CRH5G型動車組制動系統制動力分配的邏輯優化

楊 川，許 杰

（中國中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，長春 130062）

在CRH5G型高速動車組運營前期的調試過程中，由于部分鐵路沿線坡道大而長—超過100 km的連續坡道（坡度約13‰）[1]，且部分區段接觸網網壓高于29 kV，導致動車組電制動發揮欠佳甚至失效，在整個長大坡道的調速過程中將完全由空氣制動完成制動力的施加[2]，使制動盤和閘片長期處于異常高溫狀態，可靠性降低而易發生故障。經專項線路試驗發現，當電制動失效后動車組在整個長大坡道運行時，制動盤及閘片的熱負荷已普遍過高[3-5]，影響了動車組的行車安全。為解決上述問題，在CRH5G型動車組原有制動軟件的基礎上，對制動力分配方案的控制邏輯進行了優化和完善。

1 動車組制動力分配原理

1.1 列車編組及制動控制系統網絡配置

CRH5G型動車組采用5M+3T的編組形式，由兩個牽引單元（2動2拖為一個牽引單元）構成，采用列車級和車輛級雙層總線拓撲[6]，且全部采用軸裝制動盤的盤形制動方式[3]，其中，MC01、M02、MH04、M07和MC08為動車，TP03、TB05和TP06為拖車。動車中2、3軸為動軸、1、4軸為拖軸。拖車中1～4軸均為拖軸。制動指令通過專用網絡MVB方式傳輸。車輛編組和制動系統網絡配置 ，如圖1所示。

圖1 CRH5G型動車組編組圖

1.2 牽引制動手柄扇區分布

在牽引制動手柄中，制動指令以角度值進行劃分，分為兩個手柄扇區，其中：中立位為55°，在該位置無牽引、制動指令。角度值55°～32.5°為電制動扇區（第1扇區）。角度值32.5°～10°為電空復合制動扇區（第2扇區），角度值0度為緊急制動位[7-8]，扇區分布，如圖2所示。

圖2 牽引制動手柄扇區分布

牽引制動手柄的角度值與制動指令的對應關系，如表1所示。

表1 角度值與制動指令的對應關系

CRH5G型動車組上有兩個MVB網段，01～04車為第1單元，其中，有一輛拖車。05～08車為第2單元，其中，有兩輛拖車。在單元內電制動失效的動車和拖車的每個BCU根據電制動特性曲線、牽引制動控制手柄角度（制動請求的百分數）和電制動失效的數量來計算丟失的總電制動力。

1.3 原有制動力分配方案

如圖3所示，在正常工況下，各動車的2、3軸只施加電制動力。如果電制動有效，各動車的動軸制動盤及閘片將不會被使用。動車電制動如果失效，

所丟失的電制動力將由其所在的動車的4根車軸進行補償，其他車不會對所丟失的電制動力進行補償[9]。

2 制動力分配方案邏輯優化

2.1 邏輯優化基本原則

原有的制動力分配方案中，如果動車電制動失效，所丟失的電制動力將由其所在的動車的4根車軸進行補償，其他車不會對所丟失的電制動力進行補償。優化方案中，將整列車被分成單獨的兩個制動力混合單元（與牽引單元相對應）。在每個動車的每個動軸上，僅能施加電制動力或者空氣制動力，如果動車電制動失效，丟失的電制動力將由其同一混合單元中的動車和拖車平均進行補償，就可以減少故障動車的轉向架所補償的空氣制動力，可使電制動失效的動車的制動盤及閘片熱負荷大幅度降低，這也是優化制動力分配方案的設計初衷，如圖4所示。

根據扇區的不同，分為以下2種情況：

（1）牽引制動手柄發出的低制動指令（第1扇區）僅由電制動執行即可滿足所需的制動力。如果電制動失效，由TCU控制的動軸上的電制動互鎖閥將失電，電制動失效的動車4個軸（包括動軸和拖軸）及多功能車輛總線（MVB，Multifunction Vehicle Bus）單元內的拖車同時施加空氣制動以補償電制動力的損失。

（2）牽引制動手柄發出的高制動指令（第2扇區）由電制動和拖軸（包括動車和拖車）的空氣制動同時執行。拖軸的空氣制動力線性增加直到最大常用制動力。如果電制動失效，由TCU控制的動軸上的電制動互鎖閥將失電，電制動失效的動車4個軸（包括動軸和拖軸）及MVB單元內的拖車同時施加空氣制動以補償電制動力的損失。

圖3 原有制動力分配方案

圖4 優化制動力分配方案

2.2 邏輯優化網絡控制方案

優化的制動力分配方案是基于列車網絡系統（TCMS）的中央控制單元（CCU）以及貫穿全列的MVB通信線路設置的改進方案。

每個BCU根據該單元內“拖車”數量（包括拖車和電制動失效的動車）來動態調整需要補償丟失的電制動力，使丟失的電制動力由其他車輛“均勻”補償。

位于每個頭車的MBCU是制動控制系統的主BCU，起到制動主控制的作用，且與TCMS系統通過MVB線纜進行數據的交換。通過列車MVB總線接收來自于TCMS的電制動狀態信號（電制動有效、電制動激活信號），MBCU直接讀取制動手柄的位置和CCU傳過來的制動請求，設定執行制動所需要的電制動力和空氣制動力。

MBCU將8輛編組的列車分為兩個牽引單元，牽引1單元 (MC01+M02+TP03+MH04)和牽引2單元(TB05+TP06+M07+MC08)，根據電制動失效的動車和單元內拖車的BCU時時情況，按圖5所示的邏輯計算每輛車需要補償的電制動力。

如果任何動車的電制動失效或者發生故障，其所丟失的電制動力將由其同一車輛單元中的拖車和丟失電制動力的車輛共同施加空氣制動進行補償，可以使故障動車的制動盤及閘片熱負荷大幅度降低。

3 方案優化效果對比分析

3.1 方案優化效果邏輯分析

圖5 制動力分配方案優化邏輯圖

運營條件為：列車運行速度200 km/h，牽引制動手柄在最大電制動位（電制動力100%+空氣制動力0%），由于不同的牽引單元不能跨單元進行補償，下面將以牽引單元1為例子進行對比，牽引單元2與牽引單元1的軟件邏輯控制保持一致。

3.1.1 一個動車電制動失效情況

從圖6的對比可以看出，原有制動力分配方案中，當一個動車電制動失效（如MC01失效）時，此時所丟失的電制動力為36.4 kN，其他車輛不會補償空氣制動，將由其所在車輛（MC01車）分別施加空氣制動進行補償，一個轉向架所補償的空氣制動力為18.2 kN。優化的制動力分配方案是基于車輛單元進行，當一個動車電制動失效時，所丟失的制動力將由其所在的車輛單元中的MC01和TP03同時施加空氣制動進行補償。每個轉向架所補償的空氣制動力由18.2 kN減少為9.1 kN，極大地減少制動盤的磨損。

3.1.2 兩個動車電制動失效情況

圖6 一個動車電制動失效（優化前后方案對比）

從圖7的對比可以看出，原有制動力分配方案中，當兩個動車電制動失效（MC01和M02失效），每個動車丟失的電制動力為36.4 kN，分別由所在動車進行空氣制動補償，一個轉向架補償的空氣制動力為18.2 kN。優化的制動分配方案是：（1）計算丟失的總電制動力，為72.8 kN；（2）計算本牽引單元中可用的空氣制動車輛；（3）MC01，M02和TP03車同時施加空氣制動進行補償。一個轉向架補償的空氣制動力由原方案的18.2 kN降為12.1 kN，均勻分布在每輛車上，極大地降低MC01和M02車的制動盤磨損，使制動力均勻分布，保證了制動的平穩性。

圖7 兩個動車電制動失效（優化前后方案對比）

3.2 邏輯優化效果

制動力優化方案可以有效減少故障動車的轉向架所補償的空氣制動力，當電制動力失效時，可使制動力均勻地在制動力混合單元中進行分配，降低動車的制動盤磨損，使制動力均勻分布，保證了制動的平穩性。

4 結束語

優化后的制動力分配方案，使基于空電聯合方案的制動力分配更加均勻，能夠有效地減少制動盤及閘片的磨耗量，有效地避免制動盤及閘片長時間處于高溫度、高壓力的工況，緩解線路原因導致的不適應問題的出現，最大限度地降低車輛故障對運營穩定性的影響，節能降耗，持續提高我國高速列車高能效水平和可靠性。同時，該方案對處于長大陡坡等惡劣運營工況下的高速動車組制動力分配具有借鑒意義，同樣適用于高寒動車組的制動力分配。

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