機車制動系統試驗平臺的研制*

池　海, 王　強, 閆志強, 吳仁恩

(1　中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所, 北京 100081；2　中國鐵路總公司　運輸局， 北京 100038；3　北京縱橫機電技術開發公司， 北京 100094)

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機車制動系統試驗平臺的研制*

池海1, 王強2, 閆志強1, 吳仁恩3

(1中國鐵道科學研究院機車車輛研究所, 北京 100081；2中國鐵路總公司運輸局， 北京 100038；3北京縱橫機電技術開發公司， 北京 100094)

介紹了用于計算機網絡控制的機車制動控制系統的試驗平臺的研制。論文介紹了試驗平臺的功能，組成等。該平臺已經用于國產化CAB型機車制動控制系統的研發。

試驗平臺; 機車制動; 計算機網絡

自2006年以來和諧型大功率交流傳動機車誕生及批量投入使用，標志著我國鐵路機車行業成功地實現了由直流傳動向交流傳動的轉化，機車技術平臺達到世界先進水平，機車裝備現代化和機車裝備制造業現代化發展進入了新的歷史階段。和諧型大功率交流傳動機車具有牽引性能優越、功率大、黏著利用率高、啟動加速性能好、可靠性高等優點。代表了世界先進機車技術發展方向。

截止到2015年和諧型電力機車已生產了近6 000臺。機車制動系統分別采用了源自美國和歐洲技術的克諾爾制動系統和法維萊制動系統。除HXD2系列及小部分HXD1C采用法維萊制動系統以外，其余采用克諾爾制動系統。因此，克諾爾制動系統在我國和諧型機車所占的比重是相當高的。面對這種局面，中國鐵道科學研究院作為機車制動系統引進、消化、吸收單位，作為國內軌道交通制動系統研發主導單位，必須采取相應措施，結合國外先進技術，搭建我國機車制動系統設計與試驗研究技術平臺，滿足機車制動系統國產化試驗研究的需要，并進一步依托這些平臺研制具有自主知識產權的計算機網絡控制的智能模塊化機車制動控制系統。

目前，國內尚無相關機車制動系統試驗平臺。所以，搭建機車制動系統試驗平臺具有重要意義。

1　機車制動系統試驗平臺的功能(見圖1)

機車制動系統試驗臺可用于分析、研究機車制動系統的各項功能，這些試驗主要包括：

(1) 供風系統試驗研究：包括空氣壓縮機啟停壓力設置，總風壓力低時的系統保護策略等。

(2) 電子制動閥性能試驗研究：包括制動手柄設置和標定，機車雙端操縱司機室選擇，備用制動操作性能。

(3) 機車顯示模塊性能試驗研究：包括系統故障信息內容與顯示，機車制動系統設置與標定。

(4) 制動控制系統試驗研究：包括常用制動和緩解操縱控制策略，緊急制動方式，故障安全導向，列車斷鉤保護，控制系統傳感器標定方式等。

(5) 輔助模塊性能試驗研究：包括停放制動實施與緩解，撒沙控制，電力機車受電弓升弓控制模塊作用等。

(6) 機車設為重聯機車時的制動性能試驗研究，設為無火回送機車時的制動性能試驗研究，制動系統設為補機的試驗研究。

(7) 制動系統內部各模塊間網絡通訊及控制試驗研究，包括電子制動閥、集成處理器模塊和顯示模塊間的網絡傳輸協議，控制功能冗余等。

(8) 可以進行制動系統各主要模塊/部件的相關試驗。

(9) 與機車其他接口的試驗研究，包括與LKJ監控系統、與機車牽引控制系統等的接口。

2　制動系統試驗臺組成

機車制動系統試驗臺主要包括以下部分：

(1)風源系統；

(2)司機操縱臺；

(3)空氣制動柜(含制動控制系統、包括集成處理模塊，輔助控制模塊，輔助空壓機等)2臺；

(4)基礎制動裝置：2個常用制動缸，2個帶彈停的制動缸；

(5)空氣管路柜及管路系統；

(6)計算機數采系統。

圖1　機車制動系統試驗平臺效果圖

2.1風源系統

采用試驗室外置風源，經干燥后通過管路送入試驗室，供制動系統使用，滿足制動系統的用風量。試驗室設有2個115 dm3的總風缸，制動機設置為單機時兩個總風缸串聯為制動機提供風源。制動機設置為雙機重聯時，兩個總風缸單獨使用，分別為制動機提供風源。試驗室總風管路上的總風切斷塞門上并聯了一個兩位兩通常閉電磁閥，根據制動柜壓力開關模塊的3個壓力開關狀態，模擬機車總風壓力低時啟動相應的空壓機補風(見圖2)。

圖2　機車制動系統試驗平臺風缸

2.2司機操縱臺(見圖3)

操縱臺上布置了2臺制動控制器(EBV)、2臺司控器、2塊制動顯示屏、2塊監控顯示屏和1塊微機顯示屏，1塊可接電信號的機車速度表，2塊雙針壓力表(分別顯示機車的兩個轉向架的制動缸壓力、總風壓力和列車管壓力)以及彈停的施加、緩解和升弓按鈕、無人警惕按鈕、緊急按鈕等。

在一個操縱臺上實現兩臺機車制動控制，分別控制兩個機車制動柜，實現單機牽引和雙機重聯控制。

在單機牽引時，操縱臺上的設備分別代表操縱端和非操縱端的司機室設備。

雙機牽引時，操縱臺上的設備分別代表兩臺機車操縱端司機室的設備。

監控顯示屏即機車牽引仿真系統的顯示屏，可分別顯示兩臺機車的司控器及制動控制器手柄的位置，并根據其所處位置，進行相應機車仿真牽引和制動計算。提供速度、牽引力及電制力的仿真計算和顯示。提供原邊電壓、原邊電流和控制電壓的顯示。模擬機車監控系統提供機車常用制動1、常用制動2、機車緊急制動和無人警惕的仿真并輸出相應控制信號給制動系統。能顯示牽引系統所需的各種基本開關量的開關狀態。

圖3　機車制動系統試驗平臺操縱臺

2.3空氣制動柜

機車制動試驗室設有兩套制動機空氣制動柜，可用于重聯機車操作控制。每個制動柜上有制動控制裝置、網絡控制系統、系統控制及輸入輸出模塊和電源箱等。

制動柜還設有輔助控制模塊，這些模塊包括輔助升弓模塊、彈停模塊、撒沙模塊、制動力切除模塊、無人警惕模塊、壓力開關模塊、彈停輔助模塊以及升弓鑰匙開關。

輔助空壓機組，包括輔助空壓機、干燥器、5 dm3再生風缸等也設置在制動柜上。

制動控制系統配有氣動閥，這些氣動閥用于控制機車空氣制動，按其功能進行模塊化分類，并成為網絡控制節點，這些節點通過網絡與制動操縱手柄和系統處理模塊相互交流信息。

2.4基礎制動裝置

試驗室基礎制動裝置采用與HXD3完全相同的制動缸和夾鉗以及閘片托和閘片，制動缸分為單元制動缸和帶有彈簧停放機構的復合缸。與制動缸相配套的夾鉗也同樣分為兩種，分別適合于常用制動缸和復合制動缸。兩種制動缸的閘片和閘片托相同。

每個制動機的基礎制動是按6軸12個缸布置，其中1、6軸采用實物缸，其中有兩個帶彈停，其余各軸采用等容積的容積風缸進行模擬，設有常用制動缸和彈停制動缸的制動、緩解指示器，顯示制動和緩解狀態。顏色為紅時，表明該缸處于制動狀態，顏色為綠色時，該缸則處于緩解狀態。基礎制動裝置示意圖見圖4。

2.5空氣管路柜及管路系統

試驗室空氣管路及管路系統包括實際管路、模擬管路、風缸架、緊急排風閥以及其他附件組成。

圖4　制動缸在吊架上的懸掛方式

(1) 風缸架

風缸架采用40×3的等邊角鋼焊接而成，如圖5所示。最上一層放置總風缸，中間一層放置3風缸，分別為：制動缸1模擬風缸、列車管容積模擬風缸、升弓風缸，最下一層放置4個風缸，分別為：制動缸1模擬風缸、20管模擬風缸、彈停風缸、總風聯管模擬風缸。同時風缸架上還安裝有常用制動缸和彈停制動缸的狀態顯示裝置。

總風風缸通過兩個安裝帶固定在風缸架上，其余各風缸分別放置在風缸架上相應的橫梁上，橫梁的間距保證各風缸能夠安全放置。

(2) 模擬管路及風缸

由于空間限制，使用一定容積的風缸來替代實際機車上一定量的管路容積。模擬管路包括總風聯管模擬風缸、列車管模擬風缸、制動缸模擬風缸、20管模擬風缸，同時機車制動系統除了總風缸外還需要彈停風缸、升弓風缸。在各個模擬風缸上還加裝有傳感器、壓力測點以及預留接口。

圖5　風缸架組成

通過計算機車實際列車管的容積、總風聯管的容積、制動缸的容積、20管的容積，得出各模擬風缸的容積，用模擬風缸的容積來代替機車的實際管路。原理圖見圖6。

圖6　制動缸管路原理圖

各類風缸容積如下：

總風風缸： 115 dm32個；

總風聯管模擬風缸：18 dm32個；

BP管模擬風缸： 25 dm32個；

BC1、BC2模擬風缸：4 dm34個；

20管模擬風缸： 10 dm32個；

升弓模擬風缸： 25 dm32個；

彈停模擬風缸： 25 dm32個；

2.6機車制動系統試驗平臺電氣系統框圖

機車制動系統試驗平臺電氣系統框圖見圖7。

2.7計算機數據采集系統

在機車制動試驗室中，需要對機車制動機的各個主要性能參數進行數據采集和分析，為研究和檢驗制動機研發成果提供可靠的參考。

2.7.1數據采集的功能

本數據采集系統實現功能應該滿足以下要求：

綜合模擬輸入及數字開關量輸入信號，采集精度達到±1%；

根據輸入信號的變換靈活更改采集對象，方便試驗人員進行調試；

保存輸入信號的標定，使試驗人員能夠及時修正數據偏移；

為試驗人員提供采集數據的分析方法，出具打印報告。

圖7　制動機試驗平臺電氣系統框圖

2.7.2機車制動系統需要實時采集的數據

機車制動機系統需要大量的數據進行實時采集并進行數據分析，采集的數據包括以下兩部分：

(1) 模擬輸入信號

(2) 數字開關量輸入信號

模擬輸入信號為制動系統的各傳感器的輸出信號。

風源部分包括：總風壓力，測點在總風缸處。

制動機部分包括：

16壓力，測點在氣路板上16風缸上的測試堵處；

20缸壓力，測點在氣路板上20風缸上的測試堵處；

均衡風缸壓力，測點在氣路板上ER風缸上的測試堵處；

16TV壓力，測點在氣路板上3#風缸上的測試堵處；

AR壓力，測點在氣路板上AR風缸上的測試堵處；

13壓力，測點在氣路板上13堵處(目前沒有測量)；

BC壓力：在BC模塊的測點TP-BC處

BP壓力：在BP模塊的測點TP-BP處

制動系統管路部分包括：

20管壓力，測點在20管模擬風缸上的測試堵處；

BP壓力，測點在列車管模擬風缸上的測試堵處；

BC1壓力，測點在第1制動缸模擬風缸上的測試堵處；

BC2壓力，測點在第2制動缸模擬風缸上的測試堵處；

彈停制動缸壓力，測點在彈停制動缸模擬風缸上的測試堵處。

數字開關量輸入信號主要包括：各個主要工作電磁閥得失電控制信號，監控系統產生的懲罰制動控制信號等，此類信號綜合為數字開關量輸入信號。

2.7.3NI數據采集系統的性能

測試系統選用美國NI公司的實時數據采集處理系統，其特點為：

(1)采集通道多，并有擴展空間;

NI數據采集系統可以同時采集48路模擬輸入信號和48路數字開關量輸入信號。

(2)采樣頻率高。最高可達250 kHz;

(3)A/D轉換：16位;

(4)定時精度高度：50 ns;

(5)最大輸入阻抗：100 Ω(55°C);

(6)輸入范圍：4～20 mA;

(7)內置數字濾波模塊。

2.7.4系統的硬件設計

數據采集使用靈活的遠端與近端控制相結合方案，即可以通過LAN網絡在試驗室其他機器上操作控制采集系統運行，也可以在數據采集系統上外接顯示器及輸入直接運行采集程序。通過對采集信號的分析，計算出機車制動機中需要采集的壓力傳感器模擬信號有至少16個，同時在本制動機試驗室中要求實現機車A，B兩端制動機的同步控制，則采集系統的壓力傳感器模擬輸入信號至少為32個。數據采集系統的硬件系統構成原理圖如圖8所示。

圖8　NI硬件構成原理圖

2.7.5軟件開發

NI公司的數據采集系統內置了多種數字濾波、數據處理、分類報表、打印輸出等模塊，方便開發人員進行后續開發。開發的軟件主界面如圖9所示。可以根據需要進行數據讀取、游標取值、對比、數據導出、打印，同時還可以進行不同時間下的試驗對比。

數據采集系統軟件流程見圖9。

3　試驗臺檢定及數據實測

3.1試驗臺的檢定—漏泄

試驗臺建成后，對各氣路進行漏泄測試，分別充滿后保壓1 min，漏泄均不大于1 kPa。滿足制動機漏泄不大于5～10 kPa/min的需要。測試結果見表1。

圖9　數據采集系統軟件流程圖

表1　試驗臺各管路漏泄測試數據

3.2試驗臺的檢定—傳感器標定

傳感器的標定采用零點標定和數顯表標定兩個步驟。零點標定是在大氣壓力下測量各傳感器的輸出，零點誤差應在規定范圍內；數顯表標定是取一校準過的數字壓力表，將某氣路壓力升至工作壓力，對比數字壓力表和傳感器的數值，差值應在規定范圍內。經測試，各氣路傳感器均合格。

3.3試驗臺的實測數據

試驗臺測試完畢后連接CAB機車制動機進行試驗，其大閘常用全制動的曲線和數據如下：

圖10為試驗平臺測試的CAB機車制動機大閘全

制后緩解測試曲線，數據見表2。

圖10　CAB機車制動機大閘全制后緩解測試曲線

定壓600/kPa實測要求運轉位實測均衡風缸壓力/kPa602600±7運轉位實測列車管壓力/kPa596ER±10大閘在全制位實測均衡風缸壓力/kPa433-大閘在全制位實測列車管壓力/kPa433ER±10均衡風缸從600kPa降至430kPa時間/s6.26～8列車管實際減壓量/kPa168最大:180制動缸壓力/kPa429420±15制動缸從0升至95%最大壓力時間/s8.27～9.5緩解后實測均衡風缸壓力/kPa604600±7緩解后實測列車管壓力/kPa594ER±10均衡風缸從430kPa升至600kPa時間/s4-列車管從430kPa升至600kPa時間/s4-制動缸從最大下降至40kPa時間/s6.4<8.5

通過上述檢定和例舉的數據可以得出，試驗平臺能夠真實的反映機車制動系統的參數和狀態。

4　結　論

(1)機車制動系統試驗平臺的搭建結合了機車制動系統國產化、計算機網絡控制的智能模塊化機車制動控制系統的研究項目，以HXD3機車制動系統及空氣管路為基礎模型，按照實際機車的管路及部件進行系統配置，搭建我國機車制動系統設計與試驗研究技術平臺。

(2)試驗平臺可實現機車在單機、本機、補機和重聯模式等各項制動試驗，實現機車制動關鍵部件及功能模塊性能試驗。

(3)試驗平臺可進行機車制動系統整體性能及可靠性試驗、可進行制動控制策略、故障安全導向等方面進行的試驗研究，完善和優化機車制動系統；最大限度地再現現場機車運用過程中出現的制動系統故障，為解決機車制動故障提供技術支持。

(4)通過該平臺，自主開發、試制、驗證了機車制動系統及諸多核心部件，開發了CAB型機車制動控制系統，提升了國產化機車制動機的技術含量；并為計算機網絡控制的智能模塊化機車制動控制系統的研制和列車制動系統試驗研究打下了堅實的基礎。

[1]TB/T 3428-2015 微機控制的機車制動控制系統[S].

[2]張曙光.HXD3型電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

Research on Test Platform of Locomotive Brake Control System

CHIHai1,WANGQiang2,YANZhiqiang1,WURenen3

(1Locomotive & Car Research Institute ,China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China； 2Locomotive Department, Transportation Bureau of China Railway, Beijing 100038, China； 3Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China)

The paper introduced development of a test platform used for computer network controlled locomotive brake control system. Paper describes the function and the composition of test platform. The platform has been used for CAB locomotive brake control systems research and development.

test platform; locomotive brake; computer network

1008-7842 (2016) 04-0006-06

男，研究員(

2016-03-15)

U260.35

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.02

*中國鐵路總公司科研白皮項目(2014J003-E)