和諧號動車組制動力動態(tài)分配模式

姜巖峰，曹宏發(fā)，王鵬飛，程宏明，安志鵬

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

和諧號動車組高速運(yùn)行時，如果施加制動將會產(chǎn)生大量的能量轉(zhuǎn)換。因此制動系統(tǒng)需要良好的控制策略來保證安全停車的同時還有較好的運(yùn)用經(jīng)濟(jì)性和乘坐舒適度。以下對制動系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行簡單的介紹：

（1）和諧號動車組采用了微機(jī)控制的直通電空制動和自動制動相結(jié)合的制動控制方法，在正常運(yùn)行的條件下使用電空制動作為控制手段（常用制動），當(dāng)電空控制失效的時候可以啟動自動制動控制方法（備用制動）。在動車上可以使用再生電制動力（簡稱電制力）和空氣制動力，在拖車上只有空氣制動力。常用制動時制動系統(tǒng)的指令由列車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，因此可以傳遞更多的設(shè)備狀態(tài)。備用制動時，通過貫穿全列的制動管減壓對分配閥進(jìn)行控制，從而產(chǎn)生制動力。

（2）制動系統(tǒng)接收的指令被處理為一定的制動級別，每一個制動級別表示的是制動系統(tǒng)需要產(chǎn)生的目標(biāo)減速度，級別越大減速度越大。因為輪軌間的黏著力有一定的限值，且隨著速度的變化而變化。因此為了充分的利用黏著的同時保證車輪盡可能的不發(fā)生滑行，制動系統(tǒng)制動時候遵循一定的減速度、速度、制動級別曲線。使用微機(jī)控制的電空制動系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前的速度、制動級別等信息獲得合適的減速度，保證安全有效的制動。

（3）和諧號動車組在制動力施加方式上采用了在動車上使用再生電制力和盤形制動力的方式，在拖車上采用盤形制動的方式。為了盡可能的減少摩擦部件的損耗，制動的時候盡可能的利用再生電制力，從而降低列車的運(yùn)用成本。

本文將對各種制動工況下制動力在不同制動方式和車輛間的動態(tài)分配進(jìn)行分析。

1 常用制動

1.1 常用制動指令計算

當(dāng)制動系統(tǒng)接收到某個級別的指令后，制動系統(tǒng)會根據(jù)一定的速度、減速度和級別關(guān)系圖進(jìn)行計算，得到當(dāng)前的目標(biāo)減速度，同時制動系統(tǒng)根據(jù)各車制動單元的信息計算得到當(dāng)前的列車車重，根據(jù)目標(biāo)減速度和列車的質(zhì)量可以計算得出目前列車的目標(biāo)制動力。

一般來說，電空制動指令的計算分為集中式和分散式兩種控制形式。集中式計算時，全列制動控制單元中只有一臺負(fù)責(zé)接收列車的制動指令，經(jīng)過計算后以電信號的形式將指令分發(fā)到列車中的各個制動控制單元。分散式的計算方式是指制動指令直接通過電信號分發(fā)到各個制動控制單元，由各個單元根據(jù)指令和當(dāng)前制動系統(tǒng)的狀態(tài)自行計算制動力。目前和諧號采用的是集中方式計算，有司機(jī)所在車的制動單元作為全列的計算中樞，在全列范圍內(nèi)進(jìn)行制動力的分配。

1.2 制動力分配

因為列車編組中有動車也有拖車，其采用的制動方式也不同，因此制動時需要在各車之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。常用的方式有均衡制動控制和電制力優(yōu)先控制。

均衡制動控制是各車輛承擔(dān)自身的所需制動力的控制方式。此時，動車優(yōu)先使用電制力，不足的部分采用空氣制動力，拖車采用空氣制動力?？梢钥闯觯宪嚨拈l片磨耗要比采用電力制動的動車要大。

電制優(yōu)先控制是有效利用動車的再生制動。當(dāng)動車的再生制動力達(dá)到最大值之前，優(yōu)先使用再生制動；再生制動力不足部分由拖車的空氣制動來承擔(dān)；當(dāng)制動力需求更大時候，在不超過黏著極限的情況下使用動車的空氣制動補(bǔ)充。

1.2.1 電制動優(yōu)先模式

在電制動優(yōu)先模式下，為了降低空氣制動部件的磨耗，優(yōu)先使用再生電制力。因此制動系統(tǒng)按照以下3個原則在再生電制力和空氣制動力之間進(jìn)行分配，優(yōu)先級由高到低依次為：

① 再生電制力；②拖車軸上的空氣制動力；③ 動車軸上的空氣制動力?；谶@3個原則，電制優(yōu)先模式下常用制動制動力分配流程如圖1所示。

圖1 常用制動制動力分配流程

1.2.2 均衡模式下的分配方法

這種模式下制動系統(tǒng)將在所有的軸上施加基本相同的制動力，以獲得相同的黏著系數(shù)，因此施加在每輛車上的制動力與車輛的質(zhì)量成正比。首先計算全列的目標(biāo)制動力，然后根據(jù)每輛車在全列車重中所占的比例，將目標(biāo)制動力分配給每一輛車。對于動車來說，如果可用的電制力滿足制動力要求，則不用施加空氣制動；如果電制力不足，則需要補(bǔ)充空氣制動力。對于拖車來說，則必須施加空氣制動力。使用均衡模式，可以防止列車的制動力過分的在某輛車上集中施加。如果集中施加，在黏著較差的情況下，有可能導(dǎo)致車輛的滑行。因此使用均衡模式可以在較差的黏著條件下提高列車制動性能。

1.2.3 實(shí)例分析

圖2為4級復(fù)合條件下的各車制動力分配，圖3為8級復(fù)合條件下的制動力。這些制動力數(shù)據(jù)采自16輛編組的CRH3和諧動車組，列車共4個牽引單元。16車和15車屬于第4牽引單元，7車和8車屬于第2牽引單元。其中8車和16車是動車，7車和15車是拖車。

兩個圖中由于制動級別不同，列車減速時的目標(biāo)制動力也不同。但是從圖中可以看出，8車發(fā)揮的電制力在兩個級別下是相同的，這表明制動系統(tǒng)制動時優(yōu)先利用動車的電制力。

從兩圖中還可以看出當(dāng)制動級別為4級時，7車和15車都輸出不到10kN的制動力，而在8級制動的時候，7車和15車發(fā)揮的制動力要大得多，但是此時動車的空氣制動沒有施加，因此可以看出在充分利用電制力后，拖車的空氣制動力作為候選的制動力，參與制動。

當(dāng)大約30km／h的速度時，電制力發(fā)揮的能力下降，拖車的空氣制動力增加。因為在這個速度左右，制動系統(tǒng)會轉(zhuǎn)為采用比例方式進(jìn)行控制，在所有車上都施加相似的制動力。由于前期充分利用電制力，動車發(fā)揮的制動力占全列制動力比例偏大，拖車的空氣制動力比例偏小，在均衡模式下需要重新進(jìn)行分配。

圖2 4級復(fù)合條件下的各車制動力分配

圖3 8級復(fù)合條件下的制動力

1.3 電制動和空氣制動轉(zhuǎn)換作用過程

當(dāng)列車低于一定的速度，電制力會退出。為了保證此時列車制動力總和不發(fā)生變化，需要牽引控制單元和制動系統(tǒng)協(xié)同工作。首先由牽引控制單元發(fā)出電制力退出信號，制動系統(tǒng)在接收到該信號后過一段時間才開始補(bǔ)充空氣制動，補(bǔ)償曲線的斜率和電制力退出的斜率相等，使兩種制動方式發(fā)揮的制動力總和保持穩(wěn)定。如圖6電制退出時空電復(fù)合的關(guān)系是采集自CRH3的8車（動車）的復(fù)合制動數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，兩種制動方式在低速下平滑的過渡，保證了制動力的平穩(wěn)。

圖4 電制退出時空電復(fù)合的關(guān)系

1.4 故障工況下的常用制動

1.4.1 切除單車制動力對列車制動力分配的影響

由于采用了集中計算的控制方式，當(dāng)列車中單車的制動力不可用的時候，該車的制動控制單元會將該狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)通知主控單元。主控單元匯總列車制動力的時候就不會計算該車制動力，由于目標(biāo)減速度未發(fā)生變化，故目標(biāo)制動力未變，因此其它可用的車輛就需要比以往更大的制動力。

如圖5所示是部分制動切除對全列制動力分配的影響。4條曲線都是在8級復(fù)合工況下采集的7車空氣制動力，分別是正常復(fù)合8級、復(fù)合8級切除16車制動、復(fù)合8級切除16車電制動、復(fù)合8級切除15車空氣。7車屬于第2牽引單元，15車和16車屬于第4牽引單元。7車、15車為拖車，16車為動車。

可以看出在第4單元切除動車或拖車的制動力，不管是空氣制動還是電制動，都會導(dǎo)致第2單元的7車空氣制動力上升。也就是說對某個牽引單元制動系統(tǒng)進(jìn)行切除后，造成該單元的可用制動力下降，制動系統(tǒng)監(jiān)測到這一情況，會通過增加其它的制動單元的制動力來進(jìn)行補(bǔ)充，從而保證全列車的制動力滿足減速度的要求。

從圖中還可以看出，由于16車的所有制動力被切除，造成制動力的缺失最大，因此需要在7車上補(bǔ)充的制動力最大。如果列車切除一輛車制動力的情況下，制動系統(tǒng)可以通過重新分配制動力進(jìn)行補(bǔ)償。

1.4.2 全部的電制力被切除

當(dāng)所有的電制力都被切除后，主控單元計算總制動力的時候?qū)⒉挥嬎汶娭屏?，此時全列制動力將全部使用空氣制動力，空氣制動力均勻的分布在每輛車的每根軸上。此時，可能會造成摩擦部件的磨損增加，但是對列車安全停車沒有影響。

2 緊急制動力分配

2.1 緊急制動的作用過程

列車運(yùn)行時，當(dāng)列控系統(tǒng)或司機(jī)認(rèn)為當(dāng)前運(yùn)行處于緊急狀態(tài)時，可以施加緊急制動。緊急制動的主要目的就是使列車能夠以盡可能短的距離安全停車。此時列車將以最大可能的制動力進(jìn)行制動，從而盡可能的保證安全，遠(yuǎn)離危險源。

緊急制動時，列車中相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生以下動作：

① 貫穿全列的列車管排風(fēng)，安裝在每輛車的空氣分配閥實(shí)施備用的空氣緊急制動。

② 通過“緊急安全環(huán)路”觸發(fā)的安裝在每輛車上的緊急制動電磁閥得電，實(shí)施直通電空緊急制動。

③每車BCU檢測“緊急安全環(huán)路狀態(tài)”后，施加冗余的電空緊急指令。

2.2 緊急制動的分級控制

高速列車制動時，車輛的動能轉(zhuǎn)化為制動盤與閘片的摩擦熱能，制動盤與閘片的熱負(fù)荷與速度的平方成正比。為合理分配基礎(chǔ)制動裝置的熱負(fù)荷情況，并考慮到高速行駛時輪軌黏著系數(shù)的降低，制動力采用分級控制。制動力分級控制的速度切換點(diǎn)為200km／h；v＞200km／h時，制動減速度為0.9m／s2，v＜200km／h時，制動減速度為1.10m／s2。如圖6緊急制動減速度曲線所示。

圖6 緊急制動減速度曲線

2.3 緊急制動時的空電復(fù)合

緊急制動時候，如果電制動可用，則動車的電制力發(fā)揮至一個相對穩(wěn)定的數(shù)值，不隨車輛速度變化進(jìn)行調(diào)整；動車的空氣制動力根據(jù)電制力可用狀態(tài)輸出兩種制動力，當(dāng)電制力可用時，輸出較低的空氣制動力；當(dāng)?shù)陀?0km／h的速度后，電制力退出，動車空氣制動輸出較高的空氣制動力。以上的策略目的是保證列車輸出較大制動力的同時，防止動車電制力和空氣制動力疊加超過輪軌的黏著極限，從而減少滑行的幾率。

3 備用制動力分配

備用制動的主要目的是用于救援和回送，此時列車的直通電空制動控制失效，司機(jī)通過備用的司機(jī)控制閥控制貫穿全列車的列車管壓力。列車管壓力的變化使安裝于每輛車的分配閥輸出壓力發(fā)生變化，并通過分配閥控制中繼閥向制動缸充風(fēng)或排風(fēng)，實(shí)現(xiàn)列車的制動、緩解。

備用制動時，由制動管的減壓量來控制各車的制動力，所以各車制動力基本相同，且各車制動力不會隨著車輛速度而發(fā)生變化。由于備用制動的裝備，提高了制動系統(tǒng)的可用性，保證了列車的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

（1）和諧號動車組的常用制動針對不同的運(yùn)行工況，制定了電制力優(yōu)先模式、均衡模式，能夠滿足正常情況下列車運(yùn)行的要求。

（2）在常用制動模式下，優(yōu)先利用電制力，減少制動部件的磨損。當(dāng)單車的制動力切除后，制動系統(tǒng)能夠在全列車范圍內(nèi)對缺失的制動力進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）列車在緊急制動時，仍優(yōu)先使用電制力，制動系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)電制力和空氣制動力的匹配關(guān)系。

（4）當(dāng)電空制動失效后，還可以使用備用制動，增加了列車的安全性。

［1］錢立新.世界高速鐵路技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［2］邵炳衡，張 鑫，朱仙福.高速列車制動模式探討［J］.機(jī)車電傳動，1995，（5）：10－15.