350km/h高速貨運動車組制動系統研制

亢磊,劉琨,肖宇,李松,張笑凡,王志龍

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)*

為提高我國貨物運輸能力和效率，形成我國快捷貨運運輸體系，突破時速250 km以上貨運動車組關鍵技術，建立完善的快捷貨運技術標準體系.我國在借鑒350 km/h“復興號”高速客運動車組技術平臺的基礎上，開發了350 km/h高速貨運動車組(以下簡稱：貨運動車組)，完善貨運動車組的開發技術系統平臺，為高附加值產品及電子商務產品的快遞運輸貢獻力量，充分發揮鐵路在綜合交通運輸體系中的骨干和主導作用[1-7].

1 總體概述

貨運動車組借鑒“復興號”客運動車組技術平臺，滿足最高運行速度 350 km/h，最高試驗速度385 km/h，最大軸重17噸，設計壽命為30年的頂層設計要求.能夠在我國既有350 km/h客運專線上進行貨運運營，同時滿足在既有客貨兩用鐵路線上的貨運要求.貨運動車組為 8 輛編組，采用 4 動 4 拖編組方式，劃分為 4 種車型，其中 01、08車為帶司機室的拖車，02、07車為動車，03、06車為帶受電弓的拖車，04、05 車為中間動車，貨運動車組車內設貨物押運人員和機械師工作區、貨倉區以供辦公和載貨的不同需要，其中01、08車采用帶工作區設置的貨車，其余車輛均采用貨車設置(如圖1).

貨運動車組與“復興號”客運動車組相比，具有空重車變化大、大載貨量、運營距離長、地域廣、全天候、中間車無人值守等的運營特點.針對這些運營特點，重新制定并開發了適應貨運動車組的制動系統.

2 制動系統技術要求

2.1 需要解決的技術難題

為保證高速貨運動車組制動系統的安全性、可靠性，系統分析制動系統的技術要求和特點，主要技術難點如下：

(1)為適應滿載貨物和空載時的載荷變化范圍，制動系統設置大范圍的空重車調整功能

貨運動車組空車與重車的重量差值約為120噸，為滿足緊急制動時的制動距離須設置空重車調整裝置，根據車重的變化，實時調整制動力，使動車組按照設置的減速度進行制動.

(2)大載荷量下的基礎制動熱容量加大

貨運動車組運送貨物時需要保持最大載貨量的運營，偶爾會在超重極限工況下運行，當運行速度350 km/h時，要使高速貨運動車組在規定距離內停下，對制動盤的熱負荷能力是一個巨大的考驗.在選擇制動盤時，必須對其熱負荷能力加以考慮，否則將引起制動盤熱裂紋、變形、螺栓斷裂、磨損率高、壽命降低等問題.

(3)防滑控制

由于車輛的大載荷量工況及全天候長距離運營，在不利黏著工況下制動力較大，導致滑行的概率增加，為防止貨運動車組輪對滑行引起擦傷或制動距離增加，需合理設置和優化動車組防滑控制策略和增粘技術.

(4)制動控制部件的操作及遠程控制需求

由于貨運動車組的中間車輛內無人員值守，全部為貨物集裝器，因此制動系統車內隔離操作無法執行，需要采用車下雙側可操作和頭車遠程操作等控制功能.

2.2 頂層技術參數

由于貨運動車組將在高速鐵路上與客運動車組共線運行，制動系統的頂層技術參數需參照“復興號”客運動車組，貨運動車組制動系統主要頂層技術參數見表1.

表1 制動系統頂層技術參數

3 制動系統技術方案

貨運動車組制動系統以成熟的“復興號”客運動車組研發平臺為基礎，針對貨運動車組技術特點而制定的制動系統技術方案.具備較高的安全性、可靠性、可用性、舒適性、環保特性和互換性.

3.1 制動系統設計原則

制動系統主要設計原則如下：

(1)按照“故障導向安全”的原則進行設計；

(2)采用低維修成本的原則設計；

(3)制動指令傳輸采用網絡、硬線指令冗余；

(4)按速度-黏著減速模式曲線控制列車減速或停車；

(5)常用制動和緊急制動EB采用空電復合制動模式.控制策略考慮動力制動優先，盡最大能力充分發揮動力制動作用，降低機械磨耗，只有當動力制動能力不足時，才使用空氣制動；

(6)采用車控方式，具備按列車級進行空電復合制動控制的能力；

(7)采用標準化、系列化、模塊化設計，零部件具有較高的互換性.

3.2 制動系統實施方案

貨運動車組制動系統具有常用制動、緊急制動 EB、緊急制動 UB、乘客緊急制動、停放制動、保持制動、比例制動、清潔制動、防滑控制、車輪不旋轉檢測、沖動限制、制動力分級控制、升弓供風控制、主空壓機控制、撒砂控制、監測、診斷和故障記錄、制動試驗、回送和救援、自動速度控制、休眠控制、參考軸隔離、空氣制動隔離、空簧供風、壓力檢測、制動控制單元供電遠程復位等功能.

3.2.1 制動系統構成

制動系統采用車控架構，由制動指令設備、直通式空氣制動系統、BP救援轉換裝置、風源系統和基礎制動裝置等組成.直通式空氣制動系統由電子制動控制單元 (EBCU)、氣動控制單元(PBCU)、防滑控制單元及附件組成，設備組成及布置見圖2、圖3.

3.2.2 制動系統控制

根據貨運動車組的編組形式，制動系統共用列車成熟穩定的TCN網絡，全列8輛編組分為2個MVB控制單元，單元內的通信由車輛數據總線MVB來完成，單元間的通信由列車總線WTB完成.制動系統的控制架構主要分為三層級，實現制動控制的管理，分別為列車級制動管理TBM(占用端頭車EBCU)、單元級制動管理SBM(頭、尾車EBCU) 和本地級制動管理LBCU(本車EBCU 和動車牽引控制單元TCU).動車組正常運行時，由牽引/制動手柄、車載列車控制系統、列車網絡控制系統發出的制動指令，通過硬線或網絡傳輸到所有車的EBCU中，TBM對制動指令解析計算后，通過WTB/MVB發送給SBM，SBM將制動力控制指令通過MVB發送給單車LBCU，其中動車的LBCU將電制動指令發送給TCU，TCU控制輸出電制動力，各車LBCU根據TBM的制動力需求指令和單元內各車空氣制動能力等信息，計算并控制施加空氣制動力，LBCU通過激活氣動制動控制單元(PBCU)的電空轉換閥進行預控空氣壓力的控制，并供給中繼閥，經中繼閥作用后的壓力空氣通過防滑閥到達制動缸形成空氣制動力.網絡控制構架和控制框圖見圖4、圖5.

3.2.3 安全性保證

緊急制動的觸發是動車組安全停車的保證，緊急制動的觸發和緊急制動距離符合設計要求.貨運動車組的緊急制動采用緊急制動EB和緊急制動UB，并設置列車安全環路硬線，通過對安全環路和列車線的控制觸發相應的緊急制動實現故障導向安全的設計準則[8].

(1)緊急制動EB

緊急制動EB是制動系統設備正常情況下施加的緊急制動，按定義的減速度模式曲線控制方式控制.緊急制動EB 時，空氣制動隨時與電制動進行自動配合，能充分利用電制動.緊急制動EB的觸發條件：司機手柄在緊急制動EB 位；列車運行時停放制動意外施加；乘客緊急制動請求觸發；司機警惕裝置觸發；車載地震緊急處置裝置觸發.司機手柄或乘客緊急制動觸發的緊急制動EB，司機通過操作可以隨時緩解.其它條件觸發的緊急制動EB，均采用零速聯鎖.

(2)緊急制動UB

緊急制動UB是在緊急制動UB安全環路失電時直接控制緊急制動電磁閥實施的緊急制動.緊急制動UB采用零速聯鎖.緊急制動UB的觸條件為：車載列車控制系統(ATP)觸發；列車分離；緊急制動UB安全環路斷開或失電；列車失電；按下緊急制動按鈕(蘑菇頭)；緊急制動EB減速度不足；被救援時BP救援轉換裝置壓力開關動作.

(3)安全環路及列車線控制

制動系統可接收緊急制動EB和緊急制動UB環路失電指令.制動控制模塊的制動缸壓力開關接入制動緩解環路中，當空氣制動施加時，制動緩解環路失電，表示空氣制動施加狀態.制動控制模塊的停放制動控制模塊的雙脈沖電磁閥接收來自停放制動施加指令線和停放制動緩解指令線信號，執行停放制動的施加和緩解指令，EBCU可輸出停放制動監控環路斷開的硬線指令.各車EBCU可接收來自保持制動緩解列車線的緩解指令(見圖6).

3.2.4 空重車調整

貨運動車組各車PBCU內設置有空重車調整閥和空簧壓力傳感器，EBCU通過壓力傳感器采集兩個轉向架的空簧壓力值，并根據空簧壓力特性曲線實時計算車輛重量.常用制動和緊急制動EB時，制動系統根據車輛重量結合制動級位實時修正空氣制動力和電制動力以滿足減速度要求，通過控制EP閥輸出所需預控壓力Cv1；緊急制動UB時，安全環路斷開緊急電磁閥失電，空重車調整閥根據空簧壓力反饋值，按照空簧壓力、車重以及緊急制動單車所需減速度值設定好的閥特性曲線輸出緊急制動UB所需預控制壓力Cv2(見圖7).空重車的檢測能力以及壓力控制范圍可以滿足高速貨運動車組從空車到超載時的變化范圍.保證制動力滿足減速度及制動距離的要求.

3.2.5 大熱容量的基礎制動

為滿足最大載貨量及超載余量的要求，按照滿軸重17噸，初速度350 km/h的熱容量要求，制動盤在“復興號”客運動車組基礎進行試驗驗證，對制動盤進行相關型式試驗.輪盤采用鍛鋼材料，力學性能更加優異；同時優化夾鉗單元結構，受力部件尺寸加大提高強度，制動缸體更加緊湊節省空間(如圖8).相關試驗結果見圖9.

3.2.6 防滑控制

貨運動車組的防滑控制裝置承擔電制動防滑和空氣制動防滑控制功能.在車輛制動狀態下，當EBCU檢測到車輪出現滑行時，針對電制動，EBCU會通過減少電制動信號使TCU按照百分比減少電制動力實現防滑控制；針對空氣制動，EBCU會通過防滑排風閥的保壓、排風動作減少滑行軸的制動力，進行防滑控制，避免軸抱死并在低黏著條件下最大利用和改善黏著，實現制動力充分發揮縮短低黏著條件下的制動距離.為保證防滑功能故障工況下的制動安全距離要求，防滑控制按照UIC541-05標準規定了防滑控制時間.貨運動車組的防滑控制功能由我國自行設計的最新型動車組的滑行檢測方法、防滑控制方法、安全導向控制、軸不旋轉冗余檢測、增粘控制方法等控制策略，通過半實物的硬件在環仿真測試技術進行防滑系統的開發和優化，并通過高速線路試驗驗證了高速列車防滑系統的有效性和可靠性[9-10].防滑控制部件組成見圖10.

3.2.7 制動控制部件的操作及遠程控制需求

由于貨運動車組中間車無人值守，因此制動系統相關操作需要在車下雙側均可執行，同時在列車運行過程可通過遠程操作功能實現相關操作.

(1)空氣制動和停放制動的隔離在車輛車下兩側均可操作，兩側均設置了空氣制動和停放制動的隔離塞門.

(2)司機室遠程空氣制動隔離功能

貨運動車組單車空氣制動切除，可以通過HMI監控屏遠程實現，在HMI監控屏設置單車空氣制動切除界面，可選擇車輛進行單車空氣制動切除和復位，CCU根據選擇的車輛通過單車I/O信號控制本車空氣制動切除繼電器，控制PBCU內遠程空氣制動緩解電磁閥得電和失電，實現單車空氣制動的切除和復位.

(3)制動控制單元供電遠程復位等功能

為解決因電磁干擾等原因造成EBCU通訊或信號異常時，貨運動車組無法在相應車輛內對單個EBCU供電空開進行斷電復位的操作，在HMI監控屏上設置BCU斷電復位操作界面，可實現單車EBCU的斷電復位操作.當從HMI監控屏上選擇單個BCU時，CCU通過單車DO輸出高電平，控制單車EBCU復位繼電器實現EBCU斷電，延時一定時間后，EBCU斷電指令消除，恢復EBCU得電.

4 相關計算

4.1 制動計算

4.1.1 制動減速度的設定

貨運動車組制動系統各級制動減速以“復興號”客運動車組為基礎，根據黏著系數及制動距離的要求，緊急制動減速度設置不超過TSI干軌的黏著限制，緊急制動距離滿足頂層設計參數要求，緊急制動UB時采用高低階壓力控制；常用制動設置為1～7N級減速度.減速度曲見圖11.

4.1.2 緊急制動距離計算

根據減速度曲線進行緊急制動EB、緊急制動UB、停放制動能力和保持制動能力計算.緊急制動均能滿足緊急制動距離要求，停放制動滿足滿軸重時20‰坡道的停放能力，具有1.2倍的安全系數.

(1)制動距離S計算：

(1)

式中：Vk為離散化速度；k為離散點編號；Ns為離散點數量；V0為制動初速度；tU_Max為制動缸升壓時間tu和沖動限制要求的升壓時間tu_I中取大值.

制動距離計算結果如表2所示.

表2 制動距離 m

(2)停放制動能力計算：

停放制動防滾安全系數公式：

δ=FPB(i)/F(i)t_R

(2)

式中：FPB(i)為第i個車的停放制動力；F(i)t_R為第i個車的坡道下滑力；

(3)

式中：RF為制動盤摩擦半徑；DW_N為車輪直徑；FN_PB為停放制動夾鉗閘片與制動盤的接觸力；Np(i)為車輛停放夾鉗數量；ξ0為靜態摩擦系數.

(4)

式中：M(i)為車輛重量；ip為坡道坡度；Cw為風阻系數；Vw_max為最大風速；NV為車輛編組數.

根據上述公式計算，車輛及列車在滿軸重工況下的停放制動安全系統見表3.

表3 停放制動能力

4.2 耗風量計算

根據貨運動車組各耗風設備(如制動系統、門系統、高壓系統等)的用風特性和空壓機能力，計算運營過程中空壓機的工作時間、工作率.貨運動車組在03、06車各配置一臺排量為1 300 L/min的螺桿式壓縮機，滿足總風工作壓力800～950 kPa.根據計算空壓機循環工作次數為4.5 次/h，工作率約為31.2%，列車含空氣彈簧的初充風時間為14.48min.

4.3 制動盤熱負荷計算

根據緊急制動減速度要求，對滿軸重工況下的制動盤熱容量進行計算，熱容量滿足要求均未超過700℃.在350 km/h初速度下，連續兩次緊急制動UB時的輪裝制動盤最高盤溫為577℃，軸裝制動盤最高盤溫為639℃；在350 km/h初速度下，連續兩次緊急制動EB時的輪裝制動盤最高盤溫656℃，輪裝制動盤最高盤溫為623℃.

5 樣車試制及調試

貨運動車組已經完成樣車的試制和相關調試工作，性能狀態良好，后續將逐步開展正線型式試驗來驗證整車性能.調試內容如下：

(1)單車靜態測試主要完成制動控制裝置屏蔽接地性能檢查、輸入輸出接口檢查、摩擦制動測試、防滑測試、撒砂功能測試、停放制動測試、供風與懸掛裝置測試、基礎制動測試、回送裝置屏蔽接地性能檢查、輸入輸出接口檢查、氣密性測試、主供風單元檢查、輔助供風單元檢查.

(2)整列靜態測試主要包括輔助空壓機及升弓控制、空壓機控制、充風時間測試、空簧壓力檢測、保持制動功能測試、比例制動功能測試、停放制動功能測試、安全環路檢測、常用制動測試、清潔制動測試、撒砂控制測試、遠程緩解測試、BCU供電復位測試、制動試驗測試、救援回送測試、氣密性測試、故障模擬試驗和休眠模式測試.

(3)整列低速動態試驗主要包括制動試驗測試、保持制動指令測試、電空配合試驗、最大常用制動試驗、緊急制動EB試驗、緊急制動UB試驗、保護功能試驗、清潔制動試驗、比例制動試驗、機車救援列車管保壓試驗.

6 結論

貨運動車組的制動系統完全由我國自主設計和制造，解決了相關技術難題，實現了貨運動車組制動力針對大范圍變化的空重車的調整功能、加大了大載荷量下的基礎制動熱容量、開發高性能防滑控制系統以及為節省貨運空間而實現了相應的遠程控制功能.

貨運動車組樣車將開展一系列的型式試驗和運用考核工作，制動系統將迎來進一步的考驗，這一過程將逐步積累適合貨運動車組制動系統技術的不斷提高，相信在不久的將來，隨著我國的快捷貨運運輸體系的建立和完善，高速動車組的制動系統技術會不斷的提升.