轨道列车轮径校准失效原因分析及影响轨道列车轮径校准失效的原因分析及影响

轨道列车轮径校准失效原因分析及影响

轨道列车轮径校准失效的原因分析及影响

菅晓敏¹ 张志辉¹郝润东¹ 魏良²

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2. 呼和浩特市地铁运营有限公司，内蒙古，呼和浩特市010090

3. 中车长春轨道车辆有限公司，吉林省，长春市130000

摘要：地铁车辆在运行过程中会报出轮径校准故障，主要表现为某节动车的单个或多个轴的轮径出现异常，故障将触发空转滑行机制，严重时将导致某节动车动力丢失，影响列车运营。通过对牵引系统中的信号分析、实验室数据监测分析、现场列车加载模拟信号分析，以找出故障产生的原因，针对性的解决问题，对后期车辆运营质量的提高及维护保养意义重大。

关键词：轮径校准；空转/滑行；车速计算

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2. 牵引系统中轮径校准基本原理

1.1概述：牵引控制单元（DCU）的软件执行中具有轮径自动校准功能。车辆进行轮径校准时通常是由车辆网络（TCMS）发出轮径校准命令，然后每个动车的牵引控制单元开始自动校准每一个轴的轮径。校准后的轮径值被保存在牵引控制单元的非易性存储器中。除非牵引系统中执行软件更新，否则存储的数据不会丢失。该值作为该轴轴速计算的基础。

1.2参考轴：轮径在校准时会用到一个参考轴，车辆网络系统（TCMS）会从十六个动轴中任意挑选某一动轴作为参考轴，轮径校准过程中参考轴的的轮径不会被校准，剩余十五根轴以参考轴为基准进行校准。

1.3参考速度：参考轴的轴速即为参考速度，在牵引系统内部逻辑定义牵引电机的速度传感器测量信号（单位Hz）与车轮周长（pi D，D为校准后的值）相乘可得出该车轴的转速为Vn（n=1,2,3,4），即Vn=（ω*pi*D*3.6）/Gr，Gr：传动比。为保证轮径校准的准确性，需手动准确测量参考轴的轮径值，牵引系统会根据轴速公式将参考速度发送给车辆网络系统。

1.4列车速度：车辆牵引系统会把每组动车的4个轴的速度发给车辆网络系统VCU。车辆制动系统也会把采集的速度信号发给车辆网络系统VCU，VCU基于牵引系统和制动系统发来的速度信号算出一个速度值作为列车的速度。

2. 轮径校准失效原因

轮径校准失效的原因诸多，需要分别对车辆牵引控制系统、车辆网络系统、车辆轮对状态、车辆运行区间分析，总结轮径校准失效的可能原因如下：

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2. 车辆网络系统未选用参考轴。

3. 车辆轮对镟修后未对轮径值进行正确有效的设定。

4. 轮径校准过程中出现异常，如弯道、坡道等。

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4. 原因分析及实验结果

3.1根据2.1中所提到的原因，进行模式实验以判断车辆网络系统未选用参考轴时对轮径校准的影响。

3.1.1正常情况车辆网络会选取某一动车的某个动轴作为参考轴，参考轴的轮径是最接近真实轮径的，为取得更直观的实验效果，定义参考轴轮径值为840mm，某地铁项目定义3车2轴为参考轴（依项目不同而定），当网络未选参考轴时，3车的4根轴的轮径均为814mm。

3.1.2模拟车辆网络不设定参考轴时，车辆进行轮径校准的情况，由于未设定参考轴，当进行轮径校准时，4根轴的轮径出现异常波动，最终由于轴速与车速速差过高触发了“空转滑行”故障。

3.1.3当车辆网络选取了参考轴时，3车2轴的轮径值变为了840mm，而其他3根轴的轮径依然是814mm。

3.1.4模拟车辆网络设定参考轴时，车辆进行轮径校准的情况，当进行轮径校准时，3车2轴的轮径值无任何变化，而1、3、4轴的轮径值由814mm逐渐变为840mm,最终4根轴的轮径值均趋于840mm，这说明车辆轮径校准成功。

结论：车辆网络是否选取轮径校准的参考轴会对轮径校准产生影响，严重时会导致空转/滑行，触发车辆紧急制动，影响车辆运行。

3.2按照2.3中所提到的原因分析。

3.2.1在进行轮径校准时，牵引系统中有如下定义：①轮径校准需要满足列车在平时轨道。②要保证车速大于30km/h。轮径校准的实际意义就是不同轴速的积分差，为了获取真实有效的轴速，则必须要满足列车在平直轨道上。

3.2.2车辆牵引系统速度传感器安装在齿轮箱上，通过测速齿轮测得当前的轴速。下图为车辆牵引系统速度传感器探头安装位置。

3.2.3车辆每根动轴上配置一个速度传感器，该传感器为霍尔双通道速度传感器，用于检测电机旋转速度及旋转方向，齿轮箱内部安装有一定齿数的测速度齿轮，速度传感器探头通过感应测速齿轮的凸起与凹坑的交替变化引起磁场的变化，并将磁场的变化转变成交流信号，通过放大滤波等处理输出矩形方波信号。以此计算出测速齿轮的转速，通过传动比计算出当前轴的速度。

3.2.4车辆轮对设计为内大外小，当列车在弯道行驶时，外侧轮以较大轮径运行，内侧轮以较小的轮径运行，车辆在弯道同行时，速度传感器测得速度将会偏大或者偏小，单根轴速计算不准确将直接影响列车速度计算的不准确，这样的轮径校准是无效的，所以列车在进行轮径校准时一定要保证在平直轨道上。

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4. 影响

4.1对牵引电机温度的影响：将同一动车4根轴的轮径分别设置，电机2的轮径值设置为832mm，电机1、3、4的轮径值设置为840mm。

4.1.1基于以上设置进行轮径偏差实验，观察牵引电机温度变化。

4.1.2产生上述的原因为电机2的转速要快于其他3台电机，由于电机1~4由单台变流器驱动，在恒转矩时，4个电机的转矩参考值相同，电机的输出功率P与转速N成正比，电机2的发热量要高于其他3台电机。因此在轮径差存在的情况下，会引起电机温度的升高。

4.1.3在日常维护中要重点关注轮径值的变化，除了关注系统中的轮径校准功能是否外还需定期对轮径值进行测量，车辆轮对镟修后要及时的进行轮对校准，确保轮径差值的范围较小。

4.2轮径值偏差对列车空转/滑行控制的影响。

4.2.1无论是空转还是滑行，都说明轮轨黏着度被破坏，提前采取优化、控制措施，以防止真实的空转/滑行出现。

4.2.2车辆牵引系统&制动系统各有一套空转/滑行保护系统，当车辆出现潜在的空转/滑行隐患时，该保护模式被激活，防止产生更大的空转/滑行速度，同时优化最大可实现的牵引/制动力。

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4. 结论：轮径出现不可控的差值对列车运行的影响不言而喻，轮径校准在牵引系统控制中显得极为重要，在日常的维护保养中，除了要准确测量轮径外，还要定期查看车辆牵引系统中计算的轮径值，对牵引/制动系统中速度传感器定期维护。更换轮对或车辆轮对镟修后要在满足条件的环境下进行有效的轮径校准。

参考文献

[1]尧辉明.城市轨道交通车辆制动系统[M],中国铁道出版社，2018.8

[2]吴海超，王华.城市轨道交通车辆[M],中国铁道出版社，2016.8

[3]陆冠东.车辆系统动力学计算方法研究[M],2011.11

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