動(dòng)車組空電復(fù)合制動(dòng)控制策略研究＊

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司電氣研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，工程師）

動(dòng)車組空電復(fù)合制動(dòng)控制策略研究＊

王學(xué)文 馬永靖 孟繁輝 李宏偉

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司電氣研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，工程師）

給出了兩種適用于動(dòng)車組的空電復(fù)合制動(dòng)控制策略，同時(shí)介紹空電復(fù)合制動(dòng)控制策略的制動(dòng)力分配方案、故障運(yùn)行模式以及信號(hào)傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并就兩種控制策略對(duì)列車制動(dòng)力、閘片磨耗、接線復(fù)雜程度以及對(duì)通信協(xié)議的影響進(jìn)行對(duì)比分析。

動(dòng)車組；空電復(fù)合制動(dòng)；制動(dòng)控制策略

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

目前，動(dòng)車組普遍采用空電復(fù)合制動(dòng)控制策略，且在制動(dòng)混合單元內(nèi)，優(yōu)先使用電制動(dòng)，以有效降低閘片磨耗，并充分利用輪軌黏著力，減少列車級(jí)制動(dòng)力損失，進(jìn)而減少限速，提高動(dòng)車組利用率［1－2］。

本文以8輛固定編組動(dòng)車組為例，分別給出了一動(dòng)一拖單元空電復(fù)合制動(dòng)和兩動(dòng)兩拖單元空電復(fù)合制動(dòng)的控制策略，同時(shí)介紹空電復(fù)合制動(dòng)控制策略的制動(dòng)力分配方案、故障運(yùn)行模式以及信號(hào)傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并就兩種控制策略對(duì)列車制動(dòng)力、閘片磨耗、接線復(fù)雜程度以及對(duì)通信協(xié)議的影響進(jìn)行對(duì)比分析。

1 一動(dòng)一拖單元空電復(fù)合制動(dòng)

制動(dòng)控制系統(tǒng)采用在一動(dòng)一拖單元內(nèi)進(jìn)行空電復(fù)合，即將8輛編組動(dòng)車組分為4個(gè)空電復(fù)合單元，具體空電復(fù)合制動(dòng)編組方式見圖1。

圖1 一動(dòng)一拖單元空電復(fù)合制動(dòng)編組圖

一動(dòng)一拖單元空電復(fù)合制動(dòng)時(shí)，4個(gè)復(fù)合制動(dòng)單元是相互獨(dú)立的，與復(fù)合制動(dòng)相關(guān)的信息只在一個(gè)復(fù)合制動(dòng)單元內(nèi)交互。信息可采用多功能車輛總線（MVB）網(wǎng)絡(luò)傳送，也可采用硬線方式傳送。不論是通過MVB網(wǎng)絡(luò)還是通過硬線進(jìn)行復(fù)合制動(dòng)控制，一動(dòng)一拖單元內(nèi)空電復(fù)合制動(dòng)控制邏輯是相同的，即僅在本單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力分配［3］。一動(dòng)一拖單元空電復(fù)合制動(dòng)控制邏輯見圖2。

1．1 空電復(fù)合制動(dòng)分配方式

記制動(dòng)減速度指令為b（m／s2），T車載荷為mt（kg），M車載荷為mm（kg），一動(dòng)一拖單元的制動(dòng)載荷為mu（kg），T車、M車需要的制動(dòng)力分別為Ft（N）、Fm（N），一動(dòng)一拖單元所需的總制動(dòng)力為FU（N），T車、M車的制動(dòng)控制單元（BCU）均可獲得相鄰車的載荷信息，均可計(jì)算本車、相鄰車及一個(gè)單元所需的制動(dòng)力［4］。制動(dòng)力計(jì)算式如下：

圖2 一動(dòng)一拖單元空電復(fù)合制動(dòng)控制邏輯圖

電制動(dòng)力的實(shí)際值為FE。記T車、M車需要補(bǔ)充的空氣制動(dòng)力分別為FtA（N）、FmA（N）。

（1）當(dāng)FE≥FU時(shí)，F(xiàn)tA＝0，F(xiàn)mA＝0。即當(dāng)電制動(dòng)力可以滿足本單元所需的制動(dòng)力時(shí)，本單元的動(dòng)車和拖車都不需要施加空氣制動(dòng)，所需制動(dòng)力全部由電制動(dòng)承擔(dān)。

（2）當(dāng)FU＞FE≥Fm時(shí)，F(xiàn)mA＝0，F(xiàn)tA＝FU－FE＝Ft＋Fm－FE＝Ft－（FE－Fm）。即當(dāng)電制動(dòng)力大于動(dòng)車需求的制動(dòng)力，但不能滿足一個(gè)一動(dòng)一拖單元所需的制動(dòng)力時(shí)，則復(fù)合制動(dòng)單元不足的制動(dòng)力在拖車上由空氣制動(dòng)補(bǔ)償，動(dòng)車所需的制動(dòng)力全部由電制動(dòng)承擔(dān)。

（3）當(dāng)FE＜Fm時(shí)，F(xiàn)mA＝Fm－FE，F(xiàn)tA＝FU－Fm。即當(dāng)電制動(dòng)力小于動(dòng)車需求的制動(dòng)力，則動(dòng)車不足的制動(dòng)力在動(dòng)車上由空氣制動(dòng)補(bǔ)償，拖車所需的制動(dòng)力全部由空氣制動(dòng)承擔(dān)。

空氣制動(dòng)與電制動(dòng)能夠?qū)崟r(shí)配合，但在動(dòng)車組低速階段時(shí)電制動(dòng)力會(huì)出現(xiàn)下降，且電制動(dòng)力的下降速度會(huì)很快，可能會(huì)超出空氣制動(dòng)力的最大上升速度。為減少空氣制動(dòng)的滯后，除了制動(dòng)缸要有初充壓力外，BCU將控制電制動(dòng)緩慢退出，使空氣制動(dòng)力能夠適當(dāng)超前補(bǔ)充，以減少空氣制動(dòng)力滯后產(chǎn)生的制動(dòng)力波動(dòng)。

1．2 空電復(fù)合制動(dòng)故障運(yùn)行模式

在電制動(dòng)正常的情況下，BCU會(huì)向牽引控制單元（TCU）發(fā)送電制動(dòng)力設(shè)定值信號(hào)，當(dāng)電制動(dòng)不滿足單元內(nèi)制動(dòng)力需求時(shí)，不足部分由空氣制動(dòng)補(bǔ)充。

（1）動(dòng)車電制動(dòng)系統(tǒng)故障：空電復(fù)合制動(dòng)是按實(shí)際電制動(dòng)力變化實(shí)時(shí)配合的，當(dāng)動(dòng)車電制動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，實(shí)際的電制動(dòng)力為零，這時(shí)故障單元的實(shí)際制動(dòng)模式為空氣制動(dòng)，對(duì)總的列車制動(dòng)力沒有影響。

（2）動(dòng)車空氣制動(dòng)系統(tǒng)故障：當(dāng)動(dòng)車空氣制動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，電制動(dòng)力可以正常發(fā)揮作用，當(dāng)制動(dòng)減速度比較大時(shí)，電制動(dòng)力不能滿足復(fù)合制動(dòng)單元所需的制動(dòng)力，則列車總的制動(dòng)力將偏小。

（3）拖車空氣制動(dòng)系統(tǒng)故障：當(dāng)拖車空氣制動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，動(dòng)車BCU仍然可以進(jìn)行空電復(fù)合制動(dòng)控制，在電制動(dòng)力可以滿足復(fù)合制動(dòng)單元所需的制動(dòng)力時(shí)，拖車空氣制動(dòng)故障對(duì)列車總的制動(dòng)力沒有影響。如果制動(dòng)減速度比較大，電制動(dòng)力不能滿足復(fù)合制動(dòng)單元所需的制動(dòng)力，則列車總的制動(dòng)力將偏小。

1．3 復(fù)合制動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一動(dòng)一拖單元內(nèi)空電復(fù)合制動(dòng)所需的信息通過MVB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。當(dāng)某輛車的MVB通信發(fā)生故障時(shí)，該車的制動(dòng)力設(shè)定為0，在較高減速度時(shí)，列車總的制動(dòng)力偏弱。空電復(fù)合制動(dòng)信息通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 一動(dòng)一拖單元MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1．4 復(fù)合制動(dòng)的硬線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一動(dòng)一拖單元內(nèi)空電復(fù)合制動(dòng)所需的信息通過硬線進(jìn)行傳輸，BCU通過MVB網(wǎng)絡(luò)僅傳輸顯示和診斷信息，不參與制動(dòng)控制。當(dāng)動(dòng)拖車之間的硬線發(fā)生故障時(shí)，各車輛制動(dòng)力根據(jù)等黏著原則獨(dú)立分配。空電復(fù)合制動(dòng)信息通過硬線傳輸?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 一動(dòng)一拖單元硬線傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 兩動(dòng)兩拖單元空電復(fù)合制動(dòng)

制動(dòng)控制系統(tǒng)采用在兩動(dòng)兩拖單元內(nèi)進(jìn)行空電復(fù)合，即將8輛編組動(dòng)車組分為2個(gè)空電復(fù)合單元，具體空電復(fù)合制動(dòng)編組方式見圖5。

常用制動(dòng)時(shí)，單元內(nèi)優(yōu)先施加電制動(dòng)力，不足部分由空氣制動(dòng)補(bǔ)充。根據(jù)“等黏著”或“等磨耗”原則，可以優(yōu)先由拖車施加空氣制動(dòng)或動(dòng)車與拖車同時(shí)施加空氣制動(dòng)。當(dāng)本單元的某車無法施加制動(dòng)時(shí)，其它3輛車能夠進(jìn)行補(bǔ)充，相對(duì)于“一動(dòng)一拖為一個(gè)單元”而言，此種空電復(fù)合制動(dòng)更容易保證總的制動(dòng)力大小不變，從而提高常用制動(dòng)時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)的可用性［3］。兩動(dòng)兩拖單元空電復(fù)合制動(dòng)控制邏輯見圖6。

圖5 兩動(dòng)兩拖單元空電復(fù)合制動(dòng)編組圖

圖6 兩動(dòng)兩拖單元空電復(fù)合制動(dòng)控制邏輯圖

2．1 空電復(fù)合制動(dòng)分配方式

一個(gè)空電復(fù)合單元由同一MVB網(wǎng)段內(nèi)4輛車組成。常用制動(dòng)根據(jù)車輛載荷進(jìn)行補(bǔ)償，車輛載荷基于本車的質(zhì)量信息和其他車輛的質(zhì)量信息來計(jì)算單元內(nèi)質(zhì)量。對(duì)于常用制動(dòng)，通過電制動(dòng)和空氣制動(dòng)兩種制動(dòng)方式進(jìn)行復(fù)合，電制動(dòng)力優(yōu)先發(fā)揮至最大可用值。如果實(shí)際電制動(dòng)力不夠，空氣制動(dòng)力平均分配至拖車的每個(gè)制動(dòng)盤上，直至達(dá)到規(guī)定的黏著限制。如果拖車已經(jīng)達(dá)到黏著限制，則剩余的空氣制動(dòng)將平均分配到該車每個(gè)制動(dòng)盤上，直至達(dá)到功率極限。剩余的空氣制動(dòng)力被分配到?jīng)]有達(dá)到功率極限的車上。如果所有車都達(dá)到了功率極限，則剩下的空氣制動(dòng)力必須被平均施加至所有制動(dòng)盤上。

2．2 空電復(fù)合制動(dòng)故障運(yùn)行模式

在電制動(dòng)正常的情況下，動(dòng)車BCU會(huì)向TCU發(fā)送電制動(dòng)力設(shè)定值信號(hào)，當(dāng)電制動(dòng)不滿足單元內(nèi)制動(dòng)力需求時(shí)，不足部分由空氣制動(dòng)補(bǔ)充。

（1）動(dòng)車BCU的MVB通信故障：當(dāng)某輛動(dòng)車BCU的MVB通信出現(xiàn)故障時(shí)，需要將該動(dòng)車的電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力設(shè)置為零，以防止制動(dòng)力的疊加。該動(dòng)車損失的制動(dòng)力由單元內(nèi)其他車輛制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。

（2）拖車BCU的MVB通信故障：當(dāng)某輛拖車BCU的MVB通信出現(xiàn)故障時(shí)，需要將該拖車的空氣制動(dòng)力設(shè)置為零。該拖車損失的制動(dòng)力由單元內(nèi)其他車輛制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。

（3）動(dòng)車電制動(dòng)系統(tǒng)故障：空電復(fù)合制動(dòng)是按實(shí)際電制動(dòng)力變化實(shí)時(shí)配合的，當(dāng)某輛動(dòng)車電制動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，實(shí)際的電制動(dòng)力為零，空氣制動(dòng)系統(tǒng)仍然可以正常發(fā)揮作用，對(duì)總的列車制動(dòng)力沒有影響。

（4）動(dòng)車空氣制動(dòng)系統(tǒng)故障：當(dāng)某輛動(dòng)車空氣制動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，電制動(dòng)力可以正常發(fā)揮作用，在常用制動(dòng)時(shí)對(duì)列車總制動(dòng)力無影響。

（5）拖車空氣制動(dòng)系統(tǒng)故障：當(dāng)拖車空氣制動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，單元內(nèi)仍然可以進(jìn)行空電復(fù)合制動(dòng)控制，在電制動(dòng)力可以滿足復(fù)合制動(dòng)單元所需的制動(dòng)力時(shí)，拖車空氣制動(dòng)故障對(duì)總的列車制動(dòng)力沒有影響。如果制動(dòng)減速度比較大，受限于黏著限制，列車總的制動(dòng)力可能偏小。

2．3 復(fù)合制動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)

兩動(dòng)兩拖單元內(nèi)空電復(fù)合制動(dòng)時(shí)，兩個(gè)牽引單元是相互獨(dú)立的，與復(fù)合制動(dòng)相關(guān)的信息只采用MVB傳送?？针姀?fù)合制動(dòng)信息通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 兩動(dòng)兩拖單元網(wǎng)絡(luò)傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 空電復(fù)合制動(dòng)方案對(duì)比分析

空電復(fù)合制動(dòng)方案主要體現(xiàn)在故障工況時(shí)列車制動(dòng)力和閘片磨耗所受到的影響狀況。故障模式主要包括：動(dòng)車MVB故障、拖車MVB故障、動(dòng)車電制動(dòng)故障、動(dòng)車空氣制動(dòng)故障、拖車空氣制動(dòng)故障、接收制動(dòng)指令異常等。不同的復(fù)合制動(dòng)形式在上述故障發(fā)生時(shí)對(duì)列車制動(dòng)力和閘片磨耗的影響分析見表1和表2［5］。

此外，空電復(fù)合制動(dòng)方案對(duì)車輛接線復(fù)雜程度也有一定影響（見表3）。

表1 復(fù)合制動(dòng)故障對(duì)列車制動(dòng)力的影響

表2 復(fù)合制動(dòng)故障對(duì)閘片磨耗的影響

表3 復(fù)合制動(dòng)方案對(duì)車輛接線復(fù)雜程度的影響

4 結(jié)語

綜上所述，一動(dòng)一拖單元空電復(fù)合制動(dòng)方案中，采用硬線復(fù)合方式（與網(wǎng)絡(luò)復(fù)合方式相比），可降低故障模式下制動(dòng)力損失和閘片磨耗。兩動(dòng)兩拖單元空電復(fù)合制動(dòng)方案與一動(dòng)一拖單元空電復(fù)合制動(dòng)方案相比，優(yōu)勢(shì)更為明顯。兩動(dòng)兩拖單元空電復(fù)合制動(dòng)方案已成功應(yīng)用于CJ－1型城際動(dòng)車組，目前使用狀態(tài)良好。

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

［2］ 曹宏發(fā)，李和平，楊偉君，等．自主化CRH3型高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)［J］．鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（2）：62．

［3］ 王月明．動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2010．

［4］ 饒忠．制動(dòng)系統(tǒng)［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2012．

［5］ 吳萌嶺，羅卓軍．基于自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)的列車制動(dòng)減速度控制［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2015，37（8）：8．

On the Electro Pneumatic Blending Brake Control Strategy for EMU

WANG Xuewen，MA Yongjing，MENG Fanhui，LI Hongwei

In this paper，two kinds of electro pneumatic blending brake control strategies for EMU are proposed．The brake force distribution solution，fault operation mode and topological structure of electro pneumatic blending brake control strategy are specially introduced，the influences of two kinds of control strategy on the train are compared from aspects of the brake force，brake wear，electricity wire connection complexities and influences on communication protocol．

electric multiple unit（EMU）；electro pneumatic blending braking；brake control strategy

U266．2

10．16037／j．1007－869x．2017．02．015

2016－09－17）

＊中國(guó)鐵路總公司科研項(xiàng)目（2012J003－B）