宿偉

摘 要：動車組的輪徑由于正常磨耗或異常擦輪會不斷發(fā)生變化，為避免人工輸入輪徑的煩索、提高動車組速度控制及相關(guān)保護功能的精度，部分動車組具備輪徑自動校準功能。本文介紹了基于速度傳感器計算的軸列車速度，通過與GPS速度對比，進行差值積分的方式，對存儲輪徑值進行校準的方法，介紹了輪徑自動校準設(shè)計應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：輪徑;TCMS系統(tǒng);牽引控制系統(tǒng);自動校準;保護

0 引言

由于動車組車輪正常磨耗或異常擦輪，動車組車輪需定期或不定期的進行鏇修操作。針對實際車輪直徑變化，為保證動車組列車控制管理系統(tǒng)（以下簡稱TCMS系統(tǒng)）或牽引控制系統(tǒng)內(nèi)車輪直徑信息的準確性，保證動車組速度控制、牽引扭矩控制及空轉(zhuǎn)/滑行保護等功能的正確實施，目前動車組控制系統(tǒng)內(nèi)車輪直徑值的更新普遍采用兩種方式：第一種方式是手動輸入方式，即在動車組鏇輪操作后，將記錄實測輪徑值通過人工控制方式寫入動車組控制系統(tǒng)控制單元的EPROM內(nèi)。在下一個鏇輪周期前，不進行輪徑校準工作;另一種方式是自動校準方式，即動車組在滿足一定條件后自動執(zhí)行輪徑校準功能，校準后的輪徑自動存儲至EPROM中。盡管實時自動輪徑校準功能可避免管理流程煩索、提高速度控制精度等優(yōu)點，但存在啟動條件、校準功能參數(shù)等設(shè)置不合適時易造成輪徑校準錯誤，造成牽引力無法精確分配、誤報輪徑超差或錯誤觸發(fā)防滑/防空轉(zhuǎn)保護等問題。本文對自動輪徑校準功能設(shè)計中需注意的問題進行了簡要分析，并提出了車載軟件設(shè)計時的防控措施。

1 功能介紹

以車載牽引系統(tǒng)為例 ，動車組牽引系統(tǒng)的軸速是牽引控制單元根據(jù)每個軸速度傳感器采集的轉(zhuǎn)動頻率和牽引控制系統(tǒng)內(nèi)存儲的輪徑值，計算得出每個軸對應(yīng)的列車速度V牽引軸列車速度。牽引控制系統(tǒng)一方面將該速度發(fā)給TCMS，使TCMS利用牽引系統(tǒng)所提供的所有軸的列車速度，及其它速度傳感器采集的軸列車速度，得到用于TCMS速度控制的列車速度VTCMS列車速度;另一方面牽引系統(tǒng)采用該速度在系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行輪徑的自動校準功能。

具體輪徑自動校準的過程為：在牽引系統(tǒng)內(nèi)對計算的牽引軸列車速度（V牽引軸列車速度）與GPS列車速度（VGPS列車速度）的差值進行積分，并將積分結(jié)果對目前已存儲的輪徑進行補償，使?fàn)恳到y(tǒng)根據(jù)存儲輪徑計算的軸列車速度無限接近于GPS列車速度，進而使?fàn)恳到y(tǒng)的輪徑無限接近于真實輪徑。上述控制采用閉環(huán)控制方式，自動輪徑校準的過程如下圖1所示。

2 自動校準的常見問題及防控方案

基于存儲輪徑計算的牽引軸列車速度對TCMS速度控制、牽引系統(tǒng)控制及保護等起著非常重要的作用。一方面，由于牽引系統(tǒng)內(nèi)計算的牽引軸列車速度V牽引軸列車速度已發(fā)給TCMS系統(tǒng)，其根據(jù)牽引系統(tǒng)所提供的所有牽引軸列車速度，及其它系統(tǒng)速度傳感器采集的軸列車速度，計算得到用于TCMS速度控制的列車速度VTCMS列車速度， 因此基于輪徑的V牽引軸列車速度影響著TCMS對VTCMS列車速度的速度控制的準確性。另一方面，牽引系統(tǒng)基于存儲的輪徑值，對牽引/制動轉(zhuǎn)矩進行計算和分配。同時，基于VTCMS列車速度和V牽引軸列車速度的比較，對牽引空轉(zhuǎn)/滑行的保護功能，并對同一動力轉(zhuǎn)向架內(nèi)的輪徑差進行監(jiān)控和功率補償，避免架控系統(tǒng)內(nèi)某一臺牽引電機負載分配差值過大導(dǎo)致電機超溫。

考慮到輪徑對動車組控制的重要性，在設(shè)置自動校準功能的動車組內(nèi)，應(yīng)對自動校準功能的參數(shù)進行正確設(shè)定，并對可能出現(xiàn)的問題采取防控措施。

2.1 允許校準的條件

動車組在進行自動校準的過程中，應(yīng)盡量保證動車組不受外力作用，使動車組在校準過程中速度變化盡量小，保證校準的準確性。為達到此目的，一方面，需提示司機輪徑校準應(yīng)在平直道進行，避免坡道阻力和曲線阻力對正確校準的影響，另一方面，TCMS應(yīng)主動利用監(jiān)控到的信號，僅當(dāng)動車組滿足設(shè)定條件后方才允許進行輪徑校準。以CRH1A平臺動車組為例，為防止外力對輪徑校準準確性的影響，將1）動車組牽引/制動力參考值<5%;2）動車組車未施加摩擦制動;3）加速度/減速度<0.05 m/s2;4）主控手柄在“0”位;5）GPS信號有效等做為執(zhí)行自動輪徑校準的始能條件。

動車組的運行速度同樣對校準的準確性影響很大，一方面速度過高導(dǎo)致即使平直道惰行，速度下降較大，影響校準結(jié)果的準確性;另一方面速度較小導(dǎo)致在低速過道岔時誤觸發(fā)校準功能，導(dǎo)致彎道校準影響結(jié)果的正確性。以CRH1A平臺動車組為例，早期允許進行輪徑自動校準的速度為30 km/h至130 km/h，但某些限速過道岔時，司機按要求手柄置0位低速（約60 km/h）通過，其誤觸發(fā)自動輪徑校準功能。由于道岔的曲線阻力影響，導(dǎo)致自動校準后結(jié)果錯誤。為此，目前所有CRH1A平臺動車組均已升級軟件，將允許進行輪徑自動校準的速度調(diào)整為90 km/h至130 km/h。

由于動車組在有火回送時易滿足自動輪徑校準的條件，因此為避免在此工況下誤觸發(fā)自動校準功能，應(yīng)在“回送模式”下禁止自動校準功能。

2.2 校準速度和輪徑存儲時間的設(shè)置

當(dāng)動車組由于重刷控制系統(tǒng)軟件，導(dǎo)致其EPROM內(nèi)存儲的正確輪徑丟失時，控制系統(tǒng)一般將EPROM內(nèi)輪徑設(shè)置為最大值、半磨耗值或最小值。無論設(shè)置為哪一個數(shù)值，均存在其與實際輪徑相差較大的可能，為此在圖1的校準邏輯中，設(shè)置的不同的校準速度，實現(xiàn)存在較大輪徑偏差（速度差）時粗略快速校準，較小輪徑偏差（速度差）時精確較準的目的。

由于輪徑自動校準功能通過軟件實現(xiàn)，而軟件內(nèi)所有信號按固定的MVB/WTB的周期進行更新，因此在軟件內(nèi)一個掃描周期內(nèi)將完成一次校準，此周期校準后的輪徑值用于下一個掃描周期校準的輸入。由于實際運行過程中，輪徑不可能產(chǎn)生很大的突變，因此為保證輪徑校準的正確性，基于牽引系統(tǒng)軟件內(nèi)自動校準的

周期執(zhí)行方式，一方面可在軟件內(nèi)對用于校準的目標差值進行最大值限速，避免由于速度差值輸入過大錯誤導(dǎo)致校準錯誤，另一方面應(yīng)正確設(shè)定校準速度，保證每次校準的值與動車組實際可能產(chǎn)生的輪徑差值及動車組技術(shù)條件要求的輪徑范圍相對應(yīng)。同時應(yīng)對校準后、EPROM存儲前執(zhí)行掃描周期的數(shù)量進行合理設(shè)計，采信在持續(xù)條件下校準值，保證校存儲結(jié)果的準確性和合理性。以CRH380D平臺動車組為例，牽引系統(tǒng)快速校準的速度為2 mm/s，慢速校準的速度為0.5 mm/s。

2.3 輪徑相關(guān)的保護功能

目前，動車組牽引系統(tǒng)內(nèi)輪徑相關(guān)的保護功能主要包括：防滑/空轉(zhuǎn)保護功能、輪徑不在正常范圍內(nèi)、輪徑差大等。

2.3.1 防滑/空轉(zhuǎn)保護功能

當(dāng)牽引系統(tǒng)檢測到的軸速與TCMS計算的列車速度差別較大，牽引系統(tǒng)通過自診斷方式，識別該軸處于空轉(zhuǎn)/滑行狀態(tài)，即：

（1）制動工況下，如果動車組牽引系統(tǒng)的某軸的V牽引軸列車速度遠低于VTCMS列車速度，牽引系統(tǒng)判斷為該軸滑行;

（2）牽引工況下，如果動車組牽引系統(tǒng)的某軸的V牽引軸列車速度遠高于VTCMS列車速度，牽引系統(tǒng)判斷為該軸空轉(zhuǎn)。

當(dāng)檢測到空轉(zhuǎn)/滑行后，牽引系統(tǒng)可要求電機變流器執(zhí)行限功率輸出操作。若限制功率后滑行/空轉(zhuǎn)持續(xù)存在，報防滑/空轉(zhuǎn)故障，電機變流器自動停機。

2.3.2 輪徑不在正常范圍內(nèi)

在牽引系統(tǒng)進行自動輪徑校準的過程中，若校準過程中由于某種原因輪徑校準后的結(jié)果超過最大值或最小值（如CRH380D平臺動車組輪徑超出850 mm～920 mm范圍）。

2.3.3 輪徑差大

針對架控的牽引系統(tǒng)來說，同一轉(zhuǎn)向架下的2臺牽引電機由同一個電機變流器供電。當(dāng)同一轉(zhuǎn)向架下的2個軸的輪徑差較大時，同一轉(zhuǎn)向架的2臺電機的實際輸出功率會有較大差異。以CRH380D動車組為例，當(dāng)同一轉(zhuǎn)向架下的2個軸的輪徑差為3 mm時，2臺電機的溫升相差約35 K，如下圖2所示。

2.4 輪徑錯誤時防控措施

通過以上對牽引系統(tǒng)輪徑自動校準功能的介紹及動車組的相關(guān)保護功能的分析，除動車組輪徑自動校準功能設(shè)計時應(yīng)對相關(guān)設(shè)計參數(shù)進行仔細推敲、反復(fù)驗證外，為避免輪徑校準錯誤對動車組運營秩序的影響，建議還應(yīng)在輪徑校準錯誤時采取以下防控措施：

（1）動車組的防滑/防空轉(zhuǎn)保護功能應(yīng)設(shè)置合理的速度差，避免由于錯誤報出防滑/防空轉(zhuǎn)故障導(dǎo)致動車組無法繼續(xù)低速駕駛、無法進行新一輪的輪徑自動校準工作。

（2）當(dāng)動車組輪徑自動校準的過程中，無論由于何種原因?qū)е滦式Y(jié)果超過允許范圍，牽引系統(tǒng)將不存儲實際計算值，而是存儲默認值。在此情況下，一方面建議動車組診斷系統(tǒng)報出“輪徑不合格”，提示司機重新進行輪徑校準。另一方面牽引系統(tǒng)軟件應(yīng)允許限功率運行（建議至少允許50%功率輸出），允許動車組開始新一輪的輪徑自動校準工作。

（3）動車組一般在TCMS內(nèi)判斷使能條件，通過MVB發(fā)給牽引系統(tǒng)，因此牽引系統(tǒng)收到使能結(jié)束的時間會晚于TCMS判斷的允許輪徑校準的結(jié)束時間。因此牽引系統(tǒng)通過始能結(jié)束信號結(jié)束輪徑校準完成時，牽引系統(tǒng)應(yīng)充分考慮TCMS使能條件存在信號傳遞延時。根據(jù)經(jīng)驗及MVB傳輸時間估算，一般認為在牽引系統(tǒng)收到始能結(jié)束前的2s內(nèi)的輪徑校準值容易存在錯誤，因此建議牽引系統(tǒng)存儲輪徑校準結(jié)束前2 s的輪徑值。

（4）針對同一轉(zhuǎn)向架的2個軸的輪徑在通過曲線時誤觸發(fā)自動輪徑較準功能，易導(dǎo)致同一轉(zhuǎn)向架內(nèi)輪徑超差問題，由于此工況僅可能影響部分轉(zhuǎn)向架，輪徑校準錯誤后可繼續(xù)駕駛動力分散動車組繼續(xù)運行，進行下一次輪徑校準，因此不建議在此種情況下禁止變流器故障時有功率輸出。建議按既有的輪徑差功率限制功能實施即可，此時可保證在正?；虍惓９r下，牽引電機溫升均控制在允許的圍內(nèi)，牽引系統(tǒng)可最大程度的發(fā)揮動車組的牽引力繼續(xù)運行。

3 結(jié)束語

上述動車組輪徑自動校準的概念，實際上是基于速度傳感器采集的實際軸頻率，根據(jù)控制系統(tǒng)內(nèi)已存儲的輪徑值計算出的軸列車速度，通過與GPS速度差值比較和進行差值積分的方式，不斷對存儲輪徑值進行修正的閉環(huán)控制方法。該方法適用于車載控制系統(tǒng)內(nèi)需要進行速度控制的系統(tǒng)，如TCMS系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)等。

在進行輪徑自動校準的設(shè)計中，需充分考慮內(nèi)因（校準速度、校準最短持續(xù)時間、系統(tǒng)信號傳輸延時等）和外因（速度、坡道、曲線、GPS可信度等）的影響，并采取主動的容錯手段，保證動車組輪徑在實現(xiàn)自動控制的同時，降低自動控制出現(xiàn)錯誤的幾率并降低故障時對動車組運用的影響。

參考文獻：

[1]石琪.基于GPS的城際列車輪徑校準原理及檢修[J].設(shè)備管理與檢修，2018（12）：65-66.

[2]王開團.CRH380D型動車組[M].中國鐵道出版社，2019.

[3]吳昕慧.基于多傳感器信息融合的軌道交通列車輪徑校正方法[J].城市軌道交通研究，2015（6）：21-27.

[4]劉江.基于灰色理論的列車組合定位輪徑校準方法研究[J].鐵道學(xué)報，2011（5）：54-59.

[5]劉杰.CRH1A-A型動車組[M].中國鐵道出版社，2021.

[6]路小娟.動車組控制技術(shù)[M].西南交通大學(xué)出版社，2011.

[7]宋雷鳴.動車組傳動與控制[M].中國鐵道出版社，2009.

[8]張曙光.CRH1型動車組[M].中國鐵道出版社，2008.