列車管貫通判斷控制裝置的研究*

楊義克

(成都鐵路局 科委,四川成都,610081)

保障鐵路運(yùn)輸安全是鐵路順利實施高速重載運(yùn)輸策略以及實現(xiàn)快速發(fā)展的前提。近年來,鐵路貨物運(yùn)輸過程中,發(fā)生了多起由列車折角塞門非正常關(guān)閉而引發(fā)的行車事故,致使貨物列車沖出安全線,嚴(yán)重的影響了鐵路運(yùn)輸安全[1]。

當(dāng)前,主要利用列車尾部安全防護(hù)裝置(以下簡稱列尾裝置)來檢測列車制動主管貫通狀態(tài),若有折角塞門關(guān)閉(以下簡稱折關(guān))現(xiàn)象發(fā)生時,則通過列尾裝置司機(jī)控制盒上的排風(fēng)按鈕進(jìn)行列車尾部排風(fēng)制動。列尾裝置是取消守車后用來監(jiān)測列車尾部風(fēng)壓的重要行車安全裝備之一,對列車運(yùn)行安全起到了重要防范作用[2-3]。但是該裝置是一種人工查詢、判斷、干預(yù)的設(shè)備。因此,有必要研制一套裝置,不僅能規(guī)范機(jī)車乘務(wù)員進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化制動機(jī)試驗,而且能在試風(fēng)過程中由裝置自動判定列車編組中有無折關(guān)及關(guān)閉的位置,主動預(yù)防因非正常折關(guān)引發(fā)的行車事故,這對行車安全大有裨益。

1 綜合折關(guān)判定方法研究

通過機(jī)車的制動和緩解過程來進(jìn)行折關(guān)判定,從理論上來講不僅可以判關(guān),還能確定折關(guān)位置。由于是從機(jī)車端進(jìn)行判定,解決了設(shè)備的電源、無線通訊、設(shè)備管理等問題,因而具有較高的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

1.1 緩解過程檢測列車管折角塞門狀態(tài)

(1)利用充風(fēng)時間關(guān)系來進(jìn)行貫通判定

列車管充風(fēng)(緩解)時間是指機(jī)車向列車制動主管從某一壓力值開始充風(fēng)到另一壓力值所用的時間。當(dāng)列車的編組確定以后也就固定了機(jī)車車輛各制動管路的儲風(fēng)量,我們可以把它看成一個整體,列車的編組輛數(shù)越大,這個儲風(fēng)裝置的容量就越大,機(jī)車對它充風(fēng)的時間也就越長。機(jī)車向列車管從某一壓力值開始充風(fēng),當(dāng)風(fēng)壓達(dá)到500 kPa或600 kPa時,就認(rèn)為充滿風(fēng)了,也即是完全緩解了。理論上可以用充風(fēng)緩解時間計算全列貫通輛數(shù):

編組輛數(shù)=列車完全緩解時間/單輛車完全緩解時間

在列車折角塞門被人為關(guān)閉后,整個列車就分成兩個部分,此時機(jī)車再向車列充風(fēng)(此時只能對前半部分進(jìn)行充風(fēng))充風(fēng)時間便會縮短;如果把整個列車狀態(tài)良好、列車管沒有被關(guān)閉時計算出標(biāo)準(zhǔn)的單個車輛充風(fēng)時間做為依據(jù)與折角塞門被關(guān)閉后的充風(fēng)時間進(jìn)行比較計算,可以算出被關(guān)閉的位置。

(2)利用檢測機(jī)車向車列充風(fēng)流量的方法實現(xiàn)充風(fēng)判關(guān)

在機(jī)車列車管上安裝流量計,通過檢測充入整列車壓縮空氣的總量來實現(xiàn)列車制動主管貫通輛數(shù)的計算,流量計安裝如圖1所示。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,在忽略溫度變化的條件下,列車管貫通輛數(shù)可由式(1)的簡化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算:

式中N為全列貫通輛數(shù);V為機(jī)車充入車列總風(fēng)量(dm3);P為列車管定壓(kPa);P0為充風(fēng)前初始壓強(qiáng)(kPa);L為單輛車的制動管系、風(fēng)缸容積(dm3)。

圖1 流量計安裝示意圖

1.2 排風(fēng)時間及減壓量檢測列車管折角塞門狀態(tài)

根據(jù)機(jī)車及車輛制動機(jī)原理,列車做減壓制動時,列車管內(nèi)的壓縮空氣排向大氣,只受編組車輛多少(即列車制動主管的長度、支管長度、軟管及折角塞門)的影響。而機(jī)車及車輛的副風(fēng)缸、加速緩解風(fēng)缸、三通閥、制動缸、降壓風(fēng)缸等部件對該排風(fēng)時間不構(gòu)成大的影響。列車編組確定后,列車管通過中繼閥(自動制動閥)在一定減壓量下的排風(fēng)時間即為一定值。大量的試驗也驗證了這一點的正確性。

通過在列車管及中繼閥排風(fēng)口上安裝高靈敏度的半導(dǎo)體壓力傳感器,利用它可以準(zhǔn)確實時采集到列車管壓力的變化量,中繼閥排風(fēng)開始及結(jié)束時間,基于排風(fēng)時間及減壓量兩種參數(shù)和列車的編組情況,建立減壓判定折關(guān)的數(shù)學(xué)模型。用測量機(jī)車上的中繼閥排風(fēng)口的排風(fēng)時間和列車管減壓量的方法來判定列車管的貫通輛數(shù),其數(shù)學(xué)模型為:

式中t為排風(fēng)時間(s);r為減壓量(kPa);A、B1、B2為系數(shù)為常數(shù)。

數(shù)學(xué)模型所需的試驗數(shù)據(jù)取自某制動定置試驗臺、制動試驗室所做的研究試驗數(shù)據(jù)。各系數(shù)、常數(shù)項的值如表1。

表1 各系數(shù)、常數(shù)項的取值

根據(jù)運(yùn)用中各種實際狀況,對折關(guān)位置判定計算中各系數(shù)、常數(shù)項進(jìn)行微調(diào)后可以滿足需要。2007年9月在成都東進(jìn)行的60輛混編空車試驗的試驗數(shù)據(jù),開展了有關(guān)修正系數(shù)方面的研究,得到計算式如下(在30輛處為上、下計算式分界處):

500 kPa定壓的上、下計算式

600 kPa定壓的上、下計算式

2 折關(guān)檢測實現(xiàn)手段及對機(jī)車的控制方法

基于簡化操作,不增加乘務(wù)人員額外勞動,裝置便能自動測試,根據(jù)列車的不同運(yùn)行工況自動進(jìn)行分級控制的設(shè)計思想,通過對折關(guān)發(fā)生的機(jī)理及檢測辦法的綜合分析,確定了裝置要實現(xiàn)的功能及采取的手段。即強(qiáng)制執(zhí)行開車前的制動機(jī)試驗(簡略試驗、全部試驗、持續(xù)一定時間的保壓試驗),檢測編組站發(fā)生的折關(guān)隱患;通過途中的充排風(fēng)過程,來發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中的“意外折關(guān)”;并根據(jù)列車綜合工況進(jìn)行“機(jī)車卸載”,對于與列尾裝置互連的機(jī)車,還能實現(xiàn)“首尾排風(fēng)制動”的功能。

列車管貫通判定及自動控制是本系統(tǒng)的主體功能。始發(fā)站出發(fā)前發(fā)現(xiàn)折關(guān),裝置將控制機(jī)車無法加載,語音提示并顯示出折關(guān)位置。在列車進(jìn)行充風(fēng)緩解或減壓調(diào)速時,裝置自動實現(xiàn)列車管貫通輛數(shù)判定。若裝置發(fā)現(xiàn)列車車尾前1/2以上折關(guān),在警示無效后對列車實施自動控制:即裝置先進(jìn)行機(jī)車卸載,再實施常用制動。

對于與列尾裝置互連的機(jī)車,為發(fā)現(xiàn)首尾同時折關(guān)這種特大安全隱患,充分利用列尾主機(jī)增漏功能,當(dāng)裝置檢查到列車首尾風(fēng)壓不一致時,會給出語音提示“注意尾部管壓”,并在警告無效后實施缷載,然后首尾同時排風(fēng)制動。

3 系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計

系統(tǒng)硬件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示,共劃分為5大功能單元:TAX箱接口單元、人機(jī)對話接口單元、機(jī)車牽引制動控制單元、機(jī)車工況采集單元。虛線框內(nèi)部為本裝置要實現(xiàn)的功能,納入整個列車管貫通判斷控制裝置的還有機(jī)車信息綜合平臺TAX箱、列車尾部安全防護(hù)裝置、機(jī)車自動停車裝置接口等。整個系統(tǒng)由列車管貫通判斷控制裝置主機(jī)和人機(jī)對話系統(tǒng)構(gòu)成。主機(jī)安裝在機(jī)械間內(nèi),人機(jī)對話系統(tǒng)則安裝在司機(jī)室內(nèi)。

整套裝置主要由裝置主機(jī)、顯示器、傳感器等組成。各組成部分的通信關(guān)系如圖3所示。監(jiān)測列車管壓力、流量和監(jiān)測中繼閥排風(fēng)口壓力的傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳輸給裝置主機(jī);裝置所需的列車綜合信息從機(jī)車TAX2或TAX3裝置進(jìn)行采集;裝置主機(jī)將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理,并把必要的數(shù)據(jù)傳送到司機(jī)室兩端的顯示器。顯示器單元設(shè)有對裝置進(jìn)行設(shè)置的按鍵面板,如果對按鍵面板進(jìn)行操作,可將相關(guān)信息傳送給主機(jī)進(jìn)行處理。整個裝置各個模塊間通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)軟件采用自頂向下的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法,根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行需求分析、劃分出各個功能子模塊。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)對制動機(jī)和壓力信號的實時采集;制動機(jī)試風(fēng)試驗?zāi)K完成感度試驗、安定試驗、漏泄試驗等相關(guān)試驗;折角塞門狀態(tài)判定模塊實現(xiàn)了本文提出的綜合折關(guān)判定方法;通信接口模塊實現(xiàn)與列尾裝置和TAX2裝置的通信;牽引制動回路控制模塊完成機(jī)車的控制方法,根據(jù)列車綜合工況進(jìn)行“機(jī)車卸載”等功能;數(shù)據(jù)記錄轉(zhuǎn)儲模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和存儲。

圖2 系統(tǒng)硬件功能結(jié)構(gòu)

圖3 裝置各組成部分的通信關(guān)系

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

列車管貫通判斷控制裝置是為檢測列車折角塞門被非正常關(guān)閉而專門設(shè)計的預(yù)警及處置裝置,該裝置通過特定算法從機(jī)車端計算列車制動主管貫通輛數(shù),能確定列車折角塞門關(guān)閉的位置。可實現(xiàn)列尾風(fēng)壓自動查詢、嚴(yán)重折關(guān)時向尾部發(fā)送排風(fēng)指令等功能,可有效防止因折角塞門被非正常關(guān)閉引發(fā)的惡性行車事故,對防止列車事故,確保運(yùn)輸安全具有重要的現(xiàn)實意義,現(xiàn)已在部分鐵路局得到了推廣運(yùn)用,效果良好。下一步研究的重點是根據(jù)大量運(yùn)用后的情況對本裝置實行進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn),拓展功能,提高精度。

[1] 謝解春,劉 偉.智能列車制動監(jiān)控系統(tǒng)[J],內(nèi)燃機(jī)車,1999,(6):1-5.

[2] 李國平,趙月華,張挨表.列車尾部安全防護(hù)裝置集中管理系統(tǒng)的研究[J],中國鐵路,2000,(11):33-35.

[3] 崔 昱,宋 瑞.列車尾部安全防護(hù)裝置運(yùn)用管理系統(tǒng)的應(yīng)用[J],鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì),2009,31(2):24-25.