和谐号动车组备用制动系统

武青海，张 宝，王群伟

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

和谐号动车组制动系统采用微机直通电空式制动系统做为常用制动模式，间接制动系统为备用制动模式；备用制动模式主要在直通电空制动系统发生故障或车辆回送时使用。随着我国高速铁路的不断发展，运行安全在铁路运输过程中始终占据重要位置。因此当动车组在正常运营期间常用制动发生故障时，是否能够快速、有效地将故障列车回送至站段进行故障排除，此时备用制动系统的安全可靠性就尤显重要。

和谐号动车组备用制动系统为纯空气制动的自动空气制动机，是由列车管控制的间接制动。当直通式电空制动系统发生故障时，其备用制动必须依靠列车司机手动操作才能激活，因此其备用方式为非“热备”方式。与国内既有线路列车间自动空气制动机相比，和谐号动车组备用制动系统由于仅用于列车制动系统故障状态或救援回送，因此其功能相对比较简单，具有可阶段制动、一次缓解的特点。

1 备用制动系统组成及工作原理

CRH3型动车组备用制动系统主要包括减压阀（C01）、充风电磁阀（C03）、截断塞门（C04）、司机制动阀（C05）、中继阀（C06）、分配阀（C09）等（见图1）。

1.1 备用制动系统切除模式

和谐号动车组在正常运营情况下，备用制动系统处于切除状态，截断塞门（C04）切断，并将备用制动切除状态信号发送给列车管理系统。此时充风电磁阀（C03）在头车制动控制单元的控制下一直处于得电状态，总风管压缩空气通过减压阀（C01）单向止回阀（C02）以及打开的充风电磁阀（C03）向列车管持续供应600kPa的压缩空气。

由于截断塞门（C04）切断，活塞式气控阀（C07）在先导控制压力为零情况下处于断开状态，压缩空气不会通过活塞式气控阀（C07）向列车管供风。

图1 和谐号动车组备用制动系统原理图

当列车管压力出现异常变化（比如列车管破裂、车钩断开等）时，分配阀（C09）会根据列车管的减压量产生相应地空气制动力，使得动车组自动施加制动并停车。

截断塞门（C08）的作用是当备用制动系统出现故障时人工切除备用制动系统，此时即使列车管压力出现异常，备用制动系统也不会产生作用。

1.2 备用制动系统开通模式

当动车组直通电空制动故障时，司机必须打开截断塞门（C04），人工激活备用制动系统，此时备用制动激活状态信号发送给列车管理系统，头车制动控制单元控制充风电磁阀（C03）失电，切断总风缸向列车管的供风。

截断塞门（C04）打开后，总风管通过该塞门分别向司机制动阀（C05）和活塞式气控阀（C07）供风，活塞式气控阀（C07）在先导压力作用下打开通道，中继阀（C06）的输出端C与列车管相连通。

备用制动系统的制动施加和缓解可通过操作备用司机制动阀（C05）手柄实现；在缓解状态时，司机制动阀（C05）手柄处于中立位，对连通2位端的中继阀（C06）预控腔既不充风也不排风，并且预控压力Cv保持600 kPa，中继阀（C06）的输出压力保持不变，保证了列车管压力不变。

当备用制动系统需要施加阶段制动时，通过操作司机制动阀（C05）手柄调整列车管的减压量，分配阀（C09）根据列车管减压量输出相应地控制压力，该压力经过双向止回阀以及制动控制单元中的空重阀进入中继阀预控压力腔，总风压缩空气经中继阀流量放大后输出给制动缸，从而形成制动力，使动车组制动减速或停车。

为快速将列车管减压到预定目标值，在备用制动系统控制回路中配备了单膜板的中继阀（C06）进行流量放大，因此司机制动阀（C05）通径无需太大即可完成备用制动系统快速响应列车管减压的功能。

当备用制动需要缓解时，通过司机制动阀（C05）向中继阀（C06）供风，使得列车管压力升高，可实现备用制动的一次性缓解。

2 备用制动系统关键部件介绍

2.1 司机制动阀（C05）

该司机制动阀具有5个级位，紧急制动位（1位）、常用制动位（2位）、中立位（0位）、缓解位（3位）和快速缓解位（4位）（P1端口为进风口、P2端口为出风口、P3端口为排风口，参见图2）。

中立位（0位）：

中立位时，此时阀体内的左右两个提动阀（d）在弹簧力作用下关闭阀口，所有通道断开；并且仅仅在此位置时，手柄下压并左旋90°即可取下手柄。

图2 司机制动阀结构示意图

常用制动位（2位）：

手柄（b）移动到位置2时，通过手柄（b）下方的控制轴将右侧的提动阀稍微打开，P2端口的压缩空气经过环形间隙A（面积约0.12cm2）流向端口P3，由于P3端口通向大气以及受环形间隙A的节流影响，P2端口压力缓慢下降，相对应地列车管压力减压，动车组施加常用制动。

当手柄（b）松开时，右侧的提动阀在弹簧力作用下关闭阀口，并推动手柄回复到中立位（0位）。

紧急制动位（1位）：

手柄（b）移动到位置1时，通过手柄（b）下方的控制轴将右侧的提动阀全部打开，P2与P3之间的通道不再受限于环形间隙A的节流，从而可以将P2端口控制的列车管压力快速减压到零，从而产生紧急制动。

缓解位（3位）：

当备用制动系统施加制动时，将手柄（b）移动到位置3，通过手柄（b）下方的控制轴将左侧的提动阀稍微打开，P1端口的压缩空气经过环形间隙B（面积约0.12 cm2）向端口P2供风，由于受环形间隙B的节流影响，P2端口压力缓慢上升，相对应地列车管压力增压，动车组制动缓解。

当手柄（b）松开时，左侧的提动阀在弹簧力作用下关闭阀口，并推动手柄回复到中立位（0位）。

快速缓解位（4位）：

当备用制动系统施加制动时，将手柄（b）移动到位置4，通过手柄（b）下方的控制轴将左侧的提动阀全部打开，P1与P2之间的通道不再受限于环形间隙B的节流，从而可以将P2端口控制的列车管压力快速升压，从而快速缓解动车组。

从司机制动阀（C05）的工作原理可知，当手柄（b）处于位置2或位置3时，由于受到环形间隙的节流作用，列车管压力的减压量或增压量由手柄处于相应位置的时间长短来决定。

2.2 中继阀（C06）

在备用制动系统中，中继阀（C06）作用是通过小流量的控制压力，实现大流量的输出。由于司机制动阀（C05）通风能力有限，无法直接对列车管进行充排风，因此备用制动系统配备了中继阀（C06），使列车管压力能够快速响应司机制动阀（C05）的控制压力，从而大幅缩短备用制动压力建立时间。

中继阀（C06）为单膜板结构（参见图3），在预控压力Cv压力上升时，Cv压力将推动活塞（c）向上移动，关闭阀座V2，并打开阀座V1，输入压力R通过打开的阀座V1向输出压力C供风；C压力同时进入活塞（c）的上表面，逐渐推动活塞（c）下移，直到阀座V1关闭为止，此时中继阀（C06）处于压力保持状态。

图3 中继阀结构示意图

在预控压力Cv压力下降时，中继阀打破压力保持状态，活塞（c）下移，阀座V2打开，输出压力C经过打开的阀座V2以及阀杆（b）中间通孔排向大气，输出压力C逐渐下降，如果Cv压力没有降到零，则活塞（c）会上移并关闭阀座V2，使得中继阀达到一个新的压力平衡状态，而当Cv压力降到零，则输出压力C会通过打开的阀座V2一直排到零。

2.3 分配阀（C09）

和谐号动车组每辆车都配备了分配阀（C09），其根据列车管的压力变化来产生相应的制动缸控制压力，（见图4）。

在备用制动缓解状态下，列车管BP压力通过缩孔（h）向辅助风缸R供风，输出压力Cv为零。

当列车管BP压力减压后，活塞（b）左侧的辅助风缸R压力大于右侧的列车管BP压力，活塞（b）向右移动越过缩孔（h），列车管BP压力不再向辅助风缸R压力供风关闭阀座V2并打开阀座V1，辅助风缸R压力通过打开的阀座V1向输出压力Cv供风，辅助风缸R压力逐渐下降，活塞（b）将随之左移，直到阀座V1关闭，此时分配阀处于压力保持状态。

图4 分配阀结构示意图

当列车管BP压力再进行减压时，分配阀动作如前所述，分配阀将处于一个新的压力保持转头，辅助风缸R压力下降，输出压力Cv上升。

当列车管BP压力增压时，活塞（b）将向左移动，阀座V1关闭，阀座V2打开，输出压力Cv通过排风口O排向大气，因为辅助风缸R压力不会大于列车管BP压力，活塞（b）在压缩弹簧（c）作用下将保持在左端，阀座V2一直处于打开状态，因此该分配阀将实现一次性缓解，不具有阶段缓解功能。

3 CRH3型动车组备用制动系统特点分析

（1）正常情况下，备用制动系统不起作用，需司机人工激活。

（2）使用了阶段制动一次缓解的二压力分配阀，以满足我国现有机车车辆混编、回送和救援等要求。

（3）由于备用制动系统为纯空气间接制动系统，与直通式电空制动系统相比较，其制动响应时间相对较长，因此列车采用备用制动系统时需限速运行。