CRH5G型动车组制动系统制动力分配的逻辑优化

杨 川，许 杰

（中国中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心，长春 130062）

在CRH5G型高速动车组运营前期的调试过程中，由于部分铁路沿线坡道大而长—超过100 km的连续坡道（坡度约13‰）[1]，且部分区段接触网网压高于29 kV，导致动车组电制动发挥欠佳甚至失效，在整个长大坡道的调速过程中将完全由空气制动完成制动力的施加[2]，使制动盘和闸片长期处于异常高温状态，可靠性降低而易发生故障。经专项线路试验发现，当电制动失效后动车组在整个长大坡道运行时，制动盘及闸片的热负荷已普遍过高[3-5]，影响了动车组的行车安全。为解决上述问题，在CRH5G型动车组原有制动软件的基础上，对制动力分配方案的控制逻辑进行了优化和完善。

1 动车组制动力分配原理

1.1 列车编组及制动控制系统网络配置

CRH5G型动车组采用5M+3T的编组形式，由两个牵引单元（2动2拖为一个牵引单元）构成，采用列车级和车辆级双层总线拓扑[6]，且全部采用轴装制动盘的盘形制动方式[3]，其中，MC01、M02、MH04、M07和MC08为动车，TP03、TB05和TP06为拖车。动车中2、3轴为动轴、1、4轴为拖轴。拖车中1～4轴均为拖轴。制动指令通过专用网络MVB方式传输。车辆编组和制动系统网络配置 ，如图1所示。

图1 CRH5G型动车组编组图

1.2 牵引制动手柄扇区分布

在牵引制动手柄中，制动指令以角度值进行划分，分为两个手柄扇区，其中：中立位为55°，在该位置无牵引、制动指令。角度值55°～32.5°为电制动扇区（第1扇区）。角度值32.5°～10°为电空复合制动扇区（第2扇区），角度值0度为紧急制动位[7-8]，扇区分布，如图2所示。

图2 牵引制动手柄扇区分布

牵引制动手柄的角度值与制动指令的对应关系，如表1所示。

表1 角度值与制动指令的对应关系

CRH5G型动车组上有两个MVB网段，01～04车为第1单元，其中，有一辆拖车。05～08车为第2单元，其中，有两辆拖车。在单元内电制动失效的动车和拖车的每个BCU根据电制动特性曲线、牵引制动控制手柄角度（制动请求的百分数）和电制动失效的数量来计算丢失的总电制动力。

1.3 原有制动力分配方案

如图3所示，在正常工况下，各动车的2、3轴只施加电制动力。如果电制动有效，各动车的动轴制动盘及闸片将不会被使用。动车电制动如果失效，

所丢失的电制动力将由其所在的动车的4根车轴进行补偿，其他车不会对所丢失的电制动力进行补偿[9]。

2 制动力分配方案逻辑优化

2.1 逻辑优化基本原则

原有的制动力分配方案中，如果动车电制动失效，所丢失的电制动力将由其所在的动车的4根车轴进行补偿，其他车不会对所丢失的电制动力进行补偿。优化方案中，将整列车被分成单独的两个制动力混合单元（与牵引单元相对应）。在每个动车的每个动轴上，仅能施加电制动力或者空气制动力，如果动车电制动失效，丢失的电制动力将由其同一混合单元中的动车和拖车平均进行补偿，就可以减少故障动车的转向架所补偿的空气制动力，可使电制动失效的动车的制动盘及闸片热负荷大幅度降低，这也是优化制动力分配方案的设计初衷，如图4所示。

根据扇区的不同，分为以下2种情况：

（1）牵引制动手柄发出的低制动指令（第1扇区）仅由电制动执行即可满足所需的制动力。如果电制动失效，由TCU控制的动轴上的电制动互锁阀将失电，电制动失效的动车4个轴（包括动轴和拖轴）及多功能车辆总线（MVB，Multifunction Vehicle Bus）单元内的拖车同时施加空气制动以补偿电制动力的损失。

（2）牵引制动手柄发出的高制动指令（第2扇区）由电制动和拖轴（包括动车和拖车）的空气制动同时执行。拖轴的空气制动力线性增加直到最大常用制动力。如果电制动失效，由TCU控制的动轴上的电制动互锁阀将失电，电制动失效的动车4个轴（包括动轴和拖轴）及MVB单元内的拖车同时施加空气制动以补偿电制动力的损失。

图3 原有制动力分配方案

图4 优化制动力分配方案

2.2 逻辑优化网络控制方案

优化的制动力分配方案是基于列车网络系统（TCMS）的中央控制单元（CCU）以及贯穿全列的MVB通信线路设置的改进方案。

每个BCU根据该单元内“拖车”数量（包括拖车和电制动失效的动车）来动态调整需要补偿丢失的电制动力，使丢失的电制动力由其他车辆“均匀”补偿。

位于每个头车的MBCU是制动控制系统的主BCU，起到制动主控制的作用，且与TCMS系统通过MVB线缆进行数据的交换。通过列车MVB总线接收来自于TCMS的电制动状态信号（电制动有效、电制动激活信号），MBCU直接读取制动手柄的位置和CCU传过来的制动请求，设定执行制动所需要的电制动力和空气制动力。

MBCU将8辆编组的列车分为两个牵引单元，牵引1单元 (MC01+M02+TP03+MH04)和牵引2单元(TB05+TP06+M07+MC08)，根据电制动失效的动车和单元内拖车的BCU时时情况，按图5所示的逻辑计算每辆车需要补偿的电制动力。

如果任何动车的电制动失效或者发生故障，其所丢失的电制动力将由其同一车辆单元中的拖车和丢失电制动力的车辆共同施加空气制动进行补偿，可以使故障动车的制动盘及闸片热负荷大幅度降低。

3 方案优化效果对比分析

3.1 方案优化效果逻辑分析

图5 制动力分配方案优化逻辑图

运营条件为：列车运行速度200 km/h，牵引制动手柄在最大电制动位（电制动力100%+空气制动力0%），由于不同的牵引单元不能跨单元进行补偿，下面将以牵引单元1为例子进行对比，牵引单元2与牵引单元1的软件逻辑控制保持一致。

3.1.1 一个动车电制动失效情况

从图6的对比可以看出，原有制动力分配方案中，当一个动车电制动失效（如MC01失效）时，此时所丢失的电制动力为36.4 kN，其他车辆不会补偿空气制动，将由其所在车辆（MC01车）分别施加空气制动进行补偿，一个转向架所补偿的空气制动力为18.2 kN。优化的制动力分配方案是基于车辆单元进行，当一个动车电制动失效时，所丢失的制动力将由其所在的车辆单元中的MC01和TP03同时施加空气制动进行补偿。每个转向架所补偿的空气制动力由18.2 kN减少为9.1 kN，极大地减少制动盘的磨损。

3.1.2 两个动车电制动失效情况

图6 一个动车电制动失效（优化前后方案对比）

从图7的对比可以看出，原有制动力分配方案中，当两个动车电制动失效（MC01和M02失效），每个动车丢失的电制动力为36.4 kN，分别由所在动车进行空气制动补偿，一个转向架补偿的空气制动力为18.2 kN。优化的制动分配方案是：（1）计算丢失的总电制动力，为72.8 kN；（2）计算本牵引单元中可用的空气制动车辆；（3）MC01，M02和TP03车同时施加空气制动进行补偿。一个转向架补偿的空气制动力由原方案的18.2 kN降为12.1 kN，均匀分布在每辆车上，极大地降低MC01和M02车的制动盘磨损，使制动力均匀分布，保证了制动的平稳性。

图7 两个动车电制动失效（优化前后方案对比）

3.2 逻辑优化效果

制动力优化方案可以有效减少故障动车的转向架所补偿的空气制动力，当电制动力失效时，可使制动力均匀地在制动力混合单元中进行分配，降低动车的制动盘磨损，使制动力均匀分布，保证了制动的平稳性。

4 结束语

优化后的制动力分配方案，使基于空电联合方案的制动力分配更加均匀，能够有效地减少制动盘及闸片的磨耗量，有效地避免制动盘及闸片长时间处于高温度、高压力的工况，缓解线路原因导致的不适应问题的出现，最大限度地降低车辆故障对运营稳定性的影响，节能降耗，持续提高我国高速列车高能效水平和可靠性。同时，该方案对处于长大陡坡等恶劣运营工况下的高速动车组制动力分配具有借鉴意义，同样适用于高寒动车组的制动力分配。

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