HX_D3型电力机车空气制动系统.pdf

曹灏(1979-)男,河北张家口人,工程师(收稿日期:2009-02-20)文章编号:1008-7842(2009)04-0046-04HXD3型电力机车空气制动系统曹 灏,王存兵,吴国栋(中国北车公司 大连机车车辆有限公司 技术开发部,辽宁大连116022)摘 要 HXD3型大功率货运电力机车空气制动系统采用了微机控制的CCBII电空制动系统。该系统由集成处理器,制动显示屏,电子制动阀,电空控制单元等电子、电空部件组成,具有压力控制精确,起动制动快,自动检测,故障提示、系统自动防护控制等功能。关键词 微机控制;CCBII电空制动系统;网络;HXD3电力机车中图分类号:U2641351 文献标志码:A 为了提高铁路的运输能力,我国铁路近几年一直在向高速、重载的方向发展。无论高速还是重载,制动都是一个非常关键的问题。制动问题如果没有解决,即使有了高质量的线路,有了功率很大的牵引动力,高速或重载还是不可能实现。为此我公司生产的HXD3型电力机车采用了目前国际上较先进的CCBII微机控制制动系统。本套制动系统是基于网络的电空制动系统,它是以美国铁路协会标准为基础按干线客、货运机车的要求而设计的。它采用了基于分布式结构的LRU(线路可更换模块)的设计方法。该制动系统具有以下技术特点:(1)准确性高,反应迅速;(2)部件集成化高,可进行线路模块更换,维护简单;(3)有自我检测、自我诊断、故障显示及故障处理提示等功能;(4)主要部件具有冗余功能;(5)与列车ATP(列车监控)系统配合使用,进一步提高列车运行的安全性。制动控制的原则:(1)优先使用机车再生制动,其制动指令由司控器发出;(2)若再生制动存在时进行常用制动操作,机车制动缸保持零压力,机车实施再生制动,车辆实施空气制动;若常用制动存在时进行再生制动操作,机车制动缸压力下降为零,机车实施再生制动,车辆保持原空气制动压力;(3)在紧急制动过程中,机车和车辆实施最大的空气制动力。(4)机车再生制动与单独制动阀产生的机车空气制动可同时存在于机车上。1 微机控制的CCBII空气制动系统的组成111 风源系统风源系统是为机车及车辆的制动系统提供符合要求的干燥的洁净压力空气。HXD3型电力机车采用两台克诺尔的SL22-47型螺杆式压缩机组作为系统风源,排风量为每台2 750 dm3/min。干燥器配套使用克诺尔公司的两个LTZ312-H型干燥器,其空气处理量为每个418 m3/min。为了保证压缩空气的质量,在干燥器的出口配套使用了精油过滤器和最小压力阀。采用4个容积均为400 dm3的风缸串联作为压缩空气的储存容器,风缸采用车内立式安装。为了满足机车重联功能在机车端部安装了总风重联管软管和平均管软管。11111 空气压缩机组压缩机组型号为SL22-47,其电机为ABB公司配套产品,此压缩机具有温度、压力控制装置,可以实现无负荷启动。冷却器排风口向下,满足机械间的独立通风要求。空压机的开停状态由总风压力开关进行自动控制,也可以通过手动按钮控制开停。特性参数如下:空压机型式 SL22-47;转速 2 920 r/min;流量 2 750 dm3/min6%;工作压力 1 MPa;轴功率 25 kW7%;机油量 7/6 dm3;机油牌号 Anderal 3 057 M;工作温度范围-40+50;电机型号 K B/26-180LB;电压 380 V+15-5%;频率 50 Hz;工作电流 48 A+20-10%第29卷第4期2 0 0 9年8月铁 道 机 车 车 辆RAILWAYLOCOMOTIVE&CARVol129No14Aug1 2009功率因数 0189;启动电流 440 A+20%;冲击电流(峰值)810 A+20%;保护等级 IP55;冷却空气流速 0155 m3/s;控制电压 DC24110 V30%;整备质量 300 kg3%。11112 空气干燥器干燥器型号为LTZ312-H,属于双塔吸附式干燥器。具有低温加热功能,位于空压机和总风缸之间,具有过滤压缩空气中油、水,降低压力空气露点的功能,使得空气系统在正常使用时,不会出现液态水。特性参数如下:允许工作压力 最大1105 MPa,最小013 MPa;电压允差 30%;进气温度 最高60;环境温度 0 至50;空气处理量 418 m3/min;再生方式 无热、常压;每个电磁阀功率消耗 14 W;每个加热器功率消耗 40 W;保护等级 IP67;质量 98 kg。11113 辅助风源该系统采用克诺尔的LP115型辅助压缩机组作为风源,将其和升弓控制模块、升弓风缸及风表相连。辅助空压机组的控制开关在电气控制柜上,点动开关后,辅助空压机开始工作,当风压达到73520 kPa时,自动切断辅助压缩机的电源。为保证压缩空气和管路的清洁,辅助压缩机配有小型的干燥器和再生风缸。112CCBII制动机11211CCBII制动机的主要部件及功能HXD3型机车上的CCBII制动机由5种主要部件构成:两 个 电 子 制 动 阀(EBV),两 个 制 动 显 示 屏(LCDM),1个集成处理器(X-IPM),1个继电器接口模块(RIM)和1个电空控制单元(EPCU)。(1)电子制动阀(EBV)(图1)电子制动阀(EBV)是CCBII制动机的人机接口。EBV通过LON网线同制动主机(IPM)和电空控制单元(EPCU)连接。同时为司机提供自动制动和单独制动操作手柄实施空气制动作用。其操作和外观相比我国制动机设计更加人性化,且自动制动器、单独制动器均采用自保压方式。在EBV中还有一个机械阀,当自动制动手柄处于紧急制动位时,此机械阀使列车管和大气连通,能够产生紧急制动作用。(2)制动显示屏(LCDM)(图2)通过显示屏可以了解制动机的如下工作状态:实时显示了均衡风缸、制动管、总风缸和制动缸的压力值。也实时显示制动管充风流量和空气制动的当前模式。实时显示制动机故障信息,并将其记录。通过显示屏可以对制动机进行如下操作:可对制动机各模块进行自检,可以进行本机/补机、均衡风缸压力设定,制动管投入/切除、客车/货车、补风/不补风、风表值标定、故障查询等功能的选择和应用。(3)集成处理器(X-IPM)(图3)X-IPM包含系统电子装置、处理器、继电器驱动回路,与LCDM、RIM模块、EBV模块及EPCU相接的输入/输出板。IPM是CCBII制动系统的中央处理器。它控制所有与LCDM的接口任务,并通过LON网络向EPCU传达命令。在每一个X-IPM前部都有13个LED指示器,它可以提供系统运行的反馈信息。(4)继电器接口模块(RIM)(图4)继电器接口模块(RIM)是IPM与机车进行通讯的接口模块,实现如下功能:机车通过RIM进入IPM的信号包括由安全装置ATP产生的惩罚制动和紧急制动信号、A/B端司机室操作激活信号、动力制动投入信号、MREP压力开关工作状态信号、机车速度信号、由机车主机发出的警惕信号;IPM通过RIM输出到机车的信号包括紧急制动信号、PCS开关切除信号、撒沙开关动作信号、动力制动切除信号、重联机车故障信号;第4期HXD3型电力机车空气制动系统47(5)电空控制单元(EPCU)(图5)电空控制单元(EPCU)由电空阀和空气阀组成来控制机车空气管路的压力,是制动系统的执行部件,所有电空阀和空气阀集成到8个线路可更换模块(LRU)。图5 电空控制单元(EPCU)其中5个LRU是“智能的”,可以进行自检,并通过LON网络和EBV、IPM进行通讯,其功能简述如下:均衡风缸控制部分(ERCP)通过改变均衡风缸压力产生制动管控制压力。其功能类似JZ-7制动机中自动制动阀内调整阀,以及DK-1制动机中自动制动阀和缓解电磁阀、制动电磁阀联合的作用。制动管控制模块(BPCP)BPCP模块接收来自ERCP模块控制的均衡风缸的压力,由内部BP作用阀响应其变化并快速的产生与均衡风缸具有相同压力的制动管压力,从而完成列车的制动、保压和缓解。它的作用相当于JZ-7或DK-1系统中中继阀的作用。13控制部分(13CP)实现单独缓解机车制动缸压力的功能。16控制部分(16CP)响应列车管的减压量、平均管压力、单缓指令,来产生制动缸管的控制压力。功能类似JZ-7系统的分配阀或DK-1系统中分配阀主阀部的作用。20控制部分(20CP)通过响应列车管减压和单独制动器及单缓指令产生平均管压力。其作用类似JZ-7或DK-1系统中的重联阀,但平均管的控制压力来源不同。EPCU也包括纯空气控制阀:制动缸控制部分(BCCP)响应16CP压力变化,产生机车制动缸压力。DB三通阀(DBTV)部分响应制动管的减压量,产生制动缸管的控制压力,可以作为16CP的备份模块。电源接线盒(PSJB)PSJB内置电源为CCB II制动机供电(将110 V转换到24 V),在外部具有多个接插件,允许EPCU、EBV、X-IPM和RIM相互连接。11212CCBII制动机的逻辑功能(1)主要部件控制逻辑(图6)图6 主要部件控制逻辑在图6各部件中,EBV、EPCU、RIM、IPM之间通过LON网线进行通讯,IPM、LCDM之间通过RS422数据线进行通讯,TCMS、RIM通过开关模拟量进行通讯。(2)气路控制关系列车控制如图7所示。自动制动阀 ERCPBPCP 制动管压力 车辆制动机16CPBCCP 机车制动缸图7 列车气路控制流程机车控制如图8所示。单独制动阀 20CPBCCP 机车制动缸平均管压力 重联机车制动缸图8 机车气路控制流程(3)CCBII制动机的故障检测方式 开机时,集成处理器(IPM)进行自检。通过自检后对电子制动阀(EBV)、电空控制单元(EPCU)的各模块进行实时诊断,确认故障后,自动进入备用模式,并将3位故障代码的故障信息显示在制动显示屏(LCDM)上;通过制动显示屏(LCDM)上的按键可以手动对电子制动阀(EBV)、电空控制单元(EPCU)的各模块进行循环或单独自检,若发现故障,将4位故障代码的故障信息显示在制动显示屏(LCDM)上;集成处理器(IPM)及电空控制单元(EPCU)均有串口与外接PC机通讯,传送各种信息供更新程序、检测或检修之用。11213CCBII制动机主要部件的备份及安全保护(1)空气备用(16CP失效)空气备用模式是指系统采用纯机械控制(DBTV)来代替电子控制(16CP)产生制动缸管控制压力。其控制关系如图9所示。自动制动阀 ERCPBPCP 制动管压力 车辆制动机DBTVBCCP 机车制动缸图9 空气备用模式控制关系(2)ER备用(ERCP失效)如果ERCP失效,它的功能由16CP和13CP实现。48铁 道 机 车 车 辆第29卷由软件控制自行进行切换,控制关系如图10所示。自动制动阀 16CP/13CPBPCP 制动管压力 车辆制动机DBTVBCCP 机车制动缸图10ER备用模式控制关系(3)单独制动备用(20CP失效)20CP失效时,16CP将响应单独制动手柄的指令,控制本机车制动缸的压力。对于重联车,将不存在平均管压力。控制关系如图11所示。单独制动阀 16CPBCCP 机车制动缸图11 单独制动备用模式控制关系(4)紧急制动的触发方式 自动制动阀在紧急位;打开车长阀触发紧急制动;按下操纵台紧急按钮触发紧急制动;IPM触发紧急制动;ATP触发紧急制动;列车断钩分离触发紧急制动;机车警惕装置触发紧急制动。(5)总风缸压力低保护当总风缸压力低于350 kPa时,IPM接收到MREP压力开关信号,使机车实施制动,不允许机车加载牵引。(6)停放制动装置保护在停放制动缸的管路上设置停放制动压力开关。机车起动时当管路风压低于开关设定值时,不允许机车加载牵引,只有当管路风压高于开关设定值时,才允许牵引运行。机车运行过程中,停放制动装置处于缓解状态。113 辅助系统11311 停放制动装置司机通过旋转开关可以对停放制动进行控制。当旋到制动位,脉冲电磁阀作用使电磁阀得电,于是停放制动缸制动;当旋到缓解位,脉冲电磁阀使缓解电磁阀得电,于是停放制动缓解。同时设置了停放制动和空气制动的连锁,即当制动缸充风制动时,自动缓解停放制动缸。停放制动装置的控制关系如图12。总风管 脉冲电磁阀 双向止回阀 减压阀 停放制动缸制动缸压力图12 停放制动装置的控制关系在发生供电故障的情况下,可以使用脉冲电磁阀的手动装置进行操作。在系统无风的情况下,可以使用停放制动单元的手动缓解装置(在机车走行部上)缓解停放制动。手动缓解后,不能再次实施停放制动。如果需要重新实施停放制动,必须使系统总风压力达到550 kPa以上,方可实施停放制动。11312 踏面清扫装置为了清扫车轮踏面的杂物及油污,增加机车和钢轨的黏着系数,每个车轮配有踏面清扫器来配合制动单元的动作。当制动缸压力高于100 kPa时,通过压力开关使清扫电磁阀得电,总风进入踏面清扫风缸,踏面清扫器动作;当机车制动缸压力低于50 kPa时,踏面清扫解除。11313 撒沙和鸣笛装置机车设有8个沙箱和撒沙装置,每个走行部上4个沙 箱,容 积 为100 dm3/个,撒 沙 量 可 在0151 dm3/min范围内调节。撒沙动作与司机脚踏开关、紧急制动、防空转、防滑行等功能配合使用,撒沙方向与机车实际运行方向一致。机车两端均设有两个高音喇叭、一个低音喇叭,由电空阀控制,电空阀由司机操纵台面板上的喇叭按钮、操纵台下的喇叭脚踏开关分别控制。114 空气防滑系统采用德国K NORR公司生产的MGS2型防滑系统。本系统由控制单元ESRA、速度传感器、防滑电磁阀G V12-ESRA等部件组成。11411 基本逻辑速度传感器的脉冲信号传输到电子控制单元,控制单元对本车或本转向架的速度信号进行处理,当数据判断达到有关标准时,控制单元发出防滑控制指令,操纵防滑电磁阀,控制相应的制动缸进行阶段排风或一次排风,从而达到防止轮对滑行,并根据轮轨黏着系数调节制动力的目的。11412 基本功能制动时能有效防止轮对因滑行造成的踏面擦伤;能根据轮轨间的黏着变化调节制动缸压力,从而有效利用轮轨黏着,缩短制动距离;具有轮径自动修正功能;具有防滑排风阀自动切换功能;具有监视、故障存储和显示及诊断功能。2 结束语综上所述,微机控制CCBII制动系统是一种能够满足现代铁路要求的先进制动系统。目前此系统在大秦线上已通过运用考核,我公司生产的HXD3型电力机车也已经批量上线运用,通过实践也证明此系统是一个安全、可靠的制动系统。参考文献1刘豫湘,陆缙华,潘传熙 1DK-1型电空制动机与电力机车空气管路系统M1 北京:中国铁道出版社,199812姜靖国 1JZ-7型空气和电空制动机M1 北京:中国铁道出版社,200113成大先 1 机械设计手册M1 北京:化学工业出版社,20021第4期HXD3型电力机车空气制动系统49Air Braking System of HXD3 Type High Power Freight Electric LocomotiveCAO Hao,WANG Cun-bing,WU Guo-dong(Technological Development Department,Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.,Ltd.CNR Group,Dalian 116022 Liaoning,China)Abstract:The air braking systemof HXD3 type high power freight electric locomotive adopts the computer-controlled CCBII electro-pneumatic brak2ing system1The system consists of integrated processors,braking display screen,electronic braking valve,electronic control unit ect,and has the fu2netions of accurate pressure control,fast starting braking,automatic test,fault awoke,system automatic protection control ect.Keywords:computer control;CCBII electro-pneumatic braking system;network;HXD3 type electric locomotive(上接第14页)设计和疲劳分析,必须对转臂节点的载荷谱进行研究。本文根据京津城际铁路的实际线路情况,提出了一种典型工况的组合方法,并考虑了动车的牵引、制动以及受横风作用的情况,结合350 km/h高速动车动力学模型,采用实测轨道谱对典型工况进行了动力学仿真。得到了转臂节点的应力 时间历程样本,并运用雨流计数法得到了350 km/h高速动车转臂节点的一种典型载荷谱,在没有实测载荷谱的条件下,不失为一种合理的处理方法。参考文献1R KLuo,B L Gabbitas,B V Brickle,W1X1Wu1Fatigue damageevaluation for a railway vehicle bogie using appropriate samplingfrequencies J 1Vehicle System Dynamics,1998,(28):405-41512李 强,刘志明 1 提速客车转向架动应力分布拟合的研究J 1 铁道学报 1200118,23(4):105-10813刘德刚,侯卫星 1 基于有限元技术的构件疲劳寿命计算J 1 铁道学报,2004,26(2):47-5114Stefan D,Helmuth N1Fatigue life prediction of a railway bogie un2der dynamic loads through simulation J 1Vehicle System Dynam2ics,1998,(28):385-40215Sridhar S,Shekar Y1Durability design processfor truck body struc2tures J 1International Journal of Vehicle Design,2000,23(1/2):95-10816郑小艳,谢基龙 1 货车车体疲劳载荷谱的编制及验证J 1铁道机车车辆,2008,28(3):11-1417缪炳荣,张卫华 1 基于多体动力学和有限元法的车体结构疲劳寿命仿真J 1 铁道学报,2007,29(4):38-4318王伯铭,罗世辉 1 高速动车组总体及转向架M1 成都:西南交通大学出版社,20081Load Spectrum Research of Tumbler Journal Box Nodeof High-speed Motor CarMA Wei-hua1,LUO Shi-hui1,SONG Rong-rong2(1Traction Power State key Laboratory,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031 Sichuan,China;2College of Computer Science and Technology,Southwest University for Nationalities,Chengdu 610041 Sichuan,China)Abstract:T o the motor car which adopted the tumbler journal box orientation method,the ride index and the running safety of the motor car has a bigrelation with the reliabilityof the rubber tumbler journal box node,especiallyfor the high-speed motor car with the speed of 350 km/h1The special at2tention should put on the anti-fatigue performance and the intensity of the rubber node during the pre-design of the motor car1Aimed to the conditionof without real measured load spectrum,the load spectrumof the tumbler node of the high-speed motor car with a typical case was put forward accord2ing to the rain-flow count method and dynamic simulation1The dynamic simulation model of the 350 km/h high-speed motor car was set up based onthe real structure and suspension parameters1The tumbler journal box was setup in detail and the tumbler structure and the tumbler node stiffness charac2ter was also considered1The typical case of the motor car was put forward according to the real condition of the Jingjin inter city high-speed track1Thedynamic simulation of the high-speed motor car was carried out with the real measured track irregularity and acquired the sample data of the force histo2ry of the tumbler node under the typical case1The load spectrumof the tumbler node wasformed by the sample data through the rain-flow count methodin the environment of Matlab1Keywords:high-speed motor car;tumbler;dynamics;rain flow count method50铁 道 机 车 车 辆第29卷