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摘要：常州地铁1号线自开通运行一年后，T11车由于轮对磨耗进行了一定程度的镟修，并开始频繁在正线下行过弯道曲线时报出牵引轮径异常故障，主要表现为每节动车经自动轮径校准后轮径差值超出牵引系统设定阀值。主要通过对常州地铁1号线牵引轮径校准功能的控制原理和牵引轮径异常故障判断逻辑分析查找故障原因，有针对性的解决问题以及提高牵引轮径校准功能的可靠性。
关键词：地铁车辆;轮径校准;轮径异常;故障分析
一、故障概述
常州地铁1号线自2020年6月开始，T11车在正线频繁报出牵引轮径异常故障，采取人工轮径校准方法对轮径进行复核，每节车同轴、同转向架及同车的车轮直径差符合检修标准，但牵引系统轮径校准功能得出的轮径差值为6.1mm，超出了系统轮径差阀值6mm。通过重新调整牵引系统数据记录清单，增加牵引系统对动车轮径值得记录，并且对故障车进行数据信号实时监控，总结故障有以下特点：
（1）跟踪实时数据信号时，发现列车经过下行区间弯道曲线时，T11车会报出牵引轮径异常故障。
（2）跟踪故障数据发现，仅仅T11车的Mp2车的轮径差值超限报出故障。
二、列车自动轮径校准功能原理
（1）轮径校准依据：牵引系统将每列车Mp1车的第一根轴作为参考轴，其轴速作为参考速度，牵引系统将参考速度信号发给车辆网络TCMS系统，再由TCMS系统将此参考速度信号转发到所有动车牵引控制模块并作为轮径校准的依据。
（2）轮径校准功能激活指令：牵引系统内部判断轮径校准条件是否满足，条件包括车辆网络TCMS系统发出的牵引级位小于5%（惰行条件），列车速度满足轮径校准的最低速度（车速大于30km/h），车速变化率小于0.5m/s2（加速度要求），列车速度和参考速度差值小于10km/h，同时牵引系统根据这几个条件也判断出列车在平直道运行符合轮径校准条件。
当轮径校准条件满足时，牵引系统延时3秒开始激活轮径校准功能。参考速度与每根动车轴轴速进行对比，轴速差值输入积分器进行积分校正，积分器直接输出校准后的轮径值。积分器的目的就是把轴速和列车速度无限接近，积分器输出的每根动车轴的轮径值实时参与轴速计算，最终使每根动车轴轴速与参考速度差值理论为0，此时牵引轮径值就校准到了实际轮径值，即牵引系统完成轮径校准功能，详细见下方原理图：
Vcal为轮径校准的参考速度，Vaxle为轴速。参考速度和每根动车轴轴速的差值实时输入轮径校准控制器1/P（即积分控制器），输出值即为实时校准（累积）出来的轮径值，并且实时存入DCU内部的存储器中。校准的轮径通过和实时的电机转速运算得到实时的轴速，反馈到控制器前端，形成闭环控制。
即：当前时刻的轮径值=上一时刻的轮径值+（Vcal-Vaxle）*Tc/T;
注：TC/T为积分器的时间常数，相当于一个决定轮径校准快慢的一个系数。
当轮径校准激活，通过持续的闭环计算，轮径值在初始轮径值的基础上不断累积（增大或减小），最终使得参考速度无限接近于轴速。
三、故障分析
1.1 故障判断逻辑
根据牵引数据下载显示，T11车Mp2车报出的牵引轮径异常故障对应的牵引系统故障为轮径差值高故障。
轮径差值高故障的判断逻辑是动车的牵引控制单元比较本车四个轴的轮径值，并将其中最大值和最小值比较。当最大值与最小值差值大于6mm时，牵引控制单元会延时5秒后报出轮径差值高故障，即牵引轮径异常故障，从而导致故障时刻牵引模块（MCM）输出转矩因轮径差值而被限制，实际转矩与限制因子密切相关，如下图所示：
当轮径差值在0-6mm范围内时，限制因子为1，即不限制转矩;當轮径差值在6-9mm范围内时，限制因子线性下降，对应的牵引模块（MCM）输出的转矩也线性下降;当轮径差值大于9mm时转矩下降为0，且延时3秒后保护封锁牵引模块（MCM）。
1.2 故障原因分析
更新牵引系统软件数据记录清单，增加动车轮径值的记录后，采集了2020年6月24日T11车牵引数据，具体如下
（1）6月24日分别报出三次故障，故障时刻分别为09：04：09、11：20：23和15：40：57，故障地点都是环球港站到新区公园站（见图3）。
（2）以故障时刻11：20：23的速度数据为例（见图4），环球港站到新区公园站区间，出站加速到一直处于接近惰性状态，并结合环球港到新区公园站区段图（见图5）发现列车连续经过弯道曲线，此时ATO模式下牵引级位也较低，所以全程满足轮径校准功能条件。
（3）整理牵引系统记录的轮径数据，通过表格对三个故障时刻（2020年6月24日）的T11车Mp2车各轴轮径变化值进行分析（见表1）。从数据看，每个时间点的故障现象一致，在环球港到新区公园区间，Mp2车在轮径校准前后4根轴轮径值最大值和最小值的差值高于故障判断逻辑阈值6mm，报出了轮径差值高故障，即牵引轮径异常故障。
（4）数据总结分析
根据数据分析得出，在环球港到新区公园区间，列车在弯道行驶区间持续保持51km/h和56km/h运行，速度满足大于30km/h且车辆处于惰行，激活了轮径校准功能。牵引系统根据前面自身接收到的信号进行了判断是符合轮径校准条件并触发了轮径校准功能，但是牵引系统也正是在没有弯道传感器的情况下，根据这些信号也可判断出列车是否在平直段运行。T11车在该区间弯道曲线运行时，牵引系统根据自身接收信号误判电客车处于平直段运行并进行了轮径校准功能。
又由于列车在此区间过弯道时，外侧转速显然是要大于内侧，轴速出现较大失真，与参考速度存在一定差值，此时轮径就会不断校准，最终输出的轮径值经过实时校准累积得出，出现的失真也就越来越大。此外，T11车Mp2车由于前期运营轮轨关系磨合，已经经过镟修作业，实际同车4根轴轮径差值已按照作业标准在3.7-4mm之间。所以，T11车Mp2车由于本身存在的轮径差与弯道产生的校准误差，使得经过校准后的轮径值超过故障判断的阀值，报出牵引轮径异常故障。
四、解决措施
由于列车经过弯道曲线时，其轴速出现较大失真，与参考速度存在一定差值，又由于列车运行条件满足轮径校准，轮径值被不断进行实时校准累积，使得最终输出轮径值偏差越来越大。为减少在弯道产生的轮径校准误差，对轮径校准逻辑中快速积分时间常数进行修改，由原先11ms增加至1000ms，使得列车下行在经过弯道曲线且满足轮径校准条件时不立即进行轮径校准激活，待四节动车进入平直段后再进行，即规避弯道曲线导致的轮径校准失真。
T11车软件经过修改后进行了3个月正线验证，轮径差值在4.7mm，接近于实际测量值，小于故障阀值6mm，如图7所示：
五、结束语
通过对车辆牵引控制系统实际运营路况下的数据分析和验证结果可以得知，列车经过弯道曲线时会产生轴速失真，使得轮径校准误差增大。通过对轮径校准功能激活指令参数的修改，使得轮径校准功能在平直段激活，减小轮径校准误差，使校准值更接近于实际测量值。
经过三个多月的正线跟踪，牵引轮径校准功能稳定，未再出现牵引轮径异常故障。
关键词：地铁车辆;轮径校准;轮径异常;故障分析
一、故障概述
常州地铁1号线自2020年6月开始，T11车在正线频繁报出牵引轮径异常故障，采取人工轮径校准方法对轮径进行复核，每节车同轴、同转向架及同车的车轮直径差符合检修标准，但牵引系统轮径校准功能得出的轮径差值为6.1mm，超出了系统轮径差阀值6mm。通过重新调整牵引系统数据记录清单，增加牵引系统对动车轮径值得记录，并且对故障车进行数据信号实时监控，总结故障有以下特点：
（1）跟踪实时数据信号时，发现列车经过下行区间弯道曲线时，T11车会报出牵引轮径异常故障。
（2）跟踪故障数据发现，仅仅T11车的Mp2车的轮径差值超限报出故障。
二、列车自动轮径校准功能原理
（1）轮径校准依据：牵引系统将每列车Mp1车的第一根轴作为参考轴，其轴速作为参考速度，牵引系统将参考速度信号发给车辆网络TCMS系统，再由TCMS系统将此参考速度信号转发到所有动车牵引控制模块并作为轮径校准的依据。
（2）轮径校准功能激活指令：牵引系统内部判断轮径校准条件是否满足，条件包括车辆网络TCMS系统发出的牵引级位小于5%（惰行条件），列车速度满足轮径校准的最低速度（车速大于30km/h），车速变化率小于0.5m/s2（加速度要求），列车速度和参考速度差值小于10km/h，同时牵引系统根据这几个条件也判断出列车在平直道运行符合轮径校准条件。
当轮径校准条件满足时，牵引系统延时3秒开始激活轮径校准功能。参考速度与每根动车轴轴速进行对比，轴速差值输入积分器进行积分校正，积分器直接输出校准后的轮径值。积分器的目的就是把轴速和列车速度无限接近，积分器输出的每根动车轴的轮径值实时参与轴速计算，最终使每根动车轴轴速与参考速度差值理论为0，此时牵引轮径值就校准到了实际轮径值，即牵引系统完成轮径校准功能，详细见下方原理图：
Vcal为轮径校准的参考速度，Vaxle为轴速。参考速度和每根动车轴轴速的差值实时输入轮径校准控制器1/P（即积分控制器），输出值即为实时校准（累积）出来的轮径值，并且实时存入DCU内部的存储器中。校准的轮径通过和实时的电机转速运算得到实时的轴速，反馈到控制器前端，形成闭环控制。
即：当前时刻的轮径值=上一时刻的轮径值+（Vcal-Vaxle）*Tc/T;
注：TC/T为积分器的时间常数，相当于一个决定轮径校准快慢的一个系数。
当轮径校准激活，通过持续的闭环计算，轮径值在初始轮径值的基础上不断累积（增大或减小），最终使得参考速度无限接近于轴速。
三、故障分析
1.1 故障判断逻辑
根据牵引数据下载显示，T11车Mp2车报出的牵引轮径异常故障对应的牵引系统故障为轮径差值高故障。
轮径差值高故障的判断逻辑是动车的牵引控制单元比较本车四个轴的轮径值，并将其中最大值和最小值比较。当最大值与最小值差值大于6mm时，牵引控制单元会延时5秒后报出轮径差值高故障，即牵引轮径异常故障，从而导致故障时刻牵引模块（MCM）输出转矩因轮径差值而被限制，实际转矩与限制因子密切相关，如下图所示：
当轮径差值在0-6mm范围内时，限制因子为1，即不限制转矩;當轮径差值在6-9mm范围内时，限制因子线性下降，对应的牵引模块（MCM）输出的转矩也线性下降;当轮径差值大于9mm时转矩下降为0，且延时3秒后保护封锁牵引模块（MCM）。
1.2 故障原因分析
更新牵引系统软件数据记录清单，增加动车轮径值的记录后，采集了2020年6月24日T11车牵引数据，具体如下
（1）6月24日分别报出三次故障，故障时刻分别为09：04：09、11：20：23和15：40：57，故障地点都是环球港站到新区公园站（见图3）。
（2）以故障时刻11：20：23的速度数据为例（见图4），环球港站到新区公园站区间，出站加速到一直处于接近惰性状态，并结合环球港到新区公园站区段图（见图5）发现列车连续经过弯道曲线，此时ATO模式下牵引级位也较低，所以全程满足轮径校准功能条件。
（3）整理牵引系统记录的轮径数据，通过表格对三个故障时刻（2020年6月24日）的T11车Mp2车各轴轮径变化值进行分析（见表1）。从数据看，每个时间点的故障现象一致，在环球港到新区公园区间，Mp2车在轮径校准前后4根轴轮径值最大值和最小值的差值高于故障判断逻辑阈值6mm，报出了轮径差值高故障，即牵引轮径异常故障。
（4）数据总结分析
根据数据分析得出，在环球港到新区公园区间，列车在弯道行驶区间持续保持51km/h和56km/h运行，速度满足大于30km/h且车辆处于惰行，激活了轮径校准功能。牵引系统根据前面自身接收到的信号进行了判断是符合轮径校准条件并触发了轮径校准功能，但是牵引系统也正是在没有弯道传感器的情况下，根据这些信号也可判断出列车是否在平直段运行。T11车在该区间弯道曲线运行时，牵引系统根据自身接收信号误判电客车处于平直段运行并进行了轮径校准功能。
又由于列车在此区间过弯道时，外侧转速显然是要大于内侧，轴速出现较大失真，与参考速度存在一定差值，此时轮径就会不断校准，最终输出的轮径值经过实时校准累积得出，出现的失真也就越来越大。此外，T11车Mp2车由于前期运营轮轨关系磨合，已经经过镟修作业，实际同车4根轴轮径差值已按照作业标准在3.7-4mm之间。所以，T11车Mp2车由于本身存在的轮径差与弯道产生的校准误差，使得经过校准后的轮径值超过故障判断的阀值，报出牵引轮径异常故障。
四、解决措施
由于列车经过弯道曲线时，其轴速出现较大失真，与参考速度存在一定差值，又由于列车运行条件满足轮径校准，轮径值被不断进行实时校准累积，使得最终输出轮径值偏差越来越大。为减少在弯道产生的轮径校准误差，对轮径校准逻辑中快速积分时间常数进行修改，由原先11ms增加至1000ms，使得列车下行在经过弯道曲线且满足轮径校准条件时不立即进行轮径校准激活，待四节动车进入平直段后再进行，即规避弯道曲线导致的轮径校准失真。
T11车软件经过修改后进行了3个月正线验证，轮径差值在4.7mm，接近于实际测量值，小于故障阀值6mm，如图7所示：
五、结束语
通过对车辆牵引控制系统实际运营路况下的数据分析和验证结果可以得知，列车经过弯道曲线时会产生轴速失真，使得轮径校准误差增大。通过对轮径校准功能激活指令参数的修改，使得轮径校准功能在平直段激活，减小轮径校准误差，使校准值更接近于实际测量值。
经过三个多月的正线跟踪，牵引轮径校准功能稳定，未再出现牵引轮径异常故障。