地铁主动径向控制系统设计研究

李海龙

摘要：本文阐述了地铁主动径向控制系统，该系统实现高速通过曲线路段，可以有效地降低轮轨磨耗，对轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率等曲线通过性能有不同程度的改善，增强列车运行的舒适性。该系统使用轮对纵向柔性导向，借助于一个高动态主动导向设备-电液作动器，能够降低甚至消除轮轨之间的蠕滑，这对减少轨道表面损伤-滚动接触疲劳以及刚刚磨耗，保证地铁列车径向运行的安全可靠性。

关键词：主动径向；控制系统；轮轨磨耗

普通地铁列车在通过曲线时，由牵引电机驱动转向架轮对与轨道产生摩擦力带动列车转向。但是以较高的速度通过曲线时，导致轮轨间的作用力增大，从而加剧了轮轨间的磨耗，降低运行安全性。主动径向系统能够实现转向架在曲线运动时的径向运动，借助于一个高动态主动导向设备-电液作动器和高精度控制算法，可以确保车辆通过曲线是轮对处于径向，轨道作用力得以大幅降低，提高列车径向运动的可靠性和安全性。

1系统构成

主动径向装置能够实现转向架在曲线运动时的径向运动，从而降低噪声和轨道磨耗，提高列车曲线通过速度。本项目在主动径向装置的理论基础上，编写电液执行机构的控制算法，实现列车实施以太网TRDP通讯，并在地铁列车上进行装车试验验证。

主动径向控制系统主要包含首尾车控制系统、执行系统和地面信标组成。首尾车控制系统主要包含电源模块、径向控制器、TRDP模块、存储模块、TCP/IP交换机，其内部通过TCP/IP交换机进行数据交互，可实现与列车TRDP以太网通讯、本地数据存储、角速度信号采集与处理、信标信号采集与处理、主动径向控制算法运行、列车ATP信号采集等功能。执行系统由由TRDP分主机、伺服控制器（C3）和EHA等组成，每节车厢单独安装一套，可任意扩展4-12节编组，默认6节编组。TRDP分主机直接转发收到的列车TRDP信号，将其转换成8路TCP/IP信号与伺服控制器通信，驱动伺服控制器动作，从而达到转向的功能。

2系统原理

2.1 精确型算法

精确主动型是指通过ATP的RS485接口精确的获得速度信息，通过TCMS获取当前列车的牵引/制动状态，并通过读取信标内的“身份代码”获取当前线路信息并激活算法库，算法库依据当前状态实时生成径向位移。

精确型算法读取信标信息包含三种工况，冗余布置的两个信标均未读取到，当发生此种情况时，可以辅助站点信息进行判定该点信标存在故障，并上报网络；冗余的信标读取到一个，上报网络进行提示，并继续运行；冗余的信标均读取到，正常行驶判断。

2.2 作动器动作时刻及位移修正

列车级主控器需从车辆网获取转向架上电机、制动装置的故障信息。若系统判断出电机、

制动装置出现故障，则系统转至故障模式，将作动器的动作位移置零。

转向架上作动器标记定义

系统根据所处曲线的类型、牵引制动状态及等级、按照下表的数据对作动器的动作位移指令信号进行修正。0表示不需要提前动作，1表示需要提前动作。

表1 各作动器动作时间、动作位移值修正情况汇总表

作动器编号	1A		1B		2A		2B
右曲线	时间	位移	时间	位移	时间	位移	时间	位移
牵引状态F	0	-x	0	-x	1	+x	1	+x
制动状态B	1	+x	1	+x	0	-x	0	-x

注：左曲线和右曲线补充相反。x为轮周最大牵引力F/制动力B与轮对纵向定位刚度的比值

3 试验验证

对系统进行模拟装车试验，“TCMS上位机径向控制器TRDP分主机运动控制器油缸”的系统联调试验，具体如下：

1）模拟速度36km/h（10m/s）试验；

过弯道位移跟随曲线

试验结论如下：

A、缓和曲线进入圆曲线时的下发位移和反馈位移，此时下发位移与反馈位移延时=（1046-1006）*10=400ms。

B、进入缓和曲线时的下发位移和反馈位移，下发位移和反馈位移实时跟随。

2）模拟速度126km/h（35m/s）试验；

A、缓和曲线进入圆曲线时的下发位移和反馈位移，此时下发位移与反馈位移延时=（225-184）*10=410ms。

B、进入缓和曲线时的下发位移和反馈位移，下发位移和反馈位移实时跟随。

4 结束语

通过地面级模型车试验验证，系统可实现转向架在曲线运动时的径向运动，从而降低噪声和轨道磨耗，提高列车曲线通过速度。减少了列车转向时轮对和钢轨的磨损，形成径向控制装置及其制备技术平台。实践得出径向控制系统可以有效地降低轮轨磨耗，对轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率等曲线通过性能有不同程度的改善，相比于自导向转向架拥有更好的径向性能。