高速動車組保持制動控制邏輯設(shè)計(jì)研究

馬永靖， 朱靈允， 孟繁輝， 王學(xué)文， 鄭魏婧

(1 中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

動車組進(jìn)站或臨時停車時，需要施加一定的制動力防止車輛溜逸，出站牽引力能夠克服車輛下滑力后要緩解制動，防止抱閘行車。傳統(tǒng)動車組設(shè)置坡起制動功能，制動系統(tǒng)監(jiān)測到列車速度低于限值時自動施加坡起制動，動車組啟動時司機(jī)通過同時操作牽引手柄與制動手柄手動緩解坡起制動，操作方式難度大，車輛溜逸的風(fēng)險高，要求司機(jī)操作經(jīng)驗(yàn)豐富。

目前，我國新研發(fā)的動車組制動系統(tǒng)要求具有保持制動功能，防止車輛在靜置、停車和啟動時發(fā)生溜逸[1]。保持制動在動車組進(jìn)站停車時自動施加，啟動自動緩解，施加/緩解過程完全自動化，控制、檢測、診斷邏輯復(fù)雜，智能化程度較高。保持制動與傳統(tǒng)動車組坡起制動控制方式相比，大大簡化了司機(jī)站間停車及啟動的操作難度，深受廣大動車組司機(jī)的歡迎。

系統(tǒng)介紹高速動車組保持制動設(shè)計(jì)的功能要求、系統(tǒng)原理、制動力設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法。重點(diǎn)闡述控制信號定義、正常模式和故障模式下保持制動施加、緩解控制邏輯以及診斷邏輯。

1 功能要求

綜合高速動車組運(yùn)營工況，保持制動功能應(yīng)滿足以下要求：

(1)保持制動力滿足動車組定員載荷狀態(tài)，在規(guī)定的坡道上靜置，不發(fā)生溜逸；

(2)動車組停車時保持制動自動施加，啟動時自動緩解；

(3)動車組具有保持制動手動強(qiáng)迫緩解功能，可用于臨時緩解保持制動；

(4)動車組具有保持制動手動切除功能，在調(diào)試、回送等特殊工況始終緩解保持制動；

(5)保持制動施加/緩解狀態(tài)應(yīng)在司機(jī)室實(shí)時顯示。

2 系統(tǒng)原理

動車組停車前電制動能力值逐漸減少到零，車輛通過施加純空氣的保持制動保持靜止。保持制動力的分配方式和輸出形式(微機(jī)控制的直通式電空制動)與常用制動相同，其控制原理及信號交互示意如圖1所示。

圖1 保持制動系統(tǒng)控制原理示意圖

2.1 保持制動力分配

高速動車組為8編(可重聯(lián))或16編組運(yùn)營，為充分利用輪軌黏著，兼顧各車閘片均勻磨耗，制動控制系統(tǒng)基于列車總線采用三級管理模式，在全列范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)制動力分配管理[2-3]。

圖2 制動控制系統(tǒng)的三級管理模式

列車網(wǎng)絡(luò)占用頭車的主BCU承擔(dān)列車制動管理單元TBM (Train Brake Management)，負(fù)責(zé)列車制動力的管理和分配；分段制動管理單元SBM(Segment Brake Management)由各MVB網(wǎng)段內(nèi)的端車主BCU承擔(dān)，負(fù)責(zé)一個網(wǎng)段單元內(nèi)的制動力管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；本地制動控制單元LBCU(Local Brake Control Unit)由各車BCUx.1承擔(dān)(x=車號)，負(fù)責(zé)無TBM時制動力需求計(jì)算與制動力輸出控制。

保持制動施加由TBM或LBCU診斷，保持制動緩解由列車控制系統(tǒng)CCU(Central Control Unit)、TBM、LBCU并行診斷，任意條件滿足時單車保持制動都緩解。

2.2 保持制動力輸出

直通式電空制動控制單元BCU(Brake Control Unit)由電子制動控制單元EBCU(Electronic BCU)和氣動制動控制單元PBCU(Pneumatic BCU)組成，EBCU負(fù)責(zé)保持制動指令的接收和制動力的計(jì)算，控制PBCU將電氣指令信號轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)制動裝置制動缸的壓力，施加摩擦制動力。

各車EBCU將保持制動力換算成對應(yīng)的預(yù)控壓力Cv，并控制直通模擬轉(zhuǎn)換閥輸出作用到中繼閥前端，中繼閥根據(jù)預(yù)控壓力進(jìn)行比例流量放大，最終將副風(fēng)缸中的壓縮空氣按壓力比例產(chǎn)生制動缸C壓力，并充入基礎(chǔ)制動裝置制動缸產(chǎn)生保持制動摩擦制動力?？傦L(fēng)管通過止回閥向副風(fēng)缸充風(fēng)，以滿足制動用風(fēng)需求。

當(dāng)EBCU接收到保持制動緩解指令時，EBCU通過控制直通模擬轉(zhuǎn)換閥排空Cv壓力，同時通過中繼閥排空基礎(chǔ)制動裝置制動缸內(nèi)的壓力，緩解保持制動力。

3 保持制動力設(shè)計(jì)

3.1 制動力需求

為滿足動車組在規(guī)定的坡道靜置不溜逸要求，需根據(jù)規(guī)定的坡度α計(jì)算保持制動力，確定對應(yīng)的控制減速度。

簡化整列車成一個質(zhì)點(diǎn)，保持制動力計(jì)算模型如圖3所示，保持制動力F需克服動車組在坡道上的下滑力Fx，并留有一定安全余量S，計(jì)算公式如公式(1)所示。

F=S×Fx=S×M×g×sina

(1)

M為定員載荷動車組質(zhì)量；

g為重力加速度，9.81 m/s2；

S為安全系數(shù)，一般取1.2。

α為坡度，如取30‰坡度，α=arctan(30/1000)。

圖3 保持制動力計(jì)算模型

具有安全余量的保持制動力，除以定員載荷動車組質(zhì)量，如公式(2)所示，即可計(jì)算保持制動力需要的最小減速度a。最小減速度a可作為減速度曲線設(shè)計(jì)輸入，確定后的保持制動控制減速度將被固化到軟件里，結(jié)合實(shí)際車重參數(shù)計(jì)算保持制動力需求，并將保持制動力轉(zhuǎn)化為實(shí)際的預(yù)控壓力Cv值，施加摩擦制動力。

a≥F/M

(2)

3.2 試驗(yàn)方法

測量動車組施加保持制動時制動閘片的靜態(tài)推力。根據(jù)實(shí)測的閘片靜態(tài)推力總和，按式(3)計(jì)算保持制動力能夠滿足動車組安全停放的最大坡度值i。

(3)

∑K為保持制動時閘片靜態(tài)推力總和；

μ為閘片靜摩擦系數(shù)；

r為制動盤平均摩擦半徑；

R為新車輪半徑；

M為定員載荷動車組質(zhì)量；

g為重力加速度，9.81 m/s2；

S為安全系數(shù)，一般取1.2。

實(shí)測計(jì)算的動車組安全停放坡度i大于等于規(guī)定的坡度α，即驗(yàn)證保持制動能力合格。

4 控制信號定義

4.1 硬線信號

為實(shí)現(xiàn)保持制動強(qiáng)制緩解功能，設(shè)置“保持制動緩解列車線”貫穿全列，由司控臺“保持制動緩解”自復(fù)位按鈕和司機(jī)室邊柜的“保持制動切除”旋鈕開關(guān)控制，各車制動控制裝置內(nèi)的EBCU采集，“DC 110 V”代表保持制動緩解請求，緩解優(yōu)先。

4.2 網(wǎng)絡(luò)信號

坡道上停車，若列車的牽引力未達(dá)到能克服車輛下滑力就緩解保持制動，就存在溜車風(fēng)險。列車控制系統(tǒng)CCU掌握匯總?cè)袪恳χ担O(shè)置CCU控制的布爾型“保持制動緩解指令”命令，當(dāng)牽引力大于列車下滑力時置位發(fā)送給列車制動管理單元TBM。

列車網(wǎng)絡(luò)正常時，列車制動管理單元TBM做全列制動力分配管理，檢測到保持制動施加，發(fā)送保持制動力請求，及布爾型“保持制動施加指令”給各車本地制動控制單元LBCU。LBCU結(jié)合“保持制動施加指令”進(jìn)行保持制動施加/緩解狀態(tài)判斷，并將結(jié)果通過布爾型“保持制動施加狀態(tài)”狀態(tài)信號反饋給CCU，用于司機(jī)室HMI顯示。

CCU匯總判斷全列“保持制動施加狀態(tài)”，保持制動施加正常時點(diǎn)亮司機(jī)臺的“保持制動緩解按鈕”綠色指示燈，代表保持制動施加，否則燈滅。

4.3 其他信號

列車速度、單車速度、制動缸壓力和牽引狀態(tài)列車線等也作為制動控制系統(tǒng)BCU的輸入信號，用于保持制動控制及診斷判斷條件，如圖1所示。

5 控制邏輯

5.1 網(wǎng)絡(luò)正常模式

5.1.1保持制動施加

列車網(wǎng)絡(luò)正常時，列車制動管理單元TBM做保持制動施加診斷，發(fā)送保持制動力請求值和“保持制動施加指令”給各車本地制動控制單元LBCU。保持制動施加為以下條件與：

(1)牽引狀態(tài)列車線信號為非牽引；

(2)動車組處于非恒速模式；

(3)動車組速度低于規(guī)定值(如1.5 km/h)。

5.1.2保持制動緩解

列車控制系統(tǒng)CCU進(jìn)行保持制動緩解判斷，以下3個條件任一滿足：

(1)列車反饋牽引力大于車輛下滑力；

(2)列車速度大于規(guī)定速度(如1.5 km/h)；

(3)進(jìn)入菜單引導(dǎo)制動試驗(yàn)，CCU收到制動系統(tǒng)反饋“允許制動試驗(yàn)信號”為真；

則置網(wǎng)絡(luò)信號“保持制動緩解指令”為真后，發(fā)給各車本地制動控制單元LBCU，緩解保持制動。

5.2 網(wǎng)絡(luò)故障模式

本地制動控制單元LBCU與TBM或CCU網(wǎng)絡(luò)通信故障時，保持制動的施加或緩解都由LBCU進(jìn)行判斷控制。

5.2.1保持制動施加

當(dāng)LBCU與TBM通信故障，接收不到“保持制動施加指令”，檢測到以下條件同時滿足，則將自行施加單車保持制動力，“保持制動施加狀態(tài)”置真。

(1)牽引狀態(tài)列車線信號為非牽引；

(2)動車組速度低于規(guī)定值(如1.5 km/h)。

5.2.2保持制動緩解

當(dāng)LBCU通過網(wǎng)絡(luò)未接收到“保持制動緩解指令”時，檢測到以下任一條件滿足，則自行緩解保持制動力。

(1)列車牽引線狀態(tài)信號為牽引狀態(tài)，且單車速度大于規(guī)定值(如1.5 km/h)；

(2)列車牽引狀態(tài)線信號為牽引狀態(tài)，持續(xù)時間大于規(guī)定值(如7 s)；

(3)制動控制系統(tǒng)BN供電斷開，列車可能處于故障救援狀態(tài)。

5.3 保持制動診斷

5.3.1施加/緩解狀態(tài)

單車LBCU綜合監(jiān)測保持制動指令與制動缸壓力狀態(tài)：

(1)保持制動施加指令(TBM與LBCU判斷)；

(2)保持制動緩解指令(CCU、LBCU或保持制動緩解指令列車線為高電平)；

(3)保持制動施加時制動缸壓力應(yīng)大于100 kPa。

判斷保持制動施加/緩解狀態(tài)，結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)信號“保持制動施加狀態(tài)”反饋給CCU，在HMI顯示。

5.3.2故障診斷

CCU將各車LBCU上報的“保持制動施加狀態(tài)”在HMI屏按車顯示，同時為更直觀提示司機(jī)保持制動施加狀態(tài)，CCU匯總?cè)小氨３种苿邮┘訝顟B(tài)”信號，保持制動施時，施加車輛數(shù)量≥規(guī)定數(shù)量(例如：動車組8輛編組至少7輛車施加保持制動)，則點(diǎn)亮司機(jī)臺的保持制動“緩解按鈕”綠色指示燈，代表列車保持制動正常施加，否則閃爍指示燈，代表保持制動施加故障，提示有溜車風(fēng)險；保持制動緩解時燈滅。

5.4 手動緩解

司機(jī)臺設(shè)置自復(fù)位“保持制動緩解按鈕”，按下按鈕“保持制動緩解指令”列車線得電，為高電平；抬起按鈕自復(fù)位，列車線失電變?yōu)榈碗娖?。?dāng)LBCU檢測到“保持制動緩解指令”列車線為高電平時，自動緩解保持制動，按鈕恢復(fù)后則依據(jù)列車狀態(tài)判斷是否自動施加保持制動。

5.5 手動切除

在調(diào)試、回送等特殊工況，需切除保持制動自動施加功能，因此在司機(jī)室設(shè)置“保持制動切除”旋鈕開關(guān)，與“保持制動緩解按鈕”串聯(lián)控制“保持制動緩解指令”列車線電平狀態(tài)，用于切除保持制動自動施加功能。

6 結(jié)束語

文中研究的保持制動設(shè)計(jì)方法、試驗(yàn)方法、控制信號定義、控制及診斷邏輯已應(yīng)用于中車長客股份公司新研發(fā)的動車組，坡道停放能力、保持制動施加、緩解控制及診斷邏輯通過了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足整車功能要求。對于動車組和地鐵等電動車組保持制動功能的設(shè)計(jì)研究具有一定借鑒和指導(dǎo)意義。