和諧號動車組備用制動系統(tǒng)

武青海，張 寶，王群偉

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

和諧號動車組制動系統(tǒng)采用微機直通電空式制動系統(tǒng)做為常用制動模式，間接制動系統(tǒng)為備用制動模式；備用制動模式主要在直通電空制動系統(tǒng)發(fā)生故障或車輛回送時使用。隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，運行安全在鐵路運輸過程中始終占據(jù)重要位置。因此當動車組在正常運營期間常用制動發(fā)生故障時，是否能夠快速、有效地將故障列車回送至站段進行故障排除，此時備用制動系統(tǒng)的安全可靠性就尤顯重要。

和諧號動車組備用制動系統(tǒng)為純空氣制動的自動空氣制動機，是由列車管控制的間接制動。當直通式電空制動系統(tǒng)發(fā)生故障時，其備用制動必須依靠列車司機手動操作才能激活，因此其備用方式為非“熱備”方式。與國內(nèi)既有線路列車間自動空氣制動機相比，和諧號動車組備用制動系統(tǒng)由于僅用于列車制動系統(tǒng)故障狀態(tài)或救援回送，因此其功能相對比較簡單，具有可階段制動、一次緩解的特點。

1 備用制動系統(tǒng)組成及工作原理

CRH3型動車組備用制動系統(tǒng)主要包括減壓閥（C01）、充風電磁閥（C03）、截斷塞門（C04）、司機制動閥（C05）、中繼閥（C06）、分配閥（C09）等（見圖1）。

1.1 備用制動系統(tǒng)切除模式

和諧號動車組在正常運營情況下，備用制動系統(tǒng)處于切除狀態(tài)，截斷塞門（C04）切斷，并將備用制動切除狀態(tài)信號發(fā)送給列車管理系統(tǒng)。此時充風電磁閥（C03）在頭車制動控制單元的控制下一直處于得電狀態(tài)，總風管壓縮空氣通過減壓閥（C01）單向止回閥（C02）以及打開的充風電磁閥（C03）向列車管持續(xù)供應600kPa的壓縮空氣。

由于截斷塞門（C04）切斷，活塞式氣控閥（C07）在先導控制壓力為零情況下處于斷開狀態(tài)，壓縮空氣不會通過活塞式氣控閥（C07）向列車管供風。

圖1 和諧號動車組備用制動系統(tǒng)原理圖

當列車管壓力出現(xiàn)異常變化（比如列車管破裂、車鉤斷開等）時，分配閥（C09）會根據(jù)列車管的減壓量產(chǎn)生相應地空氣制動力，使得動車組自動施加制動并停車。

截斷塞門（C08）的作用是當備用制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時人工切除備用制動系統(tǒng)，此時即使列車管壓力出現(xiàn)異常，備用制動系統(tǒng)也不會產(chǎn)生作用。

1.2 備用制動系統(tǒng)開通模式

當動車組直通電空制動故障時，司機必須打開截斷塞門（C04），人工激活備用制動系統(tǒng)，此時備用制動激活狀態(tài)信號發(fā)送給列車管理系統(tǒng)，頭車制動控制單元控制充風電磁閥（C03）失電，切斷總風缸向列車管的供風。

截斷塞門（C04）打開后，總風管通過該塞門分別向司機制動閥（C05）和活塞式氣控閥（C07）供風，活塞式氣控閥（C07）在先導壓力作用下打開通道，中繼閥（C06）的輸出端C與列車管相連通。

備用制動系統(tǒng)的制動施加和緩解可通過操作備用司機制動閥（C05）手柄實現(xiàn)；在緩解狀態(tài)時，司機制動閥（C05）手柄處于中立位，對連通2位端的中繼閥（C06）預控腔既不充風也不排風，并且預控壓力Cv保持600 kPa，中繼閥（C06）的輸出壓力保持不變，保證了列車管壓力不變。

當備用制動系統(tǒng)需要施加階段制動時，通過操作司機制動閥（C05）手柄調(diào)整列車管的減壓量，分配閥（C09）根據(jù)列車管減壓量輸出相應地控制壓力，該壓力經(jīng)過雙向止回閥以及制動控制單元中的空重閥進入中繼閥預控壓力腔，總風壓縮空氣經(jīng)中繼閥流量放大后輸出給制動缸，從而形成制動力，使動車組制動減速或停車。

為快速將列車管減壓到預定目標值，在備用制動系統(tǒng)控制回路中配備了單膜板的中繼閥（C06）進行流量放大，因此司機制動閥（C05）通徑無需太大即可完成備用制動系統(tǒng)快速響應列車管減壓的功能。

當備用制動需要緩解時，通過司機制動閥（C05）向中繼閥（C06）供風，使得列車管壓力升高，可實現(xiàn)備用制動的一次性緩解。

2 備用制動系統(tǒng)關鍵部件介紹

2.1 司機制動閥（C05）

該司機制動閥具有5個級位，緊急制動位（1位）、常用制動位（2位）、中立位（0位）、緩解位（3位）和快速緩解位（4位）（P1端口為進風口、P2端口為出風口、P3端口為排風口，參見圖2）。

中立位（0位）：

中立位時，此時閥體內(nèi)的左右兩個提動閥（d）在彈簧力作用下關閉閥口，所有通道斷開；并且僅僅在此位置時，手柄下壓并左旋90°即可取下手柄。

圖2 司機制動閥結構示意圖

常用制動位（2位）：

手柄（b）移動到位置2時，通過手柄（b）下方的控制軸將右側的提動閥稍微打開，P2端口的壓縮空氣經(jīng)過環(huán)形間隙A（面積約0.12cm2）流向端口P3，由于P3端口通向大氣以及受環(huán)形間隙A的節(jié)流影響，P2端口壓力緩慢下降，相對應地列車管壓力減壓，動車組施加常用制動。

當手柄（b）松開時，右側的提動閥在彈簧力作用下關閉閥口，并推動手柄回復到中立位（0位）。

緊急制動位（1位）：

手柄（b）移動到位置1時，通過手柄（b）下方的控制軸將右側的提動閥全部打開，P2與P3之間的通道不再受限于環(huán)形間隙A的節(jié)流，從而可以將P2端口控制的列車管壓力快速減壓到零，從而產(chǎn)生緊急制動。

緩解位（3位）：

當備用制動系統(tǒng)施加制動時，將手柄（b）移動到位置3，通過手柄（b）下方的控制軸將左側的提動閥稍微打開，P1端口的壓縮空氣經(jīng)過環(huán)形間隙B（面積約0.12 cm2）向端口P2供風，由于受環(huán)形間隙B的節(jié)流影響，P2端口壓力緩慢上升，相對應地列車管壓力增壓，動車組制動緩解。

當手柄（b）松開時，左側的提動閥在彈簧力作用下關閉閥口，并推動手柄回復到中立位（0位）。

快速緩解位（4位）：

當備用制動系統(tǒng)施加制動時，將手柄（b）移動到位置4，通過手柄（b）下方的控制軸將左側的提動閥全部打開，P1與P2之間的通道不再受限于環(huán)形間隙B的節(jié)流，從而可以將P2端口控制的列車管壓力快速升壓，從而快速緩解動車組。

從司機制動閥（C05）的工作原理可知，當手柄（b）處于位置2或位置3時，由于受到環(huán)形間隙的節(jié)流作用，列車管壓力的減壓量或增壓量由手柄處于相應位置的時間長短來決定。

2.2 中繼閥（C06）

在備用制動系統(tǒng)中，中繼閥（C06）作用是通過小流量的控制壓力，實現(xiàn)大流量的輸出。由于司機制動閥（C05）通風能力有限，無法直接對列車管進行充排風，因此備用制動系統(tǒng)配備了中繼閥（C06），使列車管壓力能夠快速響應司機制動閥（C05）的控制壓力，從而大幅縮短備用制動壓力建立時間。

中繼閥（C06）為單膜板結構（參見圖3），在預控壓力Cv壓力上升時，Cv壓力將推動活塞（c）向上移動，關閉閥座V2，并打開閥座V1，輸入壓力R通過打開的閥座V1向輸出壓力C供風；C壓力同時進入活塞（c）的上表面，逐漸推動活塞（c）下移，直到閥座V1關閉為止，此時中繼閥（C06）處于壓力保持狀態(tài)。

圖3 中繼閥結構示意圖

在預控壓力Cv壓力下降時，中繼閥打破壓力保持狀態(tài)，活塞（c）下移，閥座V2打開，輸出壓力C經(jīng)過打開的閥座V2以及閥桿（b）中間通孔排向大氣，輸出壓力C逐漸下降，如果Cv壓力沒有降到零，則活塞（c）會上移并關閉閥座V2，使得中繼閥達到一個新的壓力平衡狀態(tài)，而當Cv壓力降到零，則輸出壓力C會通過打開的閥座V2一直排到零。

2.3 分配閥（C09）

和諧號動車組每輛車都配備了分配閥（C09），其根據(jù)列車管的壓力變化來產(chǎn)生相應的制動缸控制壓力，（見圖4）。

在備用制動緩解狀態(tài)下，列車管BP壓力通過縮孔（h）向輔助風缸R供風，輸出壓力Cv為零。

當列車管BP壓力減壓后，活塞（b）左側的輔助風缸R壓力大于右側的列車管BP壓力，活塞（b）向右移動越過縮孔（h），列車管BP壓力不再向輔助風缸R壓力供風關閉閥座V2并打開閥座V1，輔助風缸R壓力通過打開的閥座V1向輸出壓力Cv供風，輔助風缸R壓力逐漸下降，活塞（b）將隨之左移，直到閥座V1關閉，此時分配閥處于壓力保持狀態(tài)。

圖4 分配閥結構示意圖

當列車管BP壓力再進行減壓時，分配閥動作如前所述，分配閥將處于一個新的壓力保持轉頭，輔助風缸R壓力下降，輸出壓力Cv上升。

當列車管BP壓力增壓時，活塞（b）將向左移動，閥座V1關閉，閥座V2打開，輸出壓力Cv通過排風口O排向大氣，因為輔助風缸R壓力不會大于列車管BP壓力，活塞（b）在壓縮彈簧（c）作用下將保持在左端，閥座V2一直處于打開狀態(tài)，因此該分配閥將實現(xiàn)一次性緩解，不具有階段緩解功能。

3 CRH3型動車組備用制動系統(tǒng)特點分析

（1）正常情況下，備用制動系統(tǒng)不起作用，需司機人工激活。

（2）使用了階段制動一次緩解的二壓力分配閥，以滿足我國現(xiàn)有機車車輛混編、回送和救援等要求。

（3）由于備用制動系統(tǒng)為純空氣間接制動系統(tǒng)，與直通式電空制動系統(tǒng)相比較，其制動響應時間相對較長，因此列車采用備用制動系統(tǒng)時需限速運行。