用于执行轨道车辆的紧急制动的制动设备和方法与流程

本发明涉及用于执行轨道车辆的紧急制动的一种制动设备和一种方法。

背景技术：

在允许轨道车辆运行时，还定期地按照国内和国际规范进行对制动系统的检查。在此，主要对制动系统的制动能力作为所谓的“制动配重”进行测定。借助制动配重例如确定：轨道车辆允许在哪些路段上以怎样的最大速度行驶。在德国，在车辆安全规则sirf中例如为功能的允许状态“产生制动力，在v＞0时制动”规定了安全要求级别(sas)4。安全要求级别是根据危险对系统的可靠性的要求，其中等级4是最高安全级别。在欧洲区域内，为了电气/电子系统将符合标准如en50129或者en61508的安全要求级别也称为安全完整性等级(sil)。

轨道车辆通常配备有多种制动器类型，这些制动器类型使用在不同的制动类型中。制动器类型特别是包括压缩空气制动器、空气动力制动器、电动力式制动器、柴油机车中的缓行制动器、磁性轨道制动器和涡流制动器。制动类型特别是包括：常用制动，该常用制动通常通过机车司机触发并且可以根据其判断变化；和紧急制动，其特性通过一个协定的安全等级确定。可以通过不同的装置触发紧急制动，诸如通过机车司机触发(“快速制动”)或者通过列车自动控制系统触发(“强制制动”)。现在通常通过摩擦制动器、磁性轨道制动器、涡流制动器和电动力式制动器实施紧急制动和在气动式摩擦制动器的情况中例如通过主风管排气气动地或者通过断开安全回路电动地触发紧急制动。

传统的紧急制动方案不那么灵活。通常仅仅在轨道车辆的负荷和速度方面实现了制动压力的匹配，并且大多也仅仅是分级地实现这一点。这样例如de102009051019a1说明了轨道车的一种与速度相关分级的、具有分级过程的紧急制动装置，其中制动力调节地和与速度相关地通过发电的制动器和/或电动气动的制动器执行紧急制动，和de102011110047a1例如公开了一种用于轨道车辆的紧急制动装置，其具有一个用于提供紧急制动控制压力的紧急制动控制阀装置和一个用于根据轨道车辆的负荷值和速度值调节已提供的紧急制动控制压力的紧急制动调节装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供用于执行轨道车辆的紧急制动的一种改进的制动设备和一种改进的方法，利用该制动设备和方法能够灵活地对当前的运行情况做出反应。

这个目的通过独立权利要求的理论得以实现。从属权利要求的内容是本发明的优选的发展。

本发明的用于执行轨道车辆的紧急制动的制动设备具有：至少一个制动缸；一个用于为制动缸提供制动缸压力的压力调节装置；和一个用于操控压力调节装置的控制装置，其特征在于：控制装置具有分别用于操控压力调节装置的一个控制系统和至少一个另外的控制系统，其中控制装置的这些不同的控制系统根据不同的安全完整性等级构成。

通过提供多个用于操控压力调节装置的、按照不同安全完整性等级构成的控制系统，可以实现在对压力调节装置的操控时的更大灵活性，并且因此执行轨道车辆的紧急制动的更大的灵活性。根据当前的运行情况可以选择用于操控压力调节装置的多个控制系统中的一个，该控制系统在不同的方面(制动系统的纯安全性、安全性和磨损等等)使紧急制动过程最佳化成为可能。在本发明的制动设备中特别是在紧急制动过程期间也能够连续地使压力调节装置的操控匹配。

所述控制系统和所述另外的控制系统可以整合在一个共同的控制单元中、构成为独立的控制单元、作为独立的控制系统整合在压力调节装置的不同的组件中(例如压力调节器)等等。不同控制系统的不同的安全完整性等级可以通过相应的硬件和/或软件得以实现。控制系统例如可以-根据所期望的安全完整性等级-具有一个用于将阀门接通/断开或者打开/关闭的简单开关、一个微型控制器(μc)、一个现场可编程门阵列(fpga)或者一个处理器核心。

在本发明的一个有益的构造设计中，压力调节装置具有一个电动气动的压力调节器，该压力调节器以一个提供的供给压力为出发点产生一个先导压力，该先导压力能够转换为一个相应的制动缸压力(pb)。在这个构造设计中，控制装置优选具有：作为所述一个控制系统的、按照第一安全完整性等级构成的第一控制系统，其用于操控电动气动的压力调节器；和作为一个另外的控制系统的、按照与第一安全完整性等级不同的第二安全完整性等级构成的第二控制系统，其用于操控电动气动的压力调节器。

在本发明的一个其他的有益构造设计中，压力调节装置具有：一个电动气动的压力调节器，该压力调节器以一个提供的供给压力为出发点产生第一先导压力，该第一先导压力能够转换为一个相应的制动缸压力；和一个气动的压力调节器，该压力调节器以所述提供的供给压力为出发点产生第二先导压力，该第二先导压力能够转换为一个相应的制动缸压力。在这个构造设计中，控制装置优选具有：作为所述一个控制系统的、按照第一安全完整性等级构成的第一控制系统，该第一控制系统用于操控电动气动的压力调节器；和作为一个另外的控制系统的、按照与第一安全完整性等级不同的第三安全完整性等级构成的第三控制系统，该第三控制系统用于操控气动的压力调节器。

在最后提到的构造设计的一个有益的发展中，优选控制装置此外具有：作为一个另外的控制系统的、按照与第一安全完整性等级和与第三安全完整性等级不同的第二安全完整性等级构成的第二控制系统，该第二控制系统用于操控电动气动的压力调节器。

在具有两个用于操控电动气动的压力调节器的控制系统的构造设计中，电动气动的压力调节器优选在通过控制装置的第一控制系统操控的情况中产生对应于一个基本制动压力的第一先导压力，并且在通过控制装置的第二控制系统的操控的情况中根据轨道车辆的负荷和/或速度产生对应于一个比基本制动压力大或者小的制动压力的第一先导压力。

在本发明的一个另外的有益构造设计中，控制装置构成为用于对通过一个具有较低安全完整性等级的控制系统实现的操控效果进行监视，并且在低于一个事先确定的、用于操控效果的极限值的情况中执行利用一个具有较高安全完整性等级的控制系统对压力调节装置的操控。换句话说，在对压力调节装置的操控中具有较高安全完整性等级的控制系统具有更高的优先权，使得可以为紧急制动保证高的安全水平。例如可以借助所产生的先导压力和/或由该先导压力转换的制动缸压力检查操控效果。

在本发明的一个另外的有益构造设计中，压力调节装置此外具有一个压力选择器，其用于选择第一和第二先导压力中的较大的先导压力。通过这个措施可以保证：由先导压力转换的制动缸压力不低于一个事先确定的极限值。

在本发明的又一个另外的有益构造设计中，压力调节装置此外具有一个压力修正器，其用于基于轨道车辆的至少一个当前的状态参数对一个以所述提供的供给压力为出发点产生的先导压力进行修正，其中这样产生的、经修正的先导压力能够转换为一个相应的制动缸压力。在一个实施方式中，压力修正器可以基于一个关于轨道车辆的当前负荷的气动信息修正先导压力。

本发明的内容还是具有至少一个本发明的上述制动设备的轨道车辆。

本发明用于执行轨道车辆的紧急制动的方法(在该方法中通过一个压力调节装置为至少一个制动缸提供一个制动缸压力)的特征在于：制动缸压力根据一个事先确定的安全完整性等级生成，该安全完整性等级由至少两个不同的、在压力调节装置中供使用的安全完整性等级中选出。

通过提供多个不同的安全完整性等级以通过压力调节装置产生制动缸压力，可以实现更大的灵活性，并且因此执行轨道车辆的紧急制动的更大的灵活性。根据当前的运行情况可以选择多个安全完整性等级中的一个，该安全完整性等级一方面为这个运行情况保证用于紧急制动过程的充分的安全性，另一方面在不同的方面(例如制动系统的磨损等等)下使紧急制动过程最佳化成为可能。利用本发明的方法特别是在紧急制动过程期间也能够连续地使制动缸压力匹配。

在本发明的一个有益的构造设计中，制动缸压力由一个先导压力产生，该先导压力通过一个电动气动的压力调节器以一个供给压力为出发点根据一个由至少两个不同的安全完整性等级中选出的、事先确定的安全完整性等级生成。

在本发明的一个其他的有益构造设计中，制动缸压力由第一先导压力产生，该第一先导压力通过一个电动气动的压力调节器以一个供给压力为出发点根据第一安全完整性等级生成，或者由第二先导压力产生，该第二先导压力通过一个气动的压力调节器以一个供给压力为出发点根据事先确定的、与第一安全完整性等级不同的第三安全完整性等级生成。

在最后提到的构造设计中，优选第一安全完整性等级由至少两个不同的安全完整性等级中选出。

在本发明的一个有益的构造设计中，电动气动的压力调节器在选择第一安全完整性等级的情况中产生对应于一个基本制动压力的第一先导压力，并且在选择与第一安全完整性等级不同的第二安全完整性等级的情况中根据轨道车辆的负荷和/或速度产生对应于一个比基本制动压力大或者小的制动压力的第一先导压力。

在本发明的一个另外的有益构造设计中，对较低的安全完整性等级的效果进行监视，并且在低于一个事先确定的、用于所述效果的极限值的情况中生成根据较高的安全完整性等级的制动缸压力。例如可以借助一个在压力调节装置中产生的先导压力和/或由该先导压力转换的制动缸压力检查所述效果。

在本发明的一个另外的有益构造设计中，基于轨道车辆的至少一个当前的状态参数对一个以所述提供的供给压力为出发点产生的先导压力进行修正，并且然后将这样产生的、经修正的先导压力转换为一个相应的制动缸压力。

优选在紧急制动过程期间连续地进行安全完整性等级的选择。

附图说明

从下文借助附图对不同实施例的说明中能够更好地理解本发明的上述以及另外的优点、特征和应用可能性。附图中大部分示意性地示出：

图1为本发明的一个制动设备的基本结构的大幅简化的示意图；

图2为本发明的第一实施例的制动设备的结构；

图3为本发明的第二实施例的制动设备的结构；和

图4为本发明的第三实施例的制动设备的结构。

具体实施方式

首先应该参照图1详细阐述本发明的基本原理。

制动设备与一个例如形式上为压缩空气罐或者压缩空气管道的压力容器10连接，该压力容器提供一个供给压力ps。这个供给压力ps供一个压力调节装置12使用，该压力调节装置在输出端侧提供一个制动缸压力pb，该制动缸压力被输送给至少一个制动缸14，以产生制动效果。

制动设备此外具有一个控制装置16，该控制装置操控压力调节装置12。特别是当控制装置16-例如由机车司机或者由列车自动控制系统-接收到一个紧急制动信号n时，控制装置16操控用于执行轨道车辆的紧急制动的压力调节装置12。

如在图1中图示出的那样，控制装置16具有：一个控制系统16i，该控制系统按照一个事先确定的安全完整性等级构成；和一个另外的控制系统16ii，该另外的控制系统按照一个其他的事先确定的安全完整性等级构成，该安全完整性等级与控制系统16i的安全完整性等级不同。

控制装置16的控制系统16i、16ii例如可以整合在一个共同的控制单元中、构造为独立的控制单元或者作为独立的控制系统整合在压力调节装置的不同的组件(例如压力调节器)中。控制系统16i、16ii的不同的安全完整性等级能够通过相应的硬件和/或软件得以实现。

在这个制动设备中，压力调节装置12例如首先可以通过所述一个具有较低安全完整性等级的控制系统16i操控，然而该控制系统由其他的方面如制动系统的磨损、行车时间表的遵守等等来看是最佳的。如果通过这种方式在压力调节装置中产生的先导压力或者由该先导压力转换成的制动缸压力pb对于可靠的紧急制动来说不充分的话(通过控制装置16或者其另外的控制系统16ii监视这一点)，然后通过具有较高安全完整性等级的另外的控制系统16ii操控压力调节装置12，所述另外的控制系统由安全性来看是最佳的。

对可通过所述一个具有较低安全完整性等级的控制系统16i产生的先导压力或者制动缸压力的监视优选在通过所述另外的具有较高安全完整性等级的控制系统16ii的操控期间也继续进行。如果在紧急制动过程期间通过所述一个具有较低安全完整性等级的控制系统16i的操控重新变得充分的话，那么可以重新通过这一个控制系统16i进行对压力调节装置12的操控。然后当然继续进行监视，以便在必要时重新切换到通过所述另外的控制系统16ii对压力调节装置12的操控。

可以通过这种方式灵活和连续地使紧急制动过程与轨道车辆的当前的运行情况相匹配。

图2更加详细地示出了本发明的第一实施例的一个制动设备。

在这个实施例中，压力调节装置12具有一个电动气动的压力调节器20，该压力调节器由具有第一控制系统16a(其具有第一安全完整性等级(例如sil2))和第二控制系统16b(其具有第二安全完整性等级(例如sil3)，该第二安全完整性等级高于第一安全完整性等级)的控制装置16操控。第一控制系统16a例如具有一个μc，第二控制系统例如具有一个fpga。具有较高安全完整性等级的第二控制系统16b在此在需要时可以覆盖具有较低安全完整性等级的第一控制系统16a。

当控制装置16接收到一个紧急制动信号n时，它操控压力调节装置12以执行紧急制动。在这种情况下，控制装置16或者其控制系统16a、16b分析评估不同的测量值(例如速度、加速度、负荷、制动系统的状态、天气条件、制动力矩、行车时间表等等)并且将相应的理论值或者控制信号发送给压力调节装置12。根据前面借助图1阐述的对第一控制系统16a的操控效果的监视的结果，由第一控制系统16a或者第二控制系统16b操控电动气动的压力调节器20。

电动气动的压力调节器20然后以由压力容器10提供的供给压力ps为出发点根据通过控制装置16的操控产生第一先导压力pv1。作为备选方案，可以在一个串接在后面的压力限制器22中限制这个第一先导压力pv1。

接着作为备选方案，可以在一个串接在后面的压力修正器24中对这样受到限制的第一先导压力pv1'进行修正。这个压力修正器24例如接收关于轨道车辆负荷的纯气动的信息并且相应地转换先导压力pv1'(所谓的“edu”)。

这样经过修正的先导压力pvc最后操控压力调节装置12的一个继电器阀26，以便生成制动缸压力pb，该制动缸压力供至少一个制动缸14使用。

在一个实施方式中，电动气动的压力调节器20在通过第一控制系统16a操控的情况中产生对应于一个基本制动压力的第一先导压力pv1，并且在通过第二控制系统16b的操控的情况中根据轨道车辆的负荷和/或速度产生对应于一个比基本制动压力大或者小的制动压力的第一先导压力pv1。

在一个实施方式中，例如首先借助具有高可变性(例如借助μc，sil2)的第一控制系统16a调节制动缸压力pb，以实现紧急制动的最佳性能。这一点也可以包括对较大量的参数或者传感器数据的考虑。与此同时使用第二控制系统16b，该第二控制系统在其上运行的程序的效率方面受到限制，然而却以较高的安全完整性运行(例如fpga，sil3)。另外，fpga可以观察并在确定的判据方面检查通过μc实现的操控。这些判据例如可以是一个确定的后备压力。如果可借助μc实现的压力来自由fpga事先给定的框架的话，fpga接替控制并且利用高的安全完整性、然而较小的可变性(较少的参数/传感器信号)调节一个复位压力。

在本发明的一个变型实施方案中，可以只通过fpga进行原本的压力调节。在这个变型方案中，μc只发出建议，该建议经由fpga检查并且通常得以实现。只有在例外情况中(例如在μc发生故障的情况中)不考虑这些建议并且通过fpga调节其他的值。

除了利用作为第一控制系统16a的μc和作为第二控制系统16b的fpga实现控制装置16之外，例如也可以考虑经由一个具有不同安全完整性等级的核心的处理器实现控制装置。

图3更加详细地示出了本发明的第二实施例的一个制动设备。

在这个实施例中，压力调节装置12具有一个电动气动的压力调节器20和一个气动的压力调节器28。控制装置16包含：具有第一安全完整性等级(例如sil2或者sil3)的第一控制系统16a，其用于操控电动气动的压力调节器20；和具有高于第一安全完整性等级的第三安全完整性等级(例如sil4)的第三控制系统16c，其用于操控气动的压力调节器28。第一控制系统16a例如具有一个μc并且第三控制系统16c例如具有一个简单的开关。

当控制装置16接收到一个紧急制动信号n时，它操控用于执行一个紧急制动的压力调节装置12。一方面，它的第三控制系统16c接通气动的压力调节器28，另一方面，它的第一控制系统16a分析评估不同的测量值并且将相应的理论值或者控制信号发送给电动气动的压力调节器20。

在压力调节装置12的第一通道中，电动气动的压力调节器20然后以由压力容器10提供的供给压力ps为出发点根据通过控制装置16的第一控制系统16a的操控产生一个可变的第一先导压力pv1。作为备选方案，可以在一个串接在后面的压力限制器22中限制这个第一先导压力pv1。在压力调节装置12的第二通道中，气动的压力调节器28以由压力容器10提供的供给压力ps为出发点产生一个事先固定给定的第二先导压力pv2。

压力调节装置12的一个压力选择器30然后从第一先导压力pv1或者经修正的第一先导压力pv1'和第二先导压力pv2中选择较大的先导压力pv12和继续传输这个先导压力。压力选择器30为了这个目的可以具有例如一个双止回阀。

在一个实施方式中，气动的压力调节器28产生对应于一个基本制动压力的第二先导压力pv2，而电动气动的压力调节器20则根据轨道车辆的负荷和/或速度产生对应于比基本制动压力大或者小的制动压力的第一先导压力pv1。

优选气动的压力调节器28产生第二先导压力pv2，该先导压力最终可以转换为一个制动缸压力pb，该制动缸压力对应于一个用于紧急制动的最小制动压力。这样借助压力选择器30可以保证：通过压力调节装置12始终至少提供用于紧急制动的最小制动压力作为制动缸压力pb。

在电动气动的压力调节器20停止运转的情况中，气动的压力调节器28保证了一个最小制动压力。另一方面，在气动的压力调节器28停止运转的情况中，电动气动的压力调节器20保证了制动设备的另外的功能能力。

接着类似于第一实施例，作为备选方案，可以在一个串接在后面的压力修正器24中对这样选择的、较大的先导压力pv12进行修正。

最后在压力调节装置12的一个继电器阀26中将这样经过修正的先导压力pvc转换为制动缸压力pb，该制动缸压力至少供一个制动缸14使用。

图4更加详细地示出了本发明的第三实施例的一个制动设备。这个第三实施例以上述第一和第二实施例的组合为基础。

在这个实施例中，压力调节装置12具有一个电动气动的压力调节器20和一个气动的压力调节器28。控制装置16包含：具有第一安全完整性等级(例如sil2)的第一控制系统16a，其用于操控电动气动的压力调节器20；具有高于第一安全完整性等级的第二安全完整性等级(例如sil3)的第二控制系统16b，其用于操控电动气动的压力调节器20；和具有同样高于第一安全完整性等级的第三安全完整性等级(例如sil4)的第三控制系统16c，其用于操控气动的压力调节器28。第一控制系统16a例如具有一个μc，第二控制系统16b例如具有一个fpga，并且第三控制系统16c例如具有一个简单的开关。

当控制装置16接收到一个紧急制动信号n时，它就操控压力调节装置12以执行紧急制动。一方面，它的第三控制系统16c接通气动的压力调节器28。另一方面，它的第一控制系统16a和它的第二控制系统16b分析评估不同的测量值并且将相应的理论值或者控制信号发送给电动气动的压力调节器20。根据前面借助图1阐述的对第一控制系统16a的操控效果的监视的结果，由第一控制系统16a或者第二控制系统16b操控电动气动的压力调节器20。

在压力调节装置12的第一通道中，电动气动的压力调节器20然后以由压力容器10提供的供给压力ps为出发点根据通过控制装置16的第一控制系统16a或者第二控制系统16b的操控产生一个可变的第一先导压力pv1。作为备选方案，可以在一个串接在后面的压力限制器22中限制这个第一先导压力pv1。在压力调节装置12的第二通道中，气动的压力调节器28以由压力容器10提供的供给压力ps为出发点产生一个事先固定给定的第二先导压力pv2。

类似于上述第二实施例，压力调节装置12的一个压力选择器30然后从(经修正的)第一先导压力pv1或者pv1'和第二先导压力pv2中选择较大的先导压力pv12并且继续传输这个先导压力。接着，作为备选方案，可以在一个串接在后面的压力修正器24中对这个选择的、较大的先导压力pv12进行修正。

最后在压力调节装置12的一个继电器阀26中将这样经过修正的先导压力pvc转换为制动缸压力pb，该制动缸压力至少供一个制动缸14使用。

附图标记列表

10压力容器

12压力调节装置

14制动缸

16控制装置

16a具有第一安全完整性等级的第一控制系统

16b具有第二安全完整性等级的第二控制系统

16c具有第三安全完整性等级的第三控制系统

16i具有安全完整性等级的控制系统

16ii具有一个其他的安全完整性等级的另外的控制系统

20电动气动的压力调节器

22压力限制器

24压力修正器

26继电器阀

28气动的压力调节器

30压力选择器

n紧急制动信号

pb制动缸压力

ps供给压力

pv1第一先导压力

pv1'限定的第一先导压力

pv2第二先导压力

pv12较大的先导压力

pvc经修正的先导压力