（计算机应用技术专业论文）新一代机车制动机微机控制单元的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学俄论文第1 贾 摘要 我国是个幅员辽润豹强家，有大量i ! 勺大宗货物需要运输。棂擢国家“十 五计划”及远期发腱规划，全国货物运输量的6 0 将仍然是煤炭、矿石和粮 食等大宗货物的运输。以大秦线为例，目前的运量约为l 亿吨，从2 0 0 2 年开 始，每年运量都臣l o 的增幅上升，预计到2 0 0 8 年，将达到2 亿吨。因此 重载货物列车的开行是未来铁路货物运输的发展方向。铁道部已经将丌行2 万吨重载列车 乍为薤有政策。重载意味着碣车豹编组比普通列车将艇长，传 统自动空气制动的缺点将越来越明显。因此利用计算机控制等现代信息技术 进行长大货物列车制动系统的创新将必然成为我国未来铁路制动领域的一个 重爱而紧追的任务。 在这种背景下，铁道部将研制新一代机车制动机作为铁道部的科技发展 项霾。耨一代梳车制动机采用微槐控制的自动式电空刮动系统，动力割动和 空气制动相结合，实现空电联合制动。微机控制单元( m b c u ) 是新一代机车 制动机的关键帮 牛，在整个制动系统中处予核心地位，本论文即是在该项嚣 的资助下对m b c u 进行研究。 通过详细分析豳内外微机控制式列车和机车制动系统的炎型和特点以及 m b c u 酶结构和功能，并结合薪一代梳车制动机的自身特点和需要。论文以t l 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为c p u 芯片，设计了m b c u 。m b c u 采用了模块化设 计方法，出c p u 模块、模拟输入模块、模拟输出模块、开关量输入模块、开 关藿输出模块、通信模块、p w m 输出模块组成。论文具体阐述了m b c u 的硬件 设计和软件设计，并在最后将它与新一代机车制动系统进行了联合调试和列 车编组制动定置试验，试验证明，该m b c u 能够满足机车制动机的要求。 通过本文对m b c u 的试验及研究工作，为我国新一代机车制动系统的设 计、开发和研制打下了理论和实验基础。 关键词：机车制动机；微枫控制；空电联合剖动；重载列车 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t c h i n aisac o u r t t r yo fav a s tt e r r i t o r y 。j nw h i c ht h e r ei sag r e a t d e m a n df o r f r e i g h t a g e a c c o r d i n g t ot h et e n t hf lv e y e a rp 1 a na n da l o n g t e r md e v e l o p m e n tp l a n t h e 6 0 o f f r e i g b t t r a f f i cv o l u m e t h r o u g h o u tt h ec o u n t r ya r es u c hm a s sf r e i g h t a sc o a l 、o r ea n df o o d s u p p l i e s t a k ed a q i nr a i l w a y 1 i n ef o ri n s t a n c e ，t h ev o l u m eo f t r a n s p o r ta r ea b o u to r eh u n d r e dm il1i o nt o n sa tp r e s e n ta n dh a v eb e e n i n c r e a s i n gb yl o a n n u a l l y w h i c hw i l l r e a c ht w oh u n d r e dm i l l i o ni n 2 0 0 8 t h e t r a n s p o r t a t i o n o f h e a v y h a u l f r e i g h t t r a i nw i l lb ea n i m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h er a i l w a yf r e i g h ti nt h ef u t u r e m i n i s t r yo fr a i l w a yh a sa l r e a d ym a d et h et r a n s p o r t a t i o no f t h eh e a v y h a u lf r e i g h tt r a i no ft w e n t y t h o u s a n dt o n sa sap o l i c y 。t i e a v yh a u lm e a n s t h a tt h ef o r m a t i o no fw i l lb el o n g e rt h a nt h a to fn o r m a lt r a i na n dt h e d i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a la u t o m a t i ca i rb r a k e a r em o r es e r i o u s u n d e rt h ec o n d i t i o n s ，t h ei m p r o v i n go f1 0 c o m o t iv eb r a k i n gs y s t e mo f t h el o n gh e a v yh a u lf r e i g h tt r a i nb a s e do nc o m p u t e rc o n t r o l l i n gh a s b e e nb e c o m i n ga ni m p o r t a n ta n di m m i n e n tt a s ki nt h er e g i o no ft r a i n b r a k ei nt h ef u t u r e t h er e s e a r c ho nn e wg e n e r a t i o dl o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mi st h e s c i e n c ea n d t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i t e mo ft h e r a i l w a y m i n i s t r y 。 c o m p u t e rc o n t r 0 1 l e da u t o m a t i ea i rb r a k ei su s e df o rt h eb r a k i n gs y s t e m ， w h i c hc a nr e a l i z ee l e e t r i c a l l ya n dp n e u m a t i c a l l yb l e n d e db r a k i n g m i c r o c o m p u t e rb r a k ec o n t r o lu n i t ( m b c u ) i st h ek e yp a r to ft h eb r a k e ， w h i c hi se y e nt h ec o r eo ft h eb r a k ei nas e n s e 。 i nt h i st h e s i s m b c uisr e s e a r c h e du n d e rf in a r l c i a la s s i s t a n c eo f t h eit e m t h et y p e sa n df e a t u r e so fc o m p u t e rc o n t r o l l e di o c o m o t i v e b r a k ei nt h ew o r l da r ei n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i st h e s i s t h e s t r u c t u r e sa n df u n c t i o n so fm b c ua r ea n a l y z e d b a s e do na b o v ea n a l y s e s ， t h es c h e m eo fm b c ui s p r o p o s e d ，i n w h i c ht h e h i g h l yi n t e g r a t e d t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ac h i pp r o d u c e db yt ic o r p o r a t i o ni su s e da sc p u m b c uis d e s i g n e dw i t hm o d u l a r i z a t i o n ，w h i c hi n c l u d e sc p ub o a r d ，a n a l o g yi 0 b o a r d s ，d i g i t a li 0b o a r d sa n dc o m m u n i c a t i o nb o a r d m b c ui sm a d ea n d 西南交灏犬学硕士研究嫩学位论文第1 i i 页 t h ed e t a i l e dd e s i g n so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d f i n a l1 y ， t h em b c ui sb u i l ti nt h eb r a k i n gs y s t e ma n dt h ee x p e r i m e n to fa 1 1t h e s y s t e mi sa c c o m p l i s h e di n t h et r a i n - b r a k i n g1 a b o r a t o r y ，t h er e s u lt s s h o w t h a tt h em b c uc a nm e e tr e q u i r e m e n t so ft r a i nb r a k e t h r o u g ht h e o r yr e s e a r c ha n de x p e r i m e n to nt h em b c u ，t h ef o u n d a t i o n o fd e s i g n i n ga n dd e v e l o p m e n to fn e wg e n e r a t i o nl o c o m o t i v eb r a k eo fo l i r c o u n t r yw a s s e t u p k e y w o r d s ：l o c o m o t i v e b r a k i n gs y s t e t l t ：c o m p u t e rc o n t r o l l i n g e l e c t r i c a l l ya n dp n e u m a t i c a l l yb l e n d e db r a k i n g ：h e a v yh a u l t r a i n 西南交通大学硕士研畿擞学位论文第1 页 1 1 研究背荣与意义 第1 章绪论 随着我国铁路运输的发展，高速和麓载对机车制动系统提出了更新更高 豹簧求。减小别车豹割动渖动，缝短裁动踅裹，充分裂爱动力铡动以疆小基 础制动装置的磨耗，提高制动系统可靠性和安全性，实现制动系统的故障检 测、诊断、显示与报警等功能，已成为未来机车制动系统的发展方向。我国 强前机车上广泛使用的j z + 7 、d k 1 制渤钒是普通盼空气割动机，难以实现 上述晷舔。缮蘩国内努藏功经验，礤裁瑟一 弋季琵车豢l 动穰，己藏建造在矮睫 的任务。 解决列车制动、缓解时纵向冲动问飚的最有效方法是采用电窀制动机。 隧萋电子技术鄹徽枧控制技术豹广泛应捌，扶2 0 擞鳃8 0 年代超，国势机车 铡动税在原橇车电空制动撬基础上又遗行了大幅度静羧进，广泛用徽机控 制拽术，使之鼹适应于现代社会的发展。国外高速或麓载列车和机车均采用 微机控制的数字式或模拟式电空制动机，其基本原理均为采用微枫控制电空 毙饲阕 充分著优先纛震动力割魂懿麓力，实疆了橇车空电联合锈凌，簌露 减轻了列车摩擦制动的负荷；动力车的摩擦制动只是作为动力制动的补充； 拖车的摩擦制幼的负荷可得到一定程度的减轻，提高列车运行的经济性，同 时大大减少了铷动时的噪声翻对环境豹污染。 ( 2 ) 绦摇稻动指令、车辆载重、速艘及动力截动酶投入程度，霹鑫动调 熬电空摩擦制动力的大小，与动力制动力整合实现基本恒减速度的制动控制， 提高了制动操纵平稳性和舒适性。 ( 3 ) 逶过皴掇黯列车裁瀵系缓避露巍捡，一跫笈袋数薅，能逐速爨薮嚣 困并作导向安全的处理。赦障诊断系统也能准确地识别出故障部件以帮助维 修人员，避免了由于人为判断失误而进行不必要的部件更换。 ( 4 ) 仅通过修改控制嚣的较件就可以馒微枫控制式制动机很方便地进行 改变疆瀵是蒋臻豹需求。 亘壹奎望查堂塑主堡室圭兰焦堡塞 蔓! 要 目前，我国干线机车与列车制动机还是自动式制动机( 除极少的固定编 组的动车组外) ，由于微机控制的数字式或模拟式电空制动机具有上述优 点，故新一代机车制动机应选定为采用微机控制的自动式数字或模拟电空制 动机。 1 2 国内外微机控制式制动机的研究与发展现状 目前，国内外微机控制式制动机主要有两种类型，一种是使用在高速动 车组上，另一种则是使用在干线客、货运机车上。本项目研制的机车制动系 统属于后一种类型。虽然两种系统在一些方面存在差异，但是它们在许多技 术具有相似之处，比如空电联合制动的原理、电空转换的方式和指令译解的 方法等。 1 2 1 空电联合制动的基本原理 现代机车( 特别是交流传动机车) 几乎无一例外地采用了动力制动。目 前已投入实际运用的动力制动有电阻制动、再生制动、盘形涡流制动等。机 车动力制动由于其制动功率高和无磨耗，对高速和重载列车特别合适，其动 力制动力可以做到仅与轮轨间粘着因数有关。而空气制动时的闸瓦或盘形制 动作为摩擦制动方式要受其制动极限功率的限制。为了防止车轮踏面受到热 损伤，防止温度上升后对制动片的磨耗剧烈增加，防止热应力大时制动盘出 现裂纹，总之，为了不影响车轮或制动盘及制动片的使用寿命，必须降低空 气制动力。但是动力制动不能控制列车的正常停车，因此动力制动应与空气 制动配合使用。 机车制动机的空气制动与动力制动的混合制动一空电联合制动的采 用，可以在执行空气制动时，充分利用动力制动力来减少基础制动装置的机 械磨耗，提高制动系统的可靠性和安全性，以达到延长基础制动装置的使用 寿命及缩短制动距离的目的。机车必须具有高功能的动力制动( 应最大限度 的发挥其功能) ，并在施行空气制动时应首先使用。在高速范围内一旦动力制 动随恒功限制而下降，可以由摩擦制动来补偿。为了补救低速范围内因动力 制动下降的不足及保证列车在停止状态下的安全，必须加入摩擦制动。而且 两种制动方式的切换应该平滑，以减少制动方式转换而引起的制动冲动。 微机控制技术在制动系统的采用可以使动力制动与空气制动的配合更趋 完善。微机可以根据制动指令、车辆载重、速度及动力制动的投入程度，自 动调整电空摩擦制动的大小，与动力制动复合实现基本恒减速度的制动控制， 要堕奎鎏盔堂燮主受塞生兰堡垒塞蔓：匿一 提麓制动操 乍乎稳性稠舒适性。 2 2 电空转换装置 电空转换装置，即电空比铡阑能够完成电气( 电压或电溅) 一窆气压 力的比例转换，是商速和重载列车制动系统的必不可少的组成部分。国内外 的微机控制的电空制动机都采用微机控制电空阀的开闭，完成电信号到空气 压力的转换。瞬外电空比例阀主要裔两种形式；一种是以眈例电磁铁作为电 一祝转换装雷的电空眈饼阀，它是一释模攒式静程空转换蠲。酲黼磊奉3 0 0 系邀动车鳃制劲系统、j 象她铁s g 垄刽凌枧、英国魏屋公司，圭产熬摸拟制动 机等均采用此类转换阗。此类暾空比例阀具有较好的频率响成、线性糟度较 高，但制造工蕊复杂，价格高，对压缩空气的清洁度要求高；另种是采用 玎关阀作为电机转换装置的数字式电空比侧阀，它利用计算机和传感器技 术构成对空气压力的闭环控制。它对箭遗精度要求不高，抗介质污染能力强， 可靠悭离，偿娶求裔较裔静计算辊控制技术。基懿在法国t g v 列车、德国i c e 到车魏最本4 0 0 系列电动车组，我戮2 0 0 k m h 匏“先锋号”电动举组的制动 系统都采用了这种形式的电空比例阀。 从控制方法来讲，采用开关闽作为电一机转换装置的电空比例阀有两种 形式，种是采用“b a n g b a n g ”控制，如舀酊国内铁萃幸院和上海间济大学均 采蠲既方法，箕通过蠲环控希实瑷对餐税室箍力翡控制；男舞一种控稍方法 则是基于默宽渭裁( p u t s ew i d z hm o d u l e ，篾穆p w m ) 技术数控铋方法，据 美国纽约空气制动公司( n y a b ) 的c c b 机车制动机，其横拟变换器采用了脉 宽调制技术完成列车管和制动缸压力的控制”1 。 1 ，2 3 制动攒令的信号膨式及解译方式 司机制动按制器给出的n 级常用制动和单级紧急割动指令有2 条路径传 输到各动车、拖车的制动控制单元b c u 。一条是经“指令转换”及“直通传 输线”后裔接送抵b c u ，另一条是制动级别指令经列车计算机系统演算后， 经列车透信阏传送剐各动车。 校据指令采雳模数信号述是数字信号，爵分为模按式泡空澍懿襁苇拜数字 式电空制动机。数字式电空制动是投据司机控制器发出的一级数字量电售号 控制空气制动机的几个电磁阀交替励磁和失磁，从而产生固定的有级阶段制 动和缓解。模拟式电空制动机是根据司机控制器发出的一个遗续的模拟量电 信号控湔空气湔动机的充气阀或排气阀动作，常用的模拟电信号裔电流、电 西南交通必学硕士研究警学位论文 第4 页 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ _ _ - _ _ - - - _ 。”一 压、频率、脉冲宽度等，模拟量的大小或脉冲宽度的大小表示所要求的制动 力躲大小。欧洲均采用符合u i c 标准的模拟式自动电塑制动机( 城鞔车除外) 。 写羧字式指令传递方式稳魄，模整式臻令传递方式璎论上露戳实现无缀豹除 段制动和阶段缓解，其揉作比数字式指令更为方便，控制精度也鼹高。因此， 本文研究的新型机车制动机拟采用微机控制模拟指令式制动控制系统，其具 翁安全可靠、缝构简单、绦馋方艇等优点。 1 2 4 美国微机控制式制动枧的研究与发展现状 目前铁路漾载运输发达国家普遍采用e c p ( 电控空气制动系统) 技术来解 决重载列车弱剿动控制阏鼷。美国、加寨大、嘉j # 、澳大裁亚等疆窳采用e c p 技术后，在降低歹车闻级向俸用力、缭短翩动距离、防丘断钩与脱轨事故， 加速列车的周转率和节约能源等方面取得巨大经济效益m 。 电空联合摭制系统或叫e p i c ，是由美国西屋公葡( w a b c o ) 生产。随着 w a b c oe p i c3 1 0 2 割裁掇懿翘整，w a b c o 嚣始囊邀予邋耱控潮刳动季晁过渡。窆 气搂口和控制设备是e p i c3 1 0 2 型系统的中心。电子接口控制装鬻起e p i c 3 1 0 2 系统大脑的作用。由于具有将司机警控制和空气控制设备的命令发出和 译解的智能，因而以微处理器为基础的控制器可提供灵活应变的能力以及对 速凌豹实时控露l 。它爵完戏戳蘸宙瓣魏设备完戒懿搽缀功戆，避邋稻徽改变 磷件，每个功能的工作程序能被编制来满足特殊的操作需求。司机室显示器 给司机提供了制动系统反馈的信息。 e p i ci i 系统是w a b c o 的铁路电子产品分都设计豹最瑟一代电子空气控 翩剿动设备。一些主要设计敬进在e p i cl i 中得到了实现，毽捂稽翻了振动 和e m i 保护功能，减少了电路，具有较少电子接头，并用快速存储器替代可 编程程序只读存储器。象早先的e p i c 设计样，因为几乎没有气幼设备需要 终嫠，显定修麓麓延长，聪滋缍穆费鬟骥显舞 爰。气动滚蛋鹣援鬃式设诗褒 褥更换快捷便利。此外e p i ci i 还增加了诊断功能”3 。 另一种系统叫计算机控制的制动系统，或称c c b 。由纽约空气制动公司 ( n y a b ) 生产。c c bi i 系统是毅一代的e c b 系统，它的成功研制基予擐c c b 蘩实浆基臻之二。在一台a a r2 6 l 鍪橇车中，c o bl i s r j 动系统掇簌了搿毒程 关的制动控制功能，包括自动制动、单独制动、机车单独制动机的缓解，以 及列车编组中的机车制动功能。另外c c bi i 控制系统有一个与机车中央控制 系统的接口，馒枫享司机能不闯断地了越媚关筑铡动控裁状态。每耪2 6 l 翻溯控籁功麓静处理都在一个模块式穰魄体亿或线路霹替换萃元( l r u ) 中 嚣瘳交滋大学颂璎究生学位论文繁5 页 进行。其中有5 个l r u 漩有1 个集成化微处理器控制单元和制动控制功能所 需酶全部电空部件。这释一个模块3 分钟肉即可拆除“3 。 1 。2 。5 日本微机控制式制旗辊的研究与发凝现状 f = = i 本新干线高速电动车组的直通式电空制动系统( 日本n a b c o 公司产 晶) 楚眈较青代表往酶数字式电空铺动聿凡。3 0 0 系舜动车缰豹稍动系统 乍爝 原理如图1 1 所示。 图t - 13 0 0 系列动车组的制动系统作用原理圈 3 0 0 系曦动车缀由1 0 辆动车( 车) 和6 辆拖车( 1 、车) 组成，出于撼 车采用圆盘涡流制动等效子动率的再生制动，因此采用所谓均鸳制动控制， 一_ 嚣南交邋大学硕士研究黧学位论文第6 垂 即每辆车都设簧制动( 指令) 接收器，各自进行独立的制动力逐算和电力、 空气制动力分黼。该制动控割系统分鬻嬲制动、紧急制动、非常制动和辅助 ( 餐蠲) 翻韵4 耪工猛。裁动赣整控割装置透过歹l 车獾令线接受嗣凝铡魂控 制器的常用制动( 1 位7 位，顺次得电) 和紧急制幼( e n 位，常带电，紧 慧制动时失电，空气制动力是常用制动力加4 0 ) 指令，同时输入列车速度、 空重车信号，羧掰设定的减速度进行速泼一糕羞粒摸式运算。遵照优先使翅电 力制动的原刘避彳亍制动力狡箭，电力制动力不足时以空气制动 馁。应补充 的空气制动力以相应的电流信号送给电空阀( e p 阀) 转换成空气压力信号， 通过中继阀使制动缸充气制动。 饕鬻裁动露2 稷导线肇猿缀藏挖裁强菠，豢豢魄。纂常裁魂魄磁阕羹黎 带电。当出现非常情况时，非常制动控制回路导线断电，非常制渤电磁阀失 电动作，压力空气经非常制动电磁阀进入中继阀。为了较好地利用不同速度 医段轮轨粘整，设置了2 级艇力，分别幽压力调整阀( 高压用和低压用) 调 霆。由j 拳鞠戮控裁遥鼹控翻速度留挨魄磁阔囊终，嬲车在1 8 0 k m b 淤下辩， 制动缸压力增加4 1 。 备用制动指令由2 根母线传递，在常用制动、紧急制动发生敝障或车辆 强送至基地对锭蠲。司枫通过操缀冬用粼动控裁器肉备弱裁动接牧嚣发出指 令，备用毹动接收器根据擦令直接控制e p 阀动作。备用制动指令分3 级。非 常制动及备用制动均只有空气制动，并臌没有空重车调整。 同本1 0 0 系、5 0 0 系、e l 、e 2 系动车组制动控制袋置基本与3 0 0 系相同， 与3 0 0 系不弼点鸯： ( 1 ) l 系耐车电力制劝为电阻制动，其他系列车为再生制动。 ( 2 ) 1 0 0 系列车的制动输出控制装精由电子电路组成，其他系列车由微 处理机代替。 ( 3 1 0 0 系麓车没毒空萋车调整装黉。 ( 4 ) 最新型e 2 系列车常用制动指令线采用光缆线，其他系列车皆为电 缆线。 ( 5 ) j 鬻制动只有e l 系列车( 双联车) 利用空麓车调整装鼹。其毽各 系列车菲鬻制鹚移3 0 0 系剜率样分两级，但分级点逮度，制动敬压力增压 倍数也不同。 ( 6 ) e l 、e 2 系列车备用制动有4 级控制，且另糟1 根指令线传递耐雪 裁凌摇令。 为减少闸片磨耗和利丽电力制动，且在高速区域仍能保持较稳定的制动 亘壹壅道盔堂塑主堑塞兰堂垡笙塞 一羔里里一 力，优先使用电力制动。在电力制动和空气制动协调控制时，日本动车组采 用不同的方式。 电空切换式。这种方式是设定在电力制动比较稳定的基础上，如电阻 制动或取得比较稳定值的再生制动，在与空气制动并用时，为防止重复作用 导致制动力过大，而单独使用电力制动或空气制动，其相互切换是以两者制 动力相等为原则。 电空运算式。再生制动受动车负载及电网负载影响而变化，需要通过 与空气制动的协调作用才能取得所需要的制动力。因此，采用制动指令值等 于空气制动力加上再生制动力的电空运算控制方式。再生制动力不足部分由 空气制动来补充。 制动力分配方式因为列车编组内有动车和拖车，所采用的制动方式不 同，也存在各车之洲制动力协调的问题。因此，在编组内各车制动力的分配 上有如下方式：均衡制动控制、滞后充气制动控制；滞后充气制动控制又分集 中控制与分散控制。 均衡制动控制是各车辆承担自身所需制动力的控制方式。因仅有空气制 动的拖车所需的制动力全部由自身的空气制动承担，所以拖车闸片的磨耗比 可采用电力制动的动车要大。滞后充气制动控制是为了有效利用动车的再生 制动。在动车和拖车组合情况下，用动车的电力制动来承担拖车所需部分制 动力的控制方式。如同本e 1 系列车t 车所需制动力优先由m 车电力制动补充。 在动车的再生制动达到粘着限制值前，动车承担着本车全部及拖车所需的部 分制动力，不足部分由拖车的空气制动承担。再生制动力一旦不足，则首先 由拖车空气制动补充，当拖车的空气制动力达到均衡制动力( 本车部分) 时， 由动车空气制动补充，当再生制动力为零时，动车、拖车便同时达到均衡制 动力。滞后充气控制的制动力演算又分为集中控制形式和分散控制形式。前 者是仅动车设制动接收器接收制动指令信号作制动力演算，进行再生制动和 空气制动分配时，直接给拖车电空转换阀( e p 阀) 一个空气制动信号；后者 是动车和拖车同时接收指令线传来的制动信号作制动力演算，动车、拖车组 成一个单元，在再生制动优先使用的原则下，确定拖车、动车所需空气制动 力。滞后充气控制还适合于动拖拖、动动拖等编组形式的电动车组0 1 。 1 2 6 德国微机控制式制动机的研究与发展现状 i c e 高速列车所采用制动系统具有代表性的是克诺尔公司生产的微处理 机控制的模拟式电气指令自动电空制动系统。其原理如图l 一2 所示。 西南交避天学硕士磺窕黧学位论文第8 页 该类型制幼系统的特点是通过控制e p 电空控制单元控制列车管充气或 减压，控制分黼闽动作，达到剞动与缓怒作用。除了没置列车镣以外，还设 。慧蔗2 热ll 习桃荆曲瓣 自动掩翻虢缀ii ” 擞k 匿母窭! 蝈 传篓p 卜- i 酶猎裴簧蚓制冀笋严热燧鼍谢 = 两f 2 蒜制础惜l ! ! 肇耄塑j i 壁塑楚垫墅 譬气耕渤 装鬣 息飙髓铸lr l l 摭翻越 电气辑力! ：垒 静葫fl 艘裂静j 神 ( 8 ) i c e 动力车制动系统 毪缝 - 。央靛拧 装瓣 零斓，擎f 1 等 数簧纛蠢m 意 掣黧曩蓥| ：嚣糙敏分捌 船擀教徽 “q ” 电磁孰迸 朝礴 ( b ) i c e 拖午制动系统 图卜2i c e 制动系统 鬟了蒽风管，髂为分琵阗熬压力空气柬滚。舞车辆徽魏控翻蕈元攘渡司援割 动控制器发出的制动指令，闹时输入空煎车信号，按优先使用电力制动的原 _ _ _ 一一 彗 亘塑窒塑盔堂堕主堑窒竺兰笪垒窒 蔓! 戛 则，在进行各种制动方式的制动力比例信号混合运算后，将所需要的空气制 动力的电信号指令送至e p 电空控制单元，控制列车管充气或减压，从而控制 空气分配阀动作，达到制动与缓解的作用，即所谓模拟式电气指令自动电空 制动系统。对于动车，只有在动力制动发生故障或制动力衰减达不到列车所 需的减速度和相应于载重要求的制动力时，才施加空气制动力。其控制空气 制动力的部分见图l 一2 。拖车上安装的线性涡流制动装置( 或磁轨制动装置) 仅在紧急制动起作用。安装在动车与拖车上的e p 电空控制单元控制列车管快 速、同步的压力变化，所以空气制动一致性好。制动系统中还设置了常带电 的紧急制动电磁阀，在失电消磁时，引起列车管快速排风，施行紧急制动。 司机制动控制器除电信号控制部分以外，还包括与电信号无关的空气制动部 分。通过制动故障判断或手动开关自动转换为自动空气制动。 德国第3 代高速列车i c e 3 采用“半列车编组”，即整列车由2 个对称设 计的车辆编组，每编组含有4 辆车，组成形式为m t m t 。i c e 3 装备3 种不同的、 很大程度上相对独立的制动系统一动车上装再生制动，拖车上装线性涡流 制动及所有车上装盘形制动( 此外在每轴上都装有弹簧作用的停放制动) 。半 列车上设置中央制动控制单元调节控制制动力。控制的次序是优先考虑再生 制动，其次是线性涡流制动，最后是空气盘形制动。为减少磨耗，在常用制 动时主要依靠再生制动和线性涡流制动，只是在低速时( 大约在4 5 k m h 左 右) ，涡流制动力减弱，才开始施行空气盘形制动。按照u i c 的标准，i c e 3 高速电动车组装备了能阶段缓解的自动空气制动机，不仅在常用制动时起作 用，而且一旦列车上的再生制动或涡流制动失效以及紧急制动时，能够施行 空气盘形制动，全部满足列车停车制动的要求”，。 t g v a 型动车组的制动系统采用微机控制的模拟式电气直通电空制动 系统，通过计算机控制达到整列车的电气制动( 电阻制动) 和空气制动的有 机匹配。如图卜3 所示。 司机备有两套制动控制装置，一是电力牵引和制动控制器，用于控制牵 引及电阻制动，它不是安全制动器。另一个是主制动控制器，司机操作这种 电气按钮式具有多个制动缓解功能的司机制动控制器，将制动指令通过通过 列车管的压力传感器p c g 输入到安装在司机室内的动力转向架微处理控制装 置b 的求和运算器s 中，同时列车的运行速度、制动工况信号也分别通过速 度传感器v i 、工况信号器c m 输入s ，在求和器上由所需制动力算出电阻力数 值，通过电制动控制器c e 励磁电阻制动，电阻制动力数值由电制动测量传感 器m f 输入到加减器，得出所需的空气制动力信息。根据速度控制点2 0 0 k m h ， 。鬻壹冀望杰堂塑圭缝窒生堂丝鲨塞塑! ! 里一 - _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - 一一 可以实现两秘空气制动最麓压力，以有利于黏煮利用。该信息输入制动力调 整器v e r ，根据电空转换阀e v - - 1 所处的位置进行制动力修正，e v m 电空阀 & 一糊取e 敏；i 避巾绻嬲；妊一控制期幼瓤蛾飙炸用的电空斓； 1 籁、雠秘岛缓解传感器；m f 一电澜渤测髓器； 骜毫耩葫控铡嚣；慕 繁慧潮霸e 笑；嚣v 黼一邂奎转揍瓣； v a 强灯谢摊飙阀；r u 一- 紧急瞧电器；a n 防滑控镯器； r 一制霸由调孵潞； n l x 一晦夺戳 阀；( ：黔制灞艇。 鹜l 一3f g ￥a 型动车组静制凄系统添瑾强 将空气绩号竣入中继斓r s ，出r s 童接控制熄副风爨魁空气输入翎动缸e f 。 在制动缸上安装有制动缓解压力传感器i s 。姆压力反馈到微处理控制装置 岛，确认制动是否到位。 1 2 。7 国内微机控制式制动机的研究幂口发展现状 国际上纷纷发展赢通式电空制动系统，以邋应高速运输的需要，上世纪 6 0 年代以来，经历了数字式、模拟式，现在进入微机式。我国自1 9 7 9 年， i = = f 长春客车厂、铁道科学研究院、铁道部电务工程局、西南交大和j b 方交大， 共同完成了s 珏型电空铺动橇磷箭，通过一系瑙室内试验稻运行试验，完全能 遴应邀铁车辆黥特殊要求。 经过姨有s d 捌动的地铁车辆多年运用实践，积累了丰富鲍经验，因此， 我国时速2 0 0 3 0 0 k m h 的高速动车组得以进行研究，无论是动力集中式，抑 亘查窒塑查堂塑主塑塞圭堂焦堡塞 蔓旦要 或是动力分散式动车组，都考虑采用微机控制直通式电空制动，加上备用自 动空气制动的方案”。 9 7 年初，由铁道部科教司组织，全面丌展2 0 0 k m h 电动车组的研制工作， 并确立了十几项研究课题。其中“2 0 0 k m h 电动车组制动系统的研制”即为 其中之一。微机控制电动车组制动试验系统如图卜4 所示。该系统主要由制 动信号发生与传输部分( 包括制动控制、操纵台控制开关、调制器与逻辑控 制器、制动控制线等) 、微机制动控制单元( m b c u ) 、气制动控制单元( p b c u ) 以及基础制动装置等部件组成。由制动控制器或a t p 发出制动指令，该指令 经调制器转换p w m 信号后传至各车辆的m b u c ，m b c u 再根据车重和车速计算所 需的制动力，并以动力制动优先的原则，进行制动力的控制。空气制动由m b u c 控制p b c u ，再通过基础制动实现”。 先锋号动力分散交流传动电动车组是国家九五科技攻关项目，其最高试 验速度是2 5 0 k m h ，在制动初速2 0 0 k m h 时的紧急制动距离是1 8 0 0 m ”1 。该动 车组的制动控制采用了“2 0 0 k m h 电动车组制动系统的研制”成果。2 0 0 1 年 5 月至2 0 0 2 年9 月先锋号动车组在北京铁道科学院环形试验线、广深线、秦 沈线进行了大量的试验。 = 蜷_ 青- 艚渊树 l m e 车：2 一t 车；3 一m 车：4 一。d 机 牵制器；5 一 t p ：6 一调制器及逻辑控制器： 7 一p w 1 6 0 ：8 一g n d 6 0 ；9 一制动运行：1 0 停放制动指令：1 1 一制动牵引联锁拧制线：1 2 - - 列车网；1 3 一宁气制动减算指令：1 4 一车熏信吁；1 5 一动力制动舞求值；1 6 一动力制动有艘 值；1 7 一动九制动值；1 8 一动力制动防滑；1 9 一m b c 叭2 0 一牵t 3 控制单元；2 卜f b c u ：2 2 一 停放制动阀：2 3 一非常制动单元；2 4 一e p 阀；2 5 一胝力榆测；2 6 一空重车信号；2 7 容积室 信号；2 8 一制动缸信号；2 9 一空气弹簧：3 0 一中继阀：3 l 一制动风缸：3 2 一总风管 图卜4s t b l 型高速电空制动系统原理图 要塞窒鋈盎堂塑圭堑塞塞兰壁垒奎 整! ：戛一 “中华之攫”是最高运行速度2 7 0k m h 的动力榘中式动车组，于2 0 0 2 年8 舅出厂，2 0 0 2 年9 月至2 0 0 3 年3 月完成联调、型式试验及考核，2 0 0 3 年月l 露藤在秦沈客运专线送一步考孩。“中华之麓”静翻魂系统主要由微 机直通电空制渤，基础制动、防滑及备用自动空气制动等4 个部分组成。微 机直通电空制幼具有1 7 级直通电空常用制动和辫8 级的电空紧急制动，并 能与动力车的瓣生裁动是动复合使用。器车辆的裁动控裁单元投摄铡动等级 裕令、空气弹舞的蓠重信号，计算毒捆应铡动等级下静目标利动力，并通过 e - p 电磁阀的闭环控制实现制动缸压力的自动调整，从而产生再生制动与电 空制动复合的窝电联合制动，达至r j s f j 动力按载重自动调整的基本恒减速度的 髑动控裁豹嚣敬。 “中华之缀”的制动控制单元( b c u ) 是一个以微处理器( 荦片机) 为 椴心的智能控制单元，能够接收制动总线上的控制指令，检测作用风缸、制 动缸及空气弹餐的压力，实现对制动缸愿力的控制。始图卜5 所示，b c u 出 徽楚瑾器、数字量羧入电路、模瓠量赣入毫路、数字整输出邀薅殿k i v b 接目 电路组成。数字量输入电路用于接收总线指令及检测有关压力开关的位置； 模拟量输入电路主要用于检测作用风缸、制动缸及空气弹簧的压力；数字量 输出电路主要爝予实现对泡磁溷豹控铡；m v b 接口瞧潞瘸予与m v b 车疆网及 w t b 列车霹交互。 厩划 数字辍 输入逛路 、叫 - a v i | 作用风缸传感器t - 数字量 - 阿 j 输出电 - 网 铡动缸转撩器l + 援数釜 v 叫 、叫徽缝遴器潞 空重车传感器l _ - 输入电路 - 圈 p w m l i p w m 2 - - 坐v b 总线：爿n, i v b 阿卡 、一 图l 一5b c u 原理图 b c u 棂摄铡动总线戆臻令及车麓载重来设定裁秘瞧錾嚣标压力，蔽实 现无缀空重车调整；当有动力制动时，还要计算与暾制动力相当的制动缸压 西南交通大学硕士研究生学位论文篁! ! 亟 力及制动缸压力调整量，以实现空电联合制动。b c u 根据制动缸压力的目标 值，控制总风充入作用风缸或使作用风缸的压力空气排向大气，实现对作用风 缸压力的闭环控制，完成电气指令到空气压力的电空转换，并通过中继阀的 流量放大作用实现对制动缸压力的控制。制动指令采用编码开关指令的直接 传送，并且采用硬线传送即直接传送和网络传送，实现指令冗余。e p 阀采用 直动式开关电磁阀a v 及r v 的闭环控制。另外制动系统还包括备用空气制动， 在电空制动失效时用空气制动替代电空制动，确保安全停车1 。 通过前面的分析可以看出，我国除了这些极少的固定编组的动车组外， 干线机车与列车制动机还是自动式制动机，可以说我国在制动系统上采用微 机控制的研究刚刚起步，尤其是重载运输领域几乎是一片空白。因此结合国 内、外微机控制制动机的成功经验，研制一种适合我国国情的新一代机车制 动机具有十分重要的意义。根据这种现状，2 0 0 3 年，铁道部将研制新一代机 车制动机作为铁道部的科技发展项目。本文就是在此项目下进行研究工作。 1 3 本论文的主要工作和内容 新一代机车制动机的核心部件是微机控制单元( m i c r o c o m p u t e rb r a k e c o n t r o l u n i t ) ，本论文的主要工作就是在分析国内外微机控制制动系统的 m b u c 的基础上，研制设计新一代机车制动系统的m b c u 。论文主要工作有： ( 1 ) m b c u 系统结构的设计； ( 2 ) 硬件模块的原理图设计和p c b 的制作： ( 3 ) 整个系统软件设计和调试： ( 4 ) 系统联调和试验。 亘童銮望查兰塑圭塑塞生堂焦笙塞 曼! ! 要 第2 章新一代机车制动机微机控制单元的设计 新一代机车制动机是为了满足我国铁路重载运输的需要而设计的基于微 机控制的机车制动机。微机控制单元( m b c u ) 是它的核心部件之一，也是 新一代机车制动机的研制能否成功的关键。 2 1 新一代机车制动机的整体方案 机车制动机控制系统如图2 - 1 所示。其采用双端操作模式，在机车的两 端各安装1 套制动控制系统。本方案取消了传统的空气分配阀，在每套控制 系统中采用1 台微机及2 个e p 阀控制列车管及机车制动缸的充、排风，实现 机车车辆的制动、保压和缓解。系统主要由以下部分组成： 自动制动阀( 自阀) 自阀由一个角位移传感器和一个机械式排风阀组成。设有缓解位、最小 减压位、最大减压位( 从最小减压位至最大减压位之间为常用制动区) 、过量 减压位、手柄取出位和紧急制动位等六个作用位置。除紧急制动位外，机械 式排气阀始终处于关闭状态。司机在操作时，根据需要将自阀手柄置于相应 位嗣，角位移传感器向微机制动控制单元( m b c u ) 发出相应信号，再由m b c l i 通过2 个e p 阀，控制列车管及机车制动缸的充、排风，实现机车及车辆的制 动、保压和缓解。自阀手柄置于紧急位时，除角位移传感器向m b c u 发出紧急 制动指令外，还以机械方式打开机械式排风阀，快速排放列车管内的压力空 气。 单独制动阀( 单阀) 单阀为纯气动阀，采用j z 一7 型制动机的位置减压式结构。 微机控制单元( m b c u ) 电空制动情况下，接收自阀发出的电指令，分别控制列车管和机车制动 缸的e p 阀产生相应的动作。同时，还控制与机车动力制动、安全控制装置及 自动驾驶装置进行协调配合。 模拟式比例电磁阀( e p 阀) 接收m b c u 发出的指令，分别控制列车管和机车制动缸的增、减压。 机车紧急制动作用阀 紧急制动时将总风引入压力开关2 8 ，控制微机切断机车动力及动力制动； 同时将总风引入作用阀端口1 6 ，使机车制动缸紧急增压。 除上述部件外，系统内还安装有中继阀、总风遮断阀、作用阀、紧急放 嚣瘫交避失攀联士酝囊生学穗论文繁1 5 页 圃 上 鎏 寺跨 嫠 塾 鐾 懑 避 凝 游 瓣 亘塑窒塑查兰塑圭婴窭生兰焦迨塞 蔓! ! 要 风阀、紧急制动阀、电磁阀、手动阀、双向阀、压力丌关和压力传感器等部 件。 2 1 1 制动控制系统工作原理 机车左侧系统工作时，右侧系统的自阀、单阀处于手柄取出位，其m b c u 断电，列车管充气截止阀2 7 和塞门4 0 关闭，但左侧的列车管充气截止阀2 7 和塞门4 0 开通。 应根据机车所处位置( 本务机车或重联机车) 对m b c u 、本务重联转换 塞门以及列车管充气截断阀进行正确的设置。 2 1 1 1 自动制动阀操纵 自阀用于对机车和车辆进行制动和缓解，其基本结构是一个角位移传感 器。该传感器根据自阀手柄所处的不同位置