朱立强1 郭小行 张义文 曲秋芬
中车唐山机车车辆有限公司河北唐山063000
摘要：制动控制系统是制动系统中的核心组成部分，在由司机或列车自动控制系统ATP控制的制动过程中负责生成、传递制动信号，并对制动力进行计算和分配的部分。本文主要介绍了CR300BF型动车组制动控制系统功能需求、实现原理、制动校核计算等方面的内容。
关键词：CR300BF动车组，制动控制系统，紧急制动EB，紧急制动UB
随着中国对铁路建设的投入不断加大，中国高速铁路的里程不断增长，因此，对动车组的需求不断增加，对车辆的性能也提出了不同的要求。2017年在中国铁路总公司的领导下，四方股份和长客股份分别牵头，其他主机厂参与设计了时速250公里中国标准动车组，即CR300型动车组，分为CR300AF和CR300BF型，目前样车已经下线，完成了型式试验。
制动系统作为动车组九大关键系统，它的性能好坏与列车的运营安全息息相关。制动控制系统是制动系统的核心部分，在由司机或列车自动控制系统ATP控制的制动过程中，负责生成、传递制动信号，并对制动力进行计算和分配。制动系统具有常用制动、紧急制动EB、紧急制动UB、乘客紧急制动、停放制动、保持制动、清洁制动等主要功能。
下面针对CR300BF型动车组制动控制系统的功能需求、实现原理、制动校核计算等方面进行介绍。
1 功能需求
1.1常用制动
常用制动时制动系统进行列车空电复合制动控制，按速度模式曲线控制方式实施制动控制。列车正常运行时，制动系统根据司机控制器、列车运行控制系统等给出的制动指令进行制动施加和缓解。制动系统能使空气制动随时与再生制动进行自动配合，实现空电复合制动，优先采用再生制动，再生制动力不足时，由空气制动补充。
1.2紧急制动 EB
紧急制动EB是在制动系统设备正常情况下实施的紧急制动，按速度模式曲线控制方式实施制动控制。紧急制动EB时，制动系统使空气制动随时与再生制动进行自动配合，实现空电复合制动，充分利用再生制动。紧急制动EB时，制动系统具有制动力不足检测功能，能以硬线形式输出检测结果。当司机控制器在紧急制动EB位、乘客触发乘客紧急制动设施、列车非静止条件（速度>5km/h）下停放制动意外施加、司机警惕装置触发紧急制动请求以及车载地震紧急处置装置触发紧急制动请求时，制动系统实施紧急制动EB。当司机控制器或乘客紧急制动设施触发的紧急制动EB指令解除后，紧急制动EB可以缓解。其他情况触发的紧急制动 EB，在列车完全停止前不允许缓解紧急制动EB。
1.3紧急制动 UB
紧急制动UB是在紧急制动UB安全环路失电时控制紧急制动电磁阀实施的紧急制动。在发生列车运行控制系统触发列车紧急制动、列车分离、紧急制动UB 安全环路断开或失电、列车失电、按下司机室紧急制动按钮、紧急制动EB 制动力不足、被救援时BP 救援转换装置压力开关动作的情况下，列车应实施紧急制动UB，并且在列车完全停止前不允许缓解。紧急制动UB通过独立的紧急制动安全环路实施，直接作用于紧急制动电磁阀。紧急制动电磁阀采用失电制动的控制形式。当实施紧急制动UB时，各车 EBCU 通过直通电空制动装置施加冗余的预控压力。紧急制动UB施加时，满足干燥的平直线路上的紧急制动停车距离要求。
1.4 其他制动功能
除常用制动和紧急制动外，制动系统还包括乘客紧急制动、保持制动、清洁制动等功能，其气路实现原理和执行方式基本和常用制动及紧急制动相同。
2 实现原理
为实现制动系统的功能，需要在电气原理方面和气路原理方面进行设计，下面从电气原理和气路原理分别介绍。
2.1 电气原理
动车组制动力由空气摩擦制动和再生制动提供，由制动控制单元(BCU)和牵引控制单元 (TCU)负责控制空气摩擦制动和再生制动的实施。
制动系统共用列车 TCN 网络，全列 8 辆车共分为 2 个牵引单元，在一个牵引单元(4 辆车)内的通信由车辆数据总线 MVB 来完成，单元间的通信由列车总线 WTB 完成。CCU 与 TCU 和 BCU 之间均采用 MVB 进行通信，TCU 和 BCU 之间采用 MVB 通信和硬线通信(仅提供电制动状态)，如图1所示。
制动系统具有列车级主控功能，实现全列车制动力管理、分配和计算，列车级主控功能满足冗余要求。列车中的每个 MVB 网络单元(2动2拖)内具有单元主控功能的EBCU，进行 MVB 网络单元内的制动力管理、分配和计算，单元主控功能满足冗余要求。
图1 制动系统TCN网络结构
此外，为了保证当列车通信网络故障时，仍可维持动车组有限制地运行，牵引/制动手柄的7个级别的制动指令也通过列车硬线传送到列车中所有车辆的制动控制单元，此时将仅施加空气制动。同时该车型还开展了以太网控车研究，设置以太网，通过以太网实现列车的控制，制动系统的以太网所有信号与MVB信号名称相同，仅通讯网址变化，以太网和MVB是冷备状态，如需切换需要更改软件中的相应变量实现。
2.1.1常用制动
常用制动是列车在正常运营过程中，司机施加用于列车调速及到站正常停车，分为1~7级，按照设置好的减速度曲线实行。
1）制动指令发出
列车正常运行时，牵引/制动手柄、车载列车控制系统、列车网络控制系统发出制动指令。由牵引/制动手柄发出的制动指令通过硬线传输到所有车的EBCU中， 头车两个冗余的 EBCU对制动指令解析计算后，由主EBCU(TBM)发出制动指令。由车载列车控制系统、列车网络控制系统发出的制动指令通过MVB发送给主控端头车两个冗余的EBCU，两个冗余的EBCU均对制动指令进行解析和运算，由主EBCU发出制动指令。
2）制动指令传输
由主EBCU发出的制动指令通过WTB/MVB发送给单元级主控EBCU，单元级主控EBCU将制动指令通过MVB发送给单车EBCU，单车EBCU 再将再生制动指令发给本车TCU，如图2所示。
图2 制动指令传输
3）制动力混合原则
常用制动时进行列车空电复合制动控制，按速度模式曲线控制方式实施制动控制，制动过程中空气制动随时与再生制动进行自动配合。其策略如下：
a）动车组制动力的补偿在全列车范围内进行；
b）优先采用再生制动，再生制动力不足时，由空气制动补充；
c）优先采用拖车的空气制动，制动力仍然不足时，将在动车上施加空气制动；
d）部分再生制动失效时，如果列车内其他车的再生制动仍有余量，由其它动车的再生制动进行补充，如果所有的再生制动用足的情况下仍不能满足，将先由拖车的空气制动进行补充，如果拖车的空气制动力仍不能满足要求，将由动车的空气制动进行补充。
4）单车制动控制
单车 EBCU 在接收到制动指令后，将再生制动力设定值发送给本车 TCU，空气制动力设定值转化为预控压力，EBCU通过控制模拟转换阀调节预控压力 CV，预控压力经中继阀流量放大后生成制动缸压力，实施摩擦制动。
2.1.2紧急制动
紧急制动主要是在紧急的情况下，使列车能快速地停车，保证列车的运营安全，根据运用需求及具体工况的不同分为紧急制动EB和紧急制动UB。
紧急制动EB
设置紧急制动EB环路，将制动手柄EB位、ASD（死人装置）状态继电器和停放制动环路状态继电器串入紧急制动EB环路，在司机室的故障面板上设有紧急制动EB故障隔离开关，每个车设有紧急制动EB环路旁路继电器（该继电器由CCU（列车控制单元）控制）。
1） 紧急制动UB
设置紧急制动UB环路，将紧急制动蘑菇头触点、转向架监控环路状态继电器、ATP（列车自动保护）紧急制动触点等串入紧急制动UB环路。紧急制动UB的触发源为：BML（转向架监测回路）、紧急制动蘑菇头按钮、ATP（列车自动保护）、EB自动转换UB、紧急牵引模式下的ASD和紧急制动EB旁路后的EB触发源。
2） 紧急制动EB转UB
由于存在紧急制动EB减速度比预设的减速度小的可能，为提高动车组的安全性，需要实现EB转UB的功能。每个牵引单元的主BCU对本单元车辆的减速度进行监控，如果在紧急制动EB被触发后，且主BCU监控到紧急制动EB减速度与预设定值相比超出偏差限值时，主BCU会自动闭合紧急制动EB减速度监控硬线触点，导致紧急制动UB环路断开，触发紧急制动UB，同时BCU会通过网络把其监控到的EB减速度不满足预设值的状态信号发给CCU，在HMI上显示来自BCU的诊断信息：EB减速度不满足预设值。如果CCU从网络上接收到紧急制动EB减速度不满足预设值的信息后，同时CCU监控到紧急制动UB环路没有断开，这时CCU会显示诊断信息：紧急制动EB转UB失效，这时会发出声光报警，需要司机手动施加紧急制动UB。
3） 2.2.1常用制动和紧急制动EB
常用制动和紧急制动EB为直通式电空复合制动，直通式电空制动系统由EBCU控制：EBCU接收并解读来自制动控制手柄或列车控制系统的制动指令，然后控制PBCU执行空气制动。直通式电空制动系统的气路原理如图3，压缩空气从总风管经止回阀流至制动风缸；当总风压力不足时，止回阀可确保制动风缸内有足够的压力空气。制动风缸为PBCU提供风源，PBCU负责空气制动的控制。在PBCU内，常用制动电磁阀将来自EBCU的电信号转换成相应的预控制空气压力。常用制动时，紧急电磁阀失电关闭，从常用制动电磁阀来的压缩空气经称重阀进入中继阀，经过中继阀流量放大后输出。常用制动时，制动力随载重变化的调整由EBCU进行控制。保持制动就是相当于施加的4级常用制动，清洁制动为施加设定好的固定制动缸压力（一般为70kPa）的常用制动，故气路原理与常用制动相同。
2.2.2 紧急制动UB
紧急制动UB时，紧急制动UB回路断开，紧急电磁阀失电打开，从总风管来的压缩空气经紧急电磁阀进入称重阀和中继阀，施加与载荷相应的紧急制动压力，此时如EBCU处于正常工作状态，可同时控制电空转换阀产生紧急制动预控制压力,具体参见图4所示。
图3 直通式空气制动原理图 图4 紧急制动UB气路原理图
3 制动计算
为验证制动系统的性能是否满足要求，按照车重、减速度曲线以及制动缸、摩擦副特性等参数，计算各个制动工况的制动距离、制动缸压力、黏着利用率和制动距离，校核停放制动、保持制动的安全余量，结果如下。
3.1 紧急制动EB和UB制动距离计算结果
（1）紧急制动UB、纯空气紧急制动EB制动距离符合要求，具体见表1至表2。
表 1 纯空气紧急制动EB制动距离及平均减速度
变量名称变量计算值单位
制动初速度V06080120160200250km/h
制动距离_AW0SZ_AW_0180306652112017202682m
平均减速度_AW0aBa_AW_00.770.8070.8520.8820.8970.899m/s2
制动距离_AW2SZ_AW_2180306653112317272698m
平均减速度_AW2aBa_AW_20.7710.8070.8510.8790.8930.894m/s2
表2 紧急制动UB制动距离及平均减速度
变量名称变量计算值单位
制动初速度V06080120160200250km/h
制动距离_AW0SZ_AW_0168288624108616762593m
平均减速度_AW0aBa_AW_00.8240.8560.8910.9090.9210.93m/s2
制动距离_AW2SZ_AW_2168288624108616762593m
平均减速度_AW2aBa_AW_20.8240.8560.8910.9090.9210.93m/s2
3.2停放制动和保持制动计算结果
动车组在30‰坡道停放的安全裕量为20%，保持制动的要求相同，具体结果见表3。
表3 最大风速下的防滚安全余量
功能变量名称变量TC01M02TP03MH04MB05TP06M07TC08整列
停放制动防滚安全余量δR_AW_22.7—2.5——2.6—2.71.3
保持制动防滚安全余量δR_AW_21.19 1.21 1.19 1.21 1.21 1.18 1.21 1.19 1.2
3.3 热负荷计算结果
基于时速250公里中国标准动车组基础制动配置，分别进行了正常工况和模拟线路运行热容量计算，计算结论如下。
（1）制动初速度250km/h，施加连续两次纯空气UB紧急制动。两次制动过程中，轮盘盘面最高温度为489℃；轴盘盘面最高温度为516℃。轮装制动盘和轴装制动盘盘面最高温度均未超过700℃。在铸钢制动盘及粉末冶金闸片许用范围之内，满足该工况运营要求。
（2）制动初速度250km/h，隔离一辆车制动力，连续施加两次UB紧急制动。制动过程中，轮盘盘面最高温度为529℃；轴盘盘面最高温度为553℃。轮装制动盘和轴装制动盘盘面最高温度均未超过700℃。在铸钢制动盘及粉末冶金闸片许用范围之内，满足该工况运营要求。
（3）模拟运营计算
列车在京沪线进行模拟运营，每站进行最大纯空气制动，整个运营过程中轮盘温度最高达到370℃，轴盘温度达到351℃，轮装制动盘和轴装制动盘盘面最高温度均未超过550℃。列车满足最大常用纯空气工况下，在哈大线运行一个往返的使用要求。
通过制动能力计算和热负荷计算，制动控制系统可以满足车辆的制动性能要求，同时与基础制动装置能够很好的匹配。
4 结语
CR300BF型动车组制动控制系统遵循故障导向安全的原则，能够保证列车的安全运行，同时首次在动车组上实现了以太网控车功能，其控制模式及设计方法可以为其他高速动车组的制动控制系统设计提供参考。
参考文献
[1] 尹方，等．和谐型动车组紧急制动模式分析[J]．铁道机车车辆，2009，29（2）．
[2]秦佳颖,陈澍军,刘中华.CRH3系列动车组制动控制系统介绍[J].中国高新技术企业，2016，17（98-99）.
[3]周军，李万新，齐政亮，曹宏发，章阳，高速动车组制动系统防滑控制研究[J].铁道机车车辆,2017,3(4-8)
论文作者:朱立强1 郭小行 张义文 曲秋芬
论文发表刊物:《科技新时代》2019年2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：紧急论文; 列车论文; 车组论文; 空气论文; 指令论文; 控制系统论文; 制动系统论文; 《科技新时代》2019年2期论文;