一种能解决轨道车辆与站台高度匹配问题的方案

李 杨 柳晓峰 王虎高 王 帅 刘烁埼 唐勇军

（中车株洲电力机车有限公司，株洲 412001）

在轨道车辆的设计中，为了方便乘客上下车，车厢地板面设计高度应与站台高度尽量一致，尤其是流量较大、车站停车时间较短的场合[1]。考虑到车辆满载时弹簧的挠度，车厢地板面设计高度一般高于站台地面50～100 mm。由于在轨道车辆上下乘客的过程中二系弹簧高度会随着车辆载重的变化而变化，不能很好地维持车辆的设计高度，因此在轨道车辆二系弹簧中设置了高度控制阀来解决这个问题。高度控制阀可以位于转向架中间（在每个转向架与车体连接处各安装一个），也可位于转向架两侧（每个转向架分别安装两个）。当二系弹簧载荷减小或增加使得二系弹簧产生压缩或拉伸时，安装于车体与转向架之间的高度阀的连杆将向下或向上运动，促使连杆运动带动高度阀内主轴旋转并使活塞移动。由于硅油流经节流孔产生阻尼作用，延迟一定时间后阀门打开，连通主风管与二系弹簧的气路或连通二系弹簧与大气的气路，对二系气弹簧充气或排气，直至连杆恢复到原先水平位置时气阀关闭。这种机械控制结构一方面受灵敏度限制，调整时间较长，一般要求车辆载荷变化时地板面高度调整的时间不超过车站停车时间；另一方面受精度限制，地板面高度的变化范围一般为±10 mm。 这种设计方案也存在一些缺陷。一方面，车辆在使用过程中，由于车辆各部件材料受内部残余应力的变形、受外部外力负荷的变形以及受长时间形成的蠕变的影响，车辆整体会产生较大的几何形变，致使车厢地板面高度难以与站台面高度相匹配。另一方面，高度控制阀虽然能用来补偿乘客质量的变化，但不能用于补偿车轮和转向架零件的磨损，将致使车厢地板面高度难以与站台面高度相匹配。因此，目前需要针对现有技术不足，提供一种解决方案，解决因车辆整体产生较大的几何形变、车轮和转向架零件的磨损而致使车厢地板面高度难以与站台面高度相匹配的 问题[2]。

1 方案结构与思路

如图1和图2所示，本方案在每节车厢两个转向架上的4个二系弹簧上安装监测其高度方向位移量的位移传感器（对应图3中的空簧簧高传感器）和监测其压力参数的压力传感器4（对应图3中的空簧压力传感器）。

在每节车厢上分别靠近I端和Ⅱ端的四处车门通道位置附近安装监测车门通道处与轨面相对高度距离的传感器（即图1的高度传感器）。如图3所示，本方案中电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）根据每节车辆I端和Ⅱ端的四处车门通道位置附近的高度传感器（即车高传感器）获取4组车体地板面与轨面相对高度参数Z1、Z2、Z3、Z4。通过控制每节车辆的4组二系弹簧的空气阀的充放气调节二系弹簧高度，将4组参数Z1、Z2、Z3、Z4的值调节至与H（站台面与轨面相对高度）的值近似相等，实现车门通道位置地板面与站台面平齐[3]。

ECU也可根据不同情况采取不同的控制方式，方便乘客上下车。站台在车辆左右两侧且车辆到站后同时开启左右两侧车门上下乘客时，或者站台在车辆左右两侧或单侧且车辆到站后只开启一侧车门上下乘客时，ECU可以同时调节4组二系弹簧，将Z1、Z2、Z3、Z4值调节至与H值近似相等，实现车门通道位置地板面与站台面平齐。或为了简化控制、提高效率，ECU也可控制4组二系弹簧中的任意3组进行调节（三点调平原理），将Z1、Z2、Z3、Z4值调节至与H值近似相等，实现车门通道位置地板面与站台面平齐。更为简化的是，ECU还可控制车门开启侧的两组二系进行调节，将Z1、Z2、Z3、Z4这4组值中与车门开启同侧的2组值调节至与H值近似相等，缩小车门开启侧地板面边缘与开启侧站台面的相对高度，方便乘客上下车[4]。

2 方案控制策略

本方案地板面与站台面自动对齐、调平控制过程，如图4所示[5]。

第一，获取轨道交通车辆地板面上各测点（即安装高度传感器位置）距轨面高度Zi和站台面距轨面的高度H，利用Simax=|Zimax-H|计算相对最大高差值，其中Zimax表示Zi中的最大值。

第二，设定是否进行调节动作的界限值为K。当控制器判断Simax≥K时，对各二系弹簧进行调节。测点高差值Si为正值时，ECU控制此测点临近的二系弹簧的气阀泄压，使该二系弹簧支撑的车体地板面向下移动；反之，测点高差值Si为负值时，ECU控制此测点对应临近的二系弹簧空的气阀充压，使该二系弹簧支撑的车体地板面向上移动。

设定调节总时间为T，若车辆从停站至车门开启的间隔时间为T´，则应使T≤T´。为使各二系弹簧同时完成调节，则控制器控制各二系弹簧位移调节速度为Vi=Si/T。Vi为正值表示二系弹簧泄压向下移动，Vi为负值表示二系弹簧充压向上移动。若二系弹簧充放气的最大运动速度为V´，则有|Vi|≤|V´|。

当满足关系式Simax-V´T´≥0时，K的取值范围为K∈（0，Simax-V´T´）；当满足关系式Simax-V´T´＜0时，K的取值范围为K∈（0，Simax）。K的具体取值可根据标准要求和运营方需求自行设定。

根据车辆自重和载客质量之和计算各二系弹簧承重范围报警压力值为P。在调节过程中实时监测各二系弹簧上安装的压力传感器数值，当任意二系弹簧压力值Pi＜P时，证明某二系弹簧受力过小出现虚支撑，应马上停止调平，先将出现虚支撑的二系弹簧伸出，到达压力值Pi≥P时再重新进行调平操作。若没有点发生虚支撑，则调节过程继续，直至Simax＜K，调节过程结束。

本方案可以实现各二系弹簧位移的匀速调节和各二系弹簧在同一时间调节完毕，使调节过程更舒适和平顺。在整个调节过程中和直至调节结束时，二系弹簧都能避免出现虚支撑现象，能较好地避免列车停车前后由于乘客重量的动态变化造成的二系弹簧支撑不均而产生的车身抖动问题。

3 结语

通过对车身位置高度的监测，自动调整车体地板面高度与站台面高度相匹配，方便乘客上下车。相比采用传统机械结构高度控制阀的车辆，本方案采用垂向可调空间更大、精度和灵敏度更高的电控系统，可实时控制车厢地板面与轨面的相对高度，很好地解决了因车辆整体产生较大的几何形变、车轮和转向架零件的磨损而致使车厢地板面高度难以与站台面高度相匹配的问题，使得车辆运行品质和性能更好。在整个调节过程中，二系弹簧都能避免出现虚支撑现象，能较好地避免列车停车前后由于乘客重量的动态变化造成的二系弹簧支撑不均而产生的车身抖动问题。