朱冠汶，趙全福，夏 軍，任向杰

（1.中車制動系統(tǒng)有限公司，山東青島 266031；2.中車大連機車車輛有限公司，遼寧大連 116022）

FXN3 型交流傳動客運內(nèi)燃機車是由中車大連機車車輛有限公司最新研制的客運內(nèi)燃機車，是“復(fù)興”系列機車的一員，最大運營速度可達160 km/h，適用于中國鐵路干線及支線客運牽引。

CAB-B 型制動控制系統(tǒng)，即中國標(biāo)準(zhǔn)制動機，是中車制動系統(tǒng)有限公司研制的新型機車制動控制系統(tǒng)，具有模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及簡統(tǒng)化等特點，完全符合TJ/JW 100—2020《分布式網(wǎng)絡(luò)智能模塊機車控制系統(tǒng)暫行技術(shù)規(guī)范》。

1 系統(tǒng)組成

FXN3 型機車制動控制系統(tǒng)主要由CAB-B 型制動控制系統(tǒng)以及后備制動裝置組成。

CAB-B 型制動控制系統(tǒng)主要由電空控制單元、制動控制器、制動顯示屏、電氣接口單元以及快速排風(fēng)閥組成，其中電空控制單元及電氣接口單元集成于機械間的制動控制柜內(nèi)部，快速排風(fēng)閥單獨安裝于機械間列車管上，制動控制器及制動顯示屏安裝于司機室內(nèi)。后備制動裝置主要由后備制動閥以及后備中繼閥組成，安裝于司機室內(nèi)。

1.1 電空控制單元

電空控制單元能執(zhí)行制動控制器、制動顯示屏或機車其他相關(guān)系統(tǒng)的指令[1]，并按指令要求控制機車或列車的制動緩解作用，電空控制單元按功能進行模塊化設(shè)計，其主要組成如圖1 所示，主要由列車管控制模塊、制動缸控制模塊、單獨制動控制模塊、空氣制動閥模塊、輔助功能模塊和電源模塊等組成。列車管控制模塊、制動缸控制模塊、單獨制動控制模塊為帶網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能模塊，由氣動閥類部件和電子控制板卡等組成，分別用于控制列車管壓力、制動缸壓力和平均管壓力。智能模塊采用雙CAN 冗余網(wǎng)絡(luò)通信，具有自診斷功能，配備了LED 指示燈顯示模塊工作狀態(tài)等?？諝庵苿娱y模塊為純機械空氣分配閥，主要用于制動系統(tǒng)失電或制動缸控制模塊故障時提供制動缸的后備壓力控制。電源模塊的作用是將機車110 V 電源轉(zhuǎn)換為制動系統(tǒng)控制用的24 V 電源。輔助功能模塊可以響應(yīng)機車緊急功能以及切除制動缸壓力。

圖1 電空控制單元

1.2 制動控制器

FXN3 型機車采用雙節(jié)司機室配置，每個司機室裝有1 臺制動控制器，制動控制器如圖2 所示，其主要功能是采用編碼器和微動開關(guān)采樣制動手柄位置，通過CAN 網(wǎng)絡(luò)將控制命令發(fā)送至電氣接口單元和電空控制單元各智能節(jié)點，實現(xiàn)機車制動系統(tǒng)自動制動和單獨制動等功能的控制。自動制動手柄在緊急位時，會直接輸出一路緊急制動信號（數(shù)字量）給制動控制系統(tǒng)，同時還具備緊急位機械排風(fēng)功能。制動控制器在操作臺安裝狀態(tài)下，電氣部件可以實現(xiàn)IP65 防護等級。

1.3 制動顯示屏

制動顯示屏采用10.4 英寸（1 英寸約等于2.54 cm）彩色液晶顯示屏[2]，如圖3 所示，其具備雙CAN 網(wǎng)絡(luò)通信能力，采用LED 背光技術(shù)，顯示亮度可調(diào)。制動顯示屏主要有以下功能。

圖3 制動顯示屏

1）顯示總風(fēng)壓力值、均衡風(fēng)缸壓力值、列車管壓力值、制動缸壓力值以及列車管的充風(fēng)流量值。

2）顯示制動系統(tǒng)操作的提示信息和故障信息。

3）提供制動模式、機車號、時間日期的顯示及設(shè)置功能。

4）提供制動系統(tǒng)自檢和傳感器校準(zhǔn)等功能。

1.4 電氣接口單元

電氣接口單元是機車制動系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信及電氣接口部件，如圖4 所示，可對系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)進行記錄并具備數(shù)據(jù)下載功能。網(wǎng)絡(luò)通信采用IEC 61375－3－1：2012《鐵路電子設(shè)備－列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）－第3－1 部分：多功能車輛總線（MVB）》中的TCN 協(xié)議，通過MVB 總線與機車微機控制系統(tǒng)進行通信。具備以太網(wǎng)接口，以太網(wǎng)符合IEC 61375-3-4：2014《鐵路電子設(shè)備-列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）－第3－4 部分：以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)（ECN）》的規(guī)定。

圖4 電氣接口單元

電氣接口單元具有反應(yīng)速度快、可靠性高、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)緊湊及檢修方便等特點。

1.5 快速排風(fēng)閥

快速排風(fēng)閥如圖5 所示，單獨安裝在列車管上，當(dāng)機車制動系統(tǒng)產(chǎn)生緊急制動時，能加快列車管的排風(fēng)速率，以保證緊急波速的傳播。

圖5 快速排風(fēng)閥

1.6 后備制動裝置

如果CAB-B 型機車制動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障且短時間不能恢復(fù)，為了保證機車不長時間占據(jù)正線，此時可通過后備制動裝置將機車制動系統(tǒng)設(shè)為后備制動模式，維持機車運行到下一站點或附近機務(wù)段，后備制動裝置主要由后備制動閥與后備中繼閥組成。

2 工作原理

2.1 控制原理

FXN3 型機車制動控制系統(tǒng)的總體控制原理如圖6 所示。

圖6 控制原理

2.2 氣路原理

2.2.1 常用制動控制原理

常用制動氣路控制關(guān)系如圖7 所示。列車管控制模塊響應(yīng)自動制動手柄指令輸出列車管壓力，制動缸控制模塊根據(jù)列車管壓力變化控制制動缸壓力，單獨控制模塊根據(jù)單獨制動手柄指令和列車管壓力控制平均管壓力，平均管壓力又會控制本機和補機的制動缸壓力。

圖7 常用制動氣路控制關(guān)系

2.2.2 緊急制動控制原理

緊急制動氣路控制關(guān)系如圖8 所示。各路緊急源通過列車管控制模塊或直接使列車管產(chǎn)生緊急排風(fēng)，制動缸控制模塊、空氣制動閥模塊根據(jù)列車管壓力變化控制制動缸壓力，單獨控制模塊根據(jù)列車管壓力控制平均管壓力，平均管壓力繼續(xù)控制本機和補機的制動缸壓力。

圖8 緊急制動氣路控制關(guān)系

2.2.3 后備制動控制原理

后備制動氣路控制關(guān)系如圖9 所示。后備制動閥產(chǎn)生后備均衡風(fēng)缸壓力，后備中繼閥對后備均衡風(fēng)缸壓力進行流量放大從而控制列車管壓力，空氣制動閥模塊可以響應(yīng)列車管壓力控制制動缸壓力。

圖9 后備制動氣路控制關(guān)系

3 安全功能設(shè)計

CAB-B 型制動控制系統(tǒng)主要模塊冗余關(guān)系如圖10 所示。當(dāng)某個智能模塊故障時，備用模塊自動進入冗余模式，代替故障模塊繼續(xù)實現(xiàn)其相關(guān)制動功能。

圖10 模塊冗余關(guān)系

3.1 制動控制器故障

制動控制器CAN1 或CAN2 互為冗余，當(dāng)任意一路通信丟失時，系統(tǒng)能正常工作，CAN1 和CAN2 同時通信丟失時，系統(tǒng)產(chǎn)生懲罰制動；制動控制器軟件運行異常或制動控制器失電時，系統(tǒng)產(chǎn)生懲罰制動。

3.2 列車管控制模塊故障

列車管控制模塊CAN1 或CAN2 互為冗余，當(dāng)任意一路通信丟失時，系統(tǒng)能正常工作，CAN1 和CAN2同時通信丟失時，系統(tǒng)產(chǎn)生懲罰制動；列車管控制模塊軟件運行異常時，制動控制器在緊急位能實現(xiàn)列車管緊急排風(fēng)，同時切斷總風(fēng)向列車管補風(fēng)的功能，并實現(xiàn)對制動缸壓力控制；列車管控制模塊失電時，系統(tǒng)產(chǎn)生懲罰制動，系統(tǒng)停車后緩解懲罰制動，系統(tǒng)可轉(zhuǎn)至冗余模式，由制動缸控制模塊進行列車管壓力控制。

3.3 制動缸控制模塊故障

制動缸控制模塊CAN1 或CAN2 互為冗余，當(dāng)任意一路通信丟失時，系統(tǒng)能正常工作；CAN1 和CAN2同時通信丟失、軟件運行異?；蚰K失電時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)至冗余模式，由空氣制動閥模塊與單獨制動控制模塊進行制動缸壓力控制。

3.4 單獨控制模塊故障

單獨控制模塊CAN1 或CAN2 互為冗余，當(dāng)任意一路通信丟失時，系統(tǒng)能正常工作；CAN1 和CAN2 同時通信丟失、軟件運行異?；蚰K失電時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)至冗余模式，由制動缸控制模塊進行平均管壓力和制動缸壓力控制。

3.5 制動缸控制模塊和單獨控制模塊同時故障

制動缸控制模塊和單獨控制模塊同時發(fā)生通信丟失或失電時，系統(tǒng)中的空氣制動閥能響應(yīng)列車管壓力變化，實現(xiàn)對制動缸壓力的控制。

4 模式設(shè)置

FXN3 型機車制動系統(tǒng)對各個模式設(shè)置方法進行了簡統(tǒng)化設(shè)計，本務(wù)模式、重聯(lián)模式等均不需要對電空控制單元進行塞門操作，下面介紹后備制動模式和無動力回送模式的設(shè)置方法。

4.1 后備制動模式

1）自動制動手柄置重聯(lián)位，單獨制動手柄置運轉(zhuǎn)位。

2）將后備制動手柄置制動位。

3）將機車制動系統(tǒng)斷電。

4）待后備均衡風(fēng)缸壓力和列車管壓力穩(wěn)定后，操作無火塞門或平均管折角塞門排放平均管壓力。

5）將后備制動隔離塞門置“投入位”。

4.2 無動力回送模式

操作方式一如下。

1）自動制動手柄置重聯(lián)位。

2）關(guān)閉系統(tǒng)控制電源開關(guān)。

3）將“無火塞門”和“轉(zhuǎn)換塞門”置“無火”位。

4）手動推雙脈沖電磁閥緩解柱塞。

5）與本務(wù)機車列車管連接，緩慢開放機車間列車管折角塞門。

6）本務(wù)機車進行制動試驗，確認(rèn)無火回送機車制動和緩解作用良好。

操作方式二如下。

1）自動制動手柄置重聯(lián)位。

2）關(guān)閉系統(tǒng)控制電源開關(guān)。

3）將“無火塞門”和“轉(zhuǎn)換塞門”置“無火”位。

4）將“停放隔離塞門”置“隔離”位。

5）通過手拉緩解停放制動。

6）與本務(wù)機車列車管連接，緩慢開放機車間列車管折角塞門。

7）本務(wù)機車進行制動試驗，確認(rèn)無火回送機車制動和緩解作用良好。

5 結(jié)束語

FXN3 型交流傳動客運內(nèi)燃機車裝用CAB-B 型制動控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)智能控制技術(shù)，使用維護方便，符合機車制動系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范要求，能夠滿足FXN3 型機車使用需求。

裝用CAB-B 型制動控制系統(tǒng)的FXN3 型機車已在中國國家鐵道試驗中心環(huán)形鐵道試驗基地完成制動專項型式試驗，已在烏魯木齊鐵路局運用考核16 萬km，運用狀況良好。CAB-B 型制動控制系統(tǒng)的裝車運用，對于打破國外制動系統(tǒng)在內(nèi)燃及高速運營機車兩大領(lǐng)域的壟斷具有重要意義。