陳 亮，姜巖峰，尹 方，曹宏發(fā)，章 陽

（1 唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北唐山063035；2 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

制動(dòng)系統(tǒng)是和諧號(hào)動(dòng)車組高速運(yùn)行的安全保障。列車高速運(yùn)行時(shí)具有相當(dāng)大的運(yùn)動(dòng)能量，而高速列車的制動(dòng)系統(tǒng)必須解決列車動(dòng)能的快速轉(zhuǎn)換和能量消耗問題，并在輪軌黏著允許的條件下，做到高速列車的可靠制動(dòng)停車或降速。另外，由于輪軌黏著系數(shù)隨運(yùn)行速度的提高而下降，更增加了高速制動(dòng)技術(shù)的難度。為此，和諧號(hào)動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)采用了以下技術(shù)：

（1）空電復(fù)合制動(dòng)方式。由于高速列車所需的制動(dòng)能量巨大，為此高速列車均采用了多種制動(dòng)方式組合的復(fù)合式制動(dòng)方式。除最基本的空氣制動(dòng)外，常見的有再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)、渦流制動(dòng)、磁軌制動(dòng)、風(fēng)阻制動(dòng)等。和諧號(hào)動(dòng)車組采用的是技術(shù)成熟的再生制動(dòng)和空氣制動(dòng)的復(fù)合制動(dòng)方式。在動(dòng)車上配置再生制動(dòng)和空氣制動(dòng)，在拖車上只有空氣制動(dòng)。列車制動(dòng)時(shí)優(yōu)先采用再生電制動(dòng)，再生電制動(dòng)不足時(shí)補(bǔ)充空氣制動(dòng)。

（2）直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)。隨著列車速度的提高，為了提高操縱靈敏度，縮短空走時(shí)間，各種高速列車基本都采用了電空制動(dòng)控制系統(tǒng)，從而達(dá)到制動(dòng)、緩解快，停車平穩(wěn)的目的。和諧號(hào)動(dòng)車組采用電氣指令直通式電空制動(dòng)控制系統(tǒng)，以微處理機(jī)為控制中心，由制動(dòng)控制單元發(fā)布電氣指令，通過EP電空單元使制動(dòng)缸動(dòng)作，產(chǎn)生空氣制動(dòng)。當(dāng)制動(dòng)施加或緩解時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)的微處理機(jī)可以通過電氣指令對制動(dòng)過程的沖動(dòng)進(jìn)行控制，從而提高旅客的乘坐舒適度，和諧號(hào)動(dòng)車組的沖動(dòng)值控制在0.75m／s3以內(nèi)。

（3）列車網(wǎng)絡(luò)。和諧號(hào)動(dòng)車組采用了標(biāo)準(zhǔn)的列車級網(wǎng)絡(luò)和車輛級網(wǎng)絡(luò)，對于制動(dòng)系統(tǒng)來說，列車網(wǎng)絡(luò)具有兩種作用，第一可以通過列車網(wǎng)絡(luò)傳遞制動(dòng)系統(tǒng)的控制指令和設(shè)備狀態(tài)，從而可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的各種控制功能；第二可以通過列車網(wǎng)絡(luò)和列車上的其他系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行交互，如CCU，TCU，ATP等，從而列車連鎖控制，保證列車的安全運(yùn)行。

1 常用制動(dòng)的控制原則

1.1 常用制動(dòng)指令的處理

列車運(yùn)行的時(shí)候，常用制動(dòng)的指令來源可能有以下幾種：列車控制系統(tǒng)、ATP、自動(dòng)速度控制設(shè)備、司機(jī)制動(dòng)手柄等。以上設(shè)備的指令被制動(dòng)系統(tǒng)處理為不同的制動(dòng)級別，級別越大對應(yīng)的減速度也越大。由于列車輪軌間的黏著系數(shù)隨著速度變化而變化，為了保證制動(dòng)減速度不超過輪軌的黏著極限，制動(dòng)系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前的車輛速度確定合適的減速度值。速度、級別和減速度的關(guān)系可以繪制成為減速度曲線。

1.2 制動(dòng)力分配方法

因?yàn)榱熊嚲幗M中有動(dòng)車也有拖車，其采用的制動(dòng)方式也不同，因此制動(dòng)時(shí)需要在各車之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。常用的方式有均衡制動(dòng)控制和電制動(dòng)力優(yōu)先控制。

均衡制動(dòng)控制是各車輛承擔(dān)自身的所需制動(dòng)力的控制方式。此時(shí)，動(dòng)車優(yōu)先使用電制動(dòng)力，不足的部分采用空氣制動(dòng)力，拖車采用空氣制動(dòng)力。因此拖車的閘片磨耗要比動(dòng)車大。

電制優(yōu)先控制是優(yōu)先利用動(dòng)車的再生制動(dòng)。當(dāng)動(dòng)車的再生制動(dòng)力達(dá)到最大值之前，基本不使用空氣制動(dòng)；當(dāng)再生制動(dòng)力不足時(shí)由拖車的空氣制動(dòng)來承擔(dān)；當(dāng)制動(dòng)力需求更大時(shí)，在不超過黏著極限的情況下再用動(dòng)車的空氣制動(dòng)補(bǔ)充。

1.3 單車制動(dòng)力丟失的處理

當(dāng)列車中的某一輛車制動(dòng)設(shè)備故障時(shí)，其應(yīng)該承擔(dān)的部分制動(dòng)力需要在全列車范圍內(nèi)重新分配。此時(shí)采用全列車復(fù)合制動(dòng)的原則，列車中每一輛制動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)正常的車輛都要承擔(dān)附加的制動(dòng)力，使全列車范圍內(nèi)制動(dòng)力保持不變，從而保證列車能夠按照預(yù)想的減速度制動(dòng)停車。

2 CRH3動(dòng)車組制動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 配置簡介

和諧號(hào)動(dòng)車組由多個(gè)牽引單元組成，每個(gè)牽引單元由功能不同的車輛組合而成。以8輛編組的CRH3動(dòng)車組為例，一個(gè)動(dòng)車組列車包含2個(gè)牽引單元。每一個(gè)牽引單元包含4輛車，分別為端車（EC01）、變壓器車（TC02）、變流器車（IC03）、中間車（BC04）。其中端車和變流器車是動(dòng)車，變壓器車是拖車，每輛車上都配備有制動(dòng)系統(tǒng)。動(dòng)車上包含兩種制動(dòng)裝置，電制動(dòng)和空氣制動(dòng)，拖車上只有空氣制動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)的控制部分稱為制動(dòng)控制單元（BCU），可以根據(jù)制動(dòng)指令和當(dāng)前車輛的配置狀況，控制電制動(dòng)和空氣制動(dòng)裝置。

以CRH3動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)配置為例，每個(gè)牽引單元的制動(dòng)系統(tǒng)配置如圖1所示。從圖1中可以看出，在每個(gè)牽引單元中裝備了7臺(tái)BCU，其中BCU1.2和BCUx.1參與常用制動(dòng)的控制，BCU2.2和BCU4.2用于車輪抱死監(jiān)測。牽引單元各BCU之間通過MVB總線通信；為了和其他牽引單元的BCU通信，在MVB網(wǎng)絡(luò)和WTB網(wǎng)絡(luò)之間加入了網(wǎng)關(guān)，通過WTB總線進(jìn)行通信。通過WTB／MVB兩級網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了全列車BCU之間的數(shù)據(jù)交換。

圖1 CRH3動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)配置

2.2 常用制動(dòng)相關(guān)設(shè)備

在制動(dòng)系統(tǒng)中，每個(gè)設(shè)備都有其特定的功能，各個(gè)設(shè)備之間按照功能劃分進(jìn)行協(xié)作，共同完成制動(dòng)指令在全列范圍內(nèi)的傳遞和執(zhí)行。此外，制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)候還需要其他系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備提供必要的信息和指令，如CCU、TCU等。整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備功能分布如圖2制動(dòng)系統(tǒng)指令層次圖所示，以下將對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行簡單介紹。

（1）局部BCU

局部 BCU 包 含 BCU1.1，BCU2.1，BCU3.1，BCU4.1。以上BCU的作用是計(jì)算本車的最大可用空氣制動(dòng)力、當(dāng)前空氣制動(dòng)實(shí)際發(fā)揮能力以及其他狀態(tài)信息，通過MVB網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至SBM，并從SBM接收制動(dòng)指令，直接控制本車的空氣制動(dòng)設(shè)備，產(chǎn)生制動(dòng)力。

（2）分段制動(dòng)管理器（SBM）

SBM的功能是段管理，主要是收集本牽引單元內(nèi)制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的信息，匯總后向TBM匯報(bào)，同時(shí)從TBM獲取指令，并分發(fā)到本網(wǎng)段內(nèi)各個(gè)相關(guān)的設(shè)備。SBM收集的消息包括每個(gè)BCU能夠發(fā)揮的最大空氣制動(dòng)力和實(shí)際空氣制動(dòng)力，每個(gè)TCU的最大可用電制動(dòng)力等。

只有端車內(nèi)的BCU1.1和BCU1.2可以作為SBM，在一個(gè)牽引單元內(nèi)，同一時(shí)間只能有一臺(tái)BCU激活成為SBM。兩臺(tái)BCU之間可進(jìn)行工作狀態(tài)交換，當(dāng)其中一方工作不正常的時(shí)候，另外的一臺(tái)BCU可以成為SBM，從而保證了制動(dòng)系統(tǒng)的可靠工作。

（3）列車制動(dòng)管理器（TBM）

TBM控制并協(xié)調(diào)列車的所有常用制動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)有制動(dòng)指令時(shí)，TBM計(jì)算當(dāng)前車輛所需要的總制動(dòng)力，并匯總各個(gè)SBM發(fā)送過來的可用電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力，按照一定的方法計(jì)算得到當(dāng)前電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力的指令，并通過WTB／MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到SBM。

當(dāng)司機(jī)室的控制功能激活時(shí)，所在端車的BCU1.1或BCU1.2會(huì)成為TBM，每一列車只能有一個(gè)BCU成為TBM。在當(dāng)前的TBM有的情況下，另外的一臺(tái)BCU可用通過生命信號(hào)獲取到這一狀態(tài)，并取代故障BCU成為TBM。當(dāng)BCU成為TBM的時(shí)候，同時(shí)BCU也是SBM。

（4）牽引控制單元TCU

牽引控制單元收集當(dāng)前牽引裝置能夠發(fā)揮的最大電制動(dòng)力和實(shí)際發(fā)揮的電制動(dòng)力，上報(bào)至SBM。并從SBM獲取當(dāng)前TBM分配給電制部件的制動(dòng)力指令，施加電制動(dòng)力。

（5）中央控制單元CCU

CCU是整個(gè)列車運(yùn)行的管理者，每一個(gè)牽引單元中都有一個(gè)CCU。BCU從CCU獲取當(dāng)前列車的配置如牽引單元的個(gè)數(shù)、當(dāng)前牽引單元的編號(hào)、當(dāng)前列車速度、制動(dòng)指令等。

圖2 制動(dòng)系統(tǒng)指令層次圖

2.3 常用制動(dòng)控制流程

在運(yùn)行過程中，制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的執(zhí)行3個(gè)主要任務(wù)，①制動(dòng)狀態(tài)的收集；②制動(dòng)指令的獲??；③制動(dòng)指令的分發(fā)和執(zhí)行。如圖3常用制動(dòng)的基本流程所示。

圖3 常用制動(dòng)的基本流程

（1）制動(dòng)指令獲取

常用制動(dòng)指令來源有3個(gè)，①制動(dòng)力控制手柄；②ASC；③最大常用制動(dòng)指令。TBM作為制動(dòng)控制的列車級設(shè)備，統(tǒng)一接收上述常用制動(dòng)指令。

制動(dòng)手柄是最常用的制動(dòng)指令來源，通過制動(dòng)手柄獲取的是對列車減速度的要求。手柄總共有9個(gè)制動(dòng)級別，從1A到FSB（最大常用制動(dòng)），制動(dòng)減速度依次提高。在最大常用制動(dòng)時(shí)平均減速度為0.8～1.0m／s2。由于列車輪軌間的黏著系數(shù)會(huì)隨著速度的增加而減小，因此需要制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前列車的速度實(shí)時(shí)計(jì)算需要的減速度。制動(dòng)減速度和速度之間的對應(yīng)關(guān)系可以繪制成為減速度曲線，手柄級別和列車速度與制動(dòng)力之間的關(guān)系如圖4所示。圖中N2表示常用制動(dòng)2級，F(xiàn)SB表示最大常用制動(dòng)。獲取到減速度指令后，TBM會(huì)做相應(yīng)計(jì)算，并把指令發(fā)送到全列制動(dòng)設(shè)備。

ASC（自動(dòng)速度控制）是列車的一個(gè)重要功能，司機(jī)可以使用定速手柄控制列車速度。此時(shí)，制動(dòng)手柄必須處于緩解位，TBM通過網(wǎng)絡(luò)獲取ASC發(fā)給空氣制動(dòng)部件和電制動(dòng)部件的制動(dòng)指令，并將該指令轉(zhuǎn)發(fā)至全列。

此外，制動(dòng)系統(tǒng)還接收來自CCU的FSB指令。當(dāng)CCU根據(jù)當(dāng)前的列車狀態(tài)，判斷需要快速停車保證安全時(shí)，會(huì)向制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出FSB命令。TBM接收到FSB命令后，會(huì)根據(jù)減速度曲線中的數(shù)據(jù)計(jì)算減速度，并生成制動(dòng)指令傳送至全列車制動(dòng)設(shè)備。

圖4 手柄級別和列車速度與制動(dòng)力之間的關(guān)系

（2）車輛可用制動(dòng)力計(jì)算

列車運(yùn)行時(shí)，安裝在每輛車上的BCU會(huì)計(jì)算當(dāng)前車輛的質(zhì)量和能夠發(fā)揮的最大空氣制動(dòng)力和電制動(dòng)力，此項(xiàng)工作主要由局部的BCU和TCU進(jìn)行。

本車可用制動(dòng)力的計(jì)算需要考慮車重，為了獲取車輛的質(zhì)量，制動(dòng)系統(tǒng)安裝了壓力傳感器監(jiān)測空氣彈簧的空氣壓力。車輛質(zhì)量的變化可以實(shí)時(shí)的反應(yīng)到空氣彈簧的壓力上，因此通過監(jiān)測壓力傳感器的壓力值，可以計(jì)算當(dāng)前車輛的質(zhì)量。當(dāng)壓力傳感器信號(hào)故障時(shí)，則使用最大車輛質(zhì)量的2／3作為默認(rèn)的質(zhì)量。

車質(zhì)量確定以后，局部BCU和TCU在計(jì)算可獲得的最大制動(dòng)力時(shí)還要考慮以下幾個(gè)因素：制動(dòng)盤的熱負(fù)荷、最大黏著力、直接制動(dòng)的可用性。為了保證制動(dòng)盤在高速階段制動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生過熱問題、制動(dòng)力不超過輪軌黏著力，制動(dòng)設(shè)備上安裝了電磁閥用來控制制動(dòng)系統(tǒng)輸出的空氣制動(dòng)力。當(dāng)列車運(yùn)行在高速階段或者動(dòng)車的電制動(dòng)力可用，則制動(dòng)設(shè)備輸出較低的制動(dòng)力。

當(dāng)車輛可用制動(dòng)力計(jì)算完成后，對拖車來說本車可用的空氣制動(dòng)力就等于車輛可用制動(dòng)力。對動(dòng)車來說，如果電制動(dòng)力可用，則電制動(dòng)力可用值等于TCU計(jì)算的可用值，空氣制動(dòng)力可用值等于車輛可用制動(dòng)力減去電制動(dòng)力可用數(shù)值。

（3）制動(dòng)力分配

TBM根據(jù)當(dāng)前的目標(biāo)減速度a和匯總后的列車質(zhì)量m，根據(jù)公式：

可以算出目前全列車的目標(biāo)制動(dòng)力，然后TBM會(huì)根據(jù)一定的制動(dòng)力分配策略將制動(dòng)力在全列車范圍內(nèi)進(jìn)行分配。

常用制動(dòng)的制動(dòng)力分配分為3種子模式：正常模式、比例模式和清掃模式。正常模式對應(yīng)的是電制動(dòng)優(yōu)先的模式，比例模式對應(yīng)的是均衡控制模式。

通過按動(dòng)制動(dòng)控制手柄上的模式按鈕，可以在3種子模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，3種子模式的轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖5所示。

圖5 3種子模式的轉(zhuǎn)化關(guān)系

在正常模式下，按照以下順序進(jìn)行分配：

（1）動(dòng)車的電制動(dòng)力；（2）拖車的空氣制動(dòng)力；（3）動(dòng)車的空氣制動(dòng)力。

比例模式下，TBM將在所有的軸上施加相似的制動(dòng)力，以獲得相同的黏著系數(shù)。這樣可以在較差的黏著條件下改善制動(dòng)性能。

清掃模式主要是融化制動(dòng)盤上的冰雪以及清潔制動(dòng)盤，此時(shí)僅使用空氣制動(dòng)，并在制動(dòng)盤上施加相同的制動(dòng)力。

（4）制動(dòng)指令的傳遞途徑

制動(dòng)指令的傳輸主要通過SBM實(shí)現(xiàn)的。制動(dòng)過程中，單元內(nèi)的BCU和TCU將本車可用的空氣制動(dòng)力、電制力、車質(zhì)量等信息發(fā)送到 MVB網(wǎng)絡(luò)上，SBM的將上述信息匯總后發(fā)送到MVB上，然后通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)后經(jīng)WTB網(wǎng)絡(luò)到TBM所在的牽引單元并被TBM接收。

TBM對制動(dòng)力進(jìn)行分配后，將分配信息發(fā)送到MVB網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)關(guān)將分配信息經(jīng)WTB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到其他的牽引單元，被相應(yīng)的SBM接收后，進(jìn)行轉(zhuǎn)換并在此發(fā)送到MVB網(wǎng)絡(luò)被局部的BCU和TCU接收并執(zhí)行，從而完成制動(dòng)。

3 結(jié)論

綜上所述，和諧號(hào)動(dòng)車組的常用制動(dòng)特點(diǎn)如下：（1）和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)采用再生電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力相結(jié)合的復(fù)合制動(dòng)方式。

（2）采用標(biāo)準(zhǔn)的列車網(wǎng)絡(luò)作為常用制動(dòng)執(zhí)行和信息的傳遞通道，提高了制動(dòng)系統(tǒng)的操作靈敏度。

（3）通過車輛、列車兩級網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了在不同的牽引單元間制動(dòng)設(shè)備的相互協(xié)作，通過對制動(dòng)設(shè)備功能的合理劃分，實(shí)現(xiàn)了牽引單元級別和列車級別的制動(dòng)控制，保證了各種條件下全列車制動(dòng)力的穩(wěn)定施加。

（4）通過對關(guān)鍵控制設(shè)備的冗余配置，提高了制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的可用性。

［1］錢立新.世界高速鐵路技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［2］彭俊彬.動(dòng)車組牽引與制動(dòng)［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.