CN1745001A - 制动系统和制动控制方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于多轴车辆的制动系统，其包括多个制动元件和控制器，制动元件响应制动命令而向该车辆施加所需制动力，该制动器监控该多个制动元件的运行，并在检测到一个制动元件有效性减弱时，在剩余制动元件中分配制动力相关损失。在多个可独立运行单元或车辆被配置形成列车时，应用本系统具有优势。每个单元带有自己的单元控制器，其提供关于列车里单元和各个单元制动系统的数目的配置信息至其他控制器。

Description

制动系统和制动控制方法

技术领域

本发明涉及一种制动系统，尤其是在多轴车辆，如列车或其他轨道车辆上执行的制动系统。本发明还涉及控制制动系统的方法。

背景技术

很多运输系统通常提供多个不同的制动系统，因此，尽管其中一个系统失灵或无效，车辆也可以安全可靠地停下。家庭用车早已带有机械手制动器，其独立于继动液压系统。载货汽车或大客车通常有更复杂的替换系统，其形式为排气制动，用于利用发动机减缓从动轮以提供部分制动要求。轨道车辆也利用不同制动系统的组合，该组合可包括：

-通过发动机执行的电动力制动

-涡流制动，如通过轨道(track)制动

-通过悬浮在轨道上方磁体执行的磁制动

-对车轮或车轴的气压或液压摩擦制动

-空气动力制动(用于一些高速列车的空气阻力)

这些可选制动系统以不同方式在车辆不同部位和车辆环境之间起作用。它们因此确保系统有一定水平的冗余，从而一个系统可以为另一个系统的失灵作出补偿。

当前的近郊和轻轨系统通常以电动力主制动系统和空气辅助制动系统的形式提供冗余制动。正常制动通过主制动系统进行，该主制动系统可以通过发动机再生运行以制动从动轴。额外的制动力可以由空气制动器提供，该空气制动器可提供给所有的轴或仅仅提供给未驱动的轴。在主制动系统完全失灵的情形下，辅助制动系统应该能够完全提供所需的制动力并使列车停止。在主制动系统部分或暂时失灵的情形下，辅助制动器应该提供需要的制动力补偿以维持所需的减速。通常，由于再生制动的性质，当车辆减速的时候，再生制动器的效果也降低，必须由空气制动系统补充。这两个系统的这种用法被称作混合(blending)。电动力制动系统和摩擦制动系统混合的现有配置技术的例子由US4659149和US4671577可知。

在现有技术的系统中，列车通常按单元提供，每个单元都可有效地自行控制，并且能够独立运行。通过把多个单元加到一起或为特定单元增加更多车厢，可以得到运行的灵活性。由于每个单元都可有效地自行控制，制动系统的控制也包含在单元里，因此，在单元内具有主制动系统和辅助制动系统的本地混合(local blending)。

运行辅助制动器的典型原因可包括：

-一个或多个主制动控制系统中的防滑控制的运行

-轨道车辆的超负荷

-由于子元件的损伤或故障导致主制动系统的制动力减弱

-主制动系统的一个或多个单元完全失灵

-无供电，因此再生制动不能发生。

根据运行辅助制动系统的原因，可以考虑不同的控制方案。比如，很明显地，如果主制动器由于车轮打滑的原因在一个轴无效，在相同轴上运行辅助空气制动器就不能减少打滑。还应该理解，由于打滑可能是轨道本地状况引起的，在相邻轴或转向架上起动辅助制动器也可能导致这些车轮打滑。

空气制动器有一个特殊问题，其制动力受其散热能力限制。这样的制动系统不是为扩展用途设计的。在特定单元里主制动系统完全失灵的情况下，相同单元里的辅助制动系统迅速达到其运行极限。由于列车的运行受限于最弱单元的运行，这就会要求整列列车降低其运行速度。

因此，需要配置辅助制动系统，以便允许在列车很大部分而不是一个单元里的有限数目的轴上适当分担或分配制动力补偿。这样，不仅每个辅助制动元件分担的制动力补偿减少，而且制动能力远离失灵的主制动元件，因此减少了这些单元受相似轨道状况影响的可能性。另外，通过这样的分配，施加到每个车轮上的制动力减少，从而降低任意车轮达到其与轨道粘着力极限的总体可能性。

在现代铁路系统中，特别是班车业务，列车操作人员必须能通过增加额外车厢来简单迅速地重新配置列车，这一点十分重要。列车操作人员还不能重新配置该新单元组合的制动系统以在整列重新配置的列车上完成这种优化的制动分配。

根据本发明，通过为包含多个制动元件和控制器的多轴轨道车辆提供制动系统以达到上述要求。该制动系统响应制动命令，对车辆施加所需的制动力。控制器监视制动元件的运行，并在检测到一个制动元件效力减弱时，在余下的制动元件中分配制动力相关损失。

发明内容

本发明的一个优点是它还能用于带有这样制动系统的轨道车辆，具体来说是带有多个可独立运行单元的轨道车辆，其中，控制器在每个单元都有单元控制器。

在这里，可独立运行单元是指能作为设备齐全的车辆运行的最小单个单元。这样的车辆通常包括发动机或其它推进或牵引装置，并且还包括驱动、制动等所必需的全部控制系统。然而，作为最简单的单元，其可包括单元控制器和制动元件而没有发动机，这也被认为是在本发明的范围之内。单元控制器因而在设置列车配置的时候提供与其他单元相互作用的装置，并根据列车操作人员的愿望确保多个单元的简单配置，同时还保存最佳制动分配。每个单元控制器在设置过程中可接收，或者在运行时可定时接收关于轨道车辆所带单元数目的配置信息，该配置信息可包括关于该轨道车辆中制动单元数目和类型的信息。

这样的制动系统，在包含有多个可独立运行单元的车辆中，其运行可确保制动力在各单元的制动元件中适当地分配。另外，通过为每个单元提供自己的单元控制器，每个单元控制器可以并行运行以达到同样的理想分配。可提供交叉核实功能以确保所有单元控制器达到同样结果，并在不一致时执行错误报告程序。或者，只有部分单元控制器运行，而其它的单元控制器在列车配置确定后停用。

根据本发明另外的具有优势的实施例，轨道车辆可包括第一制动类型和第二制动类型的制动元件。在检测到第一制动类型制动元件的有效性降低后，能在第二制动类型制动元件中分配制动力的相关损失。在有些情况下，制动力开始时可只由第一制动类型制动元件响应制动命令而施加。控制器可在所有第二制动类型制动元件中分配制动力损失，或者可以只在仅带有第二制动类型有效制动元件的轴之间分配制动力相关损失。在轴带有第一和第二类型两种制动元件但第一类型制动元件失灵或部分失灵时，这种设置就特别有利。

本发明还提供在带有多个单独单元的轨道车辆中获得所需制动力的方法，其中，每个单独单元包括第一和/或第二类型制动元件。该方法包括：询问单独单元以判断该轨道车辆中所包含单独单元的数目和制动元件的数目及类型；判断该轨道车辆当前的运行状况；评估仅利用第一类型制动元件是否可以得到所需制动力，并在第一类型制动单元不能提供全部所需制动力时在第二类型制动元件中分配其余的制动力。

每个单独单元可以独立运行并带有自己的单元控制器，每个单元控制器都适合执行本方法。这些都非常有利。

根据本方法的独特特征，判断轨道车辆当前运行状况的步骤可包括检测制动元件的失灵并标记该制动元件为不可运行，检测该轨道车辆的负荷和/或检测车辆打滑的出现。

优选地，在第一类型制动元件为电动力制动器时，判断轨道车辆当前运行状况的步骤包括检测与每个电动力制动器关联的电能供应的状况。在这种情况下，一旦检测到某个电动力制动器的电能供应处于不利状况，只要有一个时间滞后该电动力制动器就被标记为不可运行。

本发明还提供用于执行上述方法的程序，该程序可由软件和硬件的混合体形式完成，并由单元控制器提供。

附图说明

下面仅通过示例的方式并参考附图来描述本发明，其中：

图1示出列车配置，其简要说明该制动控制的细节。

具体实施方式

参考图1，其示出由两个三车厢单元2、4形成的列车1。每个单元包括一组机车21、23、41、43和单节车厢22，42。包含不同数目的单元或各单元中车辆不同安排的其它配置也是可能的。尽管在本示例中，每个单元基本相同，但也有可能组合不同的单元。

用“机车”这个词，意思是指车辆带有自己的推进动力，通常是电动机的形式。在多数郊线铁路配置中，机车本身就是乘客车厢，这样称呼仅仅是为了与没有推进动力的其它车厢区别。在本示例中，机车21、23、41和43都是由异步电动机电驱动，并被排列以通过这些发动机用作发生器的再生动作来执行电动力制动(ED制动)。这些机车还具有形式为电控气动作动盘式制动器(electropneumaticallyactuated disk brake)在从动轴作用的辅助制动能力。应该清楚，其他的推进单元可用来替代或补充本示例中的机车。

车厢22和42可有效地惯性滑行，并仅带有电动气动(EP制动)制动器。

每个单元2、4都带有单元控制器25、45。单元控制器25、45由系统总线5连接到一起，位于列车1中。在每个单元内，局部总线26、46连接单元控制器25、45至多个驱动控制单元32和EP控制器34。驱动控制单元32控制从动轴的牵引和制动，EP控制器34控制各个单元内全部单独EP制动器。因此，例如，机车21带有一个驱动控制单元32和一个EP控制器34，而车厢22仅带有EP控制器34。

为了确保系统不依赖耦合到一起形成列车1的单元的数目，每个单元控制器25、45可装备成具有相同的功能性。这样，下面说明的对制动分配的控制和计算在构成列车的每个单元控制器里并行实施。这可以通过把控制器25、45装备成相似的软件模块来完成。

在电子控制系统起动时，每个单元控制器25，45在初始化阶段判断耦合到一起形成列车1的单元2、4的总数和非电动力制动的轴的总数。

正常制动时，异步电动机被用作发生器，产生的电流是实际制动力的指示器。在制动程序中，对各个单元控制器25、45来说，机车21、23、41和43里每个有效的ED制动器的实际制动力被定时判断并累加以给出总的实际制动力。

异步电动机的扭矩/速度特性不是固定的，因此，列车1在其整个速度范围里的制动效果也不是固定的。但是，由于所需制动力通常是司机或自动驱动控制系统输入的常量，因此，在计算所需制动力时，该扭矩/速度特性必须当作校正因子加以考虑。

所需制动力与实际制动力间的差可以看作所需辅助制动量。这个差要被分配给所有非电动力制动的轴。在本示例中，这些轴是车厢22和42里的轴。但是，应当说明的是，在机车21、23、41、43中的一个机车里的ED制动器完全失灵时，与该机车相关的轴就变成了非电动力制动的轴。然后这些轴的EP制动系统在分配辅助制动力时也要予以考虑。

由于各个单元控制器25、45接收关于列车里的所有制动系统的当前配置与状态的相同信息，他们都得到相同的结果。所需单独辅助制动量可以通过局部总线26、46直接分配到该单元里非电动力制动的轴的EP控制器34。

在各个单元提供并行计算增加了所需计算量，由此而引起的任何制动起动滞后都是极小的，因为与整个制动时间相比，单元25，45的计算时间很短。

本制动程序的优点可以概括如下：

-通过压缩空气施加的辅助制动力由所有可用的非电动力制动的轴平均提供

-主电动力制动器故障的起因与位置对辅助制动器的执行影响极小或没有影响

-一个单元里或一个轴上的EP制动器热过载不会导致列车运行能力减弱。只有在整列列车里的所有ED制动器完全失灵时，EP制动器才会以热极限或接近热极限运行

-轨道/车轮系统的摩擦接触力得到最佳利用。

尽管本发明是结合轨道车辆的制动系统来说明的，可以设想，本发明还可应用到其他需要提供辅助制动以防主制动系统失灵的多轴车辆。

现参考图1示出的6车厢列车混合概念(blending concept)的例子进一步说明本发明。

例子

1.6车厢列车混合概念

电动力制动器(ED制动器)在较高速度范围中的性能极限和车轮最大允许表面温度要求在6个车厢分配电动气动辅助制动器(EP制动器)的制动力。

基于ED制动器的特性、可用电源、当前列车负荷和ED制动器的有效性，可以使用以下示出的混合概念。为判断列车负荷，可以使用以下定义：

AW0     空

AW1     占用所有座位

AW2     正常负荷，占用座位与地板面积

AW3     最大负荷，占用所有可用面积

本概念所产生结果：制动系统在ED制动器运行时以及一个或多个单元失灵时都能起作用；可用EP制动器平均地被负载；EP控制器电子元件的计算能力要求稍有增强；单元控制器电子元件的计算能力要求稍有增强；以及系统总线和局部总线的负荷保持最小。

2.无EP制动的运行状况

-负荷从AW0到AW2

-电源线≥1500伏

注：

尽管制动主要是ED制动，每接收到一个制动命令，还会有有限的EP制动力被提供到每节车厢(大约为1KN/轴)。这就缩短了EP制动器的空载时间(dead time)并为接触面提供抛光效果。

3.有EP制动的运行状况

在以下运行状况下，必须提供辅助EP制动(100％要求)，并设置“运行制动(service brake)”信号。

-负荷＞AW2

-一个或多个ED制动器失灵

-电源线＜1500伏特

-驱动控制单元运行滑动控制

3.1EP制动控制算法

全部四个机车提供其实际ED制动信号至每个车辆单元的单元控制器。该单元控制器通过系统总线发送这些信号至其他车辆单元。单元控制器为该全部6车厢列车计算实际ED制动信号总和。随后，每个单元控制器计算与所需制动力值的制动力差。该制动力差被分配到所有非电动力制动的车厢。要完成这一步，关于有效的ED制动器数目的信息必须送到各单元控制器。

重要情形依下列各项说明。

3.2EP制动器制动力分配

3.2.1负荷＞AW2，电源线≥1500伏特，所有ED制动器有效

 -4个制动器有效。制动力差被2除。只有车厢的EP制动器被激活。

3.2.2负荷AW0到AW3，电源线≥1500伏特，一个ED制动器失灵

-3个ED制动器有效。制动力差被3除。车厢里的EP制动器与该失灵机车里的EP制动器一起被激活。

3.2.3负荷AW0到AW3，电源线≥1500伏特，两个ED制动器失灵

-2个ED制动器有效。制动力差被4除。车厢里的EP制动器与该2个失灵机车里的EP制动器一起被激活。

3.2.4负荷＞AW2，电源线＜1500伏特，所有ED制动器有效

-在供应电压低和4个ED制动器全部有效的情况下，制动力差被2除。开始时只有车厢里的EP制动器被激活。如果制动力差大于车厢EP制动器的最大制动力总和，那么剩余制动力差被4除。此时，所有机车里的EP制动器与ED制动器一起被激活。

注：

(1)后一种情况相对较少发生。这种状况发生时，已经说明过，在制动程序过程中，由于对供应网络的再生反馈，供应电压可增加到所要求的1500V。因此，单元控制器在延迟(例如1秒)之后就设立信号“线电压未达到额定电压(line voltage less rated)”。一旦设立，该信号在制动过程中就不再改变，即使后来供应电压降恢复。只有在“运行制动”信号重设时“线电压未达到额定电压”信号才会重设。

(2)在利用ED和EP制动器同时制动时不会超过允许的从动轴的轮/轨黏着力0.16。

3.2.5负荷＞AW2，电源线＜1500伏特，一个ED制动器失灵

-在供应电压低并有一个ED制动器失灵的情况下，制动力差被3除。开始时车厢里的EP制动器与失灵机车里的EP制动器一起被激活。如果制动力差大于车厢和失灵机车里的EP制动器的最大制动力总和，那么剩余制动力差被3除。此时，所有有效机车里的EP制动器与ED制动器一起被激活。

注：

(3)在利用ED和EP制动器同时制动时不会超过允许的从动轴的轮/轨黏着力0.16。

3.2.6负荷AW0到AW3，电源线≥1500伏特，所有ED制动器有效，一个EP制动器失灵

注：

(4)在这里，EP控制器失灵意思是该EP控制器显示3级失灵，并且相应车辆里的压力开关显示无制动压力。

(5)如果EP控制器显示3级失灵而相应车辆里的压力开关却指示有制动压力，这就意味着，在制动过程中，EP制动器在提供制动力，但是在止动列车时不再能释放该制动器。

3.2.6.1机车EP控制器失灵

-如果一个机车里的EP控制器失灵而所有4个ED制动器有效，那么，

负荷从AW0到AW2时，根据上面第二点，没有EP制动力分配

负荷从AW2到AW3时，根据上面第3.2.1点，有EP制动力分配

注：

(6)在手动控制情况下司机必须提前起动制动程序。

(7)在自动控制情况下，司机在起动手动制动程序前首先必须转换到手动控制。

3.2.6.2车厢EP控制器失灵

如果一节车厢里的EP控制器失灵而所有4个ED制动器有效，那么制动力差就不用被除。首先，只有余下的车厢里的EP制动器运行。如果制动力差大于余下车厢里的EP制动器的最大制动力总和，那么剩余制动力差被4除。此时，所有机车里的EP制动器与ED制动器一起被激活。

3.2.7负荷AW0到AW3，电源线≥1500伏特，一节车厢里的EP控制器失灵，一个ED制动器失灵

如果一节车厢里的EP控制器失灵且只有3个ED制动器有效(1个ED制动器失灵)，那么制动力差就被2除。首先，只有未失灵车厢里的EP制动器与失灵机车里的EP制动器运行。如果制动力差大于余下车厢和失灵机车里的EP制动器的最大制动力总和，那么剩余制动力差被3除。此时，所有有效(未失灵)机车里的EP制动器与ED制动器一起被激活。

注：

(8)在利用ED和EP制动器同时制动时可能超过允许的从动轴轮/轨黏着力0.16。

3.3防滑控制概念

3.3.1机车里无ED和EP制动混合

ED制动器的正常打滑(例如，如果在监控期T_slip＝5s期间，超过50％的所需制动力被传送到轨道)。驱动单元独立控制ED制动器。单元控制器控制防滑程序。受影响机车里的EP控制器在ED控制时通过信号“NormSIB”或“Norm SIC”得到打滑发生的报告。根据上述第3.2.1点，制动力分配发生。

ED制动器的严重打滑(例如，如果在监控期T_slip＝5s期间，不足50％的所需制动力被传送到轨道)。单元控制器关闭受影响机车里的ED制动器。单元控制器在受影响机车和两节车厢里利用根据上述3.2.2点的平均制动力分配提供EP制动力。通过信号“ED_制动器_有效-XX”，受影响机车与两节车厢里的EP控制器得到ED控制器关闭和EP制动器接替的报告。

3.3.2机车里ED和EP制动力的混合，电源线＜1500伏特，在低供给线电压(＜1500伏特)这种极少发生的情况下，所有机车里的ED和EP制动器一起运行。

-ED制动器的正常打滑——如上面第3.2.4点所述制动力分配。

-ED制动器的严重打滑——如上面第3.2.5点所述制动力分配。

3.3.3机车里ED和EP制动力的混合，一节车厢里的EP控制器失灵。在一节车厢里的EP控制器失灵这种极少发生的情况下，所有机车里的ED和EP制动器一起运行。

-ED制动器的正常打滑——如上面第3.2.6点所述制动力分配。

-ED制动器的严重打滑——如上面第3.2.7点所述制动力分配。

除了以上所说明的控制器与系统，其他事件、程序和传感器也可包括进本系统以优化制动控制。可包括：

-超速开关，其在超过给定最大速度时自动被起动，如被EP控制器起动；

-车轮直径传感器和提供的读数，如通过局部总线提供至EP控制器

-ED控制器在低于某些极限时受控关闭的低速混合

以上仅仅是通过优选实施例示例性的说明。可以做出各种变化和修改，而不偏离所附权利声明所定义的本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种多轴轨道车辆，其包括多个制动元件和控制器，所述多个制动元件响应制动命令向该车辆施加所需制动力，所述控制器监控该制动元件的运行，并在检测到制动元件有效性减弱时，能在剩余有效制动元件中分配制动力的相关损失。

2.如权利要求1所述的轨道车辆，其包括多个可独立运行的单元，其中，该控制器包括为每个单元提供的单元控制器。

3.如权利要求2所述的轨道车辆，其中，每个单元控制器接收关于该轨道车辆所包括单元数目的配置信息，并且其中，该配置信息包括关于该轨道车辆里制动元件的数目和类型的信息。

4.如前述任一权利要求所述的轨道车辆，其中，该制动元件为第一制动类型和第二制动类型，并且其中，该控制器在检测到第一制动类型制动元件的有效性减弱时，在第二制动类型制动元件中分配制动力相关损失。

5.如权利要求4所述的轨道车辆，其中，制动力最初仅由第一制动类型制动元件响应制动命令施加。

6.如权利要求4或权利要求5所述的轨道车辆，其中，该控制器在所有第二制动类型制动元件中分配制动力相关损失。

7.如权利要求4到6中任一权利要求所述的轨道车辆，其中，至少一个轴带有第一制动类型和第二制动类型的制动元件，且至少一个轴仅带有第二制动类型制动元件。

8.如权利要求7所述轨道车辆，其中，制动力最初仅由第一制动类型制动元件响应制动命令施加，并且其中，控制器在所有仅带有第二制动类型有效制动元件的轴中分配制动力相关损失。

9.如权利要求4到8中任一权利要求所述的轨道车辆，其中，第一制动类型是电动力制动器，而第二制动类型是气动制动器。

10.一种在轨道车辆上获得所需制动力的方法，该轨道车辆包括多个单独单元，每单元包括第一和/或第二类型的制动元件，该方法包括：

询问所述单独单元，以判断该轨道车辆所包含单独单元的数目和制动元件的数目与类型；

判断该轨道车辆当前运行状况；

评估仅用第一类型制动元件是否可以获得所需制动力；如果第一类型制动元件不能提供全部所需制动力，

在第二类型制动元件中分配剩余制动力。

11.如权利要求10所述方法，其中，每个单独单元可独立运行并带有自己的单元控制器，且每个单元控制器执行所述方法。

12.如权利要求10或权利要求11所述的方法，其中，判断所述轨道车辆当前运行状况的步骤包括检测制动元件失灵并标记该制动元件为不可运行。

13.如权利要求10到12中任一权利要求所述的方法，其中，判断该轨道车辆当前运行状况的步骤包括检测该轨道车辆的负荷。

14.如权利要求10到13中任一权利要求所述的方法，其中，第一类型制动元件为电动力制动器，判断该轨道车辆当前运行状况的步骤包括检测与各电动力制动器相关的电能供应状况。

15.如权利要求14所述的方法，其中，在检测到电动力制动器的电能供应为不利状况时，只要有一个时间滞后，该电动力制动器就被标记为不可运行。

16.如权利要求10到15中任一权利要求所述的方法，其中，判断该轨道车辆当前运行状况的步骤包括检测车轮打滑的出现。

17.一个程序，其适合执行权利要求10到16中任一权利要求所述的方法。

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