重載組合列車試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)＊

徐 倩，冀 彬，倪純雙，王悅明，章 亮

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 太原鐵路局 機(jī)務(wù)處，山西太原037000）

發(fā)展重載運(yùn)輸，提高貨車軸重，是提高鐵路重載運(yùn)輸能力的有效途徑。軸重一定，要提高運(yùn)能，從車輛方面講，就要加長(zhǎng)列車編組，但是由此引起的編組方式、機(jī)車操縱、制動(dòng)性能、縱向沖動(dòng)等問(wèn)題需要進(jìn)行科學(xué)研究。我國(guó)的運(yùn)煤專線線況復(fù)雜，坡道、隧道多，曲線半徑小，掌握列車運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)特性，科學(xué)分析列車中的車輛狀態(tài)、研究不同列車編組型式的機(jī)車同步性、列車制動(dòng)特性等問(wèn)題，對(duì)于提高重載列車的運(yùn)輸安全效率是十分重要的。

重載組合列車的特點(diǎn)是列車編組長(zhǎng)，傳統(tǒng)的測(cè)試方式不能應(yīng)用于測(cè)試列車中多個(gè)貨車位置（簡(jiǎn)稱“斷面”）的參數(shù)。在2萬(wàn)t重載組合列車綜合試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，成功研制了一套適用于長(zhǎng)大貨物列車的分布式縱向動(dòng)力學(xué)、牽引及制動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在多次重載列車試驗(yàn)中應(yīng)用，徹底解決了長(zhǎng)大貨物列車的測(cè)試難題。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

大秦線2萬(wàn)t組合列車是我國(guó)首次采用機(jī)車Locotrol無(wú)線同步技術(shù)的重載列車，初期開(kāi)行時(shí)車輛采用C80貨車。2萬(wàn)t重載組合列車長(zhǎng)度約為2 800m。根據(jù)重載列車編組方式和重載列車中機(jī)車編組方式不同的方案特性，需要對(duì)機(jī)車的牽引性能、車輛的制動(dòng)性能、車輛縱向動(dòng)力學(xué)性能等特性進(jìn)行研究和分析。

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需求，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：

（1）列車靜置制動(dòng)試驗(yàn)：包括列車制動(dòng)系統(tǒng)漏泄試驗(yàn)；常用制動(dòng)試驗(yàn)；壓力保持試驗(yàn)；緊急制動(dòng)試驗(yàn)；階段制動(dòng)試驗(yàn)；循環(huán)制動(dòng)試驗(yàn)；通訊丟失后制動(dòng)性能測(cè)試；懲罰制動(dòng)性能試驗(yàn)。

（2）列車運(yùn)行試驗(yàn)方案包括①為檢測(cè)起動(dòng)方法對(duì)牽引性能和縱向動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響的起動(dòng)牽引性能試驗(yàn)；②為考核坡道起動(dòng)加速牽引性能和對(duì)縱向動(dòng)力學(xué)性能的影響設(shè)置在4‰限制坡道的起動(dòng)加速能力試驗(yàn)以及4‰上坡道的加速能力試驗(yàn)；③為考核長(zhǎng)大下坡道機(jī)車控制列車速度能力而設(shè)置-12‰下坡道的的調(diào)速制動(dòng)試驗(yàn)以及循環(huán)制動(dòng)試驗(yàn)；④長(zhǎng)大下坡道以及平直道的緊急制動(dòng)以及最大常用全制動(dòng)試驗(yàn)。對(duì)所有運(yùn)行試驗(yàn)方案下的車體加速度以及車鉤力指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以考核指標(biāo)是否滿足相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)的要求。

根據(jù)試驗(yàn)方案，采取系統(tǒng)措施減少列車的縱向沖動(dòng)，使長(zhǎng)大列車運(yùn)用中各種工況下的車鉤力和縱向加速度控制在允許限度之下。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容主要?dú)w納為3類：

（1）動(dòng)力學(xué)測(cè)試

動(dòng)力學(xué)測(cè)點(diǎn)主要包括車鉤力、車鉤擺角、緩沖器特性、車輛振動(dòng)加速度等；

（2）牽引參數(shù)測(cè)試

牽引參數(shù)主要為機(jī)車牽引能力測(cè)試，包括網(wǎng)壓網(wǎng)流、牽引／電制動(dòng)力、電機(jī)溫升、起動(dòng)加速性能等參數(shù)測(cè)試；

（3）制動(dòng)參數(shù)測(cè)試

制動(dòng)參數(shù)主要為機(jī)車空氣壓力信號(hào)如均衡風(fēng)缸、列車管、制動(dòng)缸壓力，車輛制動(dòng)信號(hào)（主要包括列車管、副風(fēng)缸、制動(dòng)缸壓力），另外還需進(jìn)行閘瓦溫升測(cè)試以確保軸承的溫升在要求范圍內(nèi)。

2 測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)點(diǎn)需要分布在全部編組長(zhǎng)度范圍內(nèi)，采用雙絞線、光纖的網(wǎng)絡(luò)化布線方案無(wú)論從布線難度、可靠性等方面都存在諸多不足之處。又由于重載列車長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需經(jīng)常解編，這樣各測(cè)點(diǎn)的同步和監(jiān)控要求不能采用雙絞線或光纖等有線方案，必須考慮無(wú)線連接的方案。每個(gè)斷面的測(cè)點(diǎn)匯集到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)將斷面的數(shù)據(jù)采集（數(shù)采）系統(tǒng)組合成一個(gè)綜合的測(cè)試系統(tǒng)，并根據(jù)控制中心的控制指令進(jìn)行工作。

貨物列車上沒(méi)有220V交流電源，只能使用電池供電，為此數(shù)采系統(tǒng)必須能使用電池供電，且功耗較低。

貨物列車的數(shù)采系統(tǒng)必須能經(jīng)受極端環(huán)境溫度-40℃～+50℃以及95%左右濕度的考驗(yàn)。

貨物列車的振動(dòng)比客車大得多，為此數(shù)采系統(tǒng)必須能經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)以及一定的沖擊。

貨物列車的密封較差，如大秦線運(yùn)煤的敞車就完全沒(méi)有密封措施，這樣數(shù)采系統(tǒng)必須有抗粉塵顆粒污染的能力。

針對(duì)大秦線重載試驗(yàn)，還必須考慮大秦線運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，列車在到達(dá)目的地之后要立即解編，到翻車線上卸煤，為此數(shù)采系統(tǒng)必須要做到尺寸小巧和質(zhì)量輕，才能便于攜帶拆卸。

在采用無(wú)線同步和監(jiān)控方案時(shí)，考慮到大秦線處于山區(qū)，還有許多小曲線半徑線路以及隧道等，無(wú)線通訊不可避免的會(huì)造成采樣數(shù)據(jù)的丟失，這時(shí)數(shù)采系統(tǒng)必須有本地存儲(chǔ)的能力。

各測(cè)試儀器的信號(hào)需要時(shí)鐘同步，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性分析。

綜合上述分析，在重載列車的試驗(yàn)中必須采用基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式的測(cè)試系統(tǒng)。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)備選型

基于上述測(cè)試系統(tǒng)的方案，測(cè)試設(shè)備既要滿足測(cè)得多種信號(hào)的要求，又要滿足重載貨車的惡劣條件，因此，數(shù)采系統(tǒng)需要便攜、滿足分布式數(shù)采以及多種采集信號(hào)（如電壓、應(yīng)變、熱電偶等信號(hào)）的要求：同時(shí)數(shù)采系統(tǒng)的抗沖擊能力至少在20g以上、可以接受電池供電及交流AC220V供電兩種方式；數(shù)采系統(tǒng)之間還可同步操作，同步可以采用GPS、GSM或其他有線方式進(jìn)行；采樣數(shù)據(jù)可以本地存儲(chǔ)、PC存儲(chǔ)，又可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)端監(jiān)控；數(shù)采系統(tǒng)還需要滿足可以級(jí)聯(lián)的要求。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（1）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備

測(cè)試系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能是連接兩個(gè)或者多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的儀器，實(shí)時(shí)傳輸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此采用無(wú)線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)這些功能。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11b，頻帶寬度為2.4～2.497GHz，可以提供很高的數(shù)據(jù)傳輸速率（11 Mb／s）和較高的輸出功率（100mW），傳輸距離是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要考慮因素之一，連接最遠(yuǎn)距離應(yīng)在10 km以上。另外，網(wǎng)絡(luò)占用公用頻點(diǎn)，無(wú)需申請(qǐng)及付費(fèi)，而且能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境，需要支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)配置。

（2）系統(tǒng)電源供給

重載列車中間斷面無(wú)法獲得220V交流電源，因此斷面采用鋰電池為數(shù)采系統(tǒng)、傳感器以及網(wǎng)橋供電。鋰電池除了溫度要求外，功率滿足支持每個(gè)測(cè)試斷面工作約15h。同時(shí)電池也具有各種電路保護(hù)功能，輸出電壓平穩(wěn)，具有一定的抗振性能。

（3）數(shù)采系統(tǒng)

選型后的數(shù)采系統(tǒng)應(yīng)用模式如下，首先需要保證各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同步性，儀器的同步依靠GPS衛(wèi)星接收器實(shí)現(xiàn)，采用GPS的UTC（標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間）進(jìn)行各數(shù)采系統(tǒng)的時(shí)間同步。GPS授時(shí)精度為1μs，可以保證儀器之間的時(shí)間差在1μs以內(nèi)。這樣就解決了不同斷面的數(shù)據(jù)不能同時(shí)進(jìn)行分析的難題。

數(shù)采系統(tǒng)可以進(jìn)行本地存儲(chǔ)，同時(shí)也可以進(jìn)行PC存儲(chǔ)，本地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心?？刂浦行膶⑹盏降母鲾嗝婢W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總及處理，實(shí)時(shí)報(bào)告測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

由于重載列車編組長(zhǎng)，運(yùn)行線路復(fù)雜，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不能保證列車運(yùn)行在任何位置都是通暢的，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，必須將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至本地。這樣盡管無(wú)線網(wǎng)絡(luò)暫時(shí)性失連，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。

圖1為測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖。圖2為測(cè)試系統(tǒng)工作箱。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖

圖2 網(wǎng)橋的天線安裝

2.4 測(cè)試系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)

借助于中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所的DASO軟件，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)適用于重載列車試驗(yàn)方案的軟件。無(wú)線分布式綜合軟件開(kāi)發(fā)主要考慮如下幾點(diǎn)：

（1）由于無(wú)線通訊不可避免的會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)通訊中斷的問(wèn)題，因此軟件在運(yùn)行的過(guò)程中必須能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)不暢的情況，在網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)系統(tǒng)能進(jìn)行必要的保護(hù)，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)系統(tǒng)能及時(shí)捕捉到信息并恢復(fù)控制；

（2）由于無(wú)線通訊的中斷會(huì)造成部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失，必須以本地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，為此軟件必須能夠?qū)Ρ镜卮鎯?chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換管理；

（3）軟件在監(jiān)控的過(guò)程中必須能實(shí)時(shí)顯示各斷面所有通道的狀態(tài)；

圖3為利用開(kāi)發(fā)的軟件應(yīng)用于大秦線2萬(wàn)t重載組合列車試驗(yàn)的軟件界面圖例。

圖3 DASO軟件運(yùn)行的監(jiān)控界面

3 測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

以采用Locotrol技術(shù)開(kāi)行2萬(wàn)t重載組合列車綜合試驗(yàn)為例，介紹測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行重載組合列車試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用。

試驗(yàn)共設(shè)置9個(gè)測(cè)試斷面。1號(hào)斷面的測(cè)試項(xiàng)目包括主控機(jī)車的牽引信號(hào)，如網(wǎng)壓網(wǎng)流、牽引／電制動(dòng)力；包括主控機(jī)車的壓力信號(hào)，如機(jī)車均衡風(fēng)缸、機(jī)車列車管、機(jī)車制動(dòng)缸信號(hào)；還包括1位車輛的壓力信號(hào)及車鉤力、車體加速度、緩沖器位移信號(hào)以及速度信號(hào)。同時(shí)1號(hào)斷面也為全部試驗(yàn)的控制中心，向所有斷面的儀器發(fā)出采集以及停止試驗(yàn)的指令，接收所有斷面的數(shù)據(jù)。5號(hào)斷面的測(cè)試項(xiàng)目和1號(hào)測(cè)試斷面相同，只是機(jī)車為從控機(jī)車。其余斷面的測(cè)點(diǎn)均為C80貨車測(cè)點(diǎn)。

測(cè)試工作箱中集成了電源、數(shù)采系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)橋，GPS以及傳感器信號(hào)接入數(shù)采系統(tǒng)，控制中心發(fā)出指令要求儀器采用GPS時(shí)鐘同步，進(jìn)而開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)中實(shí)時(shí)顯示線路、速度、傳感器信號(hào)等信息。圖4為測(cè)試的網(wǎng)壓、網(wǎng)流及信號(hào)。圖5為緊急制動(dòng)工況下各斷面車鉤力的變化曲線。圖6為循環(huán)制動(dòng)工況下的電制動(dòng)力、壓力信號(hào)及車鉤力波形圖。

圖4 緊急工況機(jī)車及車輛信號(hào)時(shí)域圖

圖5 緊急制動(dòng)工況下各斷面車鉤力圖

圖6 傳感器信號(hào)的時(shí)域波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)試系統(tǒng)研制成功后，先后承擔(dān)了近20次的“大秦線2萬(wàn)t重載列車縱向動(dòng)力學(xué)、牽引以及制動(dòng)性能試驗(yàn)”、“大包線重載列車試驗(yàn)”，以及貨車溜放試驗(yàn)等，徹底解決了長(zhǎng)大貨物列車的測(cè)試難題，為研究分析重載列車的機(jī)車牽引操縱，制動(dòng)方案以及降低縱向沖動(dòng)等問(wèn)題提供了科學(xué)依據(jù)。該套測(cè)試系統(tǒng)也能適用于其他各種需要分布式測(cè)量的環(huán)境，如長(zhǎng)大橋梁，大型建筑物的測(cè)試等。

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