CN107000731A - 用于具有优化的清扫空气控制的机车的空气干燥器系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于机车制动系统的清扫循环控制系统，包括：双塔空气干燥器(12)，其具有要被定位于机车制动系统的第一主风缸(MR1)和第二主风缸(MR2)之间的第一塔和第二塔，并且被配置为响应于清扫控制命令而将通过第一塔和第二塔中的一个的空气流动切换到第一塔和第二塔中的另一个；以及计算机控制的制动系统(22)，其由清扫控制线(40)而被耦接到机车制动系统和空气干燥器，其中计算机控制的制动系统被编程为当通过空气干燥器的空气流动超过了预定的阈值时将清扫控制命令发送到空气干燥器。该系统最大化每个塔的使用，而不是根据预设时间段来切换。

Description

用于具有优化的清扫空气控制的机车的空气干燥器系统
技术领域
本发明涉及机车空气干燥器，并且更具体地，涉及一种用于优化空气干燥器的清扫循环的方法。
背景技术
双塔干燥剂空气干燥器被用于在机车制动系统中从压缩空气中除去水蒸气。在双塔系统中，一个塔包括干燥剂材料的柱，并且被用于通过使湿空气流经干燥剂柱来吸收入口空气流中的水蒸气。干燥剂从空气流中吸收水蒸汽，使得，从空气干燥器的出口排出的空气名义上更干燥了与(除其他变量之外的)塔的柱中的干燥剂材料的量、柱的几何形状和柱中的空气流速成比例的量。最终，第一塔变得水饱和，并且不再有效地从入口空气流中除去水。
当活动塔变得饱和时，用于空气干燥器的控制系统将入口空气流切换到与第一塔名义上相同结构的另一塔，使得干燥可以继续。同时，从空气干燥器出口排出的一些干燥空气通过第一塔被重定向到大气。这种干燥空气的逆流从第一塔的干燥剂柱中除去积累的水分并将其运送到大气中。当第二塔最终变得饱和时，入口空气被切换回到第一塔并且第二塔被清扫，并且根据需要重复两个塔之间的循环。这种从饱和柱中除去水分的逆流操作被称为清扫循环，并且典型地消耗从空气干燥器排出的干燥空气的15-20％。
在具有通过空气干燥器的恒定气流的理想机车空气系统中，空气干燥器清扫循环和两个干燥剂柱之间的切换可以使用简单的定时器来完成。然而，在实践中，通过空气干燥器的空气流动从不恒定。例如，到制动系统的气流可以从保持系统防止制动管泄漏所需的非常低的流速变化到用于在制动释放之后对列车制动系统进行再充气的非常高的气流。因此，根据固定的时间表进行切换浪费能量和压缩空气，这是因为固定时间的清扫循环导致在特定柱中的干燥剂完全饱和之前的清扫循环。虽然空气干燥器系统可以包括更准确地确定何时应该实施清扫循环的流量计或湿度计，但这些技术是昂贵的并且在机车的恶劣环境中通常是不可靠的。因此，需要一种便宜且可靠的方法来确定何时在双塔空气干燥器中执行清扫空气循环。
发明内容
本发明包括用于机车制动系统中的双塔空气干燥器的清扫循环控制系统。该系统包括具有被定位于机车制动系统的第一主风缸和第二主风缸之间的第一塔和第二塔的空气干燥器，并且被配置为响应于清扫控制命令而将通过第一塔和第二塔中的一个的空气流动切换到第一塔和第二塔中的另一个。该系统还包括计算机控制的制动系统，其通过清扫控制线而被耦接到机车制动系统和空气干燥器。例如，计算机控制的制动系统被耦接到机车制动系统的13管、制动系统的20管、机车制动缸和制动系统的制动管。该系统还包括被定位成确定制动管充气孔的一侧上的压力的第一压力传感器以及被定位成确定制动管充气孔的相对侧上的压力的第二压力传感器。空气压缩机链路还被用于向计算机控制器制动系统提供指示空气压缩机何时运行的信号。
计算机控制的制动系统被编程为当通过空气干燥器的总空气流动已经超过预定阈值时，向空气干燥器发送清扫控制命令。预定阈值是空气干燥器中的塔之一的湿空气容量，并且基于由系统控制的空气干燥器的具体设计来确定。总空气流动通过对被用于释放的空气量、被用于独立制动的空气量、被用于对制动管进行充气的空气量、被用于对第二主风缸进行充气的空气量进行计算和求和来确定。然后可以将使用的空气总量与空气干燥器塔的湿空气容量进行比较来确定是否适合执行清扫循环。
附图说明
通过结合附图阅读以下具体实施方式，将更全面地理解和领会本发明，其中：
图1是根据本发明的空气干燥器清扫控制系统的示意图；
图2是根据本发明的控制空气干燥器的方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图，其中相同的附图标记始终表示相同的部件，在图1中可以看到用于双塔干燥剂空气干燥器12的清扫循环控制系统10。空气干燥器12典型地被定位于机车空气压缩机14和第一主风缸MR1的下游。空气干燥器12的入口16经由回流阀18连接到第一主风缸MR1，并且空气干燥器12的出口20被连接到第二主风缸MR2。计算机控制制动(CCB)系统22被连接到第二主风缸的出口，并且包括基于微机的系统，其为机车提供全自动和独立制动控制。CCB系统22在本领域中是已知的，诸如从纽约Watertown的纽约空气制动(New YorkAir Brake)有限责任公司可获得的CCB II和CCB 26。
CCB系统22包括与20管(也称为独立应用和释放管)互连的20管电路24和与13管(也称为致动管)互连的13管电路26。在具有CCB系统22的机车组(即，被连接在一起的两个或更多个机车)中，在20管电路24中产生的压力向机车制动缸提供制动缸压力，并且从而施加独立的机车制动。在13管电路26中产生的压力致动了控制阀以提供解除(bail-off)命令压力。控制系统10还包括位于机车制动系统的第二主风缸MR2和将机车空气系统连接到列车制动管的制动管继电器30之间的19/64”充气孔28。压力传感器32和34被定位于充气孔28的任一侧，用于对这些位置处的压力进行采样和报告。
如图1中看到的，控制系统10还包括在CCB系统22和空气干燥器12之间的清扫控制链路40，使得CCB系统22可以发信号给空气干燥器12执行清扫循环以切换主气流以及空气干燥器12的两个塔之间的逆流。另外，CCB系统22通过链路42被连接到空气压缩机14，使得CCB系统22可以接收到指示空气压缩机14接通的信号，从而为CCB系统22提供空气供应系统处于充气状态的指示。当在第一主风缸MR1和第二主风缸MR2从耗尽状态被充气时，机车的干燥充气期间的这种信息是特别有用的，这是因为在干燥充气期间流量非常高，因此清扫循环需要更频繁地发生以跟上干燥剂的饱和度。如下面解释的，当压缩机接通并且第二主风缸压力低(诸如低于压力调节器设置，其典型地为120psi)并且增加时，清扫循环可以适应更频繁地发生以处理移动通过空气干燥器12的大量空气。
参考图2，CCB 22被编程为实施清扫循环处理50，以在持续重新计算流量确定出特定空气干燥器12的湿空气容量已达到之后，确定在空气干燥器12中发起清扫循环的最佳时间。处理50中的第一步是执行检查52是否存在释放(bail)命令。如果是，则计算流量54。在步骤54中，基于针对释放所消耗的空气量来计算流量，其可以基于13管的体积、机车组中的机车的平均数(例如五个)和13管中的充气压力(典型地为MR2压力)而近似。例如，可以使用以下公式：
空气Vol13 ft3＝(机车数量)*(机车长度ft)*(Vol 13管ft3/ft)*
(压力13psi/压力atmpsi)。
因此，五台机车(其中每台机车长75ft并且具有3/4”ID管和145psi的13管充气压力)将需要大约11.3ft3的空气，如上述公式将导致：空气Vol13 ft3＝(5)(75)((.752*π/4)/144)(145/14.7)＝11.3ft3。
在流量计算54之后，或者如果在检查52处没有释放命令，则执行检查56以确定CCB系统22是否已经接收到独立的制动命令。如果是，则计算流量58。步骤58中计算出的流量是基于在独立制动应用中消耗的空气量，其可以基于20管的体积、在一个机车组中的机车平均数(例如五个)以及20管中的充气压力而近似，这是CCB系统22在引导机车上已知的，并且可以由后部机车处的CCB系统22测量或者被假设为典型的最大独立压力，45psi。例如，可以使用以下公式：
空气Vol20ft3＝(机车数量)*(机车长度ft)*(Vol 20管ft3/ft)*
(压力20psi/压力atmpsi)。
因此，五台机车(其中每台机车长75ft，并且具有20管充气压力为40psi的3/4”ID管)将需要大约3.1ft3的空气。
在流量计算58之后，或者如果在检查56处没有独立的制动指令，则执行检查60是否存在制动缸(BC)流动。响应于独立制动应用或自动制动应用，空气被供应给机车上的制动缸。如果进行独立制动应用和自动制动应用两者，则制动缸压力被确定为两个输入中的较大者。制动缸压力发展的逻辑是本领域技术人员公知的。对于每个制动应用，无论独立或自动，步骤62中的计算出的流量是该机车上的制动缸压力和总制动缸体积的函数如下：
空气VolBC ft3＝(制动缸体积机车ft3)*(压力BC psi/压力atm psi)。
因此，如果机车具有1.86ft3的总BC体积，则需要5.1ft3的空气来将机车制动缸加压至40psi。
在流量计算62之后，或者如果在检查60处没有制动缸流动，则进行是否存在制动管流动的检查64。当制动管继电器保持制动管压力防止泄漏时，并在制动释放和再充气期间，制动管流动发生。因此，可以通过比较压力传感器32和34的输出来确定是否存在流经19/64孔来执行检查64。如果检查64确定存在制动管流动，则计算流量66。步骤66中的流量基于制动命令状态并由跨19/64”充气孔28的压力差而计算，该19/64”充气孔28被定位于第二主风缸MR2和制动管继电器30之间。气流是跨孔的压降、孔的尺寸和上游压力的函数。因此，压力传感器32和34的输出以及9/64”充气孔28的已知尺寸允许估计制动管流动。通过孔的气流的公式是公知的，并且通常为以下形式：
Q＝CfAo*SqRt(2ΔP/ρ)
其中Q是流速，Ao是孔面积，Cf是流动系数，ΔP是跨孔的压力，并且ρ是空气密度。因此，在一个时间段内通过19/64孔的总流量可以被计算为：
空气Vol19/64 ft3＝(Q ft3/min)*(时间min)。
例如，如果在5分钟的时间段内测量出的流速为15SCFM，则总空气体积可以被计算为75ft3。
在流量计算66之后，或者如果在检查64处没有制动管流动，则执行第二主风缸MR2压力是否增加的检查68。检查68可以通过以下来执行：检查空气压缩机链路42以确定压缩机14是否工作(即处于“接通”状态)，并且然后使用压力传感器32的输出(该压力传感器32的输出与第二主风缸MR2连通并且为其下游)以确定任何压力在第二主风缸MR2中随时间增加。如果第二主风缸MRS压力增加，则计算流量70。例如，可以使用以下公式：
空气VolMR2充电ft3＝VMR2*(PMR2增加/Patm)。
例如，需要19.7ft3的空气将MR2的压力从125psi增加到145psi，其中MR2为14.5ft3。
在流量计算70之后，或者如果在检查68处不存在第二主风缸MR2压力增加，则执行来自所有来源的计算出的流量和(即计算出的总流量)是否大于或等于空气干燥器12的湿空气容量的最终检查72。湿空气容量被定义为使空气干燥器12中的干燥剂塔饱和的湿空气的平均体积，这是干燥剂柱中干燥剂的量、干燥剂的化学成分以及空气干燥器12的特定设计的相关物理特性的函数。基于这些因素，总湿空气容量可以针对特定的空气干燥器12被计算并且被用于检查72。例如，铁路空气干燥器典型地额定在100％RH、100°F和100SCFM的入口条件下。在这些入口条件下，干燥剂床典型地被设计为在大约2分钟内饱和。对于具有这些设计特性的空气干燥器，干燥剂床在大约200ft3已流经其后将饱和。当如理论上通过清扫循环过程50被计算出的总空气超过200ft3时，本发明的清扫控制逻辑可被编程为切换干燥剂床。空气干燥器12的湿空气容量优选地是用户可配置的设置，其可以被改变以适应正在使用中的空气干燥器12的特定设计。可替代地，系统10可以使用可用的空气干燥器或标准组件的列表及其对应的湿空气容量进行预编程，并且用户可以选择在特定系统10中使用的适当的空气干燥器或组件。
如果检查72确定出已经达到湿空气容量，则诸如通过经由链路40从CCB系统22向空气干燥器12发送清扫循环控制信号来发起空气干燥器清扫循环74。计算出的流量然后被重置为零76，并且处理返回到开始以测量空气干燥器12中的新活动塔的湿空气容量。如果检查72没有确定出计算出的流动大于或等于空气干燥器12的湿空气容量，则处理返回到开始，并且重复被添加到先前流量计算的结果的任何新的流量计算，从而积累由空气干燥器12处理的湿空气的量，直到检查72确定出足够的湿空气已经通过空气干燥器12为止，使得是时候发起清扫循环。
使用处理50，控制系统10因此可以确定何时存在流经空气干燥器12以及在给定的测量间隔期间已经流经空气干燥器12的空气的大致总体积。当被计算为已经流经空气干燥器12的空气的体积接近空气干燥器12中的塔的湿空气容量时，CCB系统22可以基于实际条件而不是任意时间段来命令清扫循环的发起。因此，空气干燥器系统10提供非常高的清扫空气效率，这是因为清扫基于实际上由空气干燥器12处理的空气体积而不是与空气干燥器12的实际使用无关的固定时间间隔而发生。

Claims (15)

1.一种用于机车制动系统中的双塔空气干燥器的清扫循环控制系统，包括：
空气干燥器，其具有被定位于所述机车制动系统的第一主风缸和第二主风缸之间的第一塔和第二塔，并且配置为响应于清扫控制命令而将通过所述第一塔和第二塔中的一个的空气流动切换到所述第一塔和第二塔中的另一个；以及
计算机控制的制动系统，其由清扫控制线而被耦接到所述机车制动系统和所述空气干燥器，其中所述计算机控制的制动系统被编程为当通过所述空气干燥器的空气流动超过了预定阈值时将所述清扫控制命令发送到所述空气干燥器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述预定阈值是所述空气干燥器中的塔中的一个的湿空气容量。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述计算机控制的制动系统被耦接到所述机车制动系统的13管、所述制动系统的20管、机车制动缸和所述制动系统的制动管。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括被定位成确定制动管充气孔的一侧上的压力的第一压力传感器和被定位成确定所述制动管充气孔的相对侧上的压力的第二压力传感器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述计算机控制的制动系统包括空气压缩机链路，其被配置为向所述计算机控制器制动系统提供指示出所述空气压缩机何时运行的信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其中计算机控制的制动系统被编程为通过计算被用于释放的任何气流来测量通过所述空气干燥器的空气流动。
7.根据权利要求5所述的系统，其中计算机控制的制动系统被编程为通过计算被用于独立制动应用的任何气流来测量通过所述空气干燥器的空气流动。
8.根据权利要求5所述的系统，其中计算机控制的制动系统被编程为通过计算被用于对所述制动管进行充气的空气量来测量通过所述空气干燥器的空气流动。
9.根据权利要求5所述的系统，其中计算机控制的制动系统被编程为通过计算被用于对第二主风缸进行充气的空气量来测量通过所述空气干燥器的空气流动。
10.一种在机车制动系统中的双塔空气干燥器中控制所述清扫循环的方法，包括以下步骤：
计算被用于释放的空气量；
计算被用于独立制动的空气量；
计算由所述机车制动缸使用的空气量；
计算被用于对制动管进行充气的空气量；
计算被用于对第二主风缸进行充气的空气量；
检查总计计算出的所用空气量是否超过预定阈值；并且
如果总计计算出的空气量超过所述预定阈值，则致使所述空气干燥器执行清扫循环。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述计算被用于释放的空气量的步骤包括计算所述13管的总体积乘以标准化的13管压力。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述计算被用于独立制动的空气量的步骤包括所述20管的总体积乘以标准化的20管压力。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述计算被用于所述机车制动缸的空气量的步骤包括所述机车制动缸的总体积乘以所述标准化的制动缸压力。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述计算被用于对所述制动管进行充气的空气量的步骤包括测量跨所述制动管充气孔(典型地19/64”)的空气流速并随着时间推移积分以确定所述空气体积。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述计算被用于对所述第二主风缸进行充气的空气量的步骤包括确定所述第二主风缸压力是否在增加，并且通过MR2中的标准化压力增加与MR2的已知体积的乘积来计算已流经所述所述空气干燥器的空气量。
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