（电机与电器专业论文）多机牵引无线同步智能控制系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t m u l t i l o c o m o t i v et r a c t i o nw i r e l e s ss y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mw a s a p p l i e dw i d e l yt oo u rh e a v yh a u lr a i l a g ew i t hi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c ei nc h i n a m o s to ft h em u l t i l o c o m o t i v et r a c t i o nw i r e l e s s s y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mu s i n gi nc h i n aa d o p t sl o c o t r o ls y s t e mo f g ec o o fa m e r i c a ，b u ti t sa p p l i c a t i o nc o n d i t i o nh a sa1 a r g ed i f f e r e n c e i no u rh e a v yh a u lr a i l w a y s b a s e do nt h ea c t u a l i t y ，t h et h e s i st a k e s t h ee l e c t r i cp o w e rl o c o m o t i v eo fs s 3 bn o n i m m o b i l i t yd o u b l eh e a d i n g a sr e s e a r c ho b j e c t ，a n db a s e do nt h ep r o j e c to fm u l t i l o c o m o t i v e t r a c t i o nw i r e l e s ss y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mf o rc h e n g d ur a i l w a y c o m p a n y ，r e s e a r c h e dt h et h e o r ya n ds y s t e mm e e t i n go u ra p p li c a t i o n r e q u i r e m e n t a f t e rd e e p l yl e a r n i n ga n dr e s e a r c h i n gt h es t r u c t u r ea n dw o r k p r i n c i p l eo fm u l t i l o c o m o t i v ew i r e l e s ss y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mb o t h a th o m ea n da b r o a d ，a c c o r d i n gt op a r t i c u l a r i t ya n dc o m p l e x i t yo fo u r h e a v yh a u lr a i i w a y ，b e s i d e st h el o c o m o t i v ei nu s ec u r r e n t l y o nt h i s c o n d i t i o n ，t h es y s t e ma d o p t sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sm o d er e a li z i n g t h ec o n t r o lo fl o c o m o t i v ew i t hd i s t r i b u t e d d y n a m i c ，t os o l v et h e p r o b l e m so fs t a b i1i t ya n ds e c u r i t yo ft h et r a i n s t h et h e s i sf o c u s e s o nt h ec o n c l u s i o no fl o n g it u d i n a ld y n a m i c so fh e a v yh a u lt r a i na n d e x c e l l e n c e m a n i p u l a t i o ne x p e r i e n c eo ft h ed r i v e r ，p u t sf o r w a r d f e a s i b l ec o n t r o ls t r a t e g yf o rs e c u r i t yo ff r e i g h tt r a i n w h i l et h e t h e s i sa n a l y s e sm u l t i l o c o m o t i v et r a c t i o ne x p e r ts y s t e m st h e o r y ，a n d i tt a k e san e ws t a n d p o i n ta n dm e t h o dw i t h l o n g i t u d i n a ld y n a m i c s a 1 1 0 w a n c ea sae v a l u a t i o ns t a n d a r df o rt r a i n ss e c u r i t y ，d e s i g n e dt h e s y s t e mu s i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r ya n dt e c h n o l o g y i n t r o d u c e st h e g e n e r a ls t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo ft h es y s t e m ，t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g np r i n c i p l eo fc o n t r o ls i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，s t a t u s s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st r a n s m i s s i o n m o d u l e ，c e n t e rc o n t r o lm o d u l e ，o u t p u tc o n t r o lm o d u l ea n ds t a t u ss i g n a l o u t p u td i s p l a ym o d u l e f i n a l l y ，i n t r o d u c e st h er e l i a b i l i t ym e a s u r eo f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1ii 页 c o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ep r a c t i c a ls y s t e ma n d r e s u l t so ft h et h e s i s ，a n db yt e s to p e r a t i o ni nt h el a b o r a t o r y ，t h e t h e s i ss u m m a r i z e st h e a c h i e v e m e n t sa n dd e f i c i e n c yo ft h es y s t e m ， p o i n t so u ta u t h o r ss u g g e s t i o n ，a n dm a k e sa n a l y s i sa n dp r o s p e c tf o r t h ist h e o r ya n dt e c h n o l o g yi nt h ee n d 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 et r a c t i o n ； s y n c h r o n o u sc o n t r o l ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l ；d a t aa c q u i s i t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：高荡铂 日期：沙。寥1 o 指导挪签名：宝硼 日期：知锣多矽 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 采用无线通信技术来实现多机牵引机车的分布式动力控制，通过对重载 列车纵向动力学成果以及司机的优秀经验操纵技术的研究总结，提出切实可行 的列车安全运行控制策略，有效的降低了列车的纵向冲动，提高了列车的运行 安全。 ( 2 ) 提出了采用列车纵向力裕量作为多机牵引组合列车运行专家系统的安 全性评价标准的新观点，初步的把列车平稳协调操纵安全运行的理论应用到实 际系统中，使之成为一个综合的列车运行安全专家系统，减少了人为操纵的弊 端，提高了多机牵引列车的安全性。 ( 3 ) 在阅读大量现有文献资料以及同相关技术人员进行交流的基础上，设 计了车载系统的信号采集和输出控制方案，设计各个模块的硬件电路及软件实 现，并在实验室对系统的功能特性和可靠性进行t n 试和试验运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 目前，世界范围内的货车重载技术发展迅速。采用多机牵引技术解决动力不 足的问题是国内外开行重载组合列车普遍采用的先进技术之一。多机牵引无线 同步操纵由于自身的优越性在重载运输中的应用更是各国铁路部门研究的热 点。但是这项技术在提高货运量的同时，也存在很多问题，其集中表现在列车 运行中的安全问题，由于机车本身固有的缺点以及司机操纵方式的不足，组合 列车在开行中出现非正常停车、断钩、车辆抱闸等事故频频发生。主要有以下 几点： ( 1 ) 列车纵向冲动严重。列车制动缓解波速的快慢对列车纵向冲动有直接影响。 位于制动与缓解分界点的车钩受到较大的冲击力，容易产生车钩断裂现象。 ( 2 ) 机车牵引与制动控制技术的不足。目前我国重载列车控制技术还不够先进， 目前的控制还过分依赖于司机的经验控制水平，由于人为原因造成的事故 层出不断。 ( 3 ) 引进国外先进技术的同时缺乏立足于我国重载运输实际的技术吸收与创新 改进。如大秦线采用美国g e 公司的l o c o t r o l 系统，但大秦线的应用条件 与l o c o t r o l 系统的重载线路有巨大的差异。其主要表现在以下两点： 第一，应用条件的差异。l o c o t r o l 系统成功应用的区域主要为平原和丘陵 地带，弯道和坡度变化与大秦线相比不如大秦线恶劣，其运行模式相对固定， 对列车动力学特性的要求不高，系统控制实时性要求相对较低； 第二，功能的欠缺。l o c o t r o l 系统功能只是在列车运行时采集头部机车的 司机手柄位置或牵引调压器位置和制动机状态，将其传给后部机车，使其与头 部机车保持同步操纵，系统并无异步自动控制的功能。 基于以上现状，有必要立足于我国重载铁路运输实际，对多机牵引无线操 纵的控制系统进行深入研究，建立一种智能的自动控制系统，尽量减少人为误 操作的影响，提高重载列车运行的可靠性与安全性。 本课题的研究意义在于建立一个能够在多机牵引中实现列车运行安全及平 稳操纵的专家系统，能够实现最优牵引与最优制动的智能控制系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状和发展 动力分布式控制系统( d p ) 发展开始于美国，1 9 5 9 年在美国进行了首次机车 无线遥控同步牵引控制的l o c o t r o l 系统试验瞄1 ，随后经过改进，2 0 世纪7 0 年代 开始在澳大利亚，巴西，阿尔及利亚和加拿大得到应用。2 0 0 3 年国际铁路重载 专家技术会议的讨论，采用基于无线通信技术的列车控制系统及网络计算机 术，实现有效的运输指挥及安全监控。智能铁路系统是下一步重载铁路运营管 理的技术目标。 澳大利亚b h p 公司，技术上采用列车分散动力牵引，机车上装有自动列车防 护系统( a t p ) ，车辆上装有运行状态测量装置( i o c ) ，可以测量垂直悬挂行程、 轮轨加速度、列车纵向力、侧向稳定性、纵向加速度、车体缓冲器受力、制 动管压力和轴承温度等，也可用来评估线路状况1 。 前苏联乌拉尔铁路运输电工学院研制的司机“参谋”控制台h 1 ，可以由无 线电通信装置传递头部机车的操作指令。为保证客货混运列车的安全，俄罗斯全 俄铁路运输科学研究院提出应注意改进信号系统及回路，列车控制的自动化及 最佳化问题。 早在上个世纪七十年代，美国韦司汀好斯公司为了操作特大重量列车研制 了特殊的牵引及制动( r 删) 操纵系统，该系统的应用结果表明其大大加速了制 动和缓解过程。美国铁道协会下属运输技术中心公司( 1 1 c i ) 研究认为n 幻：应 该对线路和车辆状态进行有效的监测，以更好的对重载列车进行安全控制运行。 2 0 0 4 年，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。 大秦线采用l o c o t r o l 技术开行2 万t 级重载组合列车陆3 ，建立了国内第一个铁 路专用移动通信网( g s m r ) 。l o c o t r o l 技术是g e 公司推出的全计算机式的无 线遥控设备，已成功应用于北美、南非和澳大利亚。该系统具有降低充风时间， 加速长大列车的制动和缓解作用，缩短制动距离等功能。 我国铁路向着“货运重载、客运高速”快速发展，但多机牵引列车无线同步 控制系统的研究处于起步阶段，目前主要集中在对组合列车的动力学特性和列 车行车安全的理论研究，对于能够把列车纵向动力学分析结果和安全行车理论 应用于实际控制系统的研究还不多。特别是针对确保组合列车平稳运行的控制 策略以及智能控制方法的研究更是不多。我国铁路部门以及广大铁路科技人员 已经逐渐认识到研究组合列车安全控制策略与控制系统的重要性，已经开始着 手对其研究和开发。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 项目的提出与本论文研究内容 现阶段应用最广泛的多机牵引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线传输 控制信号和状态信号，实现同步控制。因为重联电缆线的连接和固定费时费力， 而且重联电缆线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，直接威胁列车运行的安全；另外需要解除重联状态时，重联电缆的拆卸费 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，从而进一步提高机车牵引的效率和运行 的安全性。 本论文的研究课题来自于成都铁路局项目“多机牵引无线同步操纵系统 ， 主要针对现有s s 3 b 非固定重联型电力机车，研制两台机车无线同步操纵系统， 代替原来的有线重联的牵引控制方式。当机车多机牵引运行时，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，主从 控机车可以迅速投入到运用，而且可以实现动力分散的多种控制方式，使得列 车控制和编组更加方便灵活；同时可将列车安全运行专家系统的理论融入到研 制的车载系统中，提高了多机牵引列车运行的安全性和可靠性；在现有电力机 车配置上不做较大的改动，以较小的经济投入来提高牵引效率和运输能力，提 高列车运行安全性，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 通过重载列车纵向动力学的研究和平稳协调操纵技术以及优秀司机的 经验，提出对机车同步协调操纵的要求，提出科学合理的列车操纵方法，从而 减小列车纵向冲动，确保列车安全平稳的运行。 2 通过对多机牵引列车安全运行专家系统的研究，提出列车安全性评价标 准和依据，将其融入到研制的车载系统中，运用智能控制技术解决多机牵引列 车的安全性。 3 针对机车无线同步控制技术在实际应用中所存在的问题，研究相应的解 决方案。 4 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信号采集、控制方案。 5 给出一套测试和试验运行方案，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4 页 第2 章多机牵引列车安全性运行控制策略的研究 2 1 多机牵引列车纵向动力学结论分析 重载列车纵向动力学是随着铁路运输特别是重载运输及计算机技术的发展 而发展起来的，其研究对象是重载列车在线路上运行时的动态行为特性，研究 目的是分析重载列车在运行过程中机车车辆与线路、列车中机车车辆之间相互 关系和相互作用，并寻求合理措施来改善他们之间的动态相互关系，降低其有 害作用，保证重载列车运行安全可靠n 。它是以整个列车系统为研究对象，考 虑了车钩的间隙、缓冲器的非线性特性，机车的牵引及动力制动特性，列车的 空气制动特性等。 通过重载列车纵向动力学的研究，应用其结果可以分析改进列车制动装置、 车钩及缓冲装置，确定列车编组及机车配置方式，进而提出对多机牵引机车同 步协调操纵的要求，提出科学合理的列车操纵方法，从而减小列车纵向冲动， 确保列车安全平稳的运行。 2 1 1 列车纵向动力学的模型 列车纵向动力学主要用来分析不同的列车编组、不同车辆配置、不同运行 工况和不同线路条件下组合列车的车辆间的纵向动力作用。列车纵向动力学模 型如图2 一l 所示。一般情况下，取一节车为一个分离体，整列车的自由度等于 组成列车的机车车辆总辆数。 | 图2 一l 列车纵向动力学模型图 每节车辆上的作用力情况如图2 - 2 所示，其纵向动力学微分方程为： m x 鼍= f a 一1 一凡一凡f + f r e i f d b i f b i ( 2 1 ) 式2 - 1 中石第f 车的纵坐标： 鼎霸霸 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 图2 - 2 列车中的车辆受力图 x ：第i 车的速度； x 第i 车的加速度； m ，第f 车的质量； 口线路坡度； 尺曲线半径： 凡一l 前车钩力； 凡后车钩力； f w i 运行阻力，包括坡道阻力，曲线阻力，起动阻力等； f r e i 本引力，作用于机车； 鼢f 动力制动力，作用于机车： f b i 空气制动力，作用于机车车辆。 对于节车辆可列出个微分方程，组成一个二阶微分方程组。 2 1 2 列车纵向动力参数的确定 列车纵向动力参数可以通过数值计算和工程测试的方法来确定。 1 数值计算法 列车纵向动力学方程( 2 一1 ) 是一个非常复杂的非线性微分方程，它含有许 多非线性因素，其中比较典型的如：缓冲器的非线性阻抗特性：车钩间隙等非 线性特性：牵引与制动的非线性工作特性等等。列车纵向动力学计算程序采用 n e w m a r k 显示积分方法n 刳。根据列车牵引计算规程可计算出列车牵引力、 列车阻力、列车制动力；由数值积分计算求得相邻车辆间的相对位移及相对速 度，可确定车钩力的大小；列车的纵坐标、线路坡度、曲线半径可由公里标及 其对应的线路数据库中的参数确定。 由于机车车辆及线路状况的复杂性、随机性，使得列车的各动力学参数也 相当离散，所以仅靠理论计算很难精确地获得列车在运行过程中的各动力学参 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 数n ，故在实际运用中采用工程测试法。 2 工程测试法 由于附挂动力试验车进行测试耗资巨大，在实际运用中非常不现实，故在 研制的系统中设计一子系统，专门用于采集纵向动力学参数。采集的参数如下： ( 1 ) 纵向力的采集 纵向力是反映列车冲动水平的极其重要的参数之一，采用在机车车辆的车 钩上直接贴电阻应变片的方法。在车钩上贴电阻应变片，经过标定后，即可用 来测量纵向力。测量时应注意选择恰当的贴片位置，保证在车钩伸缩及摆动时 不挤坏应变片。应变片组成电桥后，电桥的输出与力的大小应成线性关系。同 时要消除温度的影响，以提高测量精度。 ( 2 ) 制动缸压力的采集 在制动缸的螺丝堵口上装上压力传感器，如果无螺丝堵口可以从离制动缸 最近的风管上引上一个三通头来安装压力传感器。 ( 3 ) 车体纵向加速度的采集 在车辆中梁处沿列车纵向安装加速度传感器来测量车体的纵向加速度。 ( 4 ) 缓冲器行程的采集 安装位移传感器来测量缓冲器的行程。 测试断面的数量要选取合理适当。测试断面多就意味着投资大，测试及数 据处理工作量将大大增加。一般来说，5 0 0 0 t 列车选取5 6 个测试断面n 。由 于力是有方向的，在研究列车纵向力时，将多个测试断面的纵向力作为一个合 力，研究时过于复杂，而且不能分析出列车各个点的纵向冲动情况，故在实际 处理时把每一个车钩作为一个质点，单独分析其纵向力的情况。 通过测量这些纵向动力学参数，可以分析分析列车的纵向冲动规律，知道 列车纵向冲动的大小，从而判定列车操纵方式的合理性，寻求最合理的列车操 纵方式。 2 2 多机牵引列车纵向冲动机理及分析 2 2 1 列车纵向冲动的基本规律 列车纵向力作用是重载列车的关键技术问题，主要反映为车钩力。影响车钩 力大小的因素有列车组成、制动装置组成、车钩缓冲装置、线路条件以及司机 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 操纵方式等n 驯。列车的冲动问题集中表现在列车的车钩状态上，车钩的状态有 “压钩”、“拉钩 等。车钩状态是重载列车的主要研究问题之一，除了机车正 常的牵引外，车钩的损害在很大程度上取决于制动机性能和制动操纵上u 劓。 列车制动时，制动波由前往后传播，各相邻车辆之间开始制动时机不同， 相邻车辆之间产生一个制动力差，导致相邻车辆间有一个速度差，引起列车的 冲动。制动初期，前方车辆首先发生制动作用，其车速明显低于后部车辆，列 车的后部车辆涌向前方，列车的前部车辆处于压缩状态，这种压缩状态逐渐后 传，当制动到一定时候后，各节车都发生较强烈的制动作用，列车的前后速差 趋于零，列车处于最大的压缩状态。然后，由于受本身制动力及前部车钩力的 影响，列车后部的车辆速度下降反而比前部车辆快，列车中各节车辆的车速变 为前高后低，列车逐渐从后往前由压缩状态转变到拉伸状态，当拉伸状态达到 最大后，列车又由拉伸状态向压缩状态转化，这一过程周而复始，产生伸 缩振动，由于阻力的存在，振动振幅减小n 。如图2 3 所示，图中r 、弘及a v 分别为最大车钩力、最大相对位移以及列车前后速差。 l 。_ t 6 r 厂7 一， l 厂7 瓜， n c 始“j 。、_ ， 图2 - 3 列车制动时的伸缩振动 列车缓解的冲动机理与列车制动时类似。列车缓解时，缓解波从列车头部 往后传，相邻两辆车开始缓解时机不同，造成前部车辆速度大于后部车辆，前 部车辆发生拉伸作用，并且不断向后传递，当拉伸状态达到最大后，列车又由 拉伸状态向压缩状态转化，同样产生伸缩振动。 列车起动时的情况和以上两种工况不尽相同，列车的冲动可分为稳态力和 动态力两部分，稳态力是维持机车车辆起动及加速所必需的作用力，在起动过 程中始终保持着。动态力则是起动过程中冲动所引起的瞬态力。牵引力是列车 起动时产生冲动的根源。当司机提主控制手柄起动时，机车产生了轮周牵引力。 这个力就以冲击波的形式向背离机车的方向传播，而且逐渐增强。列车起动时 是逐辆进行的，从前往后传，车辆的起动有一定的滞后时间，产生了一个冲击 的传递速度，冲击的传递速度与车辆间的连接状态有关。此外，列车起动的动 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 态过程也具有伸缩振动的特点。 列车在不同工况下的冲动机理基本相同，甚至在列车通过变坡点或曲线时 产生冲动的机理也和列车制动工况类似，只不过这时外激励力是坡道阻力或曲 线阻力。 2 2 2 间隙效应 由于钩缓间隙等众多非线性因素的存在，使得车钩力、两节车之间相对位 移、相对速度及相对加速度等物理量之间不像线性系统那样存在着对应的比例 关系。车钩缓冲器的自由间隙主要由两种原因造成，首先是结构上的需要，在 设计时，钩头部、钩尾端部与缓冲器前从板间均有一定的间隙。这是因为考虑 到列车在变坡点和曲线上运行时，车辆之间进行连挂，钩头必须留有自由间隙， 这样才能保证车钩钩头部分可相对运动。其次是车钩缓冲器在运用中，零部件 必然发生一定的磨耗，因此规定允许在钩头部、牵引突缘处及钩尾端部允许一 定的磨耗量n 。 钩缓间隙大，则车辆无缓冲器阻抗力的走行距离长，使得列车的纵向冲动 增大，这种现象被称之为列车纵向冲动的“间隙效应”。在长大列车运行中，这 种“间隙效应 现象尤为严重。列车在运行中可能处在不同的状态，列车变化 工况时的车钩状态称为初始车钩状态。图2 - 4 即为车钩状态的示意图。 厂 焉， 一：二| 几罴， 图2 - 4 车钩状态示意图 初始车钩状态直接影响车辆的加速行程，而加速行程的大小对冲动的影响 很大，例如在整列车处于受压缩状态时制动列车，车辆无缓冲器阻抗力的加速 行程最小，列车的纵向冲动也最小，反之，在整列车位于受于拉伸状态时制动 列车，车辆无缓冲器阻抗力的加速行程最大，列车的纵向冲动也最大。 图2 5 为5 0 0 0 t 列车常用制动工况下车钩初始间隙对列车纵向冲动的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 卯o 2 5 0 o 一2 5 0 一5 0 0 一7 5 0 气( k n 仨霉? 粤 ，7 08 0 波 n o 图2 - 6 车钩初始间隙对列车纵向冲动的影响 由图可见，车钩初始间隙对列车纵向冲动最大量值的影响，有时可达一倍 以上，不同车钩初始间隙下的列车纵向冲动规律基本一致，初始间隙越大，列 车冲动越大，而且列车最大车钩力的发生部分越往后。 据勃勒卡洛瓦茨基的研究，如果不考虑车辆间自由间隙，列车制动的过渡 过程可用准静态的方法研究，列车的最大动态车钩力发生在列车中部n 。 事实上，正是由于车辆间的间隙及缓冲器等非线性因素导致列车过渡工况 的动力作用加剧，初始间隙一方面影响列车冲动的大小，另一方面，不断累积 的“间隙效应 越往后越大，甚至出现在列车尾部。 从列车的拉钩起动和压钩起动可以看出，当列车拉钩起动时，由于是全列 车基本同时起动，故最大车钩力发生在列车头部，幅值接近于轮周牵引力，起 动过程中的最大车钩力随辆数递减，当列车压钩起动时，由于是逐辆起动，起 动过程中产生冲击，最大车钩力幅值大于轮周牵引力，且各辆车幅值接近， “间隙效应 作用明显。 2 2 3 列车纵向冲动的特点 列车的过渡工况或调车工况，其力学模型是一致的，但其纵向冲动的特点 是不同的。调车工况下车辆间的相对速度较大，而列车常用制动时较小，紧急 制动时则更小。 从外激扰条件来看，在调车工况，由于运行阻力很小，认为车辆上不存在 外力，车辆间速度差较大；在列车工况下，例如制动工况，司机施行制动后， 制动波从前往后传递，相邻车辆间存在作用力差，并产生速差。 从能量转换的角度来看，调车工况和列车工况的工作机理是不同的。在调 车作业中，缓冲器吸收的能量全部来自冲击车辆相对动能的变化，车钩力主要 取决于冲击车的相对速度及相邻两节车辆的质量，这种冲击被称为速度冲击。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 列车工况可以紧急制动工况为例，当两节相邻车辆相互冲击时，与冲击车相邻 的车辆也撞击它们，冲击过程延续很长。虽然相邻车辆间的速差较小，其冲击 作用通过车钩力的形式传递，仍能在车辆间形成很大的冲击作用力，这一冲击 相当于两个大的等效质量的低速冲击，被称之为质量冲击u 。 由于冲击机理的不同，掌握其特点及规律对于改善重载列车的纵向冲动是 十分必要的。调车工况与列车工况的车辆冲击特点可见表2 1 。 表2 - 1 调车工况及列车工况的车辆冲击特点 工况调车工况列车工况 相邻车辆间的速差 局低 同时参与冲击的车辆少多 冲击持续时间短长 车辆数对冲击的影响基本无影响有较大影响 车钩间隙对冲动的影响基本无影响有较大影响 1 制动工况下的列车冲动 当施行制动后，列车中制动机的制动作用不是全列车立即同时发生的，而 是有一个陆续发生的过程。在理想情况下，制动作用沿列车长度方向由前向后 逐次发生，这种制动作用的逐次传播，习惯上把它叫作“制动波”，其传播速度 称为“制动波速”。“冲击波速度”是指由于制动或缓解作用，车辆开始出现车 钩力的传递速度u 。 列车在制动时，随着头部机车和前部车辆首先产生制动作用而发生减速， 后部车辆向前涌，使车辆间发生挤压，出现车钩压力，随着制动波和冲击波的 向后传递，参加挤压的车辆逐渐增多，冲击力逐渐增大，当车钩压力达到最大 值以后，又较快地减小，并逐渐转为拉力，列车由压缩状态过渡到拉伸状态。 在制动开始阶段，列车受压，随后列车转为受拉，拉力波由列车后部向前部传 递，列车在由压缩向拉伸状态过渡或由拉伸向压缩过渡时，通常这两种状态共 存。经分析可以归纳出以下规律u 别： ( 1 ) 在制动过程中，列车首先受压，压力波由列车头部向后传递，且车钩 力的峰值逐渐增大，在列车后半部达到最大值! 然后，拉力波由列车后部向前 传递。中部机车参与制动时，压力波还从向前向后两个方向传递。 ( 2 ) 制动过程中，开始阶段各节车的纵向振动其相位略有不同，继而逐渐 转为基本同时处于受压或受拉状态。制动后，列车出现时拉时压的伸缩振动。 ( 3 ) 由于缓冲器阻尼作用，车钩力的峰值逐渐减小，列车的纵向振动逐渐 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 衰减。 ( 4 ) 制动过程中的最大车钩力发生在列车全长2 3 5 6 处。 ( 5 ) 制动初期，列车前部车辆的速度低于后部，继而后部车辆的速度低于 前部，处于不断的变化之中；相邻车辆的速差较小，但列车前后的总速差有可 能达到较高的数值。 随着制动波速的提高，列车的最大冲动力明显下降，但存在着一个制动波 速的临界值，在这一临界波速下，列车冲动最为严重。当制动波速进一步降低 时，列车冲动反而减小，因此，应当尽量避免制动装置在该速度下工作。同时， 制动波速越高，全部车辆均发生制动作用的时间越短，因此，提高制动波速对 减小列车冲动及缩短制动距离都有好处。 2 缓解工况下的列车冲动 缓解过程中列车的冲动情况与列车制动时相反，列车先受拉而后受压，车 钩的拉力较大。由于车辆车钩的承拉能力远低于承压能力，缓解时的列车冲动 又很大，因此，断钩事故多发生在缓解工况，必须对制动装置的缓解特性和缓 解操纵给予足够的重视。缓解时的规律如下n 别： ( 1 ) 缓解时，压力波由列车头部向后传递，中部机车参与制动时，压力波 还从向前向后两个方向传递。 ( 2 ) 缓解操纵后，列车出现时拉时压的伸缩振动。 ( 3 ) 缓解过程中的最大车钩力发生在列车全长1 2 2 3 处。 ( 4 ) 缓解波速对列车冲动影响比较复杂，也存在着一个临界波速，此时， 列车的冲动最为严重。只有当缓解波速提高到较高的数值时，列车冲动才会有 比较明显的下降。缓解波速除与分配阀的结构有关以外，还取决于总风缸压力 及自动制动阀的充气速度等许多因素，情况远较制动时复杂，必须综合考虑。 制动缸排气时间越长，列车冲动越小，因此，延长排气时间对缓和冲动十分有 利。但由于缓解时间加长，制动后列车必须提前缓解。 ( 5 ) 列车管漏泄在制动保压时对列车纵向冲动影响不大，列车纵向冲动主 要取决于制动初期的制动力差的大小。但是，列车管的漏泄对长大下坡道上列 车调速制动后的充风时间却有较大影响，此外，列车管的漏泄将使列车缓解时 的纵向冲动增大，在列车操纵时尤其要注意。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 3 多机牵引列车平稳协调操纵技术及司机经验的研究 列车操纵技术是保证行车安全、提高运输效率的关键技术。随着列车牵引 定数的提高，列车中的作用力、轮轨力随之提高，对列车操纵技术提出了更高 的要求，正确的列车操纵是减少列车冲动、防止事故发生的重要条件，在某些 情况下，甚至是最重要的条件n 。 通过列车纵向动力学的研究，在不同的列车编组及线路条件下，提出一种 能使列车中作用力最小，列车运行最安全的操纵方案，同时也可以用来检验目 前采用的操纵方法的正确性，提高和总结操纵技术，提高列车运行安全。 为减少列车的纵向冲动，操纵时应遵守下列基本原则： ( 1 ) 改变车钩状态，减小间隙效应 ； ( 2 ) 反向抑n y d 车纵向冲动，减小车辆间速度差； ( 3 ) 减少车辆间作用力差； ( 4 ) 同步协调操纵； ( 5 ) 对于长大下坡道调速制动，应根据机车的动力制动能力、列车的长度、 限坡条件及通过能力的要求，采用“动力制动为主，空气制动为辅”的联合调速 方式n 引。 根据文献n 3 1 中的试验条件：s s 4 型机车1 台，6 5 辆c 6 2 a 车( 车辆装备g k 制动阀，2 号缓冲器，中磷闸瓦) 列车总重5 1 1 8 t ，钩缓间隙6 0 m m ，列车管泄漏 0 0 1 m p a m i n 。对各种工况下的操纵方法做一分析。 2 3 1 列车的起动 重载列车的起动困难主要表现在坡道起动的时机不易掌握，即列车缓解后， 起动时机受到列车缓解性能的制约，起动早了，列车中大部分车辆没缓解，列 车起动不起来，起动晚了，列车已缓解完，尾部车辆要往后溜，也会造成起动 困难。 一般情况下，缓解后8 1 0 s 列车前半部基本缓解完，2 0 - 3 0 s 内列车全部缓 解完。列车在上坡道的起动应掌握在大部分车辆己缓解完时进行，即在施行缓 解后8 1 0 s ，开始加力起动，1 5 2 0 s 内增加到较高值使全列车起动。另外需要 注意的一点是尽量用运转位缓解，这样前部车辆也发生全缓解作用，缓解较快， 便于起动u 。 列车的加速应等到全列车起动后列车处于拉伸状态后进行。对于机车起动 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 牵引力比较富裕的情况，更应该精心操纵，根据线路条件和列车的状态，平稳 可靠地起动加速。一般情况下，不能压钩快起动，更能在列车大部分没有缓解 的情况下，强迫起动加速。列车压钩快起动与拉钩起动时的最大车钩力见图 2 - 6 。 v 矿以、，_ 小 、 一、 一一! 兰! 拉掏 i f 。 ，。 ， 一 1 1 0 2 0 3 04 05 06 01 图2 - 6 列车压钩快起动与拉钩起动 列车在平道或坡度较小的坡道上起动时，应待列车完全缓解后平稳起动。 先缓慢地拉伸列车，全列车起动后，逐渐提高机车手柄，使列车加速；列车在 较大上坡道起动时，应注意缓解后的加速时机，一般应在缓解列车3 5 时，快 速给流启动列车，以防列车后溜造成启动失败乃至拉断车钩n ；对于机车粘着 受限制的区段，应提前将列车加速，利用动能闯坡，牵引中注意撤砂，防止空 转。 2 3 2 列车的制动 2 3 2 1 动力制动 当列车在下坡道利用动力制动进行调速时，应注意平稳调节，逐渐增加制 动电流，在列车处于压缩状态时，加大制动电流，使得列车冲动较小。 在起伏坡道上，若利用动力制动进行调速，不但可以减少空气制动的调速 次数，还可以提高列车的平均速度。一台s s 4 型机车在速度6 0 k m h ，可产生3 5 0 k n 的制动力，足以抵消7 坡道的下滑力，二台s s 4 型机车，则可抵消1 4 坡道的 下滑力。s s 3 b 型机车在6 0 k m h 时的最大制动力为2 5 0 k n ，可抵消5 坡道的下滑 力n 。因此，在本课题中s s 3 b 型加补s s 3 b 型的配置情况下，可以抵消1 0 坡道 的下滑力。在长大起伏坡道上操纵列车时应随时掌握好列车的减速时机，缓慢 地变更车钩状态，避免因列车剧烈冲动而发生拉钩或列车分离事故。 利用动力制动进行调速，必须考虑列车脱轨稳定性的影响。根据以往的线 路试验，重车远比空车安全，空车或轻浮车辆在小半径曲线上，无论是车钩压 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 力还是拉力，其脱轨安全性均较差，在车钩力高于1 0 0 0 k n 时，其脱轨系数及轮 重减载率均超出有关安全标准。 空气制动缓解后，列车内产生的车钩力作用时间短，具有冲击的特点，而 动力制动车钩力基本呈稳态，持续时间长，对于车辆的脱轨安全性的影响更大 一些。动力制动引起的稳态车钩力是由前往后逐渐减小的，空车或轻浮车辆宜 编在列车后部。 2 3 2 2 常用制动及缓解 ( 1 ) 列车制动前先压缩列车 列车施行空气制动时，由于制动波的传递，前部车辆先制动减速，后部未 制动的车辆向前涌，列车产生挤压作用。图2 7 为6 0 k m h 减压0 1 m p a 常用制 动时最大车钩力。 图2 76 0 l ( m h 减压0 1 m p a 常用制动 由此可见，列车制动前的车钩状态对冲动影响较大，在制动前可适当使用 电阻制动或机车小闸制动压缩列车，可大大减轻列车的冲动u 5 1 。 ( 2 ) 列车制动后缓解时先拉伸列车 缓解前列车的状态对冲动影响很大，在缓解列车前，如果提前缓解小闸， 使列车处于拉伸状态则可大大减轻列车缓解时的拉伸冲击，大大减轻列车的纵 向冲动h 副。列车常用制动后进行缓解操纵时，一般大小闸同时缓解。 列车的机车均具有较强的动力制动能力，在缓解牵引列车空气制动的同时， 使用动力制动，可有效地抑制列车的拉伸作用。同时，动力制动的使用在长大 下坡道调速运行时，延缓了列车的增速，增加了列车管的充风时间，减少了调 速次数，从而提高了调速运行的安全性。 同时，对缓解初速应进行限制n 引，列车缓解速度不宜低于3 0 m s ，一方面 过低速度缓解造成列车冲动过大，容易断钩。另一方面，重载列车缓解后速度 下降量大，可达1 5 - 2 0 k m h ，低速时则更大，低速度缓解容易造成缓解不完停 车。当列车减压量累计超过0 1 m p a 时，缓解速度不宜低于4 0 k m h 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 3 2 3 紧急制动 如果制动机的紧急制动性能差，制动波速低，制动缸升压曲线陡，导致列 车紧急制动时纵向冲动很大。当列车速度低于4 0 k m h 时，紧急制动产生的纵 向冲动很大，所以应尽量避免列车在4 0 k m h 以下紧急制动。 2 3 2 4 制动调速 在长大下坡道上，采用以“动力制动为主，空气制动为辅”的操纵方法6 1 。 即当列车进入下坡道后，逐渐增大制动电流控制列车增速，当动力制动不足以 保持列车速度时，辅以小减压量的空气制动，列车制动减速后，根据前方坡道 情况，在保证缓解后列车充满风的前提下，尽量提高缓解速度，整个调速过程 中一起保持较大的制动电流7 。 2 4 多机牵引列车安全运行控制策略 随着重载多机牵引列车在我国的普遍开行，在铁路机车车辆现有的装备条 件下，对列车的操纵要求是，确保列车安全、平稳、正点和节能运行，因而分 析列车的安全运行的控制策略是重中之重。 2 4 1 一般重载列车的控制策略 1 列车的平稳起动 在列车起动过程中，应根据列车所处的线路状况和车钩间隙情况，决定起 动过程，提手把时要平稳，先慢后快。一般应遵循下列原则： ( 1 ) 起动初期，主控手柄位置应尽量低，缓慢增加牵引力，直至尾部车辆运动， 列车处于拉伸状态后再加速列车u 剐。 ( 2 ) 如果机车具有恒流起动功能，以便在降低列车冲击的同时，加速列车的起 动过程。在机车给流一定的情况下，低位快给，高位慢给是减少列车纵向冲动 有效的操纵方法n 7 1 。 ( 3 ) 在多数情况下机车有能力在列车拉钩状态下启动列车，则尽量不要压钩启 动矧。 2 列车的途中运行 ( 1 ) 牵引匀速运行 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 从节能的观点来看，在相同的时间和距离，列车匀速运行时的能耗最少， 但这在实际运行中是很难实现的。只能通过不断的牵引和惰行来逼近，为了避 免司机频繁变换手柄位而引起列车冲动，威胁到列车安全，每一牵引和惰行过 程中惰行时间应大于某一时间。 ( 2 ) 限速区前的降速运行 列车运行在限速区前，应合理地通过惰行使列车降速，当速差较大时，应 充分利用机车的动力制动来达到较大程度上降速的目的，避免采用空气制动， 这不仅是对列车的安全运行有利，而且对列车运行的节能也有利。 ( 3 ) 下坡道的调速运行 第一，减小进入下坡道的初速n 。小的进坡速度可以避免或减少列车在下 坡道运行的制动操纵次数，对列车安全运行有利。 第二，在调速制动中以尽可能小的减压量制动n 。列车制动或缓解过程中 的纵向冲动随减压量的增加而增大，以较小减压量制动，可以减j , n 车的纵向 冲动，延长调速周期，减少调速次数，提高缓解速度，从而增加列车运行的安 全性。 第三，在