軌道車輛司機(jī)控制器制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換研究

王業(yè)泰, 鹿峰凱, 王 群

(南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司 技術(shù)中心， 南京 211800)

軌道車輛司機(jī)控制器又稱主控手柄，簡稱司控器，是司機(jī)用來操縱列車運(yùn)行的主令控制器，通過操作司控器可實(shí)現(xiàn)軌道車輛的牽引、制動(dòng)、換向等功能，在車輛制動(dòng)過程中，按照制動(dòng)力的大小通常分為常用制動(dòng)、快速制動(dòng)和緊急制動(dòng)。其中，快速制動(dòng)和緊急制動(dòng)的減速度相對(duì)較高，一般通過單根硬線或單個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議表示。常用制動(dòng)力大小對(duì)應(yīng)司機(jī)手柄級(jí)位，通常采用級(jí)位編碼硬線(有檔分級(jí)制動(dòng)，以下簡稱分級(jí))或無級(jí)模擬量(無檔無級(jí)制動(dòng)，以下簡稱無級(jí))來表示。分級(jí)制動(dòng)通常采用多根硬線將司機(jī)手柄級(jí)位信號(hào)編碼后傳輸給制動(dòng)系統(tǒng)；而無級(jí)制動(dòng)通常采用以硬線為介質(zhì)傳輸?shù)腜WM信號(hào)和以網(wǎng)絡(luò)為介質(zhì)的模擬量信號(hào)輸出給制動(dòng)系統(tǒng)。

無論分級(jí)制動(dòng)還是無級(jí)制動(dòng)，根據(jù)車型設(shè)計(jì)特點(diǎn)，各有優(yōu)劣，但當(dāng)選用無級(jí)制動(dòng)指令的司控器時(shí)，將不能匹配分級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)，文中研究將無級(jí)制動(dòng)指令應(yīng)用于分級(jí)制動(dòng)控制的制動(dòng)系統(tǒng)。

1 無級(jí)制動(dòng)指令

輸出無級(jí)制動(dòng)指令的司控器面板上一般有控制手柄、換向手柄兩種可操作機(jī)構(gòu)(如圖1)。控制手柄有：牽引區(qū)、0位、制動(dòng)區(qū)、快速制動(dòng)位；換向手柄有：向后、0位、向前3個(gè)檔位。司控器的控制手柄0位、牽引最大位、制動(dòng)最大位、快速制動(dòng)位(有定位)；在這些檔位之間無級(jí)調(diào)節(jié)。

目前國內(nèi)CRH5型動(dòng)車組及大部分地鐵項(xiàng)目(如廣州地鐵1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)線，上海軌道交通7號(hào)、9號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)線，深圳地鐵1號(hào)、5號(hào)線，蘇州地鐵1號(hào)線，杭州地鐵1號(hào)線，武漢地鐵2號(hào)線，上海軌道交通6號(hào)、8號(hào)線等)[1]均采用輸出無級(jí)制動(dòng)指令的司控器和無級(jí)制動(dòng)的制動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 某無級(jí)司控器

2 分級(jí)制動(dòng)指令

輸出分級(jí)制動(dòng)指令的司控器面板上一般有控制手柄、換向手柄等可操作機(jī)構(gòu)?？刂剖直蔂恳椭苿?dòng)分開獨(dú)立控制(如圖2所示制動(dòng)手柄)或牽引、制動(dòng)為一體控制(如圖3所示控制手柄)，分級(jí)制動(dòng)的司控器均有清晰的制動(dòng)檔位。

圖2 某分級(jí)制動(dòng)的司控器(牽引和制動(dòng)分體)

目前國內(nèi)CRH1型、CRH2型、CRH3型、CRH6型動(dòng)車組及部分地鐵項(xiàng)目(廣佛線地鐵，北京房山線，西安地鐵1號(hào)、2號(hào)線，重慶軌道交通6號(hào)線，新加坡地鐵，大連202輕軌延伸線等)均采用輸出分級(jí)制動(dòng)指令的司控器和分級(jí)制動(dòng)的制動(dòng)系統(tǒng)。

圖3 某分級(jí)制動(dòng)的司控器(牽引和制動(dòng)一體)

3 分級(jí)制動(dòng)控制優(yōu)勢

分級(jí)制動(dòng)通常采用多根硬線將制動(dòng)級(jí)位指令發(fā)送給制動(dòng)系統(tǒng)，通過車輛電氣控制邏輯，實(shí)現(xiàn)列車的故障導(dǎo)向安全。

3.1 制動(dòng)級(jí)位的向下覆蓋

通過司控器的機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)，具有高位優(yōu)先的冗余特性，在某制動(dòng)級(jí)位輸出異常時(shí)，可按低一級(jí)制動(dòng)的級(jí)位進(jìn)行控制(如圖4)，如施加7級(jí)常用制動(dòng)時(shí)，若7級(jí)繼電器故障，可以輸出6級(jí)制動(dòng)。

無級(jí)制動(dòng)指令一般是通過模擬量傳遞，無法實(shí)現(xiàn)此功能。

圖4 分級(jí)制動(dòng)司控器邏輯

3.2 制動(dòng)力不足檢測

將制動(dòng)級(jí)位繼電器(見圖4)的觸點(diǎn)接入車輛電氣邏輯中，作為制動(dòng)力不足檢測的觸發(fā)條件，當(dāng)空氣制動(dòng)力輸出不足時(shí)，觸發(fā)緊急制動(dòng)，保障車輛安全，如CRH2型車的制動(dòng)力不足檢測設(shè)計(jì)[2]。

無級(jí)制動(dòng)指令由于是模擬量信號(hào)，不能驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電氣回路，無法直接實(shí)現(xiàn)此功能。

3.3 精確控車

進(jìn)行空氣制動(dòng)力控制時(shí)，由于機(jī)械閥有其自身的控制靈敏度，當(dāng)無級(jí)指令變化區(qū)間太小，達(dá)不到機(jī)械閥的動(dòng)作靈敏度時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)將無法輸出相應(yīng)的空氣制動(dòng)力。而分級(jí)制動(dòng)控制在進(jìn)行減速度設(shè)計(jì)時(shí)，已考慮了閥的動(dòng)作特性，制動(dòng)級(jí)位變化時(shí)不會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)力不變化的情況。

3.4 救援回送

無備用制動(dòng)系統(tǒng)的車輛進(jìn)行救援回送時(shí)，根據(jù)機(jī)車或救援車的BP管空氣壓力轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的制動(dòng)級(jí)位，通過車輛電氣邏輯回路及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將制動(dòng)指令傳送給各車實(shí)現(xiàn)救援回送功能[2]。

“咦？”霍鐵和小達(dá)忍不住叫了出來。小達(dá)仔細(xì)端詳著小姑娘，然后哈哈大笑起來。她扭頭扯了扯霍鐵的胳膊：“哥哥，你忘了？幾個(gè)月前的那次體操表演賽，我還采訪過她呢！”

無備用制動(dòng)系統(tǒng)的車輛采用無級(jí)制動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)此功能。

3.5 備用制動(dòng)指令

無級(jí)制動(dòng)指令一般通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向各車制動(dòng)控制系統(tǒng)傳遞，嚴(yán)重依賴于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信異常時(shí)，制動(dòng)控制系統(tǒng)將無法識(shí)別制動(dòng)級(jí)位，從而存在無法施加制動(dòng)力的風(fēng)險(xiǎn)。

如果采用分級(jí)制動(dòng)控制可以設(shè)置分級(jí)備用指令硬線作為制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)指令冗余輸入，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)的制動(dòng)力控制。

4 無級(jí)制動(dòng)轉(zhuǎn)分級(jí)制動(dòng)

為將無級(jí)制動(dòng)指令應(yīng)用于分級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)，需要將無級(jí)制動(dòng)指令轉(zhuǎn)為分級(jí)制動(dòng)指令，通過分級(jí)指令硬線電路邏輯實(shí)現(xiàn)分級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢。

4.1 制動(dòng)指令傳輸

司控器分兩路傳輸無級(jí)制動(dòng)指令模擬量信息(信號(hào)規(guī)格相同)，如圖5所示。

圖5 司控器的指令傳輸

A路：司控器的無級(jí)制動(dòng)指令以電壓模擬量傳輸給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)以通信字節(jié)位發(fā)送給各車電子制動(dòng)控制單元(簡稱EBCU)，由EBCU將無級(jí)制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的制動(dòng)級(jí)位，進(jìn)行分級(jí)制動(dòng)控制。

B路：司控器的無級(jí)制動(dòng)指令以電壓模擬量傳輸給指令轉(zhuǎn)換器，指令轉(zhuǎn)換器根據(jù)無級(jí)制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的制動(dòng)級(jí)位，并勵(lì)磁對(duì)應(yīng)的制動(dòng)級(jí)位繼電器，同時(shí)將制動(dòng)級(jí)位繼電器的常開觸點(diǎn)接入整車電氣邏輯中，實(shí)現(xiàn)分級(jí)制動(dòng)控制的制動(dòng)力不足檢測及備用制動(dòng)指令冗余功能(如圖1)。

4.2 無級(jí)制動(dòng)指令分級(jí)

①0位：3±0.1 V DC；

②制動(dòng)最大位：8±0.15 V DC；

③快速制動(dòng)：8.3±0.15 V DC。

0位和制動(dòng)最大位之間為線性輸出，0位到制動(dòng)最大位分別對(duì)應(yīng)0～100%制動(dòng)力，如圖6所示。

圖6 司控器制動(dòng)輸出電壓特性

EBCU(或指令轉(zhuǎn)換器)根據(jù)制動(dòng)指令無級(jí)信號(hào)按需要進(jìn)行級(jí)位分級(jí)，制動(dòng)級(jí)位細(xì)分到什么程度，需要根據(jù)車輛設(shè)計(jì)、減速度規(guī)格、閥的供給與排氣靈敏度等進(jìn)行確定，以分為7個(gè)制動(dòng)級(jí)位為例，如表1所示：EBCU(或指令轉(zhuǎn)換器)根據(jù)制動(dòng)級(jí)位模擬量信號(hào)解析制動(dòng)級(jí)位，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)分級(jí)控制，同時(shí)為避免制動(dòng)電壓信號(hào)在級(jí)位分界點(diǎn)造成制動(dòng)級(jí)位的頻繁跳變，可以將同一制動(dòng)級(jí)位的施加和緩解電壓設(shè)置一定的遲滯區(qū)間。

4.3 故障診斷

基于安全導(dǎo)向，考慮可能存在的異常，EBCU(或指令轉(zhuǎn)換器)需對(duì)接收到的無級(jí)指令信號(hào)進(jìn)行異常檢測，當(dāng)電壓超出設(shè)定的最大值或低于設(shè)定的最小值時(shí)判定為指令異常。

表1 制動(dòng)指令級(jí)位轉(zhuǎn)換

4.4 指令轉(zhuǎn)換器的集成功能

在分級(jí)制動(dòng)控制的車型中一般設(shè)有救援指令轉(zhuǎn)換裝置(根據(jù)機(jī)車或救援列車的BP管空氣壓力，輸出對(duì)應(yīng)的制動(dòng)級(jí)位，實(shí)現(xiàn)對(duì)本車的救援回送功能)，本指令轉(zhuǎn)換器可以集成到救援指令轉(zhuǎn)換裝置中或制動(dòng)控制裝置中。

通過以上設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)將無級(jí)制動(dòng)指令應(yīng)用于分級(jí)控制的制動(dòng)系統(tǒng)中，并通過分級(jí)制動(dòng)的電氣邏輯實(shí)現(xiàn)分級(jí)制動(dòng)控制的優(yōu)勢。

5 結(jié) 論

無論分級(jí)制動(dòng)還是無級(jí)制動(dòng)，根據(jù)車型設(shè)計(jì)特點(diǎn)，各有優(yōu)劣，當(dāng)選用無級(jí)制動(dòng)指令的司控器時(shí)，將不能匹配分級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)，文中介紹了目前輸出無級(jí)制動(dòng)指令和分級(jí)制動(dòng)指令的司控器主要特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，基于分級(jí)制動(dòng)的控制優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了指令轉(zhuǎn)換器，對(duì)無級(jí)指令進(jìn)行了分級(jí)，實(shí)現(xiàn)了無級(jí)制動(dòng)指令應(yīng)用于分級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)。

對(duì)無級(jí)司控器的分級(jí)方式也適用于其他無級(jí)指令的信號(hào)輸入裝置，如ATO(Automatic Train Operation)裝置的無級(jí)指令轉(zhuǎn)有級(jí)指令，牽引信號(hào)的無級(jí)指令轉(zhuǎn)有級(jí)指令等。