高速動(dòng)車(chē)組踏面清掃控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 兵,馬永靖,張笑凡,李 松

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 轉(zhuǎn)向架研發(fā)部,吉林 長(zhǎng)春 130062)

我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組基礎(chǔ)制動(dòng)普遍采用盤(pán)形制動(dòng)裝置,相比踏面制動(dòng)裝置,除提高了制動(dòng)效率外,還可避免摩擦制動(dòng)力對(duì)車(chē)輪踏面產(chǎn)生磨耗和熱機(jī)械損傷。但采用盤(pán)形制動(dòng)裝置后由于缺少對(duì)車(chē)輪踏面異物清掃和微小機(jī)械損傷的修復(fù),當(dāng)車(chē)輪踏面狀態(tài)不良時(shí),易出現(xiàn)輪軌黏著系數(shù)降低、車(chē)輪多邊形等異常問(wèn)題,直接影響車(chē)輛的牽引/制動(dòng)性能,并加劇輪軌間的振動(dòng)和噪聲。

為解決上述問(wèn)題,我國(guó)新研發(fā)的高速動(dòng)車(chē)組普遍配置踏面清掃裝置,通過(guò)控制研磨子在車(chē)輪踏面施加一個(gè)適當(dāng)?shù)哪Σ亮_(dá)到以下目標(biāo)[1-10]:

(1) 清掃車(chē)輪踏面附著的水、油、落葉等雜質(zhì),避免附著物降低輪軌黏著系數(shù);

(2) 摩擦產(chǎn)生的金屬顆粒能夠增加車(chē)輪踏面的粗糙度,提升輪軌黏著系數(shù);

(3) 修復(fù)車(chē)輪踏面微小裂紋、剝離,修正車(chē)輪踏面形狀,降低列車(chē)沖擊、振動(dòng),抑制車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲。

踏面清掃裝置對(duì)保障動(dòng)車(chē)組的正常運(yùn)用起到了重要作用,但目前在用踏面清掃裝置普遍缺少手動(dòng)測(cè)試、遠(yuǎn)程切除、狀態(tài)診斷和故障診斷等功能,對(duì)其使用維護(hù)帶來(lái)不便。

近年來(lái),隨著列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸能力的提高,為踏面清掃控制系統(tǒng)功能的完善提供了必要條件。在此基礎(chǔ)上,本文提出了一整套踏面清掃控制系統(tǒng)解決方案,可提高踏面清掃的有效性和可靠性,提高控制系統(tǒng)的智能化水平,便于實(shí)現(xiàn)踏面清掃裝置狀態(tài)修,具有重要的工程實(shí)際意義。

1 功能要求

結(jié)合高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)用需求,踏面清掃裝置除了具有既有功能外,還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1) 動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí),踏面清掃裝置可根據(jù)車(chē)輛軟件設(shè)定控制邏輯,自動(dòng)施加/緩解踏面清掃力;

(2) 具備手動(dòng)測(cè)試功能,可通過(guò)測(cè)試按鈕控制施加/緩解踏面清掃力,實(shí)現(xiàn)踏面清掃功能測(cè)試;

(3) 具備手動(dòng)切除功能,可通過(guò)遠(yuǎn)程切除開(kāi)關(guān)或帶電塞門(mén)切斷壓縮空氣供應(yīng),實(shí)現(xiàn)切除踏面清掃的功能;

(4) 可監(jiān)測(cè)踏面清掃施加、緩解、切除和關(guān)鍵部件狀態(tài)等信息,進(jìn)行故障診斷,上傳相關(guān)信息并在司機(jī)顯示屏(HMI)上顯示,也可通過(guò)健康預(yù)測(cè)管理系統(tǒng)(PHM)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、故障預(yù)測(cè)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 組成及氣路原理

踏面清掃裝置由踏面清掃控制模塊和清掃器組成。踏面清掃控制模塊接收中央控制單元(CCU)輸出的指令,控制輸出壓縮空氣,并將工作狀態(tài)反饋給CCU,由CCU 對(duì)踏面清掃控制裝置進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷。

圖1為踏面清掃控制模塊氣路原理圖。如圖1所示,踏面清掃控制模塊由帶電塞門(mén)(01)、氣控活塞閥(02)、切除電磁閥(03)、減壓閥(04)、施加/緩解電磁閥(05)、壓力傳感器(06)、壓力開(kāi)關(guān)(07)、測(cè)試接口(08)、縮孔(09)和截?cái)嗳T(mén)(10、11)等組成。

圖1 踏面清掃控制模塊氣路原理圖

進(jìn)行踏面清掃時(shí),CCU 控制施加/緩解電磁閥(05)得電,導(dǎo)通A1至A2的氣路,總風(fēng)管壓縮空氣通過(guò)帶電塞門(mén)(01)、氣控活塞閥(02)、減壓閥(04)(將總風(fēng)壓力減壓至踏面清掃器工作壓力)、施加/緩解電磁閥(05)進(jìn)入踏面清掃器,推動(dòng)踏面清掃器上的研磨子與車(chē)輪踏面接觸,施加踏面清掃力。

CCU 控制施加/緩解電磁閥(05)失電,導(dǎo)通A2至A3的氣路,此時(shí)踏面清掃器氣缸內(nèi)的壓縮空氣通過(guò)A3口排向大氣,踏面清掃器上的研磨子與車(chē)輪踏面分離,撤除踏面清掃力。

踏面清掃切除指令使切除電磁閥(03)得電控制A1至A2通路導(dǎo)通,總風(fēng)管壓縮空氣通過(guò)切除電磁閥(03)控制氣控活塞閥(02)關(guān)閉其A1至A2通路,切斷踏面清掃供風(fēng),用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切除踏面清掃功能。另外,帶電塞門(mén)(01)也可用于手動(dòng)切除踏面清掃供風(fēng)。

壓力傳感器(06)和壓力開(kāi)關(guān)(07)用于采集壓力信息和壓力狀態(tài);測(cè)試接口(08)用于外接壓力表調(diào)試系統(tǒng)功能;縮孔(09)防止下游管路破裂導(dǎo)致壓縮空氣大量泄漏,影響總風(fēng)管壓力;截?cái)嗳T(mén)(10、11)可對(duì)單獨(dú)一個(gè)轉(zhuǎn)向架的踏面清掃器供風(fēng)進(jìn)行截?cái)唷?/p>

2.2 電氣原理

踏面清掃控制電氣原理示意圖見(jiàn)圖2。由圖2可知:

圖2 踏面清掃控制電氣原理示意圖

(1) 控制單元輸出“踏面施加/緩解指令(網(wǎng)絡(luò))”(DO)控制繼電器(K01)動(dòng)作,使施加/緩解電磁閥得電/失電,實(shí)現(xiàn)踏面清掃的自動(dòng)控制;

(2) 操作手動(dòng)測(cè)試按鈕(S1)控制繼電器(K01)動(dòng)作,使施加/緩解電磁閥動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)踏面清掃手動(dòng)測(cè)試功能;

(3) 操作遠(yuǎn)程切除開(kāi)關(guān)(S2)控制切除電磁閥得電,實(shí)現(xiàn)踏面清掃遠(yuǎn)程切除功能;

(4) 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)IO 模塊,采集各部件的狀態(tài)反饋信號(hào),包括供電空開(kāi)(F01)反饋信號(hào)(DI01)、手動(dòng)測(cè)試按鈕反饋信號(hào)(DI02)、繼電器反饋信號(hào)(DI03)、遠(yuǎn)程切除開(kāi)關(guān)反饋信號(hào)(DI04)、壓力開(kāi)關(guān)反饋信號(hào)(DI05)、壓力信號(hào)(DI06)和帶電塞門(mén)反饋信號(hào)(DI07)。

2.3 信號(hào)定義

踏面清掃控制系統(tǒng)工作原理及各功能部件間的信號(hào)交互示意圖見(jiàn)圖3[1]。

圖3 踏面清掃控制系統(tǒng)信號(hào)交互示意圖

2.3.1 硬線(xiàn)信號(hào)

2.3.1.1 控制信號(hào)

(1) 手動(dòng)測(cè)試列車(chē)線(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)列車(chē)踏面清掃裝置的手動(dòng)控制,設(shè)置貫穿列車(chē)的手動(dòng)測(cè)試列車(chē)線(xiàn)。手動(dòng)測(cè)試按鈕(S1)硬線(xiàn)觸點(diǎn)控制手動(dòng)測(cè)試列車(chē)線(xiàn)得/失電,進(jìn)而各車(chē)?yán)^電器(K01)控制施加/緩解電磁閥動(dòng)作。

(2) 遠(yuǎn)程切除信號(hào)。單車(chē)設(shè)置遠(yuǎn)程切除開(kāi)關(guān)S2,通過(guò)硬線(xiàn)控制切除電磁閥得/失電。

2.3.1.2 狀態(tài)反饋信號(hào)

被監(jiān)測(cè)零部件與IO 模塊通過(guò)硬線(xiàn)連接,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋信號(hào)及壓力信號(hào)傳遞。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)

控制單元、IO 模塊、司機(jī)顯示屏(HMI)和健康預(yù)測(cè)管理系統(tǒng)(PHM)均與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)交互(圖3)。

控制單元從列車(chē)網(wǎng)絡(luò)獲取其他外部信號(hào)進(jìn)行控制運(yùn)算,輸出踏面施加/緩解指令(網(wǎng)絡(luò)),其他外部信號(hào)主要包括列車(chē)速度、制動(dòng)指令、制動(dòng)狀態(tài)、滑行、空轉(zhuǎn)和坡道信號(hào)等。

控制單元從列車(chē)網(wǎng)絡(luò)獲取踏面清掃控制系統(tǒng)各部件狀態(tài)反饋信號(hào)及壓力信號(hào),結(jié)合踏面施加/緩解指令(網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行踏面清掃裝置狀態(tài)診斷和故障診斷。

2.4 邏輯設(shè)計(jì)

2.4.1 控制邏輯

根據(jù)列車(chē)速度、制動(dòng)指令、滑行和空轉(zhuǎn)等條件,結(jié)合工程實(shí)際運(yùn)用需求設(shè)計(jì)了以下3種典型踏面清掃控制邏輯,可基于此進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)踏面清掃不同需求[3-5]。

(1) 邏輯1。列車(chē)速度＞設(shè)定速度(如30 km/h)且未施加緊急制動(dòng)時(shí),若車(chē)輛檢測(cè)到滑行,持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定值或車(chē)輛檢測(cè)到空轉(zhuǎn),持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定值滿(mǎn)足其一時(shí),周期性控制輸出踏面施加/緩解指令(如控制施加10 s/緩解10 s,循環(huán)10次)。

(2) 邏輯2。列車(chē)速度＞設(shè)定速度(如30 km/h)且未施加緊急制動(dòng)時(shí),若列車(chē)接收到地面發(fā)送的大坡道信號(hào)[3]或檢測(cè)到常用制動(dòng)施加信號(hào)滿(mǎn)足其一時(shí),周期性控制輸出踏面施加/緩解指令(如控制施加10 s/緩解10 s,至信號(hào)結(jié)束)。

(3) 邏輯3。考慮長(zhǎng)大交路,同時(shí)滿(mǎn)足列車(chē)速度＞設(shè)定速度(如260 km/h)和持續(xù)30 min未觸發(fā)踏面清掃功能時(shí),周期性控制輸出踏面施加/緩解指令(如施加10 s/緩解10 s,循環(huán)16次)。

2.4.2 診斷邏輯

2.4.2.1 狀態(tài)診斷邏輯

(1) 踏面清掃施加。當(dāng)壓力開(kāi)關(guān)(07)觸點(diǎn)閉合且壓力傳感器(06)采集壓力≥設(shè)定值時(shí),踏面清掃為“施加”狀態(tài)。

(2) 踏面清掃緩解。當(dāng)壓力開(kāi)關(guān)(07)觸點(diǎn)斷開(kāi)且壓力傳感器(06)采集壓力＜設(shè)定值時(shí),踏面清掃為“緩解”狀態(tài)。

(3) 踏面清掃切除。當(dāng)遠(yuǎn)程切除開(kāi)關(guān)(S2)置于切除位時(shí)或帶電塞門(mén)(01)置于截?cái)辔粫r(shí),踏面清掃為“切除”狀態(tài)。

2.4.2.2 故障診斷邏輯

(1) 踏面清掃裝置供電斷開(kāi)。當(dāng)供電空開(kāi)(F01)斷開(kāi)時(shí),根據(jù)供電空開(kāi)(F01)反饋信號(hào)(DI01)反饋信號(hào)診斷報(bào)出“踏面清掃裝置供電斷開(kāi)”故障。

(2) 繼電器(K01)故障。當(dāng)“踏面施加/緩解指令(網(wǎng)絡(luò))”(DO)輸出施加指令或手動(dòng)測(cè)試按鈕反饋信號(hào)(DI02)輸出施加指令時(shí),若繼電器反饋信號(hào)(DI03)為0,則診斷報(bào)出“繼電器(K01)故障”。

(3) 踏面清掃未正常施加故障。當(dāng)“踏面施加/緩解指令(網(wǎng)絡(luò))”(DO)輸出施加指令或手動(dòng)測(cè)試按鈕反饋信號(hào)(DI02)輸出施加指令時(shí),若踏面清掃不是“切除”狀態(tài),延時(shí)3 s后,診斷踏面清掃為“緩解”狀態(tài)時(shí),報(bào)出“踏面清掃未正常施加故障”。

(4) 踏面清掃未正常緩解故障。當(dāng)“踏面施加/緩解指令(網(wǎng)絡(luò))”(DO)輸出緩解指令且手動(dòng)測(cè)試按鈕反饋信號(hào)(DI02)輸出緩解指令時(shí),若踏面清掃不是“切除”狀態(tài),延時(shí)3 s后,診斷踏面清掃為“未緩解”狀態(tài)時(shí),報(bào)出“踏面清掃未正常緩解故障”。

(5) 踏面清掃狀態(tài)不可信。當(dāng)壓力開(kāi)關(guān)(07)反饋信號(hào)(DI05)為施加狀態(tài)且壓力傳感器(06)采集壓力＜設(shè)定值時(shí);或壓力開(kāi)關(guān)(07)反饋信號(hào)(DI05)為緩解狀態(tài)且壓力傳感器(06)采集壓力≥設(shè)定值時(shí),報(bào)出“踏面清掃狀態(tài)不可信”。

2.5 手動(dòng)測(cè)試功能

在列車(chē)調(diào)試及庫(kù)檢時(shí),列車(chē)靜止時(shí)對(duì)踏面清掃功能進(jìn)行測(cè)試。手動(dòng)測(cè)試按鈕(S1)采用自復(fù)位開(kāi)關(guān),操作開(kāi)關(guān),電觸點(diǎn)閉合,踏面清掃施加;復(fù)位開(kāi)關(guān),電觸點(diǎn)斷開(kāi),踏面清掃緩解。

2.6 手動(dòng)切除功能

當(dāng)踏面清掃裝置出現(xiàn)故障時(shí),通過(guò)帶電塞門(mén)(01)或遠(yuǎn)程切除開(kāi)關(guān)(S2)可手動(dòng)切除踏面清掃功能。遠(yuǎn)程切除開(kāi)關(guān)(S2)采用旋鈕開(kāi)關(guān)形式,將其置于切除位,電觸點(diǎn)閉合,切除壓縮空氣供應(yīng);將其置于正常位,電觸點(diǎn)斷開(kāi),恢復(fù)壓縮空氣供應(yīng)。

2.7 狀態(tài)及故障顯示

踏面清掃控制系統(tǒng)具有狀態(tài)診斷、故障診斷及顯示功能,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息可視化,方便系統(tǒng)檢修維護(hù)。

控制單元將診斷結(jié)果通過(guò)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)傳遞至司機(jī)顯示屏(HMI)和健康預(yù)測(cè)管理系統(tǒng)(PHM)。

司機(jī)顯示屏根據(jù)自身軟件設(shè)定從列車(chē)網(wǎng)絡(luò)讀取對(duì)應(yīng)信息(監(jiān)控室顯示屏也適用),實(shí)現(xiàn)踏面清掃裝置狀態(tài)信息和故障信息顯示。針對(duì)踏面清掃裝置不同狀態(tài),司機(jī)顯示屏軟件實(shí)現(xiàn)“踏面清掃施加”、“踏面清掃緩解”和“踏面清掃切除”圖形化顯示,具體可根據(jù)用戶(hù)需求定義;故障信息按實(shí)際分級(jí)、分屏等需求進(jìn)行顯示,滿(mǎn)足運(yùn)用及檢修不同角色使用需求。

健康預(yù)測(cè)管理系統(tǒng)也可利用診斷結(jié)果進(jìn)行預(yù)警模型運(yùn)算及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),并將預(yù)測(cè)結(jié)果推送至健康預(yù)測(cè)管理系統(tǒng)地面終端,以提示維護(hù)人員,可用于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修。

3 總結(jié)

本文以目前高速動(dòng)車(chē)組上應(yīng)用的踏面清掃裝置為基礎(chǔ),從踏面清掃控制系統(tǒng)的功能需求出發(fā),設(shè)計(jì)了具備自動(dòng)控制、手動(dòng)測(cè)試、遠(yuǎn)程切除、狀態(tài)診斷和故障診斷等功能的一整套踏面清掃控制系統(tǒng),并詳細(xì)闡述了實(shí)現(xiàn)方案。本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)于完善踏面清掃控制功能及同類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定借鑒和指導(dǎo)意義。