胡 淼，尚小菲

(1.青島思銳科技有限公司，山東 青島 266031；2.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林 長春 130062)

動車組具有緊急制動功能，緊急制動時列車施加最大制動力以實現(xiàn)快速停車。當動力制動(電制動力)可用時，動力制動參與緊急制動過程，這樣可以減小空氣制動的機械磨耗[1]。無論動力制動是否可用，動車組緊急制動距離均應(yīng)滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》要求。隨著動車組運行速度的提高，制動過程中輪軌黏著條件變差且制動盤熱負荷增大。時速300 km及以上動車組，在緊急制動過程中為避免輪軌黏著利用超限，出現(xiàn)車輪滑行，同時限制制動盤熱負荷超標，制動力采用分級方式控制，高速時施加低階空氣制動力，低速時施加高階空氣制動力。

目前國內(nèi)“和諧號”CRH2C/3C/380A/380B型動車組和“復(fù)興號”CR400AF/400BF型動車組等均具有緊急制動力分級控制功能。其中CRH2C/380A型動車組通過在制動風缸和緊急制動電磁閥之間設(shè)置一種帶電磁閥的調(diào)壓閥對進入中繼閥的空氣壓力進行調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)兩級定壓控制[1]。CRH3C/380B和CR400AF/400BF型動車組通過控制中繼閥輸出比例(中繼閥輸出壓力與預(yù)控壓力的比值)實現(xiàn)兩級壓力控制[2]。本文將對CRH380B型動車組緊急制動力分級控制功能進行分析，并結(jié)合該功能對常用制動和相關(guān)產(chǎn)品可靠性等方面的影響提出優(yōu)化建議。

1 緊急制動力分級控制設(shè)計

1.1 緊急制動力分級控制原理

制動控制單元由電子制動控制單元和氣動制動控制單元組成，電子制動控制單元負責接收列車電氣指令并將電氣指令轉(zhuǎn)換為具體控制指令，對氣動制動控制單元上的電氣閥類部件進行控制，同時采集氣動制動控制單元上的壓力信號。如圖1所示，CRH380B型動車組制動控制系統(tǒng)氣動控制部分主要由電空轉(zhuǎn)換模塊02、緊急制動電磁閥03、空重車調(diào)整閥05、雙比例中繼閥07(以下簡稱“中繼閥”)和中繼閥壓力切換控制用電磁閥08(以下簡稱“電磁閥”)和壓力開關(guān)09等組成。

02.電空轉(zhuǎn)換模塊；03.緊急電磁閥；04.雙向閥；05.空重車調(diào)整閥；06.截斷塞門；07.中繼閥；08、12.電磁閥；09、11、23.壓力開關(guān)；10.活塞閥；13～16.壓力傳感器；17～22.壓力測點；30.縮堵。

緊急制動時，緊急制動電磁閥03得電，制動儲風缸的壓縮空氣經(jīng)緊急制動電磁閥03和雙向閥04到達空重車調(diào)整閥05，備用制動預(yù)控壓力經(jīng)雙向閥04冗余施加，空重車調(diào)整閥05根據(jù)反映車輛質(zhì)量信息的空氣彈簧壓力對輸入壓力進行調(diào)節(jié)并輸出緊急預(yù)控壓力至中繼閥07，中繼閥07實現(xiàn)對預(yù)控壓力流量進行放大并按固定比例輸出對應(yīng)緊急制動時的制動缸壓力。中繼閥07輸出壓力高低階切換通過電磁閥08實現(xiàn)，電磁閥08接收電子制動控制單元電氣指令，當電磁閥08得電導(dǎo)通時，總風壓力通過電磁閥08輸入中繼閥07控制端，此時中繼閥07輸出制動缸壓力為低階壓力；當電磁閥08失電關(guān)斷時，中繼閥07控制端與電磁閥08排風口連通使控制壓力排向大氣，此時中繼閥07輸出制動缸壓力為高階壓力。電磁閥08由電子制動控制單元控制進行切換，并通過壓力開關(guān)09進行監(jiān)控和診斷。

1.2 中繼閥雙比例控制工作原理

圖2為中繼閥工作示意圖。

如圖2(a)所示，緩解時，Cv壓力為0，活塞組件(a、b、h)左移處于緩解位，閥座V1開啟，閥座V2關(guān)閉，C壓力通過排風口O1排至0。

如圖2(b)所示，制動時，Cv壓力同時作用于活塞b和h的表面，由于活塞h的面積較大，因此作用于活塞h上的力更大，整個活塞組件頂開閥頭c，閥座V1關(guān)閉，閥座V2開啟，R壓力通過閥座V2流向制動缸，隨著制動缸壓力的升高，活塞組件(a、b、h)產(chǎn)生回移力，向左移動以關(guān)閉閥座V2，當閥座V1和V2都關(guān)閉時，活塞組件上作用力平衡，制動缸處于保壓狀態(tài)，如圖2(c)所示。

(a) 緩解狀態(tài) (b) 制動充風狀態(tài) (c) 保壓狀態(tài)

當Cv壓力升高時，活塞組件會向右移動重新打開閥座V2，R壓力繼續(xù)向制動缸充風，直到活塞組件再次達到力平衡，C壓力重新與Cv壓力建立比例關(guān)系。

當Cv壓力降低時，C壓力作用于活塞組件上的回移力會使活塞組件向左移動打開閥座V1，制動缸壓縮空氣通過O1排出，直到活塞組件再次達到力平衡，C壓力重新與Cv壓力建立比例關(guān)系。

當控制壓力F口輸入控制壓力時，轉(zhuǎn)換閥芯f在控制壓力的作用下向左移動，中繼閥活塞a左端氣腔通過O3口與大氣相連，此時中繼閥處于低階壓力輸出比例狀態(tài)；當控制壓力F為0時，轉(zhuǎn)換閥芯f在彈簧g作用下向右移動，活塞a左端氣腔與C壓力通路連通，此時中繼閥處于高階壓力輸出比例狀態(tài)。

通過對中繼閥活塞組件進行受力分析，可以得到中繼閥輸出比例與活塞組件面積關(guān)系。

低階壓力輸出比例關(guān)系見公式(1)：

(1)

高階壓力輸出比例關(guān)系見公式(2)：

(2)

其中Sa、Sb、Sh分別為活塞a、b、h對應(yīng)面積，Cl和Ch分別表示低階輸出制動缸壓力和高階輸出制動缸壓力。

1.3 緊急制動力控制邏輯

CRH380B型動車組高低階制動壓力切換觸發(fā)源包括：車速及動車動力制動是否可用。

動車和拖車高低階制動壓力速度切換點分別為255 km/h和300 km/h。當速度高于切換點時，動車和拖車均切換至低階壓力狀態(tài)；當速度低于切換點時，拖車切換至高階壓力狀態(tài)，對于動車動力制動可用時保持低階狀態(tài)，否則切換至高階狀態(tài)，動力制動可用信號由牽引控制單元(TCU)發(fā)送給動車的電子制動控制單元(EBCU)。

緊急制動時如電制動力不可用，施加純空氣制動，制動力分配如圖3所示。

圖3 緊急制動車輛制動力(電制動力不可用)

由圖3可知：(1)車速>300 km/h時，拖車與動車均輸出低階空氣制動力；(2)當車速為255 ～300 km/h時，拖車輸出高階空氣制動力，動車仍輸出低階空氣制動力；(3)車速<255 km/h時，拖車與動車均輸出高階空氣制動力。

緊急制動時如電制動力可用，動車充分施加電制動力，為避免動車超黏著限制，單車電制動力最大值限制在37.5 kN，制動力分配如圖4所示。

圖4 緊急制動車輛制動力(電制動力可用)

由圖4可知：(1)車速>300 km/h時，電制動力施加，拖車與動車均輸出低階空氣制動力；(2)當車速為80～300 km/h時，電制動力施加，拖車輸出高階空氣制動力，動車仍輸出低階空氣制動力；(3)速度<80 km/h時，電制動力切除，拖車與動車均輸出高階空氣制動力。

1.4 故障診斷

表1為緊急制動力分級控制功能故障診斷項點。

表1 故障診斷項點列表

緊急制動力分級控制功能故障會對緊急制動產(chǎn)生影響?！案唠A制動模式故障”發(fā)生時，動車組速度小于切換速度時，將無法施加高階制動力，導(dǎo)致整車制動力不足，制動距離延長?！暗碗A制動模式故障”發(fā)生時，動車組速度大于切換速度時，始終施加高階制動力，無法轉(zhuǎn)換為低階制動力，會造成制動盤熱負荷過大，影響制動盤使用壽命。

2 緊急制動力分級控制功能分析

根據(jù)第1章介紹可知，通過壓力開關(guān)對控制電磁閥下游壓力監(jiān)控，可實現(xiàn)緊急制動力分級控制功能故障診斷。但緊急制動力分級控制功能同時也會對常用制動和產(chǎn)品可靠性產(chǎn)生不利影響，具體如下所述。

2.1 對常用制動影響

常用制動時，高低階切換觸發(fā)依然有效，由于高階和低階兩種狀態(tài)輸出制動缸的最大壓力不同，高階狀態(tài)車輛最大可用制動力大于低階狀態(tài)車輛最大可用制動力，動車組根據(jù)各車最大可用制動力進行常用制動力分配。圖5為初速度380 km/h純空氣最大常用制動各車輛制動缸壓力曲線，當動車組減速至300 km/h時，拖車切換至高階狀態(tài)，動車依然保持低階狀態(tài)，動車和拖車所承擔的制動力重新進行分配，由于拖車切換至高階狀態(tài)后最大可用制動力變大，所以承擔更多制動力，拖車制動缸壓力出現(xiàn)階梯式升高，動車相應(yīng)承擔更少制動力，動車制動缸壓力出現(xiàn)階梯式降低；同理，當動車組減速至255 km/h時，拖車制動缸壓力出現(xiàn)階梯式降低，動車制動缸壓力出現(xiàn)階梯式升高。顯然，由于高低階切換時常用制動力需重新分配，制動缸壓力出現(xiàn)階梯式變化，將增加常用制動時列車沖動，對乘客乘坐舒適性造成一定影響。

圖5 初速度380 km/h純空氣最大常用制動各車輛制動缸壓力曲線

2.2 可靠性影響

通過上述介紹可知，高低階切換功能通過控制電磁閥切換實現(xiàn)，而電磁閥切換僅受限于車速和動車電制動力是否可用。假設(shè)動車組在兩站之間運行，最高運行速度為350 km/h，電磁閥動作狀態(tài)與動車組速度的關(guān)系曲線如圖6所示。運行期間，電磁閥切換動作(得電+失電)至少完成1次，在動車組過分相時，由于電制動力不可用，動車電磁閥也會切換，故動車電磁閥切換動作更加頻繁，此外電磁閥幾乎在動車組全部運行期間處于常得電狀態(tài)。電磁閥頻繁切換，將加速電磁閥和中繼閥內(nèi)部相關(guān)部件磨損，而電磁閥長時間處于常得電狀態(tài)，電磁線圈持續(xù)高溫通電，將會加速電磁線圈和相關(guān)橡膠部件老化。因此，目前高低階切換功能控制方式會降低電磁閥和中繼閥使用壽命，繼而對產(chǎn)品可靠性產(chǎn)生影響。

圖6 電磁閥動作狀態(tài)與動車組速度關(guān)系曲線

3 優(yōu)化方案

通過第2章分析可知，雖然制動力分級控制功能專為動車組緊急制動而設(shè)計，但在動車組實際運用過程中，該功能將對常用制動時沖動限制和相關(guān)產(chǎn)品可靠性等造成不利影響。鑒于此，對制動力分級控制功能給出如下優(yōu)化方案建議：電磁閥默認保持失電關(guān)閉狀態(tài)，車輛處于高階狀態(tài)，可對高階制動模式故障實時進行診斷。當動車組速度高于切換點速度時，動車和拖車均切換至低階狀態(tài)并保持一段時間，設(shè)置該段時間的目的是用于對低階制動模式故障進行診斷，之后動車和拖車均切換回高階狀態(tài)并保持不變，動車組減速過程中僅緊急制動施加時制動力分級控制功能有效，即當EBCU接收到緊急制動施加指令時，根據(jù)速度大小控制電磁閥進行高低階狀態(tài)切換，其他制動模式車輛均保持高階狀態(tài)不變。

基于此控制邏輯，常用制動輸出力不受高低階切換功能影響，建議方案各車輛制動缸壓力曲線見圖7，動車和拖車制動缸壓力平滑過渡，有利于減少列車沖動。電磁閥動作狀態(tài)與動車組速度關(guān)系曲線見圖8，顯然建議方案電磁閥的工作時間和動作次數(shù)大大降低，這對產(chǎn)品的可靠性和壽命延長均是有利的。

圖7 最大常用制動各車輛制動缸壓力曲線(新控制邏輯)

圖8 電磁閥動作狀態(tài)與動車組速度關(guān)系曲線(新控制邏輯)

4 結(jié)論

本文對CRH380B型動車組緊急制動力分級控制功能進行了分析，該功能在常用制動時將導(dǎo)致列車沖動增加，同時會降低電磁閥和中繼閥使用壽命，也會對產(chǎn)品可靠性產(chǎn)生影響。對此，本文給出了制動力分級控制功能優(yōu)化建議方案，通過調(diào)整高低階切換條件，可以減小常用制動時列車沖動，同時提高電磁閥和中繼閥的可靠性和使用壽命。