CRH380B型動(dòng)車組緊急制動(dòng)力分級(jí)控制功能研究

胡 淼，尚小菲

(1.青島思銳科技有限公司，山東 青島 266031；2.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轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林 長(zhǎng)春 130062)

動(dòng)車組具有緊急制動(dòng)功能，緊急制動(dòng)時(shí)列車施加最大制動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)快速停車。當(dāng)動(dòng)力制動(dòng)(電制動(dòng)力)可用時(shí)，動(dòng)力制動(dòng)參與緊急制動(dòng)過程，這樣可以減小空氣制動(dòng)的機(jī)械磨耗[1]。無(wú)論動(dòng)力制動(dòng)是否可用，動(dòng)車組緊急制動(dòng)距離均應(yīng)滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》要求。隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度的提高，制動(dòng)過程中輪軌黏著條件變差且制動(dòng)盤熱負(fù)荷增大。時(shí)速300 km及以上動(dòng)車組，在緊急制動(dòng)過程中為避免輪軌黏著利用超限，出現(xiàn)車輪滑行，同時(shí)限制制動(dòng)盤熱負(fù)荷超標(biāo)，制動(dòng)力采用分級(jí)方式控制，高速時(shí)施加低階空氣制動(dòng)力，低速時(shí)施加高階空氣制動(dòng)力。

目前國(guó)內(nèi)“和諧號(hào)”CRH2C/3C/380A/380B型動(dòng)車組和“復(fù)興號(hào)”CR400AF/400BF型動(dòng)車組等均具有緊急制動(dòng)力分級(jí)控制功能。其中CRH2C/380A型動(dòng)車組通過在制動(dòng)風(fēng)缸和緊急制動(dòng)電磁閥之間設(shè)置一種帶電磁閥的調(diào)壓閥對(duì)進(jìn)入中繼閥的空氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)兩級(jí)定壓控制[1]。CRH3C/380B和CR400AF/400BF型動(dòng)車組通過控制中繼閥輸出比例(中繼閥輸出壓力與預(yù)控壓力的比值)實(shí)現(xiàn)兩級(jí)壓力控制[2]。本文將對(duì)CRH380B型動(dòng)車組緊急制動(dòng)力分級(jí)控制功能進(jìn)行分析，并結(jié)合該功能對(duì)常用制動(dòng)和相關(guān)產(chǎn)品可靠性等方面的影響提出優(yōu)化建議。

1 緊急制動(dòng)力分級(jí)控制設(shè)計(jì)

1.1 緊急制動(dòng)力分級(jí)控制原理

制動(dòng)控制單元由電子制動(dòng)控制單元和氣動(dòng)制動(dòng)控制單元組成，電子制動(dòng)控制單元負(fù)責(zé)接收列車電氣指令并將電氣指令轉(zhuǎn)換為具體控制指令，對(duì)氣動(dòng)制動(dòng)控制單元上的電氣閥類部件進(jìn)行控制，同時(shí)采集氣動(dòng)制動(dòng)控制單元上的壓力信號(hào)。如圖1所示，CRH380B型動(dòng)車組制動(dòng)控制系統(tǒng)氣動(dòng)控制部分主要由電空轉(zhuǎn)換模塊02、緊急制動(dòng)電磁閥03、空重車調(diào)整閥05、雙比例中繼閥07(以下簡(jiǎn)稱“中繼閥”)和中繼閥壓力切換控制用電磁閥08(以下簡(jiǎn)稱“電磁閥”)和壓力開關(guān)09等組成。

02.電空轉(zhuǎn)換模塊；03.緊急電磁閥；04.雙向閥；05.空重車調(diào)整閥；06.截?cái)嗳T；07.中繼閥；08、12.電磁閥；09、11、23.壓力開關(guān)；10.活塞閥；13～16.壓力傳感器；17～22.壓力測(cè)點(diǎn)；30.縮堵。

緊急制動(dòng)時(shí)，緊急制動(dòng)電磁閥03得電，制動(dòng)儲(chǔ)風(fēng)缸的壓縮空氣經(jīng)緊急制動(dòng)電磁閥03和雙向閥04到達(dá)空重車調(diào)整閥05，備用制動(dòng)預(yù)控壓力經(jīng)雙向閥04冗余施加，空重車調(diào)整閥05根據(jù)反映車輛質(zhì)量信息的空氣彈簧壓力對(duì)輸入壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)并輸出緊急預(yù)控壓力至中繼閥07，中繼閥07實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)控壓力流量進(jìn)行放大并按固定比例輸出對(duì)應(yīng)緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)缸壓力。中繼閥07輸出壓力高低階切換通過電磁閥08實(shí)現(xiàn)，電磁閥08接收電子制動(dòng)控制單元電氣指令，當(dāng)電磁閥08得電導(dǎo)通時(shí)，總風(fēng)壓力通過電磁閥08輸入中繼閥07控制端，此時(shí)中繼閥07輸出制動(dòng)缸壓力為低階壓力；當(dāng)電磁閥08失電關(guān)斷時(shí)，中繼閥07控制端與電磁閥08排風(fēng)口連通使控制壓力排向大氣，此時(shí)中繼閥07輸出制動(dòng)缸壓力為高階壓力。電磁閥08由電子制動(dòng)控制單元控制進(jìn)行切換，并通過壓力開關(guān)09進(jìn)行監(jiān)控和診斷。

1.2 中繼閥雙比例控制工作原理

圖2為中繼閥工作示意圖。

如圖2(a)所示，緩解時(shí)，Cv壓力為0，活塞組件(a、b、h)左移處于緩解位，閥座V1開啟，閥座V2關(guān)閉，C壓力通過排風(fēng)口O1排至0。

如圖2(b)所示，制動(dòng)時(shí)，Cv壓力同時(shí)作用于活塞b和h的表面，由于活塞h的面積較大，因此作用于活塞h上的力更大，整個(gè)活塞組件頂開閥頭c，閥座V1關(guān)閉，閥座V2開啟，R壓力通過閥座V2流向制動(dòng)缸，隨著制動(dòng)缸壓力的升高，活塞組件(a、b、h)產(chǎn)生回移力，向左移動(dòng)以關(guān)閉閥座V2，當(dāng)閥座V1和V2都關(guān)閉時(shí)，活塞組件上作用力平衡，制動(dòng)缸處于保壓狀態(tài)，如圖2(c)所示。

(a) 緩解狀態(tài) (b) 制動(dòng)充風(fēng)狀態(tài) (c) 保壓狀態(tài)

當(dāng)Cv壓力升高時(shí)，活塞組件會(huì)向右移動(dòng)重新打開閥座V2，R壓力繼續(xù)向制動(dòng)缸充風(fēng)，直到活塞組件再次達(dá)到力平衡，C壓力重新與Cv壓力建立比例關(guān)系。

當(dāng)Cv壓力降低時(shí)，C壓力作用于活塞組件上的回移力會(huì)使活塞組件向左移動(dòng)打開閥座V1，制動(dòng)缸壓縮空氣通過O1排出，直到活塞組件再次達(dá)到力平衡，C壓力重新與Cv壓力建立比例關(guān)系。

當(dāng)控制壓力F口輸入控制壓力時(shí)，轉(zhuǎn)換閥芯f在控制壓力的作用下向左移動(dòng)，中繼閥活塞a左端氣腔通過O3口與大氣相連，此時(shí)中繼閥處于低階壓力輸出比例狀態(tài)；當(dāng)控制壓力F為0時(shí)，轉(zhuǎn)換閥芯f在彈簧g作用下向右移動(dòng)，活塞a左端氣腔與C壓力通路連通，此時(shí)中繼閥處于高階壓力輸出比例狀態(tài)。

通過對(duì)中繼閥活塞組件進(jìn)行受力分析，可以得到中繼閥輸出比例與活塞組件面積關(guān)系。

低階壓力輸出比例關(guān)系見公式(1)：

(1)

高階壓力輸出比例關(guān)系見公式(2)：

(2)

其中Sa、Sb、Sh分別為活塞a、b、h對(duì)應(yīng)面積，Cl和Ch分別表示低階輸出制動(dòng)缸壓力和高階輸出制動(dòng)缸壓力。

1.3 緊急制動(dòng)力控制邏輯

CRH380B型動(dòng)車組高低階制動(dòng)壓力切換觸發(fā)源包括：車速及動(dòng)車動(dòng)力制動(dòng)是否可用。

動(dòng)車和拖車高低階制動(dòng)壓力速度切換點(diǎn)分別為255 km/h和300 km/h。當(dāng)速度高于切換點(diǎn)時(shí)，動(dòng)車和拖車均切換至低階壓力狀態(tài)；當(dāng)速度低于切換點(diǎn)時(shí)，拖車切換至高階壓力狀態(tài)，對(duì)于動(dòng)車動(dòng)力制動(dòng)可用時(shí)保持低階狀態(tài)，否則切換至高階狀態(tài)，動(dòng)力制動(dòng)可用信號(hào)由牽引控制單元(TCU)發(fā)送給動(dòng)車的電子制動(dòng)控制單元(EBCU)。

緊急制動(dòng)時(shí)如電制動(dòng)力不可用，施加純空氣制動(dòng)，制動(dòng)力分配如圖3所示。

圖3 緊急制動(dòng)車輛制動(dòng)力(電制動(dòng)力不可用)

由圖3可知：(1)車速>300 km/h時(shí)，拖車與動(dòng)車均輸出低階空氣制動(dòng)力；(2)當(dāng)車速為255 ～300 km/h時(shí)，拖車輸出高階空氣制動(dòng)力，動(dòng)車仍輸出低階空氣制動(dòng)力；(3)車速<255 km/h時(shí)，拖車與動(dòng)車均輸出高階空氣制動(dòng)力。

緊急制動(dòng)時(shí)如電制動(dòng)力可用，動(dòng)車充分施加電制動(dòng)力，為避免動(dòng)車超黏著限制，單車電制動(dòng)力最大值限制在37.5 kN，制動(dòng)力分配如圖4所示。

圖4 緊急制動(dòng)車輛制動(dòng)力(電制動(dòng)力可用)

由圖4可知：(1)車速>300 km/h時(shí)，電制動(dòng)力施加，拖車與動(dòng)車均輸出低階空氣制動(dòng)力；(2)當(dāng)車速為80～300 km/h時(shí)，電制動(dòng)力施加，拖車輸出高階空氣制動(dòng)力，動(dòng)車仍輸出低階空氣制動(dòng)力；(3)速度<80 km/h時(shí)，電制動(dòng)力切除，拖車與動(dòng)車均輸出高階空氣制動(dòng)力。

1.4 故障診斷

表1為緊急制動(dòng)力分級(jí)控制功能故障診斷項(xiàng)點(diǎn)。

表1 故障診斷項(xiàng)點(diǎn)列表

緊急制動(dòng)力分級(jí)控制功能故障會(huì)對(duì)緊急制動(dòng)產(chǎn)生影響?！案唠A制動(dòng)模式故障”發(fā)生時(shí)，動(dòng)車組速度小于切換速度時(shí)，將無(wú)法施加高階制動(dòng)力，導(dǎo)致整車制動(dòng)力不足，制動(dòng)距離延長(zhǎng)?！暗碗A制動(dòng)模式故障”發(fā)生時(shí)，動(dòng)車組速度大于切換速度時(shí)，始終施加高階制動(dòng)力，無(wú)法轉(zhuǎn)換為低階制動(dòng)力，會(huì)造成制動(dòng)盤熱負(fù)荷過大，影響制動(dòng)盤使用壽命。

2 緊急制動(dòng)力分級(jí)控制功能分析

根據(jù)第1章介紹可知，通過壓力開關(guān)對(duì)控制電磁閥下游壓力監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)力分級(jí)控制功能故障診斷。但緊急制動(dòng)力分級(jí)控制功能同時(shí)也會(huì)對(duì)常用制動(dòng)和產(chǎn)品可靠性產(chǎn)生不利影響，具體如下所述。

2.1 對(duì)常用制動(dòng)影響

常用制動(dòng)時(shí)，高低階切換觸發(fā)依然有效，由于高階和低階兩種狀態(tài)輸出制動(dòng)缸的最大壓力不同，高階狀態(tài)車輛最大可用制動(dòng)力大于低階狀態(tài)車輛最大可用制動(dòng)力，動(dòng)車組根據(jù)各車最大可用制動(dòng)力進(jìn)行常用制動(dòng)力分配。圖5為初速度380 km/h純空氣最大常用制動(dòng)各車輛制動(dòng)缸壓力曲線，當(dāng)動(dòng)車組減速至300 km/h時(shí)，拖車切換至高階狀態(tài)，動(dòng)車依然保持低階狀態(tài)，動(dòng)車和拖車所承擔(dān)的制動(dòng)力重新進(jìn)行分配，由于拖車切換至高階狀態(tài)后最大可用制動(dòng)力變大，所以承擔(dān)更多制動(dòng)力，拖車制動(dòng)缸壓力出現(xiàn)階梯式升高，動(dòng)車相應(yīng)承擔(dān)更少制動(dòng)力，動(dòng)車制動(dòng)缸壓力出現(xiàn)階梯式降低；同理，當(dāng)動(dòng)車組減速至255 km/h時(shí)，拖車制動(dòng)缸壓力出現(xiàn)階梯式降低，動(dòng)車制動(dòng)缸壓力出現(xiàn)階梯式升高。顯然，由于高低階切換時(shí)常用制動(dòng)力需重新分配，制動(dòng)缸壓力出現(xiàn)階梯式變化，將增加常用制動(dòng)時(shí)列車沖動(dòng)，對(duì)乘客乘坐舒適性造成一定影響。

圖5 初速度380 km/h純空氣最大常用制動(dòng)各車輛制動(dòng)缸壓力曲線

2.2 可靠性影響

通過上述介紹可知，高低階切換功能通過控制電磁閥切換實(shí)現(xiàn)，而電磁閥切換僅受限于車速和動(dòng)車電制動(dòng)力是否可用。假設(shè)動(dòng)車組在兩站之間運(yùn)行，最高運(yùn)行速度為350 km/h，電磁閥動(dòng)作狀態(tài)與動(dòng)車組速度的關(guān)系曲線如圖6所示。運(yùn)行期間，電磁閥切換動(dòng)作(得電+失電)至少完成1次，在動(dòng)車組過分相時(shí)，由于電制動(dòng)力不可用，動(dòng)車電磁閥也會(huì)切換，故動(dòng)車電磁閥切換動(dòng)作更加頻繁，此外電磁閥幾乎在動(dòng)車組全部運(yùn)行期間處于常得電狀態(tài)。電磁閥頻繁切換，將加速電磁閥和中繼閥內(nèi)部相關(guān)部件磨損，而電磁閥長(zhǎng)時(shí)間處于常得電狀態(tài)，電磁線圈持續(xù)高溫通電，將會(huì)加速電磁線圈和相關(guān)橡膠部件老化。因此，目前高低階切換功能控制方式會(huì)降低電磁閥和中繼閥使用壽命，繼而對(duì)產(chǎn)品可靠性產(chǎn)生影響。

圖6 電磁閥動(dòng)作狀態(tài)與動(dòng)車組速度關(guān)系曲線

3 優(yōu)化方案

通過第2章分析可知，雖然制動(dòng)力分級(jí)控制功能專為動(dòng)車組緊急制動(dòng)而設(shè)計(jì)，但在動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)用過程中，該功能將對(duì)常用制動(dòng)時(shí)沖動(dòng)限制和相關(guān)產(chǎn)品可靠性等造成不利影響。鑒于此，對(duì)制動(dòng)力分級(jí)控制功能給出如下優(yōu)化方案建議：電磁閥默認(rèn)保持失電關(guān)閉狀態(tài)，車輛處于高階狀態(tài)，可對(duì)高階制動(dòng)模式故障實(shí)時(shí)進(jìn)行診斷。當(dāng)動(dòng)車組速度高于切換點(diǎn)速度時(shí)，動(dòng)車和拖車均切換至低階狀態(tài)并保持一段時(shí)間，設(shè)置該段時(shí)間的目的是用于對(duì)低階制動(dòng)模式故障進(jìn)行診斷，之后動(dòng)車和拖車均切換回高階狀態(tài)并保持不變，動(dòng)車組減速過程中僅緊急制動(dòng)施加時(shí)制動(dòng)力分級(jí)控制功能有效，即當(dāng)EBCU接收到緊急制動(dòng)施加指令時(shí)，根據(jù)速度大小控制電磁閥進(jìn)行高低階狀態(tài)切換，其他制動(dòng)模式車輛均保持高階狀態(tài)不變。

基于此控制邏輯，常用制動(dòng)輸出力不受高低階切換功能影響，建議方案各車輛制動(dòng)缸壓力曲線見圖7，動(dòng)車和拖車制動(dòng)缸壓力平滑過渡，有利于減少列車沖動(dòng)。電磁閥動(dòng)作狀態(tài)與動(dòng)車組速度關(guān)系曲線見圖8，顯然建議方案電磁閥的工作時(shí)間和動(dòng)作次數(shù)大大降低，這對(duì)產(chǎn)品的可靠性和壽命延長(zhǎng)均是有利的。

圖7 最大常用制動(dòng)各車輛制動(dòng)缸壓力曲線(新控制邏輯)

圖8 電磁閥動(dòng)作狀態(tài)與動(dòng)車組速度關(guān)系曲線(新控制邏輯)

4 結(jié)論

本文對(duì)CRH380B型動(dòng)車組緊急制動(dòng)力分級(jí)控制功能進(jìn)行了分析，該功能在常用制動(dòng)時(shí)將導(dǎo)致列車沖動(dòng)增加，同時(shí)會(huì)降低電磁閥和中繼閥使用壽命，也會(huì)對(duì)產(chǎn)品可靠性產(chǎn)生影響。對(duì)此，本文給出了制動(dòng)力分級(jí)控制功能優(yōu)化建議方案，通過調(diào)整高低階切換條件，可以減小常用制動(dòng)時(shí)列車沖動(dòng)，同時(shí)提高電磁閥和中繼閥的可靠性和使用壽命。