動車組塞拉門控制優(yōu)化分析
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摘要：復(fù)興號順利載客運(yùn)營標(biāo)志著中國已經(jīng)逐步形成了一套較為完備的動車標(biāo)準(zhǔn)，其中電控氣動塞拉門方案已經(jīng)成為中國動車組側(cè)門的主流。在列車運(yùn)用過程中出現(xiàn)車門無法關(guān)閉故障將會直接影響正點(diǎn)率，本文以CRH380BK為例從塞拉門“敏感膠條”故障入手，針對性地探討防擠壓功能的判決邏輯，并提出相應(yīng)優(yōu)化建議。
關(guān)鍵詞：動車組列車；塞拉門；敏感膠條；CRH380BK
動車組列車在車體兩側(cè)設(shè)計裝配共22扇側(cè)門，供司乘人員及旅客上下列車。該種側(cè)門是以PLC為控制核心的電控電動塞拉門，具備氣動壓力密封功能，并帶有電控氣動站臺補(bǔ)償器。出于安全的考慮，改型動車組設(shè)計了安全回路，只有當(dāng)側(cè)門完全關(guān)閉的條件下才可以動車。這就意味著當(dāng)側(cè)門發(fā)生無法關(guān)閉故障時必定會造成動車組不能正點(diǎn)開行，因此對塞拉門關(guān)閉故障的研究與整治顯得格外重要。
1控制系統(tǒng)
CRH380BK動車組列車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是建立在列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議IEC61375-1框架下的TCN網(wǎng)絡(luò)［1］，TCN網(wǎng)絡(luò)通過周期輪詢策略實現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)的調(diào)度管理，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和確定性［2］。TCN網(wǎng)絡(luò)的車輛級總線和列車級總線分別采用屏蔽雙絞線的MVB和WTB，MVB總線連接一個牽引單元內(nèi)的4輛車，通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換協(xié)議連接到WTB總線實現(xiàn)列車級信息的傳遞［3］。塞拉門的控制元件稱為門控器（DoorControlUnit，以下簡稱為DCU），單節(jié)車廂的四扇或兩扇側(cè)門中只有一個主DCU，其余為從DCU，通過CAN總線實現(xiàn)信號互聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1CRH380BK側(cè)門網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)圖DCU由控制功能處理的可編程邏輯部分、包括執(zhí)行驅(qū)動和鎖定電機(jī)用電力電子的兩個電機(jī)控制部分和一個輸入擴(kuò)展電路構(gòu)成。由于PLC的可編程性，能夠根據(jù)不同的需求，進(jìn)行調(diào)整與變更，從而實現(xiàn)特殊的功能請求。通過給包含在DCU中的程序存儲器重新編程，將軟件安裝至閃存中，可實現(xiàn)修改軟件的目的。
2障礙物探測
在動車組上線運(yùn)行過程中，為解決在關(guān)門時有異物阻擋在門的運(yùn)動行程內(nèi)造成門扇的機(jī)械損傷的問題，同時也避免旅客在上下列車的過程中被車門擠傷，塞拉門系統(tǒng)中有三種方式同時進(jìn)行障礙物探測［4］。
2.1敏感邊緣檢測
門扇的非鎖閉側(cè)固定安裝有兩個相互獨(dú)立工作的敏感邊緣，每個敏感邊緣外部有柔性橡膠可在受到?jīng)_擊時起到緩沖作用，內(nèi)部為有橡膠保護(hù)的檢測回路，當(dāng)內(nèi)部回路發(fā)生擠壓時，回路電阻迅速降低，電信號反饋到DCU中，判定為門扇前端碰撞異物。如圖2剖面圖所示，每個敏感邊緣的內(nèi)外兩側(cè)橡膠之間存在一定間隙，可有效提高擠壓程度的閾值，同時下部有排水孔，便于將間隙中的雨水等排出。在關(guān)門過程中，敏感邊緣撞擊到障礙物，信號將被傳輸至DCU并在DCU中計算敏感邊緣的功能性。在故障出現(xiàn)時，在DCU中會產(chǎn)生一個錯誤代碼。
2.2電機(jī)電流監(jiān)測
CRH380BK型動車組塞拉門使用永磁無刷直流電機(jī)實現(xiàn)開關(guān)門動作，目前的研究中無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的常見控制方法有：PID控制、無位置傳感器控制（反電動勢法、續(xù)流二極管法）、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等［5］。用的是電流環(huán)與速度環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)模式。將事先給定的轉(zhuǎn)速值同實際的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較，然后利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)功能，輸出電流的給定值，接著和檢測得到的電流值再次比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器，輸出供給電機(jī)的控制電壓，從而實現(xiàn)通過控制電壓來對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制電流來對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。
2.3通道時間比監(jiān)控
位置傳感器是無刷直流電機(jī)的一個關(guān)鍵部件。它的作用是測定某一時刻定轉(zhuǎn)子的磁極位置，從而為電子換相電路提供正確的信號位置。傳感器通常由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。轉(zhuǎn)子是用來確定電動機(jī)本體磁極的位置，定子的安放是為了檢測和輸出轉(zhuǎn)子的位置信號。其中，磁敏式位置傳感器是利用電流的磁效應(yīng)進(jìn)行工作，常用的磁敏傳感器有霍爾元件、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返取４琶羰絺鞲衅鞯奶攸c(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，在對性能和環(huán)境要求不高的場合應(yīng)用比較廣泛［7］。門位置傳感器（B1）能將門運(yùn)動分成幾個小部分，如果在定義的時間范圍內(nèi)未覆蓋定義的通道，將激活障礙物探測系統(tǒng)。B1置于門的驅(qū)動電機(jī)端部用以檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，電機(jī)與門扇之間通過皮帶輪、絲杠、螺母副等結(jié)構(gòu)傳動，電機(jī)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)可直接轉(zhuǎn)換為門扇移動的距離。在DCU中記錄每次關(guān)門動作的關(guān)門時間，當(dāng)該次關(guān)門過程中，特定時間B1檢測到電機(jī)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)小于既定值，則判定門扇未能進(jìn)行正常有效地關(guān)門操作，即發(fā)生某種程度上的障礙物阻擋。圖4為B1位置傳感器及M1驅(qū)動電機(jī)電路圖。
3敏感邊緣控制電路
圖5為敏感邊緣控制電路圖，左側(cè)為DCU的X1端口。以敏感邊緣B2為例，正常狀態(tài)下在端口X1.15與X1.16間存在電壓差，中間為1200歐姆的定值電阻，當(dāng)微動開關(guān)被觸發(fā)時，將電阻短路，端口電信號將由低電平躍遷為高電平。DCU此時將會判定門扇的邊緣被擠壓，從而改變使門扇的驅(qū)動電機(jī)M1兩端的電壓，使電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動門扇朝打開方向運(yùn)行。當(dāng)X4.18的電勢高于X4.17時，驅(qū)動電機(jī)通過皮帶傳動作用，帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而使門扇朝打開方向移動；反之，X4.18的電勢低于X4.17時，門扇朝關(guān)閉方向移動。
4問題分析
塞拉門上分布的膠條可分為外部防塵擋雨的防塵膠條、邊緣用于障礙物探測的敏感膠條、用于保證動車氣密性的密封膠條。在運(yùn)用檢修的過程中，發(fā)現(xiàn)大量的膠條破損，且分布于開門時暴露在通道位置的一側(cè)，多在以站臺補(bǔ)償器為基準(zhǔn)向上1.5m的高度以下。該部位關(guān)門狀態(tài)下與車體密貼，可解釋為開門狀態(tài)被異物擊打?qū)е碌拇罅繐p壞。該種情況可能導(dǎo)致以下問題：1）在旅客或工作人員上下列車時，攜帶的堅硬物品邊緣與門扇橡膠發(fā)生橫向摩擦，將橡膠撕裂。當(dāng)損傷到內(nèi)層保護(hù)層時，可能會使敏感邊緣的電信號回路發(fā)生物理損壞，從而斷路并報出1C5C-1C5F故障及1C64-1C67故障。2）當(dāng)橡膠保護(hù)層破損時，線上遇到陰雨天氣造成電阻兩端短路，并被DCU判定為敏感邊緣持續(xù)運(yùn)行，無法關(guān)閉門扇并報出1C58-1C5B故障及1C60-1C63故障。通常線上遇到敏感膠條問題采取直接隔離門扇的方式，影響列車的正常發(fā)車，同時在后續(xù)站到站時該門將持續(xù)處于關(guān)閉狀態(tài)，無法集控開關(guān)影響正常使用。在既往的的檢修中采取如下方法處理此類問題但效果不盡如人意：一是針對進(jìn)水短路的情況采用涂打密封膠將缺口密封，但因為實際操作難度較大，極易存在密封不嚴(yán)或是密封膠凸起觸發(fā)防擠壓功能的情況，給日常檢修造成困擾；二是針對斷路的情況一般采用更換門扇的方式，由于敏感膠條在制造的過程中已直接集成到門扇上，在運(yùn)用修的設(shè)備條件下不具備更換的條件，直接更換門扇浪費(fèi)了大量的財力物力。
5建議及優(yōu)化
筆者結(jié)合工作積累的動車組塞拉門使用、維修經(jīng)驗和體會，提出如下建議：1）提高檢修質(zhì)量。在動車運(yùn)用所的檢修過程中，遇到敏感膠條破損的情況，首先通過DCU上RS232端口查看歷史故障，確認(rèn)敏感膠條的破損是否達(dá)到了影響使用并報出的故障的程度。回路的短路或虛接可能因為環(huán)境及壓力的改變而間歇性發(fā)生，在確認(rèn)不影響正常功能的情況下，進(jìn)行打膠處理，填補(bǔ)粘合微動開關(guān)的保護(hù)層，既要保證橡膠保護(hù)層的密封性與適度的彈性，同時更要保證表層的平滑度，確保密封膠不會因為凸起觸發(fā)系統(tǒng)的障礙物探測。2）屏蔽敏感膠條功能。建議通過在DCU的X1.15與X1.16間及X1.17與X1.18短接1200歐姆，直接將敏感膠條功能屏蔽，只采用電機(jī)電流監(jiān)測和通道時間比監(jiān)測的方式，可有效降低因敏感膠條破損導(dǎo)致列車無法動車的事故數(shù)量。3）優(yōu)化判別算法。后期可進(jìn)行DCU軟件的更新，屏蔽敏感膠條的作用，同時優(yōu)化電機(jī)電流的極限曲線算法及通道時間比的判別算法，使M1電機(jī)既能保證正常的輸出轉(zhuǎn)矩帶動門扇運(yùn)動，又能有效地進(jìn)行障礙物探測，對算法的優(yōu)化問題有待進(jìn)一步的研究。
6結(jié)語
動車組塞拉門對動車組行車安全起到至關(guān)重要的影響作用，針對側(cè)門故障的研究可提升對車門系統(tǒng)的認(rèn)識，強(qiáng)化檢修作業(yè)的質(zhì)量，對保障動車正點(diǎn)率有著積極作用，切實助力“強(qiáng)基達(dá)標(biāo)，提質(zhì)增效”目標(biāo)實現(xiàn)。
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作者：劉振宇 單位：中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司