低地板车用轮缘润滑装置控制系统设计

王冬冬

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；2. 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；3. 铁科纵横（天津）科技发展有限公司，天津 301700）

0 引言

在我国大城市发展过程中，要缓解城市交通压力，同时又要保护环境，降低城市大气及噪声污染，必然大力发展城市轨道交通系统[1]。在城市轨道交通系统中，低地板轻轨交通以其快捷、方便、投资少、见效快、环境污染小等特点成为首选，研制低地板车就成为必然选择[2-3]。由于低地板车没有独立路权，可在城市道路上与其他形式车辆混跑，线路没有超高就意味着当车辆转弯时车轮与钢轨的磨耗更加严重，尤其是小半径曲线线路会大大减小车轮与钢轨的使用寿命，轮缘润滑技术的研究和应用可有效解决轮轨磨耗问题[4-7]。针对低地板车研制开发了相适应的低地板车轮缘润滑控制系统（简称控制系统）。

1 控制系统概述

对于轮缘润滑控制系统，低地板车与地铁车辆相比有2个方面不同：

（1）低地板车不提供喷脂风源，为保证轮缘润滑装置能够正常工作，该控制系统需要配置供风系统；

（2）低地板车提供电源电压为24 V直流电和三相380 V交流电，且24 V直流电功率有限，需将系统内功率设备进行分配，与地铁车辆常用的110 V直流电不同，需进行电平转换。

控制系统以“直线+弯道”的定时控制模式进行工作，当车辆运行在相当直线线路上时，系统采用直线间隔时间喷脂动作；当车辆运行在相当弯道线路上时，系统采用弯道间隔时间喷脂动作。通常情况下，弯道间隔时间比直线间隔时间短；当车辆发出撒沙信号时，轮缘润滑控制系统停止工作，避免造成车轮空转。

2 控制系统设计

控制系统的用电设备有电控器、驱动泵、电磁阀和检测阀，依据车辆提供的供电电源及功率配置，将用电设备分为弱电控制部分和强电动力部分。弱电控制部分使用24 V直流电源，其用电设备包括电控器、电磁阀和检测阀；强电动力部分使用380 V交流电源，其用电设备为驱动泵。这样区分的好处还在于避免由于驱动泵频繁启停对控制系统造成的电磁干扰。

控制系统结构见图1。其中电控器为系统的控制核心，负责喷脂指令的输出和供风风源的控制；驱动泵M为气缸打风，选用的驱动泵电机为110 V直流电机，需配置380 V转110 V的转换电源为电机供电；气缸为储气装置，主要用于储气和稳定喷脂风源气压，所选用的气缸容积为8 L；电磁阀用于驱动喷头输出润滑脂；压力阀用于检测气缸内气压的压力，以高低电平值作为检测信号输入到电控器内，当喷脂过程检测到风缸气压低于500 kPa时，此时压力阀输出跳变为低电平，当驱动泵打风过程中检测到风缸气压高于900 kPa时，压力阀输出跳变为高电平，电控器需检测信号跳变过程，用于控制驱动泵的启停。

整个控制系统以电控器为核心，主要功能为：

（1）采集车辆提供的3路控制信号（运行信号、方向信号、撒沙信号）及检测装置本身的加速度传感器信号，通过内部逻辑判断输出控制信号，驱动电磁阀动作；

（2）电控器通过采集连接在气缸上的压力传感器判断是否接通供电 电源为气缸充气；

（3）弯道信号检测功能也集中于电控器内，用于判断车辆是否通过弯道线路。

2.1 驱动泵启动电路分析

轮缘润滑装置需频繁启停驱动泵为气缸充气，需考虑驱动泵电机在启动过程中启动电流影响，避免启动电流过大造成对电机寿命的影响，或引起前端电气设备故障。驱动泵直接启动时的供电电流波形见图2，可以看出，冲击电流为60.0 A，持续时间为10 ms；启动电流为21.3 A，持续时间为150 ms；而额定运行电流为4.7 A，可见启动冲击电流是额定运行时的数倍。综合考虑各种软启动方法，采用降压启动方式实现软启动。

软启动方式的主电路结构为：380 V电源与转换电源之间使用固态继电器连接，通过控制固态继电器通断控制驱动泵运行，而转换电源直接连接驱动泵电机。转换电源输出0～110 V为线性增加，时间为2 s，此时驱动泵电机启动时的电流波形见图3，可见该形式的启动电流很小。此种主电路结构及转换电源的软启动设置可解决驱动泵频繁启停带来的冲击电流影响。

2.2 电控器硬件电路设计

电控器硬件电路框图见图4[8]，主要由加速度传感器及其信号调理电路、主控制器、电源EMC滤波电路及电源管理模块、键盘输入、LCD液晶显示、强弱电隔离电路、与车辆交互的信号接口电路组成。

其中主控制器采用Cyanal公司C8051F020器件，是完全集成的混合信号系统级MCU，其内部集成数字I/O引脚、SPI通信、64K字节FLASH存储器、12位A/D转换器及25 MPIS（每秒执行百万条指令）的最高速度，使电路的组成大为简化，缩小硬件尺寸的同时提高了系统可靠性。

图1 控制系统结构

图2 驱动泵直接启动时的供电电 流波形

图3 降压启动时的电流波形

图4 电控器硬件电路框图

选择加速度传感器ADXL203作为弯道检测元器件，是完整的高精度、低功耗、双轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出，所有功能均集成于1个单芯片IC中。器件的量程范围为±1.7g，精度为0.001g，满足车体振动范围。在加速度作用下，传感器中的多晶体硅结构会产生偏移，拉动电容运动极板滑动使电容值发生变化，最终导致输出电压变化，利用这个原理，可通过差动电容检测到加速度变化，加速度值与输出电压成正比。

ADXL203既可测量静态加速度，也可测量动态加速度，其最小带宽为0.5 Hz，最大带宽可达到2 500.0 Hz，满足以下关系：

式中：Rf为集成在芯片内部阻值为32 kΩ的电阻；Cf为滤波器电容。

由于列车横向振动能量主要集中在低频段1～10 Hz，最小不失真采样带宽为20 Hz，为更精确测量，本控制系统采样带宽选择为50 Hz，由式（1）计算得到滤波电容值Cf=0.1 μF。

2.3 防浪涌电路设计

车辆供电环境复杂，其中雷击浪涌现象对控制系统具有很强的破坏力，其瞬时尖峰电压可达数千伏，瞬时冲击电流可对控制系统造成永久性损坏，为了保证控制系统能稳定可靠运行，需在控制系统供电入口端加入浪涌保护电路（见图5）。其中，F21为保险丝，F22为自恢复保险丝，D21为防反接二极管，R21为压敏电阻，R22为放电管，由R21和R22组成放电回路。工作原理为：当雷击浪涌发生时，过电压将开启压敏电阻R21与放电管R22组合体，将浪涌能量泄放掉，保护后续工作电路和元器件，在压敏电阻R21与放电管R22组合体开启瞬间，线路中将产生瞬时脉冲电流，由于自恢复保险丝F22的作用，使得线路中脉冲电流幅值降低，既保护熔断体F21不发生熔断，又降低了瞬时脉冲电流对压敏电阻的冲击，延长其使用寿命；同时，在控制系统开机通电瞬间，由于内部电路中的滤波电容等效电阻为零，线路中也会产生瞬间尖峰电流，此时自恢复保险丝能有效降低尖峰电流幅值，保护后续电路和元器件，同时也避免该尖峰电流烧毁熔断体。

2.4 软件设计

控制系统总体流程见图6[9]。在主程序中，会实时采集车辆的运行信号、方向信号和撒沙信号，当检测出车辆给定运行信号和方向信号的同时没有撒沙信号，控制系统执行润滑控制策略。弯道信号由ADC触发中断程序执行，每0.5 s判断1次是否有弯道信号，如果检测到弯道信号则执行1次弯道喷脂，在一定时间间隔后再次判断车辆行驶线路状态。

控制系统同时监测气缸内压力值。当压力值低于500 kPa时，控制系统给出接通380 V电源开关信号，空压机正常启动工作为气缸充气；当压力值高于900 kPa时，控制系统切断380 V电源开关，停止为气缸充气。

3 应用情况

图5 浪涌保护电路

图6 控制系统总体流程

控制系统安装集成度高，将电控器、转换电源、驱动泵、气缸、电磁阀、检测阀、储脂罐及管路全部集成安装于统一整体，便于车辆安装布置。该控制系统已通过国家铁路产品质量监督检验中心的型式试验，试验项目包括功能试验、振动试验、电磁兼容试验，且全部试验项点符合要求并取得型式试验报告。目前，该控制系统已成功应用到广州低地板车项目中（见图7），该项目自2016年装车应用至今，装置能自动识别弯道线路，轮缘减摩效果明显，证明该控制系统满足设计要求。

图7 控制系统应用于广州低地板车项目