列车轮轴重调整方法、牵引力与制动力分配方法、系统与流程

本发明涉及轨道交通领域，特别是一种列车轮轴重调整方法、牵引力与制动力分配方法、系统。

背景技术：

在轨道车辆设计制造过程中，轮轴重分配均匀性问题是待解决的重要问题之一。轮轴重偏差将直接影响整台车粘着牵引力的发挥和车辆的制动性能，影响轨道车辆牵引能力、运行的安全性、平稳性及舒适性。在轨道车辆设计过程中尽量控制轮轴重偏差在允许的偏差范围内，但是实际生产中往往因为制造误差、零配件规格不一致等原因，造成车辆性能参数与设计参数存在一定偏差。国标规定，车辆轴重偏差不应超过平均轴重的±2％，轮重偏差不应超过该轴平均轮重的±4％。目前，国内轨道车辆采用的调重方法，主要是在产品组装时通过对一系、二系弹簧的静态调整来改善轮载分布。这种方法虽然能满足出厂时车辆轮轴重分配标准，但在出产后很难再调，并且只是一种静态的调重方式，而车辆在实际运行时，由于车辆的动力学特性与静力学特性相差很大，并且车辆各部件材料受内部残余应力的变形、受外部外力负荷的变形以及受长时间形成的蠕变的影响，并不能保证或持续保证轮轴重的均匀分配。因此，当前为了解决车辆在动态运行过程中及产品全寿命周期内的轮载分布问题、解决前后转向架与车体装配时的互换性问题、提高产品的舒适性和安全性、降低产品的保养维护成本，需要一种新的改善手段。

牵引与制动系统在轨道车辆中起着非常重要的作用，它们相辅相成，共同实现轨道车辆的正常运行。良好的牵引与制动性能可以提高轨道车辆的运行效率和可靠性,可以保证车辆在运行中的安全性和舒适性，而对于现代轨道车辆，牵引与制动性能不仅仅局限于这些方面，更成为决定列车运行速度和牵引重量的重要因素。轨道车辆无论是采用哪种原理和哪种形式的粘着牵引或粘着制动，都是通过电子控制单元根据采集每节车厢或每个转向架上二系弹簧的气压值，估算出每节车厢或每个转向架的载重，以车厢或转向架为单位对应其载重给与一个总的牵引力或制动力，然后将这个总的牵引力或制动力平均分配到每个车轮上。但这种牵引力或制动力分配方式存在缺陷，就是由于每个轮子的实际载重不同，但分配到的牵引力或制动力相同，会出现由于某些车轮载重偏小而产生车轮与钢轨粘着不良，致使车轮空转或打滑的现象，极易造成事故。虽然现在的轨道车辆上都设置了防滑装置，但这只是一种被动的预防措施，如果能够采取一种主动的方式来改善这种现象，则可以更好的提升轨道车辆的运行品质及性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种列车轮轴重调整方法、牵引力与制动力分配方法、系统，改善列车的轮轴重分布、对列车牵引力与制动力进行精确分配，提高列车的粘着利用程度，提升列车的动力性能。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种列车轮轴重调整方法、牵引力与制动力分配方法，包括以下步骤：

采集转向架空气弹簧压力值和高度方向位移量，以及一系弹簧压力值；

根据空气弹簧压力值，控制空气弹簧充气或者放气，根据空气弹簧高度方向位移量调节空气弹簧高度，将车辆转向架所有空气弹簧的压力值调整至相等，使车辆轮轴重均匀分布；

在车辆进行牵引时，在车辆轮轴重均匀分布的前提下，根据一系弹簧的压力值，控制牵引电动机的输出力矩与车辆每个轴重匹配，对车辆牵引力进行分配；在车辆进行制动时，在车辆轮轴重均匀分布的前提下，根据一系弹簧的压力值，控制不同形式的粘着制动系统在车辆每个制动轮上的制动力输出，对车辆制动力进行分配。

本发明中，保证轮轴重均匀分布的具体实现过程包括：设每节车辆空气弹簧初始气压值为ni，i＝1，2，3，4；空气弹簧需调节达到的目标气压值n＝(n1+n2+n3+n4)/4；当ni-n＞0时，控制空气弹簧充气；当ni-n＜0时，控制空气弹簧放气，使空气弹簧调节后的气压值ni′逼近目标气压值n。该调解过程简单可靠，容易实现。

上述过程中，当空气弹簧调节后的气压值ni′与目标气压值n之差的绝对值小于设定偏差值ε时，判定空气弹簧调节后的气压值ni′逼近目标气压值n；其中，ε＝|ni′-n|。根据电控转向架的调节精度和调节能力以及列车所处的行驶状态，ε可取0mpa～0.1mpa之间某值。

本发明中，利用下式对车辆牵引力进行分配：

其中，qi为分配到车辆四个轴上的牵引力，i＝1，2，3，4；fj为八个一系弹簧压力值，j＝1，2，3，4，5，6，7，8；d为当前节车牵引力分配总值。

本发明中，利用下式对车辆制动力进行分配：

其中，zj为分配到每个车轮的制动力；b为当前节车制动力分配总值。

相应地，本发明还提供了一种列车牵引力与制动力分配系统，包括多个安装于转向架上的空气弹簧；每个所述上均安装有位移传感器；每个所述空气弹簧进气通道内均安装有第二压力传感器；根据所述第二压力传感器检测的空气弹簧压力值，控制空气弹簧充气或者放气，根据所述位移传感器检测的空气弹簧高度方向位移量调节空气弹簧高度，将转向架所有空气弹簧的压力值调整至相等，使轮轴重均匀分布。

本发明的列车牵引力与制动力分配系统还包括安装于转向架上的若干个一系弹簧，每个所述一系弹簧底部受压处均安装有第一压力传感器；在车辆进行牵引时，在车辆轮轴重均匀分布的前提下，根据第一压力传感器检测的一系弹簧的压力值，控制牵引电动机的输出力矩与车辆每个轴重匹配，对车辆牵引力进行分配；在车辆进行制动时，在车辆轮轴重均匀分布的前提下，根据第一压力传感器检测的一系弹簧的压力值，控制不同形式的粘着制动系统在车辆每个制动轮上的制动力输出，对车辆制动力进行分配。

每个所述空气弹簧的进气口与一个电磁阀的输出口连通；所有电磁阀的输入口均与储气罐连通；每个所述空气弹簧的节流阀与一个空气室连通；所有的电磁阀、第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器、节流阀均与列车电子控制单元电连接。

本发明还提供了一种列车轮轴重调整方法，包括以下步骤：

采集转向架空气弹簧压力值和高度方向位移量；

根据空气弹簧压力值，控制空气弹簧充气或者放气，根据空气弹簧高度方向位移量调节空气弹簧高度，将转向架所有空气弹簧的压力值调整至相等，使轮轴重均匀分布。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种列车电子控制单元，其包括：

轮轴重调整单元，用于根据转向架空气弹簧压力值，控制空气弹簧充气或者放气，根据空气弹簧高度方向位移量调节空气弹簧高度，将车辆转向架所有空气弹簧的压力值调整至相等，使车辆轮轴重均匀分布；

牵引力分配单元，用于在车辆进行牵引时，在车辆轮轴重均匀分布的前提下，根据转向架一系弹簧的压力值，控制牵引电动机的输出力矩与车辆每个轴重匹配，对车辆牵引力进行分配；

制动力分配单元，用于在车辆进行制动时，在车辆轮轴重均匀分布的前提下，根据转向架一系弹簧的压力值，控制不同形式的粘着制动系统在车辆每个制动轮上的制动力输出，对车辆制动力进行分配。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可以将车辆转向架所有空气弹簧的压力值调整至相等，使车辆轮轴重均匀分布，并在车辆轮轴重均匀分布的前提下，对车辆牵引力与制动力进行精确分配，提高了列车的粘着利用程度，极大地提升了列车的动力性能与运行品质。

附图说明

图1为本发明分配系统结构示意图。

具体实施方式

本发明具体实现过程如下：

(1)在每节车厢两个转向架的四个空气弹簧上分别安装监测其高度方向位移量的传感器和监测其压力值的传感器，以及在八个一系弹簧上安装监测其压力值的传感器。

(2)电子控制单元ecu根据采集的空气弹簧压力值控制空气阀对空气弹簧充放气，调节空气弹簧高度，将空气弹簧的气压值大小调整至相等或相近，以使轮轴重均匀分布。

车辆在运营过程中，随着载客量的变化、乘客分布的变化、行驶状态的变化(车辆上下坡、过弯道、过竖曲线)，车辆轮轴重也会不断变化，这种变化会导致车辆轮轴重的分布不均，在车辆轮轴重分布不均的情况下对车辆实行牵引或制动时，容易导致事故发生。在ecu接收到牵引或制动指令时，控制空气弹簧充放气，调节空气弹簧气压值：

设每节车辆空气弹簧初始气压值为ni(i＝1，2，3，4)，则空气弹簧需调节达到的目标气压值n＝(n1+n2+n3+n4)/4，通过ecu调节空气弹簧电磁阀进气或放气(当空气弹簧初始气压值大于目标气压值，即ni-n＞0时，调节电磁阀进气；当空气弹簧初始气压值小于目标气压值，即ni-n＜0时，调节电磁阀放气)，使空气弹簧调节后的气压值ni′(i＝1，2，3，4)逼近目标值n，根据电控转向架的调节精度和调节能力以及列车所处的行驶状态，可合理设定偏差值ε＝|ni′-n|，ε可取0mpa～0.1mpa之间某值。

(3)在车辆进行牵引时，ecu根据采集的一系弹簧的压力值，控制牵引电动机的输出力矩与车辆每个轴重相匹配，对车辆牵引力进行精确分配。

从车辆一位端至二位端进行排序，分别为轴1至轴4四根车轴，每根车轴对应两个一系弹簧(与该车轴的两个车轮相邻的一系弹簧)，设需要分配到每根轴上的牵引力为qi(i＝1，2，3，4)，并设八个一系弹簧压力值为fj(j＝1，2，3，4，5，6，7，8)，则轴1的牵引力z1对应f1、f2，轴2对应f3、f4，轴3对应f5、f6，轴4对应f7、f8。如该节车辆牵引力分配总值为d，则分配到四个轴上的牵引力分别为

(4)在车辆进行制动时，ecu根据采集的一系弹簧的压力值，控制不同形式的粘着制动系统在车辆每个制动轮上的制动力输出，对车辆制动力进行精确分配。

每个车轮对应一个一系弹簧(与该车轮相邻的一系弹簧)，设需分配到每个车轮的制动力为zj(j＝1，2，3，4，5，6，7，8)，并设八个一系弹簧压力值为fj(j＝1，2，3，4，5，6，7，8)，则轮1的制动力z1对应f1、轮2的制动力z2对应f2、轮3的制动力z3对应f3、轮4的制动力z4对应f4、轮5的制动力z5对应f5、轮6的制动力z6对应f6、轮7的制动力z7对应f7、轮8的制动力z8对应f8。如该节车辆制动力分配总值为b，则分配到每个轮的制动力分别为

如图1，转向架的每个二系弹簧(本发明以转向架上设置8个一系弹簧和4个二系弹簧，即空气弹簧为例)上均安装有位移传感器(即空簧簧高传感器)；每个二系弹簧的进气通道内均安装有第二压力传感器(即空簧压力传感器)；位移传感器、第二压力传感器均与电子控制单元ecu电连接；电子控制单元与4个电磁阀电连接；4个电磁阀的输入口均与储气罐连通；每个电磁阀的输出口与一个二系弹簧的进气口连通；每个二系弹簧的节流阀与一个空气室连通。节流阀与电子控制单元电连接，便于电子控制单元控制二系弹簧空气阀泄压。电磁阀为三位三通电磁阀，该电磁阀的进气口与储气罐连通，工作口与二系弹簧的进气口连通，排气口与大气相通。转向架的每个一系弹簧底部受压处安装有第一压力传感器(即一系弹簧压力传感器)；第一压力传感器与电子控制单元电连接。

空簧簧高传感器可以实时监测二系弹簧高度方向的位移量。空簧压力传感器可以实时监测二系弹簧进气通道内的压力，ecu可以根据该压力参数判断二系弹簧是否泄漏或破损(即ecu可以预设一阈值，当进气通道内的压力低于该阈值时，认为二系弹簧泄漏或破损)，并调节电磁阀活塞的位置(例如，本发明中，三位三通电磁阀一位置为进气口与空簧(二系弹簧)连通，二位置时空簧和大气连通，三位置进气口、空簧、大气互不连通，此处是将电磁阀活塞的位置从其他位置(一位置或者三位置)调节到二位置)，控制所有的二系弹簧泄压。

目前轨道车辆空气弹簧有三种控制方式，即两点控制、三点控制和四点控制。四点控制方式中，转向架的每个空气弹簧均设置一个高度阀，而且每个空气弹簧供风系统独立，相互之间通过一个差压阀连接，差压阀在两个空气弹簧压力差超过设定值时起连通作用，限制两个空气弹簧的压力差，当四点控制的空气弹簧中有一个出现严重泄露和破损时，同一转向架上另一个空气弹簧会由于压差阀的作用一同泄压，使同一转向架上两个空气弹簧的高度保持一致，确保车辆使用的安全性；两点控制方式中，转向架的两个空气弹簧共用一个高度阀，高度阀设在转向架纵向中心线上，两个空气弹簧相互连通，压力相同，当两点控制的空气弹簧中有一个出现严重泄露和破损时，由于同一转向架上两个空气弹簧是相互连通的，所以也会一同泄压，使同一转向架上两个空气弹簧的高度保持一致，确保车辆使用的安全性；三点控制方式结合了四点控制方式和两点控制方式两者的特点，一端与四点控制方式相同，另一端与两点控制方式相同，当三点控制的空气弹簧中有一个出现严重泄露和破损时，同一转向架上两个空气弹簧会一同泄压，使同一转向架上两个空气弹簧的高度保持一致，确保车辆使用的安全性。虽然这三种方式都能确保当一个转向架上有空气弹簧存在严重泄露和破损时，该转向架上的两个空气弹簧同时泄气而高度一致，但是从整节车厢来看，由于其他的空气弹簧仍保持原高度，整节车厢将会由于前后转向架空气弹簧高度不一而产生倾斜，这种情况仍将对车辆的运行性能产生不利影响，轻则影响乘坐的舒适度，重则在列车进行牵引和制动时，由于倾斜导致轮轴重分布不均，使车轮空转和打滑造成事故。因此，相比传统采用机械结构高度阀控制杆的空气悬架系统，现采用精度和灵敏度更高的电控系统对每个空气弹簧进行实时控制，控制方式更加灵活可靠，在某个或某几个空气弹簧出现严重泄露和破损时，可使一节车厢中所有空气弹簧一同泄压，确保整节车厢的高度水平，能有效提高轨道车辆运行的安全性和舒适性。