徐 倩，冀 彬，倪純雙，王悅明，章 亮

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 太原鐵路局 機務(wù)處，山西太原037000）

發(fā)展重載運輸，提高貨車軸重，是提高鐵路重載運輸能力的有效途徑。軸重一定，要提高運能，從車輛方面講，就要加長列車編組，但是由此引起的編組方式、機車操縱、制動性能、縱向沖動等問題需要進行科學(xué)研究。我國的運煤專線線況復(fù)雜，坡道、隧道多，曲線半徑小，掌握列車運行的動力學(xué)特性，科學(xué)分析列車中的車輛狀態(tài)、研究不同列車編組型式的機車同步性、列車制動特性等問題，對于提高重載列車的運輸安全效率是十分重要的。

重載組合列車的特點是列車編組長，傳統(tǒng)的測試方式不能應(yīng)用于測試列車中多個貨車位置（簡稱“斷面”）的參數(shù)。在2萬t重載組合列車綜合試驗的基礎(chǔ)上，成功研制了一套適用于長大貨物列車的分布式縱向動力學(xué)、牽引及制動測試系統(tǒng)，在多次重載列車試驗中應(yīng)用，徹底解決了長大貨物列車的測試難題。

1 試驗方案設(shè)計

大秦線2萬t組合列車是我國首次采用機車Locotrol無線同步技術(shù)的重載列車，初期開行時車輛采用C80貨車。2萬t重載組合列車長度約為2 800m。根據(jù)重載列車編組方式和重載列車中機車編組方式不同的方案特性，需要對機車的牽引性能、車輛的制動性能、車輛縱向動力學(xué)性能等特性進行研究和分析。

1.1 試驗方案設(shè)計

根據(jù)實際需求，試驗方案設(shè)計如下：

（1）列車靜置制動試驗：包括列車制動系統(tǒng)漏泄試驗；常用制動試驗；壓力保持試驗；緊急制動試驗；階段制動試驗；循環(huán)制動試驗；通訊丟失后制動性能測試；懲罰制動性能試驗。

（2）列車運行試驗方案包括①為檢測起動方法對牽引性能和縱向動力學(xué)參數(shù)的影響的起動牽引性能試驗；②為考核坡道起動加速牽引性能和對縱向動力學(xué)性能的影響設(shè)置在4‰限制坡道的起動加速能力試驗以及4‰上坡道的加速能力試驗；③為考核長大下坡道機車控制列車速度能力而設(shè)置-12‰下坡道的的調(diào)速制動試驗以及循環(huán)制動試驗；④長大下坡道以及平直道的緊急制動以及最大常用全制動試驗。對所有運行試驗方案下的車體加速度以及車鉤力指標(biāo)進行監(jiān)測，以考核指標(biāo)是否滿足相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)的要求。

根據(jù)試驗方案，采取系統(tǒng)措施減少列車的縱向沖動，使長大列車運用中各種工況下的車鉤力和縱向加速度控制在允許限度之下。

1.2 試驗內(nèi)容

試驗內(nèi)容主要歸納為3類：

（1）動力學(xué)測試

動力學(xué)測點主要包括車鉤力、車鉤擺角、緩沖器特性、車輛振動加速度等；

（2）牽引參數(shù)測試

牽引參數(shù)主要為機車牽引能力測試，包括網(wǎng)壓網(wǎng)流、牽引／電制動力、電機溫升、起動加速性能等參數(shù)測試；

（3）制動參數(shù)測試

制動參數(shù)主要為機車空氣壓力信號如均衡風(fēng)缸、列車管、制動缸壓力，車輛制動信號（主要包括列車管、副風(fēng)缸、制動缸壓力），另外還需進行閘瓦溫升測試以確保軸承的溫升在要求范圍內(nèi)。

2 測試系統(tǒng)開發(fā)

2.1 測試系統(tǒng)設(shè)計

測點需要分布在全部編組長度范圍內(nèi)，采用雙絞線、光纖的網(wǎng)絡(luò)化布線方案無論從布線難度、可靠性等方面都存在諸多不足之處。又由于重載列車長度較長，需經(jīng)常解編，這樣各測點的同步和監(jiān)控要求不能采用雙絞線或光纖等有線方案，必須考慮無線連接的方案。每個斷面的測點匯集到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)將斷面的數(shù)據(jù)采集（數(shù)采）系統(tǒng)組合成一個綜合的測試系統(tǒng)，并根據(jù)控制中心的控制指令進行工作。

貨物列車上沒有220V交流電源，只能使用電池供電，為此數(shù)采系統(tǒng)必須能使用電池供電，且功耗較低。

貨物列車的數(shù)采系統(tǒng)必須能經(jīng)受極端環(huán)境溫度-40℃～+50℃以及95%左右濕度的考驗。

貨物列車的振動比客車大得多，為此數(shù)采系統(tǒng)必須能經(jīng)受長時間的振動以及一定的沖擊。

貨物列車的密封較差，如大秦線運煤的敞車就完全沒有密封措施，這樣數(shù)采系統(tǒng)必須有抗粉塵顆粒污染的能力。

針對大秦線重載試驗，還必須考慮大秦線運輸?shù)奶攸c，列車在到達目的地之后要立即解編，到翻車線上卸煤，為此數(shù)采系統(tǒng)必須要做到尺寸小巧和質(zhì)量輕，才能便于攜帶拆卸。

在采用無線同步和監(jiān)控方案時，考慮到大秦線處于山區(qū)，還有許多小曲線半徑線路以及隧道等，無線通訊不可避免的會造成采樣數(shù)據(jù)的丟失，這時數(shù)采系統(tǒng)必須有本地存儲的能力。

各測試儀器的信號需要時鐘同步，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性分析。

綜合上述分析，在重載列車的試驗中必須采用基于無線網(wǎng)絡(luò)分布式的測試系統(tǒng)。

2.2 測試系統(tǒng)的設(shè)備選型

基于上述測試系統(tǒng)的方案，測試設(shè)備既要滿足測得多種信號的要求，又要滿足重載貨車的惡劣條件，因此，數(shù)采系統(tǒng)需要便攜、滿足分布式數(shù)采以及多種采集信號（如電壓、應(yīng)變、熱電偶等信號）的要求：同時數(shù)采系統(tǒng)的抗沖擊能力至少在20g以上、可以接受電池供電及交流AC220V供電兩種方式；數(shù)采系統(tǒng)之間還可同步操作，同步可以采用GPS、GSM或其他有線方式進行；采樣數(shù)據(jù)可以本地存儲、PC存儲，又可以實時遠端監(jiān)控；數(shù)采系統(tǒng)還需要滿足可以級聯(lián)的要求。

2.3 測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

（1）無線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備

測試系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)功能是連接兩個或者多個測試點的儀器，實時傳輸試驗數(shù)據(jù)。因此采用無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)這些功能。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11b，頻帶寬度為2.4～2.497GHz，可以提供很高的數(shù)據(jù)傳輸速率（11 Mb／s）和較高的輸出功率（100mW），傳輸距離是系統(tǒng)硬件設(shè)計的主要考慮因素之一，連接最遠距離應(yīng)在10 km以上。另外，網(wǎng)絡(luò)占用公用頻點，無需申請及付費，而且能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境，需要支持點對點和點對多點配置。

（2）系統(tǒng)電源供給

重載列車中間斷面無法獲得220V交流電源，因此斷面采用鋰電池為數(shù)采系統(tǒng)、傳感器以及網(wǎng)橋供電。鋰電池除了溫度要求外，功率滿足支持每個測試斷面工作約15h。同時電池也具有各種電路保護功能，輸出電壓平穩(wěn)，具有一定的抗振性能。

（3）數(shù)采系統(tǒng)

選型后的數(shù)采系統(tǒng)應(yīng)用模式如下，首先需要保證各測點數(shù)據(jù)的同步性，儀器的同步依靠GPS衛(wèi)星接收器實現(xiàn)，采用GPS的UTC（標(biāo)準(zhǔn)時間）進行各數(shù)采系統(tǒng)的時間同步。GPS授時精度為1μs，可以保證儀器之間的時間差在1μs以內(nèi)。這樣就解決了不同斷面的數(shù)據(jù)不能同時進行分析的難題。

數(shù)采系統(tǒng)可以進行本地存儲，同時也可以進行PC存儲，本地存儲的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心?？刂浦行膶⑹盏降母鲾嗝婢W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行匯總及處理，實時報告測點數(shù)據(jù)。

由于重載列車編組長，運行線路復(fù)雜，無線網(wǎng)絡(luò)不能保證列車運行在任何位置都是通暢的，因此在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，必須將數(shù)據(jù)存儲至本地。這樣盡管無線網(wǎng)絡(luò)暫時性失連，數(shù)據(jù)也不會丟失。

圖1為測試系統(tǒng)組成示意圖。圖2為測試系統(tǒng)工作箱。

圖1 測試系統(tǒng)組成示意圖

圖2 網(wǎng)橋的天線安裝

2.4 測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)

借助于中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所的DASO軟件，在此基礎(chǔ)上開發(fā)適用于重載列車試驗方案的軟件。無線分布式綜合軟件開發(fā)主要考慮如下幾點：

（1）由于無線通訊不可避免的會出現(xiàn)暫時通訊中斷的問題，因此軟件在運行的過程中必須能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)不暢的情況，在網(wǎng)絡(luò)異常時系統(tǒng)能進行必要的保護，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時系統(tǒng)能及時捕捉到信息并恢復(fù)控制；

（2）由于無線通訊的中斷會造成部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失，必須以本地存儲的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，為此軟件必須能夠?qū)Ρ镜卮鎯Φ臄?shù)據(jù)進行有效的轉(zhuǎn)換管理；

（3）軟件在監(jiān)控的過程中必須能實時顯示各斷面所有通道的狀態(tài)；

圖3為利用開發(fā)的軟件應(yīng)用于大秦線2萬t重載組合列車試驗的軟件界面圖例。

圖3 DASO軟件運行的監(jiān)控界面

3 測試系統(tǒng)的應(yīng)用實例

以采用Locotrol技術(shù)開行2萬t重載組合列車綜合試驗為例，介紹測試系統(tǒng)平臺進行重載組合列車試驗的實際應(yīng)用。

試驗共設(shè)置9個測試斷面。1號斷面的測試項目包括主控機車的牽引信號，如網(wǎng)壓網(wǎng)流、牽引／電制動力；包括主控機車的壓力信號，如機車均衡風(fēng)缸、機車列車管、機車制動缸信號；還包括1位車輛的壓力信號及車鉤力、車體加速度、緩沖器位移信號以及速度信號。同時1號斷面也為全部試驗的控制中心，向所有斷面的儀器發(fā)出采集以及停止試驗的指令，接收所有斷面的數(shù)據(jù)。5號斷面的測試項目和1號測試斷面相同，只是機車為從控機車。其余斷面的測點均為C80貨車測點。

測試工作箱中集成了電源、數(shù)采系統(tǒng)、無線網(wǎng)橋，GPS以及傳感器信號接入數(shù)采系統(tǒng)，控制中心發(fā)出指令要求儀器采用GPS時鐘同步，進而開始記錄數(shù)據(jù)。在試驗中實時顯示線路、速度、傳感器信號等信息。圖4為測試的網(wǎng)壓、網(wǎng)流及信號。圖5為緊急制動工況下各斷面車鉤力的變化曲線。圖6為循環(huán)制動工況下的電制動力、壓力信號及車鉤力波形圖。

圖4 緊急工況機車及車輛信號時域圖

圖5 緊急制動工況下各斷面車鉤力圖

圖6 傳感器信號的時域波形圖

4 結(jié)束語

測試系統(tǒng)研制成功后，先后承擔(dān)了近20次的“大秦線2萬t重載列車縱向動力學(xué)、牽引以及制動性能試驗”、“大包線重載列車試驗”，以及貨車溜放試驗等，徹底解決了長大貨物列車的測試難題，為研究分析重載列車的機車牽引操縱，制動方案以及降低縱向沖動等問題提供了科學(xué)依據(jù)。該套測試系統(tǒng)也能適用于其他各種需要分布式測量的環(huán)境，如長大橋梁，大型建筑物的測試等。

［1］倪純雙.超長重載列車縱向動力學(xué)、牽引及制動統(tǒng)一測試平臺的研究［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2006.

［2］嚴(yán)雋耄，翟婉明，陳清，傅茂海.重載列車系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［3］陶強.大秦線2萬t重載組合列車綜合試驗報告［R］，北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2006.

［4］耿志修.大秦鐵路重載運輸技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.