動車組制動夾鉗防凍結(jié)控制方法研究

王 群， 羅飛平

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

運行在北方寒冷地區(qū)的動車組， 冬季風(fēng)雪氣候運行時，車輛速度較快，轉(zhuǎn)向架區(qū)域產(chǎn)生氣流漩渦，容易卷起軌道上的積雪，堆積于轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件處，其中落入制動夾鉗處的積雪，受制動摩擦副產(chǎn)生的高溫，融化成水，水在低溫的環(huán)境下凝結(jié)成冰， 最終在制動夾鉗處形成冰雪附著，降低了制動摩擦副的摩擦性能。當(dāng)車輛運行結(jié)束后存放于無遮擋環(huán)境的存車線上，冰雪在低溫環(huán)境下，加上冷空氣的影響，會逐漸凍結(jié)，使制動夾鉗與制動盤被附著的冰雪完全覆蓋并深度凍結(jié)。

由于制動夾鉗為制動系統(tǒng)最后的執(zhí)行部件， 承擔(dān)著車輛調(diào)速和停車功能， 如果因冰雪附著導(dǎo)致制動性能降低，或深度凍結(jié)導(dǎo)致車輪無法牽引旋轉(zhuǎn)，會嚴(yán)重影響動車組的行車安全和運營組織。

北方高寒地區(qū)的鐵路局、 車輛廠等單位都開展了相關(guān)動車組融冰除雪技術(shù)的研究，并取得了一定的效果，但研究方向主要是在鐵道線路除雪、車輛入庫融冰除雪、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)優(yōu)化防雪等方面， 該類應(yīng)對措施對于冰雪頻繁且高寒氣候周期長的地區(qū)，具有一定的成效，但對于非高寒但氣溫低于零度以下地區(qū)來說， 無疑將投入大量的人力和物力。 本文從冰雪對于動車組制動系統(tǒng)的安全影響出發(fā)，不改變原有動車組結(jié)構(gòu)和控制功能，仍以制動控制單元為對象，結(jié)合制動夾鉗的動作特點，提出一種針對性的制動控制方法，在保證車輛安全制動的前提下，由制動控制單元根據(jù)車輛實際運行狀況， 對各車制動夾鉗有序的進行制動和緩解動作， 產(chǎn)生足夠大的摩擦力和破冰力使冰雪無法附著、凍結(jié)，達到制動夾鉗防凍結(jié)的目的。

1 制動夾鉗凍結(jié)機理

如圖1 所示，制動控制單元安裝在車輛設(shè)備艙內(nèi)，而制動夾鉗安裝在轉(zhuǎn)向架上，與軌面距離較短，容易被積雪附著。當(dāng)車輛高速運行時，轉(zhuǎn)向架底部和側(cè)部的空氣直接灌入到轉(zhuǎn)向架區(qū)域，形成復(fù)雜的湍流運動，產(chǎn)生較多氣流漩渦， 雪花顆粒便在漩渦內(nèi)相互吸附， 黏附在制動夾鉗處，形成積雪。車輛制動時積雪受到摩擦副產(chǎn)生的高溫?zé)崃康挠绊?，化為雪水，?dāng)摩擦副冷卻后，受冷空氣的影響，雪水凝結(jié)成冰。由于車輛整個運行過程中，基本處于牽引或惰行狀態(tài)，制動頻率較少，且制動時電制動力優(yōu)先，所以，實施氣制動的制動夾鉗動作頻率相對較少，長時間不動作，之前形成的冰雪會逐漸增厚，嚴(yán)重影響制動摩擦性能。 在車輛運行結(jié)束后，如無入庫檢修計劃，則動車組需存放于庫外存車線， 持續(xù)的風(fēng)雪導(dǎo)致制動夾鉗最終被深度凍結(jié)。

圖1 制動系統(tǒng)配置圖Fig.1 Brake system configuration diagram

圖2 夾鉗凍結(jié)示意圖Fig.2 Schematic diagram of clamp freezing

2 國內(nèi)外融冰除雪方法

2.1 國外鐵路融冰除雪

動車組的積雪結(jié)冰問題，同樣困擾著國外的同行，各國的鐵道運輸部門都在列車融冰除雪方面做了大量的科學(xué)研究工作。 以日本為例，作為冬季多雪的國家，其新干線的防冰雪措施主要從線路結(jié)構(gòu)設(shè)計、動車組結(jié)構(gòu)設(shè)計、線路除雪措施等方面考慮。 線路上， 采用抬高路基的方法，消除積雪對行車的影響，同時還使用熱水噴淋裝置進行融雪，使用動車組上自帶的犁式排障器（高寒地區(qū)正線運營車輛的車頭都裝配有推雪犁） 將線路上的積雪推開至路基或排雪格柵。 車輛方面，采用一體化設(shè)計，將轉(zhuǎn)向架封閉在導(dǎo)流罩內(nèi)，減少外部進雪。對于車輛轉(zhuǎn)向架的積雪結(jié)冰，車輛檢修基地?zé)o專門的融冰除宵庫及設(shè)備，主要采用進庫后自然融化及人工敲鑿的方式清除冰雪。

2.2 國內(nèi)鐵路融冰除雪

哈大線在2012 年開通，是國內(nèi)首條高寒地區(qū)的高鐵線路，在動車組的融冰除雪方面經(jīng)驗最為豐富。

在哈大高速鐵路建設(shè)初期， 考慮到冰雪災(zāi)害對動車組的影響，哈爾濱、沈陽等地設(shè)計修建了融冰除雪庫，并建立了應(yīng)急預(yù)案。根據(jù)多年的實際情況不斷摸索、優(yōu)化融冰除雪方法，由最初耗費大量人力使用高壓熱水小車、橡膠錘等工具，進行人工融冰除雪，到現(xiàn)在成功研制出防冰及融冰除雪裝備，采用噴涂防凍液、低壓熱水熱風(fēng)除冰融冰方法進行自動化作業(yè)， 初步形成了滿足我國動車組運用維護要求的技術(shù)手段。

3 防凍結(jié)控制方案

雖然有哈大線融冰除雪的經(jīng)驗可以借鑒， 但是中國幅員遼闊，低溫氣候也存在較大差異，各動車段檢修庫的設(shè)計和功能也不盡相同， 特別是對于北方非高寒地區(qū)的動車段，基本沒有配置專門的融冰除雪庫，對于突降大雪的應(yīng)急方案不夠完備，存在動車組融冰除雪不力的情況；而對于配置了融冰除雪庫的高寒地區(qū)的動車段， 由于動車組檢修數(shù)量的增加，存在庫線能力不足、作業(yè)時間長、融冰除雪占用檢查庫線時間增加， 影響次日正常開行的問題。另一方面，從車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度考慮，成本、時間以及可靠性驗證都是制約因素。因此，針對關(guān)系到列車運行安全的制動系統(tǒng)，從制動夾鉗的凍結(jié)機理出發(fā)，提出防凍結(jié)的控制技術(shù)十分必要。

3.1 制動控制原理

制動控制單元為氣動式控制設(shè)備， 主要由電子制動控制單元（EBCU）氣動控制單元（PBCU）兩部分組成，由車輛總風(fēng)管提供壓縮空氣作為能源，實現(xiàn)常用制動、緊急制動EB、緊急制動UB 等制動功能。

其中，緊急制動UB 不受EBCU 控制，僅由PBCU 上機械式的緊急電磁閥，根據(jù)車輛緊急制動安全回路硬線，在失電時自動輸出制動缸壓力。

常用制動、緊急制動EB 以EBCU 為控制中心，根據(jù)司機制動指令、 列車速度以及車重等信息進行制動力計算， 根據(jù)所需氣制動力控制PBCU 內(nèi)EP 電空轉(zhuǎn)換閥，將電信號轉(zhuǎn)換為空氣壓力，輸出制動缸壓力。

制動缸壓力推動制動缸內(nèi)部內(nèi)活塞運動， 驅(qū)動制動夾鉗動作， 輸出壓緊力使夾鉗上的閘片貼近制動盤產(chǎn)生摩擦作用，實現(xiàn)車輛減速或者停車的制動功能。

3.2 防凍結(jié)機理

防凍結(jié)核心機理就是運動， 在保證制動系統(tǒng)安全制動的情況下，制定智能化的控制策略，使制動夾鉗持續(xù)一定時間進行自動化的制動、 緩解動作， 產(chǎn)生足夠的破冰力，使冰雪不能凝固，達到防凍結(jié)的目的。

3.3 車輛運行時防凍結(jié)方案

車輛運行時，為增加氣制動夾鉗的動作頻率，在司機室設(shè)置自復(fù)位的清潔制動開關(guān)，由司機根據(jù)氣候條件，選擇性的點擊觸發(fā)。

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當(dāng)EBCU 檢測到清潔制動指令且列車處于牽引或惰行狀態(tài)時，并且列車速度高于40km/h 以上時，自動施加70kPa 的氣制動力，指令撤銷后，壓力緩解。 多次操作，增加了制動夾鉗的動作頻率， 使堆積于制動夾鉗處的冰雪無法凝結(jié)，同時對制動盤也進行了有效的摩擦，避免了冰雪對于摩擦性能的影響。

3.4 庫外長時停放防凍結(jié)方案

3.4.1 模擬試驗

對制動夾鉗進行長時間停放的模擬凍結(jié)試驗， 環(huán)境艙溫度設(shè)置在-25℃，模擬降雪，整個過程每間隔10 分鐘往夾鉗上淋水，分別模擬制動夾鉗被整體凍結(jié)、關(guān)鍵部件局部凍結(jié)（轉(zhuǎn)動軸、閘片及制動盤）的試驗工況，并通過模擬施加較大牽引力， 制動盤是否旋轉(zhuǎn)來判斷制動夾鉗是否被凍死。 試驗結(jié)果如下：

圖4 整體凍結(jié)圖Fig.4 Freezing diagram

圖5 閘片+制動盤凍結(jié)圖Fig.5 Brake disc+brake pad freezing diagram

圖6 轉(zhuǎn)動軸凍結(jié)圖Fig.6 Rotating shaft freezing diagram

（1）制動夾鉗轉(zhuǎn)動軸單獨凍結(jié)，不會導(dǎo)致凍死，施加較大牽引力制動盤可破冰旋轉(zhuǎn)， 而閘片和制動盤凍結(jié)或者夾鉗整體凍結(jié)，牽引時制動盤不能破冰旋轉(zhuǎn)，需施加常用制動7N 以上制動， 并間歇式制動/緩解動作多次方可破冰旋轉(zhuǎn)。

（2）制動夾鉗緩解狀態(tài)相比制動狀態(tài)下更容易凍死。

（3）冰雪天氣下，庫外低溫存放2 小時內(nèi)使夾鉗間歇性動作，可有效降低夾鉗凍死的概率，考慮到庫外環(huán)境的復(fù)雜性，確定夾鉗間歇動作時間為3 小時，并且夾鉗間歇動作循環(huán)周期應(yīng)小于30 分鐘。

（4）常用制動7N 制動缸壓力存在不能破冰的情況，所以需緊急制動EB 制動力可保證完全破冰。

3.4.2 控制方案

根據(jù)模擬試驗結(jié)果， 對庫外長時停放時的防凍結(jié)控制方案如下：

（1）車輛條件。防凍結(jié)控制需制動系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及供風(fēng)系統(tǒng)共同作用，所以車輛需升弓送電，保持各系統(tǒng)正常工作。為保證車輛停放安全，停放制動需施加，另外為保證制動夾鉗的破冰力，制動手柄需置于緊急制動EB 位。

（2）防凍結(jié)指令。 司機室設(shè)置防凍結(jié)指令開關(guān)，由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采集后發(fā)送給各車制動控制單元， 防凍結(jié)指令為司機室激活端有效，并考慮車輛零速聯(lián)鎖，防止司機運行時誤操作。 另外，考慮到該功能僅限冬天使用，在防凍結(jié)指令開關(guān)處設(shè)置鉛封，防止司機誤操作。

圖7 防凍結(jié)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Anti freezing control structure diagram

（3）控制邏輯。①車輛施加緊急制動EB，確保車輛停車安全， 司機操作防凍結(jié)開關(guān)發(fā)出防凍結(jié)控制的開始指令，由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接收到該指令并轉(zhuǎn)發(fā)至各車BCU，BCU 檢測到防凍結(jié)指令持續(xù)1s 以上， 并且接收到緊急制動EB指令施加時， 判斷進入防凍結(jié)模式； ②在各車BCU 判斷進行防凍結(jié)模式后自動開始進行防凍結(jié)動作輸出（制動→緩解）。 考慮到車輛同時進行緩解動作時， 將造成溜車， 所以設(shè)置車輛順序動作方式， 以CCU 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)出的時間為基準(zhǔn)，01→08 車按照既定的時間序列順序、循環(huán)執(zhí)行（單車持續(xù)緩解55 s 后間隔5s，下一輛車實施緩解……以此類推）， 每8 分鐘為一個循環(huán)周期，保證同一時間內(nèi)僅有一輛車進行緩解動作。

在各車緩解緊急制動EB 制動壓力時，由于車輛緊急制動EB 指令仍然作用，僅單車的制動缸壓力緩解，存在單車檢測到制動力不足的故障，所以當(dāng)單車BCU 進入到緩解動作序列時，需屏蔽制動力不足故障檢測功能。

圖8 防凍結(jié)控制時序圖Fig.8 Anti freezing control sequence diagram

（4）狀態(tài)顯示。 設(shè)置防凍結(jié)動作界面，方便司機隨時掌握各車防凍結(jié)動作狀態(tài)以及故障信息，及時進行處理。

圖9 防凍結(jié)動作示意圖Fig.9 Anti freezing action diagram

（5）故障診斷。考慮到兩輛車同時緩解時存在溜車的風(fēng)險，所以EBCU 對車輛制動狀態(tài)實施監(jiān)控，各車的緩解動作信號由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實時發(fā)送至各車EBCU，當(dāng)EBCU檢測到兩輛及以上車輛同時緩解時，自動退出防凍結(jié)控制，迅速施加制動，保證停車安全，并上報網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)彈屏提示。 由于緊急制動UB 由單獨電磁閥控制施加，不受EBCU的控制，一旦施加，制動夾鉗不能實現(xiàn)自動緩解，所以當(dāng)車輛觸發(fā)緊急制動UB 時，EBCU 停止防凍結(jié)控制， 并上報網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)彈屏提示。 由于整個控制流程需網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)，所以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障時，EBCU 退出防凍結(jié)控制。

4 結(jié)論

該防凍結(jié)控制方法，實現(xiàn)較為簡單，可節(jié)省動車組轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的時間和成本，可有效解決動車組運行時因冰雪附著造成制動性能降低的問題，同時，也可以有效解決動車組庫外長時停放時， 制動夾鉗被凍結(jié)的問題，可有效提高動車組的運用效率以及制動系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性。