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动车组关键技术概述

已有 1061 次阅读 2019-8-7 20:17 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 动车组, 车体, 转向架, 制动, 网络控制

动车组关键技术概述

伍赛特

 

0 引言

为了使列车高速运行安全、舒适程度高、对线路的破坏作用小、维修工作量小,要求其运行阻力小、重量轻、气密性和减振降噪性能好、防火性能高,车间连接装置传递与缓冲纵向力的性能亦要好。为满足这些性能要求,高速动车组采用了大量新技术、新材料和新工艺。

 

1动车组系统集成技术

    高速动车组是当今世界高新技术的集成,应用了高速轮轨技术、大功率牵引、制动控制技术、列车运行控制、空气动力学工程、可靠性与安全性技术等铁路技术专业领域的最新重大成果,是高速铁路的核心装备。

动车组主要由动车、拖车、控制车按一定技术要求编挂在一起,对动车组车体、转向架以及牵引变流、制动、网络控制、辅助供电、车辆连接等元素按照有关参数进行合理选择设计,进而生产、组装、测试、试验等,完成高速动车组整体集成。通过集成使动车组达到牵引、制动、车辆动力学、列车空气动力学、舒适性、安全性等性能要求。

 

2动车组车体技术

2.1流线型车体结构

对于高速动车组来说,列车头型设计非常重要,好的头型设计可以有效地减少运行空气阻力、列车交会压力波和解决好高速列车运行稳定性等问题。

车身的外形设计主要是横断面形状设计。其设计特点:整个车身断面呈鼓形;采用与车身横断面形状相吻合的裙板遮住车下设备;车体表面光滑平整,尽量减少突出物。

 

2.2车体的轻量化设计

为了节省牵引功率,降低高速所引起的动力作用对线路结构、机车车辆结构产生的损伤,以及提高旅客乘坐舒适度,需要最大限度地降低高速动车组的轴重。实现结构轻量化的主要途径有两个:一是采用新材料,二是合理优化结构设计。

    目前,国外高速车辆的车体材料主要有不锈钢、高强度耐候钢和铝合金。从发展趋势看,铝合金将成为动车组车体的主导材料。

    在保证车体强度和刚度的基础上,应充分利用等强度理论和结构的有限元分析程序,对车体结构进行优化设计,减轻车辆自重。国内外经验证明,通过优化计算,车体结构重量可显著降低。

 

2.3车体的密封技术

    高速列车在会车时,特别是在隧道内会车时,车体表面将受到正负数千帕的瞬时压力变化,车外压力的波动会反应到车厢内,使旅客感到不舒服,轻则压迫耳膜,重则头晕恶心。为了减少压力波的影响,保证旅客的舒适度,需要采取措施提高车辆的密封性能。

    列车的密封需要从车体结构和部件上给予考虑。当前世界各国在高速列车上采用的密封技术主要有:

    1)车体结构采用连续焊缝以消除焊接气隙;对不能施焊的部位,必须用密封胶密封。

    2)采用固定式车窗,车窗的组装工艺要保证密封的可靠性和耐久性。

    3)为保障列车两侧侧门、车端的内端门本身及其与车体连接的密封性能和两车间内风挡连接的密封性能。侧门需要采用密封性能良好的塞拉门;头、尾的端门要采用可充压缩空气的橡胶条,通过台风挡采用橡胶大风挡,并注意处理好渡板处的密封问题。

    4)空调换气设备设置压力控制。

    5)厕所、洗脸室的水不能采用直排式,而要通过密封装置排到车外;对贯穿车下的管路和电缆孔应采取必要的密封措施。

 

2.4动车组降噪技术

为了降低车内噪声,一方面要削弱噪声源发出噪声的强度,另一方面要提高车体的隔声性能。具体来说,可以从车体、内装、设备安装、门窗以及研发使用新材料等角度采取降噪措施。

 

2.4.1车体降噪

1)对来自于车下的振动噪声,提高车体刚度,增强抗振能力,降低振动的传递,可以有效降低噪声的传递;通过优化车体型材断面,适当增强局部结构厚度,结合整体强度和刚度校核分析,确定车体刚度优化措施。

2)增加车体的隔声性能。在车体金属(如地板)表面涂刷防振阻尼层,使钢结构的声频振动转化为热能消散,减少声波的辐射和声波振动的传递,从而减少车内噪声;采用双层车窗,提高车体气密性,减少从侧面传人车内的噪声;采用双层墙结构,同样可增加隔声量45 dBA)。

3)车体外形设计成流线形,车体表面平整、光滑。

4)在车体内表面和部件结构表现针对局部振动和噪声较大的部位,进行局部优化结构设计,并通过增加减振隔声材料,降低噪声的传递。

 

2.4.2内装降噪

1)车内装饰结构降噪。司机室车头、车顶、侧墙、端墙部位是噪声传人影响较大的部位,采取的主要降噪措施是采用隔声、吸声性能较好的优质材料,结合柔弹性连接,阻隔和抑制噪声的传递。对不同的噪声主题频段,采取针对低频、中频和高频不同要求的隔声和吸声材料。对于受电弓安装部位、转向架上部部位、车端部位、司机室等噪声传人较大的部位,进行局部降噪和重点优化。

2)客室降操。充分利用座椅、墙板、顶板等设备和部件的合理布置并设置吸声材料,提高客室内中低频吸声性能,降低客室反射混响噪声。

3)地板降噪。地板部位是车外振动噪声传人客室的重要途径,通过采用隔声吸声结构地板以及柔性或弹性安装结构可以达到降噪的目的。

 

2.4.3设备安装降噪

由于车外噪声及振动引起车内设备部件的激振产生的噪声,可通过对结构连接处采用弹性或柔性连接,以隔离阻断振动噪声的传播途径。另外,调整设备部件自身刚度和进行表面降噪处理,避免共振,减少激振噪声。在车轮上安装消音器和开发弹性车轮,可有效地降低轮轨噪声。在空调系统上安装消音器,降低牵引电机风扇的噪声、驱动装置等设备的振动噪声。

 

2.4.4门窗降噪

1)车窗和车门降噪。车窗和车门是噪声传人的重要部位,动车组车窗可以设置为有多层中空玻璃和铝框粘接而成,内外层都设置为层压玻璃,内外层玻璃之间充有惰性气体,从而具有良好的隔声和隔热性能。为了进一步提高车窗部位的降噪效果,还可从车窗的结构和材料出发,通过进一步的研究,选择新材质,优化其结构和性能。

2)风挡降噪。风挡部位是阻止噪声传人的薄弱环节,动车组内可以采用双层折棚结构和单层橡胶风挡两种形式。同时,作为车端连接的内风挡可以结合外风挡,通过优化结构构成,进一步改善隔声降噪性能。

 

2.4.5其他降噪措施

研发及选用新材料是降噪的重要手段。在优化结构的基础上,通过研究开发或寻找各种新型吸声、隔声、减振材料,结合车内噪声频谱,充分利用材料的降阻特性,合理配置降噪结构组合,针对低频、中频、高频噪声进行抑制,对关键频率范围采取适宜的隔声吸声材料,对低频区域加大隔离和吸声措施,达到改善噪声的目的。

 

2.5倾摆式车体技术

    列车通过曲线时,未被平衡的离心加速度超过允许限度时会对乘客产生不舒适感。这种未被平衡的离心加速度与列车速度的平方成正比,由此限制了列车通过曲线时的速度。摆式列车的基本原理是:在通过曲线时,列车倾摆装置使车体在曲线内侧倾斜一定角度,部分抵消列车通过曲线时车体末被平衡的离心加速度,使作用在旅客身体上的离心加速度保持在容许的范围之内,从而提高列车通过曲线时的运行速度。采用摆式列车可以在既有线路条件下使列车通过曲线时的速度提高约30%

 

3动车组转向架

    在设计制造高速转向架时,必须解决其高速运行时的稳定性、平稳性和良好的曲线通过性能等关键技术问题,以保证高速列车安全行驶、乘坐舒适、减少维修量。

 

3.1动车组转向架的分类

    动车组转向架分为动力转向架和非动力转向架两类。动车下面是动力转向架,拖车下面是非动力转向架。

 

3.2动力转向架和非动力转向架的结构特点

    动力转向架和非动力转向架,其主要部分采用基本一致的结构型式:

    1)均为无摇枕转向架;

    2)轮对为空心车轴,整体轧制车轮、磨耗型车轮踏面;

    3-系悬挂采用钢弹簧+液压式减振器+轴箱定位装置;

4)二系悬挂主要采用空气弹簧系统;

5)牵引装置主要采用牵引拉杆装置,传递牵引力和制动力。

动力转向架还要有:

1)牵引电机,安装方式采用架悬、体悬或轴抱式。其中体悬式可降低簧下质量。

2)驱动装置(齿轮减速装置和联轴节),齿轮减速装置通过轴承安装在车轴上,牵引电机与齿轮减速装置通过联轴节传递驱动力。

此外,动力车和拖车均采用复合制动方式。其中,动力车采用电阻制动(或再生制动)+盘形制动,而拖车采用涡流盘制动(或磁轨制动)+盘形制动。由于动力转向架有牵引电机和驱动装置,空间位置比较紧张,因此需采用轮盘式(每轴2个),而非动力转向架采用轴盘式(每轴2-3个),也可同时采用轮盘式制动。

 

3.3转向架结构轻量化技术

降低转向架自重是高速转向架技术开发的一个重要方面,它对改善车辆振动性能和减小轮轨之间的动力作用均具有显著效果。国外高速转向架轻量化的主要措施之一是采用无摇枕结构,此外还有很多轻量化措施,如:

1)构架结构轻量化。采用焊接构架可比铸钢结构减重50%左右。

2)轮对轻量化。采用空心车轴和小直径车轮,减轻转向架重量。

3)轴箱和齿轮箱采用铝合金制作,其重量大幅减少。

 

4动车组制动及其控制

4.1高速列车的制动方式

1)制动方式的分类。根据列车动能消耗的方式不同,制动方式可分为摩擦制动和动力制动。摩擦制动是指通过机械摩擦来消耗列车动能的制动方式。其优点是制动力与列车速度无关。无论列车是在高速还是低速时都有制动能力,特别是在低速时能对列车施行制动直至停车。可以说,摩擦制动始终是列车最基本的制动方式。摩擦制动的缺点是,制动力有限,这是受热能散发的限制而直接影响制动功率增大的缘故。摩擦制动包括闸瓦制动、盘形制动和磁轨制动等;动力制动是指利用某种能量转换装置,将运行中列车的动能转换为其他形式的能量,并予以消耗的制动方式。其特点是制动力与列车速度有很大关系,列车速度越高,制动力越大,随着列车速度的降低,制动力也随之下降。动力制动包括电阻制动、再生制动、电磁涡流轨道制动以及电磁涡流转子制动等。

根据制动力产生的方式不同,制动方式又可分为黏着制动和非黏着制动。黏着制动是指依靠黏着滚动的车轮与钢轨黏着点之间的黏着力来实现列车制动的方式,包括闸瓦制动、盘形制动、电阻制动、再生制动及电磁涡流转子制动等。非黏着制动包括磁轨制动和轨道涡流制动等。

2)复合制动。传统的纯空气制动能力已不能满足高速列车的需要,高速列车必须采用能提供强大制动力并更好利用黏着的复合制动系统。复合制动系统通常由制动控制系统、动力制动、摩擦制动(如盘形制动和踏面制动等)系统、微机控制的防滑器和非黏着制动装置等组成。复合制动力的产生分别来自电气(动力制动)、机械(盘形制动或踏面制动)和非黏着力(磁轨制动或涡流制动)。

高速列车的复合制动模式包括不同车辆在不同制动作用工况和各种速度下的制动能量分配关系,应根据列车的动力方式和编组条件进行设计并通过微机控制。

 

4.2制动控制系统

4.2.1高速列车制动系统的基本要求

为保证列车正常运行和停车制动,并在意外故障或其他必要情况下具有尽可能短的紧急制动距离,高速列车必须装备高效率和高安全性的制动系统。由于列车的制动能量和速度成平方关系,因此,时速200350 km的高速列车与我国的普通客车(时速100140 km)在制动系统的性能要求和组成方面,均有很大区别。对高速列车制动系统的基本要求如下:

1)制动能力的要求。列车制动能力是根据紧急制动距离标准来设计的。因此需要确定高速列车的紧急制动距离标准。在同样的制动装置、操纵方式和线路条件下,其制动距离基本上与列车制动初速度的平方成正比关系。所以随着列车速度的提高,必须相应地改进其制动装置和制动控制方式才能满足缩短制动距离的要求。在各种不同的制动方式中,又以紧急制动距离为最短。紧急制动是检验列车制动能力和运行安全性的基本技术条件,也是通信信号系统设计和运输组织的重要依据。紧急制动距离的数值是世界各国根据本国铁路情况(主要是列车速度、牵引质量、信号和制动技术等)以及乘坐舒适性(加速度)制订出来的,还要考虑必要的安全裕量,特别是在动力制动作用不良状态下的紧急制动能力,并以此值作为对轮轨间制动黏着的利用、基础制动装置的热容量以及制动控制性能等提出要求的依据。

国外300 km/h高速列车的紧急制动距离均在3 0004 000 m之间。根据制动粘着利用和热负荷等理论计算的结果,我国高速列车在初速300 km/h条件下的复合紧急制动距离可保证在3 700 m以内。

2)舒适性的要求。由于高速列车对制动平均减速度、最大减速度和纵向冲动的要求,均远高于普通旅客列车。因此为满足纵向舒适性的高要求,高速列车制动系统必须采用下述关键技术:

①采用微机控制的电气指令制动系统以实现制动过程的优化控制,并在提高平均减速度的同时尽量减小减速度的变化率。

②对复合制动的模式进行合理设计,使不同形式的制动力达到较佳的匹配作用。

③减少同编组列车中不同车辆制动力的差别,以减缓车辆之间的纵向动力作用。

④组合采用摩擦性能良好的盘形制动装置和强有力的动力制动装置等复合方式,以提供足够的制动力。

3)可靠性要求。制动系统作用的可靠性是列车行车安全的基本保证。特别是高速运行时制动系统失灵的后果将不堪设想。它包含两方面的内容:首先是组成制动系统的零部件和软件必须具备一定的可靠性,这是整个系统可靠的基础;其次是系统的可靠性。

系统的可靠性首先是指系统的重要支系统或关键(薄弱)部件是否有冗余,例如指令传输方式的冗余、备用制动(冷备或热备)相对常用制动的冗余、非常制动相对紧急制动的冗余等。

其次是故障是否导向安全。零部件的可靠性是相对的,不可靠是绝对的。系统只有在“故障导向安全”的前提下,才能在零部件故障时保证系统的基本功能。也只有在这一前提下,冗余才能真正发挥作用。要设计一个可靠的制动系统,除了选择尽量可靠的零部件、精心编制软件以外,更为重要的是运用可靠性理论,进行可靠性设计、可靠性试验和可靠性计算,以此贯穿制动系统的研制过程,并在制动系统的运用过程中加以验证。

 

4.2.2制动控制系统组成

微机控制的制动控制系统由电气部分和气路阀类部分组成。电气部分又包括制动控制器、微机控制系统和安全联锁装置。气路阀类部分包括制动电磁阀和缓解阀、紧急制动电磁阀、强迫缓解电磁阀和切换阀、荷重传感器和EP传感器、重空车压力平衡阀、紧急限压阀、制动缸压力中继阀、总风缸及电控制动压力开关、空电转换电磁阀等。

利用这套控制系统可以操纵两种制动装置:其一是正常情况下使用的采用微机控制的直通式电空制动装置。这是一种以动力制动为优先的动力制动、空气制动、磁轨制动的复合制动方式。其二是在电空制动失效的情况下使用的处于热备用状态下的自动空气制动装置。整个制动系统分成三级控制:网络控制、电控制动控制和空气制动控制。三种控制的安全级别以空气制动最高,其余依次为电空制动和网络制动。其指挥级别以网络控制最高,电空制动控制次之,空气制动控制最低。

 

5动车组牵引与控制系统

5.1动车组的动力配置

动车组动力分散配置有两种模式。一种是完全分散模式,即高速列车编组中的车辆全部为动力车,如日本的o系高速列车,16辆编组中全部是动力车。另一种是相对分散模式,即高速列车编组中大部分是动力车,小部分为无动力的拖车,如日本的100系、700系高速列车,16辆编组中有12辆动力车,4辆是拖车,即12+4拖。

 

5.2动车组牵引传动系统组成

受电弓将接触网的AC25kV单相工频交流电输送给牵引变压器,经变压器降压后的单相交流电供给脉冲整流器,脉冲整流器将单相交流变换成直流电经中间直流电路将直流电输出给牵引逆变器,牵引逆变器输出电压、电流,频率可控的三相交流电供给三相异步牵引电动机,牵引电机轴端输出的转矩与转速通过齿轮传动传递给轮对,转换成车轮牵引力和线速度。是将电能转换成机械能的过程,再生制动运行是将机械能转换成电能。

高压电器设备完成从接触网到牵引变压器的接通与断开,主要包括:受电弓、主断路器、避雷器、电流互感器、接地保护开关等。其中,受电弓最为关键,它负责完成列车运行过程中的高速受流并确保受流质量。高速列车受流的主要特点如下:

1)接触网与受电弓的波动特性。

2)高速列车在高速运行时所受的空气阻力远较常速列车大得多,空气动态力也是高速受电的一个重要因素。

3)受电弓从接触网大功率受电问题。

牵引变压器用来把接触网上取得的25 kV高压电变换为供给牵引变流器及电机、电器工作所适合的电压。针对高速列车交流传动系统的特点,为了抑制变压器二次侧电流纹波、控制开关器件的关断电流以及抑制网侧谐波电流,要求牵引变压器各绕组有很高的电抗(一般在20%以上);为了使二次侧并联的脉冲整流器的负荷平衡,各牵引绕组的电抗必须相等;当二次侧各绕组之间相互干扰很强时,电流波形会产生紊乱,严重影响开关器件的关断电流,要求各绕组之间须采取磁去耦结构;由于变流器负载的谐波电流等会引起牵引变压器局部发热,则需对冷却系统提出高要求;同时高速列车要求其体积小、重量轻、性能稳定。

脉冲整流器是牵引传动系统的电源侧变流器,列车牵引时作为整流器,再生制动时作为逆变器,可以实现牵引与再生工况问快速平滑地转换。

牵引逆变器是牵引传动系统的电机驱动侧变流器,列车牵引时作为逆变器,再生制动时作为整流器,可以实现牵引与再生工况间快速平滑地转换。

牵引电机是实现电能和机械能转换的最核心部件。高速列车要求牵引电机机械强度,高速运行时能承受很大的轮轨冲击力;采用耐电晕、低介质损耗的绝缘系统以适应变频电源供电;电机前后端采用绝缘轴承,以防止电机轴承的电蚀;转子导条采用低电阻、温度系数高的铜合金材料,保证传动系统的控制精度;电机采用轻质高强度材料,以减轻电机自重;采用经过验证的轴承和轴承润滑结构,从而减少电机的维护,保证电机轴承更可靠工作;在输出一定功率的情况下,为减少体积,采用强迫通风和优化的通风结构,充分散热,以降低电机的温升,提高材料的利用率;电机的非传动轴端安装了两个速度传感器;用以给传动控制系统提供速度信号,便于逆变器控制和制动控制。

牵引传动系统是高压系统,为保证系统安全可靠工作,系统的保护十分必要。因此,牵引驱动系统应对各种故障具有检测和保护功能;为了有效利用黏着力,牵引变流器设有牵引时检测空转实施再黏着控制的功能,在制动控制装置设有制动时检测滑行并进行再黏着控制的功能;为了在故障和并联电机载荷分配不均匀等情况时保护牵引电机,设有电机过流检测、电机电流不平衡检测、接地检测等保护功能。

 

5.3动车组牵引网络控制系统

列车牵引网络控制系统是列车网络控制系统的子集,通过列车网络完成列车牵引和传动的分布式实时控制,其工作过程为:列车控制单元通过列车网络获得各车辆单元设备的状态数据,然后根据这些数据,按预先设想的策略向各车辆控制单元发出转矩指令值等控制命令,经车辆控制单元处理后,最后由传动控制单元控制驱动装置实现列车牵引与动力制动等功能。

采用交流传动的高速动车组,列车牵引由分散在多个车辆单元的牵引控制单元和驱动单元构成。列车牵引网络控制系统划分列车级、车辆级和传动级。

列车级完成列车的综合信息管理和控制决策,给出与整个列车有关的给定目标和控制策略。从主司机室采集的司机控制指令、ATP运行控制指令和重联信号,通过列车级处理后,完成列车运行速度、加速度、牵引/制动力等运行目标优化,生产列车牵引控制指令,经列车总线传送到车辆级控制单元,实现列车的统一指挥。列车级控制由列车网络层主司机室的列车控制单元担当。

车辆级的主要任务是监测和管理车辆单元内的设备,接收列车级发来的牵引指令,决策车辆单元的控制策略、优化控制目标、协调控制行为、运行监控和性能评估等等,实施主体是车辆控制单元。

传动级完成传动过程各种物理量和状态开关值的数据采集、数据处理、逻辑控制、调节控制、状态监测与诊断、故障保护、数据通信等功能,具体控制网测高压回路、网测变流器、电机测逆变器和辅助电源。由牵引控制单元具体实施。

 

6动车组车内空气环境控制系统

6.1车内空气环境控制系统组成

当列车以高速运行时,如果开启车窗,车内将会产生强烈的“穿堂风”和噪声,并随之进人大量灰尘。为此,动车组都采用固定车窗;又由于其车体采用气密性高的结构,这就必须很好地解决车内的通风换气问题。另一方面,在外界气温变化时,车内应保持一定的温度和相对湿度,为旅客创造舒适的旅途生活条件。

因此,空气调节装置(简称空调装置)是高速动车组的主要设备之一,通常由通风系统、制冷系统、供暖系统、加湿系统以及自动控制系统等系统组成,另外还包括车内空气压力波动控制系统、应急系统等。并具有以下特点:①高可靠性;②高舒适性;③适应车外压力波的变化;④适应高速车辆轻量化、小型化的要求;⑤低噪声和低振动。

 

6.2车内空气压力波动控制技术

高速列车在通过隧道或两列车交会时,车外空气压力会大幅度变化。例如,列车进入隧道时产生“活塞”效应,列车前部的墙板所承受的空气压力大为增加,而列车尾部处于负压作用下。该压力的变化与列车速度、长度、隧道长度、列车与隧道的断面积比有关。两列车在隧道内交会时,空气压力变化最大。国外曾对进入隧道后车外空气压力的变化进行过专门测定:速度为200 km/h时,空气压力变化为3.24.9 kPa;速度为280 km/h时,空气压力变化为3.95.9kPa

由于车体结构不能做到完全密封,因此,车内空气压力会随着车外空气压力的变化而上下波动。车内压力对旅客的舒适度,尤其是“耳感不适”有很大影响。为了减少压力波的影响,保证旅客的舒适度,一方面高速车辆必须采取良好的空气压力密封,列车空调装置的进排气口应避开低压或涡流区布置;另一方面需要加装可控的间歇或连续作用式进排气控制装置,以便在车外压力发生变化时调节进排气口的工作状态,防止车内空气压力变化过大,并保持一定的正压(一般不小于30 Pa)。

为了在车外气压变化很大时仍能正常地进行通风换气,同时避免通过换气口将车外气压变化传人车内。国外高速客车的通风换气装置都设计成可控式,我国CRH2型动车组是在空调系统中采用了连续换气装置。

 

7动车组网络控制

7.1概述

列车控制系统已从单台机车的集中控制向整列车的分布式网络控制方向发展,网络控制已成为高速动车组的必备技术之一。动车组网络控制系统集测、控、管为一体,是列车运行控制的中枢神经和指挥中心,是保证列车正常运行的关键技术之一。动车组网络控制系统的主要任务有:

1)通过贯穿列车的总线来传送信息,简化连线,减轻列车的重量,降低安装和布线的费用。

2)实现整列车同步、协调、可靠的牵引与制动控制功能。

3)实现整列车的状态监测、故障诊断、故障决策、安全防护等功能,实时将信息显示在信息显示屏上,使司机及时了解列车的运行状态。

4)提供更多的信息流,实现全列车所有智能设备的联网通信和资源共享。

5)实现全列车的自动门控制和空调控制等功能。

6)提供列车车载试验功能。

7)集中管理列车及车载设备运行的相关数据,提高列车的保养能力和降低维护强度。

列车网络控制系统涉及网络、控制和计算机等技术领域。在实时性、安全性、可靠性和运行环境等方面有特殊要求。列车通信网络的选择必须综合考虑如下多种因素:

1)列车运行环境及其可靠性要求。

2)具有列车初运行功能,满足非固定编组列车和列车重联的需求。

3)低层具有防止电介质的接触处氧化等功能。

4)传输介质。

5)传输速率及传输距离。

6)最大节点数。

7)发送的基本周期。

8)介质访问方式,实时性要求高、具有确定的传送时间。

9)传输信号编码和校验方式。

10)拓扑结构。

目前典型的列车网络控制系统基本上采用列车总线和车辆总线的两级分层网络结构。列车总线用于连接列车各个车辆单元(一节车辆或车辆组)的节点(网关);车辆总线用于连接列车总线节点(网关)和连接在该车辆总线的设备。

列车总线与车辆总线之间通过网关通信。网关是将两个或多个不同体系结构、不同协议的网络在高层协议上互联时所用的设备或节点,位于ISO的第七层。它的主要作用是实现不同网络传输协议的翻译和转换工作,因此又叫做网间协议转换器。控制单元及子功能单元统称设备,是车辆总线上用于实现功能的节点;总线控制器管理列车总线或车辆总线,也可以直接参与控制。在列车总线上设有主节点(又称强节点),用于实现列车网络的监控、管理、维护和功能调度,一个列车网络内可设多个主节点作为冗余,但任何时刻只能有一个主节点实施主控。

 

7.2动车组监控与诊断网络的组成

高速动车组的控制、监测与诊断系统是车载分布式的计算机网络系统。在每节车辆(动车或拖车)内通过车厢总线将分布在同一车厢内的各计算机控制装置联网;通过列车总线把分布在不同车厢中的主控单元(节点)联网,直至安装在列车前、后端动车上的列车控制、诊断中心,再通过动车司机操纵台上的显示屏,可选择显示列车中各受控设备的工作状态。从而实现对动车的重联控制和对全列车的综合监控作用。

该系统组成在结构上可以分为三个层次:列车级、车辆级和子系统级。由两个网络即列车网络和车厢网络的各计算机联结构成为一个树状网络系统。系统组成按其作用功能又可分为三部分:首先是一个包括牵引控制、制动控制、车辆部件控制、辅助系统控制和超速防护在内的控制系统,在控制系统的各部分均应作冗余设计,保证在工作层失效时冗余层能顶替工作;同时,在上述各控制中具有各种故障诊断、储存及显示功能,如通风温度检测、转向架动力学性能检测、轴温检测、火灾检测和制动装置检测等均属于这部分的作用功能;此外,还有传输大量信息的网络通信功能,不仅是列车内部各种控制命令、设备状态、旅客服务信息和故障信息等的传输,还包括和地面的无线电网络联络、与车辆维修基地之间的远程故障信息传输等。

 

7.3动车组监测诊断系统

7.3.1监测和诊断系统的任务

对高速动车组实施车上监测和诊断的目的是提高其运营安全性和车辆运用率,优化运行管理,并便于运用和维修作业。为此,监测和诊断的主要任务是:

1)识别部件磨耗和偶发性故障,并记录故障信息。

2)尽量明确显示故障发生的部位和功能范围。

3)在故障情况下提示运行方式,包括提出保持功能措施的建议。

4)提示迅速排除故障的维修方式。

5)在必要时提示紧急制动作用。

6)自动化整备作业,包括全自动的制动过程试验等。

 

7.3.2监测、诊断装置的车载设备

动车组除在司机室内装有显示各种机器动作状态和故障信息的显示装置以外,还有其他一些具有诊断功能的监测装置,按其系统结构和作用功能可以分为:

1)机器监测器。为分析故障原因,需要有故障发生时间(地点)和故障发生前后机器状态的信息记录。因此在机器内装有经常监视机器动作状态的监测器,平时经常按几秒钟的间隔进行记录储存,当发生故障时触发使保护装置动作,从而可保持故障前后的详细记录。其数据采样时间为数十毫秒,在装置高速动作时的采样时间可精确到250Y,S甚至20AS,以便于分析故障。

2)带有传输功能的监测装置。机器监测器带有传输系统,能采集数据和故障显示,并具有表示故障处理顺序的指导显示,还有到站显示、自动广播等服务机器接受传输地面信息的例子。为了减少车辆连接线,传输系统采用串行传输,司机室的显示装置经由中央装置与终端装置连接。在一个有限范围也可设有月检功能与试运行功能。

3)带有运行控制的监测装置。本设备是带有传输功能的监测装置的进一步发展。由于司机室内主控制器及前后转换器等均为无接点化,使传输系统达到高速化及高可靠性。在作月检查时除主控制器本身的检查外,不需要检查员操作主控制器,从司机室中央装置自动发出检查所需的模拟牵引、制动指令,可以有效地进行车内检查。

 

7.3.3车载诊断系统分类

车载诊断系统的结构分为下列三个层次:

1)部件诊断。由各计算机控制装置对其本身进行自诊断,并对被控对象进行监测诊断,然后按事先确定的编码将诊断数据输入控制单元。

2)单节车辆诊断,包括动车和拖车。各车的节点通过车厢总线或输出人口获取、分类、评估本车的诊断数据,并以断电保存的方式存储这些数据,按事先确定的单车诊断参数编码,传输到动力车主控单元中进行故障列表。

3)列车诊断。由列车安装在动力车上的主控单元(诊断中心)获取、分类、评估和存储列车的诊断结果,并在前导动力车上显示,同时可将这些信息存储在其他动车的主控单元中。

上述各层诊断级均应设有故障自诊断、故障信息保存、必要的故障自排除以及将重要故障信息向上一级传送的功能。各诊断装置还应配备有人机接口,以便维修人员从故障部件读取故障信息和对故障进行定位分析,并查知本车的诊断结果。列车诊断级的人机接口应包括彩色液晶显示屏、功能按键及蜂鸣警报器。

 

7.3.4动车组控制与监测诊断的关系

车辆及列车诊断装置作为诊断系统的专用设备,与控制系统不直接相关,但部件诊断这一层一般与控制系统结合在一起,有的是增加插件(插在控制箱中),有的是在控制系统中增加诊断的功能,诊断与控制共享输人和输出数据,不必另外增设传感器。保护性监测不仅是诊断需要,也是控制所必不可少的,诊断主要起故障监测、故障数据的保存、故障性质的评估以及故障数据的编码传送等方面的作用。诊断系统不附属于控制系统,它不是控制系统的一部分。没有诊断系统,车辆亦能正常运行。诊断功能与控制功能是不同的,是相对独立的。但作为一个完善的计算机系统,在力所能及时应增加诊断功能,可使系统性能更完善。

在车载诊断之外,还有地面诊断装置和控制系统的关系。主要是列车主控单元上应附加有对地面的发送设备,以便在列车到达前,将故障隋况及时发送至地面车辆基地作好地面维修的准备。

 

7.4控制系统

7.4.1车载设备

20世纪80年代以后,日本、法国和德国等园的高速列车上发展新型控制系统的主要特点是将列车基本信息采集放在车上,不需要轨道电路等地面检测设备,在地面和车上之间的信息传输采用无线方式,从而能高速地进行大量的信息交换。由车载传感器接收地面的无线信息后,再通过车上的微机处理,根据列车制动性能、线路坡度及限速对制动模式进行计算,以防止超速和冒进。目前,我国高速动车组控制系统也在朝着这个方向发展。

 

7.4.2列车控制级

列车控制级主要由动力车上的主控单元(MCU)执行以下任务:

1)从动力车上获取司机操纵台(包括牵引/制动指令)和列车自动防护装置(ATP)对列车控制的要求,并将控制所需的状态信息经过处理后送至各车辆的计算机接点,由后者再将状态的故障信息反馈给该主控单元;

2)实现列车单元之间的重联控制;

3)自动牵引/电制动控制,即牵引和动力制动级位的控制;

4)传送列车速度、动力制动级位和ATP要求,以便各动车和拖车的制动控制单元对各种制动设备进行制动力的分配,包括列车超速时的调速制动;

5)在列车停站时按列车运行方向和站台位置,控制拖车侧门的开启和关闭;

6)收集各车厢中主要设备的诊断数据,采取相应的故障对策,并在显示屏上显示;

7)根据列车防护设备(ATP)的信号允许速度要求和实际运行速度,对备用制动线输出控制要求,以便在通信故障时,司机仍能对列车进行常用制动和紧急制动的控制;

8)与旅客信息系统接口;

9)对列车总线和车厢总线的信息传输实施管理。

 

7.4.3动力车车厢控制级

动力车车厢总线上的控制信息主要是牵引和转向架控制单元、空气制动单元、空气装置与主控制单元之间的交换信息,其任务如下:

1)牵引控制单元根据来自主控单元的指令及列车实际速度的目标控制值分别对动力车的两个转向架进行牵引/制动和防空转/滑动控制;

2)空气制动控制单元根据上一级指令对本动力车的空气制动设备分配制动力,并进行防滑保护;

3)对动力车电气部分的主要参数进行监测和安全联锁的保护逻辑运算,并在必要时采取保护措施,以避免事故扩大;

4)网侧变流器控制,使网侧功率因数接近于1,并采取措施防止过分相区时的电流冲击;

5)司机室空调控制及轴温检测;

6)电机侧变流器控制;

7)辅助变流器控制;

8)通过列车总线传来的数据和人机接口查知本车各计算机控制装置的状态。

 

7.4.4拖车车厢控制级

1)拖车车门控制;

2)防滑控制;

3)轴温检测:分为预告、报警、故障三个档次;

4)拖车车厢内压力和温度的空调控制;

5)拖车制动控制:根据列车速度和从上一级接收的制动指令计算目标控制值,自动地对本拖车的各种制动设备分配制动力;

6)列车和拖车车厢供电控制。

此外,拖车子系统应具有过分相区的保护措施,拖车中的各种微机控制装置可通过车厢总线与拖车控制单元通信,也可以通过输入/输出口与拖车控制单元交换信息,通过控制单元的人机接口应能查知本车中各计算机控制装置的状态。

 

参考文献

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