軌道交通車輛主動徑向系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全策略研究*

羅湘萍 肖春昱 田師嶠

(同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海//第一作者，副教授)

近年來，城市軌道交通發(fā)展十分迅速，但其線路設(shè)置受城市布局影響較大，線路多出現(xiàn)小半徑曲線。考慮到車輛運行安全及輪軌磨耗，列車在小半徑曲線段不得不限速運行。這影響了車輛的運行效率。隨著人們對城市軌道交通要求的進一步提高，傳統(tǒng)模式的走行部已經(jīng)成為了制約城市軌道交通發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為解決上述矛盾，可采用先進的主動徑向技術(shù)。

主動徑向技術(shù)是提高轉(zhuǎn)向架曲線通過性能，解決曲線通過性與直線穩(wěn)定性之間矛盾的有效方法。

任何主動系統(tǒng)的各子部件都存在失效的可能[1-3]。主動徑向系統(tǒng)在某一時刻發(fā)生故障時，若不對故障行為加以控制及約束，將導(dǎo)致列車出軌等一系列嚴重后果，危及行車安全。因此進行主動徑向系統(tǒng)設(shè)計必須遵循故障導(dǎo)向安全原則[4]。

1 總體技術(shù)要求與故障導(dǎo)向安全原則

1.1 總體技術(shù)要求

(1) 在正常工作狀態(tài)下，主動徑向系統(tǒng)必須保證轉(zhuǎn)向架運行穩(wěn)定及安全，并應(yīng)兼顧主動徑向功能。

(2) 在故障模式下，主動徑向系統(tǒng)應(yīng)具有可靠的故障導(dǎo)向安全功能，必須保證車輛的運行安全。此時對系統(tǒng)的徑向效果不作要求，應(yīng)等同于被動導(dǎo)向的傳統(tǒng)模式。

1.2 故障導(dǎo)向安全原則

對于與車輛運行安全性相關(guān)的主動徑向系統(tǒng)，必須具備故障導(dǎo)向安全功能。為此提出如下安全原則：

(1) 在車輛正常運行，并且不希望主動徑向時，故障導(dǎo)向安全原則是要避免產(chǎn)生主動徑向行為，維持車輛安全運行。

(2) 在主動徑向系統(tǒng)發(fā)生故障，但車輛仍希望運行時，故障導(dǎo)向安全原則是使車輛維持安全運行狀態(tài)。

基于上述兩點原則，將主動徑向系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全的模式定義為：轉(zhuǎn)向架輪對軸回到無偏轉(zhuǎn)角的被動位。

2 主動徑向系統(tǒng)驅(qū)動單元技術(shù)方案

2.1 技術(shù)方案一

圖1為方案一驅(qū)動單元布置架構(gòu)。1個轉(zhuǎn)向架配備的2套驅(qū)動單元，各自連接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與軸箱。同轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動單元由1臺徑向控制器控制。當(dāng)列車行駛在直線上時，驅(qū)動單元不動作，其作動器處于自鎖狀態(tài)而成為二力桿；當(dāng)列車進入曲線時，驅(qū)動單元動作，其作動器推拉軸箱，輪對繞另一端軸箱定位點轉(zhuǎn)動，進而處于“八字”形徑向位置。圖2為作動器驅(qū)動單邊軸箱時的輪對齒輪箱狀態(tài)位置。

圖1 方案一驅(qū)動單元布置架構(gòu)

圖2 方案一輪對齒輪箱狀態(tài)位置

設(shè)作動器橫向跨距為2 m，轉(zhuǎn)向架軸距為2.5 m，列車徑向通過最小曲線半徑為200 m，考慮一定設(shè)計余量，則作動器推拉最大行程定為±15 mm。

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本技術(shù)方案特點如下：

(1) 動作模式為單邊作動器推拉軸箱。

(2) 正常工作時通過徑向控制器統(tǒng)一管理，2套驅(qū)動單元的狀態(tài)信息、故障信息、指令信息在徑向控制器處匯總，從而實現(xiàn)單元間的信息互通。

(3) 如圖2所示，當(dāng)作動器單邊驅(qū)動位移達到15 mm時，在聯(lián)軸器處將產(chǎn)生約9 mm的附加縱向位移。

本方案動作模式為單邊推拉軸箱。當(dāng)某驅(qū)動單元故障時，系統(tǒng)若要滿足輪對車軸回到無偏轉(zhuǎn)角的被動位要求，需額外配備1套儲能機構(gòu)(如儲能器)，以提供備用動力。此舉將降低整套系統(tǒng)的集成度，不利于系統(tǒng)的小型化。。

2.2 技術(shù)方案二

圖3為方案二驅(qū)動單元布置架構(gòu)。驅(qū)動單元連接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與軸箱。1個轉(zhuǎn)向架配備的4套驅(qū)動單元，由1臺徑向控制器控制。正常工作模式下，4套驅(qū)動單元共同工作。

圖3 方案二動作執(zhí)行單元布置架構(gòu)

作動器推拉最大行程為方案一的一半，即±7.5 mm。此種布局架構(gòu)可降低驅(qū)動單元的功率，使其結(jié)構(gòu)尺寸減小，便于系統(tǒng)集成。

本技術(shù)方案特點如下：

(2) 正常工作時，在徑向控制器的統(tǒng)一管理下，4套驅(qū)動單元同時工作，促使輪對處于“八字”形徑向位置。4套驅(qū)動單元的狀態(tài)信息、故障信息、指令信息在徑向控制器處匯總，以實現(xiàn)驅(qū)動單元間的信息互通。

(3) 當(dāng)1個徑向作動器發(fā)生故障后，該作動器自鎖，停在故障位。徑向控制器給同軸異側(cè)作動器下達動作指令，使該作動器的輸出位移與故障作動器相同。進而保證故障狀態(tài)下，輪對軸能回到無偏轉(zhuǎn)角的被動位。

(4) 圖4為作動器動作及故障狀態(tài)時輪對齒輪箱的狀態(tài)位置。當(dāng)同一輪對上的2套作動器各動作7.5 mm時，輪對繞其中心線轉(zhuǎn)動，處于徑向位置，而在聯(lián)軸器處產(chǎn)生的附加縱向位移為1.5 mm。當(dāng)作動器在最大行程7.5 mm處發(fā)生故障而自鎖時，同軸異側(cè)正常作動器動作至故障側(cè)相同位移，維持輪對無偏轉(zhuǎn)角，即進入故障導(dǎo)向安全模式。此時，聯(lián)軸器產(chǎn)生的附加縱向位移為7.5 mm，略小于方案一。

a) 作動器動作狀態(tài)b) 作動器故障狀態(tài)

圖4 方案二輪對齒輪箱狀態(tài)位置

2.3 方案對比分析

表1為2種技術(shù)方案的對比匯總。由表1分析可確定，技術(shù)方案二為優(yōu)選技術(shù)架構(gòu)方案。此技術(shù)方案同時兼具如下優(yōu)點：

表1 技術(shù)方案比較

(1) 具有可靠的故障導(dǎo)向安全功能，故障模式下可使輪對回到無偏轉(zhuǎn)角的被動位。

(2) 工作及故障模式下對齒輪箱及聯(lián)軸器的工作環(huán)境影響較小。

(3) 有利于作動器小型化及系統(tǒng)集成。

3 總體架構(gòu)及故障導(dǎo)向安全

3.1 總體架構(gòu)

結(jié)合上述優(yōu)選的驅(qū)動單元技術(shù)方案，提出主動徑向系統(tǒng)的總體架構(gòu)。系統(tǒng)各部分故障導(dǎo)向安全的設(shè)計均在其基礎(chǔ)上開展。

圖5為系統(tǒng)總體架構(gòu)[4-5]，圖中箭頭表示信息的交互。由圖5可知，列車級控制器從車載線路檢測硬件處獲取實時線路信息，進而運算產(chǎn)生動作位移指令，并將其下達給車控徑向控制器；車控徑向控制器指導(dǎo)驅(qū)動單元動作；驅(qū)動單元將位移反饋信號上傳給上層系統(tǒng)。

圖5 主動徑向系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

3.2 列車級控制器故障導(dǎo)向安全

全車配備了2個布置于頭車的列車級控制器。二者間可進行數(shù)據(jù)互校，以提高系統(tǒng)冗余度。同時，列車級控制器應(yīng)具有故障自診能力。表2為列車級控制器可能出現(xiàn)的故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案。

表2 列車級控制器故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案

3.3 車控徑向控制器故障導(dǎo)向安全

車控徑向控制器從列車級控制器獲取4個動作執(zhí)行單元的動作位移指令。車控徑向控制器應(yīng)具有故障自診能力。表3為車控徑向控制器可能出現(xiàn)的故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案。出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)需上傳故障信息至列車級控制器。

表3 車控徑向控制器故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案

3.4 車載線路檢測硬件故障導(dǎo)向安全

車載線路檢測硬件由頭車二系回轉(zhuǎn)角度傳感器、車載測速雷達、線路信標及車載信標接收器組成。所用硬件均基于冗余原則設(shè)置。表4為各硬件布置情況匯總。

表4 車載線路檢測硬件匯總

列車級控制器實時獲取各硬件傳遞來的信息，并對各硬件的2路信號進行數(shù)據(jù)校驗，若一致，則進行徑向控制器目標動作位移的計算；否則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入故障模式，各徑向控制器目標動作位移輸出指令置零。

3.5 驅(qū)動單元故障導(dǎo)向安全

驅(qū)動單元應(yīng)具有故障自診能力。同一轉(zhuǎn)向架上的驅(qū)動單元由車控徑向控制器進行統(tǒng)一管理及狀態(tài)監(jiān)測，并可實現(xiàn)互相通信。表5為驅(qū)動單元可能出現(xiàn)的故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案。當(dāng)出現(xiàn)故障后，驅(qū)動單元上傳故障信息至列車級控制器。

表5 驅(qū)動單元故障模式及相應(yīng)故障導(dǎo)向方案

4 結(jié)語

本文主要成果如下：

(1) 主動徑向系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全模式定義為轉(zhuǎn)向架輪對軸回到無偏轉(zhuǎn)角的被動位。故障狀態(tài)下，軸距可能發(fā)生微小變化，仍可維持安全運行。

(2) 對比優(yōu)選了1套適用于軌道交通車輛的主動徑向系統(tǒng)驅(qū)動單元技術(shù)方案。

(3) 基于主動徑向系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全模式的定義，針對軌道交通車輛主動徑向系統(tǒng)的每層級，設(shè)置了故障導(dǎo)向安全的技術(shù)路徑。

上述成果增強了主動徑向系統(tǒng)的安全性，提高了該系統(tǒng)的工程運用價值，可為主動徑向系統(tǒng)的工程化運用提供了一定的參考。