葛汝博 劉云龍 呂梟 侯化安 朱冠汶 張杰家 何遠(yuǎn)航

摘? 要：機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)作為軌道交通機(jī)車車輛的關(guān)鍵核心子系統(tǒng)，提升制動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和可用性至關(guān)重要。開展冗余設(shè)計(jì)是提升機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性和可用性的重要方法，該文從功能、系統(tǒng)和機(jī)車3個(gè)層面上梳理當(dāng)前國(guó)內(nèi)各型機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)原理，有助于后續(xù)制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)車；制動(dòng)控制系統(tǒng)；冗余設(shè)計(jì)；故障導(dǎo)向；功能

中圖分類號(hào)：U260.35? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）08-0098-04

Abstract： As the key subsystem of locomotive， it is very important to improve the reliability and availability of locomotive braking control system. Redundancy design is an important method to improve the reliability and availability of locomotive braking control system， in this paper， the redundancy design principle of the current domestic locomotive braking control system is reviewed from three aspects： function， system and locomotive， which is helpful to the design and optimization of the subsequent braking control system.

Keywords： Locomotive; brake control system; redundancy design; fault guidance; function

作為軌道交通機(jī)車車輛的關(guān)鍵核心子系統(tǒng)，如何提升制動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和可用性至關(guān)重要，研究人員對(duì)此作了大量的試驗(yàn)和研究，除了不斷提高系統(tǒng)各部件自身的可靠性外，開展制動(dòng)控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)是一種重要方法。

國(guó)內(nèi)機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從純機(jī)械空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)，到基于繼電器的電空制動(dòng)控制系統(tǒng)，再到基于微機(jī)控制的電空制動(dòng)控制系統(tǒng)，以及當(dāng)下最先進(jìn)的分布式網(wǎng)絡(luò)智能模塊制動(dòng)控制系統(tǒng)的多年發(fā)展，在此過程中，研究人員學(xué)習(xí)和積累了豐富的冗余設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了制動(dòng)控制系統(tǒng)的不斷優(yōu)化與改進(jìn)，極大地提高了制動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和可用性。

本文對(duì)我國(guó)主型機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)功能原理進(jìn)行了研究與梳理，分別從功能、系統(tǒng)和機(jī)車3個(gè)層面，介紹了不同制動(dòng)控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)方法。

1? 系統(tǒng)概述

機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)主要由制動(dòng)顯示屏、制動(dòng)控制器和制動(dòng)柜等部件組成，如圖1所示。

制動(dòng)顯示屏作為制動(dòng)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互部件，可實(shí)時(shí)顯示制動(dòng)控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息、完成系統(tǒng)模式設(shè)置，并提供單機(jī)自檢、事件記錄和傳感器校準(zhǔn)等診斷功能。

制動(dòng)控制器作為制動(dòng)控制系統(tǒng)的主要操縱部件，可將手柄的閘位信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的制動(dòng)指令，并發(fā)送給其他制動(dòng)部件。

制動(dòng)柜是制動(dòng)控制系統(tǒng)的主要控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)邏輯運(yùn)算、壓力控制等，按照功能可以劃分為均衡風(fēng)缸控制、列車管控制、制動(dòng)缸控制等，最終實(shí)現(xiàn)單獨(dú)制動(dòng)、自動(dòng)制動(dòng)和緊急制動(dòng)等功能。

目前，我國(guó)交流傳動(dòng)機(jī)車主要裝用克諾爾公司CCBⅡ[1]、法維萊Eurotrol、株機(jī)公司DK-2[2]、四方所JZ-8[3]和鐵科院CAB-A[4]和中車制動(dòng)CAB-B制動(dòng)控制系統(tǒng)。

2? 功能級(jí)冗余

功能級(jí)冗余是指制動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)功能的冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)常用部件功能失效時(shí)，冗余部件可投入工作，保障該功能不受影響。

本節(jié)主要就機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)制動(dòng)功能、緊急制動(dòng)功能、單獨(dú)制動(dòng)功能和其他功能的冗余設(shè)計(jì)進(jìn)行梳理和說明。

2.1? 自動(dòng)制動(dòng)功能

自動(dòng)制動(dòng)功能指的是制動(dòng)柜響應(yīng)制動(dòng)控制器自動(dòng)制動(dòng)手柄閘位指令，輸出列車管壓力和機(jī)車制動(dòng)缸壓力，因此，該功能的冗余設(shè)計(jì)主要針對(duì)列車管壓力和機(jī)車制動(dòng)缸壓力控制兩個(gè)方面，功能實(shí)現(xiàn)邏輯如圖2所示。

（a）? 制動(dòng)柜

（b）? 制動(dòng)控制器? ? ? ? ? ? （c）? 制動(dòng)顯示屏

2.1.1? 列車管壓力控制冗余設(shè)計(jì)

自動(dòng)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)控制單元通過控制均衡風(fēng)缸充排氣電磁閥進(jìn)而控制均衡風(fēng)缸壓力，通過列車管中繼閥最終實(shí)現(xiàn)列車管的制動(dòng)與緩解。

在列車管控制過程中，均衡風(fēng)缸控制至關(guān)重要，大部分機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)均衡風(fēng)缸控制進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，但在實(shí)現(xiàn)方式上存在差異。

Eurotrol、JZ-8和DK2型機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)通過設(shè)置均衡風(fēng)缸充排氣電磁閥實(shí)現(xiàn)冗余控制[5]；CCBII和CAB型制動(dòng)控制系統(tǒng)則通過其他的智能模塊進(jìn)行均衡風(fēng)缸冗余控制。其中，在CCBII制動(dòng)控制系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)均衡風(fēng)缸壓力控制的均衡風(fēng)缸模塊（ERBU）故障時(shí)，制動(dòng)缸控制模塊（16CP）進(jìn)行備用；在CAB-A制動(dòng)控制系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)均衡風(fēng)缸壓力控制的列車管模塊（BPCM）故障時(shí)，輔助功能模塊（ACM）進(jìn)行備用；在CAB-B制動(dòng)控制系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)均衡風(fēng)缸壓力控制的列車管模塊（BPCM）故障時(shí)，制動(dòng)缸模塊（BCCM）進(jìn)行備用。

2.1.2? 機(jī)車制動(dòng)缸壓力控制冗余設(shè)計(jì)

自動(dòng)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)控制單元根據(jù)列車管壓力控制電子分配閥，進(jìn)而控制自動(dòng)制動(dòng)預(yù)控壓力，通過制動(dòng)缸中繼閥最終輸出制動(dòng)缸壓力。為了保證機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)預(yù)控壓力的有效輸出，當(dāng)前國(guó)內(nèi)各型機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)的分配閥模塊均實(shí)現(xiàn)了電子分配閥和機(jī)械分配閥的冗余配置。正常情況下，系統(tǒng)采用電子分配閥輸出制動(dòng)缸預(yù)控壓力；當(dāng)電子分配閥控制故障時(shí)，制動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)切換至機(jī)械分配閥輸出制動(dòng)缸預(yù)控壓力，保證機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)預(yù)控壓力地有效輸出。

2.2? 緊急制動(dòng)功能

緊急制動(dòng)功能是機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)的安全底線，可響應(yīng)多路緊急制動(dòng)指令，快速排空列車管壓力并輸出機(jī)車制動(dòng)缸壓力。因此，該功能的冗余設(shè)計(jì)主要針對(duì)列車管壓力和機(jī)車制動(dòng)缸壓力控制2個(gè)方面。

2.2.1? 列車管排空控制冗余設(shè)計(jì)

各型機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)均對(duì)緊急制動(dòng)列車管壓力排空控制進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在電氣設(shè)計(jì)上，通過緊急環(huán)路設(shè)計(jì)，確保網(wǎng)絡(luò)緊急、制動(dòng)控制系統(tǒng)控制緊急與機(jī)車硬線控制緊急冗余輸出緊急制動(dòng)控制指令；氣路設(shè)計(jì)上，一方面通過設(shè)置2個(gè)緊急電磁閥，冗余控制緊急氣控閥打開列車管排大氣通路，另一方面通過快速排風(fēng)閥，加大列車管排風(fēng)速度；另外，車長(zhǎng)閥同樣提供了列車管排大氣通道。

另外，制動(dòng)控制器部件觸發(fā)緊急制動(dòng)時(shí)，自動(dòng)制動(dòng)手柄緊急位設(shè)置了緊急排風(fēng)通道，最大限度保證了緊急時(shí)列車管壓力的快速排空。

2.2.2? 機(jī)車制動(dòng)缸壓力控制冗余設(shè)計(jì)

緊急制動(dòng)時(shí)，各型制動(dòng)控制系統(tǒng)除了2.1所述的制動(dòng)缸壓力冗余設(shè)計(jì)外，還采用了緊急增壓輸出實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步冗余，該通路由總風(fēng)管經(jīng)450 kPa減壓閥直接輸出作為機(jī)車制動(dòng)缸（預(yù)控）壓力，保障了緊急制動(dòng)時(shí)機(jī)車制動(dòng)缸壓力的有效輸出。

2.3? 單獨(dú)制動(dòng)功能

單獨(dú)制動(dòng)功能指的是制動(dòng)柜響應(yīng)制動(dòng)控制器單獨(dú)制動(dòng)手柄閘位指令，輸出機(jī)車制動(dòng)缸壓力。單獨(dú)制動(dòng)時(shí)，單獨(dú)制動(dòng)手柄發(fā)出單獨(dú)制動(dòng)控制指令，制動(dòng)控制單元根據(jù)單獨(dú)制動(dòng)控制指令控制電磁閥，進(jìn)而控制單獨(dú)制動(dòng)預(yù)控壓力輸出制動(dòng)缸壓力。

Eurotrol、JZ-8和DK2型機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)未對(duì)單獨(dú)制動(dòng)功能進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)單獨(dú)制動(dòng)故障時(shí)，可以切除單獨(dú)制動(dòng)功能，采用自動(dòng)制動(dòng)維持運(yùn)行；CCBII和CAB型制動(dòng)控制系統(tǒng)則通過其他的智能模塊進(jìn)行單獨(dú)制動(dòng)冗余控制。其中，在CCBII制動(dòng)控制系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)單獨(dú)制動(dòng)壓力控制的平均管控制模塊（20CP）故障時(shí)，制動(dòng)缸控制模塊（16CP）進(jìn)行備用；在CAB-A和CAB-B制動(dòng)控制系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)單獨(dú)制動(dòng)壓力控制的單獨(dú)制動(dòng)模塊（IBCM）故障時(shí)，制動(dòng)缸模塊（BCCM）進(jìn)行備用。

2.4? 其他功能級(jí)冗余設(shè)計(jì)

除了上述冗余設(shè)計(jì)外，部分制動(dòng)控制系統(tǒng)還從以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了冗余設(shè)計(jì)，見表1。

1）系統(tǒng)供電層面，采用雙電源冗余設(shè)計(jì)，單電源故障不影響系統(tǒng)使用。

2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面，采用雙CAN冗余設(shè)計(jì)，極大地提升了網(wǎng)絡(luò)通信可靠性。

3? 系統(tǒng)級(jí)冗余

系統(tǒng)級(jí)冗余是指單節(jié)機(jī)車多個(gè)制動(dòng)控制系統(tǒng)間的冗余設(shè)計(jì)，通常為電空制動(dòng)控制系統(tǒng)和純空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)的冗余。當(dāng)電空制動(dòng)控制系統(tǒng)故障時(shí)，純空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)可投入使用，保證機(jī)車正常運(yùn)營(yíng)。

當(dāng)前，主流機(jī)車上常見的制動(dòng)控制系統(tǒng)為微機(jī)控制電空制動(dòng)控制系統(tǒng)和分布式網(wǎng)絡(luò)智能控制電空制動(dòng)控制系統(tǒng)，它們均屬于電空制動(dòng)控制系統(tǒng)。部分車型為了保證制動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性，在常用電控制動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，同時(shí)配置了空氣后備制動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)電控制動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障且短時(shí)間無法恢復(fù)正常時(shí)，可將機(jī)車電控制動(dòng)控制系統(tǒng)斷電，并投入空氣后備制動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了常用電控制動(dòng)控制系統(tǒng)和空氣后備制動(dòng)控制系統(tǒng)的冗余[6]。

空氣后備制動(dòng)控制系統(tǒng)是一種純空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由后備制動(dòng)閥、調(diào)壓閥（可集成在模塊中）、轉(zhuǎn)換塞門、后備均衡風(fēng)缸、中繼閥及壓力顯示裝置等部件組成，方案如圖4所示。

其中，后備制動(dòng)閥具有控制后備均衡風(fēng)缸壓力的能力，可使后備均衡風(fēng)缸充氣、保壓或排氣；調(diào)壓閥用于調(diào)整后備制動(dòng)啟用時(shí)后備均衡風(fēng)缸的整定壓力；轉(zhuǎn)換塞門可控制空氣后備制動(dòng)控制系統(tǒng)的投入或切除，同時(shí)把塞門的狀態(tài)以電信號(hào)形式傳送給機(jī)車。

目前，系統(tǒng)級(jí)冗余設(shè)計(jì)已在CR200J型動(dòng)力集中動(dòng)車組、HXD2機(jī)車等廣泛使用，極大地提高了制動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和可用性。

4? 機(jī)車級(jí)冗余

機(jī)車級(jí)冗余是指兩節(jié)機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)間的冗余設(shè)計(jì)，通常當(dāng)操縱節(jié)機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)故障時(shí)，非操縱節(jié)機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)可投入使用，保障機(jī)車正常運(yùn)營(yíng)，如圖5所示。

在常用模式下，操縱節(jié)機(jī)車的指令轉(zhuǎn)換器接收制動(dòng)控制器位置信號(hào)，通過CAN網(wǎng)絡(luò)將位置指令發(fā)送到操縱節(jié)制動(dòng)控制單元BCU，此時(shí)操縱節(jié)的司機(jī)制動(dòng)閥根據(jù)BCU的控制指令，實(shí)現(xiàn)列車管的制動(dòng)和緩解。操縱節(jié)的制動(dòng)柜通過兩節(jié)機(jī)車之間的空氣管路連接，控制非操縱節(jié)機(jī)車的列車管和平均管壓力。

當(dāng)操縱節(jié)制動(dòng)柜出現(xiàn)設(shè)備故障導(dǎo)致列車管壓力無法正?？刂茣r(shí)，通過制動(dòng)屏設(shè)置（向BCU發(fā)送備用制動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)）和平均管塞門轉(zhuǎn)換（制動(dòng)柜切換空氣管路控制），將操縱節(jié)制動(dòng)柜上用于均衡和列車管壓力控制的司機(jī)制動(dòng)閥進(jìn)行切除，轉(zhuǎn)換為由非操縱節(jié)制動(dòng)柜的司機(jī)制動(dòng)閥進(jìn)行均衡和列車管壓力的控制，同時(shí)平均管也轉(zhuǎn)換為由非操縱節(jié)制動(dòng)柜的分配閥輸出壓力進(jìn)行控制，制動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為備用模式[7]，如圖6所示。

在備用模式下，操縱節(jié)的司機(jī)制動(dòng)閥由遮斷閥控制切除，操縱節(jié)機(jī)車的指令轉(zhuǎn)換器接收制動(dòng)控制器位置信號(hào)，通過CAN網(wǎng)絡(luò)將位置指令發(fā)送到非操縱節(jié)制動(dòng)控制單元BCU，非操縱節(jié)的司機(jī)制動(dòng)閥根據(jù)BCU的控制指令，實(shí)現(xiàn)列車管的制動(dòng)和緩解。非操縱節(jié)的制動(dòng)柜通過兩節(jié)機(jī)車之間的空氣管路連接，控制操縱節(jié)機(jī)車的列車管和平均管壓力，完成制動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)功能，最大程度上保證了機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)的正常工作。

目前，機(jī)車級(jí)制動(dòng)控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)僅出現(xiàn)在HXD2型機(jī)車上，該機(jī)車由兩節(jié)四軸機(jī)車重聯(lián)形成八軸機(jī)車，其中兩節(jié)機(jī)車內(nèi)分別配置獨(dú)立的制動(dòng)控制系統(tǒng)，互為冗余。

5? 結(jié)束語(yǔ)

本文梳理了國(guó)內(nèi)主型機(jī)車制動(dòng)控制系統(tǒng)在系統(tǒng)功能冗余設(shè)計(jì)方面的現(xiàn)狀，從功能、系統(tǒng)和機(jī)車3個(gè)層面介紹了具體的冗余設(shè)計(jì)原理，有利于后續(xù)制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)也對(duì)其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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