“复兴号”中国标准动车组制动试验设计与应用*

程宏明， 章 阳， 华 皛， 曹宏发

(1 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081)

制动试验是为了确保制动系统工作正常，性能稳定而设计的一整套制动系统检测试验。制动试验可以确保制动系统故障能够及时发现、明确作业人员交接发生时刻的设备状态。动车组故障时，利用制动试验配套诊断功能对系统当前状况进行诊断，以明确是否存在未消除的隐形故障，为行车提供依据。因此，制动试验在动车组运营、维护中具有重要作用。

从确保故障及时得到发现的角度考虑，制动试验频度要求要严，但频繁进行试验会影响到车辆运用效率。为了达到及时发现故障，又最大限度不影响运用效率的目的，制动试验频度应适中。目前要求是，动车组在库内检修作业完成后，地勤司机出库前在列车两端进行完整的制动试验，确认全列制动可用性。在列车投入运用之前，正线司机需要确认列车制动可用性，如果无制动可用性则在列车两端进行完整的制动试验。在运用过程中，仅在换端时施加一次紧急制动即可。

“复兴号”中国标准动车组具有制动试验功能，包括菜单引导制动试验(Menu Guided Brake Test，简称MBT)和自动制动试验(Auto Brake Test,简称ABT)。其中，自动制动试验属于列车整备试验的一部分，依据CCU发送的试验开始指令，制动系统自动完成相应测试内容。MBT制动试验是司机依据HMI提示进行试验，完成对制动系统工作状态的确认。MBT制动试验是动车组车辆运营前必须进行的环节，是制动系统故障确认的参考依据，也是使用频度最高的制动试验。

目前，我国既有高速动车组(和谐号)制动试验(MBT)软件控制仍由外方设计，试验时间较长。试验失败时HMI仅提示试验最终结果，司机无法确定试验失败车辆，无法快速解决问题，若热备车辆不足，会造成车辆晚点，影响高速铁路有序运营。

基于上述分析，非常有必要结合国内实际情况，开展适合我国高速动车组实际应用的制动试验研究，满足我国高速动车组快速试验、快速定位故障的技术要求。

结合中国标准动车组制动系统技术平台的设计和开发经验，详细介绍了MBT制动试验的设计思路、试验方法及对现车运用过程中常见的故障工况进行了分析。

1 MBT制动试验设计思路

1.1 和谐号动车组制动试验的现有情况

在中国既有和谐号动车组中，3型车、5型车具有MBT制动试验功能，但试验项目较多(3型车制动试验包括6项子试验[1])，完成一次完整的制动试验需18 min。5型车完成一次完整制动试验需16 min。出库前，两个端车需要分别执行一次制动试验，耗时需30 min 以上。当制动试验失败时，制动系统仅提示试验失败，无法给司机更多提示，导致司机处理故障比较困难，效率较低。因此，3型车、5型车存在制动试验耗时久、不易处理故障等问题。2型车无MBT制动试验，只通过司机操作制动手柄完成制动系统性能确认，虽然试验快速，但属于人为判断，试验结果不够准确客观。

1.2 复兴号动车组制动试验的设计思路

基于制动试验的定位与频度原则，在仔细研究运营车辆的优缺点后，中国标准动车组借鉴各方长处，形成了一套高效的中国标准的MBT制动试验，既满足从严诊断、快速定位制动系统故障的原则，又最大限度的保证车辆运营效率，实现准确、快速试验的目的。

2 MBT制动试验的设计

2.1 制动系统制动试验的架构管理

MBT制动试验包括直通制动试验、紧急制动EB及EB转UB试验、紧急制动UB试验、防滑试验、总风贯通性试验等5项子试验组成。试验是基于制动系统三层架构(TBM-SBM-LBCU)进行控制管理的。架构如图1所示：

图1 8编组制动系统三层架构管理

其中，TBM(Train Brake Management)负责列车级的试验管理，包括与CCUHMI交互，向SBM下发试验指令，汇总SBM上报的试验结果等，同时端车BCU1.1与BCU1.2都可以做TBM，实现冗余控制。SBM(Segment Brake Management)负责所在网段内制动指令的下发与车辆试验结果汇总，也采用冗余控制。LBCU(Local Brake Control Unit)负责本车制动试验的执行及结果反馈。三层构架层层管理，功能明确。

2.2 制动试验期间信息流的交互

“复兴号”中国标准动车组信息交互是基于MVB(Multifunction Vehicle Bus)总线进行的。

TBM与CCUHMI的信息交互如表1所示。

表1 制动试验TBM层面交互信息

TBM与SBM的信息交互，如表2所示。

表2 制动试验SBM层面交互信息

LBCU与SBM、CCUHMI的信息交互，如表3所示。

表3 制动试验LBCU层面交互信息

制动试验期间，司机通过操作HMI显示屏进行相关试验。CCUHMI依据司机操作将指令发送给TBM进行制动试验，TBM与CCUHMI采用应答式指令交互，一方等待另一方响应后才能进行下一步操作，保证TBM与CCUHMI时序的准确性。TBM向SBM下发试验指令，并在试验过程中汇总试验结果(8辆编组车，TBM汇总2个SBM网段试验结果，重联车16辆编组TBM汇总4个SBM网段试验结果)。

2.3 MBT试验的启动

当TBM收到CCUHMI试验开始指令后，检测列车试验环境是否满足要求(检测内容包括总风压力是否正常与车辆是否静止等)。如图2所示，当条件满足要求时，TBM反馈给CCUHMI试验条件满足要求，HMI提示司机开始进行制动试验。司机通过点击试验按钮开始进行试验。CCU收到TBM发送的停放制动已施加可进行制动试验信号后，缓解全列保持制动，CCUHMI向TBM发送试验项目号、试验步骤号，开始进行各项子试验，如图3所示。

图2 MBT制动试验开始界面

2.4 MBT试验的中止与退出

为了确保车辆的安全与试验的准确且合理，中国标准动车组制动试验对车辆工况条件有一定要求。当TBM监测到如下工况不满足时，制动试验会被中止。

当TBM诊断出外部工况不满足时(参照表4)，不进行制动试验，或退出试验。

图3 HMI激活MBT试验

表4 制动试验中止条件

2.5 MBT试验的各项子试验

“复兴号”中国标准动车组制动系统MBT试验具有5项子试验，通过直通制动试验、紧急制动EB试验及EB转UB试验、紧急制动UB试验、防滑系统试验、总风管贯通性试验等制动核心功能来确认制动系统性能，保障动车组安全。试验全部完成时间约8 min。

(1) 直通制动试验

用于判断直通制动功能是否正常的试验。试验过程中，HMI提示司机施加最大常用制动和缓解最大常用制动，LBCU诊断在单位时间内制动施加、缓解是否正常。诊断内容包括控制软件中常用制动控制部分、MVB通讯、CAN通讯、阀类、列车线、相关传感器等。

(2) 紧急制动EB试验、EB转UB试验

用于判断紧急制动EB施加是否正常，EB转UB继电器输出是否正常，UB环路是否正常断开。HMI提示司机施加EB，司机施加EB后LBCU控制EB转UB继电器输出来断开紧急制动UB环路，LBCU检测EB是否正常施加，紧急制动环路UB是否正常断开且车辆是否施加UB制动。诊断内容包括控制软件中紧急制动EB控制部分、MVB通讯、CAN通讯、相关继电器、列车线、阀类、相关传感器、CCU冗余指令等。

(3) 紧急制动UB试验

用于诊断紧急制动UB施加、缓解是否正常。进入试验后BCU诊断UB是否缓解，HMI提示司机施加UB，司机按下UB按钮后全列施加UB制动，LBCU诊断制动缸压力、UB环路状态、UB相关故障诊断是否正常。诊断内容包括控MVB通讯、CAN通讯、列车线、阀类、相关传感器、CCU冗余指令等。

(4) 防滑系统试验

用于诊断车辆防滑系统性能是否正常。HMI提示司机开始防滑试验。为提高效率，各车LBCU并行进行防滑阀排风、保压等测试工作，该项试验耗时最长，约3 min。诊断内容包括控制软件中防滑控制部分、MVB通讯、CAN通讯、防滑阀、列车线等。

(5) 总风贯通性试验

用于诊断空压机工作是否正常、总风管是否贯通、是否有泄漏。HMI提示司机开始总风贯通试验，BCU控制近占用端空压机启动(若重联时，控制近占用端的两台空压启动)，通过头尾车的总风压力传感器对总风压力上升值进行诊断，判断单位时间Δt内，头尾车总风压力是否同时上升一个合理值ΔMRΔt。计算公式如下：

ΔMRΔt=MRt1-MRt2

(1)

诊断内容包括控制软件中单车空压机控制部分、MVB通讯、CAN通讯、空压机、相关传感器等。

2.6 MBT试验结果

MBT制动试验后，TBM向CCUHMI反馈各项子试验结果及各项子试验对应的单车试验结果。HMI汇总试验结果及完成时间。如图4所示，试验结果左侧显示栏中显示5项子试验结果及完成时间，右侧显示栏中提示各个子试验对应的单车结果，绿色圆点表示单车试验成功。若试验失败，左侧显示栏状态一项显示失败，司机根据左侧显示栏中的提示信息明确失败项目，根据右侧显示栏中白色圆点(白色圆点表示失败)定位故障单车。中国标准动车组制动试验能够迅速定位到故障车辆及失败试验项目，提高故障定位精度，有利于快速解决问题。

图4 MBT试验各子项试验结果与各个单车试验结果

2.7 空气制动可用性

空气制动可用性是对制动系统性能的评估，为确保行车安全，要求根据可用性进行限速行车。其中空气制动可用性表示单车空气制动可用。制动可用性与制动力是独立概念，在全列制动可用性完全丢失时也可能具有正常的制动力，特殊情况下按如下要求进行补充试验确认制动力正常后亦可放行：

(1) 施加各级常用制动，确认各车制动缸压力正常；

(2) 施加紧急制动EB，确认各车制动缸压力正常；

(3) 施加紧急制动UB，确认各车制动缸压力正常。

2.7.1空气制动可用性的置位与复位条件

LBCU诊断以下结果都成立，则设置本车空气制动可用性有效，否则为无效。

(1) 3项子试验成功(直通式制动试验、紧急制动EB试验及EB转UB试验、紧急制动UB试验)，这表明常用制动、紧急制动EB及EB转UB、紧急制动UB功能和性能正常；

(2) 影响空气制动的隔离塞门均为开位置，制动未隔离；

(3) 无紧急制动UB相关故障；

(4) 制动供风R压力有效。

如图5所示，空气制动状态图标下方蓝色小框表示各车空气制动可用，各车LBCU诊断后直接上报给CCUHMI。

图5 16辆编组动车组空气制动可用性显示

若LBCU检测到本车制动试验失败(前3项试验)、空气制动被隔离、紧急制动UB相关故障，制动供风R压力过低等条件，则上报空气制动可用性无效。

2.7.2车辆运营中空气制动可用性的复位与置位

列车出库前，司机须分别在两端完成制动试验，HMI显示全列空气制动可用性。列车上线运用过程中，当司机进行换端操作时，司机钥匙重新占用后，BCU复位全列空气制动可用性，司机须通过司控器施加紧急制动EB，BCU检测到紧急制动EB正常施加后，置位全列空气制动可用性。

两列单编动车组各自完成制动试验后进行重联操作，重联后全列空气制动可用性复位，司机重新占用后施加紧急制动EB，BCU检测到紧急制动EB施加正常后，置位全列空气制动可用性。

3 MBT制动试验在中国标准动车组运营中的应用及故障分析

3.1 现场应用情况

综合考虑整个运用检修过程中各类工况下的试验要求，按照分级的原则，可分为5类典型工况：一级修及不检修出库时的试验、二级修试验、运用中各类交接试验、动车组技术状态变更(重联解编等)试验、制动运用故障及无动力回送等特殊工况试验。

目前，速度350 km/h中国标准动车组运营在京沪线、京广线等主干线。在列车的一端司机室完成整套MBT试验约8 min，极大提高了制动状态确认效率，为标准动车组车辆提高运营效率创造有力条件。

3.2 未按要求操作导致试验失败的典型工况分析

由于中国标准动车组试验为全新设计，操作人员在不熟悉的情况下可能造成试验条件不满足导致试验失败的情况。

2018年某日，CR400BF-5004速度350 km/h中国标准动车组8车主控，司机进行MBT制动试验，试验失败，TBM上报停放未施加故障。

技术人员下载WTD数据并进行了分析，根据图6数据可知，07:23:53开始进行第4项试验(防滑试验)，07:24:10司机缓解停放制动，随后BCU中止试验，并于07:24:12上报停放制动未施加中止试验故障。最终造成制动试验失败。司机施加停放制动后重新进行防滑试验，试验通过。

图6 停放制动未施加WTD数据

2017年某日，CR400AF-2008与CR400AF-2009列速度350 km/h中国标准动车组重联车进行制动试验，8车主控，进行防滑试验，试验失败， HMI显示全列BCU报重大故障。

经WTD数据分析发现，根据图7数据可知，在防滑试验过程中，司机施加了紧急制动UB，从而导致防滑试验失败，同时造成了BCU上报重大故障。之后，司机缓解紧急制动UB后重新进行防滑试验，试验通过。

图7 防滑试验中施加紧急制动UB导致试验失败

较常见的故障工况除了以上两个外，还有总风压力过低导致试验失败、列车施加ATP7级导致制动试验失败等。因此操作人员在进行制动试验前一定要确定好列车是否处于正常的试验状态，避免意外工况带来的试验失败。

4 结束语

从MBT制动试验应用的角度，结合中国标准动车组MBT制动试验的设计与开发经验，介绍了MBT制动试验的定位、设计思路与方案方法，并结合现场实际情况介绍了应用中常见的问题及注意事项。