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        架控制動(dòng)系統(tǒng)防滑監(jiān)控策略研究*

        2018-07-11 13:17:38齊政亮曹宏發(fā)姜巖峰
        鐵道機(jī)車車輛 2018年3期
        關(guān)鍵詞:制動(dòng)缸滑閥動(dòng)系統(tǒng)

        齊政亮, 錢 卿, 周 軍, 曹宏發(fā), 姜巖峰, 華 皛

        (1 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司, 北京 100094;2 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所, 北京 100081;3 中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司, 廣州 510088)

        制動(dòng)系統(tǒng)是車輛運(yùn)營安全的重要保障。根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)作用范圍,分為集中式制動(dòng)系統(tǒng)(俗稱車控式)和分散式制動(dòng)系統(tǒng)(俗稱架控式)。前者以每輛車為單元設(shè)置單個(gè)制動(dòng)系統(tǒng),后者以每個(gè)轉(zhuǎn)向架為單元設(shè)置單個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)[1]。目前我國軌道車輛主要采用的制動(dòng)系統(tǒng)有德國KNORR、日本NABCO、法維萊SABWABCO[2];國內(nèi)的有北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司的EP08、EP09、DK13、DK15等,其中以KNORR公司的EP2002架控式制動(dòng)系統(tǒng)在城軌市場(chǎng)份額最高。以上均是模擬式直通電空制動(dòng)系統(tǒng),具有操作靈活、反應(yīng)快速,以及與牽引、網(wǎng)絡(luò)和ATP等系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合等特點(diǎn)[2]。

        緊急制動(dòng)是保障車輛制動(dòng)安全的最后防線,其實(shí)現(xiàn)方式將直接關(guān)乎到車輛制動(dòng)安全等級(jí)。車輪防滑保護(hù)WSP(Wheel Slide Protection)是制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是其核心技術(shù)。當(dāng)輪軌黏著較低時(shí),WSP控制系統(tǒng)能有效抑制車輪滑行,不但能防止車輪抱死,而且能最佳利用有效黏著,以保證最短的制動(dòng)距離。由于架控制動(dòng)系統(tǒng)采用了集約化、智能化設(shè)計(jì),將制動(dòng)閥和防滑閥合二為一,因此如何在保證緊急制動(dòng)滿足安全等級(jí)要求的情況下亦能有效發(fā)揮防滑保護(hù)功能,將直接影響到架控制動(dòng)系統(tǒng)的安全運(yùn)用。

        針對(duì)上述問題,文中在深入分析DK15架控制動(dòng)系統(tǒng)的緊急制動(dòng)控制和防滑控制原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合前期動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn),提出了一種架控防滑控制監(jiān)控策略。通過硬件電路冗余設(shè)計(jì)和軟件層級(jí)控制,滿足了架控制動(dòng)系統(tǒng)緊急制動(dòng)安全等級(jí)要求并達(dá)到防滑控制目的,仿真測(cè)試和現(xiàn)車試驗(yàn)的結(jié)果也驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可靠性。

        1 架控功能結(jié)構(gòu)分析

        DK15電空制動(dòng)系統(tǒng)是一種基于架控的直通電空制動(dòng)系統(tǒng),是由網(wǎng)關(guān)制動(dòng)控制單元(簡(jiǎn)稱網(wǎng)關(guān)閥GV)和智能制動(dòng)控制單元(簡(jiǎn)稱智能閥SV)組成的分布式制動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)閥主要用于制動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制和本車制動(dòng)控制,智能閥用于本車制動(dòng)控制。雖然兩種閥的電氣功能存在差別,但其氣動(dòng)部分都是相同的,稱為氣動(dòng)閥單元PBCU。

        1.1 氣動(dòng)閥單元PBCU

        氣動(dòng)閥單元PBCU包括多個(gè)功能部,如圖1所示。

        (1)空重車調(diào)整部分:C1、C2、A5、A6和P8,其作用是根據(jù)本架載荷信息控制輸出緊急制動(dòng)工況對(duì)應(yīng)的制動(dòng)缸壓力。

        (2)制動(dòng)控制部分:由兩組結(jié)構(gòu)完全相同的EP閥A8A2B6B3和A9A3B7B4組成,用于將空重車調(diào)整部分的輸出壓力調(diào)節(jié)到要求的制動(dòng)缸壓力,還用于在防滑激活時(shí)對(duì)制動(dòng)缸壓力進(jìn)行控制。對(duì)于每根軸,它由兩個(gè)電磁閥和兩個(gè)活塞閥組成。

        (3)連通部分:由電磁閥A4和閥B5構(gòu)成,用于在氣路上連通或隔斷制動(dòng)缸的壓力輸出。

        (4)遠(yuǎn)程緩解部分:由電磁閥A1和閥B1、B8構(gòu)成,用于強(qiáng)制緩解制動(dòng)缸壓力。

        (5)壓力傳感器BSR、PB/MR、AS1、AS2、BC1、BC2,用來進(jìn)行壓力內(nèi)部調(diào)節(jié)和外部指示(制動(dòng)風(fēng)缸、載荷、制動(dòng)缸壓力、停放制動(dòng))。

        圖1 DK15閥氣動(dòng)部分氣路圖

        1.2 電子部分EBCU

        EBCU也稱為制動(dòng)控制器,是面向制動(dòng)系統(tǒng)功能需求的嵌入式電子控制裝置。為了實(shí)現(xiàn)與外部的信息交互,EBCU具有多種類型的外部接口。

        EBCU采用模塊化設(shè)計(jì),基于接口配置和功能定位,劃分不同類型的控制板,控制板通過前面板連接器與外部系統(tǒng)進(jìn)行信息交互,各控制板之間通過機(jī)箱背板獲取公共的電源和CAN總線通道??刂瓢宓念愋秃蛿?shù)量可根據(jù)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行配置,大大提高了EBCU的靈活性和適應(yīng)性,如圖2所示。

        圖2 電子制動(dòng)控制單元結(jié)構(gòu)

        2 架控制動(dòng)控制和防滑控制功能

        2.1 功能概述

        從控制角度分析,架控制動(dòng)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是將EP閥和防滑閥合二為一,更加集約化、集成化,其壓力控制原理如圖3所示。

        圖3 DK15壓力控制原理

        當(dāng)防滑未激活時(shí),EBCU根據(jù)綜合得到的制動(dòng)力需求,并轉(zhuǎn)化為目標(biāo)壓力值,結(jié)合制動(dòng)缸壓力傳感器采集的實(shí)際壓力值,控制EP閥B4B7和B3B6進(jìn)行充風(fēng)、保壓、排風(fēng)等動(dòng)作,以使缸壓達(dá)到目標(biāo)壓力值;當(dāng)防滑激活時(shí),EBCU根據(jù)防滑邏輯,斷開連通閥B5,分別控制防滑閥B4B7和B3B6進(jìn)行單軸排風(fēng)、保壓、充風(fēng)等動(dòng)作,滑行恢復(fù)后,將壓力恢復(fù)至滑行前的目標(biāo)壓力值。WSP監(jiān)控的作用是防止滑行控制過程中出現(xiàn)持續(xù)長時(shí)間排風(fēng)以保證車輛制動(dòng)距離。

        2.2 緊急制動(dòng)控制

        按照故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)原則,緊急制動(dòng)實(shí)施“得電緩解,失電施加”的純空氣制動(dòng)。列車可以通過司控器、警惕按鈕、ATP系統(tǒng)等方式觸發(fā)緊急制動(dòng)。緊急制動(dòng)一旦施加,必須待緊急環(huán)路再次建立才能緩解緊急制動(dòng)[3,6]。一旦列車出現(xiàn)緊急制動(dòng)指令輸入的情況,制動(dòng)系統(tǒng)將控制EP閥B4B7和B3B6失電而施加純空氣制動(dòng)。緊急制動(dòng)具有防滑保護(hù)功能,但不受沖動(dòng)限制[4-5]。

        2.3 防滑保護(hù)控制

        防滑保護(hù)裝置主要由集成在軸端部的測(cè)速齒輪、速度傳感器以及制動(dòng)控制部分中的防滑閥(與EP閥是同一套閥)構(gòu)成[3]。制動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)速度傳感器傳遞的每軸頻率脈沖信號(hào)進(jìn)行速度計(jì)算和防滑邏輯判斷;當(dāng)檢測(cè)到滑行時(shí),它將控制該軸對(duì)應(yīng)的防滑閥進(jìn)行排風(fēng)或保壓以恢復(fù)軸速度;當(dāng)滑行恢復(fù)時(shí),將進(jìn)行充風(fēng)以充分利用黏著。當(dāng)出現(xiàn)滑行時(shí),制動(dòng)控制系統(tǒng)首先控制電磁閥A4得電,斷開連通閥B5以隔斷兩軸制動(dòng)缸壓力,接著根據(jù)防滑邏輯單獨(dú)控制EP閥B4B7和B3B6動(dòng)作以達(dá)到滑行控制的目的。

        滑行檢測(cè)的兩個(gè)判據(jù)為[5]:

        (1)該軸速度和參考速度之間的偏差超過閾值;

        (2)該軸減速度超過閾值。

        為保證不發(fā)生長時(shí)間制動(dòng)力丟失,DK15內(nèi)部監(jiān)控電路需對(duì)防滑電磁閥狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,禁止電磁閥出現(xiàn)“持續(xù)長時(shí)間排風(fēng)超時(shí)”現(xiàn)象[7]。

        3 架控防滑監(jiān)控設(shè)計(jì)

        列車施加緊急制動(dòng)時(shí)有可能發(fā)生輪對(duì)滑行,在防滑控制過程中,有可能出現(xiàn)長時(shí)間排風(fēng),造成制動(dòng)距離過長而影響運(yùn)營安全。為此,防滑監(jiān)控設(shè)計(jì)是十分必要的。針對(duì)架控制動(dòng)系統(tǒng)將制動(dòng)閥和防滑閥合二為一的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于硬件電路冗余和軟件層級(jí)控制的防滑監(jiān)控策略,在保證緊急制動(dòng)滿足安全等級(jí)要求的情況下亦能有效發(fā)揮防滑保護(hù)功能。

        3.1 硬件電路冗余設(shè)計(jì)

        監(jiān)控電路增設(shè)可通過背板接收緊急制動(dòng)指令,當(dāng)主CPU判斷出需要施加緊急制動(dòng)或從CPU接收到緊急制動(dòng)指令,它們都可以單獨(dú)控制電磁閥失電從而施加緊急制動(dòng),進(jìn)而保證緊急制動(dòng)的安全要求。基于上述設(shè)計(jì)理念,開發(fā)了專用于架控制動(dòng)系統(tǒng)的MC01B控制板卡,如圖4所示。

        圖4 硬件電路冗余設(shè)計(jì)

        3.2 軟件層級(jí)控制

        在“防滑保護(hù)優(yōu)先于緊急制動(dòng)”的原則下,結(jié)合硬件電路冗余設(shè)計(jì),軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

        (1)防滑未激活時(shí),收到緊急制動(dòng)指令,控制施加緊急制動(dòng),實(shí)現(xiàn)緊急冗余,以達(dá)到緊急制動(dòng)的安全要求。

        (2)防滑激活時(shí),監(jiān)測(cè)防滑閥實(shí)際動(dòng)作邏輯及時(shí)間,超時(shí)后,切除相應(yīng)控制,防止制動(dòng)距離過長。

        控制策略流程圖如圖5。

        4 測(cè)試驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)的架控防滑控制監(jiān)控策略的有效性和可靠性,在仿真測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)和現(xiàn)車上對(duì)其功能進(jìn)行了全面測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,該策略不僅能夠滿足緊急制動(dòng)的安全要求,而且確保了在任何制動(dòng)工況下防滑控制都能起到保護(hù)作用。

        圖5 緊急制動(dòng)與防滑控制分析

        4.1 仿真測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

        在試驗(yàn)室制動(dòng)系統(tǒng)軟件集成測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試仿真驗(yàn)證。該平臺(tái)主要由測(cè)試系統(tǒng)、列車制動(dòng)環(huán)境和8個(gè)單車制動(dòng)環(huán)境組成。列車制動(dòng)環(huán)境作為測(cè)試平臺(tái)的主控計(jì)算機(jī),是整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的控制中心。在測(cè)試系統(tǒng)的人機(jī)交互界面中模擬了司控臺(tái)實(shí)物上的所有輸入設(shè)備和指示設(shè)備,操作人員通過輸入設(shè)備進(jìn)行控制操作,通過列車制動(dòng)環(huán)境的MVB總線通信和CAN總線通信向各車廂的制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送控制指令。單車制動(dòng)環(huán)境用于對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)所接負(fù)載進(jìn)行仿真,共有8套,分別對(duì)應(yīng)8個(gè)列車車廂。負(fù)載仿真測(cè)試系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。其中,上位機(jī)運(yùn)行人機(jī)交互軟件,實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中各信號(hào)的狀態(tài),便于操作人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)。下位機(jī)主要運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),可根據(jù)上位機(jī)的指令或運(yùn)行仿真模型控制各硬件資源的信號(hào)輸出。

        4.2 仿真驗(yàn)證

        通過軟件集成測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)模擬車輪速度和緊急制動(dòng)指令以測(cè)試滑行和緊急制動(dòng)施加的情況,如表1所示。

        表1 滑行和緊急測(cè)試驗(yàn)證

        測(cè)試結(jié)果表明,該監(jiān)控策略符合設(shè)計(jì)要求。

        4.3 現(xiàn)車試驗(yàn)

        文中提出的防滑監(jiān)控策略已在長株潭城際動(dòng)車組項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,如圖6所示?,F(xiàn)車的試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可靠性。

        圖6 長株潭城際動(dòng)車組和架控制動(dòng)控制系統(tǒng)

        在東郊環(huán)鐵防滑型式試驗(yàn)過程中,當(dāng)防滑未激活且全列緊急制動(dòng)指令有效時(shí),主從CPU同時(shí)控制電磁閥施加緊急制動(dòng)。當(dāng)防滑激活時(shí),無論緊急制動(dòng)指令是否有效,主CPU進(jìn)行滑行控制,從CPU只起監(jiān)控作用而不施加緊急制動(dòng)。圖7為車輛160 km/h緊急制動(dòng)防滑試驗(yàn),很好地達(dá)到了緊急制動(dòng)情況下滑行控制的目的。

        圖7 長株潭城際動(dòng)車組 160 km/h緊急制動(dòng)防滑試驗(yàn)

        5 結(jié) 論

        在深入分析DK15架控制動(dòng)系統(tǒng)的緊急制動(dòng)控制和防滑控制原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合前期動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了一種基于硬件電路冗余設(shè)計(jì)和軟件層級(jí)控制的架控防滑監(jiān)控策略。在試驗(yàn)臺(tái)和現(xiàn)車上的試驗(yàn)驗(yàn)證表明,該策略滿足緊急制動(dòng)安全要求并達(dá)到了防滑控制目的,為國產(chǎn)化架控制動(dòng)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

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