和諧號動車組制動系統(tǒng)故障診斷及安全措施

李萬新，章 陽，林榮文，王 樂

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

隨著中國高速列車運行速度的提高，制動負荷急劇增加，制動系統(tǒng)也愈加復雜。和諧號動車組制動系統(tǒng)包括以下部分：

一個硬線電路控制的彈簧停放制動；

一個微處理器控制的直接作用的常用制動，根據(jù)制動請求信號執(zhí)行電－空氣混合制動；

一個硬線電路控制的直接作用的緊急制動；

一個由制動管控制的間接作用的制動，并提供緊急制動的備用模式。

如何對如此復雜的制動系統(tǒng)進行故障診斷并能夠在危急情況下采取措施使列車安全停車，是一項重大的課題。目前國內(nèi)外先進的高速列車制動系統(tǒng)均是按照“故障－安全”原則設(shè)計的微機控制電空制動系統(tǒng)。但中國的線路條件、列車運用等情況與國外有諸多不同，制動系統(tǒng)在運用過程中出現(xiàn)了一些前所未有的問題，這就更需要一套可靠的故障診斷系統(tǒng)及安全措施。

1 制動系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)

1.1 制動系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)介紹

制動系統(tǒng)的故障診斷單獨成系統(tǒng)，診斷內(nèi)容包括板卡自檢、板卡間CAN通訊診斷、制動控制單元（BCU）與多功能列車總線（MVB）間通訊診斷、器件診斷（如壓力傳感器、速度傳感器等）、子系統(tǒng)診斷（如防滑系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)等）、系統(tǒng)級診斷（列車配置、列車制動有效率、列車制動力分配等）。故障診斷結(jié)果存儲在各車輛的制動控制單元內(nèi)，存儲內(nèi)容包括故障代碼、故障發(fā)生的時間、故障消除的時間、故障發(fā)生的次數(shù)，以確定故障發(fā)生時刻列車的運行工況，便于分析故障發(fā)生的原因，也利于對故障進行統(tǒng)計。除了存儲，故障診斷的結(jié)果還通過多功能列車總線（MVB）實時發(fā)送到列車中央控制單元（CCU）和司機顯示屏，列車中央控制單元根據(jù)故障對行車安全的影響程度對列車進行限速或觸發(fā)緊急停車，司機可以根據(jù)顯示屏的提示進行相應(yīng)的處理。

1.2 制動系統(tǒng)的診斷功能

制動系統(tǒng)的故障診斷包含兩個功能：

（1）制動系統(tǒng)的故障診斷和監(jiān)測：制動系統(tǒng)的各種故障，如制動不緩解、停放制動無法施加、列車管泄漏等。這些故障以代碼的形式儲存在BCU中，并通過MVB診斷端口報告給列車診斷系統(tǒng)。

（2）制動系統(tǒng)的狀態(tài)診斷：制動系統(tǒng)的特定功能和部件的當前狀態(tài)，這些狀態(tài)不一定是故障，但在特定條件下會引起故障，如隔離塞門被關(guān)閉、乘客緊急拉手被拉下等。這些狀態(tài)也以代碼的形式存儲在BCU中，并通過MVB報告給列車診斷系統(tǒng)。

1.3 制動系統(tǒng)必須診斷的特性值

在制動系統(tǒng)診斷期間，制動系統(tǒng)的基本特性值必須被監(jiān)測。這些特性值包括：

（1）制動缸壓力；（2）主風缸壓力；（3）制動風缸壓力；（4）停放制動壓力；（5）制動管壓力；（6）升弓壓力。

1.4 制動系統(tǒng)的故障分類

制動系統(tǒng)根據(jù)使用對象的范圍，包括司機、列車員和維護人員，將其故障診斷結(jié)果分為3類：

（1）報告給司機的。如果需要司機對制動系統(tǒng)的故障進行特殊的處理，在司機顯示屏上有故障描述、操作提示或報警信息。

（2）報告給列車員的。提供給列車員的故障信息，不是技術(shù)的過失，是可恢復的狀態(tài)。

（3）報告給維修人員的。在列車運行結(jié)束入庫檢修的時候，提供給維修部門的信息。

1.5 制動系統(tǒng)的故障代碼結(jié)構(gòu)

制動系統(tǒng)的故障以故障代碼的形式存儲在BCU中，故障代碼共4位，為了便于識別和管理，故障代碼按一定的規(guī)則編制，前兩位與BCU型號相關(guān)，后兩位是故障編碼，其結(jié)構(gòu)如表1。

表1 制動系統(tǒng)的故障代碼結(jié)構(gòu)

BCU型號代碼 故障碼范圍X1 X2 X3 X BCU型號1 6 ｛0，‥4｝ ｛0，‥F｝4 BCU1.2 1 7 ｛0，‥8｝ ｛0，‥F｝BCU1.1，BCU2.1，BCU3.1，BCU4.1 1 7 ｛A，‥D｝｛0，‥F｝ BCU2.2，BCU4.2 1 8 ｛0，‥4｝ ｛0，‥F｝ BCU1.1 1 9 ｛0，‥5｝｛0，‥F｝ 頭車主BCU（TBM／SBM）

1.6 制動系統(tǒng)的故障維修優(yōu)先級

制動系統(tǒng)的每個診斷事件都有相應(yīng)的維修優(yōu)先級。根據(jù)故障發(fā)生時的工況和故障對列車運營安全性的影響，設(shè)定了5個不同的運用維修優(yōu)先級（0，1，2，3，4）。其中優(yōu)先級最高級為暫停運營，最低為在下一次專項修時進行故障處理，見表2。

表2 動車組制動系統(tǒng)診斷事件的運用維護優(yōu)先級

2 制動系統(tǒng)的安全措施

2.1 進行制動試驗對緊急制動有效性進行確認

在列車出庫運行之前，司機必須進行制動試驗，以確認制動系統(tǒng)的緊急制動有效性。列車的緊急制動有效性是以緊急制動有效率來衡量的，緊急制動有效率定義為：

η為列車緊急制動有效率；n為能有效執(zhí)行緊急制動的車輛的數(shù)量；N為列車編組的車輛總數(shù)。

緊急制動有效率的確認主要通過直接制動、間接制動和緊急制動3項試驗來進行。在不同的緊急制動有效率條件下，應(yīng)對列車進行相應(yīng)的限速運行控制，限速表如表3。

表3 8輛編組350km／h列車緊急制動有效率丟失時對應(yīng)的列車限速運行表

表4 16輛編組列車緊急制動有效率丟失時對應(yīng)的列車限速運行表

2.2 根據(jù)常用制動有效率動態(tài)分配列車制動力

在列車運行過程中，診斷系統(tǒng)實時監(jiān)控各車輛的制動有效性，并計算列車的常用制動有效率。常用制動有效率定義為：

η＇為列車常用制動有效率；n為能有效執(zhí)行常用制動的車輛的數(shù)量；N為列車編組的車輛總數(shù)。

CRH3動車組采用全列車空電復合的制動模式，常用制動時優(yōu)先使用電制動，充分發(fā)揮全列車的電制動作用。當電制動力不足或者電制動失效需要空氣制動作為補充時，施加空氣制動，把摩擦制動產(chǎn)生的排放和損耗減少到最小。在列車進行常用制動過程中，各車的空氣制動力分配主要參考了常用制動有效率，若常用制動有效率發(fā)生改變，則重新分配制動力。

2.3 設(shè)置列車安全環(huán)路保證列車在緊急情況下停車

作為一個安全保障原則，動車組設(shè)置有安全回路，在緊急情況下能夠觸發(fā)緊急排風閥使列車緊急制動。安全回路是貫穿于全列車的硬線回路，包括控制線和回路線，它提供了獨立于列車控制系統(tǒng)的監(jiān)測功能。

安全回路系統(tǒng)由蓄電池110V電源向列車控制線和回路控制線供電。該回路的執(zhí)行也通過布置于整列車即從頭車到尾車的監(jiān)控接觸元件（回路繼電器）實現(xiàn)的?；芈房刂凭€的信息傳遞到處于端車的第二個列車控制線（回路狀態(tài)線）中。該控制線按順序?qū)⑿畔鬟f到整列車并允許線路狀態(tài)評估元件（回路元件）執(zhí)行一個實際回路狀態(tài)探測（通過一個輔助接觸器）。因為在回路斷電時回路狀態(tài)線也會失電，一個相應(yīng)的信息將被送到回路元件中，并最終引起列車緊急制動。

回路也具有被旁路的功能：如果激活一個失效開關(guān)，該回路將會失效，此時該回路不再具備監(jiān)測功能。

CRH3動車組設(shè)置了圖1的6個安全回路。的情況會把狀態(tài)信號送到司機顯示屏、乘務(wù)員顯示屏和CCU。

2.4 制動故障時的列車限速措施

制動系統(tǒng)的故障診斷以行車安全作為首要考慮因素，對于6類可能危及行車安全的制動系統(tǒng)重大故障，將通過與列車中央控制單元聯(lián)鎖，請求列車限速運行，以保障列車運行安全，見表5。

圖1 列車安全環(huán)路

表5 請求CRH3列車限速運行的制動系統(tǒng)（車輛級）故障

（1）緊急制動回路.緊急制動回路收集自動列車保護系統(tǒng)、手動緊急按鈕、停放制動監(jiān)控回路、轉(zhuǎn)向架監(jiān)控回路和制動功率控制器的緊急制動請求，并把該請求送到所有牽引單元（激活再生制動）、制動控制單元（激活空氣制動），再送到CCU和緊急排風閥。

（2）停放制動監(jiān)控回路。停放制動監(jiān)控回路監(jiān)控彈簧制動（停放制動）的狀態(tài)，以防止在錯誤施加停放制動時制動盤不會過度磨損和過熱。停放制動監(jiān)控回路把信息傳遞到緊急制動回路、制動控制系統(tǒng)和CCU中。

（3）制動緩解回路。制動緩解回路監(jiān)控空氣制動的緩解狀態(tài)，以防止在錯誤施加空氣制動時制動盤不會過度磨損和過熱。制動緩解回路把信息傳遞到CCU中。如果CCU檢測到一個斷開的制動緩解回路，牽引功能將會被封鎖。

（4）乘客緊急制動回路。當乘客啟動緊急制動時，乘客緊急制動回路將通過列車制動管理單元（TBM，處于頭車的制動控制單元）實施最大常用制動。乘客緊急制動回路把狀態(tài)信號送到所有端車的制動控制單元和CCU中。但在危險區(qū)域（例如，在隧道或橋梁上）司機可以使乘客的緊急制動請求暫時失效并且滯后實施。

（5）轉(zhuǎn)向架監(jiān)控回路。當轉(zhuǎn)向架監(jiān)控系統(tǒng)被激活時，轉(zhuǎn)向架的監(jiān)控回路將施加緊急制動以防止對轉(zhuǎn)向架、車軸及車輪造成損傷，及時采取措施。但是只有在轉(zhuǎn)向架監(jiān)控系統(tǒng)激活的最大常用制動失效時才會發(fā)生該回路的斷路。轉(zhuǎn)向架的監(jiān)控回路把狀態(tài)信號送到緊急制動回路和CCU中。

（6）火災(zāi)報警回路?；馂?zāi)報警回路監(jiān)控到發(fā)生火災(zāi)

2.5 通過冗余設(shè)計保障制動系統(tǒng)有效工作

為保障制動系統(tǒng)在列車運行過程中能夠有效工作，對重要部件進行了冗余設(shè)計。例如：制動手柄內(nèi)部具有兩套相互獨立的電氣信號轉(zhuǎn)換裝置，分別將手柄角度轉(zhuǎn)換為制動級位，各自送至BCU1.1與BCU1.2，在某一路故障情況下，另一路能正常工作；BCU1.1與BCU1.2的SBM／TBM功能冗余，在BCU1.1故障情況下，可由BCU1.2承擔SBM／TBM功能；CAN通訊通道冗余，在一路CAN通訊故障情況下，可切換至另一通道進行通訊；緊急制動施加方式冗余，可通過主控制動手柄施加，也可通過蘑菇頭按鈕施加，還有各種條件可觸發(fā)列車緊急制動。

2.6 緊急情況下通過觸發(fā)緊急制動確保列車安全停車

在緊急情況下，列車可自動或人工觸發(fā)緊急制動，確保安全停車。緊急制動可通過以下任意方法觸發(fā)：

（1）司機室的緊急制動蘑菇頭按鈕被按下；（2）制動控制器被推到緊急制動（EB）位置；（3）由列車保護系統(tǒng)或自動警惕設(shè)備觸發(fā)；（4）列車運行時，若停放制動被施加，則停放制動監(jiān)控回路會觸發(fā)緊急制動；（5）轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)或軸溫過高時，轉(zhuǎn)向架監(jiān)控回路觸發(fā)最大常用制動，若最大常用制動失敗，則觸發(fā)緊急制動。

動車組制動系統(tǒng)的緊急制動可以通過以下方法啟動：

（1）列車管排風：間接制動的分配閥會啟動空氣制動；

（2）直接制動的緊急制動閥：安全回路狀態(tài)列車線作用于每輛車的緊急制動閥；

（3）常用制動的冗余作用：每個BCU檢測安全回路狀態(tài)列車線，施加最大常用制動。

2.7 其他故障導向安全措施

除了前文所述制動系統(tǒng)的安全措施外，動車組制動系統(tǒng)還設(shè)置了以下安全措施：

（1）空重車調(diào)整。當空簧壓力信號低于空車質(zhì)量或高于超員車質(zhì)量，要確?？哲囍苿恿蛳拗谱畲笾苿恿Α?/p>

（2）防滑閥連續(xù)排風。當防滑閥連續(xù)排風時間大于5s時，則切除防滑控制而投入空氣制動，以保證制動距離。

（3）總風壓力過低。若總風壓力下降到650kPa以下，列車的常用制動功能不能正常發(fā)揮，此時將關(guān)閉列車中的其他用風設(shè)備，以保證列車一次緊急制動的可靠施加。

（4）全列車停放制動施加、緩解狀態(tài)不一致。如果在列車速度超過3km／h時出現(xiàn)這種狀況，列車緊急制動安全環(huán)路中斷，列車自動施加緊急制動；同時列車制動管理器控制列車中所有的制動控制單元施加最大常用制動。

（5）全列車的常用制動施加、緩解狀態(tài)不一致。通過列車中央控制單元，自動限速15km／h運行。

3 結(jié)束語

和諧號動車組制動系統(tǒng)在設(shè)計過程中充分考慮了故障診斷功能，并對各種可能出現(xiàn)的故障采取了對應(yīng)的安全措施，基本涵蓋了所有部件級和系統(tǒng)級的功能、性能和工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)了對故障的快速定位和處理，列車可以自動采取安全措施，減少了人為的不安全因素，使得列車能夠安全可靠地運行。