機(jī)車車輛電空制動(dòng)系統(tǒng)在大軸重機(jī)車裝車研究

王海平, 林 暉

(1 中國(guó)中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心， 山西大同 037038；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

HXD2F機(jī)車是中國(guó)中車大同電力機(jī)車有限公司(簡(jiǎn)稱：同車公司)在HXD2系列機(jī)車平臺(tái)基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)國(guó)內(nèi)重載線路運(yùn)營(yíng)需要而研制的新一代的30 t軸重重載交流貨運(yùn)機(jī)車，同時(shí)考慮對(duì)既有線路運(yùn)用的適應(yīng)性，可以通過(guò)減壓鐵，使機(jī)車軸重調(diào)整為27 t，滿足既有線路未來(lái)27 t軸重貨運(yùn)列車的動(dòng)力牽引需要。機(jī)車牽引功率可達(dá)9 600 kW，采用2(B0-B0)轉(zhuǎn)向架，機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)采用法維萊公司的Eurotrol型制動(dòng)機(jī)，它是在原SAB WABCO微機(jī)控制電空制動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，按照中國(guó)鐵路要求開發(fā)的新一代制動(dòng)機(jī)[2]。

貨物列車電控空氣制動(dòng)(以下簡(jiǎn)稱ECP)技術(shù)基于有線通訊，其制動(dòng)性能有著傳統(tǒng)空氣制動(dòng)無(wú)可比擬的優(yōu)越性，能夠極大限度的改善列車制動(dòng)和緩解過(guò)程中列車縱向沖動(dòng)的問題，尤其適用于特長(zhǎng)編組的重載單元或組合列車，HXD2F機(jī)車裝用了由中國(guó)鐵道科學(xué)研究院開發(fā)研制的ECP電空制動(dòng)系統(tǒng)。

由于首次在大功率交流傳動(dòng)機(jī)車安裝并試驗(yàn)運(yùn)用ECP電空空氣制動(dòng)系統(tǒng)，并且該制動(dòng)系統(tǒng)的操作及人機(jī)界面均獨(dú)立設(shè)置，以滿足適應(yīng)裝用法維萊機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)車運(yùn)用。設(shè)備的安裝結(jié)合機(jī)車機(jī)器間及司機(jī)室情況，保證操縱設(shè)備必須滿足乘務(wù)員的操作方便，信息顯示能夠使乘務(wù)員便于觀察，所有設(shè)備的安裝不改變機(jī)車根本構(gòu)架及設(shè)計(jì)。

1 ECP制動(dòng)系統(tǒng)功能及組成

1.1 ECP制動(dòng)系統(tǒng)基本功能

通過(guò)操縱本務(wù)機(jī)車的制動(dòng)控制器，產(chǎn)生電子信號(hào)來(lái)控制車輛的電空制動(dòng)裝置，將車輛副風(fēng)缸的壓縮空氣直接或間接充入制動(dòng)缸，實(shí)現(xiàn)列車常用和緊急制動(dòng)作用；同時(shí)在制動(dòng)過(guò)程中列車管不排風(fēng)并持續(xù)充風(fēng)到車輛副風(fēng)缸，機(jī)車維持對(duì)列車管的補(bǔ)風(fēng)作用。

設(shè)有跨越列車全長(zhǎng)的雙芯電纜作為列車電力總線，用于機(jī)車向列車所有ECP系統(tǒng)設(shè)備提供電源和傳送指令信息，機(jī)車實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車ECP系統(tǒng)狀態(tài)。

提供幾乎即時(shí)的制動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)全列車同步制動(dòng)、緩解和再制動(dòng)作用。并具備階段緩解功能。

具備關(guān)閉或切除ECP系統(tǒng)作用，可轉(zhuǎn)為列車傳統(tǒng)空氣制動(dòng)操作控制模式，具備故障安全導(dǎo)向功能，ECP系統(tǒng)對(duì)列車管或列車總線電纜的異常分離等嚴(yán)重故障均能做出正確響應(yīng)，實(shí)施緊急制動(dòng)或常用全制動(dòng)動(dòng)作[1]。

1.2 ECP機(jī)車設(shè)備的組成及主要功能

HXD2F單節(jié)機(jī)車的ECP設(shè)備組成如圖1所示。

圖1 單節(jié)機(jī)車ECP組成框圖

ECP機(jī)車控制裝置安裝在機(jī)車內(nèi)控制管理列車電空制動(dòng)系統(tǒng)的控制裝置，由電空制動(dòng)控制器(ECP手柄)、電空制動(dòng)顯示屏(ECP顯示屏)、列車制動(dòng)控制單元(包括ECP電源、ECP主機(jī)、ECP事件記錄器)等設(shè)備組成，主要功能如下：

(1) 提供操縱列車電空制動(dòng)系統(tǒng)的人/機(jī)界面；

(2) 顯示數(shù)據(jù)和信息，發(fā)送制動(dòng)指令；

(3) 提供控制信號(hào)接通或關(guān)斷列車總線電源、啟動(dòng)或關(guān)閉車輛控制裝置；

(4) 提供與機(jī)車相關(guān)系統(tǒng)的接口；

(5) 含有機(jī)車特性數(shù)據(jù)信息，包括機(jī)車車號(hào)、機(jī)車類型、機(jī)車長(zhǎng)度、機(jī)車質(zhì)量、軸數(shù)、緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)率、機(jī)車參考方位等。

2 ECP設(shè)備裝車及電氣連接

2.1 操縱臺(tái)設(shè)備安裝

由于機(jī)車操縱臺(tái)正面位置已布滿機(jī)車操縱及顯示設(shè)備，為滿足機(jī)車乘務(wù)員操作ECP制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)的需要，在操縱臺(tái)右側(cè)位置選擇安裝ECP系統(tǒng)用顯示器。通過(guò)在副司機(jī)臺(tái)面板上開孔并安裝一個(gè)支架，將ECP顯示屏安裝在支架上，面向機(jī)車機(jī)務(wù)員，使乘務(wù)員在操作ECP制動(dòng)時(shí)方便觀察。副司機(jī)臺(tái)臺(tái)面上共開4個(gè)安裝孔，支架通過(guò)安裝孔與操縱臺(tái)骨架連接，見圖2。

圖2 ECP顯示器加裝圖

顯示屏的連接電纜通過(guò)儀表臺(tái)后部出線孔進(jìn)入操縱臺(tái)內(nèi)部，再?gòu)臋C(jī)車布線進(jìn)入到無(wú)線電臺(tái)柜內(nèi)見圖3所示。

圖3 ECP顯示器進(jìn)線示意圖

ECP制動(dòng)系統(tǒng)操作手柄安裝于操縱臺(tái)上，在操縱臺(tái)骨架開孔進(jìn)行加裝。在操縱臺(tái)骨架側(cè)面開4個(gè)安裝孔，ECP手柄安裝在安裝盒上，將ECP手柄安裝盒固定在操縱臺(tái)上。為了ECP手柄連接電纜能夠方便進(jìn)入操縱臺(tái)內(nèi)部，做一個(gè)試驗(yàn)用操縱臺(tái)左門，此門上半部分削掉，便于進(jìn)線，ECP手柄的連接電纜通過(guò)操縱臺(tái)左門進(jìn)入到操縱臺(tái)內(nèi)，再隨同操縱臺(tái)的布線從機(jī)車布線進(jìn)入到安裝其他ECP機(jī)車設(shè)備的無(wú)線電臺(tái)柜內(nèi)，見圖4。

圖4 ECP手柄加裝圖

本次ECP設(shè)備裝車是在機(jī)車已經(jīng)完成組裝后進(jìn)行加裝的，對(duì)于司乘人員需要控制更多的操作設(shè)備，后續(xù)可以將ECP顯示屏與制動(dòng)顯示屏集成，ECP手柄與自動(dòng)制動(dòng)控制器集成。

2.2 無(wú)線電臺(tái)柜內(nèi)設(shè)備安裝

ECP系統(tǒng)主機(jī)、ECP列車線電源及系統(tǒng)事件記錄器集成安裝在無(wú)線電臺(tái)柜的第2層。

線纜從機(jī)車布線經(jīng)無(wú)線電臺(tái)柜上端進(jìn)線口進(jìn)入到無(wú)線電臺(tái)柜內(nèi)，沿柜內(nèi)部?jī)蓚?cè)的扎線孔連接到ECP系統(tǒng)主機(jī)，見圖5。

圖5 ECP主機(jī)加裝圖

2.3 ECP制動(dòng)系統(tǒng)車端連接器安裝

ECP制動(dòng)系統(tǒng)車端連接器安裝于機(jī)車端部，位于列車管折角塞門上部，通過(guò)加裝采用支板過(guò)渡固定，如圖6所示。

2.4 ECP系統(tǒng)設(shè)備電氣連接

圖6 ECP車端連接器加裝圖

機(jī)車與ECP制動(dòng)系統(tǒng)的電氣接口包括硬線接口和網(wǎng)絡(luò)通訊接口。

(1) 硬線接口，采用原有的機(jī)車與制動(dòng)系統(tǒng)的硬線接口，同時(shí)機(jī)車向ECP設(shè)備提供兩路電源，電源最大功率為2.5 kW。當(dāng)ECP系統(tǒng)在投入運(yùn)行模式時(shí)進(jìn)行切換，由ECP系統(tǒng)接管，而ECP系統(tǒng)僅向機(jī)車控制單元輸出牽引切除及緊急制動(dòng)硬線信號(hào)。

(2) ECP設(shè)備與機(jī)車通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，ECP作為一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)接入機(jī)車MVB網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通信速率為1.5 Mb/s，傳輸介質(zhì)為EMD。

3 ECP設(shè)備安裝后的調(diào)試與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

3.1 設(shè)備調(diào)試

ECP系統(tǒng)于2014年3月在同車公司內(nèi)完成HXD2F 0001 機(jī)車設(shè)備安裝，該機(jī)車最終在4月初完成驗(yàn)收并到達(dá)新鄉(xiāng)機(jī)務(wù)段長(zhǎng)子南折返段，準(zhǔn)備在瓦日重載鐵路通道進(jìn)行綜合性能試驗(yàn)。

出廠之前，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院的技術(shù)人員和同車公司有關(guān)人員一同完成了系統(tǒng)上電并試運(yùn)行，機(jī)車雙節(jié)ECP系統(tǒng)狀態(tài)均良好。系統(tǒng)初始化、運(yùn)行及其他模式設(shè)置，對(duì)列車編組輛數(shù)、控制車、制動(dòng)定壓等設(shè)置均正常。ECP列車線電源及電源控制器動(dòng)作正常，操縱ECP系統(tǒng)制動(dòng)手柄，制動(dòng)指令的下發(fā)及顯示均在在顯示屏上能反映出來(lái)，圖7為系統(tǒng)上電顯示界面。

圖7 系統(tǒng)上電顯示界面

3.2 瓦日鐵路通道線路測(cè)試

3.2.1試驗(yàn)概述

瓦日重載鐵路通道于2014年12月30日正式開通，是我國(guó)第一條以30 t軸重標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的重載鐵路。裝有ECP電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)的30 t軸重重載列車動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在瓦日線的長(zhǎng)子南站(含)～平順站(含)區(qū)段進(jìn)行，試驗(yàn)從2014年9月起結(jié)合瓦日鐵路通道重載綜合試驗(yàn)計(jì)劃安排，開始進(jìn)行列車電空制動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試工作。

在初步完成5 000 t列車ECP系統(tǒng)的調(diào)試后，2014年10月首次進(jìn)行由同車公司HXD2F 0001 機(jī)車牽引編組42輛5 000 t列車電空制動(dòng)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)列車最高運(yùn)行速度80 km/h，試驗(yàn)進(jìn)行了常用全制動(dòng)、循環(huán)制動(dòng)、階段緩解、低速緩解以及緊急制動(dòng)等試驗(yàn)，試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果。

2014年12月，開始電空制動(dòng)系統(tǒng)正式現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)分靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)列車質(zhì)量分別為8 000，10 000，12 000 t，列車編組形式為：

8 000 t試驗(yàn)列車編組：HXD2F 0001(HXD1F 0001)+WX25G999330+66輛C96貨車(8 000 t)+HXD2F 0002(HXD1F 0002)。

10 000 t試驗(yàn)列車編組：HXD1F 0001+WX25G999330+84輛C96貨車(10 000 t)+ HXD2F 0002+HXD1F 0002。

12 000 t試驗(yàn)列車編組：HXD2F 0001+HXD1F 0001+WX25G999330+100輛C96貨車(12 000 t)+ HXD1F 0002+ HXD2F 0002。

試驗(yàn)列車分別按列車管定壓500 kPa 和600 kPa進(jìn)行試驗(yàn)[3]。

3.2.2靜態(tài)試驗(yàn)

靜態(tài)試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括：

(1) 列車初充氣時(shí)間。

(2) 列車制動(dòng)系統(tǒng)漏泄。

(3) 常用制動(dòng)及緩解性能：按制動(dòng)百分比分別為15%、30%、50%、80%、100%和緊急制動(dòng)指令進(jìn)行，僅進(jìn)行重車狀態(tài)工況。

(4) 階段制動(dòng)性能。

(5) 緊急制動(dòng)和緩解性。

(6) 循環(huán)制動(dòng)性能、壓力保持性能與再充氣時(shí)間。

(7) 制動(dòng)/緩解同步性性能。

(8) 模擬列車斷鉤保護(hù)性能。

(9) ECP系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

由于制動(dòng)指令是基于時(shí)間來(lái)決定其制動(dòng)百分比的，因此對(duì)制動(dòng)指令的最終目標(biāo)解析成制動(dòng)百分比需要一定的時(shí)間，不同比例常用制動(dòng)工況的響應(yīng)時(shí)間約為1.5～2.7 s。每個(gè)車輛基本同時(shí)接收到制動(dòng)指令并執(zhí)行，制動(dòng)同步性很好，對(duì)于每一次制動(dòng)試驗(yàn)，各車的制動(dòng)動(dòng)作都基本在同一時(shí)間開始。

表1和表2分別為HXD2F機(jī)車牽引8 000 t列車的靜態(tài)ECP試驗(yàn)時(shí)的制動(dòng)同步性和制動(dòng)缸壓力數(shù)據(jù)，列車管定壓600 kPa。

表1 8 000 t ECP制動(dòng)同步性試驗(yàn)數(shù)據(jù)(HXD2F 0001機(jī)車，定壓600 kPa)

表2 8 000 t ECP制動(dòng)缸壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)(HXD2F 0001機(jī)車，定壓600 kPa)

在8 000 t列車編組模式下還進(jìn)行了ECP制動(dòng)系統(tǒng)模擬故障監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)人為設(shè)置ECP故障，ECP系統(tǒng)能夠判別這些故障并在顯示屏上給出提示以及自動(dòng)實(shí)施對(duì)應(yīng)的處理措施。

HXD2F 0001機(jī)車操縱ECP系統(tǒng)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)計(jì)目標(biāo)，為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)提供了依據(jù)。

3.2.3動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

2014年12月～2015年1月在瓦日重載通道長(zhǎng)子南至平順區(qū)間進(jìn)行ECP制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，分別完成了8 000 t列車、10 000 t列車和12 000 t列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)。

(1) 長(zhǎng)大下坡道的循環(huán)制動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)間K556+500→K586為連續(xù)30 km的長(zhǎng)大下坡，最大坡度為-13‰。

列車使用ECP制動(dòng)系統(tǒng)操縱重載列車在長(zhǎng)大下坡道運(yùn)行時(shí)，由于在制動(dòng)過(guò)程中，列車管仍然在向副風(fēng)缸充風(fēng)，使列車的再制動(dòng)能力顯著提升，并且ECP制動(dòng)系統(tǒng)具有階段制動(dòng)和階段緩解功能，列車操縱靈活方便，在列車操縱過(guò)程中，可以適當(dāng)控制列車速度，提高重載列車在長(zhǎng)大下坡道的旅行速度。

(2) 常用和緊急制動(dòng)停車試驗(yàn)

試驗(yàn)列車分別為8 000 t編組、10 000 t 編組和12 000 t編組，并分別按列車管定壓500 kPa 和600 kPa進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)段包括平直道和長(zhǎng)大下坡道，試驗(yàn)初速度分別為80 km/h和100 km/h。

試驗(yàn)結(jié)果表明：ECP制動(dòng)系統(tǒng)能大幅度縮短列車制動(dòng)距離，其中ECP常用全制動(dòng)較傳統(tǒng)空氣制動(dòng)縮短制動(dòng)距離30%～40%，ECP緊急制動(dòng)較傳統(tǒng)空氣制動(dòng)縮短制動(dòng)距離約10%。

4 結(jié)束語(yǔ)

HXD2F大功率交流傳動(dòng)30 t軸重電力機(jī)車安裝使用由中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研制的ECP電空空氣制動(dòng)系統(tǒng)，并在瓦日重載鐵路通道完成了ECP動(dòng)態(tài)及相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)全面，列車運(yùn)行安全平穩(wěn)，機(jī)車乘務(wù)員反應(yīng)良好，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) HXD2F機(jī)車安裝ECP電空制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)方案可行，并且ECP制動(dòng)系統(tǒng)能與機(jī)車其他設(shè)備兼容并相互配合協(xié)調(diào)。

(2) HXD2F機(jī)車安裝ECP電空制動(dòng)系統(tǒng)后的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，ECP系統(tǒng)的安裝不影響機(jī)車其他設(shè)備的運(yùn)用。

(3) HXD2F機(jī)車操縱列車ECP制動(dòng)，其綜合制動(dòng)性能反映出列車制動(dòng)、緩解的完全同步，并且列車在制動(dòng)過(guò)程中的始終充風(fēng)，提高了列車制動(dòng)性能和再制動(dòng)能力，降低了列車縱向沖擊，對(duì)重載列車的安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

(4) 重載列車ECP制動(dòng)性能使得機(jī)車乘務(wù)員操縱更為簡(jiǎn)單、有效，對(duì)重載列車提速具有現(xiàn)實(shí)意義。