高速動車組保持制動控制邏輯設計研究

馬永靖， 朱靈允， 孟繁輝， 王學文， 鄭魏婧

(1 中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

動車組進站或臨時停車時，需要施加一定的制動力防止車輛溜逸，出站牽引力能夠克服車輛下滑力后要緩解制動，防止抱閘行車。傳統動車組設置坡起制動功能，制動系統監測到列車速度低于限值時自動施加坡起制動，動車組啟動時司機通過同時操作牽引手柄與制動手柄手動緩解坡起制動，操作方式難度大，車輛溜逸的風險高，要求司機操作經驗豐富。

目前，我國新研發的動車組制動系統要求具有保持制動功能，防止車輛在靜置、停車和啟動時發生溜逸[1]。保持制動在動車組進站停車時自動施加，啟動自動緩解，施加/緩解過程完全自動化，控制、檢測、診斷邏輯復雜，智能化程度較高。保持制動與傳統動車組坡起制動控制方式相比，大大簡化了司機站間停車及啟動的操作難度，深受廣大動車組司機的歡迎。

系統介紹高速動車組保持制動設計的功能要求、系統原理、制動力設計和試驗方法。重點闡述控制信號定義、正常模式和故障模式下保持制動施加、緩解控制邏輯以及診斷邏輯。

1 功能要求

綜合高速動車組運營工況，保持制動功能應滿足以下要求：

(1)保持制動力滿足動車組定員載荷狀態，在規定的坡道上靜置，不發生溜逸；

(2)動車組停車時保持制動自動施加，啟動時自動緩解；

(3)動車組具有保持制動手動強迫緩解功能，可用于臨時緩解保持制動；

(4)動車組具有保持制動手動切除功能，在調試、回送等特殊工況始終緩解保持制動；

(5)保持制動施加/緩解狀態應在司機室實時顯示。

2 系統原理

動車組停車前電制動能力值逐漸減少到零，車輛通過施加純空氣的保持制動保持靜止。保持制動力的分配方式和輸出形式(微機控制的直通式電空制動)與常用制動相同，其控制原理及信號交互示意如圖1所示。

圖1 保持制動系統控制原理示意圖

2.1 保持制動力分配

高速動車組為8編(可重聯)或16編組運營，為充分利用輪軌黏著，兼顧各車閘片均勻磨耗，制動控制系統基于列車總線采用三級管理模式，在全列范圍內實現制動力分配管理[2-3]。

圖2 制動控制系統的三級管理模式

列車網絡占用頭車的主BCU承擔列車制動管理單元TBM (Train Brake Management)，負責列車制動力的管理和分配；分段制動管理單元SBM(Segment Brake Management)由各MVB網段內的端車主BCU承擔，負責一個網段單元內的制動力管理和數據轉發；本地制動控制單元LBCU(Local Brake Control Unit)由各車BCUx.1承擔(x=車號)，負責無TBM時制動力需求計算與制動力輸出控制。

保持制動施加由TBM或LBCU診斷，保持制動緩解由列車控制系統CCU(Central Control Unit)、TBM、LBCU并行診斷，任意條件滿足時單車保持制動都緩解。

2.2 保持制動力輸出

直通式電空制動控制單元BCU(Brake Control Unit)由電子制動控制單元EBCU(Electronic BCU)和氣動制動控制單元PBCU(Pneumatic BCU)組成，EBCU負責保持制動指令的接收和制動力的計算，控制PBCU將電氣指令信號轉化為基礎制動裝置制動缸的壓力，施加摩擦制動力。

各車EBCU將保持制動力換算成對應的預控壓力Cv，并控制直通模擬轉換閥輸出作用到中繼閥前端，中繼閥根據預控壓力進行比例流量放大，最終將副風缸中的壓縮空氣按壓力比例產生制動缸C壓力，并充入基礎制動裝置制動缸產生保持制動摩擦制動力?？傦L管通過止回閥向副風缸充風，以滿足制動用風需求。

當EBCU接收到保持制動緩解指令時，EBCU通過控制直通模擬轉換閥排空Cv壓力，同時通過中繼閥排空基礎制動裝置制動缸內的壓力，緩解保持制動力。

3 保持制動力設計

3.1 制動力需求

為滿足動車組在規定的坡道靜置不溜逸要求，需根據規定的坡度α計算保持制動力，確定對應的控制減速度。

簡化整列車成一個質點，保持制動力計算模型如圖3所示，保持制動力F需克服動車組在坡道上的下滑力Fx，并留有一定安全余量S，計算公式如公式(1)所示。

F=S×Fx=S×M×g×sina

(1)

M為定員載荷動車組質量；

g為重力加速度，9.81 m/s2；

S為安全系數，一般取1.2。

α為坡度，如取30‰坡度，α=arctan(30/1000)。

圖3 保持制動力計算模型

具有安全余量的保持制動力，除以定員載荷動車組質量，如公式(2)所示，即可計算保持制動力需要的最小減速度a。最小減速度a可作為減速度曲線設計輸入，確定后的保持制動控制減速度將被固化到軟件里，結合實際車重參數計算保持制動力需求，并將保持制動力轉化為實際的預控壓力Cv值，施加摩擦制動力。

a≥F/M

(2)

3.2 試驗方法

測量動車組施加保持制動時制動閘片的靜態推力。根據實測的閘片靜態推力總和，按式(3)計算保持制動力能夠滿足動車組安全停放的最大坡度值i。

(3)

∑K為保持制動時閘片靜態推力總和；

μ為閘片靜摩擦系數；

r為制動盤平均摩擦半徑；

R為新車輪半徑；

M為定員載荷動車組質量；

g為重力加速度，9.81 m/s2；

S為安全系數，一般取1.2。

實測計算的動車組安全停放坡度i大于等于規定的坡度α，即驗證保持制動能力合格。

4 控制信號定義

4.1 硬線信號

為實現保持制動強制緩解功能，設置“保持制動緩解列車線”貫穿全列，由司控臺“保持制動緩解”自復位按鈕和司機室邊柜的“保持制動切除”旋鈕開關控制，各車制動控制裝置內的EBCU采集，“DC 110 V”代表保持制動緩解請求，緩解優先。

4.2 網絡信號

坡道上停車，若列車的牽引力未達到能克服車輛下滑力就緩解保持制動，就存在溜車風險。列車控制系統CCU掌握匯總全列牽引力值，設置CCU控制的布爾型“保持制動緩解指令”命令，當牽引力大于列車下滑力時置位發送給列車制動管理單元TBM。

列車網絡正常時，列車制動管理單元TBM做全列制動力分配管理，檢測到保持制動施加，發送保持制動力請求，及布爾型“保持制動施加指令”給各車本地制動控制單元LBCU。LBCU結合“保持制動施加指令”進行保持制動施加/緩解狀態判斷，并將結果通過布爾型“保持制動施加狀態”狀態信號反饋給CCU，用于司機室HMI顯示。

CCU匯總判斷全列“保持制動施加狀態”，保持制動施加正常時點亮司機臺的“保持制動緩解按鈕”綠色指示燈，代表保持制動施加，否則燈滅。

4.3 其他信號

列車速度、單車速度、制動缸壓力和牽引狀態列車線等也作為制動控制系統BCU的輸入信號，用于保持制動控制及診斷判斷條件，如圖1所示。

5 控制邏輯

5.1 網絡正常模式

5.1.1保持制動施加

列車網絡正常時，列車制動管理單元TBM做保持制動施加診斷，發送保持制動力請求值和“保持制動施加指令”給各車本地制動控制單元LBCU。保持制動施加為以下條件與：

(1)牽引狀態列車線信號為非牽引；

(2)動車組處于非恒速模式；

(3)動車組速度低于規定值(如1.5 km/h)。

5.1.2保持制動緩解

列車控制系統CCU進行保持制動緩解判斷，以下3個條件任一滿足：

(1)列車反饋牽引力大于車輛下滑力；

(2)列車速度大于規定速度(如1.5 km/h)；

(3)進入菜單引導制動試驗，CCU收到制動系統反饋“允許制動試驗信號”為真；

則置網絡信號“保持制動緩解指令”為真后，發給各車本地制動控制單元LBCU，緩解保持制動。

5.2 網絡故障模式

本地制動控制單元LBCU與TBM或CCU網絡通信故障時，保持制動的施加或緩解都由LBCU進行判斷控制。

5.2.1保持制動施加

當LBCU與TBM通信故障，接收不到“保持制動施加指令”，檢測到以下條件同時滿足，則將自行施加單車保持制動力，“保持制動施加狀態”置真。

(1)牽引狀態列車線信號為非牽引；

(2)動車組速度低于規定值(如1.5 km/h)。

5.2.2保持制動緩解

當LBCU通過網絡未接收到“保持制動緩解指令”時，檢測到以下任一條件滿足，則自行緩解保持制動力。

(1)列車牽引線狀態信號為牽引狀態，且單車速度大于規定值(如1.5 km/h)；

(2)列車牽引狀態線信號為牽引狀態，持續時間大于規定值(如7 s)；

(3)制動控制系統BN供電斷開，列車可能處于故障救援狀態。

5.3 保持制動診斷

5.3.1施加/緩解狀態

單車LBCU綜合監測保持制動指令與制動缸壓力狀態：

(1)保持制動施加指令(TBM與LBCU判斷)；

(2)保持制動緩解指令(CCU、LBCU或保持制動緩解指令列車線為高電平)；

(3)保持制動施加時制動缸壓力應大于100 kPa。

判斷保持制動施加/緩解狀態，結果通過網絡信號“保持制動施加狀態”反饋給CCU，在HMI顯示。

5.3.2故障診斷

CCU將各車LBCU上報的“保持制動施加狀態”在HMI屏按車顯示，同時為更直觀提示司機保持制動施加狀態，CCU匯總全列“保持制動施加狀態”信號，保持制動施時，施加車輛數量≥規定數量(例如：動車組8輛編組至少7輛車施加保持制動)，則點亮司機臺的保持制動“緩解按鈕”綠色指示燈，代表列車保持制動正常施加，否則閃爍指示燈，代表保持制動施加故障，提示有溜車風險；保持制動緩解時燈滅。

5.4 手動緩解

司機臺設置自復位“保持制動緩解按鈕”，按下按鈕“保持制動緩解指令”列車線得電，為高電平；抬起按鈕自復位，列車線失電變為低電平。當LBCU檢測到“保持制動緩解指令”列車線為高電平時，自動緩解保持制動，按鈕恢復后則依據列車狀態判斷是否自動施加保持制動。

5.5 手動切除

在調試、回送等特殊工況，需切除保持制動自動施加功能，因此在司機室設置“保持制動切除”旋鈕開關，與“保持制動緩解按鈕”串聯控制“保持制動緩解指令”列車線電平狀態，用于切除保持制動自動施加功能。

6 結束語

文中研究的保持制動設計方法、試驗方法、控制信號定義、控制及診斷邏輯已應用于中車長客股份公司新研發的動車組，坡道停放能力、保持制動施加、緩解控制及診斷邏輯通過了相關試驗驗證，滿足整車功能要求。對于動車組和地鐵等電動車組保持制動功能的設計研究具有一定借鑒和指導意義。