CN1331030A - 用于铁路货物运载工具的坡度速度控制器及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于铁路货物运载工具的坡度速度控制系统和方法,包括一个接收来自诸如火车头中的动态和独立制动器、及每一节车厢中的制动器的输入的微处理器。微处理器可以存储所需的火车速度和实际的火车速度、以及用于将原始数据转换成导出制动汽缸压力用于实现火车速度控制函数的常量和公式。坡度速度控制系统还包括与连接的火车车厢上的制动汽缸控制设备进行通信以增加或减小制动汽缸压力来控制火车的速度。如果实际速度与目标速度相差不止一个预定值,则计算目标加速度并导出制动汽缸压力调节量实现目标加速度,以使火车的实际速度在一个合理短暂的时间周期内达到目标速度。在火车下坡过程中重复该顺序,根据需要自动调节火车制动结果,以保证目标速度在一个紧凑的范围之内。

Description

用于铁路货物运载工具的坡度速度控制器及方法
本申请是基于申请日为1999年6月29日的美国临时专利申请文件NO.60/141,395。
本发明涉及用于铁路运载工具的电子控制刹车系统，尤其是涉及一种用于铁路运载工具的电子坡度速度控制器及方法，用于根据需要自动地调整火车制动应用程序来保持一个预选的火车速度。
从早期的威斯汀豪斯气闸开始，直到现在，压缩的空气已经成为制动控制信号通过火车货运车厢传输的介质，也是通过制动滑轨使用摩擦延迟的力，制动滑轨在制动期间与车厢车轮的轮胎相吻合。随着电子气动(ECP)制动控制系统的出现，气闸的能力已经扩展到超出了传统气动制动控制系统所能达到的能力。改进的能力主要是由于制动控制信号可以即时地传输到火车的每一节车厢，而气动控制信号的传播受一个接近声速的值的限制。
在货运火车中，许多连结的火车车厢典型地是通过制动液管互联的，制动液管供给来自火车头中主储存器中的加压液体。每一节车厢通常都有一个板上制动液管、一个装载来自主储存器的加压液体的储存器、一个排气装置及一个液体压力活性制动汽缸装置。在某些车厢中，还存在一个与ECP货运制动控制系统的电子控制器相连的气动控制阀。
在ECP系统中，电子控制器操作螺线管启动阀，螺线管启动阀控制储存器、制动汽缸及排气装置之间的加压液体的入口。
制动液管中的压力可以通过技师从火车头来控制。一般的，在火车头通过技师所控制的制动有三种不同的类型。第一种是“独立制动器”，是只在火车头中的制动器。第二种被称为“动态制动器”，适合用于火车头的发动机为火车提供延迟力。第三种类型是“机车制动器”或“摩擦制动器”，是指在每一节火车车厢上的气动制动器。关于摩擦制动器，制动液管压力的减小可以通过技师给气动控制阀或电子控制器发送一个信号以便使用火车车厢上的制动器。所使用的制动力的级别通常是制动液管压力减小量的函数。尽管电子控制器可以使用压力传感器来检测制动液管压力的变化，技师还可以电动地传输一个命令信号给每一节火车车厢中的电子控制器，指示它去使用所选择的制动力大小。类似地，制动液管压力的增加是对火车车厢缓解制动的信号。同样，在使用制动器时，还可以传输一个命令信号来指示电子控制器缓解制动。
虽然气动制动在火车正常操作时被用于很多用途，像给火车减速或让火车停止、或控制交互车厢的动态(松弛、插入、脱开)，当制动用于保持下坡时火车的速度时，要特别考虑操作条件。在这种条件期间，摩擦制动器经常用于补充由火车车头所提供的动态制动。当坡度制动时，只需要制动气缸压力可达到满负荷值的一半，就能平衡施加在火车上的重力坡度加速度力。如果总的火车延迟力恰好与坡度加速力相匹配，则加速度为零，且速度保持恒定。如果总的延迟力大，则速度减小。
货运火车通常有很长，甚至有几百节车厢长，导致很大的移动量，这需要同样大程度的制动力去控制。因此，当火车下坡行驶的时，要保持恒定的预选火车速度是很困难的。火车下坡时的速度控制是个问题，特别是如果火车增加的速度超过了安全限度或者如果储存器被过度的消耗以至危及到不能控制火车速度。
历史上，由于典型地制动控制系统没有提供制动汽缸压力的逐级缓解，有时会出现一个问题。只有在制动汽缸压力耗尽之后，才可以使用不同级别的新的制动应用程序。这样，为了在初始化应用程序之后改变制动的级别，制动汽缸必须排气。此外，排放制动汽缸而耗尽系统中的压力比从主储存器中补充压力更快。因此，持续的使用和消耗制动器能快速地耗尽压力存储器使之降到能控制火车速度的等级以下。很明显，这在下坡时是尤其不希望出现的。因此，非常需要在下坡时保持火车的速度在一个紧凑的范围内。然而，使用逐级缓解制动阀，可能任意次数的而有选择地增加或减少制动汽缸压力而不会完全耗尽制动汽缸的压力。在美国未决的专利申请NO——中公开了一种逐级缓解制动阀，在此以作参考。
根据本发明，用于铁路货物运载工具的坡度速度控制系统可以通过带有一个微处理器的速度控制系统来完成，微处理器接收来自各种来源的输入，如从火车头中的动态制动器或独立制动器，也可以是来自每一节火车车厢中的制动汽缸。此外，微处理器中可以输入所需的火车速度、实际火车速度、及用于将原始数据转换为导出制动汽缸压力调节量所需值的常量和公式，制动汽缸压力调节量是实现坡度速度控制系统的速度控制函数所需的。此外为了增加或减少制动汽缸的压力以控制火车的速度，坡度速度控制系统可以与诸如每一节火车车厢上的电子控制器这样的制动汽缸控制设备进行通信。
在实现坡度速度控制中，当火车开始下坡时，操作员典型地会设置动态制动器所需的级别，然后根据需要逐渐使用摩擦制动器，以使坡度重力加速力保持平衡，并保持所需的火车速度。通过设置开关并向火车头中的制动控制微处理器输入所需的火车速度来启动坡度速度控制。微处理器能监控实际的火车速度、计算加速度、比较实际速度与目标速度。如果实际速度与目标速度相差不止一个预定的值，则计算一个目标加速度。从目标加速度，可以导出一个制动汽缸压力调节量以获得目标加速度，并使实际火车速度在一个合理地短暂的时间周期内达到目标速度。在火车下坡过程中可以重复这个顺序，根据需要自动调节火车制动结果，以保持目标速度在一个紧凑的范围内。
在任何时间都可以指定一个新的目标速度，坡度速度控制系统可以自动调节火车速度使之与新的目标速度相匹配。类似地，可以改变动态制动器的设置，制动控制微处理器可以自动地对制动汽缸压力补偿一个适当的调节量。此外，如果火车速度或制动汽缸压力接近一个极限级别，通过系统操作员可快速的被警告。
坡度速度控制系统也可以基于目标速度和实际速度之间的差值来改变制动汽缸压力调节量的级别。例如，在实际速度与目标速度之间的差值大于一个预定数值的等式中，可以在等式中使用一个更高的值，为了实现一个临界速度控制调节量，可以从等式中导出制动汽缸压力调节量。类似地，如果实际速度与目标速度之间的差值足够小，可以在制动汽缸压力调节量等式中使用一个较低的值，以实现一个正常的速度控制调节量。此外，为了避免超过目标速度，制动汽缸压力调节量可以修改为接近目标速度的实际速度。由现有的制动汽缸压力所控制的主加速度可以由连续的速度测量值导出。制动汽缸压力的变化可以由主火车加速度和目标加速度之间的差值来判定。通过反复执行这一过程，可以自动和连续地控制制动汽缸压力以保持火车的速度在一个紧凑范围之内。
通过以下的详细说明及实施例的附图，本发明的其它细节、结果及优点将变得更为清楚。
结合附图来参照以下详细说明将能更完整的理解本发明。
图1依据本发明给出了坡度速度控制系统的一个最佳实施例的示意图。
图2是对图1所示的火车车厢刹车系统的更详细的示意图。
图3是依据本发明实现坡度速度控制系统的最佳方法的流程图。
现在参考附图，附图1示出了一个最佳的坡度速度控制货物刹车系统。该系统包括用于操作火车头动态制动器、独立制动器、及摩擦制动器的火车技师控制器。那些制动的操作可以输入到坡度速度控制器，坡度速度控制器也接收来自各种火车速度传感器的输入。为了控制那些制动系统以实现对火车的坡度速度控制，坡度速度控制器可以与连接的火车车厢上的制动系统进行通信。
连接的火车车厢上的制动系统典型地包括附图2所示部分，如通过电子或无线电频率命令信号CS与坡度速度控制器通信的电子控制器(EC)。EC也接收来自用于监控诸如制动液管(BP)、加压空气储存器和制动汽缸中的主压力的压力传感器的输入。EC可以通过一个电子气动阀和一个逐级缓解制动阀来控制制动汽缸中的压力。EC会导致电子气动阀将制动汽缸耦合到储存器来增加制动汽缸的压力，以响应来自坡度速度控制器的这种命令。
此外，如果由于某些原因，接收者没有接收到来自坡度速度控制器的命令信号，为响应通过制动液管通信的气动制动阀的信号，EC也能执行此操作。在这种情况下，EC可以以常规方式使用制动液管压力传感器来检测气动传输制动命令信号。
图3是实现自动火车BCP调节以保持恒定火车速度的一种典型算法。从任何现有的制动汽缸压力导出的实现目标加速度的制动汽缸压力调节量，正如需要在一个合理的短暂的时间内使火车速度达到目标速度。为了避免超过目标速度，根据接近目标速度的速度适度调节这些压力。由现有的制动汽缸压力所控制的主加速度是从连续的速度测量值中导出。BCP中的变化是通过当前的火车加速度与目标加速度的差值进行判定。
目标加速度是表示在一个合理短暂的时间内使速度达到所需速度的火车速度变化率的一个计算值。目标加速度at的公式可以如下表示：
at＝±|Vd|8/40.0
其中Vd＝Vt－V(目标速度与实际速度的差值)(Vd的符号为at保留)
正如所示的，目标加速度取决于所需速度与当前速度的现有差值。下表列出了该公式给出的值。
            Vd         at         如果at保持不变，达到Vd＝0的时间
          -10.0mph   -.1577mphps              63.4sec
速度过高  -5.0       -.0906                   55.2
          -2.0       -.0435                   46.0
          -1.5       -.0346                   43.4
          -1.0       -.0250                   40.0
           0           0                      0
          +1.0       +.0250                   40.0
速度过低  +1.5       +.0346                   43.4
          +2.0       +.0435                   45.95
          +5.0       +.0906                   55.2
          +10.0      +.1577                   63.4
正如所描述的，为了实现火车的目标加速度，制动汽缸压力调节量可以从任何现有的压力中导出。公式推导如下：
(1)F＝ma及a＝F/m
其中F为制动阻力，m为一节车厢的质量
(2)∴a＝F*32.175/w
(3)F＝NSF*μ＝NBRt*W*μ
   其中μ＝制动滑轨摩擦系数，使用极小的摩擦值μ＝.32
(4)代入后，a＝NBRt*W*μ*32.175/W
(5)a＝10.3*NBRt
   因为MBRt表示50psi BCP，
(6)a＝10.3*NBRt/50＝.206*NBRt(每psi BCP)
   将a由fpsps变为mphps，
(7)a＝.1404*NBRt(每psi BCP，在mphps)
(8)∴要得到1mphps a需要7.1225/NBRt(psi BCP)
对于一个具有设计净刹车率＝NBRt的263,000 1b.车厢，与7.1225/NBRtpsi相等的BCP的变化将通过1mphps改变加速度。
(9)A＝BCP＝7.1225*t/NBRt
对于装载小于263,000 1bs.的车厢，ΔBCP将成比例地降低。对于临界速度控制和正常变化，分别使用8％或0.8的NBR，90.0和50.0来代替BCP调节量等式中的7.1225/NBRt。
用于重复调节火车制动汽缸压力以保持所选速度的算法通常由图3所示的流程图定义。当启动坡度速度控制系统时，初始化所有的变量，并记录指定的速度。然后，程序循环跟踪控制火车速度。
制动汽缸压力调节量在计时循环内重复计算。调节循环周期有微小的变化主要由于当前周期中产生了制动调节量。如果没有出现危险速度情况，这就为任何调节变得有效提供了充足的时间。如果出现危险速度，则会消耗一个诸如2秒的最小的周期时间。
在每一个程序周期期间，用于校正火车速度所作的任何制动汽缸压力调节量取决于很多因素。按照逻辑顺序，程序将实际火车速度与命令目标速度相比较以及将实际加速度与计算的目标加速度相比较。只基于对速度差值的BCP调节量是不够的，因为火车已经根据需要正在加速或减速以校正速度。最严重的情况是当火车速度超过目标速度一个值或当火车速度超过目标速度时，火车正在加速。同样，如果存在速度差值，但当前火车的加速度或减速度超过计算的目标值，也不必校正当前循环中的BCP。
为了更详细地探索算法，下面的序号与流程图中的步骤序号相应。
◆1.测量当前速度。
◆2.计算目标速度与实际速度的差值vd
     注释：
●   如果vd为(+)，速度＜目标速度，速度必须增加。
●   如果vd为(-)，速度＞目标速度，速度必须减小。
◆3.计算目标加速度at，以相同的符号校正速度at＝f(vd)。注释：
●   如果at为(+)，速度必须增加(加速)。
●   如果at为(-)，速度必须减小(减速)。
◆4.通过连续标准化速度数据来测量实际加速度a。
     注释：
●   如果a为(+)，火车正在加速。
●   如果a为(-)，火车正在减速。
◆5.计算实际加速度与目标加速度的差值。
ad＝at-a注释：
●    如果ad为(+)，火车必须增加减速度和减小加速度。(BCP也需要增加)
●    如果ad为(-)，火车必须增加加速度和减小减速度。(BCP也需要减小)
◆6.实际速度比目标速度大1.5mph吗？(确定是否需要适度和实质性BCP调节)(如果是实质性的，则转向步骤7。如果不是，为适度，则转向步骤11。)
◆7.加速度差值ad为负值吗？(如果这样，则需要更高的BCP。)(如果是，则转向步骤8。如果不是，则转向步骤11。)
◆8.开关B设置了吗？(警告操作者这会延迟一个循环速度)(如果是，转向9去设置开关B，如果不是，转向10。)
◆9.设置开关B(转向步骤18。)
◆10.输出速度警告(转向步骤18)
◆11.清除开关B(转向步骤12)
◆12.目标速度与实际速度的差值vd小于2mph吗？(如果是，转向13，如果不是，转向17)。
◆13.目标加速度at为正值(需要增加速度)吗？(如果是，转向14，如果不是，转向16)
◆14.实际加速度a为正值(火车速度在增加)吗？(如果是，转向15，如果不是，转向17)。
◆15.目标加速度与实际加速度的差值ad小于2mphps吗？(步骤13-14-15或13-16-15，根据需要确定在目标加速度2mph之内火车速度是正在增加或减小，在其中一种情况，不需要BCP调节。)(如果是，则转向31，如果不是，则转向17)。
◆16.实际加速度a为正值(火车速度在增加)吗？(如果是，转向17，如果否，转向15)。
◆17.计算适度的BCP调节量
A＝50*ad(转向19)
◆18.计算BCP调节量
A＝90*ad(转向19)
◆19.BCP调节量小于-8psi吗？(用于限制超过调节的BCP快速减小)(如果是，转向20，如果否，转向21)。
◆20.重置调节量到8。转向21。
◆21.计算新的BCP需求。转向22。
◆22.BCP超过满负荷值BCP的1/2或(4*BP-2)吗？(如果这样，警告操作员。)(如果是，转向23，如果否，转向24)。
◆23.输出BCP警告。
◆24.输出新的BCP命令。转向25。
◆25.开关B设置了吗？(如果火车速度危险，缩短循环周期)(如果是，转向27，如果否，转向26)。
◆26.根据所作的BCP调节数量函数设置循环周期。转向28。
◆27.设置循环周期为2秒
◆28.设置速度控制指示器了吗？(如果是，继续转向29，如果否，退出并保持现有刹车命令)
●29.火车使用制动了吗？(制动控制处理位置保持一致)(如果是，继续转向30，如果否，建议操作员退出速度控制并监控制动命令)
●30.循环周期增加了吗？(如果是，转向1并开始另一个循环。如果不是，转向28)
●31.定时器暂停：t＝5sec(没有BCP变化，转向1)
目标加速度
                    设计定值
Vd        At      时间      BCP变化
0.5       0.014   34.8      0.72
1         0.025   40.0      1.25
1.5       0.035   43.4      3.11
2         0.044   45.9      3.92
3         0.060   49.8      5.42
5         0.091   55.2      8.15
8         0.132   60.6      11.88
12        0.183   65.8      6.43
其中：
Vd＝实际速度与目标速度的差值
At＝校正速度差值的目标加速度
固定时间＝在目标加速度达到目标速度的固定时间。
BCP变化＝将加速度从0变到目标加速度的BCP变化(算法说明了当前加速度)
注释：(在8％NBR，a≈.01227mphps每psi BCP)
(在24％NBR，a≈.046mphps每psi，需要在BCP等式中乘以因数21.73，代替65.185，在76.5％NBR，乘以因数80.23)
尽管已经详细地描述了本发明的实施例，本领域普通技术人员在通晓了本发明所公开的内容后可以很容易对其进行各种修改。因此，这里公开的特定实施例只是为了说明性的，而不能限制本发明的保护范围。权利要求书将给出本发明的完整保护范围。

Claims (11)

1、一种坡度速度控制方法，该方法用于具有一个火车头和至少一节带有ECP制动控制系统的连接车厢的铁路货运火车，该ECP刹车控制系统包括一个液体压力活性制动汽缸设备和一个逐级缓解阀，该方法包括：
a.监控火车的实际速度；
b.选择火车的一个目标速度；
c.检测目标速度与实际速度之间的速度差值；及
d.为响应所述的速度差值，调节所述至少一节连接车厢上的制动汽缸压力，使实际速度符合目标速度。
2、如权利要求1所述的方法，还包括反复地执行步骤c和d。
3、如权利要求2所述的方法，还包括：
a.选择一个新的目标速度；及
b.调节制动汽缸压力，使实际速度符合新的目标速度。
4、如权利要求1所述的方法，还包括：
a.计算火车的主加速度；
b.计算目标加速度；
d.导出制动汽缸压力调节量以获得目标加速度；
c.实现所述的制动汽缸调节量使主加速度符合目标加速度，以便实际速度达到目标速度。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述调节制动汽缸压力响应一个预定义的最小速度差值。
6.如权利要求1所述的方法，其中调节制动汽缸压力的步骤包括：
a.确定速度差值是否超出了一个预定值；
b.检测主加速度是正还是负；
c.基于所需制动力的更高级别来导出第一制动汽缸压力调节量；
d.基于所需制动力的较低级别来导出第一制动汽缸压力调节量；
e执行所述第一制动汽缸压力调节量，以响应速度差值超过预定值或主加速度为正值中的至少一种情况；且
f.执行所述第二制动汽缸压力调节量，以响应速度差值小于预定值或主加速度为负值中的至少一种情况；
7.如权利要求6所述的方法，还包括提供一个速度警告，以响应速度差值超过预定值或主加速度为正值中的至少一种的情况。
8，如权利要求6所述的方法，还包括以较短的时间间隔重复计算所述主加速度，以响应实现所述第一制动汽缸压力调节量。
9.如权利要求6所述的方法，还包括根据所述第二制动汽缸压力调节量函数以一个时间间隔重复计算所述主加速度。
10.如权利要求6所述的方法，还包括：
a.检测制动汽缸压力调节量是否导致制动汽缸压力超过满负荷值制动汽缸压力的一半；及
b.提供一个警告，以响应所述检测。
11.如权利要求6所述的方法，还包括：
a.检测制动汽缸压力调节量是否导致制动汽缸压力减小不止一个预定值；及
b.响应所述检测，替代预定的最大制动汽缸压力的减小值。
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