CRH380CL型高速動車組制動系統高低階壓力切換故障原因分析及預防措施

亢 磊，李云龍，喬 峰，楊 川，楊再保

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

CRH380CL型高速動車組制動系統高低階壓力切換故障原因分析及預防措施

亢 磊，李云龍，喬 峰，楊 川，楊再保

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

主要對CRH380CL型高速動車組制動系統實際運用過程中高低階壓力切換故障情況、故障產生的原理、故障原因相關分析進行了介紹，并提出了故障的預防性措施，從而有效控制故障的發生。

CRH380CL；動車組；制動系統；故障；分析；措施

自2013年10月由我國自主研制生產制造的CRH380CL型高速動車組（共25列）開始在京滬高鐵投入運營，在投入運營期間制動系統高低階壓力切換故障（故障代碼：170C）頻繁發生，同時多起故障存在閃報和誤報情況，這種閃報和誤報情況對動車組的正常運營帶來巨大影響，無法使動車組更加有效整點運行，對旅客的出行帶來不便，對鐵路運營部門也造成損失，為解決這一問題車輛制造商進行了相關數據收集，結合數據和故障產生的原理分析故障閃報和誤報的原因，最終提出了解決故障閃報和誤報的預防措施，通過對制動系統故障診斷系統軟件的升級實現最終改進和預防方案。

1 高低階壓力切換故障情況

自2014年05月至2015年01月，CRH380CL型高速動車組在運用期間總共發生11起因動車組出現高低階壓力轉換故障造成動車組無法正常完成運營任務的情況，給旅客出行帶來不便，給鐵路運營部門造成損失。這11起故障情況見表1。

表1 高低階壓力轉換故障統計表

根據故障統計發現，閃報與誤報的比率很高，占45%，硬件故障中壓力開關和板卡的故障率也較高。

2 故障產生的原理

為研究故障產生的原因，首先要求從高低階壓力控制的原理、故障的判定邏輯以及故障產生的影響對故障進行分析。

2.1 高低階壓力控制原理

CRH380CL型高速動車組是為了滿足持續運營速度350 km／h，最高運營速度380 km／h要求設計制造的新一代高速動車組，需要滿足動車組在各級初速度下的緊急制動距離，該動車組采用的是空氣摩擦盤式制動，即通過制動盤與制動閘片的摩擦產生制動力，將動能轉換為熱能，實現動車組的制動停車，在空氣摩擦制動的過程中，制動盤需要承受熱應力的沖擊，由于制動盤的熱容量是有限的，在制動時的制動盤溫度不能超過700℃，因此CRH380CL型高速動車組在緊急制動時的空氣制動采用高低階壓力轉換控制的空氣制動，具體的控制原理如下：

（1）動車組在緊急制動時，當動車組速度在350～300 km／h范圍內時，拖車的空氣制動采用低階制動缸壓力施加；當動車組速度在350～200 km／h范圍內時，動車的空氣制動采用低階制動缸壓力施加；當動車組速度在300～0 km／h范圍內時，拖車的空氣制動采用高階制動缸壓力施加；當列車動車組速度在200～0 km／h范圍內時，動車的空氣制動采用高階制動缸壓力施加。因此動車組增加了高低階壓力轉換的這種轉換功能，同時這種轉換在動車組正常運行過程中會隨著速度的變化實時進行，時刻準備動車組觸發緊急制動時應用可靠安全的空氣制動力。

（2）根據制動控制氣路原理圖1所示，動車組車輛空氣制動系統主要是通過中繼閥（B60.07）的流量放大原理控制實現車輛空氣制動的施加，當中繼閥的Cv口產生預控制壓力時，中繼閥將按照比例將R口的制動系統風源壓力引入C口將風壓輸送至基礎制動制動夾鉗單元的制動缸實現空氣制動的施加，當動車組需要施加低階制動缸壓力時，車輛制動系統控制電磁閥（B60.08）得電激活使A1口與A2口接通，中繼閥（B60.07）的T口將產生低階制動控制壓力，此時中繼閥將按照新的比例由C口輸出較低的制動缸壓力，從而產生了較低的制動力，實現低階制動缸壓力的控制，當需要高階制動缸壓力時，制動系統控制電磁閥（B60.08）失電，中繼閥T口的壓力從電磁閥的A3口排出，即可重新獲得高階制動缸壓力值，動車組車輛控制系統就是通過這種方式實現高低階壓力的控制。

圖1 高低階壓力氣路控制原理圖

（3）具體中繼閥（B60.07）的內部控制原理見圖2～圖5所示：

①當車輛處于低壓力制動狀態時，電磁閥（B60.08）得電后（見圖2），中繼閥（B60.07）T口產生低階制動控制壓力，活塞f運動至最左端，活塞隔膜a兩側分別與O2和O3排風口接通，不存在任何壓力；

②當車輛處于緩解狀態時（見圖2），預控壓力fCv＝0，在彈簧作用下，V2閥門關閉，V1閥門開啟，制動缸壓力C口與O1排風口接通，制動缸壓力fC低＝0；

圖2 中繼閥緩解示意圖（底階制動缸壓力）

③當車輛處于開始制動狀態時（見圖3），Cv口產生預控壓力fCv，由于隔膜b的受力面積小于隔膜h的受力面積Sb＜Sh，根據受力分析fCv×Sb＜fCv×Sh，因此整個活塞向右側移動，此時V1閥門關閉，V2閥門開啟，來自R口風源的風通過閥門V2進入C口，開始建立制動缸壓力fC低；

④當制動缸壓力fC低逐漸增大時（見圖4），隔膜h的右側會形成向左的作用力fC低×Sh，此時活塞整體向左緩慢移動，直到閥門V2再次關閉，活塞兩側的力達到力的平衡，此時閥門V1和V2同時處于關閉狀態。根據受力平衡，可以建立起fCv與fC低壓力的關系：

⑤當電磁閥（B60.08）失電后，將產生高階制動壓力，T口產生低階制動控制壓力通過電磁閥的A3口排出，中繼閥的活塞f在彈簧g的作用下運動至右側，當Cv口產生預控壓力后，產生了C壓力值會作用于活塞模板a的左側產生一個向右側的作用力fC高×Sa，當中繼閥內的活塞再次處于平衡時，可以建立起fCv與fC高壓力的新的關系（見圖5）：于T口不存在高低階控制壓力時的制動缸壓力fC高。

圖3 中繼閥制動施加過程示意圖（底階制動缸壓力）

圖4 中繼閥制動施加力的平衡示意圖（底階制動缸壓力）

圖5 中繼閥制動施加力的平衡示意圖（高階制動缸壓力）

3.2 高低階壓力切換故障診斷邏輯

為保證高低階制動缸壓力控制的準確安全性，制動系統對高低階制動壓力控制進行了系統監控，當出現高低階壓力控制異常時會報故障170C故障代碼，該故障診斷原理及邏輯如下：

（1）診斷原理

通過圖1可知，在中繼閥T口壓力的管路上串接了一個350 kPa的壓力開關（B60.09），當車輛制動控制系統通過電信號（FB_Y_HighStep）激活電磁閥（B60.08）時，制動風壓將施加于中繼閥的T口，此時壓力開關（B60.09）在風壓的作用下斷開，反饋用于診斷的硬線信號（PS_FB_R_HighStep），當兩個信號指示的狀態一致時，表明高低階壓力控制是正確的，如果不一致則表明高階壓力控制存在故障（見圖6）。

（2）高低階壓力切換故障170C的判定邏輯

當激活電磁閥的信號FB_Y_HighStep與壓力開關的反饋信號PS_FB_R_HighStep不一致時，且狀態持續3 s，則制動控制單元BCU會產生故障代碼170C高低階壓力控制故障，具體邏輯如圖7所示：

只有當兩路信號同時置1和同時置0后，170C才能夠復位。

2.3 高低階壓力切換故障產生的影響

（1）由于高低階壓力切換的設計是為了滿足制動盤的熱負荷要求，如果高低階壓力切換產生故障，則說明在動車組高速運行時（動車速度高于200 km／h、拖車速度高于300 km／h），動車組將施加高級別的空氣制動力，這樣制動盤和閘片將無法滿足熱負荷要求，存在損壞失效的巨大安全隱患，影響制動盤壽命，為滿足熱負荷要求以及純空氣緊急制動距離的要求，動車組需要采取限速運行，會造成運行晚點事故，給旅客帶來不便，對鐵路運用部門造成損失。具體的限速要求詳見表2。

圖6 高低階壓力控制及診斷電路圖

圖7 高低階壓力控制故障170C判定邏輯

②當車輛出現高低階壓力轉換控制故障170C后，該車輛將丟失制動有效率，同時無法施加常用制動，按照目前鐵路運營技術規定要求制動有效率丟失后必須進行限速運行，同時常用制動力會存在一定的損失，這樣極不利于動車組的正常運行。

3 故障產生的原因分析

為了解決故障頻發誤報的情況，減少故障對正常運營帶來的影響，根據故障誤報的診斷邏輯分別對硬件、信號、軟件控制邏輯進行了分析，逐個分析可能造成故障頻發的原因。

3.1 硬件故障

高低階壓力控制功能所涉及的硬件主要包括電磁閥B60.08、壓力開關B60.09以及制動控制板卡。

（1）電磁閥B60.08用于控制風壓的通斷，如果電磁閥出現故障，則無法實現對中繼閥T口壓力的控制，即使制動控制系統發出電磁閥激活信號也無法在管路中建立起風壓，壓力開關反饋的狀態會與控制信號不一致導致故障發生。根據前期的故障統計，其中有一起故障是由于電磁閥動作不良造成的。

（2）壓力開關B60.09用于氣路風壓狀態的反饋，設定值為350 k Pa，精度為（350±20）k Pa，屬于板式結構，為上升式開關點，當壓力開關B60.09觸發精度下降時，將無法正確反饋中繼閥T口管路中的風壓，如果與電磁閥的激活狀態不一致時，則會報高低階壓力轉換故障，根據前期的故障統計，有3起故障是由于壓力開關B60.09所引起的，說明壓力開關的故障影響占有較大比率。

表2 高低階壓力轉換故障限速表

（3）制動控制板卡是制動控制系統用于控制的重要部件，所有制動系統的微機控制都是通過控制板卡來實現的，高低階壓力控制是通過制動控制板卡將高低電平信號進行輸出，如果板卡出現故障則會導致診斷系統和信號控制的紊亂，從而報板卡控制相關的故障代碼，根據前期的故障統計，有2起故障是由于制動板卡故障導致的。

3.2 控制診斷和控制邏輯的不合理

①從170C高低階壓力轉換故障的判定邏輯可知，當激活電磁閥的信號FB_Y_HighStep與壓力開關的反饋信號PS_FB_R_HighStep不一致時，僅采用持續3 s的延時時間，極易造成故障代碼的誤報，由于電磁閥動作、控制風壓的建立、壓力開關動作都存在一定的延時，尤其是電子元器件、機械部件的疲勞老化都會在一定程度上影響信號的反饋時間。

②從170C高低階壓力轉換故障的影響來看，故障會影響常用空氣制動的施加，極不合理，這樣既影響常用制動力的施加調速功能，又對動車組司機操作造成影響，司機需要施加較大級別的常用制動進行調速。

3.3 數據跟蹤記錄不完善

制動系統診斷數據記錄中，并沒有設置針對信號FB_Y_HighStep和PS_FB_R_HighStep實際狀態的記錄功能，在故障閃報發生時無法確認是哪里出了問題，是信號發出了，反饋不對，還是根本就是誤報，還有復位時間是否是復合了復位條件，沒有這些記錄數據，對故障的排查會帶來很多困難，經常是過度換件或長期跟蹤而沒有結果。

4 故障預防措施

為了杜絕高低階壓力轉換故障的頻發和誤報，分別從硬件質量管控、診斷邏輯優化、控制邏輯優化以及故障數據記錄等方面入手，最終達到降低動車組運營故障率的目的。

4.1 硬件質量管控

（1）定期對電磁閥B60.08進行測試，測量電磁閥的阻值是否滿足（2±0.1）kΩ，對電磁閥的動作狀態接線進行定期測量，發現阻值超差立即進行檢修或更換（見圖8）。

圖8 電磁閥檢測方法

（2）定期對壓力開關B60.09的導通、接線進行測量，定期將壓力開關安裝在試驗臺上進行功能測試，要求壓力開關動作壓力精度在（350±20）k Pa，對于超差的壓力開關進行檢修或更換。

（3）定期對制動板卡進行普查，制動控制板卡的EB01B板卡上的繼電器負責電磁閥（B60.08）激活信號FB_Y_HighStep的輸出，同時還負責壓力開關（B60.09）反饋信號PS_FB_R_HighStep的接收，如果板卡上存在燒損、過熱、變色等情況，會造成短路導致板卡繼電器無法正常動作，信號不能正常傳輸，BCU無法正確對高低階壓力進行控制和診斷而導致故障，針對存在問題的板卡應及時進行更換，并進行缺陷分析，提高板卡質量（見圖10）。

圖9 壓力開關測試試驗臺

圖10 存在局部燒損情況的板卡

4.2 診斷邏輯的優化

為防止出現閃報和誤報將高低階壓力轉換故障170C的判斷邏輯的延時時間由3 s延長至10 s，排除因電磁閥動作、控制風壓的建立、壓力開關動作存在的延時干擾，并在延長的7 s內進行高低壓力控制功能的測試，避免出現誤報，同時增加延時并不會對高低階壓力的控制產生影響。

為減少動車組運用過程中的影響，高低階壓力轉換測試作為制動有效率獲得的前提條件，但170C故障不會影響已經獲得制動有效率的車輛，制動有效率仍保持正常，常用制動可以正常施加。

4.3 控制邏輯的優化

為杜絕由于閃報或誤報對動車組的正常運行造成影響，在高低階壓力轉換故障170C診斷基礎上增加高低階壓力切換測試功能，讓制動控制系統在故障170C報出前進行一次到兩次的B60.08電磁閥激活測試，讓高低階壓力轉換狀態盡可能在信號不一致狀態持續10 s前回復一致，從而保證170C不會在車輛運行過程中報出，同時新增加故障代碼1737用于提示測試功能激活，當測試開始時故障激活，當測試結束后，故障復位。根據測試激活故障代碼的提醒，動車組維修人員可以對高低階壓力切換功能的控制元件進行車輛回庫的檢查。

具體測試激活故障的觸發時序分為如下3種情況：

（1）高低階設定狀態和反饋狀態不一致，通過一次切換達到正確目標狀態（見圖11）；

圖11 高低階壓力轉換測試時序狀態1

（2）高低階設定狀態與反饋狀態不一致，通過兩次切換達到正確目標狀態（見圖12）；

圖12 高低階壓力轉換測試時序狀態2

（3）高低階設定狀態和反饋狀態不一致，通過兩次切換仍然無法達到正確目標狀態，最終報故障170C（見圖13）；

圖13 高低階壓力轉換測試時序狀態3

4.4 數據記錄功能的優化

制動控制系統增加數據記錄功能，進一步調查高低階壓力轉換故障可能存在的閃報和誤報的原因，具體記錄信息如下：

①電磁閥B60.08電磁閥的控制指令；

②壓力開關B60.09的反饋信號；

③車輛速度；

④制動C壓力和預控制Cv壓力；

⑤電制動相關信號；

⑥緊急制動環路狀態。

5 制動系統軟件升級試驗驗證及運用驗證

針對高低階壓力轉換故障優化的制動系統軟件已經完成了試驗室的驗證工作，目前正在準備進行現車試驗和正線試驗，最終進行正線運用考核，當通過考核后，新版軟件將批量裝車，最終解決高低階壓力轉換故障閃報、誤報、頻發的情況。

6 結論

通過上述對CRH380CL型高速動車組制動系統高低階壓力轉換故障情況的調查、故障分析、故障解決方案的介紹，證明通過硬件質量管控、結合運用經驗對故障判定邏輯的優化以及對故障相關數據信息的記錄等預防性措施將在很大程度上減少因高低階壓力轉換故障對動車組正常運用的影響，避免動車組因高低階壓力轉換故障導致的限速晚點情況，使動車組運用秩序更加穩定。同時為動車組閃報及誤報影響動車組正常運用故障的解決提供了寶貴的經驗。

Cause Analysis and Preventive Measures of High-low Braking Ratio Disturbed Fault for CRH380CL High-speed EMU Braking System

KANG Lei，LI Yunlong，QIAO Feng，YANG Chuan，YANG Zaibao
（CRRC Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

This paper introduces the high-low braking ratio disturbed fault of braking system for CRH380CL High-speed EMU particularly，including the fault cases，the principle of fault generated and the analysis of fault cause，and proposes the preventive measures to ensure that the fault has been effectively controlled.

CRH380CL；EMU；brake system；fault；analysis；measures

U266.2.8

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.08

1008－7842（2016）06－0029－06

?）男，工程師（

2016－05－18）