和谐号动车组制动系统故障诊断及安全措施

李万新，章 阳，林荣文，王 乐

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

随着中国高速列车运行速度的提高，制动负荷急剧增加，制动系统也愈加复杂。和谐号动车组制动系统包括以下部分：

一个硬线电路控制的弹簧停放制动；

一个微处理器控制的直接作用的常用制动，根据制动请求信号执行电－空气混合制动；

一个硬线电路控制的直接作用的紧急制动；

一个由制动管控制的间接作用的制动，并提供紧急制动的备用模式。

如何对如此复杂的制动系统进行故障诊断并能够在危急情况下采取措施使列车安全停车，是一项重大的课题。目前国内外先进的高速列车制动系统均是按照“故障－安全”原则设计的微机控制电空制动系统。但中国的线路条件、列车运用等情况与国外有诸多不同，制动系统在运用过程中出现了一些前所未有的问题，这就更需要一套可靠的故障诊断系统及安全措施。

1 制动系统的故障诊断系统

1.1 制动系统的故障诊断系统介绍

制动系统的故障诊断单独成系统，诊断内容包括板卡自检、板卡间CAN通讯诊断、制动控制单元（BCU）与多功能列车总线（MVB）间通讯诊断、器件诊断（如压力传感器、速度传感器等）、子系统诊断（如防滑系统、悬挂系统等）、系统级诊断（列车配置、列车制动有效率、列车制动力分配等）。故障诊断结果存储在各车辆的制动控制单元内，存储内容包括故障代码、故障发生的时间、故障消除的时间、故障发生的次数，以确定故障发生时刻列车的运行工况，便于分析故障发生的原因，也利于对故障进行统计。除了存储，故障诊断的结果还通过多功能列车总线（MVB）实时发送到列车中央控制单元（CCU）和司机显示屏，列车中央控制单元根据故障对行车安全的影响程度对列车进行限速或触发紧急停车，司机可以根据显示屏的提示进行相应的处理。

1.2 制动系统的诊断功能

制动系统的故障诊断包含两个功能：

（1）制动系统的故障诊断和监测：制动系统的各种故障，如制动不缓解、停放制动无法施加、列车管泄漏等。这些故障以代码的形式储存在BCU中，并通过MVB诊断端口报告给列车诊断系统。

（2）制动系统的状态诊断：制动系统的特定功能和部件的当前状态，这些状态不一定是故障，但在特定条件下会引起故障，如隔离塞门被关闭、乘客紧急拉手被拉下等。这些状态也以代码的形式存储在BCU中，并通过MVB报告给列车诊断系统。

1.3 制动系统必须诊断的特性值

在制动系统诊断期间，制动系统的基本特性值必须被监测。这些特性值包括：

（1）制动缸压力；（2）主风缸压力；（3）制动风缸压力；（4）停放制动压力；（5）制动管压力；（6）升弓压力。

1.4 制动系统的故障分类

制动系统根据使用对象的范围，包括司机、列车员和维护人员，将其故障诊断结果分为3类：

（1）报告给司机的。如果需要司机对制动系统的故障进行特殊的处理，在司机显示屏上有故障描述、操作提示或报警信息。

（2）报告给列车员的。提供给列车员的故障信息，不是技术的过失，是可恢复的状态。

（3）报告给维修人员的。在列车运行结束入库检修的时候，提供给维修部门的信息。

1.5 制动系统的故障代码结构

制动系统的故障以故障代码的形式存储在BCU中，故障代码共4位，为了便于识别和管理，故障代码按一定的规则编制，前两位与BCU型号相关，后两位是故障编码，其结构如表1。

表1 制动系统的故障代码结构

BCU型号代码 故障码范围X1 X2 X3 X BCU型号1 6 ｛0，‥4｝ ｛0，‥F｝4 BCU1.2 1 7 ｛0，‥8｝ ｛0，‥F｝BCU1.1，BCU2.1，BCU3.1，BCU4.1 1 7 ｛A，‥D｝｛0，‥F｝ BCU2.2，BCU4.2 1 8 ｛0，‥4｝ ｛0，‥F｝ BCU1.1 1 9 ｛0，‥5｝｛0，‥F｝ 头车主BCU（TBM／SBM）

1.6 制动系统的故障维修优先级

制动系统的每个诊断事件都有相应的维修优先级。根据故障发生时的工况和故障对列车运营安全性的影响，设定了5个不同的运用维修优先级（0，1，2，3，4）。其中优先级最高级为暂停运营，最低为在下一次专项修时进行故障处理，见表2。

表2 动车组制动系统诊断事件的运用维护优先级

2 制动系统的安全措施

2.1 进行制动试验对紧急制动有效性进行确认

在列车出库运行之前，司机必须进行制动试验，以确认制动系统的紧急制动有效性。列车的紧急制动有效性是以紧急制动有效率来衡量的，紧急制动有效率定义为：

η为列车紧急制动有效率；n为能有效执行紧急制动的车辆的数量；N为列车编组的车辆总数。

紧急制动有效率的确认主要通过直接制动、间接制动和紧急制动3项试验来进行。在不同的紧急制动有效率条件下，应对列车进行相应的限速运行控制，限速表如表3。

表3 8辆编组350km／h列车紧急制动有效率丢失时对应的列车限速运行表

表4 16辆编组列车紧急制动有效率丢失时对应的列车限速运行表

2.2 根据常用制动有效率动态分配列车制动力

在列车运行过程中，诊断系统实时监控各车辆的制动有效性，并计算列车的常用制动有效率。常用制动有效率定义为：

η＇为列车常用制动有效率；n为能有效执行常用制动的车辆的数量；N为列车编组的车辆总数。

CRH3动车组采用全列车空电复合的制动模式，常用制动时优先使用电制动，充分发挥全列车的电制动作用。当电制动力不足或者电制动失效需要空气制动作为补充时，施加空气制动，把摩擦制动产生的排放和损耗减少到最小。在列车进行常用制动过程中，各车的空气制动力分配主要参考了常用制动有效率，若常用制动有效率发生改变，则重新分配制动力。

2.3 设置列车安全环路保证列车在紧急情况下停车

作为一个安全保障原则，动车组设置有安全回路，在紧急情况下能够触发紧急排风阀使列车紧急制动。安全回路是贯穿于全列车的硬线回路，包括控制线和回路线，它提供了独立于列车控制系统的监测功能。

安全回路系统由蓄电池110V电源向列车控制线和回路控制线供电。该回路的执行也通过布置于整列车即从头车到尾车的监控接触元件（回路继电器）实现的。回路控制线的信息传递到处于端车的第二个列车控制线（回路状态线）中。该控制线按顺序将信息传递到整列车并允许线路状态评估元件（回路元件）执行一个实际回路状态探测（通过一个辅助接触器）。因为在回路断电时回路状态线也会失电，一个相应的信息将被送到回路元件中，并最终引起列车紧急制动。

回路也具有被旁路的功能：如果激活一个失效开关，该回路将会失效，此时该回路不再具备监测功能。

CRH3动车组设置了图1的6个安全回路。的情况会把状态信号送到司机显示屏、乘务员显示屏和CCU。

2.4 制动故障时的列车限速措施

制动系统的故障诊断以行车安全作为首要考虑因素，对于6类可能危及行车安全的制动系统重大故障，将通过与列车中央控制单元联锁，请求列车限速运行，以保障列车运行安全，见表5。

图1 列车安全环路

表5 请求CRH3列车限速运行的制动系统（车辆级）故障

（1）紧急制动回路.紧急制动回路收集自动列车保护系统、手动紧急按钮、停放制动监控回路、转向架监控回路和制动功率控制器的紧急制动请求，并把该请求送到所有牵引单元（激活再生制动）、制动控制单元（激活空气制动），再送到CCU和紧急排风阀。

（2）停放制动监控回路。停放制动监控回路监控弹簧制动（停放制动）的状态，以防止在错误施加停放制动时制动盘不会过度磨损和过热。停放制动监控回路把信息传递到紧急制动回路、制动控制系统和CCU中。

（3）制动缓解回路。制动缓解回路监控空气制动的缓解状态，以防止在错误施加空气制动时制动盘不会过度磨损和过热。制动缓解回路把信息传递到CCU中。如果CCU检测到一个断开的制动缓解回路，牵引功能将会被封锁。

（4）乘客紧急制动回路。当乘客启动紧急制动时，乘客紧急制动回路将通过列车制动管理单元（TBM，处于头车的制动控制单元）实施最大常用制动。乘客紧急制动回路把状态信号送到所有端车的制动控制单元和CCU中。但在危险区域（例如，在隧道或桥梁上）司机可以使乘客的紧急制动请求暂时失效并且滞后实施。

（5）转向架监控回路。当转向架监控系统被激活时，转向架的监控回路将施加紧急制动以防止对转向架、车轴及车轮造成损伤，及时采取措施。但是只有在转向架监控系统激活的最大常用制动失效时才会发生该回路的断路。转向架的监控回路把状态信号送到紧急制动回路和CCU中。

（6）火灾报警回路。火灾报警回路监控到发生火灾

2.5 通过冗余设计保障制动系统有效工作

为保障制动系统在列车运行过程中能够有效工作，对重要部件进行了冗余设计。例如：制动手柄内部具有两套相互独立的电气信号转换装置，分别将手柄角度转换为制动级位，各自送至BCU1.1与BCU1.2，在某一路故障情况下，另一路能正常工作；BCU1.1与BCU1.2的SBM／TBM功能冗余，在BCU1.1故障情况下，可由BCU1.2承担SBM／TBM功能；CAN通讯通道冗余，在一路CAN通讯故障情况下，可切换至另一通道进行通讯；紧急制动施加方式冗余，可通过主控制动手柄施加，也可通过蘑菇头按钮施加，还有各种条件可触发列车紧急制动。

2.6 紧急情况下通过触发紧急制动确保列车安全停车

在紧急情况下，列车可自动或人工触发紧急制动，确保安全停车。紧急制动可通过以下任意方法触发：

（1）司机室的紧急制动蘑菇头按钮被按下；（2）制动控制器被推到紧急制动（EB）位置；（3）由列车保护系统或自动警惕设备触发；（4）列车运行时，若停放制动被施加，则停放制动监控回路会触发紧急制动；（5）转向架失稳或轴温过高时，转向架监控回路触发最大常用制动，若最大常用制动失败，则触发紧急制动。

动车组制动系统的紧急制动可以通过以下方法启动：

（1）列车管排风：间接制动的分配阀会启动空气制动；

（2）直接制动的紧急制动阀：安全回路状态列车线作用于每辆车的紧急制动阀；

（3）常用制动的冗余作用：每个BCU检测安全回路状态列车线，施加最大常用制动。

2.7 其他故障导向安全措施

除了前文所述制动系统的安全措施外，动车组制动系统还设置了以下安全措施：

（1）空重车调整。当空簧压力信号低于空车质量或高于超员车质量，要确保空车制动力或限制最大制动力。

（2）防滑阀连续排风。当防滑阀连续排风时间大于5s时，则切除防滑控制而投入空气制动，以保证制动距离。

（3）总风压力过低。若总风压力下降到650kPa以下，列车的常用制动功能不能正常发挥，此时将关闭列车中的其他用风设备，以保证列车一次紧急制动的可靠施加。

（4）全列车停放制动施加、缓解状态不一致。如果在列车速度超过3km／h时出现这种状况，列车紧急制动安全环路中断，列车自动施加紧急制动；同时列车制动管理器控制列车中所有的制动控制单元施加最大常用制动。

（5）全列车的常用制动施加、缓解状态不一致。通过列车中央控制单元，自动限速15km／h运行。

3 结束语

和谐号动车组制动系统在设计过程中充分考虑了故障诊断功能，并对各种可能出现的故障采取了对应的安全措施，基本涵盖了所有部件级和系统级的功能、性能和工作状态，从而实现了对故障的快速定位和处理，列车可以自动采取安全措施，减少了人为的不安全因素，使得列车能够安全可靠地运行。