高速动车组踏面清扫控制系统设计.pdf

文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 5-0 0 6 6-0 5高速动车组踏面清扫控制系统设计马 兵,马永靖,张笑凡,李 松(中车长春轨道客车股份有限公司 转向架研发部,吉林 长春 1 3 0 0 6 2)摘 要:高速动车组普遍配置踏面清扫装置,用于改善车轮踏面状态。施加踏面清扫力时对踏面上的异物进行清除,对踏面微小机械损伤进行修复,提升轮轨黏着系数,降低列车冲击、振动,抑制车轮转动噪声。文章从踏面清扫装置的功能需求出发,系统介绍了踏面清扫装置的组成和工作原理,重点阐述了踏面清扫信号设计、控制逻辑、手动测试、远程切除、故障诊断和信息显示等一整套控制系统解决方案。控制逻辑基于列车速度、制动指令、滑行、空转、线路条件和时间等参数设计,可根据工程实际需求进行参数优化;手动测试和远程切除功能大大简化了踏面清扫日常功能测试和故障应急处置工作;故障诊断功能可实时监测系统状态并进行故障诊断,实现故障信息、状态信息可视化显示,并将信息推送至健康预测管理系统(P HM)地面终端。该方案提升了踏面清扫功能的有效性和可靠性,提高了控制系统的智能化水平,便于踏面清扫装置实现健康预测管理和状态修。关键词:动车组;踏面清扫;工作原理;控制逻辑;诊断逻辑中图分类号:U 2 7 0.3 3 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 5.0 1 1收稿日期:2 0 2 1-0 9-0 8;修回日期:2 0 2 3-0 6-0 6第一作者:马 兵(1 9 9 1),男,工程师。通信作者:马永靖(1 9 8 2),男,硕士,正高级工程师。D e s i g n o f T r e a d C l e a n i n g C o n t r o l S y s t e m f o r H i g h-s p e e d EMU sMA B i n g,MA Y o n g j i n g,Z HANG X i a o f a n,L I S o n g(B o g i e R&D D e p a r t m e n t,C R R C C h a n g c h u n R a i l w a y V e h i c l e C o.,L t d.,C h a n g c h u n 1 3 0 0 6 2,C h i n a)A b s t r a c t:H i g h-s p e e d EMU s a r e g e n e r a l l y e q u i p p e d w i t h t r e a d c l e a n i n g d e v i c e s t o i m p r o v e w h e e l t r e a d s t a t u s.T h e t r e a d i s a p p l i e d w i t h c l e a n i n g f o r c e t o r e m o v e t h e f o r e i g n m a t t e r,r e p a i r t h e m i c r o-m e c h a n i c a l d a m a g e,i m p r o v e t h e w h e e l-r a i l a d h e s i o n c o e f f i c i e n t,r e d u c e t h e t r a i n i m p a c t a n d v i b r a t i o n,a n d s u p p r e s s t h e w h e e l r o t a t i o n n o i s e.S t a r t i n g f r o m t h e f u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s o f t h e t r e a d c l e a n i n g d e v i c e,t h i s p a p e r s y s t e m a t i c a l l y i n t r o d u c e s t h e c o m p o s i t i o n a n d w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e t r e a d c l e a n i n g d e v i c e,a n d e m p h a t i c a l l y e x p o u n d s a c o m p l e t e s e t o f c o n t r o l s y s t e m s o l u t i o n s s u c h a s t r e a d c l e a n i n g s i g n a l d e s i g n,c o n t r o l l o g i c,m a n u a l t e s t,r e m o t e c u t-o f f,f a u l t d i a g n o s i s a n d i n f o r m a t i o n d i s p l a y.T h e c o n t r o l l o g i c i s d e s i g n e d b a s e d o n t r a i n s p e e d,b r a k i n g c o mm a n d,s l i d i n g,i d l i n g,l i n e c o n d i t i o n s a n d t i m e,a n d c a n b e o p t i m i z e d a c c o r d i n g t o t h e a c t u a l n e e d s o f t h e p r o j e c t.M a n u a l t e s t a n d r e m o t e c u t-o f f f u n c t i o n s g r e a t l y s i m p l i f y t h e d a i l y f u n c t i o n a l t e s t a n d f a u l t e m e r g e n c y t r e a t m e n t o f t r e a d c l e a n i n g.F a u l t d i a g n o s i s f u n c t i o n c a n m o n i t o r t h e s y s t e m s t a t u s i n r e a l t i m e a n d c a r r y o u t f a u l t d i a g n o s i s,r e a l i z e v i s u a l d i s p l a y o f f a u l t i n f o r m a t i o n a n d s t a t u s i n f o r m a t i o n,a n d p u s h t h e i n f o r m a t i o n t o t h e g r o u n d t e r m i n a l o f p r o g n o s t i c a n d h e a l t h m a n a g e m e n t(P HM).T h i s s c h e m e i m p r o v e s t h e e f f e c t i v e n e s s a n d r e l i a b i l i t y o f t h e t r e a d c l e a n i n g f u n c t i o n,r a i s e s t h e i n t e l l i g e n t l e v e l o f t h e c o n t r o l s y s t e m,a n d f a c i l i t a t e s t h e h e a l t h p r e d i c t i o n m a n a g e m e n t a n d c o n d i t i o n-b a s e d r e p a i r o f t r e a d c l e a n i n g d e v i c e.K e y w o r d s:EMU;t r e a d c l e a n i n g;w o r k i n g p r i n c i p l e;c o n t r o l l o g i c;d i a g n o s i s l o g i c 我国高速动车组基础制动普遍采用盘形制动装置,相比踏面制动装置,除提高了制动效率外,还可避免摩擦制动力对车轮踏面产生磨耗和热机械损伤。但66 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第5期2 0 2 3年1 0月 采用盘形制动装置后由于缺少对车轮踏面异物清扫和微小机械损伤的修复,当车轮踏面状态不良时,易出现轮轨黏着系数降低、车轮多边形等异常问题,直接影响车辆的牵引/制动性能,并加剧轮轨间的振动和噪声。为解决上述问题,我国新研发的高速动车组普遍配置踏面清扫装置,通过控制研磨子在车轮踏面施加一个适当的摩擦力达到以下目标1-1 0:(1)清扫车轮踏面附着的水、油、落叶等杂质,避免附着物降低轮轨黏着系数;(2)摩擦产生的金属颗粒能够增加车轮踏面的粗糙度,提升轮轨黏着系数;(3)修复车轮踏面微小裂纹、剥离,修正车轮踏面形状,降低列车冲击、振动,抑制车轮转动噪声。踏面清扫装置对保障动车组的正常运用起到了重要作用,但目前在用踏面清扫装置普遍缺少手动测试、远程切除、状态诊断和故障诊断等功能,对其使用维护带来不便。近年来,随着列车网络系统传输能力的提高,为踏面清扫控制系统功能的完善提供了必要条件。在此基础上,本文提出了一整套踏面清扫控制系统解决方案,可提高踏面清扫的有效性和可靠性,提高控制系统的智能化水平,便于实现踏面清扫装置状态修,具有重要的工程实际意义。1 功能要求结合高速动车组运用需求,踏面清扫装置除了具有既有功能外,还应能实现以下功能:(1)动车组运行时,踏面清扫装置可根据车辆软件设定控制逻辑,自动施加/缓解踏面清扫力;(2)具备手动测试功能,可通过测试按钮控制施加/缓解踏面清扫力,实现踏面清扫功能测试;(3)具备手动切除功能,可通过远程切除开关或带电塞门切断压缩空气供应,实现切除踏面清扫的功能;(4)可监测踏面清扫施加、缓解、切除和关键部件状态等信息,进行故障诊断,上传相关信息并在司机显示屏(HM I)上 显 示,也 可 通 过 健 康 预 测 管 理 系 统(P HM)进行数据分析、故障预测。2 设计方案2.1 组成及气路原理踏面清扫装置由踏面清扫控制模块和清扫器组成。踏面清扫控制模块接收中央控制单元(C C U)输出的指令,控制输出压缩空气,并将工作状态反馈给C C U,由C C U对踏面清扫控制装置进行状态监控和故障诊断。图1为踏面清扫控制模块气路原理图。如图1所示,踏面清扫控制模块由带电塞门(0 1)、气控活塞阀(0 2)、切除电磁阀(0 3)、减压阀(0 4)、施加/缓解电磁阀(0 5)、压力传感器(0 6)、压力开关(0 7)、测试接口(0 8)、缩孔(0 9)和截断塞门(1 0、1 1)等组成。图1 踏面清扫控制模块气路原理图进行踏 面 清 扫 时,C C U控 制 施 加/缓 解 电 磁 阀(0 5)得电,导通A 1至A 2的气路,总风管压缩空气通过带电塞门(0 1)、气控活塞阀(0 2)、减压阀(0 4)(将总风压力减压至踏面清扫器工作压力)、施加/缓解电磁阀(0 5)进入踏面清扫器,推动踏面清扫器上的研磨子与车轮踏面接触,施加踏面清扫力。C C U控制施加/缓解电磁阀(0 5)失电,导通A 2至A 3的气路,此时踏面清扫器气缸内的压缩空气通过A 3口排向大气,踏面清扫器上的研磨子与车轮踏面分离,撤除踏面清扫力。踏面清扫切除指令使切除电磁阀(0 3)得电控制A 1至A 2通路导通,总风管压缩空气通过切除电磁阀(0 3)控制气控活塞阀(0 2)关闭其A 1至A 2通路,切断踏面清扫供风,用于实现远程切除踏面清扫功能。另外,带电塞门(0 1)也可用于手动切除踏面清扫供风。压力传感器(0 6)和压力开关(0 7)用于采集压力信息和压力状态;测试接口(0 8)用于外接压力表调试系统功能;缩孔(0 9)防止下游管路破裂导致压缩空气大量泄漏,影响总风管压力;截断塞门(1 0、1 1)可对单独一个转向架的踏面清扫器供风进行截断。2.2 电气原理踏面清扫控制电气原理示意图见图2。由图2可知:(1)控制单元输出“踏面施加/缓解指令(网络)”(D O)控制继电器(K 0 1)动作,使施加/缓解电磁阀得电/失电,实现踏面清扫的自动控制;(2)操作手动测试按钮(S 1)控制继电器(K 0 1)动作,使施加/缓解电磁阀动作,实现踏面清扫手动测试76 高速动车组踏面清扫控制系统设计 马 兵,马永靖,张笑凡,李 松功能;(3)操作远程切除开关(S 2)控制切除电磁阀得电,实现踏面清扫远程切除功能;(4)设置网络I O模块,采集各部件的状态反馈信号,包括供电空开(F 0 1)反馈信号(D I 0 1)、手动测试按钮反馈信号(D I 0 2)、继电器反馈信号(D I 0 3)、远程切除开关反馈信号(D I 0 4)、压力开关反馈信号(D I 0 5)、压力信号(D I 0 6)和带电塞门反馈信号(D I 0 7)。图2 踏面清扫控制电气原理示意图2.3 信号定义踏面清扫控制系统工作原理及各功能部件间的信号交互示意图见图31。图3 踏面清扫控制系统信号交互示意图2.3.1 硬线信号2.3.1.1 控制信号(1)手动测试列车线。为实现列车踏面清扫装置的手动控制,设置贯穿列车的手动测试列车线。手动测试按钮(S 1)硬线触点控制手动测试列车线得/失电,进而各车继电器(K 0 1)控制施加/缓解电磁阀动作。(2)远程切除信号。单车设置远程切除开关S 2,通过硬线控制切除电磁阀得/失电。2.3.1.2 状态反馈信号被监测零部件与I O模块通过硬线连接,实现状态反馈信号及压力信号传递。2.3.2 网络信号控制单元、I O模块、司机显示屏(HM I)和健康预测管理系统(P HM)均与列车网络系统通信,实现网络信号交互(图3)。控制单元从列车网络获取其他外部信号进行控制运算,输出踏面施加/缓解指令(网络),其他外部信号主要包括列车速度、制动指令、制动状态、滑行、空转和坡道信号等。控制单元从列车网络获取踏面清扫控制系统各部件状态反馈信号及压力信号,结合踏面施加/缓解指令(网络)进行踏面清扫装置状态诊断和故障诊断。2.4 逻辑设计2.4.1 控制逻辑根据列车速度、制动指令、滑行和空转等条件,结合工程实际运用需求设计了以下3种典型踏面清扫控制逻辑,可基于此进行扩展设计,以实现踏面清扫不同需求3-5。(1)逻辑1。列车速度设定速度(如3 0 k m/h)且未施加紧急制动时,若车辆检测到滑行,持续时间超过设定值或车辆检测到空转,持续时间超过设定值满足其一时,周期性控制输出踏面施加/缓解指令(如控制施加1 0 s/缓解1 0 s,循环1 0次)。(2)逻辑2。列车速度设定速度(如3 0 k m/h)且未施加紧急制动时,若列车接收到地面发送的大坡道信号3或检测到常用制动施加信号满足其一时,周期性控制输出踏面施加/缓解指令(如控制施加1 0 s/缓解1 0 s,至信号结束)。(3)逻辑3。考虑长大交路,同时满足列车速度设定速度(如2 6 0 k m/h)和持续3 0 m i n未触发踏面清扫功能时,周期性控制输出踏面施加/缓解指令(如施加1 0 s/缓解1 0 s,循环1 6次)。2.4.2 诊断逻辑2.4.2.1 状态诊断逻辑(1)踏面清扫施加。当压力开关(0 7)触点闭合且压力传感器(0 6)采集压力设定值时,踏面清扫为“施加”状态。(2)踏面清扫缓解。当压力开关(0 7)触点断开且压力传感器(0 6)采集压力设定值时,踏面清扫为“缓解”状态。(3)踏面清扫切除。当远程切除开关(S 2)置于切86铁道车辆 第6 1卷第5期2 0 2 3年1 0月 除位时或带电塞门(0 1)置于截断位时,踏面清扫为“切除”状态。2.4.2.2 故障诊断逻辑(1)踏面清扫装置供电断开。当供电空开(F 0 1)断开时,根据供电空开(F 0 1)反馈信号(D I 0 1)反馈信号诊断报出“踏面清扫装置供电断开”故障。(2)继电器(K 0 1)故障。当“踏面施加/缓解指令(网络)”(D O)输出施加指令或手动测试按钮反馈信号(D I 0 2)输出施加指令时,若继电器反馈信号(D I 0 3)为0,则诊断报出“继电器(K 0 1)故障”。(3)踏面清扫未正常施加故障。当“踏面施加/缓解指令(网络)”(D O)输出施加指令或手动测试按钮反馈信号(D I 0 2)输出施加指令时,若踏面清扫不是“切除”状态,延时3 s后,诊断踏面清扫为“缓解”状态时,报出“踏面清扫未正常施加故障”。(4)踏面清扫未正常缓解故障。当“踏面施加/缓解指令(网络)”(D O)输出缓解指令且手动测试按钮反馈信号(D I 0 2)输出缓解指令时,若踏面清扫不是“切除”状态,延时3 s后,诊断踏面清扫为“未缓解”状态时,报出“踏面清扫未正常缓解故障”。(5)踏面清扫状态不可信。当压力开关(0 7)反馈信号(D I 0 5)为施加状态且压力传感器(0 6)采集压力设定值时;或压力开关(0 7)反馈信号(D I 0 5)为缓解状态且压力传感器(0 6)采集压力设定值时,报出“踏面清扫状态不可信”。2.5 手动测试功能在列车调试及库检时,列车静止时对踏面清扫功能进行测试。手动测试按钮(S 1)采用自复位开关,操作开关,电触点闭合,踏面清扫施加;复位开关,电触点断开,踏面清扫缓解。2.6 手动切除功能当踏面清扫装置出现故障时,通过带电塞门(0 1)或远程切除开关(S 2)可手动切除踏面清扫功能。远程切除开关(S 2)采用旋钮开关形式,将其置于切除位,电触点闭合,切除压缩空气供应;将其置于正常位,电触点断开,恢复压缩空气供应。2.7 状态及故障显示踏面清扫控制系统具有状态诊断、故障诊断及显示功能,实现系统信息可视化,方便系统检修维护。控制单元将诊断结果通过列车网络传递至司机显示屏(HM I)和健康预测管理系统(P HM)。司机显示屏根据自身软件设定从列车网络读取对应信息(监控室显示屏也适用),实现踏面清扫装置状态信息和故障信息显示。针对踏面清扫装置不同状态,司机显示屏软件实现“踏面清扫施加”、“踏面清扫缓解”和“踏面清扫切除”图形化显示,具体可根据用户需求定义;故障信息按实际分级、分屏等需求进行显示,满足运用及检修不同角色使用需求。健康预测管理系统也可利用诊断结果进行预警模型运算及大数据统计,并将预测结果推送至健康预测管理系统地面终端,以提示维护人员,可用于实现状态修。3 总结本文以目前高速动车组上应用的踏面清扫装置为基础,从踏面清扫控制系统的功能需求出发,设计了具备自动控制、手动测试、远程切除、状态诊断和故障诊断等功能的一整套踏面清扫控制系统,并详细阐述了实现方案。本文的研究内容对于完善踏面清扫控制功能及同类系统的设计具有一定借鉴和指导意义。参考文献:1 毋凡,段继超,王伟波.基于控制工程的踏面清扫系统优化J.铁道机车车辆,2 0 1 9,3 9(增刊1):4 5-4 6.WU F a n,DUAN J i c h a o,WANG W e i b o.I m p r o v e m e n t o f t r e a d c l e a n i n g s y s t e m b a s e d o n c o n t r o l e n g i n e e r i n gJ.R a i l w a y L o c o m o t i v e&C a r,2 0 1 9,3 9(S u p 1):4 5-4 6.2 李国栋,刘涛,韩庆利,等.高速动车组车轮踏面修形器的试验与应用研究J.铁道车辆,2 0 1 9,5 7(1 2):6-8.L I G u o d o n g,L I U T a o,HAN Q i n g l i,e t a l.R e s e a r c h o n t e s t a n d a p p l i c a t i o n o f m o d i f i e r f o r w h e e l t r e a d s o f h i g h s p e e d m u l t i p l e u n i t sJ.R o l l i n g s t o c k,2 0 1 9,5 7(1 2):6-8.3 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N G L a n g.E x p e r i m e n t a l 96 高速动车组踏面清扫控制系统设计 马 兵,马永靖,张笑凡,李 松s t u d y o n t a c k i f y i n g o f u r b a n r a i l v e h i c l e t r e a d c l e a n e rJ.L o-c o m o t i v e&R o l l i n g S t o c k T e c h n o l o g y,2 0 1 3(3):1 1-1 3.7 李荣伟,李培曙.有效改善粘着适应高速车辆制动要求J.铁道车辆,2 0 0 0,3 8(6):9-1 1.L I R o n g w e i,L I P e i s h u.I m p r o v e a d h e s i o n e f f e c t i v e l y t o m e e t r e q u i r e m e n t s o f h i g h s p e e d b r a k i n gJ.R o l l i n g S t o c k,2 0 0 0,3 8(6):9-1 1.8 曹玉乐,罗湘涛.S P1 2型踏面清扫缸运用常见故障原因分析及应对措施J.铁道机车车辆,2 0 1 2,3 2(5):7 1-7 4.C AO Y u l e,L UO X i a n g t a o.A n a l y s i s a n d c o u n t e r m e a s-u r e s f o r t h e c o mm o n f a u l t o f S P1 2 t y p e t r e a d c l e a n i n g c y l-i n d e rJ.R a i l w a y L o c o m o t i v e&C a r,2 0 1 2,3 2(5):7 1-7 4.9 廉政武,黄旭勇,陈洁.C RH 2型动车组踏面清扫器试验台的研制J.铁道车辆,2 0 1 1,4 9(5):3 7-3 8.L I AN Z h e n g w u,HUANG X u y o n g,CHE N J i e.D e v e l o p-m e n t o f t h e t e s t i n g s t a n d f o r c l e a n e r o f t r e a d s o f C RH 2 m u l t i p l e u n i t sJ.R o l l i n g S t o c k,2 0 1 1,4 9(5):3 7-3 8.1 0 刘兴亮,李波,陈骁汉.踏面清扫装置气密性综合试验台的研制J.机车车辆工艺,2 0 2 0(2):3 9-4 0.L I U X i n g l i a n g,L I B o,CHE N X i a o h a n.D e v e l o p m e n t o f a c o m p r e h e n s i v e t e s t b e d f o r p r e s s u r e t i g h t n e s s o f t r e a d c l e a n e rJ.L o c o m o t i v e&R o l l i n g S t o c k T e c h n o l o g y,2 0 2 0(2):3 9-4 0.(责任编辑:孙丽丽)(上接第6 5页)4 马大炜.关于高速列车制动系统的思考J.铁道车辆,2 0 0 0,3 8(1):1 2-1 6.MA D a w e i.P o n d e r i n g o v e r t h e b r a k i n g s y s t e m o n h i g h s p e e d t r a i n sJ.R o l l i n g S t o c k,2 0 0 0,3 8(1):1 2-1 6.5 吕宝佳,李继山,焦标强.高速动车组轮盘用紧固螺栓仿真分析J.铁道机车车辆,2 0 1 1,3 1(5):1 2 1-1 2 3.L YU B a o j i a,L I J i s h a n,J I AO B i a o q i a n g.N u m e r i c a l s i m-u l a t i o n f o r b o l t c o u p l i n g u s e d o n EMU b r a k e d i s cJ.R a i l w a y L o c o m o t i v e&C a r,2 0 1 1,3 1(5):1 2 1-1 2 3.6 王飞,王风洲,于钦顺.基于有限元技术的轮装制动盘螺栓应力计算J.应用力学学报,2 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0 1 8(7):1 4 9-1 5 2.1 1 杨川,孟繁辉,许杰.高速动车组制动盘螺栓断裂分析及优化方案J.大连交通大学学报,2 0 1 8,3 9(4):2 1-2 6.YAN G C h u a n,ME N G F a n h u i,X U J i e.A n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o n s c h e m e o f b r a k e d i s c b o l t s f r a c t u r e f o r h i g h-s p e e d EMUJ.J o u r n a l o f D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r-s i t y,2 0 1 8,3 9(4):2 1-2 6.(责任编辑:李 娜)说 明 铁道车辆2 0 2 3年第4期出版的 客车技术整备所一体化信息管理系统技术研究与实践,因作者本人原因导致署名有误,作者应为徐安策,王建华,苏晓辉,徐永成,丁智,李兵,苏奕豪。铁道车辆 编辑部07铁道车辆 第6 1卷第5期2 0 2 3年1 0月