張國慶，李 豐

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，山東 青島 266111)

近年來，南美市場對內燃電力雙動力動車組的需求逐漸增多。為滿足用戶運用需求，發(fā)揮產(chǎn)品系統(tǒng)技術優(yōu)勢和經(jīng)濟效應，便于用戶快速掌握操作方法和降低后期維保成本，搭建制動系統(tǒng)技術平臺很有必要。

內燃電力雙動力動車組能適應動力包和電網(wǎng)2種供電方式，能夠滿足動車組在非電氣化和電氣化區(qū)段間穿行混跑的需求。動車組電氣牽引和電制動采用交流電傳動系統(tǒng)，電制動優(yōu)先采用再生制動，制動能量反饋電網(wǎng)，當電網(wǎng)不能吸收時開通制動斬波器，把多余的能量通過制動電阻消耗掉。

本文在充分調研出口智利的內燃電力雙動力動車組、電動車組、內燃動車組以及出口阿根廷的電動車組等項目設計和運用經(jīng)驗的基礎上，搭建了一種內燃電力雙動力動車組制動系統(tǒng)技術平臺，重點對風源系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)及基礎制動裝置進行了介紹。另外，針對動力包供電和電網(wǎng)供電產(chǎn)生的電制動形式不同，使常用制動和快速制動時電制動和空氣制動實時配合，滿足各項制動指標要求。

1 概述

車輛最高運行速度：電網(wǎng)供電模式下為160 km/h；動力包供電模式下為140 km/h。在定員載荷、干燥、平直道工況下，列車速度從160 km/h降到0的平均減速度：最大常用制動減速度≥0.80 m/s2；快速制動減速度≥1.20 m/s2；緊急制動減速度≥1.40 m/s2。車輛編組形式為2動2拖：Tc1+Mp1+Mp2+Tc2。

制動系統(tǒng)主要由風源系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)及基礎制動裝置組成。每輛Tc車設置1臺空氣壓縮機組提供壓縮空氣，采用雙塔式干燥器對空氣壓縮機產(chǎn)生的空氣進行凈化；制動控制系統(tǒng)采用微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)，基于網(wǎng)絡及硬線冗余控制，制動力控制方式采用架控控制方式，制動力管理采用全列制動力分配，采用故障導向安全的原則進行設計；基礎制動裝置采用盤形制動。

制動系統(tǒng)采用雙管供風模式，總風管和列車管貫穿全列。總風管壓力為750～900 kPa，列車管定壓為500 kPa。制動系統(tǒng)具有常用制動、快速制動、緊急制動功能，能夠按照車輛載荷變化、沖動限制等自動調整制動力，能夠根據(jù)司機控制器和外部輸入指令進行制動和緩解控制。另外還具有保持制動、停放制動、乘客緊急制動、磁軌制動、超速控制、撒砂控制、機車及同型號動車組救援等功能。

2 風源系統(tǒng)

2.1 風源設備

在Tc1和Tc2車各配置一臺無油活塞式空氣壓縮機組，為制動系統(tǒng)及其他用風設備提供壓縮空氣。圖1為風源系統(tǒng)氣路原理圖，主要包括空氣壓縮機組、軟管、總風缸、壓力開關和壓力傳感器等?？諝鈮嚎s機組內部的雙塔式空氣干燥器用于凈化送至總風缸的壓縮空氣，安全閥A03(1 200 kPa)和安全閥A11(1 050 kPa)用于確?？諝庵苿酉到y(tǒng)不會出現(xiàn)超壓和受損。除了手動排水塞門外，總風缸還設置自動排水閥，可根據(jù)風缸內氣壓變化自動進行排水。

A00.空氣壓縮機組；A01.空氣壓縮機；A02.軟管；A03、A11.安全閥；A04.雙塔式空氣干燥器；A06.總風缸；A06.01.手動排水塞門；A08.測試點；A09.壓力開關；A10.壓力傳感器；A14.自動排水閥。

2.2 空壓機啟停管理

空壓機啟停采用單雙日控制方式，TCMS根據(jù)單雙日信息和電子制動控制單元(EBCU)傳輸?shù)目傦L壓力控制空壓機啟停。單日以Tc1車空壓機為主，Tc2車空壓機為輔；雙日以Tc2車空壓機為主,Tc1車空壓機為輔；網(wǎng)絡故障情況下，空壓機啟停由壓力開關進行控制。

2.2.1 網(wǎng)絡正常模式

空壓機啟停由TCMS控制：當總風壓力低于(800±20) kPa時，主空壓機啟動；達到(900±20) kPa時，主空壓機停止工作；若主空壓機工作時，總風壓力仍持續(xù)降低至(750±20) kPa時，輔空壓機也啟動，壓力達到(900±20) kPa后，2臺空壓機停止工作。

2.2.2 網(wǎng)絡故障模式

由壓力開關進行控制，當總風壓力低于(700±20) kPa時，2臺空壓機同時啟動；總風壓力達到(900±20) kPa時，2臺空壓機停止工作。

3 制動控制系統(tǒng)

每輛車安裝1套輔助控制單元、2套BCU和2套EBCU。輔助控制單元和BCU氣路原理圖分別見圖2和圖3。制動控制系統(tǒng)以轉向架為單位進行制動控制，每臺轉向架可以單獨進行制動控制。輔助控制單元主要用于制動供風、停放制動控制和空氣彈簧供風。BCU根據(jù)EBCU計算的空氣制動需求將制動供風壓力轉換為制動缸壓力。

B01.輔助控制單元；B04.制動風缸；L04.空氣彈簧風缸；B01.01.空氣過濾器；B01.02.單向閥；B01.03、B01.04、B01.07、B01.10.截斷塞門；B01.05.雙脈沖電磁閥；B01.06.雙向止回閥；B01.08.溢流閥；B01.09、B01.11.測試點；B01.12.壓力開關；B01.13.縮堵；B01.14.壓力傳感器。

B05.BCU；B06.EBCU；B05.A.EP轉換閥；B05.D.中繼閥；B05.E.緊急電磁閥；B05.F.載荷調整閥；B05.K.壓力傳感器。

3.1 常用制動

常用制動通過司機控制器進行操縱，采用電制動與空氣制動復合的控制方式，優(yōu)先使用電制動，當電制動能力不足時，由空氣制動進行補充，以減少基礎制動磨耗。電網(wǎng)供電時電制動優(yōu)先使用再生制動，制動能量反饋至電網(wǎng)，如果再生制動不可用或制動的能量超出電網(wǎng)吸收能力，則自動轉換為電阻制動，通過制動電阻將能量消耗；動力包供電時電制動為電阻制動。

如圖4所示，在Mp1和Mp2車各設置1套牽引控制單元(TCU)，制動級位指令同時發(fā)給TCMS、TCU及EBCU，TCU通過列車網(wǎng)絡MVB將電制動能力值(及有效位)和電制動實際值(及有效位)發(fā)送給EBCU。EBCU根據(jù)制動級位、電制動實際值、載荷信號、沖動限制(常用制動列車縱向沖擊率≤0.75 m/s3)等計算是否需要補充空氣制動力以滿足總制動力需求。根據(jù)EBCU的空氣制動需求，EP轉換閥將制動供風壓力轉換為成比例控制的預控壓力，并到達中繼閥，從而控制制動缸進行充排風。

當TCU檢測到電制動滑行時，發(fā)出“電制動滑行”信號并減少電制動力直至電制動滑行消失；當EBCU檢測到滑行時間超過1 s，制動系統(tǒng)通過MVB網(wǎng)絡和硬線同時發(fā)出電制動切除指令，并進行空氣制動滑行控制。

圖4 EBCU、TCU、TCMS之間邏輯關系圖

電網(wǎng)供電和動力包供電模式下電制動力隨速度變化曲線分別見圖5和圖6。

圖5 電網(wǎng)供電模式下電制動力隨速度變化曲線

圖6 動力包供電模式下電制動力隨速度變化曲線

3.2 快速制動

快速制動采用電制動與空氣制動復合方式，優(yōu)先采用電制動，由貫穿全列的快速制動回路進行控制，以實現(xiàn)較大減速度，使列車盡快停下，觸發(fā)條件如下：(1)司機控制器手柄施加；(2)總風壓力低于600 kPa；(3)未選擇駕駛模式；(4)警惕裝置動作；(5)未選擇駕駛方向；(6)制動控制裝置嚴重故障；(7)牽引、制動信號不一致；(8)司機控制器故障觸發(fā)；(9)救援模式下列車管壓力低于250 kPa。

3.3 緊急制動

緊急制動采用“得電緩解”方式，由貫穿全列的緊急制動回路進行控制，此回路一旦斷開，各車緊急電磁閥失電，所有車輛實施空氣緊急制動。從制動風缸供給的空氣越過EP轉換閥，通過載荷調整閥進行壓力調整后到達中繼閥，施加緊急制動。同時，EBCU發(fā)送緊急制動信號到BCU，用來控制EP轉換閥輸出壓力，以作為緊急電磁閥的備份。緊急制動不受沖動極限限制，觸發(fā)條件如下：(1)兩端司機室緊急制動按鈕觸發(fā)；(2)列車分離；(3)列車未激活。

由于緊急制動減速度較大，僅靠空氣制動容易產(chǎn)生滑行，因此設置非黏著制動方式的磁軌制動。Tc車2位轉向架設置磁軌制動器，通過磁極靴與軌道磁力產(chǎn)生的摩擦力使列車減速。緊急制動觸發(fā)時，磁軌制動器與空氣制動同時動作，以縮短緊急制動距離。

3.4 保持制動

列車停穩(wěn)后，制動系統(tǒng)自動施加保持制動力，確保AW3載荷下在最大坡道上和風速100 km/h不利條件時，列車不發(fā)生溜滑。

3.4.1 保持制動施加邏輯

保持制動施加邏輯為以下3個條件取和：(1)EBCU判斷車速<1 km/h；(2)EBCU接收到制動指令；(3)EBCU沒有檢測到保持制動強迫緩解硬線信號。

3.4.2 保持制動緩解邏輯

保持制動緩解邏輯為以下3個條件取或：(1)EBCU接收到牽引指令，且收到網(wǎng)絡下發(fā)的保持制動緩解指令；(2)EBCU接收到牽引指令，BCU同時檢測到車輛速度>5 km/h，但沒有收到網(wǎng)絡下發(fā)的保持制動緩解指令；(3)EBCU檢測到保持制動強迫緩解硬線信號。

3.5 停放制動

采用彈簧儲能式停放制動裝置。停放制動功能由輔助控制單元和停放制動夾鉗等實現(xiàn)。

停放制動緩解工況下，總風壓力通過縮堵、雙脈沖電磁閥、雙向止回閥進入停放制動缸，緩解停放制動。停放制動施加工況下，停放制動缸內壓縮空氣通過雙脈沖電磁閥排出。雙向止回閥左側連接空氣制動輸出的制動缸壓力，右側連接雙脈沖電磁閥輸出的停放制動壓力，取二者中的較大值作為輸出值，防止停放制動和空氣制動同時施加而破壞基礎制動或引起擦輪。

停放制動受司機室操縱臺“停放制動施加”和“停放制動緩解”按鈕控制，停放制動施加和緩解指令線貫穿全列，全列停放制動施加和緩解同步動作。通過指令線將停放制動施加/緩解信號傳遞給雙脈沖電磁閥，從而控制停放制動缸的排/充風。在輔助控制單元內設有壓力開關和壓力傳感器，用于監(jiān)控停放制動的狀態(tài)。運行過程中停放制動施加，進行封鎖牽引。

3.6 乘客緊急制動

3.6.1 乘客緊急制動拉閘

在每個車門區(qū)域安裝1套乘客緊急制動拉閘，主要包括手把、速動開關、復位彈簧、復位桿和接地裝置等。手把操作力為(100±30) N，操作行程約15 mm。

乘客緊急制動拉閘具有自鎖功能。操作手把后，手把位置將鎖住，不得自動復位且無法手動復位，需采用四角鑰匙進行復位操作，復位方向為順時針。

3.6.2 乘客緊急制動控制邏輯

拉下客室內任一乘客緊急制動拉閘時，司機室蜂鳴器發(fā)出響聲5 s，TCMS屏上顯示緊急手柄觸發(fā)區(qū)域，車體兩側(外部)黃色指示燈處于閃爍狀態(tài)。同時，根據(jù)用戶需求，不同工況實行不同的制動控制策略：(1)當車輛停在站臺時，不自動施加制動；(2)當車輛離開站臺但不超過100 m時，車輛立即施加最大常用制動；(3)當車輛離開站臺且超過100 m時，車輛不自動施加制動，可繼續(xù)行車；(4)當車輛離開站臺且超過100 m且將“離站100 m旁路開關”轉至旁路位，車輛立即施加最大常用制動。

3.7 磁軌制動

在Tc1和Tc2車各設置1套磁軌制動控制器和磁軌制動控制氣路板，在Tc1和Tc2車2位轉向架各設置1套磁軌制動器。

3.7.1 氣路控制原理

磁軌制動氣路控制原理見圖7，磁軌制動動作示意圖見圖8。

M01.磁軌制動控制氣路板；M01.31.活塞閥；M01.32.電磁閥；M01.33.減壓閥；M01.35.壓力傳感器；M03.磁軌風缸；M05.過濾器；M06.單向閥；M07.截斷塞門；M08.磁軌制動器。

圖8 磁軌制動動作示意圖

(1) 緊急制動施加時，磁軌制動同時被觸發(fā)，磁軌制動電磁閥得電，總風經(jīng)過減壓閥、活塞閥后充入磁軌制動器汽缸，使磁鐵下降到軌道上。同時，磁鐵通電，建立磁道制動力。

(2) 緊急制動緩解時，磁軌制動電磁閥失電，磁軌制動器汽缸排氣，汽缸的壓縮彈簧將磁鐵和履帶桿拉回到其初始位置。

3.7.2 電氣控制原理

圖9為磁軌制動電氣控制原理，在緊急制動電氣回路中設置磁軌繼電器，當車輛發(fā)生緊急制動時，磁軌繼電器失電，其對應觸點閉合，EBCU結合車輛速度發(fā)出磁軌制動請求指令給磁軌制動控制器(iRCB)：車速為30 km/h以上，發(fā)送請求指令；車速為28 km/h以下，停止發(fā)送請求指令。iRCB得到磁軌制動請求指令后控制磁軌制動電磁閥得電，并給磁軌制動器供電，車輛施加磁軌制動。另外，iRCB發(fā)送磁軌制動施加信號給網(wǎng)絡，在司機室顯示屏進行顯示。

在車輛制動出現(xiàn)滑行時，EBCU輸出控制SKVR繼電器得電，EBCU可通過SKVR觸點發(fā)出指令控制磁軌制動動作，在直接提高車輛制動力的同時通過增大清潔軌道改善車輛黏著，獲得間接的較大制動力。

圖9 磁軌制動電氣控制原理

3.8 超速控制

中央控制單元(CCU)向EBCU發(fā)送各車設定的實際輪徑值和超速保護限速基準值(V1)，EBCU通過速度傳感器采集的脈沖頻率、測速齒輪參數(shù)和各車實際輪徑值等計算并向CCU發(fā)送本車各軸速度。

(1) 當車輛速度達到(V1+3) km/h時，CCU控制車輛報警并向TCU發(fā)送封鎖牽引信號。

(2) 當由于前一項故障或車輛在下坡路段速度繼續(xù)增加到(V1+5) km/h時，EBCU內部發(fā)出超速信號控制超速繼電器得電，串聯(lián)于緊急制動回路2的超速繼電器觸點斷開，導致緊急制動回路2斷開，緊急制動回路2上的緊急制動電磁閥失電，列車自動施加緊急制動降速,如圖10所示。同時EBCU向CCU發(fā)送超速保護觸發(fā)緊急信號，CCU向EBCU發(fā)出最大常用制動指令作為冗余。

圖10 超速控制原理圖

(3) 當車速低于V1km/h時，超速繼電器失電，緊急制動回路2恢復，緊急制動可以緩解。同時EBCU停止向CCU發(fā)送超速保護觸發(fā)緊急信號，CCU停止向EBCU發(fā)出冗余的最大常用制動指令，取消報警、封鎖牽引及緊急制動，可以繼續(xù)行車。

(4) 另外，由其他觸發(fā)條件觸發(fā)的緊急制動依次通過緊急繼電器1和緊急繼電器2使緊急電磁閥失電，只有車輛停止后(零速繼電器得電)才可緩解。

3.9 撒砂控制

在Tc車的1軸和Mp車的1、4軸設置撒砂裝置，每個砂箱的有效容積不低于30 L。撒砂裝置可以通過手動和自動2種方式觸發(fā)。

3.10 機車及同型號動車組救援

3.10.1 機車救援

圖11為機車救援方案，壓力傳感器將動車組列車管的空氣壓力信號轉化為電壓信號，EBCU通過壓力傳感器讀取列車管壓力下降值，并施加相應制動級位的制動，實現(xiàn)動車組與機車同步制動或緩解。

救援前需確認動車組DC 110 V供電正常，救援方案分為雙管連通和單管連通2種方案。

圖11 機車救援方案

(1) 雙管連通。救援前分別連通機車和動車組端部的總風管(MR)和列車管(BP)，通過機車給動車組總風管供風。機車列車管定壓為500 kPa，表1為機車列車管減壓量與對應的動車組減速度。救援過程中，若動車組出現(xiàn)意外狀況，可通過拍下操縱臺上的緊急制動按鈕同時觸發(fā)機車和動車組的緊急制動。

表1 機車列車管減壓量與動車組減速度對應表

(2) 單管連通。救援前只連通機車和動車組的列車管，不連通總風管。通過動車組的列車管給總風管進行供風，救援時EBCU通過壓力傳感器讀取列車管壓力下降值，施加相應級位的制動。

3.10.2 同型號動車組救援

同型號動車組救援時，確認被救援動車組DC 110 V供電正常，救援動車組的制動指令通過指令線傳遞給被救援動車組，實現(xiàn)同步制動和緩解。

4 基礎制動裝置

每臺轉向架裝有4套制動夾鉗，其中1套為帶停放制動夾鉗，滿足列車在最大坡道(16‰)安全停放的要求，制動夾鉗如圖12所示。制動盤采用鑄鋼盤。

圖12 制動夾鉗

5 制動計算

在定員載荷、干燥、平直道工況下，根據(jù)EN 14531-1：2015《鐵路應用 停車、減速距離和停放制動的計算方法 第1部分：利用平均值計算動車組或單車的一般算法》對初速度為160 km/h時的制動能力進行計算。制動系統(tǒng)主要技術參數(shù)如表2所示，計算結果如表3所示，最大常用制動、快速制動和緊急制動的平均減速度符合頂層指標要求，黏著系數(shù)低于TSI濕軌要求。

表2 制動系統(tǒng)主要技術參數(shù)

表3 制動計算結果

按照連續(xù)2次緊急制動進行熱負荷曲線仿真，得到如圖13所示的熱負荷曲線圖。從圖13中可以看出,連續(xù)2次緊急制動后制動盤最高溫度為380 ℃，低于鑄鋼制動盤的最高承溫，熱負荷符合要求。

圖13 緊急制動熱負荷曲線

6 結束語

首列動車組在國內和國外用戶所在地完成了靜態(tài)和動態(tài)型式試驗，主要包括電空混合常用制動試驗、純空氣常用制動試驗、快速制動試驗、緊急制動試驗、滑行保護試驗、停放制動試驗等，試驗結果表明各項制動性能參數(shù)完全滿足要求。該制動系統(tǒng)技術平臺的搭建完善了制動系產(chǎn)品平臺譜系，為進一步拓展國際市場奠定了基礎。