（电力系统及其自动化专业论文）机车无线同步操作系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t hm u l t i 1 0 c o m o t i v e i tw i l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft r a c t i o na n dc u t d o w nt h ee m p l o y e ew i t h o u tc h a n g i n ga n y t h i n go ft h el o c o m o t i v e ，a n di tw i l l i m p r o v et h eb e n e f i ta n dt h ec o m p e t i t i o na b i l i t yo f t h er a i l w a yd e p a r t m e n tb yt h i s w a y s o ，t h e s ey e a r s ，p l e n t yo ff i x e dm u l t i l o c o m o t i v e sw e r eu s e d ，n o to n l y e l e c t r i cl o c o m o t i v e sb u ta l s oi n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n el o c o m o t i v e s ，l i k ea s s s 3 b s s 4 g a j a n dd f l l ge t e n et h e s i sw i l t sg e n e r a t e df r o mt h ew i r e l e s s m u l t i 1 0 c o m o t i v es y n c h r o n i c o p e r a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m f o rl o c o m o t i v e m a i n t e n a n c eo fc h e n d u t h i sp a p e rf o c u s e so n “s s 3 b ”1 0 c o m o t i v ea n dd e s i g n sa w i r e l e s sm u l t i 1 0 c o m o t i v es y s t e mi n s t e a do ft h eo l dw i i em u l t i - l o c o m o t i v e s y s t e m , b a s e do nf i e l db u s 。f o rt h ec u r r e n tp r o b l e m si nm u l t i - l o c o m o t i v e t h et h e s i sw a sw r i t t e nf r o mt h er e s e a r c h p r o c e s s o f 、矾r e l e s s m u l t i 1 0 c o m o t i v es y n c h r o n i co p e r a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m a tf i r s t 。t h et h e s i s o u t l i n e st h em e a n i n go ft h ew i r e l e s sm u l t i - l o c o m o t i v es y n c h r o n i co p e r a t i o na n d c o n t r o ls v s t e m , d i s g u s e st h eh i s t o r y t h ea e m a t i t yo ft h em u l t i l o c o m o t i v e s y s t e m i td i s c u s s e ss o l u t i o nf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm i n u t e l y , i tp e n e t r a t e s i n t ot h es t r u c t u r eo f t h ew h o l ef u n c t i o na n dw o r ke l e m e n t so f m o d u l e a n a l y z e sa l l o ft h es i g n a l sn e e d e dt oc o l l e c to nt h es s 3 ba n dt h em e a n i n gt oa c q u i r et h e m , c o n s t r u c t saf o u n d a t i o nf o rt h es y s t e m t h es y s t e mi n t r o d u c e sm o d u l a r i z a t i o n d e s i g nm e t h o d , r e a l i z ef u n c t i o no fd a t ea c q u i s i t i o n 、w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 、 o u t p u tc o n t r o l ，a n dm a k e sd i f f e r e n tm o d u l e si n t oaw h o l e ，b a s e do nc a nb u s f i n a l l y , t h es c h e m eo fs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r eg i v e n ，a n di ts t u d i e st h e r e l i a b i l i t ya n di n t e r f e r e n c e 1 1 h ep a p e ra l s os l l n l su pt h ep r o d u c t i o nd u r i n gd o i n gas e r i e so f t e s t sa b o u tt h e s y s t e m , a n dp o i n t so u tt h es h o r t a g ea tt h es a m et i m e 1 1 1 ec h a p t e rg i v e ss o m e a d v i c e sa n dv i e w st h ef o r e g r o u n do f t h es y s t e mf i n a l l y k e yw o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，m u l t i l o c o m o t i v e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，c a nb u s ， w i f e l e s sc o m m u n i c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 第一章绪论 铁路是我国国民经济的大动脉，铁路的运输能力直接影响着我国国民经 济的发展。从2 0 世纪8 0 年代起，铁道部就瞄准世界铁路科技发展前沿，把 发展重载运输作为主攻方向。重载运输的主要特点在于列车重量加大，列车 编组加长，实现全程直达运输，使一条铁路尽可能多地输送车流，充分发挥 铁路集中、大宗、长距离、全天候的运输优势，达到提高铁路运输能力和效 率、多运快运、降低成本的目的n ，。实现重载运输，传统的途径有两种：一是 提高列车的轴重，发展大型货车；二是增加列车编组，扩大列车运输长度。 从世界重载列车技术发展来看，前一种方案对货物运输能力的提高有限，单 纯的靠提高列车的轴重来增加货运量不能够从根本上解决问题，而且从长远 发展的角度来看，要实现铁路货运量的成倍增长也不太现实。因此，充分利 用现有站线条件，开行长大列车已经成为重载运输技术发展的主流。 国外长大列车重载运输技术起步较早，发展较快，2 0 0 1 年6 月2 1 日，澳 大利亚b l i p 公司在纽曼矿山至海德兰港的矿石运输铁路线上开行了总长达 7 3 5 3 m ，总重9 9 7 3 4 t 的重载列车，创造了重载运输新纪录。南非s p o o r n e t 公 司的最新米轨记录是：1 6 台机车牵引6 6 0 辆货车，载重7 0 0 0 0 t ，列车长7 5 k m 。 要实现重载长大列车运输，牵引动力是需要解决的关键问题之一，现阶 段我国主要通过以下三个方面来解决重载列车的牵引问题。 ( 1 ) 大轴重、大功率机车的研究开发 ( 2 ) 固定重联机车的应用 ( 3 ) 采用非固定重联机车牵引方式的单元列车 其中，第一种发展方向由于受轨道现状和机车技术水平发展的限制，研 究开发周期长，发展空间有限：第二种方式是在原有机车的基础上实现固定重 联，技术要求不高，投入相对较小，研发周期相对较短：第三种单元列车方式 是在原有机车并联运行的基础上将其分散编组到列车中，有动力分散的优点， 如列车可充分利用动力制动以减小基础制动装置的磨耗，可使牵引或制动力 分配相对均匀，降低车钩的受力，延长其使用寿命，降低维修费用。后两种 牵引方式的关键问题是所有机车的动作协调一致，即重联问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 我国早在2 0 世纪5 0 年代初期就开始进行重载列车牵引技术的相关研 究。在我国，传统的重载牵引方式是多机并联或者是加挂补机运行，但是这种 牵引方式受到列车管气动过程和车钩强度限制，国外试验研究表明：列车最 大长度不得超过1 2 0 0 m 。铁道科学研究院从1 9 8 5 年开始进行了一系列组合 列车遥控操纵的研究，1 9 9 0 年6 月在大秦线用2 台s s l 型电力机车牵引1 2 6 辆c 6 1 型货物列车进行重载运煤试验，列车全长1 5 9 7 m ，总重1 0 3 9 7 t 。试验 表明采用分布式动力牵引比传统的多机并联性能优越得多，它以最佳的动力 分配和制动操作，使列车长度加长，增加了牵引总吨位，简化了调度场对列 车分解的支持；改善了铁路通过能力，减小了列车间隔；以更高的牵引效率 和更小的滚动阻力，提高了燃油的经济性( 平均5 ) ：以更快的制动缓解动作， 有效的减少了制动管充风的时间( 6 ) ，从而减少了循环时间。 2 0 0 4 年1 2 月1 2 日，铁道部在大秦线首次进行2 万吨重载组合列车试验 取得圆满成功，标志着我国铁路重载运输已经跨入世界先进行列。此次试验 针对大秦线坡道大、隧道多等特点，按照速度、密度、重量并重的要求进行。 重载试验货运列车由4 组5 0 0 0 吨列车组成，牵引重量2 0 2 万吨，全长2 6 5 8 米，机车使用4 台8 轴s s 4 g 型电力机车，货车使用新研制的2 0 1 辆2 5 吨轴 重、载重8 0 吨双浴盆式铝合金运煤专用敞车。 由于大秦线是装备完善、技术先进的重载运煤铁路线，经济效益十分显 著。为了进一步提高大秦线的年运输能力，铁道部将对大秦线进行扩能改造， 建立国内第一个铁路专用移动通信网( g s 卅r ) 。据测算，改造后的大秦线运 输能力将翻一番，年运量将达两亿吨。 但是我国大部分地区的铁路线路不具备这样的条件，为了提高我国铁路 重载运输水平，有必要在吸收消化国外先进技术的同时，研制出适合我国铁 路运输实际情况的机车无线同步操纵技术，以便在现有铁路线路和机车配置 情况下提高铁路的货运能力。 1 2 机车重联技术发展概况 重载货物列车运输于2 0 世纪6 0 年代在美国开始正式采用，随后在加 拿大、澳大利亚、原苏联等国家的大宗货物及散装货物运输中得到了广泛的 应用，取得了明显的经济效益。随着重载运输的发展，铁路机车、车辆有了 很大改进；我国的机车重联技术也随着重载运输的要求，发生了巨大的变革， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 从人工声讯联络操纵到微机网络控制、从有线到无线，大致经历了以下四个 发展阶段： 1 第一阶段：人工声讯联络操纵 我国在八十年代以前为了开行重载列车，采用的方法是在列车中部或尾 部加挂一台或多台机车，加挂的机车有乘务组驾驶，采用独立操纵的方式。 前后机车的同步操纵，早期依靠汽笛信号，后采用无线电话联络。这种操纵 方式完全凭借主控司机根据工作经验进行指挥调度，人为的因素很大，很容 易由于误判断，造成前后机车牵引力不均，引起较大的列车冲动，甚至造成 断钩、脱钩事故。并且由于运行列车负荷的重量不断上升，采用上述机车操 纵方式已无法有效的保证行车安全及重载列车效率的发挥。 2 第二阶段：电气系统重联控制嘲 九十年代以后，由于国内干线新型机车的研发和大规模使用，机车轴重 和装车功率大幅度的提高，机车双机重联基本上可满足铁路运输的需要。此 阶段主要是采用有线电缆连接的电气重联控制系统( 代表车型如：d f 4 、 s s 3 8 4 0 0 0 型) 9 1 。司机通过机车重联装置，只需在本务机车上就可对本务和 非本务机车进行各种控制。在重联机车运行过程中，本务机车通过重联控制 线，给重联机车提供控制电源，扳钮开关同时给并联的直流接触器、电空接触 器、方向转换开关、工况转换开关及中间继电器供电。由于控制线圈电阻都 比较大，这样就造成机车控制电流很大。比如：单机运行时，机控扳钮开关 控制的电流为5a 左右。如果机车为4 机重联，则本务机车机控扳钮开关控 制的电流为2 0 a ，机车总控钥匙开关控制的电流更大。并且从本务机车到重联 尾车，控制线布线长度约1 5 0 m ，其压降、电缆长时间发热也是不能忽视的。 显然，机车多机并联控制采用电气系统重联，从控制原理方面是可行的， 但从电器选型等方面讲却是不经济的。并且还存在一些比较突出的问题，比 如牵引方式比较固定、电缆的拆卸费时费力、运转效率不高等。 3 第三阶段：微机网络控制系统在机车重联上的应用 随着铁路运输中动车组的兴起和计算机控制技术的进步，列车通信网络 也随着蓬勃发展。由于t c n 型( 简称t 型) 网络系统适用于铁道各基本运转单 元( 设计用于独立工作的一节机车车辆或几节永久或半永久组合的车辆) 之间 传送时间确定、时限紧迫的过程数据周期性传送以及由事件驱动的消息数据 传送。它既可用于编组经常改变的非固定编组列车，也可用于编组固定的固定 编组列车，能满足其实时性、可用性及完整性要求。t 型网络由绞线式列车总 线( w t b ) 和多功能车辆总线( m v b ) 组成。列车总线( w t b ) 用于连接编组经常改变 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的列车中的各基本运转单元，车辆总线( m v b ) 用于连接一个基本运转单元中的 车载电子装置“”。 目前国内已经完成研制的新型机车和动车组，基本上都是采用按t c n 标 准的列车通信网络，如“蓝箭”、“熊猫”、“奥星”、“先锋号”动车组、“中华 之星”动车组等。下面以s s 3 b 型固定重联电力机车的通信网络系统为例简要 介绍一下t c n 网络控制系统在机车重联中的应用。 s s 3 b 型固定重联机车重联采用符合t c n b 标准的w t b m v b 二层总线结 构，机车控制采用与s s 9 类似的微机柜，司机台设置彩色显示屏。微机控制 箱t c u ( 1 、2 转向架) 、逻辑控制单元l c u ( 1 、2 组) 、彩色显示屏i d u 、机车 安全信息综合监测装置t a x 2 等通过m v b 与中央控制单元c c u 机箱连接上网。 司机室的控制命令由c c u 获取，通过m v b 传输到本节车的t c u 、l c u 等控 制单元；通过w t b 传输到它车的c c u ，再由该c c u 传输到该车的t c u 、l c u 等 控制单元。各车的设备状态信息经由同样的m ，b 、w t b 总线由相反的方向传 输到c c u 中汇总，一方面做相应的机车控制逻辑处理，另一方面在司机台指 示灯或彩色显示屏上显示，供司机或维护人员观察和查阅。系统拓扑如图卜l 所示。 图1 - 1s s 3 b 型固定重联机车通信网络结构框图 4 第四阶段：基于g s _ i - r 的机车无线操纵系统“1 g s m - r 是专用于铁路的综合数字移动通信系统，是中国铁路移动通信未来 的发展方向。以g s m - r 为平台，可以承载许多铁路应用，利用g s m - r 网络提 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 供的可靠数据传输通道来传输机车同步操纵系统之间的数据，将大大提高牵 引机车间同步操作控制的安全性。 图1 - 2 基于g s m r 的机车无线同步操纵系统组成 基于g s m - r 的机车同步操作控制系统结构如图1 - 2 所示”1 ，其中地面设备 由l o c o t r o l 应用节点( 以下简称应用节点) 组成，应用节点通过铁路i s d n 网络与g s m r 网络采用标准的p r i ( 3 0 b + d ) 接口相连；机车车载设备包括 l o c o t r o l 和g s m - r 车载通信单元( 以下简称通信单元) 组成。系统各部分功 能如下： 1 g s m - r 网络：作为承载网络，为机车同步操控系统提供数据传输平台。 2 应用节点：负责通信链接控制功能和数据转发控制功能，同时管理和维 护数据组。 3 通信单元：负责与应用节点建立通信链接维护，向控制模块报告链路连 接状态，负责在控制模块和通信单元间传输数据。 4 控制模块：负责按照司机的操作指令或者接收通信单元的数据、解析。 然后操控机车。 通过这个系统，主控机车并不是直接把机车控制指令发给从控机车，而 是先发送到地面的应用节点，应用节点根据指令中的识别字段再把指令发给 同一列车中的从控机车。这种数据传输方式很好地利用了g s m - r 网络覆盖的 优势，避免了模拟电台传输中因信号衰减造成数据传输丢失的情况。并且这 种系统结构简单，逻辑清晰，与g s m r 网络相对独立，有利于互联互通的实 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 现，能够在不同g s m r 的设备供应商中的网络中运行并且有利于标准化，比 较适合于我国国情。 1 3 项目的提出与本论文研究内容 现阶段应用最广泛的机车重联技术为两台独立的电力机车利用重联电缆 实现背靠背的重联连接。由本务机车控制重联机车，通过中间的重联电缆传 输控制信号，实现同步控制。因为重联电缆的连接和固定费时费力，而且重 联电缆在机车的运行中由于振动容易断线损坏，影响数据传输的可靠性：另 外需要解除重联状态时，重联电缆的拆卸很费时，造成机务部门劳动力的浪 费，如果能够利用无线传输设备来代替重联电缆进行信号的传输，就可以很 好的解决这一问题，并且在重联机车无线控制的基础上可以很容易的实现多 种牵引方式，从而迸一步提高机车牵引的效率和安全可靠性。 本论文的研究课题来自于成都铁路局项目：“机车无线重联同步操纵系 统”，主要针对现有s s 3 b 型电力机车重联牵引技术现状，开发研制机车无线 重联同步操纵系统，代替有线重联的牵引控制方式，当机车重联运行时，通 过无线传输系统实现主从控机车之间的同步控制，当列车需要解体或者重新 编组时，重联机车可以迅速投入到运用，而且可以实现动力分散的多种牵引 方式，使得列车控制和编组更加方便灵活；要求在现有机车配置基础上不做 较大的改动，以较小的经济投入来提高牵弓 效率和运输能力，实现低成本和 国产化。 在论文中作者的主要研究内容包括以下几个方面： 1 根据项目要求进行功能性分析和制定系统整体方案：分析整理系统中 需要的机车信号并给出相应的采集、控制方案；对无线通信方案进行选择和 比较。 2 在尽量不改变机车原有结构的基础上，开发同步操纵系统的车载设备， 完成功能模块的软硬件设计。 3 针对机车无线重联技术在实际应用中所存在的问题，研究相应的解决 方案。 4 给出一套测试方法，对系统进行功能性和可靠性验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章列车平稳运行影响因素分析 2 1 列车平稳操纵研究 把传统的有线重联改为无线重联以后，除了可以免除繁复的电缆连接， 达到节省人力和提高机车运转效率的目的之外，最大的好处就是可以采用比 较灵活的牵引方式，根据牵引需要改变重联机车在列车编组中的位置，实现 双机重联牵引、双机推挽牵引、双机组合牵引等多种牵引方式。 在重载列车中如果采用双机组合牵引，从控机车与位于列车头部的主控 机车通过无线重联技术实现同步牵引、同步制动及缓解。据相关的资料表明， 列车的起动、制动及缓解时间要比普通的重载列车短得多，制动作用开始所 需时间大量减少，大约减少5 0 ；同时，缓解时间也大量减少，大约减少6 5 ；由于列车开始充风是由两个方向同时进行，充风的时间大约也可以减少 7 0 。这样就大大提高了制动性能和缩短了停车距离，明显改善了重载列车 的操纵性能“。 但是开行重载组合牵引列车，由于列车重量增大，长度也大大增加，如 果在1 0 5 0 m 站线有效长度下开行5 0 0 0 t 组合列车，编组车辆将达到6 5 辆，如 果从控机车位于全车2 3 长度处，前后机车之间的距离接近5 0 0 m 左右，由于 列车长度增加，列车在运行过程中由于线路坡度的变化，列车车辆所受的车 钩力会有很大变化，如果处理不当将会使列车车钩断裂，列车分离；而且重 载列车牵引吨位较大，编组较长，与普通列车相比，机车操纵面临的情况更 加复杂。前几年，在大秦线曾开行过的5 3 列万吨重载列车中( 组合式重载列 车) ，有1 1 列发生了列车分离和断钩事故，占总开行列车数的2 0 8 ，事故 率是很高的。其主要原因是由于牵引过重，而当时机车( 前1 台、中1 台) 又 没有同步操纵装置，单凭前后机车司机利用鸣笛或车载无线电台进行联系和 协调配合，由于主从控机车操作不同步，列车牵引力分配不均，在较大起伏 坡道上，列车的纵向冲动力和拉伸力较大，超出安全范围，迫使列车分离， 甚至断钩。所以避免较大的列车冲动，保证列车安全运行是系统研究中首先 要解决的问题。下面根据列车运行中各个工况的特点，就如何实现重联机车 的平稳操纵进行具体分析。 诬南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 1 车钩间隙对列车起动的影响 在重载组合列车中，列车的起动主要受车钩间隙的影响，而车钩间隙的 存在对列车的起动是有利的，它使列车中的各个车辆实现“分别起动”，从而 避免列车起动阻力产生的起动困难，较大起动阻力的存在也是货车不能象客 车一样采用无间隙车钩的原因。在重载组合列车中，由于列车编组较长，相 应的“车钩间隙效应”比较明显，据统计5 0 0 0 t 重载列车车钩及其缓冲器的 叠加间隙约为4 m ，当列车起动的时候，前部的车辆在牵引力作用下，走完“车 钩间隙”后才能使全部车钩处于完全拉伸状态，使列车完全启动n ，。 2 1 2 平稳调速 根据s s 3 b 型电力机车调速控制原理，机车作牵引工况运行时，对应调速 手柄的每个级位，机车均有两个工作范围：恒流工作区和恒速工作区。对应 调速手柄级位为a ，机车恒流( 牵引力) 工作速度范围为o k m h 1 0 ( a 1 ) k m h ， 恒定电流取i = 9 0 a 与7 5 0 a 中的最小值；当列车运行速度超过1 0 ( a 1 ) k m h 时机车进入准恒速工作区，这时电机电流会随着速度增加而成比例下降，电 机电流取值为i = 4 5 ( 1 0 a - v ) ( v 一机车运行速度，单位k m h ) ：牵引电机电 流下降到0 ，机车转入惰性运行。在准恒速区内，机车运行速度每变化1 0 k m h ， 电机电流将在0 位和手柄级位对应的最大值之间变化。机车在恒流区运行要 继续提高调速手柄级位时，电机电流将按手柄每提高一级增加近9 0 h 的规律 变化( 但最大电流不超过7 5 0 a ) ；机车在准恒速区运行要继续提高调速手柄级 位时，电机电流将从较小的值或0 变到新级位所对应的恒流值，这时牵引电 机电流( 机车牵引力) 的变化是很大的。退回调速手柄时，电机电流的变化 在不同的情况下是不同的，当调速手柄从较高级位退回到机车运行速度对应 级位的上一级时，电机电流将按调速手柄每退一级下降9 0 a 的规律变化，如 果调速手柄继续退回到机车速度对应级位时，电机电流的变化也是很大的”】。 从机车速度特性我们可以知道，要避免机车电机电流瞬时变化太大而引 起的列车冲动，司机的合理操纵是关键。在主控端，可以通过司机规范化操 作避免，在从控端，当机车执行异步控制指令或在各种状态之间切换时，如 果级位信号变化过快难免会造成牵引电机电流瞬时变化过大。比如：当机车 运行速度为3 0 k m h 时，从控端接收到级位信号从4 级变到5 级，电机电流将 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 从3 6 0 a 增加到4 5 0 a ，电流变化9 0 a ；当机车运行速度为4 0 k m h 时，如果级 位信号从4 级提高到5 级，电机电流将从0 增加到4 5 0 a ，电流变化达4 5 0 a 。 所以从控端进行调速控制时必须遵循以下原则： ( 1 ) 级位的改变必须逐级递增或递减，不得跨级位输出控制。 ( 2 ) 如果接收到的级位信号变化过快，在进行输出控制的时候，通过合 理的延时，使级位的变化趋于平缓。 2 1 3 复杂线路上的协调操纵 系统利用无线通信实现了主从控机车之间的同步操纵，同时，还可以实 现异步牵引和异步动力制动。这对于开行重载组合列车来说是非常重要的， 因为在牵引工况下，前部主控机车与中部被控机车肯定有同时处在不同的坡 道和操纵工况的情况。如果系统只具有一种操纵模式，列车肯定会前后受力 不均而导致断钩事故( 比如列车处在变坡点上，前部机车在坡下，中部机车 在坡上，这时如果主从控机车只能同步操纵的话，由主控机车一起制动，那 肯定要发生列车分离或断钩事故) 。所以，在这种情况下，必须采取异步操纵 的办法，使列车受力均匀，即使列车的纵向冲动力与拉伸力均匀，不至于发 生断钩事故嘲。 当列车运行在特殊线路上时，主控机车司机结合线路特点，合理的改变 牵引方式，利用系统异步控制功能实现主从控机车之间不同的工况操作，这 里控制模式的转换主要依靠主控机车司机根据操纵经验来进行，所以人为的 因素很大，可能会由于司机的误判断而引起较大的冲动，作为系统以后扩展， 可以增加司机辅助控制装置，利用g p s 精确定位并结合电子地图，为主控司 机实施异步控制提供参考依据。 因为重载组合列车编组较长，在机车工况发生改变的时候，为了避免列 车发生较大的纵向冲动，司机应合理利用异步控制，当车钩完全拉伸或压缩 后，再进行调速控制。例如：当列车需要由牵引转为惰行时，主控端首先向 从控机车发送异步控制指令，使从控机车操纵级位回到“0 ”位，主控机车确 认信息后，再将调速手柄回到“0 ”位或“，i c ”。当列车需要惰行转为牵引时， 主控机车移动调速手柄到所需级位，从控机车收到调速信号以后，经过一定 的延时，待全列车车钩伸张后，再将级位调到所需级位n “。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 2 1 4 同步制动时间差分析 开行重载组合列车，车辆的关键是制动力、缓冲器和车钩性能如何。目 前我国的车辆制动机主要以g k 型制动机居多，车钩以1 3 号钩为主。由于g k 型制动机性能较差，致使列车在制动或缓解时，车辆连接车钩间发生压缩和 抻钩，纵向冲动较大。当列车在拉伸状态下施行制动时，间隙效应不断累加， 列车纵向冲动最大，车辆间的冲撞作用也加剧。 机车无线同步操纵系统是一种d p ( 动力分布) 控制系统。它利用无线网 络传输控制信号，可以实现两台机车的同步控制。在列车实施空气制动时， 由于列车中多台机车在不同位置同时进行工作，相当于多个风源，因此可 以缩短列车管空气波的传播距离，提高空气制动系统的工作效率。组合列车 的空气制动波传递示意图见图2 一l 所示“。 制动波 图2 - 1 组合列车空气制动波传递示意图 分析发现，在开行组合列车中发生的某些断钩事故，与主从控机车操纵 的不同步直接有关。然而，究竟主从控机车操纵之时间差对列车冲动有多大 影响，目前尚无定量概念。1 0 0 的操纵同步，是否能使列车冲动达最小的最 优操纵方案，也还未经全面论证。因而，确定同步操纵装置的形式及评价指 标尚无据可依。采用传统方法，用线路实测来寻求上述问题的解答则十分困 难。在文献“2 1 中，利用列车动力学的方法，定量分析了组合列车在平直线路 上运行时，主从控机车制动时间差对列车冲动的影响，计算条件为： ( 1 ) 取线路为平直道 ( 2 ) 采用c 6 2 a 型车辆，车辆总重取为7 5 t ( 3 ) 列车总重按三种情况分别计算：5 k t ( 3 3 辆+ 3 3 辆) ；6 k t ( 4 0 辆+ 4 0 辆) ；7 k t ( 4 7 辆+ 4 7 辆) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 4 ) 所有车辆均用1 0 3 型分配阀及二号缓冲器 计算结果如图2 - 2 所示：两列车列车管相连时，5 k t ， 6k t ，7k t 组 合列车制动工况时列车中最大车钩力与主从控机车操纵时间差的关系，其中 ( a ) 为常用制动工况，初速度为4 0 k i n h ；( b ) 为紧急制动工况，初速度为 6 0l 锄h 的情况。( c ) 为紧急制动工况，初速度为4 0k m h 的情况。 由图2 2 ( a ) 可知，在常用制动下，随着列车重量的增加，组合列车制 动过程中的冲动也在加剧，随着从控端操纵滞后于主控机车时间的增大，列 车冲动过程中的最大车钩压力显著增大，但车钩拉力波动范围较小，无论拉 力或是压力，都存在一个绝对值最小的极值，车钩压力的最小值大致出现在 从控操纵提前于本机l s 左右，而拉力最小值大致出现在两机同步操纵时。 在紧急制动时的列车冲动大于常用制动工况，这一冲动除与列车质量有 关外，还与制动初速密切相关，制动初速降低时，列车冲动明显加剧。紧急 制动时列车冲动最小的极值不如常用制动时那样明显。但当从控端操纵滞后 于主控端操纵时，随着滞后时间的增加，列车冲动明显加剧。而当从控端操 纵提前于本机操纵时，列车冲动明显降低。 l 螂 口 、- 憎 乒、 习 、。，一l 1 。飞 l i f 挹t ，一 心。 q f - ” | l 迤亳：z ? 图2 - 2 制动工况下主从控操纵时间差对列车冲动的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 列车缓解时，最大车钩拉力及最大车钩压力均随主从控机车操纵时间差 异的增大而迅速增加。特别应当强调的是，车钩拉力增加很快，当从控端滞 后于主控机车5 s 操纵时，列车中最大拉力比同步时增大3 倍以上。车钩承压 能力远大于车钩承拉能力，缓解过程中车钩最大拉力往往大于车钩最大压力。 由图2 3 可知，当从控端缓解操纵提前于主机l 2 s ，列车中的最大车钩拉 力及最大车钩压力均最小，且提前时间进一步增加时，列车冲动变化不大， 一直处于较小的状态。 通过对多种情况的分析比较，我们可以初步得出结论；即使在平直线路 上，主从控机车操纵达到1 0 0 同步，也不是减少列车冲动的最佳方案。在各 种列车吨位及列车制动、缓解工况下，从控端操作动作提前于主机l 2 s 都 较完全同步操纵有利，因而不应在追求百分之百同步动作上花费过大的精力。 在技术上难以做到准确控制的条件下，通过系统中的异步控制功能只要能实 现从控端提前于主机的操纵( 时间差可维持在较大的范围内) ，就比从控端滞 后操作安全得多。 f h l h _ ， 2 秘 2 弗 m 1 h 墟 口枷 翻 - 2一， i ，2，i -5d 尹 一 芝 一i 叠 一2 图2 - 3 缓解工况下主从控操纵时间差对列车冲动影响 2 2 自动过分相方案研究 在铁道电气化牵引区段，牵引接触网采用单相工频交流电供电方式。为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 使电力系统三相负荷平衡和提高电网的利用率，要求电气化铁路接触网分相 供电，为防止相间短路，各相间用空气或绝缘物分割，称为电分相。国内接 触网上每隔2 0 k 珂2 5 k m 就有一长约3 0 m 的电分相区。传统的电力机车过分相 技术是车上手动切换，即为了避免拖带电弧损坏供电设备，电力机车通过分 相区时，司机必须按照线路上设置的断合标志进行操作。接近分相区时，先 将机车操纵手柄回零，也称降流过程，再断开主断路器，通过分相区后，再 以相反的顺序操作。这样受电弓是在无电流情况下进出分相区的，从而保证 了受电弓和接触网的寿命n ”。 在开行组合列车时，主从控机车之间距离较大，从控机车一般位于编组 列车的中部或尾部，当主控机车执行过分相点操作指令的时候，从控机车距 离分相点还有一定的距离，在这种情况下，主从控机车之间就不能再执行同 步操纵指令，必须采取一定的措施，使从控机车安全通过分相点。 其中解决办法之一就是让从控端脱离主控机车的同步控制，实现自动过 分相点。传统的自动过分相技术大致分为两种类型：“操纵机车型”和“地面 控制型”，下面分别对这两种类型代表的典型技术方案进行对比和介绍。 1 地面开关自动切换方案n ” 这种方案国际上以日本为代表，解决了新干线上高速列车自动过分相的 难题。工作原理见图2 - 4 。在接触网分相处嵌入一个中性段，其两端分别由绝 缘器j y l ，j y 2 与二相接触网绝缘。2 台真空负荷开关q f l ，o f 2 分别跨接在 j 1 f 1 、j y 2 上，使接触网两相能通过它们向中性段供电。在线路边设置4 台无 绝缘轨道电路c g l c g 4 作为机车位置传感器。无车通过时，2 台真空负荷开 关均断开，中性段无电。当机车从a 相驶来达到c g l 处时，真空负荷开关o f l 闭合，中性段接触网由a 相供电。待机车进入中性段、到c g 3 处时，o f l 分断， q f 2 随即迅速闭合，完成中性段的换向过程。由于此时中性段己由b 相供电， 机车可以在不用任何附加操纵、负荷基本不变的条件下通过相分段，待机车 驶离c g 4 处后，q f 2 分断、装置回零。反向来车时，由控制系统自动识别，控 制2 台真空负荷开关以相反顺序轮流闭合，采用这种方法过分相，断电时间 约为0 1 0 1 5 s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 c g i 图2 _ 4 地面开关自动切换工作原理图 这种方案的优点是： 接触网无供电死区，无须司机操作，机车上主断路器无须动作，自动换 相时接触网中性段瞬间断电时间很短，且此时间与行车速度无关，可适用于 0 3 5 0 k m h 速度范围，对行车中可能出现的限速、一度停车等情况均能正常 工作。这种方案的缺点是： ( 1 ) 真空负荷开关带负荷分断，因而必须考虑在线备份及检修备份。 ( 2 ) 中性段的长度难于确定。对于只有1 个受电弓的列车或是双机重联， 2 台机车紧靠的列车，中性段的长度可以按双机长度来确定。对于双机重联， 机车分布在首尾的列车或是多弓动力分散型列车，中性段要按整个列车长度 来考虑。 ( 3 ) 过分相区后合闸时的电流冲击比较大，如果机车上不采取措施限制 合闸冲击电流，有可能造成电机环火，同时列车冲动也使乘客难于忍受。 2 车上自动控制断电方案“” 该方案的工作原理是在离分相区两端约6 0 m 处的线路上，左、右各埋l 块磁铁，一个分相区只需要4 块磁铁。机车头部靠近铁轨处左右各设1 个感 应器，当机车通过磁铁时，感应器就接收到信号，再由感应器向机车微机控 制系统发送11 0 v 电平的预告信号当机车得到过分相预告信号后，首先进行 确认，然后封锁触发脉冲，延时断开主断路器，使机车惰行通过无电区。在 通过无电区后，由机车自动检测网压从无到有的跳变并确认，再合主断路器， 顺序启动辅机，然后限制电流上升率，启动机车。该方案中，除分相预告信 号与地面设施有关外，其余一切操作都由机车自动完成，无需人工干预。广 似 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 深线全线都采用这一方案。 该方案的优点是： ( 1 ) 投资最低，仅需解决过分相的预告信号问题。 ( 2 ) 过分相区后能自动控制电流上升率，不会有冲击电流，对列车造成 的冲动也比较小，提高了乘客的舒适度。 ( 3 ) 过分相的自动控制与列车速度无关，可适应低速、常速、准高速和 高速的要求。 该方案的缺点是： 机车上有一段时间是断电的，且断电时间比第1 方案长，而断电时间的 长短与通过速度有关，无法适应各种速度的机车通过分相区。 通过以上分析和比较，认为：现有的自动过分相技术都不适合本项目， 因为不论采用那一种方案，都要对现有车载设备和线路进行大规模的改造， 很难在实际应用中实现，所以针对这一问题，作者采用了一种不改变现有线 路及设备，在机车无线同步操纵系统硬件的基础上，采用一定的控制算法实 现从控机车自动过分相点的方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第三章系统方案研究 3 1 系统功能要求 由于本系统是来源于实际科研项目，应用方从实际应用的角度提出了以 下要求： ( 1 ) 在不对原型机车进行较大的改动下，实现主从控机车之间的无线同步 控制，并且还应具备异步控制功能，以满足特殊线路上的牵引需要。 ( 2 ) 要求系统具有显示功能，在司机操纵端可以实时的显示列车控制、状 态信息，用于指导司机驾驶。 ( 3 ) 车载设备应满足可靠性和实时性要求，在机车运用环境下能够可靠的 工作，对机车的控制真正做到万无一失。 ( 4 ) 系统的最终安装使用必须在不影响现在电力机车安全运行的前提下 进行，包括本系统正常运行时和本系统出现故障时。 ( 5 ) 系统要具有优良的可扩展性，便于日后进行相关功能的完善。 3 2 系统整体设计方案 3 2 1 系统总体结构 整个系统车载设备采用模块化的设计方法分为信号采集模块、无线传输 模块、控制模块、主机四大部分，各个功能模块通过c a n 总线有机的联系在 一起，实现模块之间的相互通讯和数据交换。系统结构如图3 - 1 所示。为了 保证系统的通用性，主控机车设备与从控机车设备完全一样，具有这样的系 统结构可以使得任何一台机车即可以成为主控机车，也可以作为从控机车使 用，这样就比较符合现有铁路运输现状。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 。端疆端驻 图3 - 1 系统结构原理图 图3 - 2 为系统实现功能框图。该设计方案通过无线传输代替了固定电缆 传输同步控制信号，安装方便，无需硬线连接，可以节省人力，提高机车运 转效率；无需对原型机车进行较大的改造，实现了低成本和国产化，可以在 机务部门现有大量s s 3 b 型电力机车上推广，特别适合针对现有运力的提高和 改造；模块化的设计更易于系统扩展，可根据要求增加与机车控制运行相关 的各种附加功能。因为机车的同步控制不再依靠线缆连接，使得机车牵引方 式更加灵活，可以根据运用需要实现双机重联牵引、双机组合牵引、双机推 挽牵引等多种牵引方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 l 基本功能i l 信号检测功能 控制功能 显示功能故障诊断报警功能 ll 机车级位信号检舞主从控机车的同步控制本务机车状态显示 检测电路的故障诊断 机车制动信号检潮主从控机车的异步控制重联机车状态显示 传输电路的故障诊断 机车控制信号检测信号指挥控翻 输出电路的故障诊断 机车状态信号检测故障报警功能 3 2 2 系统工作原理 图3 - 2 系统功能框图 众所周知，电力机车上的设备多而且分散，因此我们按照实现的功能不 同而将设备划分为不同的模块，各个功能模块以节点的方式通过c a n 总线相 互连接，节点之间通过现场总线进行数据的交换。这样做不仅简化了系统而 且也为以后的扩展提供了方便。系统的工作原理描述如下： 信号采集模块包括控制信号采集板和状态监测信号采集板，控制信号采 集板间隔2 0 0 l l l s 采集一次机车控制信号，通过c a n 总线将信息发送至无线传 输模块，同时也发送到主机进行显示输出。状态监测信号采集板间隔2 s 采集 一次机车状态信息，在主控端，状态信息不向从控端发送，仅仅送到本机进 行显示输出，在从控端，状态信息分两路，一路发送到无线传输模块，另一 路送到本机显示输出。 无线传输模块通过查询的方式接收总线上发送来的数据，并写入发送缓 存，按照信息的优先级进行发送。在空闲时，每隔4 s ，发送一次测试帧，进 行通讯链路状况测试。 在主控端，控制模块关闭。在从控端，控制模块通过c a n 总线接收无线 传输模块发送过来的数据，读取数据包中的控制信息，通过校核以后与当前 机车状态进行比较，如果控制状态发生了变化，则按照变化量进行输出控制。 主机同时接收本机信息以及重联机车通过无线通道发送过来的信息，然 后在液晶显示器上输出，用于指导司机驾驶。在异步控制模式下，还要负责 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 接收异步控制器的指令并编码通过无线传输模块向后发送。 以下是机车无线重联系统具有的三种控制功能介绍： l 同步控制 系统在列车运行中同时控制前后2 台机车，以相同的牵引或动力制动方 式运行，为同步控制。此时作为主牵引机车的车载设备采集主控机车的操纵 信号和状态信息，通过无线通道发送给从控机车，从控机车执行牵引主机车 发送的同步操纵指令信号，控制机车与主控机车以相同的牵引工况运行。 2 异步控制 系统控制两台机车以不同的牵引工况或动力制动方式运行时，为异步控 制。当列车运行在特殊线路或主控机车司机认为必要时，可以控制从控机车 在不同于主控机车工况下运行，以满足重载列车在特殊线路上的需要，实现 最大限度地发挥多机牵引能力。此时与同步控制的区别在于从控机车执行的 是主控机车司机通过异步控制器直接发送来的控制指令，主控机车采集的控 制信号在主控端仅用作输出显示。 3 信号控制 信号控制是作为前两种控制的补充和备份，在此控制模式下，主控端司 机按照要求操纵主控机车，并根据列车牵引需要，通过无线信道给出从控端 控制指令，从控端设备接收后在显示屏上显示输出，从控端司机根据主控机 车发送来的控制指令操纵从控机车运行，同时，从控端信号采集模块通过无 线传输模块送出当前从控机车工作状态，主控机车接收以后，