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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Lokomotivenkompressorsysteme und insbesondere ein System zum Steuern von Lokomotivenkompressoren in einem Gespann.
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2. BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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Beim Betrieb von Schwerlast-Güterzügen gibt es häufig mehrere Lokomotiven am Vorderende des Zugs, die alle Antriebskraft bereitstellen, um den Zug von der vordersten Lokomotive gesteuert zu bewegen. Die Lokomotiven sind typischerweise durch vier Luftrohre, die aus dem Bremsrohr, einem 20-Rohr, einem 13-Rohr und einem MR-Rohr (Hauptreservoir) und einem Standard-”27-Stift”-Überbrückungskabel bestehen, zu einem mehrere Einheiten (MU) aufweisenden System verbunden. Diese Kombination ermöglicht es dem Fahrer in der Leitlokomotive, die nachfolgenden Lokomotiven als abhängige Einheiten mit einer MU-Steuerung sowohl des Antriebs als auch des Bremsens zu betreiben.
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In einer MU-Konfiguration sind die Hauptreservoire an jeder der Lokomotiven über den MR-Rohrendschlauch miteinander verbunden, wodurch das kombinierte MR-Volumen dem Lokomotivengespann zur Verfügung gestellt wird. Jede Lokomotive weist auch einen Luftkompressor auf, der verwendet wird, um die Hauptreservoire unter Druck zu setzen. Zusätzlich weist die 27-Stift-Zugleitung eine Zugleitung für die MU-Kompressorsteuerung (typischerweise die Zugleitung #22) auf. Dies ermöglicht es der Kompressorsteuerung an der Leitlokomotive, die Kompressoren an allen Lokomotiven gleichzeitig zu starten und zu stoppen, was zu einem sehr schnellen Füllen des verbundenen MR-Systems führt. Zusätzlich gewährleistet der MU-Betrieb der Kompressoren eine ununterbrochene, angemessene Luftzufuhr, selbst wenn der Kompressor an der Leitlokomotive ausfällt.
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Während das schnelle Füllen des MR-Systems wünschenswert ist, falls sich alle MR bei einem niedrigen Ladungszustand befinden oder falls das Zugbremssystem entladen ist, weil unter diesen Bedingungen die höhere Gesamtluftkapazität mehrerer Kompressoren voll ausgenutzt werden kann, ist das Luftsystem an den Lokomotiven und Zugbremsen jedoch während der meisten Zeit geladen und läuft der Luftkompressor zyklisch zwischen den oberen und unteren Steuergrenzen der Kompressorsteuereinrichtung, typischerweise zwischen 120 psi und 140 psi. Daher ist die Gesamtkapazität der Kompressoren in der MU im Allgemeinen nicht erforderlich.
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Der gesamte Luftstrom in das Zugbremsrohr wird durch das Luftbremssystem an der Leitlokomotive gesteuert. Das Lokomotivenluftbremssystem weist ein Drosselventil mit einem Nenndurchmesser von 19/64'' auf, welches die Strömung zwischen dem Auslass von MR2 und dem Einlass des Bremsrohrdrucksteuerkreises beschränkt. Der Bremsrohrdruck ist typscherweise bei 90 psi voll eingestellt. Die Bremsrohrreduktion beim Einsatz beträgt typischerweise 26 psi, was einem Bremsrohrdruck von 64 psi entspricht. Zum Lösen der Zugbremsen wird das Bremsrohr wieder auf 90 psi gebracht. Weil das Bremsrohr des Zugs über die gesamte Länge des Zugs, die häufig größer als 6000 Fuß ist, verläuft, und infolge der Reibungswirkung im Rohr wird das Bremsrohr im vorderen Teil des Zugs deutlich vor dem Bremsrohr im hinteren Teil des Zugs belastet. Daher beginnt die Bremsrohrregelvorrichtung (das Bremsrohrrelais) im Lokomotivenbremssystem, den Luftstrom auf der Grundlage des Bremsrohrdrucks am Kopf des Zugs zu drosseln, bevor das Bremsrohr im Zug voll belastet ist. Die Nettokombination des geringen Staudrucks bei der Wiederbelastung, die dadurch gegeben ist, dass ein MR-Druck von 120 bis 140 psi in ein 64-bis-90-psi-Bremsrohr, das 19/64''-Ladedrosselventil, einströmt, und das Bremsrohrrelais gedrosselt wird, bedeutet, dass die benötigte Luftströmungsrate viel geringer ist als die Luftströmungskapazität des Kompressors an lediglich einer Lokomotive.
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Bei einem MU-Gespann ist die kombinierte Luftströmungskapazität von den Kompressoren an jeder der Lokomotiven sehr viel größer als erforderlich, so dass der Kompressoreinschaltzyklus sehr kurz ist. Beispielsweise kann die MR-Wiederaufladung von 120 auf 140 psi in manchen Fällen weniger als 30 Sekunden in Anspruch nehmen. Dies ist aus mehreren Gründen unerwünscht. Erstens ist der Kompressorstart mit einem hohen Einschaltstrom, hohen Beschleunigungen und einem hohen Drehmoment an den Komponenten verbunden, welche alle schließlich den Kompressor beschädigen. Zweitens ist der Prozessor, weil er während einer so kurzen Zeit läuft, nicht in der Lage, eine optimale stabile Betriebstemperatur zu erreichen. Daher tritt eine beschleunigte Abnutzung kalter Teile durch Probleme einer transienten thermischen Ausdehnung auf und ist der kalte Prozessor anfälliger für eine Akkumulation von Kondenswasser aus der Produktluft. Schließlich kann die Ansammlung flüssigen Wassers zusätzlich zu Korrosionsproblemen beim Winterbetrieb gefrieren, wodurch eine Blockage des Kompressors hinter Kühler- und Auslassleitungen hervorgerufen wird.
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Vorzugsweise hat der Kompressor einen längeren Einschaltzyklus, so dass der Kompressor und damit in Beziehung stehende Komponenten durch die Kompressionswärme auf mehr oder weniger die gleiche Temperatur wie die ausgestoßene Luft erwärmt werden. Die normale Betriebstemperatur des Prozessors führt zu viel weniger Kondensation im Kompressorsystem und ausreichend Wärme im Nachkühler und in Auslassleitungen, um zu verhindern, dass flüssiges Wasser an diesen kritischen Stellen gefriert. Demgemäß ist eine synchrone Steuerung, wenngleich die synchrone Steuerung aller Kompressoren im Lokomotivengespann während einer Trockenladung oder bei einem Ausfall des Kompressors an der Leitlokomotive ein Vorteil sein kann, für die Kompressorlebensdauer klar schädlich und während des Kaltwetterbetriebs problematisch, weil der Einschaltzyklus des Kompressors zu kurz ist.
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Unter einigen Umständen könnte eine Leitlokomotive in einem Gespann eingerichtet werden, um eine unabhängige Kompressorsteuerung zu ermöglichen, so dass die Drucksteuerung an jeder Lokomotive diesen Kompressor unabhängig ein- und ausschaltet. Dieses Steuerschema adressiert das Problem einer zu großen Ladekapazität, weil alle Hauptreservoire durch das MR-Rohr verbunden sind und der MR-Druck an jeder Lokomotive daher nominell der gleiche ist, und weil es in den Drucksteuereinstellungen in jeder Lokomotivenkompressorsteuerung eine natürliche Toleranz gibt. Bei diesem Schema wird ein Kompressor im Lokomotivengespann jedoch infolge von Toleranzvariationen der Drucksteuerungen bei einem höheren Druck eingeschaltet als die anderen Kompressoren im Gespann und stellt die gesamte Luft für den Zug bereit, so dass die Kompressorverwendung und der Kompressorwartungsbedarf nicht ausgeglichen sind. Typischerweise geschieht die Kompressorwartung nach einem periodischen Plan, wobei bestimmte Wartungstätigkeiten in regelmäßigen Kalenderintervallen auftreten. Demgemäß wird der diesem Steuerschema unterzogene Kompressor während des Wartungsintervalls mehr Arbeit geleistet haben als andere, so dass einige Kompressoren zu spät gewartet werden und einige früher gewartet werden als erforderlich.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung weist ein System zum Steuern mehrerer Luftkompressoren in einem Lokomotivengespann auf, wobei dem Luftkompressor jeder Lokomotive eine vernetzte Steuereinrichtung zugeordnet ist, die Befehle in Bezug auf den Betrieb des zugeordneten Kompressors senden oder empfangen kann. Eine vorgegebene Steuereinrichtung ist programmiert, Befehle an die anderen Steuereinrichtungen auszugeben, so dass jeder Kompressor effizienter betätigt wird. Beispielsweise kann jeder Prozessor sequenziell aktiviert werden, um das MR-System jedes Mal dann, wenn es wiederaufgefüllt werden muss, wiederaufzufüllen. Die Leitsteuereinrichtung kann auch die Gesamtverwendung der anderen Kompressoren seit einem vorgegebenen Zeitpunkt oder seit einer vorgegebenen Verwendung überwachen, so dass die Leitsteuereinrichtung einen Plan der Kompressorverwendung implementieren kann, welcher die Verwendung jedes Kompressors maximiert, wodurch gewährleistet wird, dass jeder Kompressor während seiner geplanten Wartungsperiode voll verwendet wird. Die Leitsteuereinrichtung kann auch mit Thermometern oder anderen Sensoren für das Steuern der Kompressorverwendung gekoppelt werden, um ein Gefrieren oder andere temperaturbezogene Probleme zu vermeiden.
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KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG(EN)
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Die vorliegende Erfindung wird beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung besser verständlich werden. Es zeigen:
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1 ein Schema eines mehrere Einheiten aufweisenden Gespanns mit einem Kompressorsteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 ein Schema eines Kompressorsteuersystems für jede Lokomotive in einem Gespann gemäß der vorliegenden Erfindung,
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3 ein Schema eines vernetzten Kompressorsteuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
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4 ein Flussdiagramm der Kompressorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung und
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5 ein Flussdiagramm der Kompressorsystemsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszahlen überall gleiche Teile bezeichnen, sei bemerkt, dass 1 ein intelligentes, verteiltes Lokomotivenkompressorsteuersystem 10 zeigt, das die Kompressorlebensdauer und den Betrieb bei kaltem Wetter optimiert und die Verwendung für die Wartungsoptimierung ausgleicht. Das System 10 verbindet die jeweiligen Kompressoren 12 jeder Lokomotive 14 in einem mehrere Einheiten aufweisenden Gespann. In einem mehrere Einheiten aufweisenden Gespann kann eine Lokomotive 14 als eine Leitlokomotive 14a ausgelegt sein, während nachfolgende Lokomotiven 14b bis 14n als abhängige Einheiten wirken. Wenngleich 1 die Leitlokomotive 14a am Kopf des Gespanns zeigt, könnte sich die Lokomotive 14, die als Leitlokomotive 14a vorgesehen ist, an einer beliebigen Position entlang dem Gespann befinden.
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Wie in 2 ersichtlich ist, ist das System 10 eine Reihe einzelner Lokomotivensteuersysteme, die jeweils eine individuelle Steuereinrichtung 16 in Zusammenhang mit jedem Kompressor 12 jeder Lokomotive 14 in einem Gespann aufweisen. Die Steuereinrichtung 16 ist mit anderen Lokomotiven im Zuggespann über eine Schnittstelle 18 vernetzt, welche die Steuereinrichtung 14 mit einem das Gespann überspannenden Netz 20 verbindet. Das Netz 20 kann ein Drahtlosnetz in der Art von IEEE 802.11 oder eines Mobilfunk-3G- oder 4G-Netzes oder ein verdrahtetes Netz in der Art von Ethernet oder IEEE 802.5 oder sogar ein kundenspezifisches Netz, das einen freien Draht in den existierenden 27-Stift-Zugleitungen einsetzt, die für Kommunikationen innerhalb des Zugs verwendet werden, umfassen. Vorzugsweise weist die Schnittstelle 18 ein Starkstromleitungsträger-Netzsignal auf, das dem existierenden 27-Stift-Zugleitungskompressorsteuerdraht, der typischerweise Draht Nummer 22 ist, überlagert ist.
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Die Steuereinrichtung 16 kann die Druckerhöhungsrate im MR-System überwachen, während der Kompressor 12 unter Verwendung eines Sensors 22 arbeitet, der mit dem MR-System in der Art eines ersten Hauptreservoirs 28 gekoppelt ist. Das Hauptreservoir 28 kann mit dem Hauptreservoirrohr 36 der Lokomotive verbunden werden. Das erste Hauptreservoir 28 kann auch über ein Rückschlagventil 30 mit einem zweiten Hauptreservoir 32 verbunden werden. Das zweite Hauptreservoir 32 kann mit dem Bremssystem 34 verbunden werden, das auch mit dem Bremsrohr 40 verbunden ist. Eine Leistungsquelle 44 kann über einen Schalter 42, der ansprechend auf Druck im Reservoir 28 arbeitet, mit dem System 10 gekoppelt werden.
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Das System 10 kann auch so ausgelegt werden, dass jede Steuereinrichtung 16 ein Überwachungsmodul 24 aufweist, das die Gesamtverwendung des entsprechenden Kompressors 12 seit einem vorgegebenen Zeitpunkt oder seit einer vorgegebenen Verwendung, beispielsweise seit der letzten Überholung oder Hauptwartung, verfolgt. Das Überwachungsmodul 24 kann demgemäß Verwendungsinformationen zur Leitsteuereinrichtung 16 übermitteln, welche dann einen Plan der Kompressorverwendung einrichten und implementieren kann, welcher vorzugsweise die Verwendung von Kompressoren in dem Gespann vorschreibt, welche die geringste akkumulierte Verwendung haben. Das System 10 kann ferner durch Hinzufügen einer Echtzeituhr zu jeder Steuereinrichtung 16 und Vergleichen der akkumulierten Kompressorverwendung mit der Zeit, die bis zur nächsten geplanten Wartung verbleibt (oder der Zeit seit der letzten Wartung), vergleichen, so dass das System 10 die Kompressorverwendung für das Erreichen einer 100%igen Verwendung jedes Kompressors 12 am Ende des geplanten Wartungsintervalls anstreben kann. Beispielsweise würde ein Kompressor, der eine akkumulierte Verwendung von 75% hat und 95% des Wegs bis zu seinem Wartungsintervall zurückgelegt hat, gegenüber einem Kompressor bevorzugt verwendet werden, der eine Verwendung von 10% hat und nur 10% des Wegs bis zu seinem Wartungsintervall zurückgelegt hat. Das Hinzufügen eines Temperatursensors 26 zum System 10 ermöglicht es dem System 10 weiter, Kompressortemperaturen zu behandeln und verwandte Probleme zu vermeiden. Beispielsweise könnte das Kompressorsteuerschema vorzugsweise nur einen Kompressor im Gespann betätigen, um die Kompressortemperatur während der Verwendung des Kompressors zu optimieren, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb des Gefrierpunkts liegt.
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Wie in 3 ersichtlich ist, weist das System 10 eine Anzahl einzelner Lokomotiven auf, die jeweils ein Kompressorsteuersystem aufweisen, wie in 2 dargestellt ist. Daher kann eine festgelegte Leitsteuereinrichtung 16a einer Leitlokomotive 14a jeden der Kompressoren an den restlichen Lokomotiven 14b bis 14n im Gespann asynchron steuern, um die Laderate und die Kompressortemperatur zu optimieren und die Kompressorverwendung auszugleichen. Entsprechende Elemente im individuellen System jeder Lokomotive, wobei drei für Erläuterungszwecke ausgewählt sind, sind mit nachgestellten Bezugszeichen (a, b, c) bezeichnet.
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Um Wartungsintervallprobleme zu vermeiden, kann das System 10 programmiert werden, um die Kompressorverwendung auf mehrere verschiedene Arten zu steuern. Beispielsweise kann das von der Leitkompressorsteuereinrichtung 16a gesteuerte Wiederauffüllen des Hauptreservoirsystems durch sequenzielles Aktivieren jedes Kompressors 12b bis 12n im Gespann erfolgen. Beim ersten Mal, wenn das MR-System im Gespann wiederaufgefüllt werden muss, wird der Kompressor 12a an der ersten Lokomotive verwendet. Beim nächsten Mal wird dem Kompressor 12b an der zweiten Lokomotive der Befehl zum Wiederauffüllen des MR-Systems gesendet, wobei das System 10 sequenziell zyklisch jeden der restlichen Kompressoren 12n durchläuft. Auf diese Weise weisen alle Kompressoren 12a bis 12n im Lokomotivengespann den gleichen Verwendungsgrad auf und haben einen optimierten Arbeitszyklus.
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Wie in 4 ersichtlich ist, kann das System 10 programmiert werden, um vorzugsweise die Kompressoren zu verwenden, welche die geringste Verwendungszeit haben. Im ersten Schritt werden alle Kompressoren im Gespann identifiziert 50. Als nächstes wird ein Verwendungsfaktor für jeden Kompressor im Gespann auf der Grundlage der Annahme der zulässigen Gesamtverwendung und der tatsächlichen Verwendung berechnet 52. Beispielsweise würde eine Annahme einer Nutzungsdauer zwischen Überholungen von acht Jahren und einer Arbeitsverwendung von 1500 Stunden pro Jahr zu einer Nutzungsdauer von 12000 Stunden führen. Es ist zu verstehen, dass acht Jahre und 1500 Stunden als Beispiel dienende Variablen sind und dass vom System 10 auch andere Werte verwendet werden könnten. Sobald ein Verwendungsfaktor für jeden Kompressor berechnet wurde 52, können die Kompressoren entsprechend der Verwendung nach einem Rang geordnet werden 54, beispielsweise von der niedrigsten zur höchsten Verwendung. Wenn ein Kompressoreinschaltsignal erforderlich ist 56, beispielsweise wenn das primäre Hauptreservoir bei etwa 125 psi oder darunter liegt, kann ein Befehl unter Verwendung der Verwendungsfaktorrangordnungen zu den geeigneten Kompressoren gesendet werden 58. Wenn in einer Prüfung festgestellt wird 60, dass das primäre Hauptreservoir bei etwa 145 psi oder darüber liegt, können alle Kompressoren ausgeschaltet werden 62 und können die Verwendungsstunden für jeden Kompressor entsprechend aktualisiert werden 64.
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Im Fall eines Bedarfs eines hohen Luftstroms, beispielsweise während einer Trockenladung des Bremssystems des Zugs, kann die Steuereinrichtung 16a der Leitlokomotive 14a die Druckerhöhungsrate im MR-System unter Verwendung eines mit dem MR-System gekoppelten Sensors 22a überwachen, während der Kompressor 12a arbeitet. Der Sensor 22a kann den hohen Luftstrombedarf auf der Grundlage der geringen Druckerhöhungsrate in einem Reservoir 28a des MR-Systems erfassen. In diesem Zustand kann die Steuereinrichtung 16a des Leitkompressors 12a auf dem Netz 20 einen Befehl über die Schnittstelle 18a zu den abhängigen Kompressoren 12b bis 12n senden, um ihre entsprechenden Kompressoren 12b bis 12n einzuschalten, bis der Luftbedarf erfüllt wurde. Ebenso kann die Steuereinrichtung 16a des Leitkompressors 12a unter Verwendung derselben Methodologie einen Befehl über das Netz 20 senden, der einen oder mehrere der Kompressoren 12b bis 12n anweist, abzuschalten, wenn die MR-Druckerhöhungsrate zu hoch ist oder der gewünschte Betrag erreicht wurde. Wie in 5 ersichtlich ist, besteht der erste Schritt eines solchen Ansatzes darin, festzustellen, dass der Druck im primären Hauptreservoir bis unter eine Schwelle 70 in der Art von 125 psi abgefallen ist. Der Steuerkompressor in der Art des Kompressors 12a kann dann eingeschaltet werden 72. Es wird geprüft 74, ob der Druck unterhalb einer zweiten niedrigeren Schwelle in der Art von 120 psi bleibt, was darauf hinweisen kann, dass infolge eines sehr niedrigen Drucks zusätzliche Kompressoren eingeschaltet werden müssen. Falls in der Prüfung 74 festgestellt wird, dass der Druck unter der zweiten Schwelle liegt, wird die Wiederaufladerate geprüft 76, um festzustellen, ob die Druckerhöhungsrate oberhalb einer vorgegebenen Rate liegt. Falls dies nicht der Fall ist, wird ein Befehl gesendet 78, um einen zusätzlichen Kompressor in der Art des Kompressors 12n einzuschalten. Falls in der Prüfung 74 festgestellt wird, dass der Druck nicht unterhalb der zweiten Schwelle liegt, ist es jedoch nicht erforderlich, dass zusätzliche Kompressoren eingeschaltet werden, und es wird geprüft 80, ob der Druck im primären Hauptreservoir geeignet wiederhergestellt wurde. Falls dies der Fall ist, werden alle Kompressoren ausgeschaltet 82.
