CRH380BJ-A型高寒綜合檢測列車制動系統研制

亢 磊，李宏偉，喬 峰，劉 琨，呼功崛，周春梅

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

CRH380BJ-A型高寒綜合檢測列車(以下稱高寒檢測列車)是為滿足我國高寒低溫地區時速350 km線路檢測維護需要設計的，該車作為目前世界上真正意義的具備高寒地區時速350 km運營經驗的、檢測項點齊全的、檢測精度高的綜合檢測列車，對保證高寒地區軌道設備設施的正常檢測具有無可替代的作用。本文將根據高寒檢測列車技術指標和檢測設備功能的技術要求，詳細介紹制動系統的研制方案、功能組成、控制功能原理、設計計算和試驗驗證等內容。

1 系統配置及參數

高寒檢測列車為8輛編組，滿足檢測系統和檢測人員生活工作的功能需求。其中01/03/06/08車為動車，02/04/05/07車為拖車，每輛車配置一個制動控制模塊。01/08車的1軸和03/06車的1軸、4軸配置撒砂裝置；03/06車各配置一個主供風單元；02/07車各軸設置停放制動裝置，各配置一個輔助供風單元，且3軸為按運行方向的常用制動隔離軸；04車的2軸為常用制動隔離軸，4軸采用無制動力的輪軌力檢測輪對。圖1為高寒檢測列車制動系統裝置配置圖。

圖1 高寒檢測車制動系統裝置配置圖

高寒檢測列車最高持續檢測運行速度為350 km/h，最高試驗檢測速度為380 km/h，滿足低溫-40 ℃的檢測環境，最大常用制動減速度0.8 m/s2，緊急制動減速度1.0 m/s2，制動沖動極限0.75 m/s3，各初速度等級的緊急制動(EB、UB)距離滿足表1要求。

表1 各初速度等級緊急制動距離要求

制動系統遵守“故障導向安全”的多級冗余設計原則，采用了由微機控制的直通電空(EP)制動和制動管(BP)控制的間接制動構成的空氣制動系統，同時制動系統與牽引系統相結合實現動力制動的電制動功能。

2 系統組成

高寒檢測車制動系統主要由制動及防滑控制系統、供風系統、基礎制動裝置組成，主要實現常用制動、緊急制動EB、緊急制動UB、停放制動、乘客緊急制動、防滑控制及軸抱死檢測、備用制動和回送救援、壓縮機供風控制管理、撒砂控制等控制功能。

2.1 制動及防滑控制系統

制動及防滑控制系統主要由電子制動控制單元(EBCU)、氣動制動控制單元(PBCU)及相關功能氣路控制模塊組成，實現制動系統的功能控制、故障診斷等功能，通過TCN列車網絡實現分層控制管理，通過硬線及網絡接口實現制動控制信號的采集、邏輯運算控制及診斷。

(1) 制動及防滑控制系統網絡拓撲圖如圖2所示。制動及防滑控制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，單元間的通信通過網關(GW)由列車總線WTB完成。

圖2 制動及防滑控制系統網絡拓撲圖

(2) 制動及防滑控制系統控制架構如圖3所示。構架主要分3個層級實現制動控制的管理，分別為列車制動管理、單元制動管理和本地制動控制[1]。

圖3 制動及防滑控制系統控制架構圖

列車制動管理器(TBM)由占用端頭車EBCU擔當，且EBCU1.1和EBCU1.2冗余，主要用于制動管理、主供風單元管理、制動試驗和制動管充風管理。

01/08車的EBCU作為單元制動管理器(SBM)進行本MVB單元的管理，且EBCU1.1和EBCU1.2冗余，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、每個牽引控制單元(TCU)最大可用電制動力、每車的車重等信息，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和TCU。

本車EBCU作為本地制動控制單元(LBCU)實現對本車的制動控制、防滑控制和故障診斷等功能，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將信息發送至SBM，同時接收SBM發送的制動指令，實現本車的制動控制。

(3) 制動控制系統與制動環路和列車指令線接口如圖4所示[2]。制動系統通過電氣接口接收和發送制動指令和制動狀態信號，實現制動系統基本的功能控制。制動控制系統的主要電氣接口分為硬線信號接口和網絡信號接口。

圖4 制動控制系統與制動環路和列車指令線接口

制動控制系統與司機制動手柄接口包括常用制動子模式開關量信號和制動指令模擬量信號，司機制動手柄輸出信號由指令轉換模塊采集并通過CAN總線發送給TBM。制動控制系統與列車安全環路和列車指令線存在指令接口，根據列車安全環路狀態和指令線信號的定義進行相應級別制動的施加和緩解。

制動控制系統與TCU之間的硬線信號為ED電制動激活信號。

制動控制系統與列車網絡CCU通過單元MVB和WTB總線協議實現網絡接口信號的傳輸，網絡接口信號包括狀態信號、指令信號等，實現制動系統控制和診斷信息交互功能。

2.2 風源系統

風源系統包括主供風系統和輔助供風系統。

(1) 主供風系統由2套主供風單元組成，全部供風單元工作時可以提供2 496.0 L/min壓力空氣。計算所得的最大用風量為1 117.1 L/min，可以滿足制動系統及其他用風系統(門、衛生間、空調、受電弓、空氣彈簧等)的需求。制動控制系統通過網絡和硬線指令對主供風單元進行管理控制。

(2) 輔助供風系統是在動車組總風壓力不足且車輛無中壓供電導致主供風單元無法啟動時，通過蓄電池DC 110 V電源啟動輔助空壓機對受電弓、主斷路器、車頂隔離開關供風，使高壓系統正常工作實現供電，制動控制系統負責對輔助供風單元進行控制。

2.3 基礎制動裝置

高寒檢測車每個動軸上配備了2套輪盤式基礎制動單元，每個拖軸上配備了3套軸盤式基礎制動單元。每個基礎制動單元由制動盤、夾鉗單元和閘片構成。

(2) 制動夾鉗單元主要包括常用制動夾鉗單元和帶停放制動缸的夾鉗單元，為適應高寒風雪環境需要，夾鉗單元與制動盤間隙加大為3～6 mm，制動缸增加安全閥裝置，杠桿螺栓增加快速注油脂裝置。

(3) 制動閘片采用大間隙粉末冶金閘片，摩擦粒子為浮動式結構，能夠提高盤片接觸均勻性，使制動盤各部分熱負荷更加均勻，同時增加了摩擦塊之間的間隙尺寸，防止摩擦碎屑和冰雪雜質在摩擦塊之間的堆積。

制動盤及閘片可以滿足動車組連續兩次從400 km/h初速度下的緊急空氣制動要求，根據熱容量計算,制動盤的最高溫度低于700 ℃。

3 制動系統控制功能

3.1 常用制動

常用制動按照制動級別的模式曲線進行控制，包括直通電空制動(EP制動)和動力制動(ED電制動)，在動軸上優先施加電制動，盡量降低EP摩擦制動的磨耗。在某種制動指令、負載條件和速度下，電制動可以在沒有其他制動支持的情況下獨立滿足制動要求。如果電制動力不足，在拖軸上施加EP制動。當在動軸的電制動不能使用時，則動軸采用空氣摩擦制動代替。當列車速度小于16 km/h時，進行空電轉換，使所有軸均施加摩擦制動[3]。

常用制動指令來自制動手柄和CCU，由TBM接收和計算，通過MVB/WTB網絡實現列車級的制動力分配。其中來自CCU的指令包括自身用于限速控制的常用制動指令、自動速度控制(ASC)的常用制動指令以及通過CCU轉發的列車安全控制系統(ATP)的常用制動指令。

常用制動分為正常制動模式、比例制動模式和雪天制動模式。正常制動模式時，優先在動軸施加ED電制動，其次在拖軸上施加EP電空制動，當制動力要求值進一步增加時，動軸在電制動的基礎上額外施加EP空氣制動；比例制動模式是為了在所有軸上達到相同的黏著系數，在不利黏著的情況下，制動效果可以得到很大改善；雪天制動模式是為了在冰雪天氣下清除和清掃制動盤上的冰雪，在列車所有軸上施加相同持續的微小摩擦制動力。

由于04車2軸設置軌道檢測梁裝置，為避免常用制動時車軸產生振動而影響軌檢設備的檢測效果，在04車2軸的常用制動控制中增加了軸制動隔離功能。當施加常用制動時，隔離模塊電磁閥得電，通過總風管的隔離控制風壓驅動氣控閥隔離2軸制動缸壓力，通過排風口將2軸制動缸內的風壓排空，實現隔離保證軌檢設備的正常檢測。為保證緊急制動距離要求，在緊急制動時隔離功能不啟用。

3.2 緊急制動EB

緊急制動EB觸發源包括司機制動手柄置EB位、停放制動意外施加停放監控環路斷開、司機警惕裝置ASD和CCU觸發等，本車LBCU通過緊急制動EB環路斷開指令和CCU網絡指令冗余執行緊急制動EB。通過司機制動手柄施加的緊急制動EB 可直接通過手柄進行緩解，其余方式觸發的緊急制動EB 均為零速聯鎖。緊急制動EB過程中，本車LBCU 進行單車制動控制，按預設的速度模式曲線進行制動力控制，動車和拖車均切換至高階制動壓力狀態，動車優先使用電制動，不足部分由本車空氣制動補充，拖車僅施加空氣制動。

LEC作為一種作業條件危險性評價方法，簡單實用，通過LEC評價，可以量化確定城南污水廠工程建設過程中各類有害因素可能造成的潛藏禍患程度。其中，L、E、C分別代表3個自變量，D為因變量：

LBCU在緊急制動EB過程中監控車輛減速度。當本車LBCU檢測到減速度不足時，向SBM發送“減速度不足”MVB信號，TBM綜合各SBM的減速度不足網絡信號發送“減速度不足”的硬線信號，斷開緊急制動UB環路。

3.3 緊急制動UB

緊急制動 UB 觸發源包括司機制動手柄置于UB 位、按下緊急制動按鈕、轉向架監控環路斷開、ATP 和CCU觸發等。如圖5所示，緊急制動UB觸發時，緊急制動UB環路斷開的同時CCU通過MVB/WTB網絡冗余要求LBCU激活直通制動充排風電磁閥冗余輸出緊急級別預控壓力。

圖5 緊急制動UB氣路控制圖

緊急制動 UB 時，如電制動可用，將參與制動以減小機械磨損。無論電制動是否可用，緊急制動距離均滿足要求。為充分利用黏著并防止制動盤熱容量超標，緊急制動UB 時實行空氣制動力分級控制，即在相同的預控壓力條件下，高速時施加低階空氣制動力，低速時施加高階空氣制動力，其中動車高低階壓力切換點由車速(80 km/h、255 km/h)和電制動力是否可用確定，拖車高低階切換點由車速(300 km/h)確定。

緊急制動UB時，每個車的直通制動緊急制動電磁閥B60.03通過緊急制動UB環路斷開得電，使制動缸風壓直接產生中繼閥B60.07所需的預控制壓力Cv，直通制動充排風電磁閥B60.02-1產生冗余的緊急制動預控制壓力Cv，制動管通過得電的緊急制動排風閥完全排風，通過備用間接制動冗余產生緊急制動的預控制壓力Cv，同時司機制動手柄、緊急制動按鈕觸發時均可使制動管直接排風[4]。

3.4 停放制動

02/07車每軸設置一個停放制動缸，可保證列車長時間安全地停放在20‰的坡道上，并具有1.2倍的安全系數。司機通過施加停放制動按鈕和緩解停放制動按鈕激活列車指令線來實現停放制動的施加和緩解，在列車整備模式或等待連掛模式時，CCU可以激活停放制動施加列車指令線實現停放制動的自動施加，停放制動施加或緩解后，停放施加或緩解按鈕指示燈由SBM相應控制點亮。

制動控制系統對停放制動進行監控，避免列車運行時停放制動意外施加。本車LBCU通過停放制動缸壓力傳感器對本車停放制動狀態進行監控，當車輛速度大于3 km/h檢測出停放制動施加時，本車LBCU將斷開停放制動監控環路間接斷開緊急制動EB環路，列車施加緊急制動EB，同時LBCU通過MVB/WTB 傳達列車運行時停放制動施加信息至TBM，TBM可通過MVB/WTB網絡冗余施加最大常用制動。

3.5 乘客緊急制動

乘客緊急制動觸發源為乘客緊急制動手柄。操作乘客緊急制動手柄將斷開乘客緊急制動環路(PEBL)，TBM 監測PEBL狀態并控制施加乘客緊急制動。操作乘客緊急制動手柄后，該信號將同時發送至本車LBCU，本車LBCU 將手柄操作狀態通過WVB/WTB網絡報送至TBM，TBM 根據車LBCU 上報狀態同樣會控制施加乘客緊急制動。

TBM接收到乘客緊急制動請求，將立刻施加最大常用制動。乘客緊急制動施加司機室會產生聲光報警信號。司機將制動手柄置于OC 位可隨時緩解乘客緊急制動，聲音報警信號將消除，當列車停止，乘客緊急制動手柄恢復后，光報警信號將消除。

3.6 防滑控制及軸抱死檢測

高寒檢測車每個軸都安裝有符合UIC標準的防滑保護裝置，實現列車的防滑保護功能，有效防止車輪擦傷，提高黏著利用率，每車LBCU通過接收來自每個軸的速度傳感器檢測的速度信號，對每個軸的速度和減速度進行監測，空氣制動防滑由本車LBCU進行控制，動車的電制動防滑由TCU進行控制。防滑控制裝置利用采集到的速度傳感器信息計算速度、減速度，并結合相應判據進行防滑控制。防滑控制模塊主要有速度、減速度、參考速度計算，滑行判斷，防滑控制、防滑閥輸出超時保護，電制動減量控制等功能。

每輛車均設置相互獨立的、冗余的不旋轉軸檢測裝置(DNRA)，符合UIC標準，動車的軸抱死功能分別由制動系統和牽引系統完成，拖車軸抱死功能由制動系統EBCU1和EBCU2分別完成。車輛DNRA檢測到某一根軸的速度與參考速度的差值達到設定值并滿足持續時間時，則認定該軸抱死，并將DNRA 監測信息發送至MVB，CCU根據DNRA檢測狀態觸發列車最大常用制動并使列車自動限速40 km/h運行。

3.7 備用制動及回送救援

如果直通電空制動發生故障，列車可啟動備用制動繼續運行，備用制動采用分配閥控制模塊實現階段制動和升壓一次緩解功能，在備用制動啟動后，通過備用制動控制模塊和備用制動手柄控制制動管的減壓量來控制制動力的大小，并要求列車限速80 km/h運行。回送救援時，通過機車進行制動管的減壓控制，實現列車的階段制動和升壓一次緩解功能。備用制動激活后，直通制動和電制動將不能使用。

3.8 供風單元控制管理

TBM負責列車主空壓機控制，保證總風風壓在850～1 000 kPa的正常工作范圍內，滿足制動系統和其他系統的用風需求。列車配置有2套主供風單元，制動控制系統對主空壓機分3種模式控制。

(1) 正常模式：當總風風壓降到850 kPa時，TBM激活首選主供風單元進行供風，當總風風壓降低到830 kPa時，TBM激活第二個主供風單元進行供風，當總風風壓降低到800 kPa時，TBM激活2套主供風單元錯峰啟動供風。

(2) 緊急驅動模式：如TBM對供風單元管理失效或網絡通信故障列車進入緊急驅動模式，供風單元控制采用緊急驅動模式，LBCU進行本車供風單元控制，通過壓力傳感器檢測到總風壓力小于780 kPa，控制本車供風單元啟動，當總風壓力大于1 030 kPa，控制本車供風單元停機。

(3) 測試模式：在制動試驗中，TBM會根據試驗需要通過SBM控制相應單個供風單元啟動。

輔助供風單元包括輔助空壓機，當總風壓力不足時，用于保證動車組正常升弓。輔助空壓機供電正常條件下，CCU通過網絡發送輔助空壓機控制使能信號，由LBCU控制輔助空壓機啟停。如輔助空氣壓力低于550 kPa，則控制輔助空壓機啟動；如輔助空氣壓力高于700 kPa，LBCU 控制輔助空壓機停機。為防止輔助空壓機頻繁啟停，當90 min內輔助空壓機啟動次數超過2 次或運行時間超過10 min，本車LBCU在90 min內不啟動輔助壓縮機。

3.9 撒砂控制

為改善輪軌黏著條件，提高牽引制動性能，高寒檢測車的01/08車1 軸，03/06 車1軸和4軸均安裝有撒砂裝置。當01車為主控端時，01車1軸、03車4軸和06車1軸撒砂功能有效；當08車為主控端時，08車1軸、06車4軸和03車1軸撒砂功能有效。

司機通過操作司機臺撒砂開關手動控制列車撒砂，當撒砂開關撥至全輪對撒砂位時，CCU將撒砂指令和列車行駛方向信息通過列車網絡發送至各動車LBCU，由動車LBCU根據運行方向控制本車撒砂裝置撒砂；當撒砂開關撥至前輪對撒砂位時，占用端頭車LBCU控制本車撒砂裝置進行撒砂。

制動控制系統具備自動撒砂功能，動車LBCU在兩種情況下激活自動撒砂：一是檢測到本車空氣制動嚴重滑行，二是TCU通過MVB通知LBCU檢測到電制動發生滑行或牽引發生空轉。

4 制動計算

根據既有平臺動車組，針對高寒檢測車4車4軸為測力輪對，不施加空氣制動，需要將損失的制動力重新分配，按照各級制動減速度要求適當增加各車的制動力。緊急制動時，通過重新設定動車和拖車的空重車調整閥DBV曲線，將動車和拖車的制動力都適當增加，滿足緊急制動距離要求，空重車調整曲線及緊急制動減速度曲線(不帶風阻)見圖6。

圖6 空重車調整曲線及緊急制動減速度曲線(不帶風阻)

根據上述減速度的定義和列車風阻減速度進行緊急制動EB、緊急制動UB的制動距離S計算，計算結果均能滿足緊急制動距離要求。計算公式為：

式中：vk——離散化速度；

k——離散點編號；

Ns——離散點數量；

v0——制動初速度；

tU_max——制動缸升壓時間tu和沖動極限要求的升壓時間tu_I中取最大值。

制動距離計算結果如表2所示。

表2 緊急制動(UB、EB)制動距離 m

5 試驗及結論

2016年4月高寒檢測車在中車長客股份公司生產下線，為保證列車制動系統性能，從生產到正式交付運營過程中進行了一系列的調試試驗工作，包括制動系統整列靜態、動態調試，試驗環線及高速客運專線試驗段的制動系統功能驗證測試，制動系統型式試驗，以及制動系統故障模擬等試驗，所有試驗結果均滿足試驗大綱及設計要求。高寒檢測車先后多次在大西高鐵、鄭西高鐵、哈大高鐵、京沈高鐵等高速客運專線上承擔了檢測任務。高寒檢測車的試驗和運用實踐證明，該車制動系統性能穩定，滿足設計指標要求，為今后研制更加先進的高寒高速檢測列車制動系統積累了寶貴的經驗。