CN113715635B - 牵引机车、牵引机车坡道辅助启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及牵引机车、牵引机车坡道辅助启动控制方法。牵引机车包括制动系统，制动系统包括刹车操作件、刹车执行机构、用于检测刹车执行机构刹车时刹车力的力传感器、刹车控制管路和管路控制阀；倾角传感器用于测量牵引机车轨道的倾角以计算出牵引机车静止在轨道上的最小刹车力F；本发明的牵引机车中，依据制动系统力传感器提供的刹车力信号，控制器可以实时判断刹车力大小，由控制器控制管路控制阀自动解除驻车制动，同时在刹车力下降到F以下时控制变频器启动，配合电机制动，可以在电机输出驱动力之前保持牵引机车的位置，可以解决在坡道上启动因刹车打开太早或太迟造成的溜车问题，降低司机操作难度，提高机车安全性能。

Description

牵引机车、牵引机车坡道辅助启动控制方法

技术领域

本发明涉及牵引机车、牵引机车坡道辅助启动控制方法。

背景技术

目前，牵引机车制动系统多采用气刹，由空压机作为气源，通过主气路分别向手刹气路和脚刹气路供气，控制气缸伸缩实现制动系统闸瓦抱闸刹车。通常行车制动由脚刹控制，驻车制动由手刹控制。启动时松开手刹即可解除驻车制动。

在坡道上起步，新司机很难找到一个刹车释放与机车启动的平衡点，掌握不好刹车释放的时机，常发生溜车事故，轻则掉轨，耽误施工进度；重则出现重大安全事故。

现场施工中出现的溜车问题，分析原因如下：

（1）先打开手刹解除驻车制动，再推档给变频器运行信号，由于刹车打开早，变频器运行晚，电机转矩还未建立刹车力已降为0，导致溜车。

（2）先推档，给变频器运行信号，再打开手刹解除驻车制动，由于刹车打开太迟，导致变频器和电机运行时需要克服气路刹车力、摩擦力和重力分量，造成变频器和电机报过载故障不输出转矩，此时松开手刹刹车力又降为0，造成溜车。在坡道上正常起步，变频器连接的电机只需要克服牵引机车的摩擦力和重力分量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种牵引机车，用于解决目前的牵引机车容易溜车的技术问题；另外，本发明的目的还在于提供过一种牵引机车坡道辅助启动控制方法。

本发明的牵引机车采用如下技术方案：

牵引机车包括：

制动系统，包括刹车操作件、刹车执行机构、用于检测刹车执行机构刹车时刹车力的力传感器、刹车控制管路和管路控制阀；

刹车控制管路用于控制刹车执行机构刹车和松闸，刹车操作件设置在刹车控制管路上能够控制刹车控制管路的通断；

管路控制阀用于控制刹车控制管路的通断，刹车执行机构的松闸由管路控制阀和刹车操作件共同控制；

倾角传感器，用于测量牵引机车轨道的倾角以计算出牵引机车静止在轨道上的最小刹车力F；

动力模块，包括电机和变频器；

控制器，与管路控制阀、变频器、倾角传感器和力传感器连接；

牵引机车启动时，操作刹车操作件使刹车操作件处于使刹车执行机构松闸的状态，刹车执行机构保持刹车状态，控制器接收到启动信号后，控制管路控制阀动作使刹车执行机构松闸，在解除制动的过程中，根据力传感器检测值，刹车力下降到F以下时，控制器控制变频器启动，变频器启动时先控制电机提供制动力，保持牵引机车的位置，直到刹车力降低至预设值F_刹车以后，变频器控制电机输出驱动力F_输出驱动牵引机车起步，其中F_输出小于电机的额定驱动力，大于牵引机车的摩擦力F₁和沿斜坡方向重量分量F_G，且F_输出-F_G-F₁≥F_刹车。

有益效果：本发明的牵引机车中，依据制动系统力传感器提供的刹车力信号，控制器可以实时判断刹车力大小，由控制器控制管路控制阀自动解除驻车制动，同时在刹车力下降到F以下时控制变频器启动，配合电机制动，可以在电机输出驱动力之前保持牵引机车的位置，可以解决在坡道上启动因刹车打开太早或太迟造成的溜车问题，降低司机操作难度，提高机车安全性能。

进一步的，管路控制阀与刹车操作件串接在刹车控制管路上，所述刹车控制管路接通时刹车执行机构松闸，刹车控制管路断开时使刹车执行机构进行刹车。管路控制阀与刹车操作件串接结构较为简单。

进一步的，管路控制阀为断电时断开刹车控制管路的电磁阀。电磁阀便于控制器控制，简化结构。

进一步的，变频器通过控制电机直流制动提供制动力。

进一步的，变频器通过控制电机零伺服制动提供制动力。

进一步的，预设值F_刹车等于0。降低电机启动时的负载，更有利于启动。

进一步的，刹车控制管路为气路。气路成本低。

进一步的，刹车执行机构包括用于对车轮刹车的闸瓦、闸瓦架，闸瓦固定在闸瓦架上，闸瓦架铰接在牵引机车的车架上，刹车执行机构包括驱动闸瓦架动作的制动缸，制动缸具有控制腔和动力腔，动力腔与气源连通，控制腔与刹车控制管路连通。

进一步的，所述力传感器为设置在制动缸与闸瓦架之间的拉力传感器。

进一步的，所述刹车操作件为手刹。

本发明牵引机车坡道辅助启动控制方法的技术方案：

牵引机车坡道辅助启动控制方法包括：

在牵引机车启动时，根据牵引机车的所处状态，计算牵引机车最小刹车力F，牵引车的刹车执行机构松闸的过程中，实时采集刹车力的大小，刹车力降低至F值时，启动牵引机车动力模块中的变频器，变频器启动时先控制动力模块中的电机提供制动力，直到刹车力降低至预设值F_刹车以后，变频器控制电机输出驱动力F_输出驱动牵引机车起步，中F_输出小于电机的额定驱动力，大于牵引机车的摩擦力F₁和沿斜坡方向重量分量F_G，且F_输出-F₁-F_G≥F_刹车。

有益效果：刹车执行机构松闸的过程中实时采集刹车力大小，在刹车力下降到F以下时控制变频器启动，配合电机制动，可以在电机输出驱动力之前保持牵引机车的位置，在电机不过载的情况下，使牵引机车顺利启动，解决在坡道上启动因刹车打开太早或太迟造成的溜车问题，降低司机操作难度，提高机车安全性能。

进一步的，预设值F_刹车等于0。降低电机启动时的负载，更有利于启动。

进一步的，变频器通过控制电机直流制动提供制动力。

附图说明

图1是本发明牵引机车具体实施例1中刹车气路的结构示意图；

图2是本发明牵引机车具体实施例1中刹车执行机构的结构示意图；

图3是本发明牵引机车具体实施例1中车身中部加倾角传感器的结构示意图；

图4是本发明牵引机车具体实施例1中信号输入输出的示意图；

图5是本发明牵引机车具体实施例1中的控制流程图；

图中：1、手刹；2、刹车控制管路；3、管路控制阀；4、刹车执行机构；5、闸瓦；6、闸瓦架；7、制动缸；8、调节螺杆；9、拉力传感器；10、倾角传感器；11、车架；12、脚刹；13、主气路；14、气源；15、脚刹气路；16、车轮；17、闸瓦座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明牵引机车的具体实施例1：

如图1至图3所示，牵引机车包括车架11、制动系统和控制器，制动系统包括手刹1、脚刹12、刹车执行机构4、用于检测刹车执行机构4刹车时刹车力的力传感器、刹车控制管路2、管路控制阀3、主气路13、脚刹气路15，主刹车控制管路2为气路，气路13连接有气源14，本实施例中气源14为空压机。手刹1构成刹车操作件，其他实施例中刹车操作件还可以是电子手刹，当然，还可以是脚刹。管路控制阀3为电磁阀，其他实施例中，管路控制阀还可以是气动阀或者液压阀。

刹车控制管路2接通时刹车执行机构4松闸，刹车控制管路2断开时使刹车执行机构4进行刹车。刹车执行机构4包括用于对车轮16刹车的闸瓦5、闸瓦架6、制动缸7、调节螺杆8，闸瓦5固定在闸瓦架6上，闸瓦架6铰接在闸瓦座17上，闸瓦座固定在牵引机车的车架上，闸瓦架6设置两个，一个闸瓦架6与制动缸7的缸体铰接，另一个闸瓦架6与调节螺杆8铰接，力传感器为设置在调节螺杆8与制动缸7的活塞杆之间的拉力传感器9。制动缸7具有控制腔和动力腔，动力腔与气源连通，控制腔与刹车控制管路2连通。通过制动缸对车轮进行制动为现有技术，本实施例中不再详细说明。

拉力传感器9实时检测车轮上的刹车力，信号接入控制器，进行换算后转换成刹车力数值。

刹车控制管路2用于控制刹车执行机构4刹车和松闸，管路控制阀3与刹车串接在刹车控制管路2上，用于控制刹车控制管路2的通断。

刹车执行机构4的松闸由管路控制阀3和手刹1共同控制，仅手刹1或者管路控制阀3打开无法解除驻车制动，两者均打开才能解除驻车制动，控制器控制管路控制阀3的打开与闭合。

刹车执行机构4的刹车由手刹1和管路控制阀3单独控制，当刹车和管路控制阀3任一断开刹车控制管路2时，刹车执行机构4即进行刹车。管路控制阀3为电磁阀，断电时断开刹车控制管路2。

牵引机车还包括动力模块、控制器和设置在车身上的倾角传感器10，倾角传感器10用于测量牵引机车轨道的倾角以计算出牵引机车静止在轨道上的最小刹车力F。倾角传感器10实时检测轨道坡度，倾角传感器10信号接入控制器，进行换算后转换成坡度数值。动力模块包括电机和变频器。

如图4和图5所示，控制器为PLC控制器，控制器与管路控制阀3、变频器、倾角传感器10和拉力传感器9连接。牵引机车启动时，操作手刹1使手刹1处于使刹车执行机构4松闸的状态，刹车执行机构4保持刹车状态，控制器接收到启动信号后，控制管路控制阀3动作使刹车执行机构4松闸，在解除制动的过程中，根据力传感器检测值，刹车力下降到F以下时，控制器控制变频器启动，变频器启动时先控制电机直流制动提供制动力，保持牵引机车的位置，直到刹车力降低至预设值F_刹车以后，变频器控制电机输出驱动力F_输出驱动牵引机车起步，其中F_输出小于电机的额定驱动力，大于牵引机车的摩擦力F₁和沿斜坡方向重量分量F_G且F_输出-F₁-F_G≥F_刹车。本实施例中，预设值F_刹车等于0。

本发明的牵引机车的启动过程如下：

打开钥匙开关，启动系统。判断系统故障情况，如报警灯不闪烁确定无故障。打开手刹，此时管路控制阀3为失电，刹车控制管路2不通，未解除驻车制动。按压点动按钮或推档给控制器发送指令。控制器接收到运行指令和变频器处于待机状态的信号后控制管路控制阀3得电，解除驻车制动，气源给制动缸供气，刹车力开始释放，等刹车力下降到最小刹车力F（可通过程序自动计算或预设）后，控制器输出相应的指令使变频器启动。变频器启动过程是先进行短时间直流制动，直流制动即输出制动力。输出直流制动力过程中，刹车力降为0。待直流制动结束，变频器再按给定的方向、速度、负载自适应输出需要的驱动力F_输出。

最小刹车力F，可由下列公式计算得出：

F₁=μmgcosθ

F_G=mgsinθ

F=F_G-F₁

F₁为机车在坡道上的摩擦力，μ为车轮与轨道的摩擦系数，m为机车重量，g为重力加速度，θ为坡道的角度，F_G为机车沿坡道方向的重力分量。

设置变频器直流制动参数，以某一品牌为例，设置启动直流制动电流与电机额定电流的百分比值，此值确定启动前制动过程中电机输出的制动力，设置启动直流制动时间为一个估算值1.3s，在1.3s内，刹车力从最小F减小到0。

直流制动电流与电机额定电流的百分比值可由下列公式得出：

γ=F_输出/F₂×100%=（F₁+F_G+F_刹车）/F₂×100％

F₂=9549×P×i/n/r

γ为直流制动电流百分比值，F_输出为启动时电机的输出牵引力值，F₂为机车额定牵引力，P为电机功率，i为传动减速比，n为电机转速，r为车轮半径。

本发明的牵引机车依据制动系统拉力传感器9提供的刹车力信号，控制器可以实时判断刹车力大小，由控制器自动解除驻车制动，同时在合适的时间控制变频器启动，配合电机直流制动，可以解决在坡道上启动因刹车打开太早或太迟造成的溜车问题，降低司机操作难度，提高机车安全性能。

本发明牵引机车的具体实施例2，本实施例中牵引机车的结构与上述实施例中的区别仅在于，变频器通过控制电机零伺服制动提供制动力。

本发明牵引机车的具体实施例3，本实施例中牵引机车的结构与上述实施例中的区别仅在于，刹车控制管路为液压油路。

本发明牵引机车的具体实施例4，本实施例中牵引机车的结构与上述实施例中的区别仅在于，预设值F_刹车大于0，但是必须保证牵引机车的电机不过载。

本发明牵引机车的具体实施例5，本实施例中牵引机车的结构与上述实施例中的区别仅在于，拉力传感器还可以由设置在闸瓦架与牵引车机架之间的压力传感器代替。

本发明牵引机车的具体实施例6，本实施例中牵引机车的结构与上述实施例中的区别仅在于，管路控制阀与刹车操作件并联在刹车控制管路上，刹车控制管路关闭时刹车执行机构松闸，刹车控制管路接通时使刹车执行机构进行刹车。

本发明牵引机车坡道辅助启动控制方法的具体实施例，牵引机车坡道辅助启动控制方法包括：

在牵引机车启动时，根据牵引机车的所处状态，计算牵引机车最小刹车力F，牵引车的刹车执行机构4松闸的过程中，实时采集刹车力的大小，刹车力降低至F值时，启动牵引机车动力模块中的变频器，变频器启动时先控制动力模块中的电机提供制动力，直到刹车力降低至预设值F_刹车以后，变频器控制电机输出驱动力F_输出驱动牵引机车起步，其中F_输出大于牵引机车的摩擦力F₁和沿斜坡方向重量分量F_G且F_输出-F₁-F_G≥F_刹车。预设值F_刹车等于0。变频器通过控制电机直流制动提供制动力。本实施例中的牵引机车坡道辅助启动控制方法与上述牵引机车任意一具体实施例中所述的控制方式相同，具体不再赘述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.牵引机车，其特征在于，包括：

制动系统，包括刹车操作件、刹车执行机构、用于检测刹车执行机构刹车时刹车力的力传感器、刹车控制管路和管路控制阀；

刹车控制管路用于控制刹车执行机构刹车和松闸，刹车操作件设置在刹车控制管路上能够控制刹车控制管路的通断；

管路控制阀用于控制刹车控制管路的通断，刹车执行机构的松闸由管路控制阀和刹车操作件共同控制；

倾角传感器，用于测量牵引机车轨道的倾角以计算出牵引机车静止在轨道上的最小刹车力F；

动力模块，包括电机和变频器；

控制器，与管路控制阀、变频器、倾角传感器和力传感器连接；

牵引机车启动时，操作刹车操作件使刹车操作件处于使刹车执行机构松闸的状态，刹车执行机构保持刹车状态，控制器接收到启动信号后，控制管路控制阀动作使刹车执行机构松闸，在解除制动的过程中，根据力传感器检测值，刹车力降低至F值时，控制器控制变频器启动，变频器启动时先控制电机提供制动力，保持牵引机车的位置，直到刹车力降低至预设值F_刹车以后，变频器控制电机输出驱动力F_输出驱动牵引机车起步，其中F_输出小于电机的额定驱动力，大于牵引机车的摩擦力F₁和沿斜坡方向重量分量F_G，且F_输出-F_G-F₁≥F_刹车。

2.根据权利要求1所述的牵引机车，其特征在于，管路控制阀与刹车操作件串接在刹车控制管路上，所述刹车控制管路接通时刹车执行机构松闸，刹车控制管路断开时使刹车执行机构进行刹车。

3.根据权利要求2所述的牵引机车，其特征在于，管路控制阀为断电时断开刹车控制管路的电磁阀。

4.根据权利要求1或2或3所述的牵引机车，其特征在于，变频器通过控制电机直流制动提供制动力。

5.根据权利要求1或2或3所述的牵引机车，其特征在于，变频器通过控制电机零伺服制动提供制动力。

6.根据权利要求1或2或3所述的牵引机车，其特征在于，预设值F_刹车等于0。

7.根据权利要求1或2或3所述的牵引机车，其特征在于，刹车控制管路为气路。

8.根据权利要求1或2或3所述的牵引机车，其特征在于，刹车执行机构包括用于对车轮刹车的闸瓦、闸瓦架，闸瓦固定在闸瓦架上，闸瓦架铰接在牵引机车的车架上，刹车执行机构包括驱动闸瓦架动作的制动缸，制动缸具有控制腔和动力腔，动力腔与气源连通，控制腔与刹车控制管路连通。

9.根据权利要求8所述的牵引机车，其特征在于，所述力传感器为设置在制动缸与闸瓦架之间的拉力传感器。

10.根据权利要求1或2或3所述的牵引机车，其特征在于，所述刹车操作件为手刹。

11.牵引机车坡道辅助启动控制方法，其特征在于，包括：

在牵引机车启动时，根据牵引机车的所处状态，计算牵引机车静止在轨道上的最小刹车力F，牵引车的刹车执行机构松闸的过程中，实时采集刹车力的大小，刹车力降低至F值时，启动牵引机车动力模块中的变频器，变频器启动时先控制动力模块中的电机提供制动力，保持牵引机车的位置，直到刹车力降低至预设值F_刹车以后，变频器控制电机输出驱动力F_输出驱动牵引机车起步，其中F_输出小于电机的额定驱动力，大于牵引机车的摩擦力F₁和沿斜坡方向重量分量F_G，且F_输出-F₁-F_G≥F_刹车。

12.根据权利要求11所述的牵引机车坡道辅助启动控制方法，其特征在于，预设值F_刹车等于0。

13.根据权利要求11所述的牵引机车坡道辅助启动控制方法，其特征在于，变频器通过控制电机直流制动提供制动力。

Images