城轨及动车组车辆轮对转向判别方式的改进和运用
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摘 要：文章在分析原有轮对转向判别方式后，提出一种新的轮对转向判别方式，并对此方式在城轨及动车组车辆上的使用进行研究和验证，提出运用的方法，解决了轮对转向判别的技术难点，提升判别效率和可靠性。
关键词：牵引电机;转向判别;联轴节;倾角传感器
中图分类号：U266 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）11-0114-03
Abstract： Based on the analysis of the original wheelset steering discrimination mode，this paper proposes a new wheelset steering discrimination mode， studies and verifies the use of this mode on urban rail and EMU vehicles，and puts forward the method of application，which solves the technical difficulties of wheelset steering discrimination and improves the efficiency and reliability of discrimination.
Keywords： traction motor; steering discrimination; coupling; incination sensor
引言
城轨车辆旅行速度高、載客能力大的特点，要求其必须具有大编组、多动力的能力，多编组、动力分散已经是轨道车辆发展的趋势。为满足多编组列车动力性能要求，车辆的牵引系统一般于各节车辆上分散布置，分别给每台动车的四台牵引电机供电，牵引电机则采用三相供电方式。如果其中一个或多个电机的三相线接线错误，在运行过程中就会造成电机烧损。所以，为了确保列车转向符合列车控制系统的要求，在运行前需正确判别每个电机的转向情况。
1 轮对转向判别方式
目前，国内有两种方式判别列车轮对转向的一致性，具体如下。
1.1 架车转轮判别方式
为判别整列车轮对转向，需要使用架车机将所有动车架起，之后将车辆分别落在工装上，再进行整列车牵引操作，使列车轮对悬空旋转，以验证所有轮对的转向是否正确。
由于架车机数量和同步性限制，只能将架起的节车落在工装上，再将架车机撤去，用于下一节车架车。城轨及动车组车辆转向架结构多样，所以需要不同形式的工装满足架车的要求，架车机及架车工装的采购及维护成本高。一列常规6节编组4动2拖的列车，需要重复架落车4次才能完成转轮试验，并且至少需要6名试验操作人员配合进行，试验人员的劳动强度高，耗时长，效率低。并且，在列车不解编的情况下，分节架车可能对车钩和贯通道有损伤。
1.2 人工触摸联轴节判别方式
由于转向架齿轮箱中的齿轮有间隙，列车在启动时，电机会带动电机与齿轮箱之间的联轴节动作，操作人员可以用手触摸联轴节的方式感受电机转动的方向，结合齿轮箱的传动方式，可以间接判断出轮对的转向。
但是，以一列常规6节编组4动2拖的列车为例，一般每节动车有4个电机，每次向前或向后试验时，需人工触摸16次联轴节才能全部验证完成，操作列车启停的次数多，工作效率低。并且，由于联轴节齿轮间隙的不确定性，人工判断转向易造成误判的现象。人员在列车底部操作，在列车启停的过程中，也具有较高的安全风险。
根据上述轮对转向判别的两种方式，可以看出，目前面临着试验效率低、设备成本高、劳动强度大、准确度低和安全风险高等诸多问题，对现有试验方式的改进迫切性较高。
2 新型轮对转向判别方式的提出
由于牵引电机在组装完成后，其内部电路无法拆开进行检查，为了判别三相线接线是否正确，便要寻找可以直观观察其旋转方向的方法。牵引电机到轮对之间的部件有联轴节和齿轮箱，由于齿轮箱内的齿轮有间隙，当车轮抱死施加牵引使电机转动时，会使齿轮间隙咬合紧密，从而使联轴节发生微小的转动，产生一定的角度，可以通过判别联轴节的转动方向进而确认轮对的转动方向。
3 转向识别系统的原理和组成
为了判别联轴节微小的转动，需要使用包含高精度倾角传感器和对应判别逻辑在内的一套转向识别系统。首先可将倾角传感器安装至联轴节上，找起始静态平衡位置后，启动电机使传感器转动，传感器采集到的数据会出现逐渐增大的趋势，由于联轴节转动和齿轮间隙有关，电机启动和停止过程中，联轴节转动的角度变化也有很多不确定性，需要通过判别转动趋势的变化规律，找到确认转向的方法。
转向识别系统的基本功能是通过转向采集器采集电机转向倾角数据，通过无线传输的方式与手持机通信，手持机上位机软件通过数据分析实现电机转向的判断。
以4动2拖的列车为例，整列车有16个牵引电机，在启动试验前，需要将16个转向采集器分别安装到电机联轴节处。在启动试验过程中，联轴节转向的状态就会在手持机上显示出来，并实现判断功能。转向识别系统组成如图1所示。
系统主要功能如下：
（1）转向数据采集：实现对电机转向微小角度的实时测量，为便于安装至联轴节上，设计成为磁铁吸附形式。
（2）无线传输通信：主要完成转向采集器与手持机之间的无线数据传输通信，系统采用ZigBee无线通信方式。
（3）数据处理：对采集器传输至上位机的转向数据进行转向判断。 （4）试验结果显示与判断：手持机运行的软件实现电机转向的显示，启动试验结束后，判断转向结果。
4 转向识别系统的运用及测试
4.1 手持机终端主界面介绍
手持机终端界面即为打开软件的主界面，详见图2所示。
4.2 系统测试步骤
（1）手持机开机，打开手持机上位机软件，选择相应编组形式，如“2D1T”，点击确定按钮，选择试验的列车车厢号和转向采集器模块数量。
（2）转向采集器开机，并处于相对静止状态，点击初始化，进行手持机和采集器间的无线连接，连接完成后显示每个采集器的状态。
（3）转向采集器通过底部的磁铁直接吸附到联轴节处，箭头指向1车位置，采集器安装时应按照编号顺序从1端开始逐个轴顺次安装，安装方式如下图3所示。
（4）将列车停放制动施加，并旁路牵引信号，以便牵引系统可以收到牵引指令来驱动牵引电机动作。手持机上选择1端主控前向试验，点击“开始试验”，操作列车1端牵引手柄，施加10%～15%牵引，列车保持静止，持续3s，牵引手柄回零，手持机上点击“确定”。
（5）手持机输出测试结果，测试结果显示正转，测试通过，如图4所示。
4.3 系统判别逻辑
牵引电机带动联轴节转动的转向工况较为复杂， 首先需确认查找出静态点，对干扰数据进行过滤，再通过合适的阈值进行判断。系统转向曲线图如图5所示。
系统判别逻辑如图6所示。
图6可以看出，所有采集器的平衡位置确定后，可以根据寻找转向曲线图的规律进行向前或向后的判别。
由于联轴节转动和齿轮箱齿轮间隙有关，正常情况下，联轴节转动时，曲线会表现出连续上升或下降的工况。但是，在启动试验过程中还出现了联轴节不确定性的转动现象，在牵引起始和终止阶段，存在联轴节短暂反转的现象，为了过滤这一反转，并且排除自由状态下的角度突变偏移，确定了动阈值和动次数为判别标准。
经过多次采样测试，最终确定采样数据与平衡位置的数据差值大于动阈值（95），且点数达到动次数（20），判断为正转;采样数据与平衡点数据差值大于动阈值（-95），且点数达到动次数（20），判断为反转;否则静止。数值95为角度转换量，动阈值1个单位对应0.0028度。后经多次测试，均可正确判断出电机转向。
5 转向识别系统的运用经验
经过长时间的运用及总结，为了提高转向识别系统判别的准确性，综合试验安全因素，做出如下规范性要求。
（1）试验列车应位于平直轨道上，且前后两个方向均应放置止轮器。
（2）试验列车前后至少应有2m轨道距离，且轨道范围内无其他物体存在，便于异常动车后留有安全距离进行应急停车处理。
（3）试验时列车底架、車顶和两旁1m内不得有人员进入。
（4）完成一次试验后，将所有采集器全部顺移一个位置，重复进行试验，试验结果应一致。此方式可以排除单个采集器故障导致的误判情况。
（5）由于系统判别的是联轴节的转向，齿轮箱传动级性的不同会改变轮对旋转的方向，上位机软件设置了齿轮箱传动方式的选择，在试验时应选择正确的齿轮箱传动方式。
（6）牵引时，操作者应施加10%～15%牵引，使电机有持续的运转声。列车如开始移动，则应立即施加制动停车。
6 结束语
本文对原有轮对转向判别方式的弊端进行了分析说明，提出采用了一种新型判别方式，通过各项试验验证确定其判别参数，并且完成了89列城轨及动车组车辆的试验验证，验证结果全部通过，现已投入正式使用。转向识别系统的使用，提升了试验效率，降低了劳动强度，节省了原有设备的采购和维护成本，已经广泛运用于城轨及动车组车辆的轮对转向判别试验。
参考文献：
[1]姚开春.动车组牵引电机非接触式转向识别系统设计[D].西南交通大学，2016.
[2]唐宏，谢静，等.无线传感器网络原理与应用[M].人民邮电出版社，2010.
[3]马晓飞.短距离无线通信技术综述[J].科学与信息化，2017（23）：27-28.
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