動(dòng)力集中動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)用研究*

林 暉

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094)

隨著中國鐵路六次大提速以及近年來高速鐵路不斷發(fā)展所取得的巨大成就，旅客對于高速鐵路所提供的優(yōu)質(zhì)客運(yùn)服務(wù)越來越認(rèn)可，選擇出行的交通模式越來越高鐵化、動(dòng)車化、鐵路化，促使旅客對于乘坐動(dòng)車出行的需求不斷增加，特別是在高鐵覆蓋率較低的地區(qū)更是迫切需要能夠享受到乘坐動(dòng)車出行的客運(yùn)服務(wù)。

最近幾年，在國鐵集團(tuán)相關(guān)部門組織下，通過中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司和中國中車集團(tuán)旗下機(jī)車車輛制造企業(yè)的共同努力，完成了CR200J型時(shí)速160公里動(dòng)力集中電動(dòng)車組的設(shè)計(jì)、研制及運(yùn)用考核，于2019年元旦前后在我國數(shù)條鐵路線上正式批量投入運(yùn)營。該型動(dòng)車組屬于復(fù)興號(hào)動(dòng)車組系列，舒適度和服務(wù)水平優(yōu)于普速列車，豐富了復(fù)興號(hào)動(dòng)車組作為鐵路服務(wù)的產(chǎn)品種類，實(shí)現(xiàn)了在普速線路開行動(dòng)力集中動(dòng)車組，使更多的旅客能夠享受到動(dòng)車組的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，滿足人民高質(zhì)量的客運(yùn)需求。

1 CR200J動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)方案

1.1 概述

CR200J型動(dòng)力集中電動(dòng)車組的動(dòng)力車采用和諧型8軸大功率快速客運(yùn)機(jī)車技術(shù)平臺(tái)，使用單節(jié)4軸機(jī)車作為動(dòng)力車，拖車以25T型客車技術(shù)為基礎(chǔ)。動(dòng)車組采用推挽方式運(yùn)行，可雙向操縱，在車站換向開車方便、靈活，為此動(dòng)車組雙端均需要設(shè)置制動(dòng)控制系統(tǒng)。制動(dòng)控制基于微機(jī)控制技術(shù)，在列車制動(dòng)控制、斷鉤保護(hù)、故障導(dǎo)向安全等方面滿足列車安全運(yùn)用要求，同時(shí)再生制動(dòng)技術(shù)的充分使用可以改善整個(gè)列車制動(dòng)系統(tǒng)摩擦副的運(yùn)用。

CR200J動(dòng)車組采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)，即列車管減壓產(chǎn)生制動(dòng)作用的方式，拖車輔助以電空制動(dòng)功能，動(dòng)力車和控制車上的緊急制動(dòng)電磁閥為得電產(chǎn)生緊急制動(dòng)作用。操作端司機(jī)室設(shè)有顯示器顯示本車制動(dòng)控制系統(tǒng)狀態(tài)及主要制動(dòng)參數(shù)信息，同時(shí)還顯示動(dòng)車組尾車的總風(fēng)、列車管和制動(dòng)缸壓力等制動(dòng)狀態(tài)信息[1]。動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成示意見圖1。

圖1 CR200J動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)框架示意圖(短編)

動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較普通快速旅客列車在風(fēng)源系統(tǒng)配置、列車制動(dòng)控制、基礎(chǔ)制動(dòng)等方面有所變化及技術(shù)提升，并且使用了電空制動(dòng)，增加了安全環(huán)路控制，以下將分別敘述。

1.2 風(fēng)源系統(tǒng)

動(dòng)車組僅在動(dòng)力車上設(shè)置空氣壓縮機(jī)，動(dòng)力車裝有兩臺(tái)容積流量為1 600 dm3/min的螺桿空氣壓縮機(jī)，總?cè)莘e流量達(dá)到3 200 dm3/min，相對于8軸快速客運(yùn)機(jī)車裝用兩臺(tái)(單節(jié)一臺(tái))不小于2 400 dm3/min容積流量的空壓機(jī)，其供風(fēng)能力增加了33%，動(dòng)力車另設(shè)有1 000 dm3容積總風(fēng)缸，滿足動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)用風(fēng)和集便器、空氣彈簧、塞拉門用風(fēng)要求。

控制車上不設(shè)空氣壓縮機(jī)，僅設(shè)有容積為500 dm3的總風(fēng)缸，滿足控制車作為操縱端時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)正常用風(fēng)要求。由于空氣壓縮機(jī)設(shè)于動(dòng)力車上，控制車的總風(fēng)缸壓縮空氣始終由動(dòng)力車總風(fēng)缸通過貫穿動(dòng)車組的總風(fēng)管供給。

動(dòng)車組采用雙管供風(fēng)，對動(dòng)力車總風(fēng)管(供風(fēng)管)壓力輸出不再進(jìn)行600 kPa限壓設(shè)置。

1.3 制動(dòng)控制

制動(dòng)控制采用符合國鐵集團(tuán)最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、基于網(wǎng)絡(luò)通訊和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、分布式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力車裝用的CAB-A型機(jī)車空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)，配備電子防滑器，制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)柜見圖2。制動(dòng)柜上設(shè)有純機(jī)械空氣制動(dòng)閥，當(dāng)動(dòng)力車制動(dòng)系統(tǒng)故障或無動(dòng)力回送時(shí)，空氣制動(dòng)閥能夠響應(yīng)動(dòng)車組列車管的壓力變化產(chǎn)生制動(dòng)和緩解作用。

在控制車作為操縱端時(shí)，動(dòng)車組制動(dòng)作用通過控制車的制動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)柜為動(dòng)力車制動(dòng)柜的簡化版，保留了用于列車制動(dòng)控制的列車管控制模塊，去掉用于制動(dòng)缸壓力控制的模塊，包括純機(jī)械空氣制動(dòng)閥。列車管控制模塊根據(jù)制動(dòng)控制器手柄的位置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組列車管的排風(fēng)和充風(fēng)作用，制動(dòng)柜見圖3。

控制車對制動(dòng)缸的壓力控制由車輛制動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，其與拖車的制動(dòng)機(jī)一樣，為104或F8集成電空制動(dòng)機(jī)，依賴于列車管的減壓和增壓實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和緩解功能。

圖3 控制車制動(dòng)柜

1.4 基礎(chǔ)制動(dòng)

動(dòng)力車基礎(chǔ)制動(dòng)沿用客運(yùn)機(jī)車技術(shù)，采用鋼制輪裝制動(dòng)盤和粉末冶金閘片，制動(dòng)夾鉗單元采用3點(diǎn)吊掛式，為保證動(dòng)力車單車能在30‰的坡道上安全停放，選擇具有彈簧儲(chǔ)能方式的停放制動(dòng)單元，設(shè)計(jì)布局為每軸設(shè)置一個(gè)，共4個(gè)停放制動(dòng)單元。

相對于25T客車，拖車的基礎(chǔ)制動(dòng)有較大改動(dòng)，考慮到25T客車鑄鐵制動(dòng)盤大量出現(xiàn)熱疲勞裂紋現(xiàn)狀，初步考慮裝用鋼制制動(dòng)盤配以粉末冶金閘片，滿足160 km/h速度時(shí)緊急制動(dòng)距離1 400 m的要求。每輛拖車均配置手制動(dòng)，手制動(dòng)完全施加結(jié)合動(dòng)力車停放制動(dòng)，只能滿足全列動(dòng)車組在12‰的坡道上停放。

1.5 電空制動(dòng)

為了提升整體制動(dòng)性能，CR220J型動(dòng)車組為提升制動(dòng)性能開通并使用了硬線控制的輔助電空制動(dòng)，盡管旅客列車電空制動(dòng)技術(shù)已研發(fā)完成三十余年，尚未進(jìn)行成批量大規(guī)模的使用，特別是與動(dòng)力車裝用的CAB-A制動(dòng)系統(tǒng)成套配合應(yīng)用沒有經(jīng)過任何試驗(yàn)和驗(yàn)證。為了保證電空制動(dòng)的可用性和正常運(yùn)用，對動(dòng)力集中動(dòng)車組的電空制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了完整的匹配性試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)基于CR200J動(dòng)車組實(shí)際裝車運(yùn)用的動(dòng)力車CAB-A制動(dòng)控制系統(tǒng)和拖車104及F8集成電空制動(dòng)機(jī)配置，在模擬動(dòng)車組長編組和短編組的列車編組模式下，分別進(jìn)行拖車電空制動(dòng)機(jī)專列、空氣制動(dòng)專列及104與F8制動(dòng)機(jī)混編等工況的性能試驗(yàn)。圖4～圖7分別列出了18輛編組拖車104和F8電空制動(dòng)機(jī)的電空制動(dòng)與空氣制動(dòng)試驗(yàn)曲線，表1給出了首尾車制動(dòng)缸開始升壓和降壓的時(shí)間差等數(shù)據(jù)。

圖4 電空制動(dòng)減壓100 kPa試驗(yàn)(18輛104)

圖5 空氣制動(dòng)減壓100 kPa試驗(yàn)(18輛104)

圖6 電空制動(dòng)減壓100 kPa試驗(yàn)(18輛F8)

圖7 空氣制動(dòng)減壓100 kPa試驗(yàn)(18輛F8)

從試驗(yàn)曲線和相關(guān)數(shù)據(jù)中可以看出，電空制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)和緩解的同步性較空氣制動(dòng)有明顯提高，硬線輔助電空制動(dòng)的使用明顯提高了整列動(dòng)車組的制動(dòng)、緩解波速和初始動(dòng)作的一致性，對于減小列車縱向沖動(dòng)提高平穩(wěn)性有顯著作用。

1.6 安全環(huán)路控制

動(dòng)車組設(shè)有包括拖車車門、火警、軸溫、制動(dòng)等安全環(huán)路，其中需要?jiǎng)榆嚱M制動(dòng)系統(tǒng)做出反應(yīng)的安全環(huán)路只有軸溫報(bào)警安全環(huán)路和制動(dòng)安全環(huán)路，這兩條安全環(huán)路與動(dòng)力車和控制車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)連接，正常時(shí)為高電平輸出，當(dāng)軸溫和制動(dòng)安全環(huán)路斷開情況下，由網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)發(fā)出懲罰制動(dòng)指令制動(dòng)控制系統(tǒng)，觸發(fā)制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施常用全制動(dòng)減壓量的懲罰制動(dòng)作用，使動(dòng)車組停車保證列車運(yùn)用安全。

表1 模擬18輛拖車編組104閥和F8閥制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 動(dòng)力集中動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用研究

CR200J型動(dòng)車組是我國第一個(gè)成規(guī)模運(yùn)行的動(dòng)力集中動(dòng)車組，實(shí)際運(yùn)用已有一年，制動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，滿足了動(dòng)車組安全、平穩(wěn)運(yùn)行要求。但是通過來自實(shí)際運(yùn)用現(xiàn)場的信息反饋，需要對CR200J動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)在動(dòng)車組無火回送(無動(dòng)力)設(shè)置操作以及制動(dòng)系統(tǒng)一體化試驗(yàn)等運(yùn)用層面進(jìn)行技術(shù)提升和完善，滿足動(dòng)車組現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)用需求。另外，動(dòng)力車動(dòng)力制動(dòng)的投入使用方面也有進(jìn)一步提升的空間，并且結(jié)合時(shí)速200公里動(dòng)力集中動(dòng)車組前期技術(shù)方案研究，對未來動(dòng)力集中動(dòng)車組采用直通式電空制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究和分析。

2.1 優(yōu)化動(dòng)車組無火回送設(shè)置

CR200J動(dòng)車組僅動(dòng)力車裝有彈簧儲(chǔ)能停放制動(dòng)裝置，停放制動(dòng)的施加控制采用了原機(jī)車的基本方法，在動(dòng)力車的控制電源或蓄電池電源斷電時(shí)發(fā)出脈沖信號(hào)控制停放制動(dòng)裝置中的“雙脈沖電磁閥”到達(dá)制動(dòng)位，使停放制動(dòng)施加。

當(dāng)動(dòng)車組需要回送時(shí)或因故障需要救援時(shí)，就要對動(dòng)車組的動(dòng)力車進(jìn)行無火回送設(shè)置，由于動(dòng)力車無火設(shè)置時(shí)的斷電操作會(huì)引起停放制動(dòng)的施加，為保證動(dòng)車組的后續(xù)運(yùn)行需要緩解停放制動(dòng)，并確保停放制動(dòng)不再施加。

2.1.1常規(guī)無火回送設(shè)置方法

常規(guī)無火回送設(shè)置采取物理隔離停放制動(dòng)功能的方法，直接且有效的在動(dòng)力車上空氣制動(dòng)柜處的操作主要有兩部分：

(1)將動(dòng)力車制動(dòng)柜內(nèi)中部左側(cè)停放制動(dòng)控制模塊上的“停放隔離塞門”(圖3-1)置于水平位“隔離位”，排盡停放制動(dòng)缸壓力空氣，并徹底切斷動(dòng)力車總風(fēng)缸/制動(dòng)缸對停放制動(dòng)缸的充氣作用，此時(shí)停放制動(dòng)已處于施加狀態(tài)。

(2)將制動(dòng)柜內(nèi)右下角的輔助功能模塊上“無火塞門”置于水平位“無火位”，列車管壓力空氣經(jīng)此模塊向制動(dòng)機(jī)總風(fēng)缸充風(fēng)，以滿足動(dòng)力車空氣制動(dòng)時(shí)制動(dòng)缸的用風(fēng)需要。

圖8 制動(dòng)柜上各塞門位置

除上述在車上的操作外，乘務(wù)員還須到車下進(jìn)行手動(dòng)緩解停放制動(dòng)的操作，通過手動(dòng)操作動(dòng)力車兩側(cè)的停放制動(dòng)緩解拉環(huán)可以緩解停放制動(dòng)。此時(shí)由于停放風(fēng)缸內(nèi)的壓力空氣已經(jīng)排零，動(dòng)力車兩側(cè)的停放制動(dòng)指示器顯示紅色表示停放制動(dòng)處于施加狀態(tài)，即使在手動(dòng)緩解停放制動(dòng)后，指示器仍然顯示紅色，與手動(dòng)緩解后的停放制動(dòng)狀態(tài)不能對應(yīng)，需要進(jìn)一步在車底下用手動(dòng)晃動(dòng)制動(dòng)缸夾鉗或在制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤之間塞入塞尺或紙張以確認(rèn)停放制動(dòng)處于真實(shí)的緩解狀態(tài)，保證動(dòng)車組無火回送或被救援運(yùn)行時(shí)不帶閘。

如果遇到動(dòng)車組停于高站臺(tái)的狀況，因動(dòng)車組與站臺(tái)之間的空間受高站臺(tái)限制，乘務(wù)員可能無法在車下進(jìn)行手動(dòng)緩解停放制動(dòng)的操作和確認(rèn)停放制動(dòng)的完全緩解，甚至由于操作困難，可能導(dǎo)致手動(dòng)緩解停放制動(dòng)不徹底，給動(dòng)車組回送救援運(yùn)行等造成安全隱患。

2.1.2無火回送設(shè)置方法優(yōu)化

CAB-A型機(jī)車空氣制動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮大功率機(jī)車現(xiàn)有的無火回送設(shè)置方法所帶來的步驟復(fù)雜、設(shè)置不方便等現(xiàn)狀，提供了一種簡化無火回送設(shè)置的方案，無需在車上操作停放制動(dòng)控制模塊上的“停放隔離塞門”，也無需下車通過手動(dòng)操作停放制動(dòng)緩解拉環(huán)來緩解停放制動(dòng)的步驟。

具體方法是在車上手動(dòng)推壓制動(dòng)柜上停放制動(dòng)控制模塊的“雙脈沖電磁閥”的緩解柱塞置于“緩解位”，使總風(fēng)缸的壓力空氣通過“雙脈沖電磁閥”進(jìn)入停放風(fēng)缸，用壓力空氣來緩解停放制動(dòng)，此時(shí)停放制動(dòng)缸的工作狀態(tài)與動(dòng)力車正常運(yùn)用時(shí)的完全一樣，同時(shí)車外兩側(cè)的停放制動(dòng)指示器顯示綠色(綠色為緩解)，與實(shí)際停放制動(dòng)為緩解狀態(tài)完全對應(yīng)。

但是方案在動(dòng)車組上操作實(shí)際使用時(shí)仍有隱患存在，停放制動(dòng)的施加可以在動(dòng)車組的操縱端按壓司機(jī)臺(tái)上的停放制動(dòng)按鈕，或者當(dāng)任一端的控制電源或蓄電池?cái)嚯姡梢酝ㄟ^重聯(lián)線同時(shí)控制動(dòng)力車停放制動(dòng)的施加。如果尾部動(dòng)力車按簡化設(shè)置方案完成無火回送并手動(dòng)后，在動(dòng)車組的前操縱端上再次進(jìn)行控制電源斷電操作，會(huì)導(dǎo)致尾部動(dòng)力車停放制動(dòng)的再次施加，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，尾部動(dòng)力車就會(huì)帶著制動(dòng)運(yùn)行導(dǎo)致發(fā)生安全事故。

為此針對簡化的無火回送設(shè)置方案，在兩個(gè)方面開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)既降低乘務(wù)員勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)還能滿足動(dòng)車組在高站臺(tái)進(jìn)行無火回送設(shè)置的操作：

(1)增加停放制動(dòng)指示器并引入到制動(dòng)柜上，方便乘務(wù)員和機(jī)械師進(jìn)行觀察，通過停放制動(dòng)指示器顏色顯示與停放制動(dòng)實(shí)際施加狀態(tài)對應(yīng)的關(guān)系，動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)可在車上隨時(shí)確認(rèn)停放制動(dòng)狀態(tài)。

(2)對控制“雙脈沖電磁閥”的相關(guān)電路進(jìn)行改進(jìn)，把“無火塞門”設(shè)有的常閉觸點(diǎn)接入“雙脈沖電磁閥”的制動(dòng)控制電路，當(dāng)“無火塞門”置“無火位”時(shí)，斷開“無火塞門”內(nèi)的常閉觸點(diǎn)，切斷“雙脈沖電磁閥”的制動(dòng)控制電路，使電控施加停放制動(dòng)的功能徹底失效。

根據(jù)優(yōu)化方案進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)和試制，在制動(dòng)柜頂部的傳感器接口模塊引出停放制動(dòng)缸的壓力氣路至停放制動(dòng)指示器，指示器進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)后安裝于制動(dòng)柜的左上角空余位置；在相關(guān)模塊內(nèi)的接線及線束進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，完成電氣相關(guān)接線調(diào)整。所有的技術(shù)變更集中在制動(dòng)柜內(nèi)實(shí)現(xiàn)，不改變制動(dòng)柜的對外電氣、氣路接口和動(dòng)力車電氣設(shè)計(jì)。圖9為優(yōu)化后的制動(dòng)柜樣機(jī)，左上角停放制動(dòng)指示器顯示停放制動(dòng)的緩解(綠色)和制動(dòng)(紅色)狀態(tài)。

對完成無火回送設(shè)置優(yōu)化方案的制動(dòng)柜上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將“無火塞門”置“無火位”，“雙脈沖電磁閥”手動(dòng)置“緩解位”，用電控(包括斷電)的方式施加停放制動(dòng)，“雙脈沖電磁閥”沒有動(dòng)作，停放制動(dòng)處于緩解控制狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性，在無火回送設(shè)置完成后能夠保證停放制動(dòng)的徹底緩解。

采用優(yōu)化方案進(jìn)行動(dòng)力車無火回送設(shè)置，只需在制動(dòng)柜處進(jìn)行兩個(gè)步驟操作，一是將“無火塞門”置于水平位“無火位”，二是手動(dòng)推壓并確?！半p脈沖電磁閥”的緩解柱塞在“緩解位”，然后在總風(fēng)缸有壓力空氣保證時(shí)觀察位于制動(dòng)柜上新增設(shè)的停放制動(dòng)指示器是否為綠色，以確認(rèn)停放制動(dòng)處于緩解狀態(tài)，該方案可以在CR200J動(dòng)車組上進(jìn)行批量改造實(shí)施。

圖9 制動(dòng)柜上停放制動(dòng)指示器狀態(tài)顯示

2.2 動(dòng)車組制動(dòng)試驗(yàn)一體化

為支撐CR200J動(dòng)車組的運(yùn)用維護(hù)，原中國鐵路總公司于2018年12月印發(fā)了《時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組運(yùn)用維修管理暫行辦法》，其中的附件2《時(shí)速160公里動(dòng)力集中動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)》對動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的試驗(yàn)進(jìn)行明確要求，附件中的2-1規(guī)定了列車制動(dòng)試驗(yàn)內(nèi)容和方法，包括全部試驗(yàn)、簡略試驗(yàn)和站折試驗(yàn)[2]。

由于動(dòng)車組沿用了和諧型(HXD1G/HXD3G)八軸大功率快速客運(yùn)機(jī)車和25T型客車技術(shù)平臺(tái)，目前制動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)分別按原機(jī)車和客車的方法進(jìn)行，動(dòng)力車和拖車的制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果無法統(tǒng)一在司機(jī)制動(dòng)顯示屏上顯示，并且動(dòng)車組為雙端操縱模式，在進(jìn)行列車制動(dòng)全部試驗(yàn)時(shí)需要在動(dòng)車組雙端完成試驗(yàn)操作和確認(rèn)，導(dǎo)致完成全部試驗(yàn)的時(shí)間需要2～3 h，作業(yè)效率低。另外，試驗(yàn)操作過程全部手動(dòng)進(jìn)行，增加了運(yùn)用和檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

國鐵集團(tuán)根據(jù)運(yùn)用現(xiàn)場的反映意見，提出了優(yōu)化動(dòng)車組制動(dòng)試驗(yàn)過程的要求，制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)一體化，采用計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)流程，并且還可人工根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行選項(xiàng)方式進(jìn)行試驗(yàn)操作。

具體的制動(dòng)試驗(yàn)一體化優(yōu)化方案必須融合拖車安裝的TCDS系統(tǒng)功能，將TCDS系統(tǒng)所采集的拖車列車管、副風(fēng)缸和制動(dòng)缸等狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過相關(guān)網(wǎng)絡(luò)傳遞至動(dòng)力車(或控制車)的TCMS系統(tǒng)，再由TCMS系統(tǒng)發(fā)送至CAB-A制動(dòng)系統(tǒng)，形成拖車制動(dòng)數(shù)據(jù)與動(dòng)力車制動(dòng)控制系統(tǒng)的交互機(jī)制，該數(shù)據(jù)交互僅在動(dòng)車組停車狀態(tài)下有效傳輸，以適時(shí)用于滿足制動(dòng)試驗(yàn)一體化的要求。在CAB-A制動(dòng)系統(tǒng)上進(jìn)行相應(yīng)軟件開發(fā)，包括控制軟件和顯示軟件。

考慮到動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的使用特性，制動(dòng)控制器作為乘務(wù)員人機(jī)操作的一個(gè)重要部件，必須由人工操作才能體現(xiàn)其可靠性和操縱性能，并獲得最終確認(rèn)。為此，制動(dòng)控制器的性能試驗(yàn)步驟必須借助操作員的操作才能完成。

動(dòng)車組制動(dòng)試驗(yàn)設(shè)有包括全部試驗(yàn)、車站折返試驗(yàn)和簡略試驗(yàn)制動(dòng)控制器試驗(yàn)等試驗(yàn)流程，除上述所說制動(dòng)控制器外，其他試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)和結(jié)果確認(rèn)均可由CAB-A系統(tǒng)軟件自動(dòng)完成。另外，制動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)可以選擇采用點(diǎn)單方式進(jìn)行，根據(jù)需要選擇對應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍由操縱端動(dòng)力車(或控制車)CAB-A制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn)。試驗(yàn)過程中可顯示試驗(yàn)進(jìn)度、各步驟試驗(yàn)結(jié)果。圖10為動(dòng)車組進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)的顯示界面。

動(dòng)車組制動(dòng)試驗(yàn)一體化的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，在動(dòng)力車上完成了與TCMS的聯(lián)調(diào)測試，時(shí)機(jī)合適時(shí)在CR200J動(dòng)車組實(shí)車上進(jìn)行軟件升級(jí)并完成最終試驗(yàn)確認(rèn)，在國鐵集團(tuán)和鐵路局用戶認(rèn)可后可在動(dòng)車組上批量升級(jí)運(yùn)用。

圖10 動(dòng)車組制動(dòng)試驗(yàn)一體化時(shí)的顯示界面

2.3 進(jìn)一步應(yīng)用動(dòng)力制動(dòng)

動(dòng)車組動(dòng)力車具有完美的動(dòng)力制動(dòng)特性，能夠給動(dòng)車組在全運(yùn)行速度范圍內(nèi)提供較強(qiáng)的動(dòng)力制動(dòng)能力，動(dòng)力車的動(dòng)力制動(dòng)可以在制動(dòng)過程中通過再生發(fā)電并反饋至接觸網(wǎng)而產(chǎn)生節(jié)能效果，同時(shí)可以減少摩擦制動(dòng)而有利于環(huán)境保護(hù)，因此制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)力制動(dòng)的充分使用。

2.3.1空氣制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)聯(lián)合作用

空氣制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)聯(lián)合作用是交流傳動(dòng)機(jī)車一個(gè)基本功能，在施加列車空氣制動(dòng)時(shí)，機(jī)車投入相當(dāng)大小的動(dòng)力制動(dòng)替代本車的空氣制動(dòng)作用，而車輛仍產(chǎn)生空氣制動(dòng)作用。不過實(shí)際情況是使用大功率客運(yùn)機(jī)車牽引旅客列車，屏蔽了空氣制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)聯(lián)合作用功能，主要考慮到機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)力發(fā)揮與列車空氣制動(dòng)力實(shí)施的特性匹配差異，采用空氣制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)聯(lián)合作用可能增加制動(dòng)、緩解過程中的列車縱向沖動(dòng)，導(dǎo)致旅客乘坐舒適度的下降。

CR200J動(dòng)車組中間車鉤完全采用密接式車鉤，在整列車上基本消除了車鉤間隙，可以避免動(dòng)車組在運(yùn)用中產(chǎn)生較大縱向沖擊，這就促成了動(dòng)車組使用空氣制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)聯(lián)合作用功能。動(dòng)力車施加動(dòng)力制動(dòng)時(shí)，其加載速率須與拖車空氣制動(dòng)力的施加速率相匹配，使旅客不會(huì)感覺到舒適度的下降。

為保證緊急制動(dòng)作用可靠，在非動(dòng)力制動(dòng)工況下，緊急制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車組仍采用完全空氣制動(dòng)模式，動(dòng)力車與拖車一樣施加空氣制動(dòng)。

2.3.2合理使用動(dòng)力制動(dòng)，進(jìn)一步減少車輛空氣制動(dòng)摩擦負(fù)荷

目前運(yùn)用路局反映CR200J動(dòng)車組的拖車制動(dòng)閘片磨耗較快，增加了運(yùn)營部門的運(yùn)用成本。為此，在保證列車安全及平穩(wěn)運(yùn)行前提下，實(shí)施動(dòng)車組調(diào)速或停車制動(dòng)應(yīng)考慮進(jìn)一步提高動(dòng)力車動(dòng)力制動(dòng)的使用頻率和作用，除了增加節(jié)能效果外，可以適當(dāng)減少拖車制動(dòng)盤的工作負(fù)荷，延長制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤的使用壽命，具體可以從兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。

(1)動(dòng)車組緊急制動(dòng)時(shí)，采用空氣制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)聯(lián)合制動(dòng)作用模式，使動(dòng)力車施加再生制動(dòng)力替代本車的空氣制動(dòng)力，可以減少動(dòng)力車摩擦制動(dòng)的使用頻次。當(dāng)再生制動(dòng)失效或者切除(比如過分相)時(shí)，動(dòng)力車投入空氣制動(dòng)。

(2)動(dòng)力車再生制動(dòng)力最大使用值為153 kN，以FXD3-J動(dòng)力車為例，在動(dòng)車組實(shí)施初制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力車投入的再生制動(dòng)力僅為22 kN，最大常用全制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)力約為75 kN，也才用到了允許最大動(dòng)力制動(dòng)力的一半，動(dòng)力制動(dòng)的能力遠(yuǎn)未充分發(fā)揮作用。動(dòng)車組制動(dòng)時(shí)，可考慮增加動(dòng)力制動(dòng)的施加比例。

動(dòng)車組作為一個(gè)整體，實(shí)施制動(dòng)過程中拖車與動(dòng)力車減速度相同。結(jié)合動(dòng)力車空氣制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)聯(lián)合作用功能，動(dòng)車組空氣制動(dòng)時(shí)適當(dāng)增加在動(dòng)力制動(dòng)力的投入比例，在拖車空氣制動(dòng)力不變情況下，等于增加了整列動(dòng)車組的制動(dòng)力，提高了動(dòng)車組的減速度，動(dòng)車組制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離相應(yīng)縮短，因此降低了拖車在整個(gè)制動(dòng)過程中的空氣制動(dòng)負(fù)荷。

以配置FXD3-J動(dòng)力車的短編組動(dòng)車組為例，依據(jù)制動(dòng)減壓量工況將動(dòng)力車動(dòng)力制動(dòng)力較本車空氣制動(dòng)力大小分別增加40 kN和50 kN進(jìn)行計(jì)算，可以計(jì)算分析其對降低拖車制動(dòng)負(fù)荷的影響效果，見圖11所示，其中W為現(xiàn)列車管減壓量下對應(yīng)動(dòng)力制動(dòng)作用值時(shí)拖車制動(dòng)負(fù)荷，WZ為增加動(dòng)力制動(dòng)后的拖車制動(dòng)負(fù)荷。

圖11 增加動(dòng)力制動(dòng)力前后的拖車制動(dòng)負(fù)荷比

可以看出，動(dòng)力制動(dòng)增加40～50 kN，動(dòng)車組初制動(dòng)時(shí)，車輛制動(dòng)盤負(fù)荷可降低25%～29%左右，在全制動(dòng)時(shí)也能降低7%～9%左右。我們曾統(tǒng)計(jì)兩列CR200J動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)營一個(gè)月的制動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)車組使用初制動(dòng)的比例在70%以上，占制動(dòng)調(diào)速和停車操作的絕大部分，動(dòng)力制動(dòng)力在原設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上增加40～50 kN可以非常有效地降低摩擦制動(dòng)負(fù)荷，減小制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的磨耗，延長使用壽命。

2.4 電空制動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用與研究

2.4.1自動(dòng)式空氣制動(dòng)輔以硬線控制的電空制動(dòng)

CR200J動(dòng)車組采用了自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)輔以硬線控制的電空制動(dòng)，基本作用原理是如在列車制動(dòng)時(shí)，拖車的制動(dòng)電空閥激活通過特定的限流孔排出列出管壓力空氣，以輔助動(dòng)車組操縱端列車管中繼閥的排風(fēng)動(dòng)作，加快動(dòng)車組拖車本車列車管壓力的減壓時(shí)間。該方案基本上是旅客列車的列車電空制動(dòng)控制系統(tǒng)方案，在歐洲動(dòng)車組上也大都采用了這種技術(shù)方案，如德國ICE1、ICE2和ICE3，法國的TGV的高速動(dòng)車組上基本采用這種技術(shù)方案。

該方式電空制動(dòng)明顯提高了動(dòng)車組的制動(dòng)、緩解波速，但是拖車制動(dòng)缸壓力最終是由空氣制動(dòng)閥響應(yīng)列車管的減壓作用來實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)缸壓力的升壓曲線及最終平衡壓力受拖車空氣制動(dòng)閥的特性和列車管、工作風(fēng)缸等壓力容器空氣充風(fēng)狀態(tài)影響，從前述試驗(yàn)曲線(圖4～圖7)看，各拖車的制動(dòng)缸壓力曲線仍略有差異。

2.4.2采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)

動(dòng)力分散動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)采用的是直通式電空制動(dòng)，我國的復(fù)興號(hào)動(dòng)力分散動(dòng)車組全列動(dòng)車組不設(shè)列車管，僅設(shè)貫穿全列車的總風(fēng)管，制動(dòng)時(shí)由車輛的BCU控制總風(fēng)壓力空氣進(jìn)入制動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)制動(dòng)作用，有別于傳統(tǒng)的由列車管減壓產(chǎn)生的制動(dòng)作用。直通式電空制動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)對車輛制動(dòng)缸的精準(zhǔn)控制，響應(yīng)時(shí)間更快。在動(dòng)力集中動(dòng)車組上研究采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，從而獲得拖車制動(dòng)缸理想的升壓曲線，可以進(jìn)一步提升動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)性能。

探討動(dòng)力集中動(dòng)車組采用直通式電空制動(dòng)的可能性，基本原則是使用列車網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)傳遞制動(dòng)指令和車輛狀態(tài)信息，制動(dòng)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)滿足列車任意編組的運(yùn)用需要。保留列車自動(dòng)式制動(dòng)系統(tǒng)，即保留列車管和各輛車輛上的空氣制動(dòng)閥，把列車自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)作為備用制動(dòng)方式，可在直通式電空制動(dòng)因故障切除時(shí)轉(zhuǎn)換至備用制動(dòng)方式，使用列車管減壓制動(dòng)系統(tǒng)維持列車運(yùn)行；或者在動(dòng)車組故障時(shí)，自動(dòng)式空氣制動(dòng)能夠滿足普通機(jī)車救援故障動(dòng)車組的運(yùn)用需要。

通過樣機(jī)試制和模擬編組列車制動(dòng)性能試驗(yàn)，確認(rèn)了直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)方案的可行性和性能，圖12和圖13為模擬編組列車的直通制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)曲線。試驗(yàn)曲線體現(xiàn)了直通式電空制動(dòng)的制動(dòng)和緩解優(yōu)越性能，所有拖車的制動(dòng)和緩解完全同步，制動(dòng)缸的壓力控制精度也有提高，制動(dòng)性能較硬線輔助電空制動(dòng)有明顯提高。

圖12 常用制動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖13 階段制動(dòng)和階段緩解試驗(yàn)曲線

更重要的是通過研究與試驗(yàn)，證明了動(dòng)力集中動(dòng)車組采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)是完全可能的，可以極大改善動(dòng)車組的制動(dòng)性能，相對于歐洲動(dòng)力集中動(dòng)車組和CR200J目前采用的硬線輔助電空制動(dòng)體系具有制動(dòng)響應(yīng)快、控制精準(zhǔn)的特點(diǎn)，具備了全動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷功能，另外，制動(dòng)操作實(shí)施的靈活性更是為進(jìn)一步發(fā)揮動(dòng)力車的動(dòng)力制動(dòng)作用提供了可實(shí)現(xiàn)的空間，通過合理控制拖車的制動(dòng)缸壓力以配合動(dòng)力制動(dòng)力的使用，提高動(dòng)力制動(dòng)力的使用率，減少動(dòng)車組摩擦制動(dòng)的使用頻率和使用量，提高節(jié)能、環(huán)保效果和降低運(yùn)營成本。

3 結(jié)束語

CR200J型動(dòng)車組是我國第一個(gè)成規(guī)模運(yùn)行的動(dòng)力集中動(dòng)車組，動(dòng)力集中動(dòng)車組的推挽運(yùn)行方式改變了之前鐵路普速客車的運(yùn)輸組織，打開了廣闊的運(yùn)用市場，未來時(shí)速200公里甚至?xí)r速250公里的動(dòng)力集中動(dòng)車組值得期待。