大秦线列车制动同步技术的分析与研究

兰州交通大学毕业设计（论文）PAGE53PAGE46兰州交通大学08级本科毕业设计题目：大秦线列车制动同步技术的分析与研究学生姓名：王籍萱指导老师：兰宏伟专业班级：车辆工程082班完成时间：2012年6月1日摘要多机牵引无线同步控制系统以其优良的系统特点在我国重载铁路运输中得到了一定的应用。目前国内使用的多机牵引无线同步控制系统多为美国GE公司的LOCOTROL系统，但其应用条件与我国的重载线路有着巨大的差异。基于此种现状，本论文结合大秦线项目“多机牵引无线同步操纵系统”，以HXD1机车为研究对象，对符合我国大秦线实际应用要求的多机牵引列车无线同步控制的理论和系统进行了分析研究。本文首先深入学习和研究了国内外多机牵引列车制动同步控制系统的组成与工作原理后，介绍了根据我国大秦线重载运输线路的特殊性和复杂性，以及现有投入大秦线重载运输的电力机车的特点，采用无线通信方式来实现机车的分布式动力控制，解决列车运行中平稳性与安全性的问题。介绍了机车无线遥控操纵系（LOCOTROL）及直通电控空气制动系统（简称ECP）的原理、组成、特点，重点通过对机车无线遥控操纵系（LOCOTROL）及直通电控空气制动系统（简称ECP）的研究和对比分析总结，提出切实可行的列车制动同步控制策略。与ECP技术相比，LOCOTROL系统由于采用无线同步控制方式，牵引动力分布在列车不同位置，有利于列车按不同目的地解编；该系统结构简单，只需对机车进行加装改造，成本较低，易于维护和管理，更适应中国铁路的运用特点。同时对大秦线列车同步制动系统提出了相应方案，具体对HXD1机车配置LOCOTROL系统及CCBⅡ制动机的技术集成进行了分析与研究。关键词：电力机车；重载列车；多机牵引；同步控制AbstractMu1ti一LoeomotiveTraetionWirelessSynehronousControlSystemwasappliedwidelytoourheavyhaulrailagewithit’sexcellentperformanceinChina.Mostofthemulti一loeomotivetractionwirelesssynchronouscontrolsystemusinginChinaadoptsLoeotrolsystemofGECo.ofAmerica,butitsapplieationconditionhasalargedifferenceinourheavyhaulrailways.Basedontheaetuality,thethesistakestheeleetricpowerLoeomotiveofHXD1non-immobilitydoubleheadingasresearchobjeet,researchedthetheoryandsystemmeetingourapplicationrequirementoftheDatong-Qinhuangdaoline.Afterdeeplylearningandresearchingthestructureandworkprincipleofmulti-loeomotivewirelesssynehronouscontrolsystembothathomeandabroad,aeeordingtopartieularityandcomplexityofourDatong-Qinhuangdaolineheavyhaulrailway,besidestheloeomotiveinusecurrently.Onthiscondition，thesystemadoptswirelesscommunieationsmoderealizingthecontrolofloeomotivewithdistributeddynamic,tosolvetheproblemsofstabilityandseeurityofthetrains.Locomotivewirelessremotemanipulatorsystem(LOCOTROL)andthroughElectronicallyControlledPneumaticBrakeSystem(ECP)theory,composition,characteristics.Focusthroughdirectthelocomotivewirelessremotemanipulationsystem(LOCOTROL)andelectronicallycontrolledairbrakingsystem(referredtoasECP)andcomparativeanalysisofthesummaryofthepracticaltrainbrakesynchronizationcontrolstrategy.ComparedwithECPtechnology,LOCOTROLsystem,wirelesssynchronizationcontrol,tractionpowerdistributionatdifferentpositionsinthetrain,traintodifferentdestinationstode-compile;thesystemissimple,justonthelocomotivefortheinstallationofthetransformation,lowercosteaseofmaintenanceandmanagement,betteradaptedtothecharacteristicsoftheuseoftheChineserailway.CorrespondingprogramatthesametimeontheDatong-Qinhuangdaolinetrainsynchronizedbrakingsystem,specifictotheHXD1LOCOTROLlocomotiveconfigurationandtheCCBIIbraketechnologyintegratedanalysisandresearch.Keywords:Electriclocomotive，heavyhaultrain，Multi-locomotivetraction，Synchronouscontrol目录TOC\o"1-3"\h\u23551绪论 1104851.2问题的提出与研究意义 296581.3国内外研究现状和发展 3185581.4我国机车重联技术的发展概况 4198161.5项目的提出与本论文研究内容 835132大秦线重载列车安全运行影响因素分析 10234342.1重载列车平稳操纵研究 1046002.1.1车钩间隙对列车起动的影响 11272632.1.2平稳调速 1169542.1.3复杂线路上的协调操纵 1244382.1.4同步制动时间差分析 13126682.2列车的制动 16142062.2.1动力制动 16263112.2.2常用制动及缓解 16304452.2.3紧急制动 1817062.2.4制动调速 1821382.3重载列车安全运行控制 18236192.3.1一般重载列车的控制策略 18211303无线遥控操纵系统（LOCOTROL） 20253153.1LOCOTROL系统的概述 20155473.2LOCOTROL系统的原理 2185013.3LOCOTROL系统的特点 2296514电控空气制动系统（ECP） 23109164.1概述 23112644.1.1传统空气制动存在的问题 23248494.1.2ECP发展历史 2464984.2ECP系统基本原理 2684674.3ECP系统基本组成 2647394.4ECP系统的优点 2854634.5LOCOTROL系统与ECP系统的对比分析 29300515大秦线重载列车LOCOTROL系统方案研究 3045685.1系统功能要求 30256305.2大秦线重载列车LOCOTROL系统整体设计方案 3176905.2.1HXD1型机车LOCOTROL系统工作原理 3199815.2.2系统总体结构 32197585.3CCBⅡ制动系统 3910222结论 4315972致谢 446868参考文献 451绪论1.1课题研究背景铁路是我国国民经济的大动脉，铁路的运输能力直接影响着我国国民济的发展。从20世纪80年代起，铁道部就瞄准世界铁路科技发展前沿，把发展重载运输作为主攻方向。重载运输的主要特点在于列车重量加大，列车编组加长，实现全程直达运输，使一条铁路尽可能多地输送车流，充分发挥铁路集中、大宗、长距离、全天候的运输优势，达到提高铁路运输能力和效率、多运快运、降低成本的目的。实现重载运输，传统的途径有两种:一是提高车的轴重，发展大型货车;二是增加列车编组，扩大列车运输长度。从世界重载列车技术发展来看，前一种方案对货物运输能力的提高有限，单纯的靠提高列车的轴重来增加货运量不能够从根本上解决问题，而且从长远发展的角度来看，要实现铁路货运量的成倍增长也不太现实。因此，充分利用现有站线条件，开行长大列车已经成为重载运输技术发展的主流。国外长大列车重载运输技术起步较早，发展较快，2001年6月21日，澳大利亚BHP公司在纽曼矿山至海德兰港的矿石运输铁路线上开行了总长达7353m，总重99734t的重载列车，创造了重载运输新纪录。南非Spoornet公司的最新米轨记录是16台机车牵引660辆货车，载重70000t，列车长7.5km。要实现重载长大列车运输，牵引动力是需要解决的关键问题之一，现阶段我国主要通过以下三个方面来解决重载列车的牵引问题。(l)大轴重、大功率机车的研究开发(2)固定重联机车的应用(3)采用非固定重联机车牵引方式的单元列车其中，第一种发展方向由于受轨道现状和机车技术水平发展的限制，研究开发周期长，发展空间有限；第二种方式是在原有机车的基础上实现固定重联，技术要求不高，投入相对较小，研发周期相对较短；第三种单元列车方式是在原有机车并联运行的基础上将其分散编组到列车中，有动力分散的优点，如列车可充分利用动力制动以减小基础制动装置的磨耗，可使牵引或制动力分配相对均匀，降低车钩的受力，延长其使用寿命，降低维修费用。后两种牵引方式的关键问题是所有机车的动作协调一致，即同步控制问题。我国早在20世纪50年代初期就开始进行重载列车牵引技术的相关研究。在我国，传统的重载牵引方式是多机并联或者是加挂补机运行，但是这种牵引方式受到列车管气动过程和车钩强度限制，国外试验研究表明:列车最大长度不得超过1200m。铁道科学研究院从1985年开始进行了一系列组合列车遥控操纵的研究，1990年6月在大秦线用2台551型电力机车牵引126辆C61型货物列车进行重载运煤试验，列车全长1597m，总重1O397t。试验表明采用分布式动力牵引比传统的多机并联性能优越得多，它以最佳的动力分配和制动操作，使列车长度加长，增加了牵引总吨位，简化了调度场对列车分解的支持;改善了铁路通过能力，减小了列车间隔；以更高的牵引效率和更小的滚动阻力，提高了燃油的经济性(平均50/0)；以更快的制动缓解动作，有效的减少了制动管充风的时间(6%)，从而减少了循环时间。2004年12月12日，铁道部在大秦线首次进行2万吨重载组合列车试验取得圆满成功，标志着我国铁路重载运输已经跨入世界先进行列。此次试验针对大秦线坡道大、隧道多等特点，按照速度、密度、重量并重的要求进行。重载试验货运列车由4组5000吨列车组成，牵引重量2.02万吨，全长2658米，机车使用4台8轴SS4G型电力机车，货车使用新研制的201辆25吨轴重、载重80吨双浴盆式铝合金运煤专用敞车。由于大秦线是装备完善、技术先进的重载运煤铁路线，经济效益十分显著。为了进一步提高大秦线的年运输能力，铁道部将对大秦线进行扩能改造，建立国内第一个铁路专用移动通信网(GSM-R)。据测算，改造后的大秦线运输能力将翻一番，年运量将达两亿吨。但是我国大部分地区的铁路线路不具备这样的条件，为了提高我国铁路重载运输水平，有必要在吸收消化国外先进技术的同时，研制出适合我国铁路运输实际情况的机车无线同步操纵技术，以便在现有铁路线路和机车配置情况下提高铁路的货运能力。1.2问题的提出与研究意义目前，世界范围内的货车重载技术发展迅速。采用多机牵引技术解决动力不足的问题是国内外开行重载组合列车普遍采用的先进技术之一。多机牵引无线同步操纵由于自身的优越性在重载运输中的应用更是各国铁路部门研究的热点。但是这项技术在提高货运量的同时，也存在很多问题，其集中表现在列车运行中的安全问题，由于机车本身固有的缺点以及司机操纵方式的不足，组合列车在开行中出现非正常停车、断钩、车辆抱闸等事故频频发生。主要有以下几点:(1)列车纵向冲动严重。列车制动缓解波速的快慢对列车纵向冲动有直接影响。位于制动与缓解分界点的车钩受到较大的冲击力，容易产生车钩断裂现象。(2)机车牵引与制动控制技术的不足。目前我国重载列车控制技术还不够先进，目前的控制还过分依赖于司机的经验控制水平，由于人为原因造成的事故层出不断。(3)引进国外先进技术的同时缺乏立足于我国重载运输实际的技术吸收与创新改进。如大秦线采用美国GE公司的LOCOTROL系统，但大秦线的应用条件与LOCOTROL系统的重载线路有巨大的差异。其主要表现在以下两点:第一，应用条件的差异。LOCOTROL系统成功应用的区域主要为平原和丘陵地带，弯道和坡度变化与大秦线相比不如大秦线恶劣，其运行模式相对固定，对列车动力学特性的要求不高，系统控制实时性要求相对较低；第二，功能的欠缺。LOCOTROL系统功能只是在列车运行时采集头部机车的司机手柄位置或牵引调压器位置和制动机状态，将其传给后部机车，使其与头部机车保持同步操纵，系统并无异步自动控制的功能。基于以上现状，有必要立足于我国重载铁路运输实际，对多机牵引无线操纵的控制系统进行深入研究，建立一种智能的自动控制系统，尽量减少人为误操的影响，提高重载列车运行的可靠性与安全性。本课题的研究意义在于建立一个能够在多机牵引中实现列车运行安全及平稳操纵的可靠系统，能够实现最优牵引与最优制动的智能控制系统。1.3国内外研究现状和发展动力分布式控制系统(DP)发展开始于美国，1959年在美国进行了首次机车无线遥控同步牵引控制的LOCOTROL系统试验，随后经过改进，20世纪70年代开始在澳大利亚，巴西，阿尔吉利亚和加拿大得到应用。2003年国际铁路重载专家技术会议的讨论，采用基于无线通信技术的列车控制系统及网络计算机术，实现有效的运输指挥及安全监控。智能铁路系统是下一步重载铁路运营管理的技术目标。澳大利亚BHP公司，技术上采用列车分散动力牵引，机车上装有自动列车防护系统(ATP)，车辆上装有运行状态测量装置(IOC)，可以测量垂直悬挂行程、轮轨加速度、列车纵向力、侧向稳定性、纵向加速度、车体/缓冲器受力、制动管压力和轴承温度等，也可用来评估线路状况。前苏联乌拉尔铁路运输电工学院研制的司机“参谋”控制台，可以由无线电通信装置传递头部机车的操作指令。为保证客货混运列车的安全，俄罗斯全俄铁路运输科学研究院提出应注意改进信号系统及回路，列车控制的自动化及最佳化问题。早在上个世纪七十年代，美国威斯丁郝斯公司为了操作特大重量列车研制了特殊的牵引及制动(RMU)操纵系统，该系统的应用结果表明其大大加速了制动和缓解过程。美国铁道协会下属运输技术中心公司(TTCI)研究认为:应该对线路和车辆状态进行有效的监测，以更好的对重载列车进行安全控制运行。2004年，铁道部在大秦线首次进行2万吨重载组合列车试验取得圆满成功。大秦线采用LOCOTROL技术开行2万t级重载组合列车，建立了国内第一个铁路专用移动通信网(GSM-R)。LOCOTROL技术是GE公司推出的全计算机式的无线遥控设备，己成功应用于北美、南非和澳大利亚。该系统具有降低充风时间，加速长大列车的制动和缓解作用，缩短制动距离等功能。我国铁路向着“货运重载、客运高速”快速发展，但多机牵引列车无线同步控制系统的研究处于起步阶段，目前主要集中在对组合列车的动力学特性和列车行车安全的理论研究，对于能够把列车纵向动力学分析结果和安全行车理论应用于实际控制系统的研究还不多。特别是针对确保组合列车平稳运行的控制策略以及智能控制方法的研究更是不多。我国铁路部门以及广大铁路科技人员己经逐渐认识到研究组合列车安全控制策略与控制系统的重要性，己经开始着手对其研究和开发。1.4我国机车重联技术的发展概况重载货物列车运输于20世纪60年代在美国开始正式采用，随后在加拿大、澳大利亚、原苏联等国家的大宗货物及散装货物运输中得到了广泛的应用，取得了明显的经济效益。随着重载运输的发展，铁路机车、车辆有了很大改进；我国的机车重联技术也随着重载运输的要求，发生了巨大的变革，从人工声讯联络操纵到微机网络控制、从有线到无线，大致经历了以下四个发展阶段:1.第一阶段:人工声讯联络操纵我国在八十年代以前为了开行重载列车，采用的方法是在列车中部或尾部加挂一台或多台机车，加挂的机车有乘务组驾驶，采用独立操纵的方式。前后机车的同步操纵，早期依靠汽笛信号，后采用无线电话联络。这种操纵方式完全凭借主控司机根据工作经验进行指挥调度，人为的因素很大，很容易由于误判断，造成前后机车牵引力不均，引起较大的列车冲动，甚至造成断钩、脱钩事故。并且由于运行列车负荷的重量不断上升，采用上述机车操纵方式已无法有效的保证行车安全及重载列车效率的发挥。2.第二阶段:电气系统重联控制九十年代以后，由于国内干线新型机车的研发和大规模使用，机车轴重和装车功率大幅度的提高，机车双机重联基本上可满足铁路运输的需要。此阶段主要是采用有线电缆连接的电气重联控制系统(代表车型如:DF4、SS3B4O00型)。司机通过机车重联装置，只需在本务机车上就可对本务和非本务机车进行各种控制。在重联机车运行过程中，本务机车通过重联控制线，给重联机车提供控制电源，扳钮开关同时给并联的直流接触器、电空接触器、方向转换开关、工况转换开关及中间继电器供电。由于控制线圈电阻都比较大，这样就造成机车控制电流很大。比如:单机运行时，机控扳钮开关控制的电流为5A左右。如果机车为4机重联，则本务机车机控扳钮开关控制的电流为20A，机车总控钥匙开关控制的电流更大。并且从本务机车到重联尾车，控制线布线长度约150M，其压降、电缆长时间发热也是不能忽视的。显然，机车多机并联控制采用电气系统重联，从控制原理方面是可行的，但从电器选型等方面讲却是不经济的。并且还存在一些比较突出的问题，比如牵引方式比较固定、电缆的拆卸费时费力、运转效率不高等。3.第三阶段:微机网络控制系统在机车重联上的应用随着铁路运输中动车组的兴起和计算机控制技术的进步，列车通信网络也随着蓬勃发展。由于TCN型(简称T型)网络系统适用于铁道各基本运转单元(设计用于独立工作的一节机车车辆或几节永久或半永久组合的车辆)之间传送时间确定、时限紧迫的过程数据周期性传送以及由事件驱动的消息、数据传送。它既可用于编组经常改变的非固定编组列车，也可用于编组固定的固定编组列车，能满足其实时性、可用性及完整性要求。T型网络由绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB)组成。列车总线(WTB)用于连接编组经常改变的列车中的各基本运转单元，车辆总线(MVB)用于连接一个基本运转单元中的车载电子装置。目前国内己经完成研制的新型机车和动车组，基本上都是采用按TCN标准的列车通信网络，如“蓝箭”、“熊猫”、“奥星”、“先锋号”动车组、“中华之星”动车组等。下面以SS3B型固定重联电力机车的通信网络系统为例简要介绍一下TCN网络控制系统在机车重联中的应用。SS3B型固定重联机车重联采用符合TCNB标准的WTB/MVB二层总线结构，机车控制采用与559类似的微机柜，司机台设置彩色显示屏。微机控制箱TCU(l、2转向架)、逻辑控制单元LCU(1、2组)、彩色显示屏工IDU、机车安全信息综合监测装置TAX2等通过MVB与中央控制单元CCU机箱连接上网。司机室的控制命令由CCU获取，通过MVB传输到本节车的TCU、LCU等控制单元;通过WTB传输到它车的CCU，再由该CCU传输到该车的TCU、LCU等控制单元。各车的设备状态信息经由同样的MVB、WTB总线由相反的方向传输到CCU中汇总，一方面做相应的机车控制逻辑处理，另一方面在司机台指示灯或彩色显示屏上显示，供司机或维护人员观察和查阅。系统拓扑如图1-1所示。图1-1SS3B型固定重联机车通信网络结构框图4.第四阶段:基于GSM-R的机车无线操纵系统GSM-R是专用于铁路的综合数字移动通信系统，是中国铁路移动通信未来的发展方向。以GSM-R为平台，可以承载许多铁路应用，利用GSM-R网络提供的可靠数据传输通道来传输机车同步操纵系统之间的数据，将大大提高牵引机间同步操作控制的安全性。图1-2基于GSM-R的机车无线同步操纵系统组成基于GSM-R的机车同步操作控制系统结构如图1-2所示，其中地面设备由LOCOTROL应用节点(以下简称应用节点)组成，应用节点通过铁路ISDN网络与GSM-R网络采用标准的PRI(3OB+D)接口相连:机车车载设备包括LOCOTROL和GSM-R车载通信单元(以下简称通信单元)组成。系统各部分功能如下:1.GSM-R网络:作为承载网络，为机车同步操控系统提供数据传输平台。2.应用节点:负责通信链接控制功能和数据转发控制功能，同时管理和维护数据组。3.通信单元:负责与应用节点建立通信链接维护，向控制模块报告链路连接状态，负责在控制模块和通信单元间传输数据。4.控制模块:负责按照司机的操作指令或者接收通信单元的数据、解析，然后操控机车。通过这个系统，主控机车并不是直接把机车控制指令发给从控机车，而是先发送到地面的应用节点，应用节点根据指令中的识别字段再把指令发给同一列车中的从控机车。这种数据传输方式很好地利用了GSM-R网络覆盖的优势，避免了模拟电台传输中因信号衰减造成数据传输丢失的情况。并且这种系统结构简单，逻辑清晰，与GSM-R网络相对独立，有利于互联互通的实现，能够在不同GSM-R的设备供应商中的网络中运行并且有利于标准化，比较适合于我国国情。1.5项目的提出与本论文研究内容现阶段应用最广泛的多机牵引技术为两台独立的电力机车利用重联电缆实现背靠背的重联连接。由本务机车控制重联机车，通过中间的重联电缆线传输控制信号和状态信号，实现同步控制。因为重联电缆线的连接和固定费时费力，而且重联电缆线在机车的运行中由于振动容易断线损坏，影响数据传输的可靠性，直接威胁列车运行的安全;另外需要解除重联状态时，重联电缆的拆卸费时，造成机务部门劳动力的浪费，如果能够利用无线传输设备来代替重联电缆进行信号的传输，就可以很好的解决这一问题，并且在重联机车无线控制的基础上可以很容易的实现多种牵引方式，从而进一步提高机车牵引的效率和运行的安全性。本论文的研究课题来自于成都铁路局项目“多机牵引无线同步操纵系统”，主要针对现有SS3B非固定重联型电力机车，研制两台机车无线同步操纵系统，代替原来的有线重联的牵引控制方式。当机车多机牵引运行时，通过无线传输系统实现主从控机车之间的同步控制，当列车需要解体或者重新编组时，主从控机车可以迅速投入到运用，而且可以实现动力分散的多种控制方式，使得列车控制和编组更加方便灵活;同时可将列车安全运行专家系统的理论融入到研制的车载系统中，提高了多机牵引列车运行的安全性和可靠性;在现有电力机车配置上不做较大的改动，以较小的经济投入来提高牵引效率和运输能力，提高列车运行安全性，实现低成本和国产化。在论文中作者的主要研究内容包括以下几个方面:1.通过重载列车纵向动力学的研究和平稳协调操纵技术以及优秀司机的经验，提出对机车同步协调操纵的要求，提出科学合理的列车操纵方法，从而减小列车纵向冲动，确保列车安全平稳的运行。2.通过对多机牵引列车安全运行专家系统的研究，提出列车安全性评价标准和依据，将其融入到研制的车载系统中，运用智能控制技术解决多机牵引列车的安全性。3.针对机车无线同步控制技术在实际应用中所存在的问题，研究相应的解决方案。4.根据项目要求进行功能性分析和制定系统整体方案，分析整理系统中需要的机车信号并给出相应的信号采集、控制方案。5.给出一套测试和试验运行方案，对系统进行功能性和可靠性验证。2大秦线重载列车安全运行影响因素分析2.1重载列车平稳操纵研究把传统的有线重联改为无线重联以后，除了可以免除繁复的电缆连接，达到节省人力和提高机车运转效率的目的之外，最大的好处就是可以采用比较灵活的牵引方式，根据牵引需要改变重联机车在列车编组中的位置，实现双机重联牵引、双机推挽牵引、双机组合牵引等多种牵引方式。在重载列车中如果采用双机组合牵引，从控机车与位于列车头部的主控机车通过无线重联技术实现同步牵引、同步制动及缓解。据相关的资料表明，列车的起动、制动及缓解时间要比普通的重载列车短得多，制动作用开始所需时间大量减少，大约减少50%;同时，缓解时间也大量减少，大约减少65%;由于列车开始充风是由两个方向同时进行，充风的时间大约也可以减少70%。这样就大大提高了制动性能和缩短了停车距离，明显改善了重载列车的操纵性能。但是开行重载组合牵引列车，由于列车重量增大，长度也大大增加，如果在1050m站线有效长度下开行50O0t组合列车，编组车辆将达到65辆，如果从控机车位于全车2/3长度处，前后机车之间的距离接近500m左右，由于列车长度增加，列车在运行过程中由于线路坡度的变化，列车车辆所受的车钩力会有很大变化，如果处理不当将会使列车车钩断裂，列车分离；而且重载列车牵引吨位较大，编组较长，与普通列车相比，机车操纵面临的情况更加复杂。前几年，在大秦线曾开行过的53列万吨重载列车中(组合式重载列车)，有11列发生了列车分离和断钩事故，占总开行列车数的20.8%，事故率是很高的。其主要原因是由于牵引过重，而当时机车(前1台、中1台)又没有同步操纵装置，单凭前后机车司机利用鸣笛或车载无线电台进行联系和协调配合，由于主从控机车操作不同步，列车牵引力分配不均，在较大起伏坡道上，列车的纵向冲动力和拉伸力较大，超出安全范围，迫使列车分离，甚至断钩。所以避免较大的列车冲动，保证列车安全运行是系统研究中首先要解决的问题。下面根据列车运行中各个工况的特点，就如何实现重联机车的平稳操纵进行具体分析。2.1.1车钩间隙对列车起动的影响在重载组合列车中，列车的起动主要受车钩间隙的影响，而车钩间隙的存在对列车的起动是有利的，它使列车中的各个车辆实现“分别起动”，从而避免列车起动阻力产生的起动困难，较大起动阻力的存在也是货车不能象客车一样采用无间隙车钩的原因。在重载组合列车中，由于列车编组较长，相应的“车钩间隙效应”比较明显，据统计5OO0t重载列车车钩及其缓冲器的叠加间隙约为4m，当列车起动的时候，前部的车辆在牵引力作用下，走完“车钩间隙”后才能使全部车钩处于完全拉伸状态，使列车完全启动。2.1.2平稳调速根据SS3B型电力机车调速控制原理，机车作牵引工况运行时，对应调速手柄的每个级位，机车均有两个工作范围:恒流工作区和恒速工作区。对应调速手柄级位为a，机车恒流(牵引力)工作速度范围为0km/h～10(a一1)km/h，恒定电流取I=90a与75OA中的最小值;当列车运行速度超过10(a一1)km/h时机车进入准恒速工作区，这时电机电流会随着速度增加而成比例下降，电机电流取值为I=45(10a-V)(V一机车运行速度，单位km/h);牵引电机电流下降到0，机车转入惰性运行。在准恒速区内，机车运行速度每变化10km/h，电机电流将在0位和手柄级位对应的最大值之间变化。机车在恒流区运行要继续提高调速手柄级位时，电机电流将按手柄每提高一级增加近90A的规律变化(但最大电流不超过750A);机车在准恒速区运行要继续提高调速手柄级位时，电机电流将从较小的值或0变到新级所对应的恒流值，这时牵引电机电流(机车牵引力)的变化是很大的。退回调速手柄时，电机电流的变化在不同的情况下是不同的，当调速手柄从较高级位退回到机车运行速度对应级位的上一级时，电机电流将按调速手柄每退一级下降90A的规律变化，如果调速手柄继续退回到机车速度对应级位时，电机电流的变化也是很大的。从机车速度特性我们可以知道，要避免机车电机电流瞬时变化太大而引起的列车冲动，司机的合理操纵是关键。在主控端，可以通过司机规范化操作避免，在从控端，当机车执行异步控制指令或在各种状态之间切换时，如果级位信号变化过快难免会造成牵引电机电流瞬时变化过大。比如:当机车运行速度为3Okm/h时，从控端接收到级位信号从4级变到5级，电机电流将从36OA增加到45OA，流变化90A;当机车运行速度为4Okm/h时，如果级位信号从4级提高到5级，电机电流将从0增加到450A，电流变化达450A。所以从控端进行调速控制时必须遵循以下原则:(l)级位的改变必须逐级递增或递减，不得跨级位输出控制。(2)如果接收到的级位信号变化过快，在进行输出控制的时候，通过合理的延时，使级位的变化趋于平缓。2.1.3复杂线路上的协调操纵系统利用无线通信实现了主从控机车之间的同步操纵，同时，还可以实现异步牵引和异步动力制动。这对于开行重载组合列车来说是非常重要的，因为在牵引工况下，前部主控机车与中部被控机车肯定有同时处在不同的坡道和操纵工况的情况。如果系统只具有一种操纵模式，列车肯定会前后受力不均而导致断钩事故(比如列车处在变坡点上，前部机车在坡下，中部机车在坡上，这时如果主从控机车只能同步操纵的话，由主控机车一起制动，那肯定要发生列车分离或断钩事故)。所以，在这种情况下，必须采取异步操纵的办法，使列车受力均匀，即使列车的纵向冲动力与拉伸力均匀，不至于发生断钩事故。当列车运行在特殊线路上时，主控机车司机结合线路特点，合理的改变牵引方式，利用系统异步控制功能实现主从控机车之间不同的工况操作，这里控制模式的转换主要依靠主控机车司机根据操纵经验来进行，所以人为的因素很大，可能会由于司机的误判断而引起较大的冲动，作为系统以后扩展，可以增加司机辅助控制装置，利用GPS精确定位并结合电子地图，为主控司机实施异步控制提供参考依据。因为重载组合列车编组较长，在机车工况发生改变的时候，为了避免列车发生较大的纵向冲动，司机应合理利用异步控制，当车钩完全拉伸或压缩后，再进行调速控制。例如:当列车需要由牵引转为惰行时，主控端首先向从控机车发送异步控制指令，使从控机车操纵级位回到“O”位，主控机车确认信息后，再将调速手柄回到“O”位或“*”。当列车需要惰行转为牵引时，主控机车移动调速手柄到所需级位，从控机车收到调速信号以后，经过一定的延时，待全列车车钩伸张后，再将级位调到所需级位。2.1.4同步制动时间差分析开行重载组合列车，车辆的关键是制动力、缓冲器和车钩性能如何。目前我国的车辆制动机主要以GK型制动机居多，车钩以13号钩为主。由于GK型制动机性能较差，致使列车在制动或缓解时，车辆连接车钩间发生压缩和神钩，纵向冲动较大。当列车在拉伸状态下施行制动时，间隙效应不断累加，列车纵向冲动最大，车辆间的冲撞作用也加剧。机车无线同步操纵系统是一种DP(动力分布)控制系统。它利用无线网络传输控制信号，可以实现两台机车的同步控制。在列车实施空气制动时，由于列车中多台机车在不同位置同时进行工作，相当于多个风源，因此可以缩短列车管空气波的传播距离，提高空气制动系统的工作效率。组合列车的空气制动波传递示意图见图2-1所示。图2-1组合列车空气制动波传递示意图分析发现，在开行组合列车中发生的某些断钩事故，与主从控机车操纵的不同步直接有关。然而，究竟主从控机车操纵之时间差对列车冲动有多大影响，目前尚无定量概念。100%的操纵同步，是否能使列车冲动达最小的最优操纵方案，也还未经全面论证。因而，确定同步操纵装置的形式及评价指标尚无据可依。采用传统方法，用线路实测来寻求上述问题的解答则十分困难。在文献中，利用列车动力学的方法，定量分析了组合列车在平直线路上运行时，主从控机车制动时间差对列车冲动的影响，计算条件为:(1)取线路为平直道（2)采用C62A型车辆，车辆总重取为75t(3)列车总重按三种情况分别计算:skt(33辆+33辆);6kt(40辆+4O辆);7kt(47辆+47辆)(4)所有车辆均用103型分配阀及二号缓冲器计算结果如图2-2所示:两列车列车管相连时，skt，6kt，、7kt组合列车制动工况时列车中最大车钩力与主从控机车操纵时间差的关系，其中(a)为常用制动工况，初速度为40km/h;(b)为紧急制动工况，初速度为60km/h的情况。(c)为紧急制动工况，初速度为40km/h的情况。图2-2制动工况下主从控制操纵时间差对列车冲动的影响由图2-2(a)可知，在常用制动下，随着列车重量的增加，组合列车制动过程中的冲动也在加剧，随着从控端操纵滞后于主控机车时间的增大，列车冲动过程中的最大车钩压力显著增大，但车钩拉力波动范围较小，无论拉力或是压力，都存在一个绝对值最小的极值，车钩压力的最小值大致出现在从控操纵提前于本机15左右，而拉力最小值大致出现在两机同步操纵时。在紧急制动时的列车冲动大于常用制动工况，这一冲动除与列车质量有关外，还与制动初速密切相关，制动初速降低时，列车冲动明显加剧。紧急制动时列车冲动最小的极值不如常用制动时那样明显。但当从控端操纵滞后于主控端操纵时，随着滞后时间的增加，列车冲动明显加剧。而当从控端操纵提前于本机操纵时，列车冲动明显降低。列车缓解时，最大车钩拉力及最大车钩压力均随主从控机车操纵时一间差异的增大而迅速增加。特别应当强调的是，车钩拉力增加很快，当从控端滞后于主控机车55操纵时，列车中最大拉力比同步时增大3倍以上。车钩承压能力远大于车钩承拉能力，缓解过程中车钩最大拉力往往大于车钩最大压力。由图2-3可知，当从控端缓解操纵提前于主机1～2s，列车中的最大车钩拉力及最大车钩压力均最小，且提前时间进一步增加时，列车冲动变化不大，一直处于较小的状态。图2-3缓解工况下主从控操纵时间差对列车冲动影响通过对多种情况的分析比较，我们可以初步得出结论;即使在平直线路上，主从控机车操纵达到100q0同步，也不是减少列车冲动的最佳方案。在各种列车吨位及列车制动、缓解工况下，从控端操作动作提前于主机l一25都较完全同步操纵有利，因而不应在追求百分之百同步动作上花费过大的精力。在技术上难以做到准确控制的条件下，通过系统中的异步控制功能只要能实现从控端提前于主机的操纵(时间差可维持在较大的范围内)，就比从控端滞后操作安全得多。2.2列车的制动2.2.1动力制动当列车在下坡道利用动力制动进行调速时，应注意平稳调节，逐渐增加制动电流，在列车处于压缩状态时，加大制动电流，使得列车冲动较小。在起伏坡道上，若利用动力制动进行调速，不但可以减少空气制动的调速次数，还可以提高列车的平均速度。一台554型机车在速度6Okm/h，可产生35OkN的制动力，足抵消7%。坡道的下滑力，二台554型机车，则可抵消14%。坡道的下滑力。SS3B型机车在6Okm/h时的最大制动力为25OkN，可抵消5%。坡道的下滑力。因此，在本课题中SS3B型加补SS3B型的配置情况下，可以抵消10编坡道的下滑力。在长大起伏坡道上操纵列车时应随时掌握好列车的减速时机，缓慢地变更车钩状态，避免因列车剧烈冲动而发生拉钩或列车分离事故。利用动力制动进行调速，必须考虑列车脱轨稳定性的影响。根据以往的线路试验，重车远比空车安全，空车或轻浮车辆在小半径曲线上，无论是车钩压力还是拉力，其脱轨安全性均较差，在车钩力高于1000kN时，其脱轨系数及轮重减载率均超出有关安全标准。空气制动缓解后，列车内产生的车钩力作用时间短，具有冲击的特点，而动力制动车钩力基本呈稳态，持续时间长，对于车辆的脱轨安全性的影响更大一些。动力制动引起的稳态车钩力是由前往后逐渐减小的，空车或轻浮车辆宜编在列车后部。2.2.2常用制动及缓解(1)列车制动前先压缩列车列车施行空气制动时，由于制动波的传递，前部车辆先制动减速，后部未制动的车辆向前涌，列车产生挤压作用。图2-4为60km/h减压0.1MPa常用制动时最大车钩力。图2-460km/h减压0.1MPa常用制动由此可见，列车制动前的车钩状态对冲动影响较大，在制动前可适当使用电阻制动或机车小闸制动压缩列车，可大大减轻列车的冲动。(2)列车制动后缓解时先拉伸列车缓解前列车的状态对冲动影响很大，在缓解列车前，如果提前缓解小闸，使列车处于拉伸状态则可大大减轻列车缓解时的拉伸冲击，大大减轻列车的纵向冲动。列车常用制动后进行缓解操纵时，一般大小闸同时缓解。列车的机车均具有较强的动力制动能力，在缓解牵引列车空气制动的同时，使用动力制动，可有效地抑制列车的拉伸作用。同时，动力制动的使用在长大下坡道调速运行时，延缓了列车的增速，增加了列车管的充风时间，减少了调速次数，从而提高了调速运行的安全性。同时，对缓解初速应进行限制，列车缓解速度不宜低于30m/s，一方面过低速度缓解造成列车冲动过大，容易断钩。另一方面，重载列车缓解后速度下降量大，可达15一2Okm/h，低速时则更大，低速度缓解容易造成缓解不完停车。当列车减压量累计超过0.1MPa时，缓解速度不宜低于4Okm/h。2.2.3紧急制动如果制动机的紧急制动性能差，制动波速低，制动缸升压曲线陡，导致列车紧急制动时纵向冲动很大。当列车速度低于4Okm/h时，紧急制动产生的纵向冲动很大，所以应尽量避免列车在40km/h以下紧急制动。2.2.4制动调速在长大下坡道上，采用以“动力制动为主，空气制动为辅”的操纵方法。即当列车进入下坡道后，逐渐增大制动电流控制列车增速，当动力制动不足以保持列车速度时，辅以小减压量的空气制动，列车制动减速后，根据前方坡道情况，在保证缓解后列车充满风的前提下，尽量提高缓解速度，整个调速过程中一起保持较大的制动电流。2.3重载列车安全运行控制随着重载多机牵引列车在我国的普遍开行，在铁路机车车辆现有的装备条件下，对列车的操纵要求是，确保列车安全、平稳、正点和节能运行，因而分析列车的安全运行的控制策略是重中之重。2.3.1一般重载列车的控制策略1.列车的平稳起动在列车起动过程中，应根据列车所处的线路状况和车钩间隙情况，决定起动过程，提手把时要平稳，先慢后快。一般应遵循下列原则:(l)起动初期，主控手柄位置应尽量低，缓慢增加牵引力，直至尾部车辆运动，列车处于拉伸状态后再加速列车。(2)如果机车具有恒流起动功能，以便在降低列车冲击的同时，加速列车的起动过程。在机车给流一定的情况下，低位快给，高位慢给是减少列车纵向冲动有效的操纵方法。(3)在多数情况下机车有能力在列车拉钩状态下启动列车，则尽量不要压钩启动。2.列车的途中运行(l)牵引匀速运行从节能的观点来看，在相同的时间和距离，列车匀速运行时的能耗最少，但这在实际运行中是很难实现的。只能通过不断的牵引和惰行来逼近，为了避免司机频繁变换手柄位而引起列车冲动，威胁到列车安全，每一牵引和惰行过程中惰行时间应大于某一时间。(2)限速区前的降速运行列车运行在限速区前，应合理地通过惰行使列车降速，当速差较大时，应充分利用机车的动力制动来达到较大程度上降速的目的，避免采用空气制动，这不仅是对列车的安全运行有利，而且对列车运行的节能也有利。(3)下坡道的调速运行第一，减小进入下坡道的初速。小的进坡速度可以避免或减少列车在下坡道运行的制动操纵次数，对列车安全运行有利。第二，在调速制动中以尽可能小的减压量制动。列车制动或缓解程中的纵向冲动随减压量的增加而增大，以较小减压量制动，可以减小列车的纵向冲动，延长调速周期，减少调速次数，提高缓解速度，从而增加列车运行的安全性。第三，在长大下坡道，采用采用“动力制动为主，空气制动为辅”的联合操纵调速方式。利用机车的动力制动可以调节列车的车钩状态，使列车的冲动水平较低。同时延长调速周期，减少调速次数，提高缓解速度，增加列车运行的安全性。3.列车的停车制动司机的操纵应在满足制动限制距离的条件下，平稳的实施制动操纵，保证列车停车的安全及平稳。列车的起动与停车过程只占列车总的运行过程的一小部分，在此过程中列车的操纵应以确保列车运行的安全与平稳为主要目标;在起动后期和途中牵引加速过程中，可采用最大牵引力加速牵引，以达到节能的目的。

3无线遥控操纵系统（LOCOTROL）3.1LOCOTROL系统的概述LOCOTROL系统可以说是当今世界最先进的动力分布式系统之一，主要应用于单一线路重载铁路运输领域，能显著提高铁路运输能力并有效优化运营加长加大型火车。其灵活的安装方式，简单的维护要求，可靠的性能及低廉的成本，使之被广泛应用于全球各地，在北美、南非、澳大利亚等地都有应用，在中国主要应用在大秦铁路的运煤重载列车上。目前在大秦铁路上运行的HXDl型重载列车由2台HXDl型机车共同牵引，1台主控机车，1台从控机车。按现行2万吨组合列车开行模式，每两台机车分布在列车中共同牵引一列列车。该系统对分布在一列组合列车中的两台机车，利用机车自身安装的800MHz电台或通过GSM-R通讯网络，以主控或被控的方式完成对列车的制动或牵引，实现两台机车由一名司机同步控制，使两台机车同时启动、加速、减速、制动停止，消除了操纵的不一致，减小或者防止车厢之间的挤压或者拉钩，不仅使列车运行更为安全，同时也大大提高了大秦线运输能力。LOCOTROL系统对如同大同线的复杂线路情况的适应性在试验项目中已经得到验证，且说明LOCOTROL技术有能力应用于国内其它线路以提高运力。LOCOTROL允许在各从控机车间挂接50辆(C80)车辆以组成2万吨列车，这样的长大列车具备与传统5千吨列车同等的车钩受力和空气制动性能。开行2万吨LOCoTROL组合列车替代传统的万吨列车将提高大秦线运力。LOCOTROL有两种工作模式:同步模式和独立模式。在大秦铁路中运行的HXD1型重载重联列车主要采用同步模式，同步模式适用于多个机车牵引一列列车的情况，大秦线的运煤列车引入LOCOTROL以后，每个牵引机车上都将安装LOCOTROL，通过LOCOTROL来控制牵引机车的运行，此时LOCOTROL就将采用同步工作模式。在这种模式下，主控机车LOCOTROL由机车司机操作，而从控机车LOCOTROL处于无人控制的状态。从控机车LOCOTROL由主控机车LOCOTROL来进行远程控制，控制指令的发送/接收通过LOCOTROL中的800MHz电台或通过GSM-R通讯网络实现。例如:当主控机车上的司机操作LOCOTROL起动主控机车时，主控机车LOCOTROL立刻发送起动指令给后面的从控机车LOCOTROL，主控机车LOCOTROL延迟t时间后起动主控机车。当从控机车收到起动指令以后，立刻控制机车起动。通过统计控制指令的传输时延，来确定主控机车LOCOTROL延迟的时间t。这样统一编组的两个机车就可以近乎同时起动，从而达到了机车同步操作控制。3.2LOCOTROL系统的原理LOCOTROL系统是一个全面集成的分布式动力控制系统的解决方案，能对列车上分布的1台主控机车和最多3台从控机车进行全面控制。LOCOTROL分布式动力控制系统通过主控机车，控制从控机车以同步或独立的方式运行。主控机车上感应到的命令信号通过无线传输给从控机车。借助LOCOTROL系统，可以优化动力分配和整个列车的制动控制,使机车的牵引和制动更迅速，更平稳，从而实现更安全，有效的列车操作。LOCOTROL原理如图3-1所示图3-1LOCOTROL原理图LOCOTROL分布式动力系统支持操作人员通过LOCOTROL显示设备将A端或者B端机车设为LOCOTROL主控机车或从控机车。LOCOTROL分布式动力系统也可以使操作人员对整个列车的各个机车实现同步控制，从控机车遵从主控机车LOCOTROL系统的命令，这样主控机车和从控机车的牵引和电制动级位将保持同步，实现整部列车的同步操控。这些特点，与分布式的制动和充风能力一起，使得操作人员对机车保持更好的控制，从而获得更好的机车操纵、更短的充风时间、更短的制动距离以及更小的列车间作用力。3.3LOCOTROL系统的特点LOCOTROL系统特点如下:·提高列车整体牵引力(牵引更长，更重的列车)·优化动力分布和制动效果·提高牵引效率，减少车辆阻力·减少车轮和轨道的磨损·降低车辆间作用力，减少车钩受力·加速制动缓解·减少断钩事件发生(90%)·减少制动时间(22%)和制动距离(33%)·减少列车管的充风时间(60%)·节约能耗(5%-15%)·优化周转周期(平均缩短12%)·改善低速操作·更快地进行加速和减速·减少人员需求(只需要主控司机操作)·改善设备利用

4电控空气制动系统（ECP）4.1概述4.1.1传统空气制动存在的问题货物列车长大、重载和快速的发展趋势超出了传统空气制动系统的性能极限，根据国际上开行重载列车的经验，当牵引重量达15000t以上时，采用传统空气制动系统会频频发生断钩、脱轨事故。美国铁路统计结果表明，在所发生的全部事故中，有70%是断钩事故。美国铁路每年事故的直接损失达5千万美元(不包括对运输、人员等的间接影响)。对于超长重载列车，传统空气制动系统存在以下主要问题:(l)制动、缓解响应时间长传统空气制动系统以列车管压力变化为控制信号触发各车辆制动机动作实现制动、缓解功能。尽管各国在提高空气制动系统控制信号传递速度(制动波速、缓解波速)方面做了大量工作，目前较先进的制动机紧急制动波速已达到250m/s～280m/s，但再先进也无法超过空气压力波传播极限速度300m/s。对一列长2.7km左右的2万t列车，制动减压信号从头部传到最后一辆车至少需要10秒钟，造成重载列车常用、紧急制动时列车前后部制动力不一致，列车中将产生巨大的车钩力和剧烈的纵向冲动，严重时可能造成断钩、脱轨事故。(2)再充气时间长传统空气制动系统通常采用单一制动主管，缺乏对储风缸的持续充风能力。实施制动后，储风缸压力空气流入制动缸，需要通过缓解将列车管和储风缸完全充满后，才能进行下一次制动。列车长度的增加，会造成再充风时间增长。过长的再充风时间容易造成司机对列车速度的失控，严重时会造成放肠，对安全产生严重威胁。另外，传统的动力集中牵引方式也是制约列车重量增加的瓶颈。在动力集中方式下，头部机车和后部车辆间的车钩力必然随着列车重量的增加而增加，该方式下的最大牵引重量受车钩强度限制。因此，如何布置牵引动力也是开行长大重载货物列车的关键。4.1.2ECP发展历史为解决上述问题，国际上主要采取了2种技术:动力分布控制系统(DP)和电控空气制动系统(ECP)。动力分布式控制系统(DP)将机车分散布置在重载列车中，司机在主控机车上通过基于有线或者无线通信的控制系统对各从控机车进行远程控制。这种方式类似于将长大列车分解为多列协调运行的短编组列车。该方式下实施空气制动、缓解时，分布在列车中的各台机车同时参与列车的制动和缓解控制，一定程度上提高了制动与缓解波速、缩短了制动距离、减小了车钩力。DP发展开始于美国，1959年在美国进行了首次机车无线遥控同步牵引控制系统试验，随后在美国该系统经过多次改进，20世纪70年代日趋成熟，在澳大利亚、巴西和阿尔及利亚得到应用。80至90年代，美国哈里斯公司推出了全计算机方式的第三代无线遥控设备(即Locotrol)，在美国和加拿大推广应用。电控空气制动系统(ECP)是自1872年乔治，韦斯汀豪斯发明空气制动机以来，货车制动系统最显著的变革lv0]。它彻底改变了制动控制信号的传输媒介和传送方式，最大限度地改善了列车制动、缓解过程中的纵向冲动问题及列车的再制动能力。ECP最初由AAR铁路成员开发，1994年TSM公司研制出早期的ECP制动系统，1995年美国开始在重载单元列车上研究采用ECP，1997年，ECP开始在美国、加拿大进行装车试验，1999年3月AAR制订了ECP规范标准—54200。目前，ECP系统己在美国、加拿大、南非、澳大利亚等国的重载单元列车上采用，安装车辆已达一万多辆，取得了很好的运用效果。获得AAR认可的ECP控制阀有三种类型:重叠型、独立型和模拟型。重叠型ECP通过在传统空气控制阀安装ECP接口板、ECP控制阀和通信系统实现，这样，每辆车上有两套独立的控制阀，车辆在传统空气制动和ECP两种模式下工作；独立型ECP取消传统空气制动阀，用电控阀控制制动缸充、排风。该型式ECP不能按传统空气制动模式工作，装备独立型ECP设备的货车无法与现有货车混编;模拟型ECP取消传统空气制动阀，代以能按ECP和空气两种模式工作的电控控制阀。模拟型控制阀能检测列车管压力变化，可接收管压力变化控制，实现空气控制阀相同功能，同时也能接收电指令，实现ECP功能。装有模拟型ECP设备的车辆可与既有车辆的混编运行。AAR认可的ECP通信系统有两种:无线和有线。有线ECP技术要求在AAR的54200标准中规定，无线ECP技术要求在AAR的54300标准中进行规定迄今为止国际上所有向AAR申请并取得合格证的厂商共有7家，都是美国厂商。这些厂商的名称及其开发ECP的种类如表4-1所示。表4-1生产ECP系统的美国厂商序号厂商名ECP的类型使用铁路1Wabtec有线，重叠、纯ECP南非，美国CSX，加拿大CP2NYAB有线，独立ECP美国BNSF，加拿大QCM3GEHarris无线，重叠、独立ECP澳大利亚BHP，美国佛州东部线4Zeftron有线，模拟ECP美国新墨西哥州西部线运用试验5EMD有线，重叠，独立ECP（网络为主）未装车6GETS-GS无线7Graham-Whitd有线动力分布控制系统和电控空气制动系统从两个不同角度解决超长重载列车开行问题:DP从牵引动力角度，解决动力集中配置造成的局部牵引/电制力过大问题；ECP从空气制动角度，解决制动同步性和车辆间制动力不均匀性问题。从本质上讲，DP并未改变依靠空气链路传递制动信号的现状，只是通过将长大列车切分成两个或多个小编组列车，间接提高了制动信号的传播速度，因此，DP系统无法从根本上突破空气制动系统固有的物理限制——制动波速低，也就无法根除由此引起的制动距离长和制动力分布不均匀的问题。而ECP则从根本上抛弃了传统的空气信号链路，代以一种全新的信号传输方式，彻底突破空气制动系统固有的物理限制，使得全列车制动同步性和制动力分配均匀性有了质的飞跃。从技术角度，DP和ECP这两种方法的融合，将从牵引和制动两方面克服重载列车开行的瓶颈。通过共享贯通全列的通信网络，ECP系统可以实现机车动力分布控制，将DP技术无缝集成到ECP系统中，使各台机车能够同步牵引/电制。4.2ECP系统基本原理ECP制动系统利用传统的副风缸和制动缸，空气仍然是制动力产生的来源，但是，空气不作为制动指令的传递介质。列车管作为总风管，不断给副风缸充风，保证其始终处于待命状态。制动时，机车通过ECP制动系统通讯设备给各个车辆发送制动命令及目标压力等信息，车辆控制单元根据控制信号控制副风缸向制动缸充风；缓解时，车辆控制单元根据控制信号控制制动缸排风。ECP制动系统保有阶段制动和阶段缓解能力，使列车操作和速度控制更为灵活。ECP制动系统的通讯设施不但可以向车辆发送控制指令，而且可以接收车辆状态信息。这样机车就可监控整个列车的安全和性能。AAR标准规定了最低限度的监控要求，集中于安装ECP车辆控制单元（CCD）的安全和与压力有关的主要制动数据，如制动缸、列车管和副风缸的压力。它还可向货车生产厂提供具体的车辆监控特征，这些特征来源于辅助传感器在异常情况时发给牵引机车的警报。4.3ECP系统基本组成ECP制动系统分为：机车系统、车辆系统和列车尾部系统三个部分。其中，机车系统主要包括三部分：（1）机车控制单元（HEU），主要是ECP控制器，还包括ECP电缆收发器、司机显示屏、ECP制动控制输入设备接口；（2）机车识别单元（LID），此设备存储机车标记和配置数据（包括机车型号、车号、车长、车重、轴数、默认全制动率、默认的列车管定压等），监控头端的ECP电缆终端，控制230V直流电源；（3）230V直流电源，提供列车电能，从机车低压电源（美国机车为74V直流）转换而来。车辆系统中除电缆以及为每辆车指定的传统空气制动装置外，ECP由三部分组成：（1）车辆控制装置（CCD），可根据制动指令进行制动控制。CCD解译和执行指令信号，控制副风缸向制动缸充风，实现车辆的常用和紧急制动作用。当它不能够正确响应制动指令时，发送警告信号给机车；（2）车辆识别单元（CID），CID单元与CCD配套使用，用于存储车辆本身的信息和特殊参数，包括车辆自重、载重、车长、制动率、车号等，并提供给CCD，及提供了其在列车中的唯一电子地址（3）ECP管路集成装置，由CCD控制形成合适的制动力，也可将CCD和管路集成装置组合成一套设备。列车尾部系统(EOT)设备，进行以下功能操作：（1）作为整个列车管的末端；（2）确定列车（对于每辆车）的完整性；（3）在允许使用230V直流电源之前确定列车管是连通的；（4）监控和报告EOT制动管压力。图4-1为我国有线重叠式ECP制动系统的基本架构。图4-1我国ECP系统架构4.4ECP系统的优点（1）保证重载长大列车运行安全·平均车钩力降低25%，断钩大大减少·消除制动工况下脱轨危险·直通制动、充风快、下坡安全·制动距离缩短：50～70%·平交道口的事故率大大下降·消除了意外紧急制动现象（2）车辆平均周转时间缩短，能力增加·列车平均速度增加(制动距离缩短、阶段缓解、连续充风)·列车长度、重量增加(加拿大已从150辆增加到180辆)·编组场发车的制动试验时间加快·平均周转时间至少缩短9%（3）机车动力消耗减少·有阶段缓解、下坡时动力制动实质上已不用·速度控制精确，允许更高下坡速度，增加速度稳定·可以利用闯坡制动·空气消耗降低·节能23%（4）车辆维修费用降低·车轮磨耗减少(加拿大：7%)·闸瓦磨耗减少(加拿大：27%)·车轮过热现象消除·车轮踏面剥落大大减少·车体疲劳载荷降低4.5LOCOTROL系统与ECP系统的对比分析LOCOTROL系统可以实现机车在列车的分散布置，使各机车做到同步牵引和制动，有效减少纵向冲动和车钩力，缩短制动距离和制动时间。ECP技术采用电控制动系统，可以做到每辆车同步制动和缓解。两种技术都能满足开行2万吨需要。但与ECP技术相比，LOCOTROL系统由于采用无线同步控制方式，牵引动力分布在列车不同位置，有利于列车按不同目的地解编；该系统结构简单，只需对机车进行加装改造，成本较低，易于维护和管理，更适应中国铁路的运用特点。但采用LOCOTROL技术，必须保证无线通信的可靠。铁道部在深入考察美国、南非铁路采用LOCOTROL技术与ECP技术开行重载列车的基础上，针对我国国情、路情进行了认真分析，撰写了考察报告，明确提出：GE公司的LOCOTROL技术成熟、可靠，在解决无线通信的前提下，在全路更有推广意义。建议近期采用450MHz或800MHz车上转发方案，抓紧在SS4机车上试验，同时与华为公司GSM-R通信平台进行接口试验研究。

5大秦线重载列车LOCOTROL系统方案研究5.1系统功能要求由于系统是来源于实际科研项目，必须从实际应用的角度确定系统的功能需求，同时本系统车载装置是安装在机车上与原机车同时运行的，故必须适应机车上的工作环境。具体要求如下:(1)对原型机车尽量不做改动，或做尽量少的改动，不降低原机车的可靠性；(2)系统基本功能是实现主控和从控机车之间的无线同步控制，同时应具备异步控制功能，以满足列车安全性和特殊线路上的牵引和制动需要；(3)系统的控制动作具有很高的实时性，无论同步控制还是异步控制，都应在精确的时间范围内完成；(4)系统具有显示功能，把多机牵引列车运行安全专家系统的输出的推理判断结果和机车的状态信息实时的提供给主控机车端司机，以优化和指导司机的操纵；(5)因干线货运机车工作必须具有很高的可靠性，对车载系统的可靠性要求就远高与一般的工业控制和地面固定装置。研制的系统必须满足抗干扰和恶虐环境条件下正常工作的要求；(6)车载系统在列车运行中故障时，应不影响原机车的正常控制，对从控机车端应具有切换为司机操纵自主驾驶的功能；(7)车载系统具有自检功能，在每次列车运行前自动检查系统的各个模块情况，有故障时给出提示，确保开车时系统工作状态良好；(8)列车在运行中，车载系统具有检查系统控制动作执行是否正确的功能，并给出相应显示；(9)系统要具有优良的可扩展性，便于以后进行相关功能的完善。5.2大秦线重载列车LOCOTROL系统整体设计方案5.2.1HXD1型机车LOCOTROL系统工作原理LOCOTROL系统通过MVB总线与HXD1型机车接口连接，监视主控机车控制器的受电弓位置、主断路器位置、主控机车方向、牵引和电制动器的信息，并把信息传给主控机车的LOCOTROL系统，然后，把控制数据进行编码，传给从控机车。从控机车的LOCOTROL系统对这些信号进行解码，并通过串行通道把控制数据转发给机车计算机。通过串行通道，还可以不断监视从控机车的控制功能，并把监视数据传回从控机车的LOCOTROL系统；从控机车的LOCOTROL系统对状态数据进行编码，并传回主控机车的LOCOTROL系统。从控机车的LOCOTROL系统对状态数据进行编码,并传回主控机车的LOCOTROL系统。然后，主控机车的LOCOTROL系统把信息传送给LOCOTROL显示器，使操作员始终掌握从控机车的工作状态。HXD1型电力机车的LOCOTROL设备的基本架构和主要组成在中图5-1示出，包括安装在HXDl型机车的A端和B端上的相同的LOCOTROL分布式动力设备，而CPM模块仅安装在A端上，机车两端之间通过WTB总线连接，两台机车之间通过电台进行通信。图5-1HXD1的LOCOTROL设备的基本框架5.2.2系统总体结构HXD1型机车LOCOTROL系统采用模块设计思想，主要包括9个子模块：电源分布模块(PDM)，继电器接口模块(RIM)，通信处理模块(CPM)，集成MVB处理器模块(MIPM)，GSM-R车载通信单元(CPM)，无线数据传输设备(RDTE)，司机室显示模块(LCDM)，电子制动阀(EBV),CCBⅡ(包括电空制动)控制单元(EPCU)。图5-2LOCOTROL系统框图HXD1型机车LOCOTROL系统框图及连接方式如图5-2所示。各模块之间通过串行通信、LON网络或MVB总线相互连接，其中MIPM模块是整个系统的核心，它通过MVB总线与CCU相连，构成整车通信网络。(1)电源分布模块(PDM)电源分布模块是LOCOTROL控制系统的电源模块包括一个直流/直流变换器，将机车的11OVDC电源变换成MIPM模块需要的66VDC电源。PDM模块只有两个接口，J2从机车上引从11OV直流电压，经分布式动力断路