CRH5G型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配的邏輯優(yōu)化

楊 川，許 杰

（中國(guó)中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研究中心，長(zhǎng)春 130062）

在CRH5G型高速動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)前期的調(diào)試過程中，由于部分鐵路沿線坡道大而長(zhǎng)—超過100 km的連續(xù)坡道（坡度約13‰）[1]，且部分區(qū)段接觸網(wǎng)網(wǎng)壓高于29 kV，導(dǎo)致動(dòng)車組電制動(dòng)發(fā)揮欠佳甚至失效，在整個(gè)長(zhǎng)大坡道的調(diào)速過程中將完全由空氣制動(dòng)完成制動(dòng)力的施加[2]，使制動(dòng)盤和閘片長(zhǎng)期處于異常高溫狀態(tài)，可靠性降低而易發(fā)生故障。經(jīng)專項(xiàng)線路試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電制動(dòng)失效后動(dòng)車組在整個(gè)長(zhǎng)大坡道運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)盤及閘片的熱負(fù)荷已普遍過高[3-5]，影響了動(dòng)車組的行車安全。為解決上述問題，在CRH5G型動(dòng)車組原有制動(dòng)軟件的基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)力分配方案的控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化和完善。

1 動(dòng)車組制動(dòng)力分配原理

1.1 列車編組及制動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置

CRH5G型動(dòng)車組采用5M+3T的編組形式，由兩個(gè)牽引單元（2動(dòng)2拖為一個(gè)牽引單元）構(gòu)成，采用列車級(jí)和車輛級(jí)雙層總線拓?fù)鋄6]，且全部采用軸裝制動(dòng)盤的盤形制動(dòng)方式[3]，其中，MC01、M02、MH04、M07和MC08為動(dòng)車，TP03、TB05和TP06為拖車。動(dòng)車中2、3軸為動(dòng)軸、1、4軸為拖軸。拖車中1～4軸均為拖軸。制動(dòng)指令通過專用網(wǎng)絡(luò)MVB方式傳輸。車輛編組和制動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置 ，如圖1所示。

圖1 CRH5G型動(dòng)車組編組圖

1.2 牽引制動(dòng)手柄扇區(qū)分布

在牽引制動(dòng)手柄中，制動(dòng)指令以角度值進(jìn)行劃分，分為兩個(gè)手柄扇區(qū)，其中：中立位為55°，在該位置無牽引、制動(dòng)指令。角度值55°～32.5°為電制動(dòng)扇區(qū)（第1扇區(qū)）。角度值32.5°～10°為電空復(fù)合制動(dòng)扇區(qū)（第2扇區(qū)），角度值0度為緊急制動(dòng)位[7-8]，扇區(qū)分布，如圖2所示。

圖2 牽引制動(dòng)手柄扇區(qū)分布

牽引制動(dòng)手柄的角度值與制動(dòng)指令的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 角度值與制動(dòng)指令的對(duì)應(yīng)關(guān)系

CRH5G型動(dòng)車組上有兩個(gè)MVB網(wǎng)段，01～04車為第1單元，其中，有一輛拖車。05～08車為第2單元，其中，有兩輛拖車。在單元內(nèi)電制動(dòng)失效的動(dòng)車和拖車的每個(gè)BCU根據(jù)電制動(dòng)特性曲線、牽引制動(dòng)控制手柄角度（制動(dòng)請(qǐng)求的百分?jǐn)?shù)）和電制動(dòng)失效的數(shù)量來計(jì)算丟失的總電制動(dòng)力。

1.3 原有制動(dòng)力分配方案

如圖3所示，在正常工況下，各動(dòng)車的2、3軸只施加電制動(dòng)力。如果電制動(dòng)有效，各動(dòng)車的動(dòng)軸制動(dòng)盤及閘片將不會(huì)被使用。動(dòng)車電制動(dòng)如果失效，

所丟失的電制動(dòng)力將由其所在的動(dòng)車的4根車軸進(jìn)行補(bǔ)償，其他車不會(huì)對(duì)所丟失的電制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償[9]。

2 制動(dòng)力分配方案邏輯優(yōu)化

2.1 邏輯優(yōu)化基本原則

原有的制動(dòng)力分配方案中，如果動(dòng)車電制動(dòng)失效，所丟失的電制動(dòng)力將由其所在的動(dòng)車的4根車軸進(jìn)行補(bǔ)償，其他車不會(huì)對(duì)所丟失的電制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償。優(yōu)化方案中，將整列車被分成單獨(dú)的兩個(gè)制動(dòng)力混合單元（與牽引單元相對(duì)應(yīng)）。在每個(gè)動(dòng)車的每個(gè)動(dòng)軸上，僅能施加電制動(dòng)力或者空氣制動(dòng)力，如果動(dòng)車電制動(dòng)失效，丟失的電制動(dòng)力將由其同一混合單元中的動(dòng)車和拖車平均進(jìn)行補(bǔ)償，就可以減少故障動(dòng)車的轉(zhuǎn)向架所補(bǔ)償?shù)目諝庵苿?dòng)力，可使電制動(dòng)失效的動(dòng)車的制動(dòng)盤及閘片熱負(fù)荷大幅度降低，這也是優(yōu)化制動(dòng)力分配方案的設(shè)計(jì)初衷，如圖4所示。

根據(jù)扇區(qū)的不同，分為以下2種情況：

（1）牽引制動(dòng)手柄發(fā)出的低制動(dòng)指令（第1扇區(qū)）僅由電制動(dòng)執(zhí)行即可滿足所需的制動(dòng)力。如果電制動(dòng)失效，由TCU控制的動(dòng)軸上的電制動(dòng)互鎖閥將失電，電制動(dòng)失效的動(dòng)車4個(gè)軸（包括動(dòng)軸和拖軸）及多功能車輛總線（MVB，Multifunction Vehicle Bus）單元內(nèi)的拖車同時(shí)施加空氣制動(dòng)以補(bǔ)償電制動(dòng)力的損失。

（2）牽引制動(dòng)手柄發(fā)出的高制動(dòng)指令（第2扇區(qū)）由電制動(dòng)和拖軸（包括動(dòng)車和拖車）的空氣制動(dòng)同時(shí)執(zhí)行。拖軸的空氣制動(dòng)力線性增加直到最大常用制動(dòng)力。如果電制動(dòng)失效，由TCU控制的動(dòng)軸上的電制動(dòng)互鎖閥將失電，電制動(dòng)失效的動(dòng)車4個(gè)軸（包括動(dòng)軸和拖軸）及MVB單元內(nèi)的拖車同時(shí)施加空氣制動(dòng)以補(bǔ)償電制動(dòng)力的損失。

圖3 原有制動(dòng)力分配方案

圖4 優(yōu)化制動(dòng)力分配方案

2.2 邏輯優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)控制方案

優(yōu)化的制動(dòng)力分配方案是基于列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（TCMS）的中央控制單元（CCU）以及貫穿全列的MVB通信線路設(shè)置的改進(jìn)方案。

每個(gè)BCU根據(jù)該單元內(nèi)“拖車”數(shù)量（包括拖車和電制動(dòng)失效的動(dòng)車）來動(dòng)態(tài)調(diào)整需要補(bǔ)償丟失的電制動(dòng)力，使丟失的電制動(dòng)力由其他車輛“均勻”補(bǔ)償。

位于每個(gè)頭車的MBCU是制動(dòng)控制系統(tǒng)的主BCU，起到制動(dòng)主控制的作用，且與TCMS系統(tǒng)通過MVB線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。通過列車MVB總線接收來自于TCMS的電制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)（電制動(dòng)有效、電制動(dòng)激活信號(hào)），MBCU直接讀取制動(dòng)手柄的位置和CCU傳過來的制動(dòng)請(qǐng)求，設(shè)定執(zhí)行制動(dòng)所需要的電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力。

MBCU將8輛編組的列車分為兩個(gè)牽引單元，牽引1單元 (MC01+M02+TP03+MH04)和牽引2單元(TB05+TP06+M07+MC08)，根據(jù)電制動(dòng)失效的動(dòng)車和單元內(nèi)拖車的BCU時(shí)時(shí)情況，按圖5所示的邏輯計(jì)算每輛車需要補(bǔ)償?shù)碾娭苿?dòng)力。

如果任何動(dòng)車的電制動(dòng)失效或者發(fā)生故障，其所丟失的電制動(dòng)力將由其同一車輛單元中的拖車和丟失電制動(dòng)力的車輛共同施加空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，可以使故障動(dòng)車的制動(dòng)盤及閘片熱負(fù)荷大幅度降低。

3 方案優(yōu)化效果對(duì)比分析

3.1 方案優(yōu)化效果邏輯分析

圖5 制動(dòng)力分配方案優(yōu)化邏輯圖

運(yùn)營(yíng)條件為：列車運(yùn)行速度200 km/h，牽引制動(dòng)手柄在最大電制動(dòng)位（電制動(dòng)力100%+空氣制動(dòng)力0%），由于不同的牽引單元不能跨單元進(jìn)行補(bǔ)償，下面將以牽引單元1為例子進(jìn)行對(duì)比，牽引單元2與牽引單元1的軟件邏輯控制保持一致。

3.1.1 一個(gè)動(dòng)車電制動(dòng)失效情況

從圖6的對(duì)比可以看出，原有制動(dòng)力分配方案中，當(dāng)一個(gè)動(dòng)車電制動(dòng)失效（如MC01失效）時(shí)，此時(shí)所丟失的電制動(dòng)力為36.4 kN，其他車輛不會(huì)補(bǔ)償空氣制動(dòng)，將由其所在車輛（MC01車）分別施加空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，一個(gè)轉(zhuǎn)向架所補(bǔ)償?shù)目諝庵苿?dòng)力為18.2 kN。優(yōu)化的制動(dòng)力分配方案是基于車輛單元進(jìn)行，當(dāng)一個(gè)動(dòng)車電制動(dòng)失效時(shí)，所丟失的制動(dòng)力將由其所在的車輛單元中的MC01和TP03同時(shí)施加空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。每個(gè)轉(zhuǎn)向架所補(bǔ)償?shù)目諝庵苿?dòng)力由18.2 kN減少為9.1 kN，極大地減少制動(dòng)盤的磨損。

3.1.2 兩個(gè)動(dòng)車電制動(dòng)失效情況

圖6 一個(gè)動(dòng)車電制動(dòng)失效（優(yōu)化前后方案對(duì)比）

從圖7的對(duì)比可以看出，原有制動(dòng)力分配方案中，當(dāng)兩個(gè)動(dòng)車電制動(dòng)失效（MC01和M02失效），每個(gè)動(dòng)車丟失的電制動(dòng)力為36.4 kN，分別由所在動(dòng)車進(jìn)行空氣制動(dòng)補(bǔ)償，一個(gè)轉(zhuǎn)向架補(bǔ)償?shù)目諝庵苿?dòng)力為18.2 kN。優(yōu)化的制動(dòng)分配方案是：（1）計(jì)算丟失的總電制動(dòng)力，為72.8 kN；（2）計(jì)算本牽引單元中可用的空氣制動(dòng)車輛；（3）MC01，M02和TP03車同時(shí)施加空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。一個(gè)轉(zhuǎn)向架補(bǔ)償?shù)目諝庵苿?dòng)力由原方案的18.2 kN降為12.1 kN，均勻分布在每輛車上，極大地降低MC01和M02車的制動(dòng)盤磨損，使制動(dòng)力均勻分布，保證了制動(dòng)的平穩(wěn)性。

圖7 兩個(gè)動(dòng)車電制動(dòng)失效（優(yōu)化前后方案對(duì)比）

3.2 邏輯優(yōu)化效果

制動(dòng)力優(yōu)化方案可以有效減少故障動(dòng)車的轉(zhuǎn)向架所補(bǔ)償?shù)目諝庵苿?dòng)力，當(dāng)電制動(dòng)力失效時(shí)，可使制動(dòng)力均勻地在制動(dòng)力混合單元中進(jìn)行分配，降低動(dòng)車的制動(dòng)盤磨損，使制動(dòng)力均勻分布，保證了制動(dòng)的平穩(wěn)性。

4 結(jié)束語

優(yōu)化后的制動(dòng)力分配方案，使基于空電聯(lián)合方案的制動(dòng)力分配更加均勻，能夠有效地減少制動(dòng)盤及閘片的磨耗量，有效地避免制動(dòng)盤及閘片長(zhǎng)時(shí)間處于高溫度、高壓力的工況，緩解線路原因?qū)е碌牟贿m應(yīng)問題的出現(xiàn)，最大限度地降低車輛故障對(duì)運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性的影響，節(jié)能降耗，持續(xù)提高我國(guó)高速列車高能效水平和可靠性。同時(shí)，該方案對(duì)處于長(zhǎng)大陡坡等惡劣運(yùn)營(yíng)工況下的高速動(dòng)車組制動(dòng)力分配具有借鑒意義，同樣適用于高寒動(dòng)車組的制動(dòng)力分配。

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