CN112644290B - 一种列车各车厢的同步制动控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气控制领域，特别是涉及一种列车各车厢的同步制动控制方法及系统。同步制动控制系统包括主控制器、电能变换控制器和分流器。在实际制动过程中，主控制器获取列车的实时速度及实时质量并判断实时速度是否大于设定速度。若否，直接通过机械摩擦制动方式完成列车的制动；若是，则通过调节各车厢中同步制动机的输入电压，调节其励磁电流，以调节后的励磁电流控制各车厢的单位制动力相等，从而实现各车厢的同步匀减速制动。利用本发明中的方法和系统能够有效减弱甚至消除列车各车厢在制动过程中的压缩力和冲击力，提升列车在制动过程中的安全性。

Description

一种列车各车厢的同步制动控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电气控制领域，特别是涉及一种列车各车厢的同步制动控制方法及系统。

背景技术

目前，高铁、动车等列车使用的制动方式是联合制动，或者称为混合制动。其中，列车包括动车部分和拖车部分，动车部分使用的是电气制动(或称再生制动或回馈制动)，拖车部分使用的是机械摩擦制动。由于联合制动很难保证电气制动的制动力与机械摩擦制动的制动力的统一，不同车厢之间存在着不同的压缩力和冲击力。

正因为列车的不同车厢间存在着难以平衡的压缩力和冲击力，导致列车在制动过程中易发生恶性事故。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种列车各车厢的同步制动控制方法及系统。以同步制动机为控制对象，通过检测、通信、变换、制动等步骤使得列车的动车部分和拖车部分中各车厢的单位制动力相等，以尽可能减小甚至完全消除各车厢间的压缩力和冲击力，从而降低列车事故发生的概率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种列车各车厢的同步制动控制方法，包括以下步骤：

获取列车的实时速度及实时质量；

判断所述实时速度是否大于设定速度；

若否，则直接采用机械摩擦制动方式对所述列车进行制动，直至所述列车停车；

若是，则计算列车各车厢中同步制动机的励磁电流；

调节注入到各同步制动机的励磁电流，使列车各车厢的单位制动力相等，以实现列车各车厢的同步制动，直至所述列车的实时速度小于或等于设定速度时，以所述机械摩擦制动方式对所述列车进行制动。

本发明还介绍了一种列车各车厢的同步制动控制系统，基于列车各车厢的同步制动控制方法实现，包括：

主控制器，用于获取所述列车的实时速度及实时质量，并判断所述实时速度是否大于设定速度；

若否，则直接采用机械摩擦制动方式对所述列车进行制动，直至所述列车停车；若是，则计算列车各车厢中同步制动机的励磁电流；

分流器，用于向列车各车厢中的所述同步制动机注入所述励磁电流。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1)通过对列车的动车部分和拖车部分中各车厢的同步制动机进行系统控制，使得列车在制动过程中单位制动力稳定，尽可能减小了压缩力和冲击力对各车厢的影响，从而降低了因压缩力或冲击力导致列车发生事故的概率。

2)通过对列车各车厢中双环外桶复式同步涡流制动机的系统控制，根据制动源信号选择不同的制动模式，通过检测各车厢的实时质量和实时速度计算出各车厢的有效制动力，进而计算出各车厢中有效制动力对应的各同步制动机的励磁电流，并根据铁路沿线的供电电源制式对提供给各车厢同步制动机的电压进行调节，使得各车厢中的同步制动机所提供的制动力满足有效制动力要求。进而通过调整各车厢的有效制动力，可有效减弱或者消除各车厢之间的压缩力和冲击力，从而降低制动过程中列车发生事故的概率。

3)在通过同步制动控制系统和同步制动控制方法有效降低或者消除列车中各车厢的压缩力和冲击力的基础上，在铁路运输扩大编组或重载时列车也能高速运行，进而将单一的客运扩展为客、货两运，从而大幅提高列车线路的运行效率和铁路建设的资源利用率。

4)除动车、高铁等列车外，还可将本发明中提出的同步制动控制方法和同步制动控制系统应用于重载货运列车、重载货运卡车、轮船等其他运输方式，同样可实现同步制动，有效提升运输安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中列车各车厢的同步制动控制方法的流程图；

图2为本发明实施例2中列车各车厢的同步制动控制系统的结构示意图。

符号说明：

1-主控制器、2-电能变换控制器、3-分流器、4-同步制动机；

G表示故障报警信号，J表示紧急制动信号，T表示进站刹车信号，Z表示正常调速信号，V表示列车的实时速度，m₁-m_n表示列车中各车厢的实时质量，I_f1-I_fn表示注入到多个同步制动机中的励磁电流，D₁₁-D_n8表示所有车厢中的同步制动机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有在高铁、动车等列车上使用的是联合制动方式。其中，列车的动车部分使用的是联合制动方式中的电气制动，列车的拖车部分使用的是联合制动方式中的机械摩擦制动方式。在列车的制动过程中，很难保证动车部分的电气制动和拖车部分的机械摩擦制动同步进行，进而易导致列车的不同车厢间产生一定的压缩力和冲击力。

其中，压缩力的产生原因是：电气制动的制动介质是电磁波，而机械摩擦制动的制动介质是空气。由于空气的传递速度与电磁波的传递速度不同，导致制动时的充气和放气过程中，电气制动和机械摩擦制动不同步，进而易在列车的中部产生一定的压缩力。

冲击力的产生原因是：在列车高速运行时，列车的动车部分和拖车部分呈拉伸状态，即相邻车厢的车钩存在相反方向的拉伸力。由于动车部分为列车的驱动部分，具有驱动力，而拖车部分为列车的携带部分，不具有驱动力。导致在高速运行的列车突然制动时，动车部分会在驱动力的作用下逐渐减速，而拖车部分仍会在原有速度下继续行驶，并依靠机械摩擦制动进行减速。在减速过程中，列车的相邻车厢间车钩呈相反方向的拉伸力变为了呈相对方向的冲击力，且列车不同位置车钩间的冲击力大小各不相等。

更具体的，动车部分一般采用变频回馈制动法实现制动，但该制动方法只能制动到中速，即50km/h；拖车部分均采用盘形摩擦制动。在实际制动过程中，动车部分可达到同步制动，但动车部分与拖车部分、拖车部分与拖车部分之间并不能实现同步制动，尤其是一个动车部分和多个拖车部分时，拖车部分之间更难实现同步制动。

由于动车部分与拖车部分、拖车部分与拖车部分之间很难达到同步制动，使得列车的不同车厢间会存在压缩力和冲击力。通过公式表示为：

其中，R表示列车的总压缩力；K表示列车每节车厢的闸瓦压力总和，单位是吨；

表示列车每节车厢的有效制动力；

表示列车每节车厢的最大有效制动力；l表示列车中一节车厢的长度；n表示列车的总编组数量；t_ZC表示列车的制动缸充气时间；ω_ZB表示制动波在管道中的传播速度；R_Amax表示列车在拉伸状态下制动时的纵向冲击力。

而列车制动过程中存在的压缩力和冲击力又恰恰是列车事故的诱因。且压缩力和冲击力的存在会对列车的编组和运行速度产生较大影响，影响其经济效益。

因此，减弱甚至消除现有技术中因联合制动存在的压缩力和冲击力，以降低列车制动过程中发生事故的概率，对铁路运输的发展是十分重要的。

为了解决上述问题，本发明提出了一种列车各车厢的同步制动控制方法和一种列车各车厢的同步制动控制系统。

以单位制动力相等为原则，根据获取的列车的实时速度和实时质量计算列车各车厢中的同步制动机为实现同步制动所需的励磁电流的大小；通过实时调节在列车各车厢的同步制动机中注入的励磁电流，实现列车各车厢的同步匀减速制动。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示为本发明实施例1中列车各车厢的同步制动控制方法的流程图。

从图中可看出，本发明中提出的同步制动控制方法包括以下过程：

先获取列车的实时速度及实时质量并判断实时速度是否大于设定速度；

若否，则直接采用机械摩擦制动方式对列车进行制动，直至列车停车；

若是，则计算列车各车厢中同步制动机的励磁电流。

在计算好列车各车厢为实现同步制动所需的励磁电流之后，需要将励磁电流注入到列车各车厢的同步制动机中，通过实时调节注入列车各车厢的同步制动机中的励磁电流的大小，使得列车各车厢的单位制动力相等，实现列车各车厢的同步制动，直到列车的实时速度小于或等于设定速度后，再采用机械机械摩擦制动方式对列车进行制动，直到列车停车。

接下来对本发明实施例1中列车各车厢的同步制动控制方法各步骤的具体过程做详细描述。

当列车的实时速度大于设定速度时，需要计算列车各车厢中同步制动机的励磁电流。计算励磁电流的过程包括：

获取制动控制信号；

根据制动控制信号选取对应的制动模式；

根据制动模式选取对应的单位制动力；

根据单位制动力计算列车各车厢中同步制动机的励磁电流。

其中，制动控制信号包括故障报警信号、紧急制动信号、进站刹车信号和正常调速信号。

制动模式包括第一制动模式、第二制动模式和第三制动模式。

其中，故障报警信号和紧急制动信号均与第一制动模式对应；进站刹车信号与第二制动模式对应；正常调速信号与第三制动模式对应。

列车在行驶过程中会遇到很多种情况：

若列车从起始站到终点站一直安全行驶，未遇到自然灾害，也未出现机械故障，则列车在行驶过程中可以选择正常调速信号对应的第三制动模式，列车在到达终点站之前可以选择进站刹车信号对应的第二制动模式。

但若列车在行驶过程中或即将到站时遇到了自然灾害或出现了机械故障，则可以选择故障报警信号或紧急制动信号对应的第一制动模式，尽可能在最短时间内以及最短距离内实现列车的制动停车，以避免重大列车事故。

因此，在列车的实时速度大于设定速度时，本发明的上述制动模式选择，可使列车快速应对行驶或制动过程中遇到的各种问题，提升列车行驶或制动过程中的安全性。

另外，若选择的是故障报警信号或紧急制动信号对应的第一制动模式，由于情况紧急，列车会以各车厢中同步制动机的最大制动力进行制动；

若选择的是正常调速信号对应的第三制动模式或进站刹车信号对应的第二制动模式，则列车会根据刹车距离和列车的实时速度计算出列车的实时加速度，并根据该实时加速度对应的制动力进行制动。

在选取列车行驶或制动过程中对应的制动力后，需要根据该制动力计算实现列车各车厢同步制动所需的励磁电流。

该过程具体包括：根据制动力计算列车各车厢中同步制动机的合成磁通；之后根据列车各车厢中同步制动机的合成磁通计算列车各车厢中同步制动机的励磁电流。

更具体的，

根据牛顿第二定律公式F_n＝m_na_n和总制动转矩计算公式

可知制动力与合成磁通存在以下关系：

其中，n表示列车车厢的数量，F_n表示每节列车车厢的制动力，m_n表示每节列车车厢的实时质量，a_n表示每节列车车厢的实时加速度，M_n表示每节列车车厢的总制动转矩，R_n表示每节列车车厢的制动半径，

表示每节列车车厢的转矩常数，φ_n表示每节列车车厢的合成磁通，I_n表示每节列车车厢的总电枢电流。

合成磁通与励磁电流存在以下关系：

其中，

表示每节列车车厢中同步制动机的励磁电流，φ_n表示每节列车车厢的合成磁通，R_n表示每节列车车厢中同步制动机的磁阻，N_n表示每节列车车厢中同步制动机的线圈匝数。

通过上述过程，可计算出为实现列车各车厢的同步制动所需的励磁电流，之后需要将励磁电流注入到列车各车厢的同步制动机中。

在此面临一个问题：

不同地区的铁路沿线供电电源制式不同：有的地区为单相交流电压，有的地区为三相交流电压，还有的地区为直流电压。而本发明中的同步制动机为直流电压供电方式。因此需要对不同地区的铁路沿线供电电源制式进行变换，用以为本发明中的同步制动机提供正常工作电压。

具体的，调节列车各车厢中同步制动机的输入电压的方式为：

通过调节开关电源的占空比和触发延迟角对每节列车车厢中的同步制动机的输入电压进行调节；

分为以下三种调节方式：

(1)当铁路沿线的供电电源制式为单向交流电压时，U_d＝0.9U₂ cosa；

(2)当铁路沿线的供电电源制式为三相交流电压时，U_d＝2.34U₂ cosa；

(3)当铁路沿线的供电电源制式为直流电压时，

其中，U_d表示同步制动机的输入电压，U₂表示铁路沿线的供电电源电压，a表示触发延迟角，D表示开关电源的占空比。

而且，同步制动机的输入电压与同步制动机的励磁电流存在以下关系：

其中，

表示每节列车车厢中同步制动机的励磁电流，Z_n表示每节列车车厢中同步制动机的电抗。

通过上述的三种调压方式和此处同步制动机的输入电压与同步制动机的励磁电流的关系式可看出：为了实现列车各车厢的同步制动，需要在每节车厢的同步制动机中注入对应的励磁电流

而注入励磁电流

的前提是得到对应的同步制动机输入电压U_d。而同步制动机的输入电压U_d又是通过调节开关电源的占空比和触发延迟角从各个地区的铁路沿线的供电电源制式调节过来的。

因此，本发明的上述过程可直接将各个地区的铁路沿线的供电电源制式转换为适用于本发明中用于同步制动的同步制动机的输入电压制式，并实现列车中各车厢的同步制动。

除了上述，本发明还在实施例2中介绍了一种基于上述同步制动控制方法实现列车中各车厢同步制动的同步制动控制系统。

实施例2：

如图2为本发明实施例2中列车各车厢的同步制动控制系统的结构示意图。

从中可看出，同步制动控制系统包括主控制器1、电能变换控制器2、分流器3和多个同步制动机4。

主控制器1用于获取列车的实时速度及实时质量并判断实时速度是否大于设定速度；

若否，则直接采用机械摩擦制动方式对列车进行制动，直至列车停车；若是，则计算列车各车厢中同步制动机4的励磁电流；

分流器3用于向列车各车厢中的同步制动机4注入励磁电流。列车各车厢在同步制动机4注入励磁电流后实现同步制动。

当该列车各车厢的同步制动控制系统使用地区的铁路沿线供电电源制式与列车各车厢中同步制动机4的供电电源制式相同时，可直接利用主控制器1和分流器3实现列车各车厢的同步制动。

但当列车各车厢的同步制动控制系统使用地区的铁路沿线供电电源制式与列车各车厢中同步制动机4的供电电源制式不同时，需要在系统中额外加入电能变换控制器2。

电能变换控制器2用于依据铁路沿线供电电源制式，调节列车各车厢中同步制动机4的输入电压，以向列车各车厢中的同步制动机4注入同步制动所需的励磁电流。

本发明中提出的上述同步制动控制系统，基于实施例1中提出的同步制动控制方法实现，同样能够有效减弱甚至消除列车各车厢的压缩力和冲击力，实现列车各车厢的同步制动，以提升运行和制动过程中列车的安全性能。

更具体的，可将本发明中提出的同步制动控制方法和同步制动控制系统用于控制列车各车厢中的双环外桶复式同步涡流制动机。

利用如实施例1中的同步制动控制方法使列车各车厢中的每个双环外桶复式同步涡流制动机达到单位制动力相等的状态，以自动消除列车制动过程中的隐患和空走，同时消除现有的联合制动法根本无法消除的压缩力和冲击力，提高列车的运行和制动安全性，也为列车扩大编组以及其他的编组组合提供安全条件。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种列车各车厢的同步制动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取列车的实时速度及实时质量；

判断所述实时速度是否大于设定速度；

若否，则直接采用机械摩擦制动方式对所述列车进行制动，直至所述列车停车；

若是，则计算列车各车厢中同步制动机的励磁电流；

所述计算列车各车厢中同步制动机的励磁电流具体包括：

获取制动控制信号；

所述制动控制信号包括：

故障报警信号、紧急制动信号、进站刹车信号和正常调速信号；

根据所述制动控制信号选取对应的制动模式；

所述制动模式包括：

第一制动模式、第二制动模式和第三制动模式；

所述故障报警信号和所述紧急制动信号均对应所述第一制动模式；

所述进站刹车信号对应所述第二制动模式；

所述正常调速信号对应所述第三制动模式；

根据所述制动模式选取对应的单位制动力；

根据所述制动模式选取对应的单位制动力具体包括：

当所述制动模式为所述第一制动模式时，以所述同步制动机的最大制动力进行制动；

当所述制动模式为所述第二制动模式或所述第三制动模式时，根据所述列车的刹车距离和所述列车的实时速度计算所述列车的实时加速度，以所述实时加速度对应的制动力进行制动；

根据所述单位制动力计算所述列车各车厢中同步制动机的励磁电流；

所述根据所述单位制动力计算所述列车各车厢中同步制动机的励磁电流具体包括：

根据所述单位制动力计算所述列车各车厢中同步制动机的合成磁通；

根据所述列车各车厢中同步制动机的合成磁通计算所述列车各车厢中同步制动机的励磁电流；

所述单位制动力与所述合成磁通存在以下关系：

其中，n表示列车车厢的数量，F_n表示每节列车车厢的单位制动力，m_n表示每节列车车厢的实时质量，a_n表示每节列车车厢的实时加速度，M_n表示每节列车车厢的总制动转矩，R_n表示每节列车车厢的制动半径，

表示每节列车车厢的转矩常数，φ_n表示每节列车车厢的合成磁通，I_n表示每节列车车厢的总电枢电流；

所述合成磁通与所述励磁电流存在以下关系：

其中，

表示每节列车车厢中同步制动机的励磁电流，φ_n表示每节列车车厢的合成磁通，R_n表示每节列车车厢中同步制动机的磁阻，N_n表示每节列车车厢中同步制动机的线圈匝数；

调节注入到各同步制动机的励磁电流，使列车各车厢的单位制动力相等，并返回所述“获取列车的实时速度”的步骤，直至所述列车的实时速度小于或等于设定速度时，以所述机械摩擦制动方式对所述列车进行制动；

所述调节注入到各同步制动机的励磁电流具体包括：

依据铁路沿线供电电源制式，调节所述列车各车厢中同步制动机的输入电压；根据所述同步制动机的输入电压在所述同步制动机中注入所述励磁电流；

所述依据铁路沿线供电电源制式，调节所述列车各车厢中同步制动机的输入电压具体包括：

依据铁路沿线供电电源的制式，通过调节开关电源的占空比和触发延迟角对每节所述列车各车厢中的所述同步制动机的输入电压进行调节；

调节方式包括：

当铁路沿线的供电电源制式为单向交流电压时，U_d＝0.9U₂cosa；

当铁路沿线的供电电源制式为三相交流电压时，U_d＝2.34U₂cosa；

当铁路沿线的供电电源制式为直流电压时，

其中，U_d表示所述同步制动机的输入电压，U₂表示铁路沿线的供电电源电压，a表示所述触发延迟角，D表示所述开关电源的占空比。

2.根据权利要求1所述的列车各车厢的同步制动控制方法，其特征在于，根据所述同步制动机的输入电压在所述同步制动机中注入所述励磁电流具体包括：

所述同步制动机的输入电压与所述同步制动机的励磁电流存在以下关系：

其中，

表示每节列车车厢中同步制动机的励磁电流，Z_n表示每节列车车厢中同步制动机的电抗。

3.一种列车各车厢的同步制动控制系统，其特征在于，基于权利要求1-2任一项所述的列车各车厢的同步制动控制方法实现，包括：

主控制器，用于获取所述列车的实时速度及实时质量，并判断所述实时速度是否大于设定速度；

若否，则直接采用机械摩擦制动方式对所述列车进行制动，直至所述列车停车；若是，则计算列车各车厢中同步制动机的励磁电流；

分流器，用于向列车各车厢中的所述同步制动机注入所述励磁电流，列车各车厢在所述同步制动机注入励磁电流后实现同步制动；

电能变换控制器，用于依据铁路沿线供电电源制式，调节列车各车厢中同步制动机的输入电压，以向列车各车厢中的所述同步制动机注入所述励磁电流。

4.根据权利要求3所述的列车各车厢的同步制动控制系统，其特征在于，所述同步制动机为双环外桶复式同步涡流制动机。

Images