重載組合列車試驗方案設計和測試系統開發＊

徐 倩，冀 彬，倪純雙，王悅明，章 亮

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 太原鐵路局 機務處，山西太原037000）

發展重載運輸，提高貨車軸重，是提高鐵路重載運輸能力的有效途徑。軸重一定，要提高運能，從車輛方面講，就要加長列車編組，但是由此引起的編組方式、機車操縱、制動性能、縱向沖動等問題需要進行科學研究。我國的運煤專線線況復雜，坡道、隧道多，曲線半徑小，掌握列車運行的動力學特性，科學分析列車中的車輛狀態、研究不同列車編組型式的機車同步性、列車制動特性等問題，對于提高重載列車的運輸安全效率是十分重要的。

重載組合列車的特點是列車編組長，傳統的測試方式不能應用于測試列車中多個貨車位置（簡稱“斷面”）的參數。在2萬t重載組合列車綜合試驗的基礎上，成功研制了一套適用于長大貨物列車的分布式縱向動力學、牽引及制動測試系統，在多次重載列車試驗中應用，徹底解決了長大貨物列車的測試難題。

1 試驗方案設計

大秦線2萬t組合列車是我國首次采用機車Locotrol無線同步技術的重載列車，初期開行時車輛采用C80貨車。2萬t重載組合列車長度約為2 800m。根據重載列車編組方式和重載列車中機車編組方式不同的方案特性，需要對機車的牽引性能、車輛的制動性能、車輛縱向動力學性能等特性進行研究和分析。

1.1 試驗方案設計

根據實際需求，試驗方案設計如下：

（1）列車靜置制動試驗：包括列車制動系統漏泄試驗；常用制動試驗；壓力保持試驗；緊急制動試驗；階段制動試驗；循環制動試驗；通訊丟失后制動性能測試；懲罰制動性能試驗。

（2）列車運行試驗方案包括①為檢測起動方法對牽引性能和縱向動力學參數的影響的起動牽引性能試驗；②為考核坡道起動加速牽引性能和對縱向動力學性能的影響設置在4‰限制坡道的起動加速能力試驗以及4‰上坡道的加速能力試驗；③為考核長大下坡道機車控制列車速度能力而設置-12‰下坡道的的調速制動試驗以及循環制動試驗；④長大下坡道以及平直道的緊急制動以及最大常用全制動試驗。對所有運行試驗方案下的車體加速度以及車鉤力指標進行監測，以考核指標是否滿足相關規定及標準的要求。

根據試驗方案，采取系統措施減少列車的縱向沖動，使長大列車運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 試驗內容

試驗內容主要歸納為3類：

（1）動力學測試

動力學測點主要包括車鉤力、車鉤擺角、緩沖器特性、車輛振動加速度等；

（2）牽引參數測試

牽引參數主要為機車牽引能力測試，包括網壓網流、牽引／電制動力、電機溫升、起動加速性能等參數測試；

（3）制動參數測試

制動參數主要為機車空氣壓力信號如均衡風缸、列車管、制動缸壓力，車輛制動信號（主要包括列車管、副風缸、制動缸壓力），另外還需進行閘瓦溫升測試以確保軸承的溫升在要求范圍內。

2 測試系統開發

2.1 測試系統設計

測點需要分布在全部編組長度范圍內，采用雙絞線、光纖的網絡化布線方案無論從布線難度、可靠性等方面都存在諸多不足之處。又由于重載列車長度較長，需經常解編，這樣各測點的同步和監控要求不能采用雙絞線或光纖等有線方案，必須考慮無線連接的方案。每個斷面的測點匯集到數據采集系統后，需要經過網絡將斷面的數據采集（數采）系統組合成一個綜合的測試系統，并根據控制中心的控制指令進行工作。

貨物列車上沒有220V交流電源，只能使用電池供電，為此數采系統必須能使用電池供電，且功耗較低。

貨物列車的數采系統必須能經受極端環境溫度-40℃～+50℃以及95%左右濕度的考驗。

貨物列車的振動比客車大得多，為此數采系統必須能經受長時間的振動以及一定的沖擊。

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

針對大秦線重載試驗，還必須考慮大秦線運輸的特點，列車在到達目的地之后要立即解編，到翻車線上卸煤，為此數采系統必須要做到尺寸小巧和質量輕，才能便于攜帶拆卸。

在采用無線同步和監控方案時，考慮到大秦線處于山區，還有許多小曲線半徑線路以及隧道等，無線通訊不可避免的會造成采樣數據的丟失，這時數采系統必須有本地存儲的能力。

各測試儀器的信號需要時鐘同步，才能實現數據的一致性分析。

綜合上述分析，在重載列車的試驗中必須采用基于無線網絡分布式的測試系統。

2.2 測試系統的設備選型

基于上述測試系統的方案，測試設備既要滿足測得多種信號的要求，又要滿足重載貨車的惡劣條件，因此，數采系統需要便攜、滿足分布式數采以及多種采集信號（如電壓、應變、熱電偶等信號）的要求：同時數采系統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；數采系統之間還可同步操作，同步可以采用GPS、GSM或其他有線方式進行；采樣數據可以本地存儲、PC存儲，又可以實時遠端監控；數采系統還需要滿足可以級聯的要求。

2.3 測試系統的硬件設計

（1）無線網絡傳輸設備

測試系統的無線網絡功能是連接兩個或者多個測試點的儀器，實時傳輸試驗數據。因此采用無線網橋實現這些功能。網絡標準為IEEE802.11b，頻帶寬度為2.4～2.497GHz，可以提供很高的數據傳輸速率（11 Mb／s）和較高的輸出功率（100mW），傳輸距離是系統硬件設計的主要考慮因素之一，連接最遠距離應在10 km以上。另外，網絡占用公用頻點，無需申請及付費，而且能夠適應惡劣的環境，需要支持點對點和點對多點配置。

（2）系統電源供給

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

（3）數采系統

選型后的數采系統應用模式如下，首先需要保證各測點數據的同步性，儀器的同步依靠GPS衛星接收器實現，采用GPS的UTC（標準時間）進行各數采系統的時間同步。GPS授時精度為1μs，可以保證儀器之間的時間差在1μs以內。這樣就解決了不同斷面的數據不能同時進行分析的難題。

數采系統可以進行本地存儲，同時也可以進行PC存儲，本地存儲的數據可以通過網絡傳輸至控制中心。控制中心將收到的各斷面網絡數據進行匯總及處理，實時報告測點數據。

由于重載列車編組長，運行線路復雜，無線網絡不能保證列車運行在任何位置都是通暢的，因此在進行數據傳輸的同時，必須將數據存儲至本地。這樣盡管無線網絡暫時性失連，數據也不會丟失。

圖1為測試系統組成示意圖。圖2為測試系統工作箱。

圖1 測試系統組成示意圖

圖2 網橋的天線安裝

2.4 測試系統的軟件開發

借助于中國鐵道科學研究院機車車輛研究所的DASO軟件，在此基礎上開發適用于重載列車試驗方案的軟件。無線分布式綜合軟件開發主要考慮如下幾點：

（1）由于無線通訊不可避免的會出現暫時通訊中斷的問題，因此軟件在運行的過程中必須能適應網絡不暢的情況，在網絡異常時系統能進行必要的保護，而當網絡恢復時系統能及時捕捉到信息并恢復控制；

（2）由于無線通訊的中斷會造成部分數據的丟失，必須以本地存儲的數據為準，為此軟件必須能夠對本地存儲的數據進行有效的轉換管理；

（3）軟件在監控的過程中必須能實時顯示各斷面所有通道的狀態；

圖3為利用開發的軟件應用于大秦線2萬t重載組合列車試驗的軟件界面圖例。

圖3 DASO軟件運行的監控界面

3 測試系統的應用實例

以采用Locotrol技術開行2萬t重載組合列車綜合試驗為例，介紹測試系統平臺進行重載組合列車試驗的實際應用。

試驗共設置9個測試斷面。1號斷面的測試項目包括主控機車的牽引信號，如網壓網流、牽引／電制動力；包括主控機車的壓力信號，如機車均衡風缸、機車列車管、機車制動缸信號；還包括1位車輛的壓力信號及車鉤力、車體加速度、緩沖器位移信號以及速度信號。同時1號斷面也為全部試驗的控制中心，向所有斷面的儀器發出采集以及停止試驗的指令，接收所有斷面的數據。5號斷面的測試項目和1號測試斷面相同，只是機車為從控機車。其余斷面的測點均為C80貨車測點。

測試工作箱中集成了電源、數采系統、無線網橋，GPS以及傳感器信號接入數采系統，控制中心發出指令要求儀器采用GPS時鐘同步，進而開始記錄數據。在試驗中實時顯示線路、速度、傳感器信號等信息。圖4為測試的網壓、網流及信號。圖5為緊急制動工況下各斷面車鉤力的變化曲線。圖6為循環制動工況下的電制動力、壓力信號及車鉤力波形圖。

圖4 緊急工況機車及車輛信號時域圖

圖5 緊急制動工況下各斷面車鉤力圖

圖6 傳感器信號的時域波形圖

4 結束語

測試系統研制成功后，先后承擔了近20次的“大秦線2萬t重載列車縱向動力學、牽引以及制動性能試驗”、“大包線重載列車試驗”，以及貨車溜放試驗等，徹底解決了長大貨物列車的測試難題，為研究分析重載列車的機車牽引操縱，制動方案以及降低縱向沖動等問題提供了科學依據。該套測試系統也能適用于其他各種需要分布式測量的環境，如長大橋梁，大型建筑物的測試等。

［1］倪純雙.超長重載列車縱向動力學、牽引及制動統一測試平臺的研究［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2006.

［2］嚴雋耄，翟婉明，陳清，傅茂海.重載列車系統動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［3］陶強.大秦線2萬t重載組合列車綜合試驗報告［R］，北京：中國鐵道科學研究院，2006.

［4］耿志修.大秦鐵路重載運輸技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.