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)

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

當前,主要利用列車尾部安全防護裝置(以下簡稱列尾裝置)來檢測列車制動主管貫通狀態(tài),若有折角塞門關閉(以下簡稱折關)現(xiàn)象發(fā)生時,則通過列尾裝置司機控制盒上的排風按鈕進行列車尾部排風制動。列尾裝置是取消守車后用來監(jiān)測列車尾部風壓的重要行車安全裝備之一,對列車運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、干預的設備。因此,有必要研制一套裝置,不僅能規(guī)范機車乘務員進行標準化制動機試驗,而且能在試風過程中由裝置自動判定列車編組中有無折關及關閉的位置,主動預防因非正常折關引發(fā)的行車事故,這對行車安全大有裨益。

1 綜合折關判定方法研究

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

1.1 緩解過程檢測列車管折角塞門狀態(tài)

(1)利用充風時間關系來進行貫通判定

列車管充風(緩解)時間是指機車向列車制動主管從某一壓力值開始充風到另一壓力值所用的時間。當列車的編組確定以后也就固定了機車車輛各制動管路的儲風量,我們可以把它看成一個整體,列車的編組輛數(shù)越大,這個儲風裝置的容量就越大,機車對它充風的時間也就越長。機車向列車管從某一壓力值開始充風,當風壓達到500 kPa或600 kPa時,就認為充滿風了,也即是完全緩解了。理論上可以用充風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閉后,整個列車就分成兩個部分,此時機車再向車列充風(此時只能對前半部分進行充風)充風時間便會縮短;如果把整個列車狀態(tài)良好、列車管沒有被關閉時計算出標準的單個車輛充風時間做為依據(jù)與折角塞門被關閉后的充風時間進行比較計算,可以算出被關閉的位置。

(2)利用檢測機車向車列充風流量的方法實現(xiàn)充風判關

在機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)學模型進行計算:

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

圖1 流量計安裝示意圖

1.2 排風時間及減壓量檢測列車管折角塞門狀態(tài)

根據(jù)機車及車輛制動機原理,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。而機車及車輛的副風缸、加速緩解風缸、三通閥、制動缸、降壓風缸等部件對該排風時間不構(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口上安裝高靈敏度的半導體壓力傳感器,利用它可以準確實時采集到列車管壓力的變化量,中繼閥排風開始及結(jié)束時間,基于排風時間及減壓量兩種參數(shù)和列車的編組情況,建立減壓判定折關的數(shù)學模型。用測量機車上的中繼閥排風口的排風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)學模型為:

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

數(shù)學模型所需的試驗數(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)運用中各種實際狀況,對折關位置判定計算中各系數(shù)、常數(shù)項進行微調(diào)后可以滿足需要。2007年9月在成都東進行的60輛混編空車試驗的試驗數(shù)據(jù),開展了有關修正系數(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 折關檢測實現(xiàn)手段及對機車的控制方法

基于簡化操作,不增加乘務人員額外勞動,裝置便能自動測試,根據(jù)列車的不同運行工況自動進行分級控制的設計思想,通過對折關發(fā)生的機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。即強制執(zhí)行開車前的制動機試驗(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)生的折關隱患;通過途中的充排風過程,來發(fā)現(xiàn)運行過程中的“意外折關”;并根據(jù)列車綜合工況進行“機車卸載”,對于與列尾裝置互連的機車,還能實現(xiàn)“首尾排風制動”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,裝置將控制機車無法加載,語音提示并顯示出折關位置。在列車進行充風緩解或減壓調(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,在警示無效后對列車實施自動控制:即裝置先進行機車卸載,再實施常用制動。

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

3 系統(tǒng)的硬件和軟件設計

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、人機對話接口單元、機車牽引制動控制單元、機車工況采集單元。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車信息綜合平臺TAX箱、列車尾部安全防護裝置、機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和人機對話系統(tǒng)構(gòu)成。主機安裝在機械間內(nèi),人機對話系統(tǒng)則安裝在司機室內(nèi)。

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

系統(tǒng)軟件采用自頂向下的結(jié)構(gòu)化設計方法,根據(jù)系統(tǒng)功能進行需求分析、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)對制動機和壓力信號的實時采集;制動機試風試驗模塊完成感度試驗、安定試驗、漏泄試驗等相關試驗;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車的控制方法,根據(jù)列車綜合工況進行“機車卸載”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閉而專門設計的預警及處置裝置,該裝置通過特定算法從機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閉的位置。可實現(xiàn)列尾風壓自動查詢、嚴重折關時向尾部發(fā)送排風指令等功能,可有效防止因折角塞門被非正常關閉引發(fā)的惡性行車事故,對防止列車事故,確保運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用,效果良好。下一步研究的重點是根據(jù)大量運用后的情況對本裝置實行進一步優(yōu)化改進,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)燃機車,1999,(6):1-5.

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

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