（光学工程专业论文）基于can总线的新型机车制动系统重联研究.pdf

酉南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国是一个幅员辽阔，人口众多，资源分布极不均匀的国家，交通运输对 经济的发展有着至关重要的作用。铁路运输具有运量大、速度快、安全、节能、 环保等优点，将在我国的运输行业中扮演着越来越重要的角色。目前我国经济 正处于发展阶段，对运输业的运量和速度提出了很高的要求，加之公路、航空、 水运等的发展，在运输业内部上演了越来越激烈的竞争。在这种情况下，铁路 运输提出了“高速重载”的新的发展要求。顺应这一要求，我国提出了自 主研究开发新一代微机控制制动机的战略目标。 由于机车重联可以在不对机车作任何改变的情况下，提高机车的牵引能 力，并减少操作人员，进一步提高铁路运输的竞争力。因此，近年来，国内大 量采用固定重联机车，如韶山3 b ( s s 3 b ) 、韶4 改( s s 4 改) 等。在铁道部科 技发展项目资助下，西南交通大学从2 0 0 3 年开始着手开发新一代微机控制机 车制动机，采用微机控制的自动式电空制动系统，可实现空电联合制动。本课 题在此基础上进一步实现新一代机车制动机的重联以及网络的接口功能。 论文通过详细分析国内外现有的机车制动机重联的形式与结构，详尽的分 析了新一代微机控制机车制动机及其微机制动控制单元( m i c r o c o m p u t e rb r a k e c o n t r o lu n i t ，m b c u ) 的结构和功能，并结合新一代机车制动机的自身特点和 需要，研究和开发了基于c a n 总线的新型机车制动系统重联。c a n ( c o m 0 1 a r e a r n e t w o r k ) 总线具有结构相对简单、实时性好、自带多种检错措施，出错 率低等优点，适合于机车制动机系统的重联系统的通信。本课题所采用的 m b c u 其c p u 芯片为t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p ，芯片内置c a n 模块、 r s 一2 3 2 4 8 5 模块、s p i 串行外设总线扩展模块等，能够满足系统的通信要求。 论文分析了制动机及其重联系统的工作流程，考虑与列车控制网络的接 口，设计了制动机重联系统，完成了列车控制系统和本务重联机车制动机 m b c u 的软件设计。最后进行了联合调试试验，试验证明，重联系统能达到本 务及重联机车制动机的协调动作的目的，满足制动系统重联的要求。 通过本文对基于c a n 总线的新型机车制动系统重联的研究及试验，积累 了大量关于采用列车控制网络的列车适用的新一代机车制动系统重联的经验。 为我国新一代机车制动系统重联的设计、开发打下了理论和试验基础。 关键词：机车制动机；重联机车；c a n 总线；机车通信：制动 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t c h i l l ai sac o u n 仃yw i mav a s tt e 玎i t o 吼a 掣e a t 啪o u to f p o p u l a t i o na 1 1 dt h e d i s 研b u t i n go fr e s o u r c eo u to fp r o p o n i o n i t si m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m i ct od e v e l o pt r a n s p o r t a t i o n f o rt h ev i r t u eo f h i 曲s p e e d i n e s s ，酏a tc a p a c i t y ， e n e 喀ys o u r c es a v e d ，s e c u r i t ya n di i 砌ec o n 觚i n a t i o n ，t h et r a n s p o r t a t i o no fr a i l w a y w i l lp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a i i tr o l e i nt h e 如t l i r e n st 1 1 es e e d t i m eo f l e e c o n o m i cd e v e l o p m e mo fc h i n a ，t h es p e e da 1 1 d q u a n t i t yo f 仃a n s p o r t a t i o n i s r e q u e s t e d a n dt h eb o i l e dc o m p e t i t i o nw i t h 也ed e v e l o p m e mo fr o a d ，w a t e rc a r r i a g e a n da i r l i f t ，t o 、v i nt h ec o m p e t i t i o nt h et r a n s p o r t a t i o no fr a i l w a ys h o u l db es p e e d e r a n dh e a v yb u r d e n f o r 协i sr e q u e s t ，i ti st h es t r a t e g i cg o a lt or e s e a r c ho nn e w g e n e r a t i o n1 0 c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e m ，w h j c hb a s e do nc o m p u t e rc o n t r 0 1 w 曲m u l t i l o c o m o t i v e ，i t 讪l li m p r o v em ep e ：r f b m a i l c eo ft r a c t i o na 1 1 dc u t d o w nm ee m p l o y e ew i t h o mc h a i l g ea n y t h i n go f t h el o c o m o t i v e nw i l li n l p r o v et h e b e n e 6 ta i l dt h ea b i l i t yo fc o i n p e t i t i o no ft l l ec o m p a l l yb yt h i sw a y i nr e c e n ty e a r s ， a na m o u n to ff i x e dm u l t i 1 0 c o m o t i v ew a su s e dn o to n l ve l e c t r i c1 0 c o m o t i v eb u ta l s o i n t e m a l - c o m b u s t i o ne n g i n e1 0 c o m o t i v e ，j u s tl i l ( es s 3 b ，s s 4 g a i ，a n dd f l1 ge t c o nt h i sc o n d i t i o n ，b r a k e1 a b o r a t o r yo fs o u m w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t yr e s e a r c ho n a n de x p l o i tn e wg e n e r a t i o nl o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mb a s e do nc o m p u t e rc o n 订o l ， w h i c ha d o p tc o m p u t e rc o n t r o u e da u t o m a t i ca i rb r a k ea n dr e a l i 叠ee l e c t r i c a l l ya n d p n e m a t i c a l l yb l e n d e db r a k i n gb a s eo nm i sn e wg e n e r a t i o nl o c o m o t i v eb r a k i n g s v s t e m 。r e s e a r c ho nm u l t i 1 0 c o m o t i v eb r a k es y s t e ma i l dt h ei n t e r f 她eb e t w e e nt c n a n db r a k i n gs y s t e mo fl o c o m o t i v ew i l lb ec o n t i n u e d ，f i n a l l yn e wg e n e r a t i o n l o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mo fi n u l t i - l o c o m o t i v ei nt c nw m b er e a l l z e d t h ef o n na r l dc o i g u r a t i o no fl o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mo f 珏m l t i l o c o m o t i v e e x i s t e dp r e v i o u s l yw a si n 仃o d u c e d ，n e wg e n e r a 廿o nl o c o m o t i v eb r a l ( i n gs y s t e mw a s i n t e g r a t e d i n t o t c n ，t h ec o 瓶g i l r a t i o na n d 胁c t i o no fm i c r o c o m p u t e rb r a k e c o n t r 0 1u n i t( m b c u )w a sa n a j y z e di nd e t a i l ，i nt 1 1 i sa n i c l e ，也en e wg e n e r a t i o n l o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mo fm u l t i l o c o m o t eb a s e do nc a n b u sw a sr e s e a r c h e d o na n de x p l o i t e dw i m 吐l ec h a r a c t e r i s t i ca n dr e q l l i r e m e n to fm en e wg e n e r a t i o n l o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mi t s e l fc a nb u si sf i tf o rc o m m u n i c a t i o no fn e w g e n e r a t i o n1 0 c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mo fm u l t i l o c o m o t i v ef o r “sv i n u cl i k es i m p l e 亘塑奎婆盔兰塑主竺茎兰兰堡堡塞篁! ! ! 要 c o 耐l g u r a t i o n ，g o o dc h a r a c t e r i s t i co fr e a lt i m e ，m a n yt y p eo fe r r o rc h e c km e a s u r e a i 】dl o wr a t eo fe r r o ri nc o m m u n i c a t i o na s 、e 1 1 t h eh i g h l yi m e 鼾a t e d t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ac h j pp r o d u c e db yt ic o r p o r a t i o ni n c l u d e di n s i d ec a n m o d u l e ， r s 2 3 2m o d u l e ，s p im o d u l ee t c w a su s e da sc p ut om e e tm er e q u i r e m e mo f 也e c o m m u n i c a t i o no f m es y s t e m t h ep r i n c i p a la n dp r o c e s so fn e wg e n e r a t i o nl o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mo f m u l t i 一1 0 c o m o t i v ew a sa n a l y z e d ，t h ei n t e r f a c eo ft c nw a st a l ( e ni n t oa c c o u n t ，a n d 血es o r w a r eo ft h es y s t e mw a sd e s i g n e d ，a tl a s t ，m ee x p e r i m e n t a t i o np r o v e d 出a t m e s y s t e mc a n w o r kh a r r n o n y ，a 1 1 dm er e q u i r e m e n to f 也es y s t e mw a ss a t i s f l e d i nt h i sa r t i c l e ，t h r o u g ht h er e s e a r c ha n de x p e f i m e n to nt h en e wg e n e r a t i o n l o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mo fm u h i - l o c o m o t i v eb a s e do nc a n b u s ，t l l ee x p e r i e n c e o f 让l en e wg e n e f a t i o nl o c o m o t i v eb r a k i n gs y s t e mo fm u l t i 一1 0 c o m o t i v ei nt c nw a s a c c u m u l a t e da i l dt 1 1 ef o u n o no fd e s i g r 血ga n dd e v e l o p m e n to fn e wg e n e r a t i o n l o c o m o t i v eb r a k eo f m u l t i l o c o m o t i v eo f o u rc o u n 臼呵w a ss e tu p k e y ，0 r d s ： 1 0 c o m o t i v e b r a k i r 培s y s t e m ； m u l t i l o c o m o t i v e ；c a nb u s ； c o m m u n i c a f i o no fl o c o m o t i v e ：b r a k e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 社会经济的飞速发展，对铁路运输能力要求越来越高。近年来针对重载运 输，铁道部和铁路机车生产厂家做了大量的投入，在技术上也做了许多改进。 主要有三个方面：第一，大轴重、大功率机车的研究开发；第二，固定重联机 车的应用：第三，采用非固定重联机车方式的单元列车的应用。其中，第一种 发展方向由于受轨道现状和机车技术水平发展的限制，研究开发周期长，发展 空间有限；第二种方式是在原有机车的基础上实现固定重联，技术要求不高， 投入相对较小，研发周期相对较短；第三种单元列车方式是在原有机车的基础 上将其分散编组到列车中，有动力分散的优点，如列车可充分利用动力制动以 减小基础制动装置的磨耗，可使牵引或制动力分配相对均匀，降低车钩的受力， 延长其使用寿命，降低维修费用。采用后两种方式的关键问题是所有机车的动 作协调一致，即重联问题。因此，机车重联分两个方面：牵引重联和制动重联， 本文主要对制动重联进行研究。 机车制动机系统涉及到列车运行的平稳性、安全性、舒适性等，因此它是 现代高速重载机车发展的一个关键所在。我国目前为适应重载而发展起来的 s s 3 b 、s s 4 改等固定重联机车，广泛使用j z 7 型空气制动机、d k l 型电空制动 机，通过重联阀实现空气制动的重联，结构复杂，工艺性不好，电气化程度不 高，不能达到上述目标。国外货物列车的机车制动重联采用无线e c p ( e c p 一 e l e c t r i c a lc o m r o lp n e 啪a t i c ) 制动系统，它是一种电子控制的直通式空气制 动系统【4 0 l ；我国在大秦线上两万吨货物列车的试验中采用美国g e 公司的 l o c o t r o l 技术( 无线遥控技术) ，使第一台主控机车乘务员的每一个动作 成为一道指令，通过无线传输，后面的重联机车则通过无线接收装置接收指令， 实现本务重联机车的同步动作【4 ”。无线方式的优点是比较灵活，适用于列车 编组不固定、需要经常解编的列车。般来说，无线e c p 信号容易受干扰，工 作可靠性不如有线方式。 c a n 总线是一种应用成熟的现场总线，总线系统成本相对低廉、抗干扰能 力强、其频率高、传输速度快、自带多种检错措施、通信错误低等优点，已广 泛应用于汽车、发动机控制领域。采用c a n 总线实现新一代微机控制机车制动 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 机重联控制系统有如下优点： ( 1 ) 基于c a n 总线的新一代微机控制机车制动机重联系统，通信速率高 ( 通信周期约5m s ) ，采用8 字节的短帧结构传送信息，不易受到外界的干扰， 能满足制动系统实时正确的重联要求； ( 2 ) 基于c a n 总线的新一代微机控制机车制动机重联系统，通过m b c u ， 根据制动指令、车辆载重、速度及动力制动的投入程度，可自动调整本务机车 和重联机车制动机的电空摩擦制动力的大小，与动力制动力复合实现基本恒减 速度的制动控制，提高了制动操纵平稳性和舒适性；通过c a n 总线实现数据共 享，可以更合理的在机车制动机之间分配制动力，减小列车的制动冲动，优化 车钩的受力； ( 3 ) 基于c a n 总线的新一代微机控制机车制动机重联系统，通过c a n 总 线可更好的将机车制动系统的故障信息汇总，通过与列车控制系统的信息交 换，将汇总后的故障信息传到列车控制系统中，这样可以一次检查所有机车的 故障而不需要每台机车单独检测故障，分别读取故障状态； ( 4 ) 基于c a n 总线的新一代微机控制机车制动机重联系统，仅通过修改 控制器的软件就可以根据系统的需要，很方便地改变c a n 总线传输的数据( 比 如，增加或减少传感器的数量或种类) ，而不需要对硬件做太大的改变。 顺应目前国内及国外铁路机车的发展趋势，借鉴国内外成功经验，研制基 于c a n 总线的新一代微机控制机车制动机重联系统，实现微机控制及网络通 信已成为迫在眉睫的任务。 1 2 机车制动系统重联的基本原理 机车制动重联是当机车双机或多机牵引时，重联机车的制动缓解作用与本 务机车完全协调一致，由本务机车的乘务员操纵制动机，重联机车乘务员对机 车不进行操纵。但当本务机车与重联机车发生断钩分离时，重联机车自动恢复 为本务机车，能接受所在机车分配阀和单独制动阀的控制，并使本务机车和重 联机车均处于制动状态，起到分离后的保护作用。 1 3 国内外机车制动重联概况 1 3 1 传统机车制动系统的重联 国内外传统的机车，多采用电空制动，由于没有采用微机控制制动单元 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( m i c r o c o m p u t e rb r a k ec o 曲o lu i l i t ，m b c u ) ，因此制动系统的重联只能采用 重联阀，通过本务重联转换按钮位置控制机车处于本务机车或重联机车状态。 机车重联阀结构如图1 1 所示。 当机车作为本务机车使用时，将转换按钮置于本务机车位，此时总风信号 管的压力空气经二位阀柱塞凹槽被遮断，重联阀鞲鞴下侧经二位柱塞阀的下侧 与大气相通，故重联阀鞲鞴在弹簧张力的作用下带动重联鞲鞴杆一起下移，顶 开下方的止回阀，此时分配阀或单独作用阀的作用管1 4 a 与作用阀的作用管 1 4 b 相通，同时平均管与重联阀止回阀下侧的制动缸通路1 2 a 相通。另外总风 信号管的压力空气还流入遮断阀鞲鞴上侧，使遮断阀鞲鞲带动遮断阀鞲鞴杆下 移而把止回阀打开，使制动缸管1 2 经止回阀与重联阀止回阀处的制动缸通路 1 2 a 相通，只要机车处于正常运行状态，遮断阀的止回阀总是处于开启状态。 简单地说，在机车处于本务状态时，平均管与制动缸管相通。 1 = 篇黼。2 若勰唯一蒜黧”僻k 篙i 燮菡悭躲：= 粼 图1 一l机车重联阀 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 当机车作为重联机车使用时，将转换按钮置于重联机车位，此时总风信号 管的压力空气经二位阀柱塞凹槽进入重联阀鞲鞴下侧，使重联阀鞲鞴克服弹簧 张力的作用带动重联鞲鞴杆一起上移，遮断了分配阀或单独作用阀的作用管 1 4 a 与作用阀的作用管1 4 b ，而使1 4 b 与平均管2 7 相通，同时切断平均管2 7 与制动管1 2 a 的通路。 当本务机车断钩分离时，总风管的空气压力下降，制动缸遮断鞲鞴在弹簧 的作用下，带动遮断鞲鞴杆上移而脱离与止回阀的接触，止回阀在弹簧力的作 用下关闭阀口，切断制动缸管1 2 经止回阀与重联阀止回阀处的制动缸通路1 2 a 的通路，而重联阀鞲鞴杆此时也是把止回阀打开的，从而使制动缸通路与平均 管接通，但由于机车的分离，机车的平均管也通大气，但由于1 2 和1 2 a 断开， 所以本务机车的制动缸压力空气不会排入大气，从而保证了本务机车的安全。 重联机车断钩前处于重联位，断钩后由于列车管压力的下降，重联鞲鞴在弹簧 力的作用下下移，从而自动转换到本务位。 当双机或多机牵引时，本务机车将转换按钮置于本务位，重联机车将转换 按钮置于重联位，本务机车的自动制动阀和单独制动阀手柄均置于运转位，重 联机车的自动制动阀手柄置于手柄取出位，单独制动阀手柄置于运转位。当本 务机车的乘务员进行列车制动时，由于列车管减压，本务机车的分配阀动作， 使分配阀作用管1 4 a 产生压力空气，此时重联机车的分配阀也动作，它也使作 用管1 4 a 产生压力空气，但重联机车1 4 a 的压力空气不能进入作用阀的作用管， 因而重联机车的制动缸的压力就不受其分配阀的控制。而本务机车的分配阀作 用管1 4 a 的压力空气流经重联阀鞲鞴杆凹槽流入作用阀的作用管1 4 b ，使作用 阀发生动作，从而使总风缸压力空气经作用阀流入制动缸并经本务机车重联阀 的遮断阀的制动缸管1 2 + 1 2 a - 重联阀的平均管2 7 - 重联机车的平 均管2 7 - 重联机车的作用管1 4 b ，从而使重联机车的作用阀动作，产生制 动作用。 重联阀只是通过气路的改变来实现本务重联机车的制动重联，所采用的制 动也是单一的摩擦制动。 1 t 3 2 基于脉宽调制信号传输的机车制动重联 采用基于脉宽调制信号传输的机车制动重联的代表机车是韶4 改( s s 4 改) 电力机车。它是一种固定重联型机车，它的固定重联部分的重联叫内重联，两 辆及以上的固定重联型机车的重联叫外重联。s s 4 改内、外重联的硬件及其连 接方式有所不同，但原理却是相同的。s s 4 改采用的空气电阻联合制动是 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 以机车准衡速加馈电阻制动以及d k - 1 型机车电空制动技术为基础，并适应于 长大坡道上重载列车的需要而发展起来的一种技术装备。它通过司机控制器手 柄级位、机车速度、加馈电阻制动电流以及联合制动、电制动、d k 1 型机车 电空制动机状态和主断闭合状态、分相无电区等模拟或数字信号的输入，经电 子柜内单片机软件、硬件的处理后，对d k _ l 型机车电空制动机和加馈电阻制 动发出控制指令，并经空电联合制动控制环节，自动对列车制动机、机车制动 机实施制动减压、保压和充风缓解，同时对电制动进行必要的干预，在充分利 用电阻制动的前提下，使两种制动方式有机地结合起来。维持列车在给定速度 带中安全运行。 s s 4 改机车制动重联系统结构框图如图1 2 所示。本务机车和重联机车 的脉宽调制解调器通过导线相连。司机通过制动手柄发出制动指令，逻辑控制 单元通过逻辑判断，将制动手柄指令转化成电信号，控制本务机车的空气制动； 机车电阻制动指令通过脉宽调制解调器，产生脉宽调制信号，本务机车和重联 机车的电阻制动柜将此脉宽调制信号解调，还原成控制信号，并执行指令，产 生相应的制动动作。重联机车的空气制动系统通过重联阀实现气路重联，达到 本务机车、重联机车制动机空气制动动作一致。机车重联采用了电器互锁，重 联机车的手柄不产生信号，逻辑控制单元和脉宽调制解调器均不动作。 本务机车重联机车 图卜一2s s 4 改机车制动重联系统框图 s s 4 改型电力机车制动系统的重联，空气制动部分仍采用重联阀方式，在 本务机车上将制动缸与平均管接通，在重联机车上，将平均管与作用管接通， 用作用管的压力空气控制重联机车制动缸的压力，从而达到动作一致。而对于 电阻制动部分则是将司机指令通过逻辑控制单元计算，确定电阻制动的大小， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 然后通过脉宽调制解调器，将电阻制动指令转化成脉宽调制信号，再将脉宽调 制信号分别传到本务机车和重联机车的电阻制动柜，通过解调，得到控制指令， 实现本务机车、重联机车电阻制动动作一致，从而实现电阻制动重联1 叭。 这种基于脉宽调制信号传输的机车制动重联，一个重联控制对象采用一条 p w m 传输线，主要传输电阻制动指令，系统的柔性不大，对系统做相应的改 进比较困难；不适合多组信息的传输；不能形成通信网络，也不能提供接口， 实现制动机与列车控制系统交换信息。 1 3 3 国内基子列车网络和制动控制单元的机车重联 s s 3 b 型固定重联电力机车采用固定重联( 俗称“砍头重联”) 方式。每 节机车相当于原s s 3 型电力机车取消一个司机室，即每台s s 3 b 型固定重联电 力机车共有两个司机室。这就对s s 3 b 型固定重联电力机车提出了两个新的问 题：一是对原有控制系统提出了新的要求，而最基本的要求是要能使司机了解 重联机车的电流、电压等状态和故障情况；在局部的故障情况下，要求有进行 故障保护和隔离而不使故障扩大，充分利用增加的牵引冗余度维持列车运行的 措施。二是怎样减少两台机车重联硬线瓤机车布线，提商系统工作可靠性问题。 为了解决以上问题，s s 3 b 型固定重联电力机车采用网络通信的微机控制系统 和彩色液晶显示屏显示，不仅能把本节车和它节车的工作状况和故障情况在显 示屏上显示出来，而且还能实现同一节机车内操纵台上机车指令信号与逻辑控 制单元( i c u ) 、微机控制柜( t c u ) 、列车综合监控装置( t a x 2 ) 、制动 逻辑控制装置( d k l ) 等设备之间、本节机车与它节机车之间的网络通信。 s s 3 b 型固定重联电力机车采用列车通信网络( t r a i nc o n m u i l i c a t i o n n e t 、r k ，t c n ) 完成重联功能，网络系统结构如图l 一3 所示。s s 3 b 型固定重 联电力机车网络系统由绞线式列车总线( w t b ，如图中w 1 0 1 、w 1 0 2 线号) 等， 和多功能车辆总线( m v b ，如图中m 1 0 0 、m 1 叭等线号) 组成。制动系统采用 d k l ，装置内部装有一块m v b 网卡，不仅使d k l 在网上能够获得司机对两节 重联机车的控制指令，而且还实现了在一节机车内部d k l 与c c u ( 中央控制单 元) 、t c u 、i d u ( 显示系统) 、l c u 在网上进行通信憎j 。但目前关于机车 制动系统这部分功能没有充分利用，机车制动机系统仍是一个游离于列车通信 网络以外的独立的小系统。 s s 3 b 电阻制动信号通过逻辑控制单元将司机的手柄信号转换成电信号， 传入c c u ，通过m v b 传送到本务机车，通过w t b 再通过m v b 传到重联机 车，从而实现电阻制动的本务重联机车动作致。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 剥：妇= 站莲 蒯“悭蚺业一 m 1 0 5 匦 匦吲” 匦刊“ 瓜五一” 芦 善“恼 机车控制网络 图1 3s s 3 b 机车控制网络 s s 3 b 所用的机车制动机是在d k 一1 机车制动机的基础上，对电阻制动加 以利用。s s 3 b 空气制动部分的重联仍采用薰联阀方式实现。s s 3 b 没有实现空 电联合制动，它的电阻制动和空气制动没有很好的结合起来，在实施电阻制动 时，由于粘着力的关系，将限制空气制动力的大小( s s 3 b 机车电阻制动曲线 有明显的制动力不足区) 。d k 一1 机车制动机系统结构复杂，实现重联时，硬线 的连接和管路的连接多而繁杂，制造成本高；在检修和故障诊断过程中，增加 了工作量和工作难度。 t c n 网络是一个整套引进的列车总线系统，价格昂贵，目前我国没有掌握 它的核心技术，国内也没有相关的软件开发平台与之相配，要对其做相应的应 用改进比较困难，不容易做到很好的结合我国目前的应用实际。 1 3 4 基于无线遥控技术或无线e c p 制动系统的机车制动机重联 澳大利亚b h p 铁矿公司利用无线e c p 开行重载列车1 4 0 1 ，主要采用单元列车 方式，即机车和车辆混合编组，将机车编在车辆中间，可有效的降低车钩的载 荷和冲击，可有效的延长车钩装置的寿命。 2 0 0 4 年，我国在大秦线上完成了两万吨重载组合列车试验【4 ”，试验组合列 车由4 台s s 4 改进型电力机车、2 0 l 辆载重8 0t 的c 8 0 铝合金运煤专车和3 辆试验 车组成。2 叭辆运煤专用敞车均匀分挂在4 台机车之后，列车全长2 6 2 1 2m ，牵 引总重为2 0 2 1 2 6t ( 不含机车) 。机车采用美国g e 公司的机车无线同步操纵技 术，它使第一台主控机车乘务员的每一个动作成为一道指令，通过无线传输， 后面的重联机车则通过无线接收装置接收指令，实现本务麈! 联机车的同步动 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 作。 无线重联方式的优点是使用比较灵活，适用于列车编组不固定、需要经常 解编的列车。一般来说，无线信号容易受干扰，工作可靠性不如有线方式。在 我国山区地形较多，地形复杂，无线信号干扰源多，不容易得到推广。 综上所述，我国目前采用的机车制动机( 主要有d k 一1 、j z 7 等) 及其重联 系统，均不能很好的实现电空联合制动、与列车控制系统实现信息交换、在本 务和重联机车制动机之间合理的分配制动力，达不到提高制动系统及重联的性 能的目的。大秦线上引进的无线遥控技术也有局限性，不适合我国的山区地形。 理论上，国外的t c n 可以实现机车重联的功能，但在实际应用中，t c n 结构庞 大，分层较多，价格昂贵；t c n 为整套弓i 进的技术，它的开发平台和核心技术 都没有很好掌握，不能根据我国的具体应用情况，做一些扩展性的开发。因此， 结合我国具体国情，研究一套高性价比的，适合我国铁路和机车发展现状的新 型制动机重联系统是必要的。 1 4 基于c a n 总线的新一代机车制动系统重联 列车网络的使用成为铁路机车车辆的发展方向，基于列车网络的控制具有 精确、高效等特点，它的故障诊断与导向安全功能更是节省了大量的劳动力， 使列车维修和检测工作更为简便。基于c a n 总线的机车制动重联系统可通过 相关接口很好的与列车控制系统交换信息，将机车制动系统纳入列车控制系 统，实现优化而精确的控制。 c a n 总线使用短帧报文形式，抗干扰能力强、误码率低、实时性好，在 组成控制系统时，价格相对低廉，而且c a n 总线现已广泛应用于汽车和发动 机控制领域，是一项很成熟的技术；采用基于c a n 总线的机车制动机重联， 开发时间相对较短，技术投入相对较少。 c a n 硬件结构相对简单，单个节点价格低廉：c a n 总线指令传输只需要 c a n h 、c a n l 两条线，可采用双绞线，减少了机车重联时的硬线连接，降低 了成本。 在基于c a n 总线的新一代机车制动机重联系统中，由于c a n 总线的使用， 制动指令通过导线传输，因此传输速度高，且取消了重联阀和分配阀，取消了 平均管等，可大大简化系统，提高系统的可靠性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 4 1 c a n 总线特点 c a n 总线是德国b o s c h 公司为解决现代汽车中的众多的控制与测试仪器 之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介 质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1 m b d s 。c a n 协议的 一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码， 使网络内的节点在理论上不受限制。由于c a n 总线具有较强的纠错能力，支 持差分收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。c a n 协议对于 许多领域的分布式测控是很有吸引力的，目前c a n 已经成为i s 0 1 1 8 9 8 标准， 其特性如下： ( 1 ) c a n 是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络； ( 2 ) c a n 协议遵循i s o o s i 模型，采用了其中的物理层、数据链路层与 应用层： ( 3 ) c a n 可以多主模式工作。本质上也是一种c s m 刖c d ( 载波监听多 路访问冲突检测) 方式，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络 上的其它节点发送信息，而不分主从，节点之间有优先级之分，因而通信方式 灵活； ( 4 ) c a n 采用非破坏性位仲裁技术，优先级发送，可以大大节省总线冲 突时间，在重负荷下表现出良好的性能； ( 5 ) c a n 可以点对点、一点对多点( 成组) 及广播等几种方式传送和接 收数据： ( 6 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0k m ( 传输速率为5k b p s ) ；最高通 信速率可达1m b p s ( 传输距离为4 0m ) ； ( 7 ) c a n 上的节点数实际可达1 1 0 个； ( 8 ) c a n 数据链路层采用短帧结构( 每一帧最长8 个字节) ，传输时间 短，受干扰概率低； ( 9 ) c a n 每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有好的检错效果； ( 1 0 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤； ( 1 1 ) 网络的任何节点掉电，均不会影响其他节点及整个网络； ( 1 2 ) c a n 总线具有较高的性价比。它结构简单，器件购置容易，每个 节点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具 【引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 4 2 基于c a n 总线的机车制动系统重联工作原理 基于c a n 总线的机车制动系统重联是在新一代机车制动机的基础上，通 过机车制动机的m b c u 采集各类开关信号( 主要是本务重联转换阀状态信号) 和模拟信号( 主要是各种压力信号和大小闸的指令信号) ，经过计算，通过d a 输出或数字i o 输出，实现本务机车制动机的控制；然后将控制信号通过c a n 总线传送到重联机车制动机m b c u ，重联机车制动机m b c u 接收到这个信号 后，通过自身的d a 输出或数字i ，o 实现重联机车制动机的控制；然后将自身 的部分状态信息通过c a n 总线发送到本务机车制动机m b c u ，以供计算，实 现有反馈控制：从而达到本务重联机车制动机的动作协调一致，实现制动重联。 基于c a n 总线的机车制动系统重联原理见图1 4 所示。 匿力信号 大川、闸指令信号 电越阀手动阀 状态信号一 图l 一4基于c a n 总线的机车制动系统重联原理 1 5 本论文的主要工作和内容 出 动阀 本论文的主要工作是新一代微机控制机车制动机重联系统的研究。它的关 键是在微机控制制动单元( m i c r o c o m p u t e rb r a k ec o n t r 0 1u n i t ，m b c u ) 的硬件 基础上实现重联通信。论文的主要内容有： ( 1 ) 新型机车制动系统重联方案设计； ( 2 ) 基于c a n 总线的机车重联系统通信； ( 3 ) 新一代微机控制机车制动机m b c u 与列车控制网络的信息交换： ( 4 ) 整个系统的软件设计； ( 5 ) 重联系统联合调试和试验。 亘壹至垦查堂堡主堑窭兰兰焦迨奎篁j ! 夏 第2 章新一代机车制动系统重联总体结构 新一代机车制动系统重联是在新一代机车制动机的基础上实现制动重联。 主要是通过新一代机车制动机m b c u 中的通信板，采用定的通信协议，实 现本务，重联机车制动机信息的共享，从而达到制动重联的目的。 2 1 新一代机车制动机基本结构及功能 新一代机车制动机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( 模拟式比例电磁阀) 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。系统主要由咀下部分组成： 自动制动阀( 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景。除紧急 制动外，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 柄置于相应位置，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， m b c u 通过d 埴输出控制两个e p 阀，以此来控制列车管及机车制动虹的充、 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，达到紧急制动的目的； 单独制动阀( 单阀) 为纯气动阀，采用位置减压式结构，即可以实现 无级减压； 微机制动控制单元( 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、完成与机车动力 制动、安全控制装置及自动驾驶装置进行协调配合，同时实现不同机车制动机 m b c u 之间的通信以及与列车控制网络接口的通信； 模拟式比例电空阀( e p 阀) 接收m b c u 发出的指令，分别控制列车 管和机车制动缸的空气压力； 机车紧急制动作用阀紧急制动时将总风引入压力开关 ，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、总风遮断阊、作用阀、紧急放风 除上述部件外，系统内还安装有中继阀、总风遮断阊、作用阀、紧急放风 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 阀、紧急制动阀、电磁阀、手动阀、双向阀、压力开关和压力传感器等部件。 新一代机车制动机基本结构和工作原理参照图2 6 【5 1 。 2 1 1 新一代机车机车制动机本务状态工作原理 新一代机车制动机处于本务状态时，将本务重联转换手柄 、 、 置于 本务位，列车管充气截止阀 和塞门开通。 2 1 1 1 自动制动阀操纵 自阀用于对机车和车辆进于亍制动和缓解，它的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，向m b c u 发出不同的信号，控 制机车和车辆的制动和缓解。 初充气缓解作用风缸压力空气排入大气，其压力下降，引起机车制动 缸压力空气排入大气，压力下降，机车得到缓解。同时均衡风缸接受来自总风 缸的压力空气，压力上升，通过减压阀接通总风管与列车管，从而列车管压力 上升，车列得到缓解。 常用制动作用风缸通过减压阀与总风管接通，其压力上升，因此将机 车制动缸与总风管通过减压阀接通，其压力上升，机车实现制动：同时，均衡 风缸压力空气通过e p 阀排入大气，从而将列车管通过中继阀与大气接通， 列车管减压，车列实现制动。 常用制动后缓解均衡风缸压力逐渐增大，作用风缸压力逐渐减小，从 而使车列和机车阶段缓解。 牵引一次缓解型车辆且在制动后欲实施缓解时，须将自阀手柄从制动区一 次性移至缓解位，使机车和车辆制动缸压力一次缓解到零。而当牵引阶段缓解 型车辆时，可将自闽手柄从制动区分阶段向缓解位移动。 紧急制动自阀手柄置于紧急制动位，打开自阀内一个大口径排风口， 快速排放列车管内的压力空气，同时角位移传感器向m b c u 发出紧急制动信 号。列车管压力急剧下降后，压力传感器也向m b c u 发出紧急信号。 m b c u 收到角位移传感器和压力传感器 的信号后，执行下列动作： ( 1 ) e p 阀以紧急速率使均衡风缸降压；列车管压力空气经中继闷的 排气口紧急排入大气；自阀内的大口径排气口和e p 阎都可使列车管产生紧 急压降，两条通路确保车列产生紧急制动； ( 2 ) e p 阀关闭排气阀口，打开进气阀口。总风经减压阀减至紧急制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 动压力后，将作用风缸充至紧急制动定压，引起总风经作用阀向机车制动缸 充气，制动缸稳态压力与作用风缸压力相等，机车产生紧急制动； ( 3 ) 电磁阀 得电，总风经该阀进入总风遮断阀 ，关闭总风遮断阀。 确保在紧急制动时，总风不能经中继阀给列车管补风。 作为冗余安全措施，列车管紧急减压将使紧急放风阀动作，列车管压力 空气经该阀内的大排气口排入大气。同时，机车紧急制动作用阀 也发生动作， 将总