架上另一个空气弹簧会由于压差阀的作用一同泄压，使同一转向架上两个空气弹簧的高度保持一致，确保车辆使用的安全性。两点控制方式中，转向架的两个空气弹簧共用一个高度阀。高度阀设在转向架纵向中心线上，两个空气弹簧相互连通，压力相同。当两点控制的空气弹簧中有一个出现严重泄露和破损时，同一转向架上两个空气弹簧是相互连通的，所以会一同泄压，使同一转向架上两个空气弹簧的高度保持一致，确保车辆使用的安全性。三点控制方式结合了四点控制方式和两点控制方式两者的特点，一端与四点控制方式相同，另一端与两点控制方式相同。当三点控制的空气弹簧中有一个出现严重泄露和破损时，同一转向架上两个空气弹簧会一同泄压，使同一转向架上两个空气弹簧的高度保持一致，确保车辆使用的安全性。

虽然这3 种方式都能确保当一个转向架上有空气弹簧存在严重泄露和破损时该转向架上的两个空气弹簧同时泄气而高度一致，但是从整节车厢来看，其他的空气弹簧仍保持原高度，导致整节车厢由于前后转向架空气弹簧高度不一而产生倾斜，会对车辆的运行性能产生不利影响，轻则影响乘坐的舒适度，重则在列车进行牵引和制动时导致轮轴重分布不均，出现车轮空转和打滑事故。因此，相比传统采用机械结构高度阀控制杆的空气悬架系统，现采用精度和灵敏度更高的电控系统实时控制每个空气弹簧，控制方式更加灵活可靠[5]。在某个或某几个空气弹簧出现严重泄露和破损时，可使一节车厢中所有空气弹簧一同泄压，确保整节车厢的高度水平，有效提高轨道车辆运行的安全性和舒适性。

1.2 方案2

如图2 所示，设计方案2 中，每节车厢的门通道位置均安装有车高传感器，便于监测车门通道处与轨面的相对高度。

1.3 方案3

如图3 所示，为了实时监测一系弹簧的压力参数。设计方案3 中，转向架的每个一系弹簧底部受压处安装有一系弹簧压力传感器，压力传感器与电子控制单元电连接。

1.4 方案4

如图4 所示，设计方案4 中，车体上固定振动传感器，振动传感器与ECU 电连接。振动传感器可以监测车辆的振动参数。为了便于实时监测车辆的运行速度和加速度，设计方案4 在车轮上安装了速度传感器和加速度传感器，并将速度传感器、加速度传感器与ECU 连接，为控制车辆运行速度提供了便利。

根据上述电控设计方案，可以形成丰富多样的转向架控制实用功能。这里以一种特定情况下车身高度的控制方法为例进行说明。该方法包括以下过程：电子控制单元读取某一节车厢的二系弹簧的压力参数，当该压力参数小于预设值（预设值可以根据实际情况设置）时，判定该节车厢二系弹簧泄露或破损；电子控制单元调节电磁阀的位置和节流阀的开度，使该节车厢上所有二系弹簧同时泄压，从而调节该节车厢的高度；当4 个二系弹簧高度方向位移量（该参数由位移传感器获得）相等或相近（一定范围值内，该范围值可以根据实际情况设置）且不再变化，或者该节车各车门通道与轨面的相对高度（该参数由车高传感器获得）相等或相近（一定范围值内，该范围值可以根据实际情况设置）且不再变化时，调节结束。通过该方法可实现车厢高度的自动调节，能有效提高轨道车辆运行的安全性和舒适性。

2 结语

提出的设计方案采用了多种类型传感器来监测轨道交通车辆的各种状态参数，可实现轨道交通车辆状态参数的实时自动监测。此外，设计方案用电子设备替代了相关机械装置，可解决机械装置易磨损、精度和灵敏度不足的问题，有利于实现轨道交通车辆的自动化控制。