專利名稱：用于鐵路貨物運載工具的坡度速度控制器及方法
本申請是基于申請日為1999年6月29日的美國臨時專利申請文件NO.60/141,395。
本發(fā)明涉及用于鐵路運載工具的電子控制剎車系統(tǒng)，尤其是涉及一種用于鐵路運載工具的電子坡度速度控制器及方法，用于根據需要自動地調整火車制動應用程序來保持一個預選的火車速度。
從早期的威斯汀豪斯氣閘開始，直到現在，壓縮的空氣已經成為制動控制信號通過火車貨運車廂傳輸的介質，也是通過制動滑軌使用摩擦延遲的力，制動滑軌在制動期間與車廂車輪的輪胎相吻合。隨著電子氣動(ECP)制動控制系統(tǒng)的出現，氣閘的能力已經擴展到超出了傳統(tǒng)氣動制動控制系統(tǒng)所能達到的能力。改進的能力主要是由于制動控制信號可以即時地傳輸到火車的每一節(jié)車廂，而氣動控制信號的傳播受一個接近聲速的值的限制。
在貨運火車中，許多連結的火車車廂典型地是通過制動液管互聯的，制動液管供給來自火車頭中主儲存器中的加壓液體。每一節(jié)車廂通常都有一個板上制動液管、一個裝載來自主儲存器的加壓液體的儲存器、一個排氣裝置及一個液體壓力活性制動汽缸裝置。在某些車廂中，還存在一個與ECP貨運制動控制系統(tǒng)的電子控制器相連的氣動控制閥。
在ECP系統(tǒng)中，電子控制器操作螺線管啟動閥，螺線管啟動閥控制儲存器、制動汽缸及排氣裝置之間的加壓液體的入口。
制動液管中的壓力可以通過技師從火車頭來控制。一般的，在火車頭通過技師所控制的制動有三種不同的類型。第一種是“獨立制動器”，是只在火車頭中的制動器。第二種被稱為“動態(tài)制動器”，適合用于火車頭的發(fā)動機為火車提供延遲力。第三種類型是“機車制動器”或“摩擦制動器”，是指在每一節(jié)火車車廂上的氣動制動器。關于摩擦制動器，制動液管壓力的減小可以通過技師給氣動控制閥或電子控制器發(fā)送一個信號以便使用火車車廂上的制動器。所使用的制動力的級別通常是制動液管壓力減小量的函數。盡管電子控制器可以使用壓力傳感器來檢測制動液管壓力的變化，技師還可以電動地傳輸一個命令信號給每一節(jié)火車車廂中的電子控制器，指示它去使用所選擇的制動力大小。類似地，制動液管壓力的增加是對火車車廂緩解制動的信號。同樣，在使用制動器時，還可以傳輸一個命令信號來指示電子控制器緩解制動。
雖然氣動制動在火車正常操作時被用于很多用途，像給火車減速或讓火車停止、或控制交互車廂的動態(tài)(松弛、插入、脫開)，當制動用于保持下坡時火車的速度時，要特別考慮操作條件。在這種條件期間，摩擦制動器經常用于補充由火車車頭所提供的動態(tài)制動。當坡度制動時，只需要制動氣缸壓力可達到滿負荷值的一半，就能平衡施加在火車上的重力坡度加速度力。如果總的火車延遲力恰好與坡度加速力相匹配，則加速度為零，且速度保持恒定。如果總的延遲力大，則速度減小。
貨運火車通常有很長，甚至有幾百節(jié)車廂長，導致很大的移動量，這需要同樣大程度的制動力去控制。因此，當火車下坡行駛的時，要保持恒定的預選火車速度是很困難的?；疖囅缕聲r的速度控制是個問題，特別是如果火車增加的速度超過了安全限度或者如果儲存器被過度的消耗以至危及到不能控制火車速度。
歷史上，由于典型地制動控制系統(tǒng)沒有提供制動汽缸壓力的逐級緩解，有時會出現一個問題。只有在制動汽缸壓力耗盡之后，才可以使用不同級別的新的制動應用程序。這樣，為了在初始化應用程序之后改變制動的級別，制動汽缸必須排氣。此外，排放制動汽缸而耗盡系統(tǒng)中的壓力比從主儲存器中補充壓力更快。因此，持續(xù)的使用和消耗制動器能快速地耗盡壓力存儲器使之降到能控制火車速度的等級以下。很明顯，這在下坡時是尤其不希望出現的。因此，非常需要在下坡時保持火車的速度在一個緊湊的范圍內。然而，使用逐級緩解制動閥，可能任意次數的而有選擇地增加或減少制動汽缸壓力而不會完全耗盡制動汽缸的壓力。在美國未決的專利申請NO——中公開了一種逐級緩解制動閥，在此以作參考。
根據本發(fā)明，用于鐵路貨物運載工具的坡度速度控制系統(tǒng)可以通過帶有一個微處理器的速度控制系統(tǒng)來完成，微處理器接收來自各種來源的輸入，如從火車頭中的動態(tài)制動器或獨立制動器，也可以是來自每一節(jié)火車車廂中的制動汽缸。此外，微處理器中可以輸入所需的火車速度、實際火車速度、及用于將原始數據轉換為導出制動汽缸壓力調節(jié)量所需值的常量和公式，制動汽缸壓力調節(jié)量是實現坡度速度控制系統(tǒng)的速度控制函數所需的。此外為了增加或減少制動汽缸的壓力以控制火車的速度，坡度速度控制系統(tǒng)可以與諸如每一節(jié)火車車廂上的電子控制器這樣的制動汽缸控制設備進行通信。
在實現坡度速度控制中，當火車開始下坡時，操作員典型地會設置動態(tài)制動器所需的級別，然后根據需要逐漸使用摩擦制動器，以使坡度重力加速力保持平衡，并保持所需的火車速度。通過設置開關并向火車頭中的制動控制微處理器輸入所需的火車速度來啟動坡度速度控制。微處理器能監(jiān)控實際的火車速度、計算加速度、比較實際速度與目標速度。如果實際速度與目標速度相差不止一個預定的值，則計算一個目標加速度。從目標加速度，可以導出一個制動汽缸壓力調節(jié)量以獲得目標加速度，并使實際火車速度在一個合理地短暫的時間周期內達到目標速度。在火車下坡過程中可以重復這個順序，根據需要自動調節(jié)火車制動結果，以保持目標速度在一個緊湊的范圍內。
在任何時間都可以指定一個新的目標速度，坡度速度控制系統(tǒng)可以自動調節(jié)火車速度使之與新的目標速度相匹配。類似地，可以改變動態(tài)制動器的設置，制動控制微處理器可以自動地對制動汽缸壓力補償一個適當的調節(jié)量。此外，如果火車速度或制動汽缸壓力接近一個極限級別，通過系統(tǒng)操作員可快速的被警告。
坡度速度控制系統(tǒng)也可以基于目標速度和實際速度之間的差值來改變制動汽缸壓力調節(jié)量的級別。例如，在實際速度與目標速度之間的差值大于一個預定數值的等式中，可以在等式中使用一個更高的值，為了實現一個臨界速度控制調節(jié)量，可以從等式中導出制動汽缸壓力調節(jié)量。類似地，如果實際速度與目標速度之間的差值足夠小，可以在制動汽缸壓力調節(jié)量等式中使用一個較低的值，以實現一個正常的速度控制調節(jié)量。此外，為了避免超過目標速度，制動汽缸壓力調節(jié)量可以修改為接近目標速度的實際速度。由現有的制動汽缸壓力所控制的主加速度可以由連續(xù)的速度測量值導出。制動汽缸壓力的變化可以由主火車加速度和目標加速度之間的差值來判定。通過反復執(zhí)行這一過程，可以自動和連續(xù)地控制制動汽缸壓力以保持火車的速度在一個緊湊范圍之內。
通過以下的詳細說明及實施例的附圖，本發(fā)明的其它細節(jié)、結果及優(yōu)點將變得更為清楚。
結合附圖來參照以下詳細說明將能更完整的理解本發(fā)明。


圖1依據本發(fā)明給出了坡度速度控制系統(tǒng)的一個最佳實施例的示意圖。
圖2是對圖1所示的火車車廂剎車系統(tǒng)的更詳細的示意圖。
圖3是依據本發(fā)明實現坡度速度控制系統(tǒng)的最佳方法的流程圖。
現在參考附圖，附圖1示出了一個最佳的坡度速度控制貨物剎車系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于操作火車頭動態(tài)制動器、獨立制動器、及摩擦制動器的火車技師控制器。那些制動的操作可以輸入到坡度速度控制器，坡度速度控制器也接收來自各種火車速度傳感器的輸入。為了控制那些制動系統(tǒng)以實現對火車的坡度速度控制，坡度速度控制器可以與連接的火車車廂上的制動系統(tǒng)進行通信。
連接的火車車廂上的制動系統(tǒng)典型地包括附圖2所示部分，如通過電子或無線電頻率命令信號CS與坡度速度控制器通信的電子控制器(EC)。EC也接收來自用于監(jiān)控諸如制動液管(BP)、加壓空氣儲存器和制動汽缸中的主壓力的壓力傳感器的輸入。EC可以通過一個電子氣動閥和一個逐級緩解制動閥來控制制動汽缸中的壓力。EC會導致電子氣動閥將制動汽缸耦合到儲存器來增加制動汽缸的壓力，以響應來自坡度速度控制器的這種命令。
此外，如果由于某些原因，接收者沒有接收到來自坡度速度控制器的命令信號，為響應通過制動液管通信的氣動制動閥的信號，EC也能執(zhí)行此操作。在這種情況下，EC可以以常規(guī)方式使用制動液管壓力傳感器來檢測氣動傳輸制動命令信號。
圖3是實現自動火車BCP調節(jié)以保持恒定火車速度的一種典型算法。從任何現有的制動汽缸壓力導出的實現目標加速度的制動汽缸壓力調節(jié)量，正如需要在一個合理的短暫的時間內使火車速度達到目標速度。為了避免超過目標速度，根據接近目標速度的速度適度調節(jié)這些壓力。由現有的制動汽缸壓力所控制的主加速度是從連續(xù)的速度測量值中導出。BCP中的變化是通過當前的火車加速度與目標加速度的差值進行判定。
目標加速度是表示在一個合理短暫的時間內使速度達到所需速度的火車速度變化率的一個計算值。目標加速度at的公式可以如下表示at＝±|Vd|8/40.0其中Vd＝Vt－V(目標速度與實際速度的差值)(Vd的符號為at保留)正如所示的，目標加速度取決于所需速度與當前速度的現有差值。下表列出了該公式給出的值。
Vdat如果at保持不變，達到Vd＝0的時間-10.0mph -.1577mphps 63.4sec速度過高 -5.0 -.0906 55.2-2.0 -.0435 46.0-1.5 -.0346 43.4-1.0 -.0250 40.00 0 0+1.0 +.0250 40.0速度過低 +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，為了實現火車的目標加速度，制動汽缸壓力調節(jié)量可以從任何現有的壓力中導出。公式推導如下(1)F＝ma及a＝F/m其中F為制動阻力，m為一節(jié)車廂的質量(2)∴a＝F*32.175/w(3)F＝NSF*μ＝NBRt*W*μ其中μ＝制動滑軌摩擦系數，使用極小的摩擦值μ＝.32(4)代入后，a＝NBRt*W*μ*32.175/W(5)a＝10.3*NBRt因為MBRt表示50psi BCP，(6)a＝10.3*NBRt/50＝.206*NBRt(每psi BCP)將a由fpsps變?yōu)閙phps，(7)a＝.1404*NBRt(每psi BCP，在mphps)(8)∴要得到1mphps a需要7.1225/NBRt(psi BCP)對于一個具有設計凈剎車率＝NBRt的263,000 1b.車廂，與7.1225/NBRtpsi相等的BCP的變化將通過1mphps改變加速度。
(9)A＝BCP＝7.1225*t/NBRt對于裝載小于263,000 1bs.的車廂，ΔBCP將成比例地降低。對于臨界速度控制和正常變化，分別使用8％或0.8的NBR，90.0和50.0來代替BCP調節(jié)量等式中的7.1225/NBRt。
用于重復調節(jié)火車制動汽缸壓力以保持所選速度的算法通常由圖3所示的流程圖定義。當啟動坡度速度控制系統(tǒng)時，初始化所有的變量，并記錄指定的速度。然后，程序循環(huán)跟蹤控制火車速度。
制動汽缸壓力調節(jié)量在計時循環(huán)內重復計算。調節(jié)循環(huán)周期有微小的變化主要由于當前周期中產生了制動調節(jié)量。如果沒有出現危險速度情況，這就為任何調節(jié)變得有效提供了充足的時間。如果出現危險速度，則會消耗一個諸如2秒的最小的周期時間。
在每一個程序周期期間，用于校正火車速度所作的任何制動汽缸壓力調節(jié)量取決于很多因素。按照邏輯順序，程序將實際火車速度與命令目標速度相比較以及將實際加速度與計算的目標加速度相比較。只基于對速度差值的BCP調節(jié)量是不夠的，因為火車已經根據需要正在加速或減速以校正速度。最嚴重的情況是當火車速度超過目標速度一個值或當火車速度超過目標速度時，火車正在加速。同樣，如果存在速度差值，但當前火車的加速度或減速度超過計算的目標值，也不必校正當前循環(huán)中的BCP。
為了更詳細地探索算法，下面的序號與流程圖中的步驟序號相應。
◆1.測量當前速度。
◆2.計算目標速度與實際速度的差值vd注釋● 如果vd為(+)，速度＜目標速度，速度必須增加。
● 如果vd為(-)，速度＞目標速度，速度必須減小。
◆3.計算目標加速度at，以相同的符號校正速度at＝f(vd)。注釋● 如果at為(+)，速度必須增加(加速)。
● 如果at為(-)，速度必須減小(減速)。
◆4.通過連續(xù)標準化速度數據來測量實際加速度a。
注釋● 如果a為(+)，火車正在加速。
● 如果a為(-)，火車正在減速。
◆5.計算實際加速度與目標加速度的差值。
ad＝at-a注釋●如果ad為(+)，火車必須增加減速度和減小加速度。(BCP也需要增加)●如果ad為(-)，火車必須增加加速度和減小減速度。(BCP也需要減小)◆6.實際速度比目標速度大1.5mph嗎？(確定是否需要適度和實質性BCP調節(jié))(如果是實質性的，則轉向步驟7。如果不是，為適度，則轉向步驟11。)◆7.加速度差值ad為負值嗎？(如果這樣，則需要更高的BCP。)(如果是，則轉向步驟8。如果不是，則轉向步驟11。)◆8.開關B設置了嗎？(警告操作者這會延遲一個循環(huán)速度)(如果是，轉向9去設置開關B，如果不是，轉向10。)◆9.設置開關B(轉向步驟18。)◆10.輸出速度警告(轉向步驟18)◆11.清除開關B(轉向步驟12)◆12.目標速度與實際速度的差值vd小于2mph嗎？(如果是，轉向13，如果不是，轉向17)。
◆13.目標加速度at為正值(需要增加速度)嗎？(如果是，轉向14，如果不是，轉向16)◆14.實際加速度a為正值(火車速度在增加)嗎？(如果是，轉向15，如果不是，轉向17)。
◆15.目標加速度與實際加速度的差值ad小于2mphps嗎？(步驟13-14-15或13-16-15，根據需要確定在目標加速度2mph之內火車速度是正在增加或減小，在其中一種情況，不需要BCP調節(jié)。)(如果是，則轉向31，如果不是，則轉向17)。
◆16.實際加速度a為正值(火車速度在增加)嗎？(如果是，轉向17，如果否，轉向15)。
◆17.計算適度的BCP調節(jié)量A＝50*ad(轉向19)◆18.計算BCP調節(jié)量A＝90*ad(轉向19)
◆19.BCP調節(jié)量小于-8psi嗎？(用于限制超過調節(jié)的BCP快速減小)(如果是，轉向20，如果否，轉向21)。
◆20.重置調節(jié)量到8。轉向21。
◆21.計算新的BCP需求。轉向22。
◆22.BCP超過滿負荷值BCP的1/2或(4*BP-2)嗎？(如果這樣，警告操作員。)(如果是，轉向23，如果否，轉向24)。
◆23.輸出BCP警告。
◆24.輸出新的BCP命令。轉向25。
◆25.開關B設置了嗎？(如果火車速度危險，縮短循環(huán)周期)(如果是，轉向27，如果否，轉向26)。
◆26.根據所作的BCP調節(jié)數量函數設置循環(huán)周期。轉向28。
◆27.設置循環(huán)周期為2秒◆28.設置速度控制指示器了嗎？(如果是，繼續(xù)轉向29，如果否，退出并保持現有剎車命令)●29.火車使用制動了嗎？(制動控制處理位置保持一致)(如果是，繼續(xù)轉向30，如果否，建議操作員退出速度控制并監(jiān)控制動命令)●30.循環(huán)周期增加了嗎？(如果是，轉向1并開始另一個循環(huán)。如果不是，轉向28)●31.定時器暫停t＝5sec(沒有BCP變化，轉向1)目標加速度設計定值VdAt 時間 BCP變化0.5 0.014 34.8 0.721 0.025 40.0 1.251.5 0.035 43.4 3.112 0.044 45.9 3.923 0.060 49.8 5.425 0.091 55.2 8.158 0.132 60.6 11.88120.183 65.8 6.43
其中Vd＝實際速度與目標速度的差值At＝校正速度差值的目標加速度固定時間＝在目標加速度達到目標速度的固定時間。
BCP變化＝將加速度從0變到目標加速度的BCP變化(算法說明了當前加速度)注釋(在8％NBR，a≈.01227mphps每psi BCP)(在24％NBR，a≈.046mphps每psi，需要在BCP等式中乘以因數21.73，代替65.185，在76.5％NBR，乘以因數80.23)盡管已經詳細地描述了本發(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在通曉了本發(fā)明所公開的內容后可以很容易對其進行各種修改。因此，這里公開的特定實施例只是為了說明性的，而不能限制本發(fā)明的保護范圍。權利要求書將給出本發(fā)明的完整保護范圍。
權利要求
1.一種坡度速度控制方法，該方法用于具有一個火車頭和至少一節(jié)帶有ECP制動控制系統(tǒng)的連接車廂的鐵路貨運火車，該ECP剎車控制系統(tǒng)包括一個液體壓力活性制動汽缸設備和一個逐級緩解閥，該方法包括a.監(jiān)控火車的實際速度；b.選擇火車的一個目標速度；c.檢測目標速度與實際速度之間的速度差值；及d.為響應所述的速度差值，調節(jié)所述至少一節(jié)連接車廂上的制動汽缸壓力，使實際速度符合目標速度。
2.如權利要求1所述的方法，還包括反復地執(zhí)行步驟c和d。
3.如權利要求2所述的方法，還包括a.選擇一個新的目標速度；及b.調節(jié)制動汽缸壓力，使實際速度符合新的目標速度。
4.如權利要求1所述的方法，還包括a.計算火車的主加速度；b.計算目標加速度；d.導出制動汽缸壓力調節(jié)量以獲得目標加速度；c.實現所述的制動汽缸調節(jié)量使主加速度符合目標加速度，以便實際速度達到目標速度。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述調節(jié)制動汽缸壓力響應一個預定義的最小速度差值。
6.如權利要求1所述的方法，其中調節(jié)制動汽缸壓力的步驟包括a.確定速度差值是否超出了一個預定值；b.檢測主加速度是正還是負；c.基于所需制動力的更高級別來導出第一制動汽缸壓力調節(jié)量；d.基于所需制動力的較低級別來導出第一制動汽缸壓力調節(jié)量；e執(zhí)行所述第一制動汽缸壓力調節(jié)量，以響應速度差值超過預定值或主加速度為正值中的至少一種情況；且f.執(zhí)行所述第二制動汽缸壓力調節(jié)量，以響應速度差值小于預定值或主加速度為負值中的至少一種情況；
7.如權利要求6所述的方法，還包括提供一個速度警告，以響應速度差值超過預定值或主加速度為正值中的至少一種的情況。
8，如權利要求6所述的方法，還包括以較短的時間間隔重復計算所述主加速度，以響應實現所述第一制動汽缸壓力調節(jié)量。
9.如權利要求6所述的方法，還包括根據所述第二制動汽缸壓力調節(jié)量函數以一個時間間隔重復計算所述主加速度。
10.如權利要求6所述的方法，還包括a.檢測制動汽缸壓力調節(jié)量是否導致制動汽缸壓力超過滿負荷值制動汽缸壓力的一半；及b.提供一個警告，以響應所述檢測。
11.如權利要求6所述的方法，還包括a.檢測制動汽缸壓力調節(jié)量是否導致制動汽缸壓力減小不止一個預定值；及b.響應所述檢測，替代預定的最大制動汽缸壓力的減小值。
全文摘要
一種用于鐵路貨物運載工具的坡度速度控制系統(tǒng)和方法,包括一個接收來自諸如火車頭中的動態(tài)和獨立制動器、及每一節(jié)車廂中的制動器的輸入的微處理器。微處理器可以存儲所需的火車速度和實際的火車速度、以及用于將原始數據轉換成導出制動汽缸壓力用于實現火車速度控制函數的常量和公式。坡度速度控制系統(tǒng)還包括與連接的火車車廂上的制動汽缸控制設備進行通信以增加或減小制動汽缸壓力來控制火車的速度。如果實際速度與目標速度相差不止一個預定值,則計算目標加速度并導出制動汽缸壓力調節(jié)量實現目標加速度,以使火車的實際速度在一個合理短暫的時間周期內達到目標速度。在火車下坡過程中重復該順序,根據需要自動調節(jié)火車制動結果,以保證目標速度在一個緊湊的范圍之內。
文檔編號B60T7/12GK1331030SQ0112330
公開日2002年1月16日 申請日期2001年6月26日 優(yōu)先權日2000年6月28日
發(fā)明者J·E·哈特 申請人:西屋氣剎車技術股份有限公司