【正文】 鋒號”動車組、“中華之星”動車組等。SS3B型固定重聯(lián)機車重聯(lián)采用符合TCNB標準的WTB/MVB二層總線結構，機車控制采用與559類似的微機柜，司機臺設置彩色顯示屏。司機室的控制命令由CCU獲取，通過MVB傳輸?shù)奖竟?jié)車的TCU、LCU等控制單元。各車的設備狀態(tài)信息經(jīng)由同樣的MVB、WTB總線由相反的方向傳輸?shù)紺CU中匯總，一方面做相應的機車控制邏輯處理，另一方面在司機臺指示燈或彩色顯示屏上顯示，供司機或維護人員觀察和查閱。圖11 SS3B 型固定重聯(lián)機車通信網(wǎng)絡結構框圖 :基于GSMR的機車無線操縱系統(tǒng)GSMR是專用于鐵路的綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)，是中國鐵路移動通信未來的發(fā)展方向。圖12 基于GSMR的機車無線同步操縱系統(tǒng)組成基于GSMR的機車同步操作控制系統(tǒng)結構如圖12所示，其中地面設備由LOCOTROL應用節(jié)點(以下簡稱應用節(jié)點)組成，應用節(jié)點通過鐵路ISDN網(wǎng)絡與GSMR網(wǎng)絡采用標準的PRI(3OB+D)接口相連:機車車載設備包括LOCOTROL和GSMR車載通信單元(以下簡稱通信單元)組成。 :負責通信鏈接控制功能和數(shù)據(jù)轉發(fā)控制功能，同時管理和維護數(shù)據(jù)組。 :負責按照司機的操作指令或者接收通信單元的數(shù)據(jù)、解析，然后操控機車。這種數(shù)據(jù)傳輸方式很好地利用了GSMR網(wǎng)絡覆蓋的優(yōu)勢，避免了模擬電臺傳輸中因信號衰減造成數(shù)據(jù)傳輸丟失的情況。 項目的提出與本論文研究內(nèi)容 現(xiàn)階段應用最廣泛的多機牽引技術為兩臺獨立的電力機車利用重聯(lián)電纜實現(xiàn)背靠背的重聯(lián)連接。因為重聯(lián)電纜線的連接和固定費時費力，而且重聯(lián)電纜線在機車的運行中由于振動容易斷線損壞，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，直接威脅列車運行的安全。本論文的研究課題來自于成都鐵路局項目“多機牽引無線同步操縱系統(tǒng)”，主要針對現(xiàn)有SS3B非固定重聯(lián)型電力機車，研制兩臺機車無線同步操縱系統(tǒng)，代替原來的有線重聯(lián)的牽引控制方式。同時可將列車安全運行專家系統(tǒng)的理論融入到研制的車載系統(tǒng)中，提高了多機牽引列車運行的安全性和可靠性。 在論文中作者的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面: 1. 通過重載列車縱向動力學的研究和平穩(wěn)協(xié)調(diào)操縱技術以及優(yōu)秀司機的經(jīng)驗，提出對機車同步協(xié)調(diào)操縱的要求，提出科學合理的列車操縱方法，從而減小列車縱向沖動，確保列車安全平穩(wěn)的運行。 3. 針對機車無線同步控制技術在實際應用中所存在的問題，研究相應的解決方案。 ，對系統(tǒng)進行功能性和可靠性驗證。在重載列車中如果采用雙機組合牽引，從控機車與位于列車頭部的主控機車通過無線重聯(lián)技術實現(xiàn)同步牽引、同步制動及緩解。同時，緩解時間也大量減少，大約減少65%。這樣就大大提高了制動性能和縮短了停車距離，明顯改善了重載列車的操縱性能。前幾年，在大秦線曾開行過的53列萬噸重載列車中(組合式重載列車)，有11列發(fā)生了列車分離和斷鉤事故，%，事故率是很高的。所以避免較大的列車沖動，保證列車安全運行是系統(tǒng)研究中首先要解決的問題。 車鉤間隙對列車起動的影響 在重載組合列車中，列車的起動主要受車鉤間隙的影響，而車鉤間隙的存在對列車的起動是有利的，它使列車中的各個車輛實現(xiàn)“分別起動”，從而避免列車起動阻力產(chǎn)生的起動困難，較大起動阻力的存在也是貨車不能象客車一樣采用無間隙車鉤的原因。 平穩(wěn)調(diào)速根據(jù)SS3B型電力機車調(diào)速控制原理，機車作牽引工況運行時，對應調(diào)速手柄的每個級位，機車均有兩個工作范圍:恒流工作區(qū)和恒速工作區(qū)。當列車運行速度超過10(a一1)km/h時機車進入準恒速工作區(qū)，這時電機電流會隨著速度增加而成比例下降，電機電流取值為I=45(10aV)(V一機車運行速度，單位km/h)。在準恒速區(qū)內(nèi)，機車運行速度每變化10km/h，電機電流將在0位和手柄級位對應的最大值之間變化。機車在準恒速區(qū)運行要繼續(xù)提高調(diào)速手柄級位時，電機電流將從較小的值或0變到新級所對應的恒流值，這時牽引電機電流(機車牽引力)的變化是很大的。從機車速度特性我們可以知道，要避免機車電機電流瞬時變化太大而引起的列車沖動，司機的合理操縱是關鍵。比如:當機車運行速度為3Okm/h時，從控端接收到級位信號從4級變到5級，電機電流將從36OA增加到45OA，流變化90A。所以從控端進行調(diào)速控制時必須遵循以下原則: (l)級位的改變必須逐級遞增或遞減，不得跨級位輸出控制。 復雜線路上的協(xié)調(diào)操縱 系統(tǒng)利用無線通信實現(xiàn)了主從控機車之間的同步操縱，同時，還可以實現(xiàn)異步牽引和異步動力制動。如果系統(tǒng)只具有一種操縱模式，列車肯定會前后受力不均而導致斷鉤事故(比如列車處在變坡點上，前部機車在坡下，中部機車在坡上，這時如果主從控機車只能同步操縱的話，由主控機車一起制動，那肯定要發(fā)生列車分離或斷鉤事故)。 當列車運行在特殊線路上時，主控機車司機結合線路特點，合理的改變牽引方式，利用系統(tǒng)異步控制功能實現(xiàn)主從控機車之間不同的工況操作，這里控制模式的轉換主要依靠主控機車司機根據(jù)操縱經(jīng)驗來進行，所以人為的因素很大，可能會由于司機的誤判斷而引起較大的沖動，作為系統(tǒng)以后擴展，可以增加司機輔助控制裝置，利用GPS精確定位并結合電子地圖，為主控司機實施異步控制提供參考依據(jù)。例如:當列車需要由牽引轉為惰行時，主控端首先向從控機車發(fā)送異步控制指令，使從控機車操縱級位回到“O”位，主控機車確認信息后，再將調(diào)速手柄回到“O”位或“*”。 同步制動時間差分析 開行重載組合列車，車輛的關鍵是制動力、緩沖器和車鉤性能如何。由于GK型制動機性能較差，致使列車在制動或緩解時，車輛連接車鉤間發(fā)生壓縮和神鉤，縱向沖動較大。機車無線同步操縱系統(tǒng)是一種DP(動力分布)控制系統(tǒng)。在列車實施空氣制動時，由于列車中多臺機車在不同位置同時進行工作，相當于多個風源，因此可以縮短列車管空氣波的傳播距離，提高空氣制動系統(tǒng)的工作效率。圖21 組合列車空氣制動波傳遞示意圖 分析發(fā)現(xiàn)，在開行組合列車中發(fā)生的某些斷鉤事故，與主從控機車操縱的不同步直接有關。100%的操縱同步，是否能使列車沖動達最小的最優(yōu)操縱方案，也還未經(jīng)全面論證。采用傳統(tǒng)方法，用線路實測來尋求上述問題的解答則十分困難。6kt(40輛+4O輛)。(b)為緊急制動工況，初速度為60km/h的情況。 圖22 制動工況下主從控制操縱時間差對列車沖動的影響由圖22(a)可知，在常用制動下，隨著列車重量的增加，組合列車制動過程中的沖動也在加劇，隨著從控端操縱滯后于主控機車時間的增大，列車沖動過程中的最大車鉤壓力顯著增大，但車鉤拉力波動范圍較小，無論拉力或是壓力，都存在一個絕對值最小的極值，車鉤壓力的最小值大致出現(xiàn)在從控操縱提前于本機15左右，而拉力最小值大致出現(xiàn)在兩機同步操縱時。緊急制動時列車沖動最小的極值不如常用制動時那樣明顯。而當從控端操縱提前于本機操縱時，列車沖動明顯降低。特別應當強調(diào)的是，車鉤拉力增加很快，當從控端滯后于主控機車55操縱時，列車中最大拉力比同步時增大3倍以上。由圖23可知，當從控端緩解操縱提前于主機1～2s，列車中的最大車鉤拉力及最大車鉤壓力均最小，且提前時間進一步增加時，列車沖動變化不大，一直處于較小的狀態(tài)。即使在平直線路上，主從控機車操縱達到100q0同步，也不是減少列車沖動的最佳方案。在技術上難以做到準確控制的條件下，通過系統(tǒng)中的異步控制功能只要能實現(xiàn)從控端提前于主機的操縱(時間差可維持在較大的范圍內(nèi))，就比從控端滯后操作安全得多。在起伏坡道上，若利用動力制動進行調(diào)速，不但可以減少空氣制動的調(diào)速次數(shù)，還可以提高列車的平均速度。坡道的下滑力，二臺554型機車，則可抵消14%。SS3B型機車在6Okm/h時的最大制動力為25OkN，可抵消5%。因此，在本課題中SS3B型加補SS3B型的配置情況下，可以抵消10編坡道的下滑力。利用動力制動進行調(diào)速，必須考慮列車脫軌穩(wěn)定性的影響?？諝庵苿泳徑夂螅熊噧?nèi)產(chǎn)生的車鉤力作用時間短，具有沖擊的特點，而動力制動車鉤力基本呈穩(wěn)態(tài)，持續(xù)時間長，對于車輛的脫軌安全性的影響更大一些。 常用制動及緩解 (1)列車制動前先壓縮列車列車施行空氣制動時，由于制動波的傳遞，前部車輛先制動減速，后部未制動的車輛向前涌，列車產(chǎn)生擠壓作用。圖24 60km/ 由此可見，列車制動前的車鉤狀態(tài)對沖動影響較大，在制動前可適當使用電阻制動或機車小閘制動壓縮列車，可大大減輕列車的沖動。列車常用制動后進行緩解操縱時，一般大小閘同時緩解。同時，動力制動的使用在長大下坡道調(diào)速運行時，延緩了列車的增速，增加了列車管的充風時間，減少了調(diào)速次數(shù)，從而提高了調(diào)速運行的安全性。另一方面，重載列車緩解后速度下降量大，可達15一2Okm/h，低速時則更大，低速度緩解容易造成緩解不完停車。 緊急制動 如果制動機的緊急制動性能差，制動波速低，制動缸升壓曲線陡，導致列車緊急制動時縱向沖動很大。 制動調(diào)速 在長大下坡道上，采用以“動力制動為主，空氣制動為輔”的操縱方法。 重載列車安全運行控制 隨著重載多機牽引列車在我國的普遍開行，在鐵路機車車輛現(xiàn)有的裝備條件下，對列車的操縱要求是，確保列車安全、平穩(wěn)、正點和節(jié)能運行，因而分析列車的安全運行的控制策略是重中之重。一般應遵循下列原則: (l)起動初期，主控手柄位置應盡量低，緩慢增加牽引力，直至尾部車輛運動，列車處于拉伸狀態(tài)后再加速列車。在機車給流一定的情況下，低位快給，高位慢給是減少列車縱向沖動有效的操縱方法。 (l)牽引勻速運行 從節(jié)能的觀點來看，在相同的時間和距離，列車勻速運行時的能耗最少，但這在實際運行中是很難實現(xiàn)的。 (2)限速區(qū)前的降速運行 列車運行在限速區(qū)前，應合理地通過惰行使列車降速，當速差較大時，應充分利用機車的動力制動來達到較大程度上降速的目的，避免采用空氣制動，這不僅是對列車的安全運行有利，而且對列車運行的節(jié)能也有利。小的進坡速度可以避免或減少列車在下坡道運行的制動操縱次數(shù)，對列車安全運行有利。列車制動或緩解程中的縱向沖動隨減壓量的增加而增大，以較小減壓量制動，可以減小列車的縱向沖動，延長調(diào)速周期，減少調(diào)速次數(shù)，提高緩解速度，從而增加列車運行的安全性。利用機車的動力制動可以調(diào)節(jié)列車的車鉤狀態(tài)，使列車的沖動水平較低。 司機的操縱應在滿足制動限制距離的條件下，平穩(wěn)的實施制動操縱，保證列車停車的安全及平穩(wěn)。在起動后期和途中牽引加速過程中，可采用最大牽引力加速牽引，以達到節(jié)能的目的。其靈活的安裝方式，簡單的維護要求，可靠的性能及低廉的成本，使之被廣泛應用于全球各地，在北美、南非、澳大利亞等地都有應用，在中國主要應用在大秦鐵路的運煤重載列車上。按現(xiàn)行2萬噸組合列車開行模式，每兩臺機車分布在列車中共同牽引一列列車。LOCOTROL系統(tǒng)對如同大同線的復雜線路情況的適應性在試驗項目中已經(jīng)得到驗證，且說明LOCOTROL技術有能力應用于國內(nèi)其它線路以提高運力。開行2萬噸LOCoTROL組合列車替代傳統(tǒng)的萬噸列車將提高大秦線運力。在大秦鐵路中運行的HXD1型重載重聯(lián)列車主要采用同步模式，同步模式適用于多個機車牽引一列列車的情況，大秦線的運煤列車引入LOCOTROL以后，每個牽引機車上都將安裝LOCOTROL，通過LOCOTROL來控制牽引機車的運行，此時LOCOTROL就將采用同步工作模式。從控機車LOCOTROL由主控機車LOCOTROL來進行遠程控制，控制指令的發(fā)送/接收通過LOCOTROL中的800MHz電臺或通過GSMR通訊網(wǎng)絡實現(xiàn)。當從控機車收到起動指令以后，立刻控制機車起動。這樣統(tǒng)一編組的兩個機車就可以近乎同時起動，從而達到了機車同步操作控制。LOCOTROL分布式動力控制系統(tǒng)通過主控機車，控制從控機車以同步或獨立的方式運行。借助LOCOTROL系統(tǒng)，可以優(yōu)化動力分配和整個列車的制動控制,使機車的牽引和制動更迅速，更平穩(wěn)，從而實現(xiàn)更安全，有效的列車操作。LOCOTROL分布式動力系統(tǒng)也可以使操作人員對整個列車的各個機車實現(xiàn)同步控制，從控機車遵從主控機車LOCOTROL系統(tǒng)的命令，這樣主控機車和從控機車的牽引和電制動級位將保持同步，實現(xiàn)整部列車的同步操控。 LOCOTROL系統(tǒng)的特點 LOCOTROL系統(tǒng)特點如下: 優(yōu)化動力分布和制動效果 減少車輪和軌道的磨損 加速制動緩解 減少制動時間(22%)和制動距離(33%) 節(jié)約能耗(5%15%) 改善低速操作 減少人員需求(只需要主控司機操作) 美國鐵路統(tǒng)計結果表明，在所發(fā)生的全部事故中，有70%是斷鉤事故。 對于超長重載列車，傳統(tǒng)空氣制動系統(tǒng)存在以下主要問題: (l)制動、緩解響應時間長 傳統(tǒng)空氣制動系統(tǒng)以列車管壓力變化為控制信號觸發(fā)各車輛制動機動作實現(xiàn)制動、緩解功能。制動減壓信號從頭部傳到最后一輛車至少需要10秒鐘，造成重載列車常用、緊急制動時列車前后部制動力不一致，列車中將產(chǎn)生巨大的車鉤力和劇烈的縱向沖動，嚴重時可能造成斷鉤、脫軌事故。實施制動后，儲風缸壓力空氣流入制動缸，需要通過緩解將列車管和儲風缸完全充滿后，才能進行下一次制動。過長的再充風時間容易造成司機對列車速度的失控，嚴重時會造成放腸，對安全產(chǎn)生嚴重威脅。在動力集中方式下，頭部機車和后部車輛間的車鉤力必然隨著列車重量的增加而增加，該方式下的最大牽引重量受車鉤強度限制。 ECP發(fā)展歷史 為解決上述問題，國際上主要采取了2種技術:動力分布控制系統(tǒng)(DP)和電控空氣制動系統(tǒng)(ECP)。這種方式類似于將長大列車分解為多列協(xié)調(diào)運行的短編組列車。DP發(fā)展開始于美國，1959年在美國進行了首次機車無線遙控同步牽引控制系統(tǒng)試驗，隨后在美國該系統(tǒng)經(jīng)過多次改進，20世紀70年代日趨成熟，在澳大利亞、巴西和阿爾及利亞得到應用。電控空氣制動系統(tǒng)(ECP)是自 1872年喬治，韋斯汀豪斯發(fā)明空氣制動機以來，貨車制動系統(tǒng)最顯著的變革lv0]。ECP最初由AA