制動試驗在CRH380CL型動車組上的運用

劉芳銘， 劉 靜， 亢 磊

(中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062)

目前，我國的動車組正朝著高速化、自動化、舒適度方向不斷發展，隨著“復興號”中國標準動車組在京滬高鐵以350 km/h的速度運營，說明高鐵技術正在走向成熟，高速動車組的制動系統作為核心技術之一，其可靠性和安全性直接影響高速動車組的行車安全，高速動車組在正式投入運營任務之前必須進行制動系統的系統化自檢和人機配合試驗檢查，保證動車組運營前制動系統的安全、可靠。以成熟的新一代的“和諧號”動車組CRH380CL型動車組為例，通過制動試驗項點的控制過程、檢測步驟及控制策略介紹制動試驗在該動車組上的運用情況，為后續新型動車組和“復興號”中國標準動車組的設計升級提供相關設計經驗，也為動車組維護人員提供制動試驗的相關參考和運用維護依據。

1 制動試驗內容

1.1 試驗分類

CRH380CL型動車組制動試驗分為自動制動試驗(ABT)和菜單引導制動試驗(MBT)，自動制動試驗和菜單引導制動試驗均根據制動系統和列車網絡系統CCU之間網絡接口協議按步驟對各項制動系統功能進行逐一制動控制邏輯、相關空氣控制閥及空氣管路的性能驗證。

自動制動試驗是通過HMI司機顯示屏將動車組設置進入自動制動試驗模式后，制動系統根據設定好的控制步驟自行進行功能測試，測試內容及項點全面，全方位檢驗制動系統的正確性和安全性。

菜單引導制動試驗是通過司機配合操作司機室指令設備按照設定好的HMI顯示屏的菜單引導指示說明內容進行試驗，保證制動系統主要功能的完整性和正確性。

1.2 自動制動試驗項點

自動制動試驗期間主要進行下列制動試驗項點的測試，測試過程完全由制動制動按設定控制邏輯自動完成：

(1)總風管(MRP)貫通性試驗；

(2)空壓機試驗；

(3)列車管(BP)泄漏試驗；

(4)包括高/低壓方式的直通制動試驗；

(5)防滑試驗；

(6)列車管(BP)貫通性試驗；

(7)間接制動試驗；

(8)緊急制動排風閥和充風閥的功能試驗；

(9)單車制動控制單元(BCU)對停放制動監控回路斷開控制試驗。

1.3 菜單引導制動試驗項點

菜單引導制動試驗期間，司機通過HMI顯示屏可選擇性的進行下列試驗項點的測試：

(1)直通制動試驗；

(2)緊急制動試驗；

(3)總風管(MRP)貫通性試驗；

(4)列車管(BP)泄漏試驗；

(5)間接制動試驗；

(6)列車管(BP)貫通性試驗。

2 制動試驗接口及控制原理

2.1 制動系統網絡控制架構

CRH380CL型動車組為16輛編組列車，8輛動車、8輛拖車，制動系統各制動控制單元(BCU)通過先進、可靠及成熟的TCN網絡單獨成網通訊，8輛車組成一個MVB控制通訊單元，全列兩個MVB總線單元之間通過WTB總線進行通訊，制動系統各控制功能采用分層級控制模式，制動力采用全列混合控制模式，制動系統與列車網絡中央局(CCU)通過RS485總線進行通訊，CCU與HMI顯示屏通過列車網絡ATI總線進行通訊。制動系統主要分為3層級實現制動控制的管理，分別為列車制動管理TBM、單元制動管理SBM 和本地制動管理LBCU，具體制動系統網絡控制架構及設備組成參見圖1所示。

(1)TBM由占用端頭車BCU擔當且BCU1和BCU2冗余，主要承擔制動管理、主供風單元管理、制動試驗和制動管充風管理，實現對自動制動試驗(ABT)、菜單引導制動試驗(MBT)的控制，控制充風電磁閥得電，實現總風管對制動管進行充風。

(2)01車、16車的制動控制單元BCU分別作為SBM進行本MVB單元的管理，負責通過MVB收集本單元內每個EBCU最大可用空氣制動力和實際空氣制動力、電制動可用性和實際電制動力、車重等信息，匯總后通過MVB/WTB 向TBM 進行上報，同時接收TBM 通過MVB/WTB 發送的制動指令，并通過MVB 發送至本MVB單元內各EBCU，動車的EBCU通過硬線將指令發送至TCU。

(3)LBCU由各車EBCU擔當，實現對本車的制動控制、防滑控制、故障診斷和本車制動試驗控制等功能，負責計算本車最大可用空氣制動力和實際空氣制動力等，通過MVB發送至SBM，同時接收SBM發送的制動指令，進行本車的制動管理和試驗管理。

2.2 自動制動試驗(ABT)

2.2.1自動制動試驗制動系統分級控制接口及功能

(1)ABT的TBM與CCU的接口及TBM功能

CRH380CL型動車組TBM與CCU之間通過RS485總線進行通訊，在ABT開始時，司機通過觸摸式HMI顯示屏選擇激活“自動制動測試”(見圖2)，CCU通過冗余的網絡協議指令“開始ABT測試”給TBM，TBM接收到該指令并延時15 s會將“ABT激活”信號置為1并保持至ABT結束后重置為0，同時會通過一個5 s脈沖信號激活“ABT開始”信號，SBM通過MVB/WTB接收“ABT激活”和“ABT開始”信號后開始控制相應的MVB單元內的各車LBCU執行制動試驗相關指令，具體時序圖見圖3；在試驗過程中，CCU會發送試驗終止信號命令TBM終止ABT試驗；在試驗結束時，TBM會將最終ABT的試驗結果和故障信息發送至CCU顯示試驗結果和試驗故障信息，當CCU主動中斷ABT時，TBM會根據CCU的信號終止ABT試驗，并顯示試驗結果失敗，具體見圖4所示。

圖2 HMI司機顯示屏自動制動測試按鍵

圖3 ABT開始時的時序圖

圖4 TBM結束或中斷ABT的時序

圖5 CCU中斷ABT的時序

(2)ABT的TBM與SBM的接口及SBM功能

在ABT開始時，占用端作為TBM和SBM的頭車BCU以及非占用端作為SBM的尾車BCU會識別自己在上一次的ABT中是否已經擔任了TBM或SBM，此時BCU會根據冗余BCU的狀態來進行TBM和SBM的功能轉換，將上次未作為TBM和SBM的冗余BCU作為本次ABT過程中的TBM和SBM。具體轉換過程參見圖6所示。

圖6 主從轉換時序

在ABT試驗過程中，SBM通過MVB/WTB接收來自TBM的開始和終止ABT指令；接收來自TBM的實際試驗步驟命令信號；將各車BCU反饋的各步試驗結果反饋給TBM。

(3)ABT的SBM與BCU的功能接口及LBCU功能

在試驗開始時，SBM會將來自TBM的開始和終止ABT指令發送給本單元內的各車BCU；在試驗過程中，SBM會將來自TBM的實際試驗步驟的命令信號發送給本單元內的各車BCU；各車BCU執行相關測試，并將各車每項試驗的試驗結果反饋給SBM。

LBCU連接相關壓力傳感器、壓力開關并通過觸發器激活相應電磁閥進行工作，并根據ABT試驗步驟要求進行下列單車功能的測試：

①包括高低階壓力轉換的施加和緩解常用制動測試；

②直通制動的施加和緩解測試；

③帶停放功能車輛的環路斷開測試；

④單車控制的防滑功能測試；

⑤本車壓縮機的啟停測試。

2.2.2自動制動試驗控制步驟及策略

2.2.2.1 ABT試驗順序

ABT各項制動試驗根據系統控制策略，按照設定好的順序依次進行制動系統的各功能測試，ABT的試驗步驟如圖7所示。

2.2.2.2 ABT各項試驗控制策略

(1)總風管(MRP)貫通性試驗：總風貫通性試驗時，TBM通過發送若干次的常用制動的施加和緩解將總風壓力降低至870 kPa，并控制激活編組車輛中的1臺空壓機啟動，檢測在規定2 min內，總風壓力上升至少30 kPa。該項試驗會按照圖5所示順序執行，直到編組內所有4臺空壓機(03、06、11、14車)全部測試完畢。

(2)為縮短ABT試驗的時間，列車管(BP)泄漏試驗、直通制動試驗、防滑測試這3項試驗同時進行，互不影響。

①列車管泄漏試驗：TBM控制將總風向列車管充風電磁閥失電，保持列車管不充風也不排風，在1 min內列車管風壓不得下降6 kPa。

圖7 ABT試驗步驟

②直通制動試驗：?TBM發送1A級別常用制動指令，SBM將1A級別制動指令發送至各車BCU，各車BCU施加1A級別常用制動，并根據要求將高低階壓力控制轉為低階壓力，檢測本車制動缸壓力是否在規定范圍內，TBM緩解1A級別制動，各車BCU控制1A級別制動緩解，并檢測本車制動缸的緩解壓力是否<20 kPa；?TBM發送最大常用制動指令，SBM將最大常用制動指令發送至各車BCU，各車BCU施加最大常用制動，并根據要求進行低階壓力控制和高階壓力控制，并檢測相應制動缸壓力是否在規定范圍內，TBM緩解最大常用制動，各車BCU控制最大常用制動緩解，并檢測本車制動缸的緩解壓力是否<20 kPa。

③防滑測試：主要對防滑控制單元內的主處理器(CPU)和監控失效安全處理器(MPU)進行進行檢測，檢測CPU的防滑控制功能和MPU對防滑閥排風時間的超時安全斷電功能，保證防滑功能的有效性和安全性。

(3)列車管(BP)貫通性試驗：在該項試驗中，還包括列車管BP的無故充風測試和間接制動試驗。

①列車管貫通性試驗：TBM給CCU發送指令，要求CCU通過網絡指令激活尾車列車管緊急排風閥No.5排風，同時切斷列車管充風電磁閥電源，實現列車管排風功能，TBM通過頭尾車BCU反饋的列車管壓力，判斷動車組頭尾列車管壓力是否在30 s內均降低至200 kPa以下。

②列車管BP的無故充風測試：在列車管貫通性試驗結尾時進行，在不激活列車管充風電磁閥的條件下，關閉頭尾車緊急制動電磁閥No.5的排風，檢測列車管在20 s內壓力不能上升>20 kPa。

③間接制動試驗：在列車管排風后，單車BCU會檢測直通制動預控壓力是否為緩解壓力和間接制動預控壓力是否為緊急級別壓力，并判斷制動缸壓力是否達到緊急制動級別的壓力值，隨后TBM控制列車管充風至定壓600 kPa，本車BCU判斷單車空氣制動是否在1 min內減小至20 kPa以下緩解，列車管壓力是否達到定壓600 kPa范圍。

(4)間接制動緊急排風閥No.5測試：TBM向CCU發送激活頭車No.5電磁閥實現對列車管的排風，然后進行列車管充風控制；TBM再向CCU發送激活尾車No.5電磁閥實現對列車管的排風，然后再進行列車管充風。SBM檢測列車管在10 s內是否排風至200 kPa以下的排風速度。

(5)停放制動監控環路(PBML)、緊急制動環路(EBL)斷開試驗：在列車管充風至定壓時，TBM通過指令要求帶停放車輛(02、07、10、15車)的BCU依次通過內部繼電器控制輸出PBML斷開指令，同時通過列車環路電路斷開EBL，對斷開環路狀態進行檢測。

(6)計算制動有效率，在ABT上述所有試驗項點完成后，TBM將根據各BCU反饋的各車空氣制動系統可用性測試結果進行列車范圍內的制動有效率計算(有效率=空氣制動可用車輛數/列車編組車輛數)，并將計算結果作為ABT自動制動試驗結果的輸出。

2.2.3進入自動制動試驗的前提條件及試驗注意事項

(1)自動制動試驗前必須實現下列前提條件：

①總風管通過列車本身的供風裝置供風；

②不得啟用備用制動；

③停發制動監控環路和緊急制動環路不能被旁路；

④停放制動必須施加；

⑤列車配置必須正確，網絡通訊正常；

⑥必須保證動車組司機室被激活占用且只有1個；

⑦所有車輛空氣制動需要緩解。

(2)試驗注意事項

ABT進行時，列車處于“整備模式”或車輛檢查狀態，在ABT期間，司機手柄必須在緩解位，不能操作任何制動設備及環路相關的按鈕開關，列車必須保持靜止狀態，停放制動必須保持施加，增風管及列車管壓力傳感器必須正常有效，列車網絡通訊及配置狀態必須正確。

2.3 菜單引導制動試驗(MBT)

2.3.1菜單引導制動試驗接口

菜單引導制動試驗是司機通過HMI顯示屏按照CCU發送的顯示屏信息進行相應的操作，因此CCU與TBM在菜單引導制動試驗時，通過相應RS485網絡通信接口進行通訊。

2.3.1.1 菜單引導制動試驗CCU與TBM的接口

(1)CCU根據HMI顯示屏反饋信息通過RS485發送給TBM的接口信號命令TBM進行MBT中的試驗項點信號：0=無制動請求；1=進行總風管(MRP)貫通性試驗；2=進行列車管(BP)泄漏試驗；3=進行直通制動試驗；4= 進行緊急制動試驗；5=進行列車管(BP)貫通性試驗；6=進行間接制動試驗。

在某一項試驗項點內的試驗步驟編號，用于告知TBM目前顯示屏顯示的狀態提示信息。

(2)TBM發送給CCU的RS485接口信號

①TBM反饋CCU所接收的制動試驗項點信號，定義值與CCU命令TBM進行的的制動試驗項點編號相同。當反饋值為255時，說明試驗中斷。

②在某一項試驗項點內的試驗步驟編號，用于告知CCU目前T需要在顯示屏顯示對應試驗過程中的狀態提示信息。

CCU與TBM的接口信號時序圖見圖8所示。

圖8 菜單引導制動試驗CCU與TBM試驗過程信號時序

2.3.1.2 TBM、SBM、LBCU的接口信號

菜單引導制動試驗的制動系統內部的TBM、SBM、LBCU之間的層級控制信號與ABT過程中的大部分信號是一致的，包括空壓機的管理信號、制動力請求信號、制動步驟狀態信號、LBCU反饋的制動能力信號、空氣制動有效性信號等。在制動試驗過程中，TBM、SBM是不會主動進行主從轉換的。

2.3.2菜單引導制動試驗控制步驟及策略

2.3.2.1 MBT試驗順序

菜單引導制動試驗沒有硬性要求的試驗順序，通過HMI顯示屏選擇需要進行的試驗項點，試驗完成后相應試驗步驟會顯示試驗完成時間，HMI顯示屏的試驗項點如圖9所示，進入制動試驗界面后，通過點選“開始”進行試驗，相關提示信息狀態見圖10。

2.3.2.2 MBT各項試驗控制策略及試驗結果

(1)直通制動試驗：司機根據HMI顯示屏提示通過制動手柄施加3級常用制動，TBM根據手柄CAN總線3級制動信號將設定值通過SBM發各車BCU，各車BCU控制本車制動閥施加3級制動，檢測相關閥的輸出壓力及狀態，并進行高低階壓力的轉換測試，測試完成后TBM會反饋CCU顯示提示司機信息將制動手柄置于緩解位，司機通過手柄緩解3級常用制動，各車BCU根據緩解指令緩解空氣制動并檢測本車空氣制動緩解是否正常。

圖9 HMI顯示屏菜單引導制動試驗項點選擇界面

圖10 HMI顯示試驗過程提示信息狀態

(2)緊急制動試驗：司機根據HMI顯示屏提示通過制動手柄施加緊急制動EB，TBM通過SBM反饋的列車管壓力判斷列車管排風是否正常，壓力是否<200 kPa，同時各車BCU檢測單車緊急制動施加狀態是否滿足壓力要求，并進行高低階壓力轉換測試，各車檢測完成后，司機通過HMI顯示屏信息將制動手柄置于緩解位，列車管開始充風，TBM檢測在80 s內列車管充風至定壓600 kPa，所有空氣制動緩解，各車BCU將檢測結果反饋給TBM。

(3)總風管(MRP)貫通性試驗：如果總風管壓力大于900 kPa，HMI屏會提示司機通過若干次最大常用制動將總風管壓力降低至900 kPa以下，此時TBM會阻止所有空壓機啟動，待總風壓力降低至900 kPa以下時，會提示司機等待，此時TBM會根據優先選擇控制策略激活全列車的1臺空壓機進行啟動供風，并檢測總風管壓力在2 min內是否上升了30 kPa。

(4)列車管泄漏試驗：TBM控制列車管充風電磁閥失電阻斷列車管充風，通過單元的SBM檢測的列車管壓力，判斷列車管在30 s內壓力下降≤15 kPa。

(5)間接制動試驗：司機根據HMI顯示屏提示信息，通過點選HMI顯示屏的“BP排風”按鍵通知TBM向CCU發送通過尾車列車管排風電磁閥No.5排列車管風，CCU通過網絡輸出繼電器信號使No.5得電排風，列車管壓力需要在30 s內降低至200 kPa以下，BCU檢測本車制動施加狀態，BCU檢測后，TBM會反饋CCU使HMI顯示屏顯示“停止排風”按鍵，司機通過點選按鍵告知TBM撤銷排風指令，使列車管充風電磁閥得電充風，列車管充風后各車制動需要緩解，BCU判斷本車制動緩解狀態。

(6)列車管(BP)貫通性試驗：司機根據HMI顯示提示信息點選“BP排風”按鍵通知TBM向CCU發送通過尾車列車管排風電磁閥No.5排列車管風，CCU通過網絡輸出繼電器信號使No.5得電排風，TBM通過SBM檢測反饋頭尾車列車管壓力需要在30 s內降低至200 kPa以下，同時BCU檢測本車制動施加狀態，BCU檢測后，TBM將撤銷排風指令，使列車管充風電磁閥得電充風，TBM檢查列車管80 s內充風至定壓600 kPa，各車制動需要緩解，BCU判斷本車制動緩解狀態。

(7)制動試驗結果是通過制動有效率計算體現的，各車BCU會根據各項試驗結果判斷本車空氣制動可用性，并將可用性結果反饋至TBM，TBM進行列車范圍內的制動有效率計算(有效率=空氣制動可用車輛數/列車編組車輛數)，并將結果反饋給CCU進行顯示。

2.3.3進入菜單引導制動試驗的前提條件及試驗注意事項

(1)菜單引導制動試驗前必須實現下列前提條件：

①司機室占用并升弓送電，HMI屏制動界面顯示正常；

②動車組管路未通過外接風源充風；

③備用制動未激活；

④停放制動處于施加狀態；

⑤列車空氣制動處于緩解狀態；

⑥恒速設置關閉，故障面板上各環路故障開關處于正常位；

⑦總風管風壓大于850 kPa，列車管風壓大于550 kPa。

(2)試驗注意事項

①試驗過程中應按照試驗順序執行。嚴格按照屏幕提示進度進行操作，提前操作可能導致試驗失敗；

②試驗期間不可進行切換HMI、激活備用制動、意外觸動制動手柄等操作，此類操作影響制動試驗；

③系統默認采用右屏進行制動試驗，可將左屏調至制動試驗時間顯示界面進行查看；

④制動試驗中如果某步制動試驗未通過，可根據該項試驗期間的故障代碼處理故障后，重做該步制動試驗；應急處置過程中，當某車制動故障時(如分配閥等)，在已確認故障點但無法修復而采用制動切除等方式進行處置時，如進行制動試驗，試驗過程中各步驟會診斷出相關故障，此時仍應繼續進行其他試驗，方可生成其他車的有效率。

3 典型試驗故障

2017年CRH380CL-5603動車組在進行MBT測試時，發現10車制動有效性丟失，查找車輛故障記錄時發現10車BCU報故障，故障代碼為1729(直接制動控制故障)，故障處理提示"車輛的間接制動故障，常用制動的動作可能已經改變。對車下制動控制單元進行排查，聽見存在異常排風聲，通過測試軟件發現預控壓力值異常，車輛在直接制動緩解，備用制動啟用緩解的情況下該處檢測的壓力應該為零，綜合上述判斷雙向閥B60.04存在故障，導致在備用制動施加的情況下有壓縮空氣進入到直接制動管路中，使得B60.02-3檢測到相關壓力，10車BCU在制動測試時檢測出壓力異常而未通過制動試驗。更換雙向閥B60.04后重新進行制動試驗，故障消除，車輛制動有效率正常。制動控制氣路原理圖及雙向止回閥如圖11所示。

1-B60.02-1常用制動施加電磁閥；2-B60.02-2常用制動緩解電磁閥；3-B60.02-3直接制動壓力傳感器；4-B60.04雙向電磁閥。圖11 單車空氣制動控制原理圖及實物圖

4 結束語

通過從CRH380CL型動車組制動試驗的控制過程、檢測步驟及控制策略進行闡述，以及在車輛實際運用過程制動試驗所起到的作用，說明通過動車組制動試驗檢測功能的設置，能有效保障動車組制動系統的可靠性和安全性，確保在動車組上線運營前的良好狀態，CRH380CL型動車組投入批量運營已經6年時間，通過制動試驗檢查出制動系統本身故障可靠、準確，該車型制動試驗的控制理念及控制策略將會對后續研發的新型動車組提供寶貴的借鑒經驗。