我国200 km/h动力集中动车组制动控制技术探讨

李 培 署，王 风 洲，张 维 坤

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

我国160 km/h速度等级的动力集中动车组已投入运用。该动车组由动力车、控制车和拖车组成，其中，动力车和控制车制动系统是在既有机车微机控制制动系统基础上完成研制的，拖车制动系统以25T型客车制动技术为主，结合既有动力分散动车组部分基础制动技术完成研制的。

未来我国还将开行200 km/h速度等级的动力集中动车组。随着动车组速度的提高，必将对制动系统提出新的要求，那么，既有160 km/h动车组制动系统能否满足要求，制动系统应采用什么技术方案，有必要进行探讨。

1 动力集中动车组制动技术现状

高速动车组分为动力集中和动力分散2种模式，其制动控制系统有自动式电空和直通式电空2种作用方式。我国和日本的200 km/h及以上速度等级高速动车组均采用动力分散方式，采用微机控制的直通式电空制动控制系统，CRH3C、CRH5A、CRH380B还设置了备用自动空气制动机；欧洲大部分高速动车组采用动力集中方式，主要采用自动式空气或电空制动控制系统。

1.1 国外动力集中动车组制动技术现状

200 km/h及以上速度等级动力集中动车组主要在欧洲运用，比较有代表性的有TGV系列、ICE系列及X2000等动车组。动车和拖车多采用自动式电空或微机控制的自动式电空制动控制系统、大功率盘形基础制动装置、高性能防滑器等，部分拖车还装有线性涡流制动、磁轨制动装置。采用双管供风，总风管参与制动系统供风。动车制动系统根据制动控制器产生的制动指令控制列车管压力变化，同时通过指令线将制动和缓解信号传递到每辆拖车的电空制动装置，使各车的分配阀同步产生制动和缓解作用。也有的动车组通过网络或硬线将制动和缓解信号传递到每辆拖车的微机控制单元，由微机控制单元控制拖车电空制动装置。动车通常采用动力制动和空气制动的复合制动方式，拖车根据列车管的压力变化施加空气制动。

欧洲动力集中动车组制动控制系统主要具有以下特点：

(1) 具有阶段制动和阶段缓解功能，制动力调节能力良好，控制准确。根据UIC 540：2006《制动机——旅客列车、货物列车空气制动机》的要求和试验结果得知：KNORR的KE型和法维莱的SW4型分配阀常用制动和缓解时，列车管压力每变化10 kPa，制动缸压力就会随之产生变化约25 kPa；同一列车管压力下，制动缸压力为设定值±10 kPa。

(2) 能够实现同步制动和缓解，可减小制动和缓解过程的冲动。

(3) 具有故障诊断功能。在采用微机控制制动系统的动车组上，制动机的电控部分能够进行自诊断并实现故障导向安全功能，且能根据压力传感器和压力开关的信号监测制动机的状态。

(4) 具有信息通信功能。

1.2 国内动力集中动车组制动技术现状

除了少量引进的X2000型动力集中动车组最高运行速度为200 km/h外，我国目前投入运用的动力集中动车组主要是最高运行速度160 km/h的CR200J型动车组。该动车组采用自动式电空制动系统，动车和控制车采用CAB-A型微机控制制动系统，拖车采用F8型和104型电空制动装置，通过5线制电空指令线接收动车或控制车的制动、缓解指令，控制制动电磁阀、缓解电磁阀、保压或紧急电磁阀得失电，实现电空制动功能，基础制动采用铸钢制动盘、粉末冶金闸片和制动夹钳单元。

与机车牵引25T型客车的旅客列车相比，160 km/h动力集中动车组制动系统有以下特点：

(1) 动车和控制车采用微机控制制动系统，拖车采用F8型和104型电空制动装置，开通使用列车电空制动功能，可基本实现同步制动，提高了缓解作用的一致性，减小了列车冲动。

(2) 采用F8型电空制动装置的列车紧急制动响应时间明显缩短，减少了空走时间和空走距离。

(3) 基础制动采用铸钢制动盘和粉末冶金闸片，提高了制动盘的热负荷承受能力，可提高制动系统的制动能力，延长制动盘的使用寿命。

与我国既有200 km/h及以上速度等级动力分散动车组相比，160 km/h动力集中动车组制动系统制造和运用成本低，易于实现列车灵活编组，检修维护更为方便，但在制动系统的响应性、制动力调节的灵活性、充分利用轮轨黏着、故障诊断和信息存储等方面存在较大差距。从技术上讲，还主要存在以下问题：

(1) 无法实现制动力的准确控制和精细调节。承担动车组大部分制动力的拖车，采用了F8型和104型电空制动装置，虽然2种制动装置具有阶段制动和阶段缓解功能，但试验结果表明：阶段制动和阶段缓解时，首次制动或缓解时制动缸压力变化较大，初制动位时制动缸压力为80～120 kPa，且初制动位到全制动位之间的制动缸压力难以准确控制；常用全制动后阶段缓解时，制动缸压力第一次下降值为150～170 kPa；阶段制动和阶段缓解次数最多可以达到5次。另外常用制动的响应时间较长，为5～8 s，制动缸升压、减压速率和最高压力值是固定的。因此制动系统无法实现制动力的准确控制和灵活调节，不利于实现复合制动控制、充分利用轮轨黏着、冲动限制等功能。

(2) 无法有效减小制动和缓解过程中的冲动。动车或控制车制动系统操纵F8型和104型电空制动装置时，各车列车管同步开始减压，如果各车制动装置灵敏度相近基本可以同步制动，且列车中各车制动缸压力也基本相同，一定程度上能够减小列车冲动。但当各车载重不同时，因无空重车调整功能会造成减速度不同，这样在制动过程中就会产生冲动。另外缓解不同步，由于各车制动机的充气缓解仍依靠列车管充风(我国双管供风的总风管不参与制动供风)，无论空气还是电空制动，列车充风缓解时都是从前往后依次进行(电空制动机只在缓解初期，工作风缸或缓解风缸的压力空气会回流列车管一部分)，受制动波速影响，无法同步缓解，造成缓解过程的冲动。

由于制动缸升压和减压速率是固定且不可调节的，当制动指令突变时，无法根据冲动限制要求调整减速度变化速率，但由于自动制动机的制动缸升压和减压时间较长，制动指令突变时造成较大冲动的可能性较小。

(3) 仅要求双层拖车制动系统可具有空重车调整功能，其余拖车制动力均无法随载荷变化自动调整，不利于充分发挥制动能力，减小列车冲动和滑行概率。

(4) 无法实现自诊断和故障导向安全功能。160 km/h动力集中动车组除了防滑器具有自诊断和故障导向安全功能外，拖车制动系统的制动和缓解控制均依靠空气分配阀进行，为纯机械结构形式，电控电磁阀只是辅助控制列车管压力变化，最主要的是制动系统没有采用微机控制，无法实现自诊断和故障导向安全功能，没有信息存储功能。

因此，既有160 km/h动力集中动车组制动系统应用于200 km/h动力集中动车组时，难以实现提升制动技术水平的要求，也难以满足技术要求。

2 我国200 km/h动力集中动车组制动控制系统技术方案研究

2.1 设计目标

200 km/h动力集中动车组制动系统的设计，既要保留160 km/h动车组的一些特点(如能适应机车操纵控制，制造维护成本较低等)，还应在技术上有所提升，如能够对制动力进行精确控制和灵活调节，具有空重车调整功能、制动系统故障诊断和信息存储功能等，因此应满足以下设计要求：

(1) 动车、拖车、控制车制动系统均应采用微机控制，实现制动力的准确控制和灵活调节，并能快速响应制动指令，为实现电-空复合制动、空重车调整、减小列车冲动、充分利用轮轨黏着等提供条件。

(2) 可适应中国既有机车或动力集中动车组操纵控制(包括制动与缓解)，满足救援和回送需求。

(3) 常用制动力和紧急制动力均能根据车辆载荷变化进行自动调节，以充分利用轮轨黏着，减小滑行概率。

(4) 制动系统应具有冲动限制功能，以减小制动过程的列车冲动。

(5) 具有优良的防滑性能，能有效防止车轮擦伤并充分利用轮轨黏着。

(6) 具有故障诊断和导向安全、信息存储和信息通信功能，以提高制动系统的可靠性，并方便使用和维护。

2.2 200 km/h动力集中动车组制动控制系统方案设计

根据设计目标要求和前述分析，我国既有的160 km/h动力集中动车组制动系统难以满足200 km/h动力集中动车组对制动性能的要求，直接采用动力分散动车组制动系统又无法满足降低制造和运用成本、检修维护方便的要求。

因此，200 km/h动力集中动车组制动控制系统的设计可借鉴我国既有动力分散动车组和160 km/h动力集中动车组制动控制系统的技术特点，采用微机控制直通电空制动系统加备用自动空气制动机的方式，即正常情况下，依靠直通式电空制动系统进行制动和缓解控制，在直通式电空制动系统故障或由机车牵引时，依靠备用自动制动机起作用。制动系统具有根据载荷变化自动调节制动力、防滑控制、故障诊断和故障导向安全等功能，响应时间短，能够进行制动力的准确控制和精细调节。

2.2.1 制动系统组成

每辆车的制动系统主要由制动控制系统、基础制动装置、防滑系统及空气悬挂供风装置等组成，动车、控制车制动系统还包括列车制动指令控制装置、风源系统等。

制动控制系统由直通式电空制动装置和自动空气制动机组成。直通式电空制动装置包括空气制动控制单元(PBCU)、电子制动控制单元(EBCU)；自动空气制动机采用具有阶段缓解和一次缓解转换功能的F8型空气制动机。

与既有动力分散动车组的PBCU相比，取消了紧急制动电磁阀，代之以紧急制动切换阀，且总体结构组成更为简单。动力分散动车组紧急制动电磁阀采用失电紧急制动方式，一旦因故障等原因而失电，直接输出制动储风缸压缩空气，产生意外紧急制动，目前已成为复兴号动车组和CRH系列动车组的主要故障，影响了动车组的正常运营；本方案的紧急制动切换阀EBC虽然仍采用常带电方式，但不再与制动储风缸连通，而是与F8制动机输出的制动缸预控压力连通，紧急制动时失电，依靠F8型空气制动机产生的紧急预控压力(按超载设置)经空重车阀调整后，产生紧急制动压力，同时紧急制动时常用制动电磁阀也根据车辆载荷情况产生备用的紧急制动预控压力，无论紧急制动切换阀是否正常，都能保证紧急制动的可靠施加。另外缓解状态下，即使紧急制动切换阀意外失电，因F8型空气制动机也处于缓解状态，不会产生意外制动；在常用制动状态下，如果紧急制动切换阀意外失电，则会按照F8型空气制动机产生的常用制动压力进行控制，保证常用制动的有效施加，避免意外紧急制动的产生。

在PBCU内还设有紧急制动排风阀EBV，用于紧急制动时排列车管的压缩空气，使每辆车同时产生紧急制动作用。

相较于160 km/h动力集中动车组制动系统取消了防滑器主机，相应功能由EBCU完成，EBCU除了完成制动控制和防滑控制外，还具有故障诊断和信息通信功能。

F8型空气制动机部分与既有25T型客车和160 km/h动力集中动车组的主要区别是不直接输出制动缸压力，而是产生制动缸预控压力，配备3 L的预控压力容积风缸，取消了电空制动的阀类部件。

每辆车上的紧急制动阀(车长阀)换为带电触点的塞门；副风缸同时用作直通制动的储风缸，由总风管直接供风。

保留25T型客车和160 km/h动力集中动车组拖车使用的气路控制箱，如果设停放制动控制单元，则将二者集成到一起。

基础制动装置采用盘形制动。每台转向架装有6套轴盘制动装置，每根轴3套。

2.2.2 主要功能及作用原理

2.2.2.1常用制动和缓解指令的产生与传输

既有160 km/h动力集中动车组的动车采用微机控制制动系统，微机控制单元控制列车管压力变化的同时还向拖车提供5线制电空指令，控制拖车自动电空制动机，这种指令信号不代表列车管压力或所需制动力的大小，无法操纵直通电空制动系统进行制动和缓解控制。虽然动车制动控制器产生的制动指令为网络信号或硬线模拟信号，可以代表列车管压力和所需制动力的大小，但该信号只提供给动车制动微机控制单元，没有提供给编组中的拖车。因此，160 km/h动车电空指令不能适应直通电空制动系统的要求，但制动控制器产生的电指令信号为向直通电空制动系统传输电信号指令提供了条件。

如图1所示，本方案中动车或控制车制动控制器发出的常用制动电信号指令通过硬线或网络信号传递给列车制动指令控制装置，通过转换传递给每辆车的EBCU，EBCU控制PBCU产生常用制动的制动缸压力，经过防滑阀到达制动缸；列车制动指令控制装置发出电信号指令的同时，还控制列车管压力变化，形成常用制动的空气压力信号通过贯穿整列车的列车管传递给每辆车的F8型分配阀，F8型分配阀产生常用制动的制动缸预控压力。不再像CRH3C、CRH5A、CRH380B动车组一样，设单独的备用制动控制器来操纵列车管压力变化，进而控制分配阀产生常用制动作用。

图1 列车制动系统控制原理图

2.2.2.2常用制动的控制

常用制动时，动车或控制车列车制动指令控制装置接收到制动指令之后，计算动车组制动力需求，优先采用动车的电制动力，并适当考虑列车制动力的均衡控制；电制动力不足时，由各车的空气制动进行补充，列车制动指令控制装置将应补充的制动力转换成相应的制动指令和列车管减压量，分别通过列车线/网络、列车管传递给各车空气制动系统。

正常情况下，常用制动依靠微机控制直通电空制动系统起作用，自动空气制动机根据列车管压力变化也产生预控压力，但无法控制制动缸压力。

如图2所示，非紧急制动状态下，紧急安全环路向每辆车的紧急制动切换阀EBC供电，紧急制动切换阀常带电使F8型分配阀不与双向阀导通，转换塞门K2处于关闭状态，切断自动制动机到PBCU的通路，自动制动机产生的常用制动预控压力无法到达PBCU；带电触点塞门K1打开，依靠PBCU的充排气电磁阀SBV、SRV进行常用制动和缓解控制。

图2 拖车制动系统气路原理图

制动过程中可以根据制动指令和车辆载荷变化(采集空气弹簧压力)、冲动限制要求及黏着力变化等进行制动力控制。

2.2.2.3紧急制动的控制

按下动车或控制车紧急制动按钮产生紧急制动，在列车管排大气的同时，紧急安全环路断开，使EBC失电，接通F8型空气制动机与 PBCU的通路，F8型空气制动机产生的紧急制动预控压力到达PBCU。同时EBCU接收到紧急制动状态信号，根据车辆载荷控制PBCU也产生紧急制动预控压力，并控制EBV排出列车管内的压缩空气。自动制动机和直通制动系统产生的紧急制动预控压力经过PBCU的双向阀进行比较，较大的预控压力通过双向阀后依次到达空重车阀LAV、中继阀RV，控制中继阀产生紧急制动的制动缸压力。如图2所示，如果操纵每辆车上的紧急制动阀(车长阀)产生紧急制动，在列车管排大气的同时通过紧急制动阀上的开关触点使紧急安全环路断开，也可产生紧急制动，之后的紧急制动控制与按紧急制动按钮时的相同。如果紧急制动时EBC因机械故障卡滞而无法到达失电位置，或者F8型分配阀出现故障没有产生紧急制动预控压力，那么双向阀将输出常用制动控制部分产生的备用紧急制动预控压力，依靠该压力进行紧急制动控制。

这里需要讨论一下紧急安全环路的问题。目前高速动车组和城轨车辆的紧急制动操纵均采用紧急安全环路的方式，这是微机控制直通式电空制动系统所普遍采用的。本方案中采用的紧急安全环路方式，其作用与动车组和城轨车辆的不同，该环路失电不是直接触发紧急制动，而是接通自动空气制动机与PBCU之间的通路，从而使自动空气制动机产生的紧急制动预控压力能够到达PBCU，产生紧急制动作用，也就是说紧急安全环路的得失电主要起到切断和接通自动空气制动机的作用。这种方式避免了目前动力分散动车组因紧急阀故障造成的意外紧急制动问题，同时因自动制动产生紧急制动时直通制动也产生备用的预控压力，保证紧急制动能可靠施加。

2.2.2.4直通电空制动故障时和自动空气制动的切换

动车组运用过程中，如果某一辆车的直通电空制动装置出现故障，需在停车状态下，人工操作打开塞门K2，关闭塞门K1，接通自动制动机与 PBCU的通路，依靠自动制动机进行制动和缓解控制。切换之前该车的常用制动不起作用。

因F8型空气制动机具有阶段缓解功能，即使个别车直通电空制动装置出现故障，故障车的自动空气制动与其他车的直通电空制动仍能较好地配合。

塞门K1可单独隔离直通制动作用。

塞门K3可隔离整车制动系统。

2.2.2.5由机车牵引时直通电空制动和自动空气制动的切换

当动车组由机车牵引进行救援或回送时，直通制动系统无法接收到制动指令，直通电空制动系统不起作用。此时紧急安全环路断开、失电，使紧急制动切换阀EBC失电打开，接通自动制动机与 PBCU的通路，依靠自动空气制动机进行制动和缓解控制。直通电空制动控制和自动空气制动控制实现自动切换。此时塞门 K2处于打开或关闭状态，均不影响2种制动控制方式的切换和自动空气制动机的作用功能。失电状态下直通制动不起作用，PBCU处于缓解状态。

从技术上讲，由于拖车采用了F8型空气制动机，所以具备与普通客车混编的能力。

3 结束语

200 km/h动力集中动车组制动控制系统技术方案是在我国已有的160 km/h动力集中动车组制动系统和既有直通制动控制技术的基础上，根据200 km/h动力集中动车组的制动性能要求进行设计的，充分考虑了制动指令的产生与传输、常用制动和紧急制动的控制、直通电空制动与自动空气制动的切换等技术。相比既有160 km/h动力集中动车组，制动技术性能有较大提升；与既有动力分散动车组制动系统相比，

在降低制造与运用成本的基础上，提高了紧急制动和常用制动功能的可靠性，同时还考虑了连挂回送及混编的需要。200 km/h动力集中动车组制动系统具有以下优点：

(1) 通过采用微机控制制动系统，可实现制动力的准确控制和精细调节、冲动限制控制、空重车调整、故障诊断和导向安全、信息通信等功能，提高了制动系统性能。

(2) 利用动车或控制车的制动控制器、列车制动指令控制装置、硬线或列车网络等，可形成200 km/h动力集中动车组所需要的直通电空制动指令，进行常用制动控制，并同步控制列车管减压，使拖车自动空气制动机同步产生常用制动控制压力，提高了常用制动功能的可靠性。

(3) 拖车采用微机控制直通电空制动加备用自动制动的方案，可实现直通电空制动系统故障及连挂回送时的制动控制；通过紧急安全环路和紧急制动切换阀进行紧急制动控制，避免了意外紧急制动的产生，同时提高了紧急制动功能的可靠性。