葉柏洪，池 海

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081)

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)形式的發(fā)展，大秦鐵路已經(jīng)正式開行了2萬t重載組合列車，使用的是GE公司的LOCOTROL無線動力分布式控制系統(tǒng)技術(shù)，日開行對數(shù)已達(dá)20多對，采用的機(jī)車除了有SS4機(jī)車外，還有新型和諧型大功率交流傳動電力機(jī)車。為大秦線年運量的提高起到了關(guān)鍵作用。

1 開行重載列車的難點及解決措施

1.1 開行重載列車的難點

要提高單位列車的運量，除了增加軸重以外，最簡單的方法就是增加編組。但增加編組會出現(xiàn)很多的問題，而制動問題尤為突出，這將直接影響到列車的運行安全，主要原因如下。

(1)重載列車編組超長，由于空氣制動波速無法超過聲速，列車在常用、緊急制動時首尾車發(fā)生作用的時間差將近10 s，可能會造成嚴(yán)重的斷鉤、脫軌事故。

(2)重載列車在長大下坡道上，由于列車編組較長，列車沒有階段緩解作用，制動后的再充氣時間過長，使得列車再次制動的能力減弱容易造成列車失控，對安全產(chǎn)生威脅。

(3)常規(guī)的動力集中式牽引方式，在機(jī)車進(jìn)行牽引或動力制動時，在靠近機(jī)車后車輛的車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

為解決超長大列車重載運輸?shù)闹苿訂栴}，國際上主要采用了以下兩種技術(shù)。

(1)機(jī)車無線同步操縱(動力分布式)控制技術(shù)。在重載列車編組中，將牽引機(jī)車分別布置在列車頭部、中間或尾部，采用無線通訊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在列車進(jìn)行牽引和動力制動時，能夠降低列車中的最大車鉤力;而在空氣制動時，由于本務(wù)機(jī)車和遠(yuǎn)程分布機(jī)車同時參與列車的制動和緩解控制，在制動時大大提高了列車制動時的制動波速，縮短了制動距離，減少了車鉤力。同樣在緩解時，重聯(lián)機(jī)車參與列車管充風(fēng)，既加快了整列車的緩解波速，同時又縮短了列車制動后的再充氣時間，提高列車再制動的能力。在大秦線已經(jīng)開行的2萬t級組合列車就是采用了這樣的技術(shù)。

(2)有線電控空氣制動技術(shù)。這項技術(shù)在20世紀(jì)90年代中后期在美國才發(fā)展起來，有著傳統(tǒng)空氣制動無可比擬的優(yōu)越性，其對列車制動性能的改善以及取得的實際效果更優(yōu)于機(jī)車動力分散控制的作用，極大限度地改善了列車制動和緩解過程中列車縱向沖動的問題以及列車再制動的能力，尤其適用于特長編組的單元列車。

2 機(jī)車無線同步操縱(動力分布式)系統(tǒng)

為了實現(xiàn)機(jī)車無線同步操縱(動力分布式)控制技術(shù)，研發(fā)機(jī)車無線同步操縱系統(tǒng)?？紤]到國內(nèi)貨運電力機(jī)車的現(xiàn)狀，決定以SS4型電力機(jī)車，制動機(jī)采用DK1為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，同時也考慮了采用和諧型大功率交直交機(jī)車的配合應(yīng)用方案。1列組合列車允許多達(dá)4臺電力機(jī)車編組，由1輛主控電力機(jī)車操縱，其余從控機(jī)車同步于主控機(jī)車的操縱，由系統(tǒng)自動執(zhí)行牽引、制動、惰行等操縱功能。

系統(tǒng)包含可以裝在4臺(套)機(jī)車上的設(shè)備。每套設(shè)備包括:系統(tǒng)處理模塊、列車控制接口模塊、制動控制接口模塊、無線通訊模塊、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無線電臺作為通信手段，應(yīng)用于SS4電力機(jī)車的框圖如圖1所示;應(yīng)用于和諧型電力機(jī)車的框圖如圖2所示，由于采用了MVB網(wǎng)絡(luò)通信，使得控制變得簡單。

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

圖2 應(yīng)用于和諧型電力機(jī)車的系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)的主要技術(shù)方案及難點

3.1 無線通信

我國的重要貨運線路，一般都地處山區(qū)、丘陵地段，地形復(fù)雜、隧道密集。由于無線電波的傳輸特性決定了線路的盲區(qū)較多，根據(jù)大秦公司開行美國GE公司的同步操縱系統(tǒng)的經(jīng)驗，即便是采用了800 MHz+GSM-R電臺的方式，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候的應(yīng)對處理。800 MHz的頻率屬于甚高頻頻段，傳播特性和光線相似，所以當(dāng)列車運行在特殊地區(qū)的時候可能造成通信丟失。為此采取的應(yīng)對措施是當(dāng)被控機(jī)車檢測到通信丟失時，如果被控機(jī)車沒有檢測到空氣管路的異常狀態(tài)，即通過空氣管路沒有檢測到主控機(jī)車進(jìn)行制動操作，則從控機(jī)車維持通信丟失前的狀態(tài)不變;從控機(jī)車一旦檢測到主控機(jī)車進(jìn)行了制動操作，從控機(jī)車則切除制動閥，如機(jī)車原先在牽引狀態(tài)，則以一定的速率退級，直至零。這樣，最大限度地保障了列車運行的安全。

3.2 制動機(jī)狀態(tài)的檢測及控制

同步操縱方案是基于國產(chǎn)DK-1制動機(jī)實現(xiàn)制動的同步功能。不同于運用于GE公司的LOCOTROL系統(tǒng)采用的CCBII機(jī)車制動機(jī)。DK-1制動機(jī)是由司機(jī)通過控制排風(fēng)時間并監(jiān)測壓力表控制目標(biāo)減壓量的，所以檢測制動機(jī)手柄位置以及相關(guān)壓力成了主要問題。

CCBII機(jī)車制動機(jī)制動手柄直接給出了制動機(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，通過無線通信可以1次傳送到被控機(jī)車上去，此時，即便暫時的通信丟失，整套系統(tǒng)仍然可以實現(xiàn)比較精確的同步。

采取檢測電磁閥動作狀態(tài)判定制動手柄的位置，通過檢測制動缸壓力、作用管壓力、均衡風(fēng)缸壓力等，將實時量實時傳遞到被控機(jī)車，被控機(jī)車在接收到主控機(jī)車的實時狀態(tài)以后，同步于主控機(jī)車，實現(xiàn)同步操縱。由此可見，基于DK-1制動機(jī)的同步操縱系統(tǒng)對通信系統(tǒng)具有更高的要求。

通過傳遞機(jī)車制動缸的壓力、作用管的壓力以及均衡風(fēng)缸的壓力，可以實現(xiàn)機(jī)車的單獨制動、單獨緩解功能。

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，每個功能單元都有自己的CPU控制。機(jī)車顯示器采用LINUX操作系統(tǒng)，其余控制部分采用C/ASM語言編制，各模塊間采用CAN總線進(jìn)行通信。

4 試驗室試驗驗證

為了檢驗同步操縱系統(tǒng)的性能，摸清配合同步操縱系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，在制動試驗室做了制動系統(tǒng)漏泄試驗、系統(tǒng)充風(fēng)試驗、意外流量的測試、制動緩解的同步性能測試、機(jī)車模擬操縱臺等試驗。

4.1 系統(tǒng)漏泄試驗

由于系統(tǒng)漏泄會增大機(jī)車中繼閥向列車管供風(fēng)的流量值，漏泄過大時可能造成意外流量的誤判斷。所以在200輛貨車試驗臺上進(jìn)行了實際測試，其結(jié)果為:在定壓穩(wěn)定以后，關(guān)閉折角塞門，系統(tǒng)平均漏泄2 kPa/min。

4.2 系統(tǒng)充風(fēng)試驗

系統(tǒng)制動及再充風(fēng)試驗?zāi)康囊皇菧y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)時間和總風(fēng)壓降，以確保長大編組列車的供風(fēng)能力;二是測試不同減壓制動后僅由主控機(jī)車充風(fēng)，看從控機(jī)車列車管在120 s時間內(nèi)能否上升20 kPa，以確保從控機(jī)車制動閥切除后能夠相應(yīng)這一壓力上升而正確投入。

表1列出了幾個典型工況的總風(fēng)壓最低值和尾車充至定壓的充風(fēng)時間。

表1 典型工況的總風(fēng)壓最低值和尾車充至定壓的充風(fēng)時間

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)時間也在正常范圍內(nèi);不同工況減壓后僅主控機(jī)車充風(fēng)，從控機(jī)車列車管在上升20 kPa的時間，均在30 s以內(nèi)，能夠確保從控機(jī)車制動閥切除后的正確投入。

4.3 意外流量測試

在同步操縱通信丟失的情況下，如果主控機(jī)車實施制動或制動后的追加，通過對從控機(jī)車產(chǎn)生的意外流量的判斷，可以切除其制動閥，使全列車僅受控于主控機(jī)車的命令，確保列車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現(xiàn)對列車的操縱。圖3中40 s，60 s內(nèi)的2道豎線所標(biāo)志的時間間隔就是意外流量發(fā)生的時間;60 s后明顯上升的桔色曲線為意外流量。

圖3 意外流量測試截圖

4.4 同步性能試驗

試驗測試從控機(jī)車相對于主控機(jī)車的制動和緩解及牽引控制的時間差，即動作的同步性，這一指標(biāo)是同步操縱系統(tǒng)的重要參數(shù)，關(guān)系到全列車縱向沖動加速度和車鉤力的大小。

試驗將從控機(jī)車(圖4～圖6中的J1)鏈接至主控機(jī)車(圖4～圖6中的J2)，關(guān)閉從控機(jī)車前的折角塞門，讓制動和緩解指令僅通過無線電臺傳遞，來測試各制動工況下，從控機(jī)車相對于主控機(jī)車的制動和緩解的系統(tǒng)同步性。試驗包括自動制動的最小減壓后緩解、追加制動后緩解、最大減壓后緩解、緊急制動后緩解;單獨制動、單獨緩解、自動制動后單獨緩解。部分試驗曲線和數(shù)據(jù)如圖4～圖6所示。

試驗通過模擬機(jī)車控制的接點閉合、開放，測試從主控機(jī)車接點閉合到從控機(jī)車接點閉合所需要的時間，系統(tǒng)響應(yīng)(延時)時間的分布情況如圖7所示。

從圖中可以看出:

(1)從控機(jī)車能夠快速響應(yīng)主控機(jī)車的指令，平均動作時間差在2 s以內(nèi)。

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

圖4 制動和緩解的同步情況

圖5 最小減壓后緩解的同步情況

圖6 階段制動后緩解的同步情況

圖7 系統(tǒng)響應(yīng)時間散點圖

4.5 機(jī)車模擬操縱試驗臺及試驗

機(jī)車模擬操縱試驗臺用來配合模擬電力機(jī)車的各種開關(guān)信號及牽引、動力制動模擬信號，諸如牽引使能、動力制動使能、主斷路器分/合、劈相機(jī)啟動等。

考慮到一般機(jī)車的需要，裝置設(shè)計成可以提供48路開關(guān)量輸入(顯示)、輸出及4路模擬量輸出，模擬試驗臺外觀如圖8。

圖8 模擬試驗臺外觀

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

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

(1)開關(guān)量輸入響應(yīng)測試

系統(tǒng)的開關(guān)量輸入響應(yīng)測試，主要是檢查同步操縱系統(tǒng)的開關(guān)量輸入部分能否滿足機(jī)車110 V供電(帶蓄電池)系統(tǒng)的感知要求，測量開關(guān)量輸入從零上升到110 V的動作電壓和從110 V下降到零時候的返回電壓。

為滿足抗干擾等性能的要求，此電壓設(shè)計要求在50 V左右，測試結(jié)果表明符合設(shè)計要求(表2)。

表1 系統(tǒng)開關(guān)量輸入時響應(yīng)電壓 V

(2)系統(tǒng)牽引/電制級位輸入測試

該試驗用于驗證系統(tǒng)對于SS4主控機(jī)車司控器手柄在牽引、動力制動各級位輸入電壓的響應(yīng)能力，以滿足機(jī)車牽引、動力制動控制的要求。圖9為牽引、動力制動級位量化關(guān)系圖。表3為系統(tǒng)在司控器手柄牽引、動力制動各級位的開始電壓測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果表明可以滿足傳遞牽引、動力制動級位的要求。

圖9 牽引、動力制動級位量化關(guān)系圖

表3 牽引、動力制動各級位的標(biāo)準(zhǔn)值、上下限值及測試值V

5 結(jié)束語

研發(fā)的機(jī)車無線同步操縱系統(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總線聯(lián)網(wǎng)，與機(jī)車的接口采用可靠的繼電器接口，采集制動、牽引、監(jiān)控及其他裝置的相關(guān)信息，平穩(wěn)控制列車。采用LCD顯示器完成和司機(jī)的人機(jī)交互，直觀清晰。

試驗結(jié)果表明，研發(fā)的無線同步操縱系統(tǒng)，同步性能良好，可以解決超長列車所帶來的制動不同步、緩解充風(fēng)慢、車鉤力過度集中的問題，滿足重載列車開行的要求。

［1］ 耿志修.大秦線開行20 kt級載在組合列車系統(tǒng)集成與創(chuàng)新［J］.中國工程科學(xué)，2008，10(3):31-43.

［2］ 高春明，冀 彬，張 波，等.大秦線重載組合列車的LOCOTROL技術(shù)應(yīng)用研究［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2006，(6):5-7，41.

［3］ 林 暉，葉柏洪，池 海，等.大秦線機(jī)車無線同步操縱技術(shù)與工程化的研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，2009.