地铁制动系统防滑快速试验方法研究
一、地铁防滑试验现状及研究目的
目前, 对地铁车辆防滑系统功能的验证主要是在地铁车辆静态调过程中进行, 仅对防滑系统电气线路进行校对, 对速度传感器进行电阻测量, 无法有效验证防滑控制系统与防滑阀动作是否正常, 不能确保防滑系统正常工作。车辆动态调试过程中, 会多次出现因防滑系统动作不良造成轮对擦伤, 动调试验被迫中止。为有效解决此问题, 亟需研究一个试验方法, 实现在地铁车辆静态调试时, 可快速模拟车辆运行状态对防滑系统功能进行检测。在静调时对单元 (单车) 模拟车辆运行状态, 提供一个外加可调速度信号, 实现对其防滑系统功能的验证, 并可对速度传感器进行性能测试。
二、研究内容
防滑系统主要由感应车轮转速的速度传感器, 防滑控制系统 (包括防滑动作电磁阀, 防滑动作电气线路) 构成。研究对象是防滑控制系统原理与速度传感器工作原理。地铁车辆的防滑控制系统主要有两种:克诺尔防滑控制系统与纳博特斯克防滑控制系统;与之相应的速度传感器是克诺尔速度传感器 (FS01A) 与纳博特斯克速度传感器 (HS1-P-CN-X) 。为实现快速防滑试验, 需研究以下内容:速度传感器参数与性能研究;防滑控制原理研究;可行性分析;试验方案设计;试验设备方案设计。
三、速度传感器测试方法
(一) 纳博特斯克 (HS1-P-CN-X) 速度传感器。
1、纳博特斯克 (HS1-P-CN-X) 速度传感器的参数。齿数参数:模数:2, 齿数:82;电压等级:DC12V;可承受范围:4.5~24V;输出电压:10V (max) , 2V (min) ;占空比:50%±10%;安装尺寸:42±0.2mm;安装螺栓:M8;速度传感器长度: (29.1±0.2) mm;速度传感器直径:Φ20mm;连接器型号:JA06M-18-M1PC-A- (11) -F0, 另一头:JA02M-18-M1SC-F0;连接器接线:P12接3针, OUT接2针, G接7针, SLD接地接5针。接线如图1。2、工作原理分析。HS1-P-CN-X型速度传感器与克诺尔速度传感器工作原理基本一致, 为变磁通式磁电感应式传感器, 输出信号为电压方波, 工作电压为12V, 测试时, 3针7针之间施加12V电压, 用示波器测量2针与7针之间电压方波, 正常时波形连续无畸变。当做防滑试验时仅需为速度传感器提供速度信号。3、纳博特斯克速度传感器测试的试验方法。因为两种速度传感器均为变磁通式磁电感应式传感器, 通过外加试验台齿轮的旋转速度传感器产生近似相应波形信号, 我们可以通过外加示波器测量传感器输出波形, 检测速度传感器性能。原理如图2。
(二) 克诺尔速度传感器。
1、克诺尔速度传感器FS01A参数及分析。模数:2;齿数:80;齿轮形状:渐开线式;齿轮宽度:不小于30mm;电压等级:DC15V, 最大:16 V, 最小:12 V;输出电流:7-14m A, 最大:17.4 m A, 最小:4.3 m A;频率范围:1-20KHZ;波形:脉冲电流;占空比:50%±10%;安装尺寸:42mm;安装螺栓:M8;速度传感器长度: (29.1~0.05) mm;速度传感器直径:Φ19.5mm;连接器连接体型号:HARTING Han Q 5/O-M16A 230/400V;接线;+15V接1针, S接2针, 如图3。2、工作原理分析。此速度传感器变磁通式磁电感应式传感器, 此型号速度传感器又称 (变) 磁阻式或变气隙式, 依靠磁阻变化产生感应信号。克诺尔速度传感器因输出信号为电流型, 用示波器测试时, 需在输出端串加一个电阻, 电阻性能需满足以下条件:RLMAX= (UV-8) /17.4千欧, 建议电阻选用500欧姆, 电压选择15V。则当速度传感器齿轮转动时, 在R1上产生一个方波电压, 可用示波器进行检测, 如速度传感器性能良好, 就会产生规则的方波脉冲;如存在问题, 电压波形就会突变或丢失。当做防滑试验时, 不需外加电阻 (此电阻系统自带) 。3、克诺尔速度传感器测试的试验方法。因为两种速度传感器均为变磁通式磁电感应式传感器, 通过外加试验台齿轮的旋转速度传感器产生近似相应波形信号, 我们可以通过外加示波器测量传感器输出波形, 检测速度传感器性能。原理如图2。
四、防滑控制原理及试验方法
地铁车辆防滑控制系统 (包括防滑动作电磁阀、电气线路) 主要有:克诺尔防滑控制系统与纳博特斯克防滑控制系统。
(一) 防滑控制系统的研究。
1、博特斯克防滑控制原理。制动系统检测车轴转速, 当在制动过程中, 计算各轴速度与本单元 (或单车) 车轴最高速度之间的差值, 当差值超过允许值时, 防滑系统动作;计算各轴减速度, 当减速度过大时防滑系统动作。地铁车辆纳博特斯克制动系统防滑控制原理如图4, 克诺尔制动系统防滑控制原理如图5。 (1) 检测减速度。当减速度信号超过预设定值使车轮产生滑行现象时, 由于电子控制装置的作用, 将自动排出制动缸过大的制动作用力, 使其车轴迅速恢复车轮和轨道的粘着而开始恢复, 消除滑行。车辆控制系统减速度动作值为4.5m/s2, 转换为转速变化值为:4.5×60×/3.14/0.8, 约为107转/分钟 (60为60分钟, 0.80为车辆直径, 3.14为圆周率) 。 (2) 检测速度差。比较速度信号 (4轴全部) , 是分别比较最高与各轴速度, 所有两轴间产生的速度差, 如果超过锁定的门槛值 (车轴与最大转速轴间的速度差>5%) 时, 防滑系统动作, 使速度差减退到门槛值以下;当车轮和轨道间恢复到正常粘着状态时, 则电子控制装置作用于防滑系统停止动作。10公里运行时, 地铁车辆动作门槛值约为 (5000/60/0.80/3.14×5%) 3.318转/分钟;80公里运行时, 地铁车辆动作门槛值约为 (80000/60/0.80/3.14×5%) 26.539转/分钟。2、克诺尔制动系统防滑控制原理。车轮防滑保护在EP2002阀内部进行, 系统检测并通过控制制动力来修正车轮滑动。在每个轴上都有一个速度传感器来检测车轴速度;车轴速度信息会在同一个CAN段中的EP2002阀之间共享。如果一个EP2002阀检测到滑动, 则会控制制动缸压力以对正在滑行的车轴进行修正。假如列车在制动时发生滑动, 车轮防滑控制可以独立地控制各个车轴的制动力。系统中应用了两种滑动检测方法以检测持续的低粘着力的情况: (1) 单一车轴上减速过量。车辆控制系统减速度动作值为4.5m/s2, 转换为转速变化值为:4.5×60×/3.14/0.8, 约为107转/分钟。 (2) 各车轴与车轴最高速度之间出现速度差异。比较速度信号 (8轴全部) , 是分别比较最高与各轴速度, 所有两轴间产生的速度差, 如果超过锁定的门槛值 (车轴与最大转速轴间的速度差>5%) 时, 防滑系统动作10公里运行时, 地铁车辆动作门槛值约为 (10000/60/0.80/3.14×5%) 3.318转/分钟;80公里运行时, 地铁车辆动作门槛值约为 (80000/60/0.80/3.14×5%) 26.539转/分钟。一旦检测到上述两种中的任一种滑动, 控制系统都会以规律的间隔进行速度测试, 以更新计算出来的实际列车速度。系统能够准确地控制滑动的动作。这样可以提高车轮的粘着力, 并在粘着力低的情况下使制动力最大化而又不会对车轮造成损伤。当车轮防滑保护算法判定粘着力情况已经恢复正常时, 系统也会恢复到初始状态并停止定时的速度测试。为了确保制动在延长期内不出现缓解, 硬件监视器定时器电路会在持续保持超出8秒和持续排气超出4秒内检测阀门的状态。每个车轴的减速检测是独立于其他车轴的, 而且车轴之间的补偿也不会影响其精确性, 软件会使用实际车轮尺寸信息来对每个车轴进行准确的减速计算。
(二) 单车防滑试验功能的实现方法。
1、纳博特斯克制动系统单车防滑试验功能的实现方法。通过防滑试验台设定某轴 (测试轴) 速度及其余3轴速度, 传输到EBCU (制动控制装置) , EBCU内部判断某轴滑行后, 对该轴进行防滑控制, 测试轴的防滑阀动作 (充气、保持、缓解) 。通过测试轴防滑阀的动作情况给出某轴防滑试验是否合格 (如图6) 。2、克诺尔制动系统单车防滑试验功能的实现方法。克诺尔制动系统采用单元控制方法, 要满足单轴防滑测试需要8个轴都要输入模拟速度。通过防滑试验台设定各轴速度, G阀 (RIO阀或S阀) 通过内部确认该轴滑行产生, G阀 (RIO阀或S阀) 将对该轴进行防滑控制, 该轴的防滑阀 (G阀、RIO阀、S阀内部) 动作 (充气、保持、缓解) 。通过克诺尔的维护软件检测, 给出该轴防滑试验是否合格 (如图7) 。
五、防滑试验的可行性分析
通过对速度传感器参数原理分析, 现场实际使用情况, 确定克诺尔与纳博特斯克速度传感器为磁通式磁电感应式传感器, 利用速度传感器头部固有磁场, 通过旋转齿轮, 齿顶与齿根经过速度传感器头部时, 传感器磁场磁阻发生变化, 线圈产生强度不同的电信号, 通过放大电路产生电压或电流波形。从理论上分析利用外部齿轮模拟车辆运行状态, 使速度传感器波形产生的方案是可行的 (车辆本身也是利用齿轮的转动使速度传感器产生速度信号) , 齿轮材料建议选用导磁性良好的45号钢;经过对克诺尔速度传感器通过齿轮转动产生波形的试验, 证明通过外加齿轮使速度传感器产生速度信号是可行的。
根据地铁车辆防滑原理分析, 通过外部施加控制的两个齿轮旋转产生的不同速度信号, 模拟车辆单轴速度与基准速度超差, 使车辆产生防滑动作;也可通过控制齿轮转速, 模仿车轴减速度过大, 使车辆产生防滑动作。利用外加齿轮 (调速系统) 转速的变化模拟车辆运行状态的防滑试验理论上是可行的。我们计划通过设计一个地铁防滑试验台来实现此两种功能。
六、设备主要功能
在静调时对单元 (单车) 模拟车辆运行状态, 提供一个外加可调速度信号, 实现对防滑系统功能的验证, 并可对速度传感器性能检测。
七、设备构成
设备主体为一箱式移动试验台, 试验台主要构成器件有:工具箱, 控制箱, 移动小车, 伺服驱动器, 伺服电机, 显示仪表, 齿轮, 传感器固定座, 连接电缆等组成。
八、设备电气系统设计
(一) 电气图纸。
原理图 (如附图1) .
(二) 电气器件性能。
1、伺服驱动单元:伺服驱动单元选择松下MADDT1205, 电机选择MHMD100W。电机响应频率高, 可达1000HZ;与驱动器配合, 可快速稳定调节齿轮转速。内藏频率解析机能 (FFT) , 从而可检测出机械的共振点, 便于机械系统调整。电机防护等级达IP56, 环境适应性强。电机编码器, 控制精度高。伺服驱动器上都配有操作面板, 各种参数和控制方式均可通过操作面板实行调整, 非常适合于现场调试。面板可显示运行速度、位置脉冲、实际转矩、接线I/O状态、参数设定、错误原因等大量信息。通过操作面板可以检查接线状态, 用户可利用此功能判别接线错误, 十分有效。有三种控制方式可供选择:速度控制方式、位置控制方式、转矩控制方式。因本系统主要是调节转速, 我们采用速度控制方式。保护设施齐全, 系统还配有各种自诊断保护措施, 硬件软件双重保护, 并可以三倍过载。一旦发生错误, 便立即停机, 并告以报警故障原因, 在用户解除故障后方可重新工作, 因此可靠性极高。此系统转速范围0-3000转, 输出功率可达100W, 可以快速准确的调整齿轮转速, 模仿列车运行条件。2、电机转速表:为准确监控转速, 我们将伺服驱动装置转速信号输出到控制面板上的转速表上, 可以准确及时地调整转速, 模仿防滑动作条件。3、24V电源:提供一个24V, 10A直流电源, 提供转速控制电源。4、5V电源:提供5V直流电源, 用作转速表等电源。5、直流电压数显表:显示输出可调0~24V电压。6、控制板:提供伺服驱动器控制信号电源与起停信号。
(三) 电气控制功能。
该装置输入电源为220V, 50HZ, 交流伺服单元1与2可分别通过启动按钮开始工作, 通过旋转电位器改变速度信号, 调节伺服电机转速, 固定在齿轮盘上的速度传感器通过齿轮旋转磁路的变化, 模拟地铁车辆运行状态信号, 此信号通过连接电缆传输到车上。齿轮的转速通过电机自带编码器反馈到伺服调速系统, 对速度进行控制。该速度即可通过伺服驱动单元上显示, 也可在设备控制面板上的转速表上显示。1、伺服控制系统输入输出端子含义如下:L1、L2为220V电源驱动电源输入;L1C、L2C为驱动器内部控制输入电源;29号端子输入伺服驱动器状态, 本驱动器将其置为0V, 伺服处于准备状态;26号端子输入驱动器输出电源相序, 本驱动器为正转, 在启动后置0;14号端子输入电机转速控制信号, 本驱动装置因实际转速范围为3000转以内, 驱动装置最大输出转速为5000转, 特将输入最大值由10V调整为6.2V, 以使转速不超出3100转;7、41号端子输入电源公共端子;15号端子调速接地端子;19、25号端子为电机编码器反馈转速输出, 输出到控制面板转速表上;U、V、W、GND为驱动器驱动电机电源输出;E5V、E0V为编码器电源输出;PS为电机编码器反馈速度信号。2、转速表输入端子及定义:10、9号端子为输入AC220V电源;2、1号端子为输入齿轮转速信号。3、控制板输入输出端子定义:1、3号端子输出电机正转信号, 正转时输出电压0V;5与7、6与8号端子为启动保持触点端子;9、10号端子输出6.2V速度信号;11、12、13号端子输出0~24V可调电源;14、16号端子输入24V电源。4、直流电压表输入端子:+E、IN-为输入电压;5V、GND为输入工作电源。
(四) 防滑功能的实现。
1、检测速度差产生防滑。通过前面的可行性分析, 我们得知, 10公里运行时, 地铁车辆动作门槛值约为 (10000/60/0.80/3.14×5%) 3.318转/分钟;80公里运行时, 地铁车辆动作门槛值约为 (80000/60/0.80/3.14×5%) 26.539转/分钟。我们选择精确电位器, 使其调位精度达到3转。因伺服系统调速电压为10V对应5000转 (每转对应电压为2m V) , 调速精度3转电位器精度需达到6 m V, 调速精度26转/分钟时电位器精度约为52m V, 选择PD210电位器, 其精度为0.004, 可满足调速精度要求, 实现验证10公里运行时防滑功能。为精确调速, 此系统采用粗调与静调方式结合。如图3, 电位器为256等分。速度为10公里时, 电压为1.32V, 精调电位器调压精度可达 (1.3/256) 4.14 m V, 满足阀值要求。电位器接线如图9。2、检测减速度。控制系统减速度动作值为4.5m/s2, 转换为转速变化值为:4.5/3.14/0.8, 约为1.8r/s2。通过调整伺服驱动系统减速度大于1.8r/s2, 实现减速度测试。
九、技术参数
速度传感器安装座可同时满足8个 (克诺尔与纳博特斯克) 速度传感器同时试验 (LKJ2000要求测试一个, 以下同) 。
(一) 电源技术指标:1、输入电源:AC220* (1±10%) V;频率50Hz;消耗功率不大于500W。2、输出电源:可调DC0V~24V电源, 电流不大于2A, 此电源应为工业用电源。3、装置内部有:AC220V, 5A五孔插座。
(二) 工作环境温度:-10℃~+50℃;湿度:不大于95%。
(三) 精确调速系统转速范围:50~3000r/min精度:1转/分钟, (为高速车预留, 地铁车辆按120公里, 轮径840mm计算, 速度范围760r/min已经满足要求, 另考虑低地板车辆, 可适当将速度降到不小于850r/min)
(四) 传感器安装座:两套齿轮外部有传感器安装座, 一个设置8 (克诺尔) +1 (克诺尔) 个传感器, 另一个可以加4 (纳博特斯克) +1 (纳博特斯克) 个。两种速度传感器与齿轮间隙方便可调 (间隙要求0.6~1.2mm) 。安装座径向预留300mm空间。
(五) 移动小车车轮直径不小于200mm, 材质为橡胶。
(六) 齿轮、连接电缆、转速表等技术参数如表1。
十、机械系统设计 (略)
十一、制造要求 (略)
十二、试验功能的实现
(一) 试速度传感器性能测试。
将需要测试的速度传感器固定在安装座上, 通过设备自带调节垫片 (每种型号传感器垫片尺寸固定) 调节传感器与齿轮的间隙。打开设备总电源, 调节直流输出电源, 将电压调至12V, 关断总电源;通过连接器将速度传感器连接并提供电源, 在设备对应的连接器上用示波器检查传感器波形。波形如下图:
VH:10~12V VL:2V以下频率:0~4300Hz
(二) 地铁车辆防滑试验。
将对应车型的速度传感器固定在设备固定支架上, 并通过设备自带调节垫片 (每种型号传感器垫片尺寸固定) 调节传感器间隙, 将相应的连接器连接传感器和地铁车辆;启动设备电源, 通过启动按钮控制两套调速系统, 将不同的速度信号传输到地铁车辆上, 使地铁车辆差生防滑动作, 达到检验车辆防滑系统的目的。
摘要：在地铁车辆运行过程中, 经常发生轮对擦伤现象, 现有的试验手段无法对防滑系统进行有效检测, 需研究一种在静态调试时对防滑系统进行快速试验的方法。
关键词：防滑试验方法研究,速度传感器,防滑控制系统,设备原理,设备设计