重载组合列车试验方案设计和测试系统开发＊

徐 倩，冀 彬，倪纯双，王悦明，章 亮

（1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081；2 太原铁路局 机务处，山西太原037000）

发展重载运输，提高货车轴重，是提高铁路重载运输能力的有效途径。轴重一定，要提高运能，从车辆方面讲，就要加长列车编组，但是由此引起的编组方式、机车操纵、制动性能、纵向冲动等问题需要进行科学研究。我国的运煤专线线况复杂，坡道、隧道多，曲线半径小，掌握列车运行的动力学特性，科学分析列车中的车辆状态、研究不同列车编组型式的机车同步性、列车制动特性等问题，对于提高重载列车的运输安全效率是十分重要的。

重载组合列车的特点是列车编组长，传统的测试方式不能应用于测试列车中多个货车位置（简称“断面”）的参数。在2万t重载组合列车综合试验的基础上，成功研制了一套适用于长大货物列车的分布式纵向动力学、牵引及制动测试系统，在多次重载列车试验中应用，彻底解决了长大货物列车的测试难题。

1 试验方案设计

大秦线2万t组合列车是我国首次采用机车Locotrol无线同步技术的重载列车，初期开行时车辆采用C80货车。2万t重载组合列车长度约为2 800m。根据重载列车编组方式和重载列车中机车编组方式不同的方案特性，需要对机车的牵引性能、车辆的制动性能、车辆纵向动力学性能等特性进行研究和分析。

1.1 试验方案设计

根据实际需求，试验方案设计如下：

（1）列车静置制动试验：包括列车制动系统漏泄试验；常用制动试验；压力保持试验；紧急制动试验；阶段制动试验；循环制动试验；通讯丢失后制动性能测试；惩罚制动性能试验。

（2）列车运行试验方案包括①为检测起动方法对牵引性能和纵向动力学参数的影响的起动牵引性能试验；②为考核坡道起动加速牵引性能和对纵向动力学性能的影响设置在4‰限制坡道的起动加速能力试验以及4‰上坡道的加速能力试验；③为考核长大下坡道机车控制列车速度能力而设置-12‰下坡道的的调速制动试验以及循环制动试验；④长大下坡道以及平直道的紧急制动以及最大常用全制动试验。对所有运行试验方案下的车体加速度以及车钩力指标进行监测，以考核指标是否满足相关规定及标准的要求。

根据试验方案，采取系统措施减少列车的纵向冲动，使长大列车运用中各种工况下的车钩力和纵向加速度控制在允许限度之下。

1.2 试验内容

试验内容主要归纳为3类：

（1）动力学测试

动力学测点主要包括车钩力、车钩摆角、缓冲器特性、车辆振动加速度等；

（2）牵引参数测试

牵引参数主要为机车牵引能力测试，包括网压网流、牵引／电制动力、电机温升、起动加速性能等参数测试；

（3）制动参数测试

制动参数主要为机车空气压力信号如均衡风缸、列车管、制动缸压力，车辆制动信号（主要包括列车管、副风缸、制动缸压力），另外还需进行闸瓦温升测试以确保轴承的温升在要求范围内。

2 测试系统开发

2.1 测试系统设计

测点需要分布在全部编组长度范围内，采用双绞线、光纤的网络化布线方案无论从布线难度、可靠性等方面都存在诸多不足之处。又由于重载列车长度较长，需经常解编，这样各测点的同步和监控要求不能采用双绞线或光纤等有线方案，必须考虑无线连接的方案。每个断面的测点汇集到数据采集系统后，需要经过网络将断面的数据采集（数采）系统组合成一个综合的测试系统，并根据控制中心的控制指令进行工作。

货物列车上没有220V交流电源，只能使用电池供电，为此数采系统必须能使用电池供电，且功耗较低。

货物列车的数采系统必须能经受极端环境温度-40℃～+50℃以及95%左右湿度的考验。

货物列车的振动比客车大得多，为此数采系统必须能经受长时间的振动以及一定的冲击。

货物列车的密封较差，如大秦线运煤的敞车就完全没有密封措施，这样数采系统必须有抗粉尘颗粒污染的能力。

针对大秦线重载试验，还必须考虑大秦线运输的特点，列车在到达目的地之后要立即解编，到翻车线上卸煤，为此数采系统必须要做到尺寸小巧和质量轻，才能便于携带拆卸。

在采用无线同步和监控方案时，考虑到大秦线处于山区，还有许多小曲线半径线路以及隧道等，无线通讯不可避免的会造成采样数据的丢失，这时数采系统必须有本地存储的能力。

各测试仪器的信号需要时钟同步，才能实现数据的一致性分析。

综合上述分析，在重载列车的试验中必须采用基于无线网络分布式的测试系统。

2.2 测试系统的设备选型

基于上述测试系统的方案，测试设备既要满足测得多种信号的要求，又要满足重载货车的恶劣条件，因此，数采系统需要便携、满足分布式数采以及多种采集信号（如电压、应变、热电偶等信号）的要求：同时数采系统的抗冲击能力至少在20g以上、可以接受电池供电及交流AC220V供电两种方式；数采系统之间还可同步操作，同步可以采用GPS、GSM或其他有线方式进行；采样数据可以本地存储、PC存储，又可以实时远端监控；数采系统还需要满足可以级联的要求。

2.3 测试系统的硬件设计

（1）无线网络传输设备

测试系统的无线网络功能是连接两个或者多个测试点的仪器，实时传输试验数据。因此采用无线网桥实现这些功能。网络标准为IEEE802.11b，频带宽度为2.4～2.497GHz，可以提供很高的数据传输速率（11 Mb／s）和较高的输出功率（100mW），传输距离是系统硬件设计的主要考虑因素之一，连接最远距离应在10 km以上。另外，网络占用公用频点，无需申请及付费，而且能够适应恶劣的环境，需要支持点对点和点对多点配置。

（2）系统电源供给

重载列车中间断面无法获得220V交流电源，因此断面采用锂电池为数采系统、传感器以及网桥供电。锂电池除了温度要求外，功率满足支持每个测试断面工作约15h。同时电池也具有各种电路保护功能，输出电压平稳，具有一定的抗振性能。

（3）数采系统

选型后的数采系统应用模式如下，首先需要保证各测点数据的同步性，仪器的同步依靠GPS卫星接收器实现，采用GPS的UTC（标准时间）进行各数采系统的时间同步。GPS授时精度为1μs，可以保证仪器之间的时间差在1μs以内。这样就解决了不同断面的数据不能同时进行分析的难题。

数采系统可以进行本地存储，同时也可以进行PC存储，本地存储的数据可以通过网络传输至控制中心。控制中心将收到的各断面网络数据进行汇总及处理，实时报告测点数据。

由于重载列车编组长，运行线路复杂，无线网络不能保证列车运行在任何位置都是通畅的，因此在进行数据传输的同时，必须将数据存储至本地。这样尽管无线网络暂时性失连，数据也不会丢失。

图1为测试系统组成示意图。图2为测试系统工作箱。

图1 测试系统组成示意图

图2 网桥的天线安装

2.4 测试系统的软件开发

借助于中国铁道科学研究院机车车辆研究所的DASO软件，在此基础上开发适用于重载列车试验方案的软件。无线分布式综合软件开发主要考虑如下几点：

（1）由于无线通讯不可避免的会出现暂时通讯中断的问题，因此软件在运行的过程中必须能适应网络不畅的情况，在网络异常时系统能进行必要的保护，而当网络恢复时系统能及时捕捉到信息并恢复控制；

（2）由于无线通讯的中断会造成部分数据的丢失，必须以本地存储的数据为准，为此软件必须能够对本地存储的数据进行有效的转换管理；

（3）软件在监控的过程中必须能实时显示各断面所有通道的状态；

图3为利用开发的软件应用于大秦线2万t重载组合列车试验的软件界面图例。

图3 DASO软件运行的监控界面

3 测试系统的应用实例

以采用Locotrol技术开行2万t重载组合列车综合试验为例，介绍测试系统平台进行重载组合列车试验的实际应用。

试验共设置9个测试断面。1号断面的测试项目包括主控机车的牵引信号，如网压网流、牵引／电制动力；包括主控机车的压力信号，如机车均衡风缸、机车列车管、机车制动缸信号；还包括1位车辆的压力信号及车钩力、车体加速度、缓冲器位移信号以及速度信号。同时1号断面也为全部试验的控制中心，向所有断面的仪器发出采集以及停止试验的指令，接收所有断面的数据。5号断面的测试项目和1号测试断面相同，只是机车为从控机车。其余断面的测点均为C80货车测点。

测试工作箱中集成了电源、数采系统、无线网桥，GPS以及传感器信号接入数采系统，控制中心发出指令要求仪器采用GPS时钟同步，进而开始记录数据。在试验中实时显示线路、速度、传感器信号等信息。图4为测试的网压、网流及信号。图5为紧急制动工况下各断面车钩力的变化曲线。图6为循环制动工况下的电制动力、压力信号及车钩力波形图。

图4 紧急工况机车及车辆信号时域图

图5 紧急制动工况下各断面车钩力图

图6 传感器信号的时域波形图

4 结束语

测试系统研制成功后，先后承担了近20次的“大秦线2万t重载列车纵向动力学、牵引以及制动性能试验”、“大包线重载列车试验”，以及货车溜放试验等，彻底解决了长大货物列车的测试难题，为研究分析重载列车的机车牵引操纵，制动方案以及降低纵向冲动等问题提供了科学依据。该套测试系统也能适用于其他各种需要分布式测量的环境，如长大桥梁，大型建筑物的测试等。

［1］倪纯双.超长重载列车纵向动力学、牵引及制动统一测试平台的研究［R］.北京：中国铁道科学研究院，2006.

［2］严隽耄，翟婉明，陈清，傅茂海.重载列车系统动力学［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

［3］陶强.大秦线2万t重载组合列车综合试验报告［R］，北京：中国铁道科学研究院，2006.

［4］耿志修.大秦铁路重载运输技术［M］.北京：中国铁道出版社，2009.