葉柏洪，池 海

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081)

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)形式的發(fā)展，大秦鐵路已經(jīng)正式開(kāi)行了2萬(wàn)t重載組合列車(chē)，使用的是GE公司的LOCOTROL無(wú)線(xiàn)動(dòng)力分布式控制系統(tǒng)技術(shù)，日開(kāi)行對(duì)數(shù)已達(dá)20多對(duì)，采用的機(jī)車(chē)除了有SS4機(jī)車(chē)外，還有新型和諧型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)。為大秦線(xiàn)年運(yùn)量的提高起到了關(guān)鍵作用。

1 開(kāi)行重載列車(chē)的難點(diǎn)及解決措施

1.1 開(kāi)行重載列車(chē)的難點(diǎn)

要提高單位列車(chē)的運(yùn)量，除了增加軸重以外，最簡(jiǎn)單的方法就是增加編組。但增加編組會(huì)出現(xiàn)很多的問(wèn)題，而制動(dòng)問(wèn)題尤為突出，這將直接影響到列車(chē)的運(yùn)行安全，主要原因如下。

(1)重載列車(chē)編組超長(zhǎng)，由于空氣制動(dòng)波速無(wú)法超過(guò)聲速，列車(chē)在常用、緊急制動(dòng)時(shí)首尾車(chē)發(fā)生作用的時(shí)間差將近10 s，可能會(huì)造成嚴(yán)重的斷鉤、脫軌事故。

(2)重載列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道上，由于列車(chē)編組較長(zhǎng)，列車(chē)沒(méi)有階段緩解作用，制動(dòng)后的再充氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使得列車(chē)再次制動(dòng)的能力減弱容易造成列車(chē)失控，對(duì)安全產(chǎn)生威脅。

(3)常規(guī)的動(dòng)力集中式牽引方式，在機(jī)車(chē)進(jìn)行牽引或動(dòng)力制動(dòng)時(shí)，在靠近機(jī)車(chē)后車(chē)輛的車(chē)鉤緩沖器承受著巨大的拉壓力，同樣容易造成斷鉤等故障。

1.2 解決措施

為解決超長(zhǎng)大列車(chē)重載運(yùn)輸?shù)闹苿?dòng)問(wèn)題，國(guó)際上主要采用了以下兩種技術(shù)。

(1)機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)同步操縱(動(dòng)力分布式)控制技術(shù)。在重載列車(chē)編組中，將牽引機(jī)車(chē)分別布置在列車(chē)頭部、中間或尾部，采用無(wú)線(xiàn)通訊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在列車(chē)進(jìn)行牽引和動(dòng)力制動(dòng)時(shí)，能夠降低列車(chē)中的最大車(chē)鉤力;而在空氣制動(dòng)時(shí)，由于本務(wù)機(jī)車(chē)和遠(yuǎn)程分布機(jī)車(chē)同時(shí)參與列車(chē)的制動(dòng)和緩解控制，在制動(dòng)時(shí)大大提高了列車(chē)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)波速，縮短了制動(dòng)距離，減少了車(chē)鉤力。同樣在緩解時(shí)，重聯(lián)機(jī)車(chē)參與列車(chē)管充風(fēng)，既加快了整列車(chē)的緩解波速，同時(shí)又縮短了列車(chē)制動(dòng)后的再充氣時(shí)間，提高列車(chē)再制動(dòng)的能力。在大秦線(xiàn)已經(jīng)開(kāi)行的2萬(wàn)t級(jí)組合列車(chē)就是采用了這樣的技術(shù)。

(2)有線(xiàn)電控空氣制動(dòng)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)在20世紀(jì)90年代中后期在美國(guó)才發(fā)展起來(lái)，有著傳統(tǒng)空氣制動(dòng)無(wú)可比擬的優(yōu)越性，其對(duì)列車(chē)制動(dòng)性能的改善以及取得的實(shí)際效果更優(yōu)于機(jī)車(chē)動(dòng)力分散控制的作用，極大限度地改善了列車(chē)制動(dòng)和緩解過(guò)程中列車(chē)縱向沖動(dòng)的問(wèn)題以及列車(chē)再制動(dòng)的能力，尤其適用于特長(zhǎng)編組的單元列車(chē)。

2 機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)同步操縱(動(dòng)力分布式)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)同步操縱(動(dòng)力分布式)控制技術(shù)，研發(fā)機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)同步操縱系統(tǒng)?？紤]到國(guó)內(nèi)貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)的現(xiàn)狀，決定以SS4型電力機(jī)車(chē)，制動(dòng)機(jī)采用DK1為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，同時(shí)也考慮了采用和諧型大功率交直交機(jī)車(chē)的配合應(yīng)用方案。1列組合列車(chē)允許多達(dá)4臺(tái)電力機(jī)車(chē)編組，由1輛主控電力機(jī)車(chē)操縱，其余從控機(jī)車(chē)同步于主控機(jī)車(chē)的操縱，由系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行牽引、制動(dòng)、惰行等操縱功能。

系統(tǒng)包含可以裝在4臺(tái)(套)機(jī)車(chē)上的設(shè)備。每套設(shè)備包括:系統(tǒng)處理模塊、列車(chē)控制接口模塊、制動(dòng)控制接口模塊、無(wú)線(xiàn)通訊模塊、操作顯示模塊及各自相關(guān)的應(yīng)用軟件、同步操縱控制的通訊協(xié)議等。

系統(tǒng)采用800 MHz無(wú)線(xiàn)電臺(tái)作為通信手段，應(yīng)用于SS4電力機(jī)車(chē)的框圖如圖1所示;應(yīng)用于和諧型電力機(jī)車(chē)的框圖如圖2所示，由于采用了MVB網(wǎng)絡(luò)通信，使得控制變得簡(jiǎn)單。

圖1 應(yīng)用于SS4電力機(jī)車(chē)DK-1制動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)框圖

圖2 應(yīng)用于和諧型電力機(jī)車(chē)的系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)的主要技術(shù)方案及難點(diǎn)

3.1 無(wú)線(xiàn)通信

我國(guó)的重要貨運(yùn)線(xiàn)路，一般都地處山區(qū)、丘陵地段，地形復(fù)雜、隧道密集。由于無(wú)線(xiàn)電波的傳輸特性決定了線(xiàn)路的盲區(qū)較多，根據(jù)大秦公司開(kāi)行美國(guó)GE公司的同步操縱系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，即便是采用了800 MHz+GSM-R電臺(tái)的方式，仍然不能保證100%的通信良好率，故此系統(tǒng)必須考慮通信丟失時(shí)候的應(yīng)對(duì)處理。800 MHz的頻率屬于甚高頻頻段，傳播特性和光線(xiàn)相似，所以當(dāng)列車(chē)運(yùn)行在特殊地區(qū)的時(shí)候可能造成通信丟失。為此采取的應(yīng)對(duì)措施是當(dāng)被控機(jī)車(chē)檢測(cè)到通信丟失時(shí)，如果被控機(jī)車(chē)沒(méi)有檢測(cè)到空氣管路的異常狀態(tài)，即通過(guò)空氣管路沒(méi)有檢測(cè)到主控機(jī)車(chē)進(jìn)行制動(dòng)操作，則從控機(jī)車(chē)維持通信丟失前的狀態(tài)不變;從控機(jī)車(chē)一旦檢測(cè)到主控機(jī)車(chē)進(jìn)行了制動(dòng)操作，從控機(jī)車(chē)則切除制動(dòng)閥，如機(jī)車(chē)原先在牽引狀態(tài)，則以一定的速率退級(jí)，直至零。這樣，最大限度地保障了列車(chē)運(yùn)行的安全。

3.2 制動(dòng)機(jī)狀態(tài)的檢測(cè)及控制

同步操縱方案是基于國(guó)產(chǎn)DK-1制動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的同步功能。不同于運(yùn)用于GE公司的LOCOTROL系統(tǒng)采用的CCBII機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)。DK-1制動(dòng)機(jī)是由司機(jī)通過(guò)控制排風(fēng)時(shí)間并監(jiān)測(cè)壓力表控制目標(biāo)減壓量的，所以檢測(cè)制動(dòng)機(jī)手柄位置以及相關(guān)壓力成了主要問(wèn)題。

CCBII機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)制動(dòng)手柄直接給出了制動(dòng)機(jī)的目標(biāo)減壓量，同步操縱系統(tǒng)在讀取了目標(biāo)減壓量以后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信可以1次傳送到被控機(jī)車(chē)上去，此時(shí)，即便暫時(shí)的通信丟失，整套系統(tǒng)仍然可以實(shí)現(xiàn)比較精確的同步。

采取檢測(cè)電磁閥動(dòng)作狀態(tài)判定制動(dòng)手柄的位置，通過(guò)檢測(cè)制動(dòng)缸壓力、作用管壓力、均衡風(fēng)缸壓力等，將實(shí)時(shí)量實(shí)時(shí)傳遞到被控機(jī)車(chē)，被控機(jī)車(chē)在接收到主控機(jī)車(chē)的實(shí)時(shí)狀態(tài)以后，同步于主控機(jī)車(chē)，實(shí)現(xiàn)同步操縱。由此可見(jiàn)，基于DK-1制動(dòng)機(jī)的同步操縱系統(tǒng)對(duì)通信系統(tǒng)具有更高的要求。

通過(guò)傳遞機(jī)車(chē)制動(dòng)缸的壓力、作用管的壓力以及均衡風(fēng)缸的壓力，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)的單獨(dú)制動(dòng)、單獨(dú)緩解功能。

3.3 控制系統(tǒng)的組成及網(wǎng)絡(luò)的選擇

控制系統(tǒng)采用多CPU的方案，每個(gè)功能單元都有自己的CPU控制。機(jī)車(chē)顯示器采用LINUX操作系統(tǒng)，其余控制部分采用C/ASM語(yǔ)言編制，各模塊間采用CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。

4 試驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)同步操縱系統(tǒng)的性能，摸清配合同步操縱系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，在制動(dòng)試驗(yàn)室做了制動(dòng)系統(tǒng)漏泄試驗(yàn)、系統(tǒng)充風(fēng)試驗(yàn)、意外流量的測(cè)試、制動(dòng)緩解的同步性能測(cè)試、機(jī)車(chē)模擬操縱臺(tái)等試驗(yàn)。

4.1 系統(tǒng)漏泄試驗(yàn)

由于系統(tǒng)漏泄會(huì)增大機(jī)車(chē)中繼閥向列車(chē)管供風(fēng)的流量值，漏泄過(guò)大時(shí)可能造成意外流量的誤判斷。所以在200輛貨車(chē)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，其結(jié)果為:在定壓穩(wěn)定以后，關(guān)閉折角塞門(mén)，系統(tǒng)平均漏泄2 kPa/min。

4.2 系統(tǒng)充風(fēng)試驗(yàn)

系統(tǒng)制動(dòng)及再充風(fēng)試驗(yàn)?zāi)康囊皇菧y(cè)試在不同編組、不同減壓工況、單雙機(jī)充風(fēng)、單雙壓縮機(jī)工作的情況下的充風(fēng)時(shí)間和總風(fēng)壓降，以確保長(zhǎng)大編組列車(chē)的供風(fēng)能力;二是測(cè)試不同減壓制動(dòng)后僅由主控機(jī)車(chē)充風(fēng)，看從控機(jī)車(chē)列車(chē)管在120 s時(shí)間內(nèi)能否上升20 kPa，以確保從控機(jī)車(chē)制動(dòng)閥切除后能夠相應(yīng)這一壓力上升而正確投入。

表1列出了幾個(gè)典型工況的總風(fēng)壓最低值和尾車(chē)充至定壓的充風(fēng)時(shí)間。

表1 典型工況的總風(fēng)壓最低值和尾車(chē)充至定壓的充風(fēng)時(shí)間

從表中數(shù)據(jù)可以看出雙壓縮機(jī)供風(fēng)除初充風(fēng)這一用風(fēng)最多的工況外，總風(fēng)壓的最低壓力均在600 kPa左右，單壓縮機(jī)供風(fēng)除緊急后充風(fēng)這一用風(fēng)次多的工況外，總風(fēng)壓的最低壓力均在760 kPa左右，充風(fēng)時(shí)間也在正常范圍內(nèi);不同工況減壓后僅主控機(jī)車(chē)充風(fēng)，從控機(jī)車(chē)列車(chē)管在上升20 kPa的時(shí)間，均在30 s以?xún)?nèi)，能夠確保從控機(jī)車(chē)制動(dòng)閥切除后的正確投入。

4.3 意外流量測(cè)試

在同步操縱通信丟失的情況下，如果主控機(jī)車(chē)實(shí)施制動(dòng)或制動(dòng)后的追加，通過(guò)對(duì)從控機(jī)車(chē)產(chǎn)生的意外流量的判斷，可以切除其制動(dòng)閥，使全列車(chē)僅受控于主控機(jī)車(chē)的命令，確保列車(chē)在通信丟失的情況下利用意外流量這一后備的通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的操縱。圖3中40 s，60 s內(nèi)的2道豎線(xiàn)所標(biāo)志的時(shí)間間隔就是意外流量發(fā)生的時(shí)間;60 s后明顯上升的桔色曲線(xiàn)為意外流量。

圖3 意外流量測(cè)試截圖

4.4 同步性能試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)試從控機(jī)車(chē)相對(duì)于主控機(jī)車(chē)的制動(dòng)和緩解及牽引控制的時(shí)間差，即動(dòng)作的同步性，這一指標(biāo)是同步操縱系統(tǒng)的重要參數(shù)，關(guān)系到全列車(chē)縱向沖動(dòng)加速度和車(chē)鉤力的大小。

試驗(yàn)將從控機(jī)車(chē)(圖4～圖6中的J1)鏈接至主控機(jī)車(chē)(圖4～圖6中的J2)，關(guān)閉從控機(jī)車(chē)前的折角塞門(mén)，讓制動(dòng)和緩解指令僅通過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)傳遞，來(lái)測(cè)試各制動(dòng)工況下，從控機(jī)車(chē)相對(duì)于主控機(jī)車(chē)的制動(dòng)和緩解的系統(tǒng)同步性。試驗(yàn)包括自動(dòng)制動(dòng)的最小減壓后緩解、追加制動(dòng)后緩解、最大減壓后緩解、緊急制動(dòng)后緩解;單獨(dú)制動(dòng)、單獨(dú)緩解、自動(dòng)制動(dòng)后單獨(dú)緩解。部分試驗(yàn)曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)如圖4～圖6所示。

試驗(yàn)通過(guò)模擬機(jī)車(chē)控制的接點(diǎn)閉合、開(kāi)放，測(cè)試從主控機(jī)車(chē)接點(diǎn)閉合到從控機(jī)車(chē)接點(diǎn)閉合所需要的時(shí)間，系統(tǒng)響應(yīng)(延時(shí))時(shí)間的分布情況如圖7所示。

從圖中可以看出:

(1)從控機(jī)車(chē)能夠快速響應(yīng)主控機(jī)車(chē)的指令，平均動(dòng)作時(shí)間差在2 s以?xún)?nèi)。

(2)從控機(jī)車(chē)的列車(chē)管和制動(dòng)缸的壓力值與主控一致，可以確保全列車(chē)制動(dòng)力分布的均勻性。

圖4 制動(dòng)和緩解的同步情況

圖5 最小減壓后緩解的同步情況

圖6 階段制動(dòng)后緩解的同步情況

圖7 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間散點(diǎn)圖

4.5 機(jī)車(chē)模擬操縱試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)

機(jī)車(chē)模擬操縱試驗(yàn)臺(tái)用來(lái)配合模擬電力機(jī)車(chē)的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)及牽引、動(dòng)力制動(dòng)模擬信號(hào)，諸如牽引使能、動(dòng)力制動(dòng)使能、主斷路器分/合、劈相機(jī)啟動(dòng)等。

考慮到一般機(jī)車(chē)的需要，裝置設(shè)計(jì)成可以提供48路開(kāi)關(guān)量輸入(顯示)、輸出及4路模擬量輸出，模擬試驗(yàn)臺(tái)外觀如圖8。

圖8 模擬試驗(yàn)臺(tái)外觀

48路的開(kāi)關(guān)量輸入采用LED指示燈指示，通過(guò)調(diào)整輸入電阻，可以兼容110 V、24 V輸入，開(kāi)關(guān)量輸出采用鈕子開(kāi)關(guān)方式，直觀明了，可以承受110 V的電壓。

4路模擬量輸出用來(lái)模擬機(jī)車(chē)的模擬信號(hào)，如牽引級(jí)位、速度給定等。采用單片機(jī)控制，D/A轉(zhuǎn)換輸出，輸出滿(mǎn)量程可以在10 V/15 V等之間調(diào)整。通過(guò)扳把開(kāi)關(guān)控制輸出電壓，當(dāng)扳把開(kāi)關(guān)向上扳動(dòng)時(shí)，輸出電壓升高，向下扳動(dòng)時(shí)，輸出電壓降低。輸出電壓的大小通過(guò)LED顯示器以百分比的形式顯示出來(lái)，最高99%，最低0%。

(1)開(kāi)關(guān)量輸入響應(yīng)測(cè)試

系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入響應(yīng)測(cè)試，主要是檢查同步操縱系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入部分能否滿(mǎn)足機(jī)車(chē)110 V供電(帶蓄電池)系統(tǒng)的感知要求，測(cè)量開(kāi)關(guān)量輸入從零上升到110 V的動(dòng)作電壓和從110 V下降到零時(shí)候的返回電壓。

為滿(mǎn)足抗干擾等性能的要求，此電壓設(shè)計(jì)要求在50 V左右，測(cè)試結(jié)果表明符合設(shè)計(jì)要求(表2)。

表1 系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量輸入時(shí)響應(yīng)電壓 V

(2)系統(tǒng)牽引/電制級(jí)位輸入測(cè)試

該試驗(yàn)用于驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)于SS4主控機(jī)車(chē)司控器手柄在牽引、動(dòng)力制動(dòng)各級(jí)位輸入電壓的響應(yīng)能力，以滿(mǎn)足機(jī)車(chē)牽引、動(dòng)力制動(dòng)控制的要求。圖9為牽引、動(dòng)力制動(dòng)級(jí)位量化關(guān)系圖。表3為系統(tǒng)在司控器手柄牽引、動(dòng)力制動(dòng)各級(jí)位的開(kāi)始電壓測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果表明可以滿(mǎn)足傳遞牽引、動(dòng)力制動(dòng)級(jí)位的要求。

圖9 牽引、動(dòng)力制動(dòng)級(jí)位量化關(guān)系圖

表3 牽引、動(dòng)力制動(dòng)各級(jí)位的標(biāo)準(zhǔn)值、上下限值及測(cè)試值V

5 結(jié)束語(yǔ)

研發(fā)的機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)同步操縱系統(tǒng)，采用分布式微處理器系統(tǒng)的方案，內(nèi)部各模塊間采用CAN總線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，與機(jī)車(chē)的接口采用可靠的繼電器接口，采集制動(dòng)、牽引、監(jiān)控及其他裝置的相關(guān)信息，平穩(wěn)控制列車(chē)。采用LCD顯示器完成和司機(jī)的人機(jī)交互，直觀清晰。

試驗(yàn)結(jié)果表明，研發(fā)的無(wú)線(xiàn)同步操縱系統(tǒng)，同步性能良好，可以解決超長(zhǎng)列車(chē)所帶來(lái)的制動(dòng)不同步、緩解充風(fēng)慢、車(chē)鉤力過(guò)度集中的問(wèn)題，滿(mǎn)足重載列車(chē)開(kāi)行的要求。

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