基于列车控制与管理系统的双受电弓主动选择控制方案

于亚新 于晓杰 崔文成

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,266111,青岛)

随着轨道交通行业的飞速发展,动车和地铁已经成为人们日常出行的主要交通工具。受电弓作为列车的动力受流装置,长期处于高速摩擦的受流工作之中,其发生故障的概率和频次较高[1-3]。受电弓故障将造成列车牵引能力的丢失,严重影响列车正常运行。因此,部分列车项目选择在同一辆车上安装两架受电弓,两架受电弓互为主备冗余。在列车正常运行时,仅一架受电弓工作;当一架受电弓故障时,可及时升起同一辆车上的另一架受电弓,保证列车能够运行至服务站后再进行受电弓检修和更换,不影响列车的正常运营。本文根据碳滑板磨耗算法,基于TCMS(列车控制与管理系统),提出一种双受电弓主动选择控制方案,提高受电弓控制的智能化程度,降低受电弓维护成本。本文研究可为列车的升弓选择提供借鉴与判断依据。

1 研究背景

单辆车安装双受电弓的4节编组列车结构示意图如图1所示。目前,常用的同一辆车上两架受电弓的选择方法为:通过司机室配备的受电弓选择开关进行控制,受电弓选择开关有受电弓1和受电弓2两个档位,在列车运行的任意时刻,完全由司机主观判断升起受电弓1或升起受电弓2。

图1 单辆车安装双受电弓的4节编组列车结构示意图

这种控制方法的弊端是可能造成某一受电弓碳滑板磨耗严重,而另一受电弓碳滑板磨耗轻微,两架受电弓碳滑板的磨耗程度相差较大,因此两架受电弓碳滑板的更换周期有所不同。受电弓碳滑板的维护需要工人进行登顶操作,若两架受电弓碳滑板磨耗程度相差较大,工人需要分两次登顶才能完成两架受电弓碳滑板的更换工作,为受电弓的维护造成困难,也提高了碳滑板的更换成本。

2 碳滑板磨耗原因

受电弓碳滑板的磨耗分为机械磨耗和电磨耗。机械磨耗主要与碳滑板接触高压电网时的运行距离相关。电磨耗主要指碳滑板的热损耗,而热损耗与碳滑板的导通电流有关。

若仅考虑碳滑板的机械损耗,而不将碳滑板在不同运行工况中的热损耗程度纳入考虑,可能存在虽然列车运行距离较短,但由于列车处于频繁牵引制动工况,使得碳滑板上的电流较大、发热严重导致热损耗较大,致使所估算出的碳滑板整体磨损轻微的情况;若仅考虑受电弓碳滑板的热损耗,而不将受电弓在不同运行线路中的机械磨损程度纳入考虑,可能存在运行距离较长但由于车辆处于惰行工况的时间较长,使得碳滑板上的电流较小,由于发热不严重导致热损耗较小,致使估算出的碳滑板整体磨损轻微的情况。上述两种情况均属于片面地考虑了影响磨损程度的参数,导致所估算出的碳滑板整体磨损程度不准确,造成受电弓主控选择逻辑的不完善,最终导致受电弓主动选择控制方案中控制与管理系统输出的结果与工程实际不一致。

3 双受弓主动选择控制方案设计

3.1 两架受电弓碳滑板磨耗计算

根据受电弓升降状态数据(统计每架受电弓碳滑板接触高压电网的时间)和列车速度,计算受电弓碳滑板的机械磨耗。根据列车牵引辅助供电系统采集到的输入端电流、受电弓碳滑板电阻和受电弓升降状态数据,计算受电弓碳滑板的热损耗。

某受电弓碳滑板接触高压电网t1时刻的运行距离S可以表示为:

(1)

式中:

vt——列车瞬时速度,由牵引电机的瞬时转速、齿轮箱的齿轮传动比和车轮直径计算得到;

t——某受电弓碳滑板接触高压电网时间,由控制与管理系统通过对受电弓碳滑板接触高压电网的时间进行记录和累加获得。

某受电弓碳滑板t1时刻的累计热损耗Q可以表示为:

(2)

式中:

It——某受电弓碳滑板的瞬时电流;

R——受电弓碳滑板的电阻。

通过式(1)和式(2)可以获得t1时刻,两架受电弓A、B的碳滑板累计接触高压电网的运行距离SA、SB,以及两架受电弓A、B的碳滑板累计热损耗QA、QB,考虑机械磨耗权重m和电磨耗权重n后的受电弓A、B的磨耗占比(表征受电弓的磨损程度)γA和γB可以表示为:

(3)

(4)

m和n是根据经验得出的数值,当应用于不同项目时,可能由于受电弓碳滑板厂家的不同、高压接触网情况的不同等因素进行权重调整,最终根据实际情况确定m和n的值。

3.2 受电弓控制流程

通过上述综合分析确定了两架受电弓的磨损程度后,通过以下步骤完成同一辆车上两架受电弓的主动选择流程:

步骤1 当受电弓选择开关处于AUTO(自动选择)位时,若TCMS无故障,则进入步骤2;若TCMS故障,则进入步骤4。

步骤2 若同一辆车内的两架受电弓其中一架故障,则TCMS选择升起状态正常的受电弓。若同一辆车车内无受电弓故障,则进入步骤3。

步骤3 TCMS根据所提受电弓碳滑板磨耗计算方法,综合评估两架受电弓碳滑板的磨耗程度。若受电弓A碳滑板的磨耗程度小于受电弓B,则TCMS的受电弓选择输出信号为高电平,控制受电弓A升起;若受电弓A碳滑板的磨耗程度大于受电弓B,则TCMS的受电弓选择输出信号为低电平,控制受电弓B升起;若受电弓A碳滑板的磨耗程度等于受电弓B,则TCMS的受电弓选择输出信号为低电平,此时默认受电弓B升起。

步骤4 列车默认受电弓B升起。

4 结语

本文提出一种同一辆车上两架受电弓的主动选择方案。在列车运行的任意时刻,只允许一架受电弓升起。根据碳滑板磨耗算法,列车实时自动评估同一辆车上两架受电弓碳滑板的磨耗程度。利用TCMS的参与完成两架受电弓的选择控制,可以有效避免某一受电弓由于工作时间过长引起的碳滑板过渡磨损,保证了两架受电弓的碳滑板磨损程度相当。本文所提双受电弓主动选择控制技术具有可靠性高、实现简单、能够节省碳滑板频繁更换人力物力成本等优点,可在配置双受电弓的列车上广泛推广应用。