动车组制动夹钳防冻结控制方法研究

王 群， 罗飞平

（南京中车浦镇海泰制动设备有限公司， 江苏 南京 211800）

0 引言

运行在北方寒冷地区的动车组， 冬季风雪气候运行时，车辆速度较快，转向架区域产生气流漩涡，容易卷起轨道上的积雪，堆积于转向架的关键部件处，其中落入制动夹钳处的积雪，受制动摩擦副产生的高温，融化成水，水在低温的环境下凝结成冰， 最终在制动夹钳处形成冰雪附着，降低了制动摩擦副的摩擦性能。当车辆运行结束后存放于无遮挡环境的存车线上，冰雪在低温环境下，加上冷空气的影响，会逐渐冻结，使制动夹钳与制动盘被附着的冰雪完全覆盖并深度冻结。

由于制动夹钳为制动系统最后的执行部件， 承担着车辆调速和停车功能， 如果因冰雪附着导致制动性能降低，或深度冻结导致车轮无法牵引旋转，会严重影响动车组的行车安全和运营组织。

北方高寒地区的铁路局、 车辆厂等单位都开展了相关动车组融冰除雪技术的研究，并取得了一定的效果，但研究方向主要是在铁道线路除雪、车辆入库融冰除雪、转向架结构优化防雪等方面， 该类应对措施对于冰雪频繁且高寒气候周期长的地区，具有一定的成效，但对于非高寒但气温低于零度以下地区来说， 无疑将投入大量的人力和物力。 本文从冰雪对于动车组制动系统的安全影响出发，不改变原有动车组结构和控制功能，仍以制动控制单元为对象，结合制动夹钳的动作特点，提出一种针对性的制动控制方法，在保证车辆安全制动的前提下，由制动控制单元根据车辆实际运行状况， 对各车制动夹钳有序的进行制动和缓解动作， 产生足够大的摩擦力和破冰力使冰雪无法附着、冻结，达到制动夹钳防冻结的目的。

1 制动夹钳冻结机理

如图1 所示，制动控制单元安装在车辆设备舱内，而制动夹钳安装在转向架上，与轨面距离较短，容易被积雪附着。当车辆高速运行时，转向架底部和侧部的空气直接灌入到转向架区域，形成复杂的湍流运动，产生较多气流漩涡， 雪花颗粒便在漩涡内相互吸附， 黏附在制动夹钳处，形成积雪。车辆制动时积雪受到摩擦副产生的高温热量的影响，化为雪水，当摩擦副冷却后，受冷空气的影响，雪水凝结成冰。由于车辆整个运行过程中，基本处于牵引或惰行状态，制动频率较少，且制动时电制动力优先，所以，实施气制动的制动夹钳动作频率相对较少，长时间不动作，之前形成的冰雪会逐渐增厚，严重影响制动摩擦性能。 在车辆运行结束后，如无入库检修计划，则动车组需存放于库外存车线， 持续的风雪导致制动夹钳最终被深度冻结。

图1 制动系统配置图Fig.1 Brake system configuration diagram

图2 夹钳冻结示意图Fig.2 Schematic diagram of clamp freezing

2 国内外融冰除雪方法

2.1 国外铁路融冰除雪

动车组的积雪结冰问题，同样困扰着国外的同行，各国的铁道运输部门都在列车融冰除雪方面做了大量的科学研究工作。 以日本为例，作为冬季多雪的国家，其新干线的防冰雪措施主要从线路结构设计、动车组结构设计、线路除雪措施等方面考虑。 线路上， 采用抬高路基的方法，消除积雪对行车的影响，同时还使用热水喷淋装置进行融雪，使用动车组上自带的犁式排障器（高寒地区正线运营车辆的车头都装配有推雪犁） 将线路上的积雪推开至路基或排雪格栅。 车辆方面，采用一体化设计，将转向架封闭在导流罩内，减少外部进雪。对于车辆转向架的积雪结冰，车辆检修基地无专门的融冰除宵库及设备，主要采用进库后自然融化及人工敲凿的方式清除冰雪。

2.2 国内铁路融冰除雪

哈大线在2012 年开通，是国内首条高寒地区的高铁线路，在动车组的融冰除雪方面经验最为丰富。

在哈大高速铁路建设初期， 考虑到冰雪灾害对动车组的影响，哈尔滨、沈阳等地设计修建了融冰除雪库，并建立了应急预案。根据多年的实际情况不断摸索、优化融冰除雪方法，由最初耗费大量人力使用高压热水小车、橡胶锤等工具，进行人工融冰除雪，到现在成功研制出防冰及融冰除雪装备，采用喷涂防冻液、低压热水热风除冰融冰方法进行自动化作业， 初步形成了满足我国动车组运用维护要求的技术手段。

3 防冻结控制方案

虽然有哈大线融冰除雪的经验可以借鉴， 但是中国幅员辽阔，低温气候也存在较大差异，各动车段检修库的设计和功能也不尽相同， 特别是对于北方非高寒地区的动车段，基本没有配置专门的融冰除雪库，对于突降大雪的应急方案不够完备，存在动车组融冰除雪不力的情况；而对于配置了融冰除雪库的高寒地区的动车段， 由于动车组检修数量的增加，存在库线能力不足、作业时间长、融冰除雪占用检查库线时间增加， 影响次日正常开行的问题。另一方面，从车辆转向架结构优化角度考虑，成本、时间以及可靠性验证都是制约因素。因此，针对关系到列车运行安全的制动系统，从制动夹钳的冻结机理出发，提出防冻结的控制技术十分必要。

3.1 制动控制原理

制动控制单元为气动式控制设备， 主要由电子制动控制单元（EBCU）气动控制单元（PBCU）两部分组成，由车辆总风管提供压缩空气作为能源，实现常用制动、紧急制动EB、紧急制动UB 等制动功能。

其中，紧急制动UB 不受EBCU 控制，仅由PBCU 上机械式的紧急电磁阀，根据车辆紧急制动安全回路硬线，在失电时自动输出制动缸压力。

常用制动、紧急制动EB 以EBCU 为控制中心，根据司机制动指令、 列车速度以及车重等信息进行制动力计算， 根据所需气制动力控制PBCU 内EP 电空转换阀，将电信号转换为空气压力，输出制动缸压力。

制动缸压力推动制动缸内部内活塞运动， 驱动制动夹钳动作， 输出压紧力使夹钳上的闸片贴近制动盘产生摩擦作用，实现车辆减速或者停车的制动功能。

3.2 防冻结机理

防冻结核心机理就是运动， 在保证制动系统安全制动的情况下，制定智能化的控制策略，使制动夹钳持续一定时间进行自动化的制动、 缓解动作， 产生足够的破冰力，使冰雪不能凝固，达到防冻结的目的。

3.3 车辆运行时防冻结方案

车辆运行时，为增加气制动夹钳的动作频率，在司机室设置自复位的清洁制动开关，由司机根据气候条件，选择性的点击触发。

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当EBCU 检测到清洁制动指令且列车处于牵引或惰行状态时，并且列车速度高于40km/h 以上时，自动施加70kPa 的气制动力，指令撤销后，压力缓解。 多次操作，增加了制动夹钳的动作频率， 使堆积于制动夹钳处的冰雪无法凝结，同时对制动盘也进行了有效的摩擦，避免了冰雪对于摩擦性能的影响。

3.4 库外长时停放防冻结方案

3.4.1 模拟试验

对制动夹钳进行长时间停放的模拟冻结试验， 环境舱温度设置在-25℃，模拟降雪，整个过程每间隔10 分钟往夹钳上淋水，分别模拟制动夹钳被整体冻结、关键部件局部冻结（转动轴、闸片及制动盘）的试验工况，并通过模拟施加较大牵引力， 制动盘是否旋转来判断制动夹钳是否被冻死。 试验结果如下：

图4 整体冻结图Fig.4 Freezing diagram

图5 闸片+制动盘冻结图Fig.5 Brake disc+brake pad freezing diagram

图6 转动轴冻结图Fig.6 Rotating shaft freezing diagram

（1）制动夹钳转动轴单独冻结，不会导致冻死，施加较大牵引力制动盘可破冰旋转， 而闸片和制动盘冻结或者夹钳整体冻结，牵引时制动盘不能破冰旋转，需施加常用制动7N 以上制动， 并间歇式制动/缓解动作多次方可破冰旋转。

（2）制动夹钳缓解状态相比制动状态下更容易冻死。

（3）冰雪天气下，库外低温存放2 小时内使夹钳间歇性动作，可有效降低夹钳冻死的概率，考虑到库外环境的复杂性，确定夹钳间歇动作时间为3 小时，并且夹钳间歇动作循环周期应小于30 分钟。

（4）常用制动7N 制动缸压力存在不能破冰的情况，所以需紧急制动EB 制动力可保证完全破冰。

3.4.2 控制方案

根据模拟试验结果， 对库外长时停放时的防冻结控制方案如下：

（1）车辆条件。防冻结控制需制动系统、网络系统及供风系统共同作用，所以车辆需升弓送电，保持各系统正常工作。为保证车辆停放安全，停放制动需施加，另外为保证制动夹钳的破冰力，制动手柄需置于紧急制动EB 位。

（2）防冻结指令。 司机室设置防冻结指令开关，由网络系统采集后发送给各车制动控制单元， 防冻结指令为司机室激活端有效，并考虑车辆零速联锁，防止司机运行时误操作。 另外，考虑到该功能仅限冬天使用，在防冻结指令开关处设置铅封，防止司机误操作。

图7 防冻结控制结构图Fig.7 Anti freezing control structure diagram

（3）控制逻辑。①车辆施加紧急制动EB，确保车辆停车安全， 司机操作防冻结开关发出防冻结控制的开始指令，由网络系统接收到该指令并转发至各车BCU，BCU 检测到防冻结指令持续1s 以上， 并且接收到紧急制动EB指令施加时， 判断进入防冻结模式； ②在各车BCU 判断进行防冻结模式后自动开始进行防冻结动作输出（制动→缓解）。 考虑到车辆同时进行缓解动作时， 将造成溜车， 所以设置车辆顺序动作方式， 以CCU 网络系统发出的时间为基准，01→08 车按照既定的时间序列顺序、循环执行（单车持续缓解55 s 后间隔5s，下一辆车实施缓解……以此类推）， 每8 分钟为一个循环周期，保证同一时间内仅有一辆车进行缓解动作。

在各车缓解紧急制动EB 制动压力时，由于车辆紧急制动EB 指令仍然作用，仅单车的制动缸压力缓解，存在单车检测到制动力不足的故障，所以当单车BCU 进入到缓解动作序列时，需屏蔽制动力不足故障检测功能。

图8 防冻结控制时序图Fig.8 Anti freezing control sequence diagram

（4）状态显示。 设置防冻结动作界面，方便司机随时掌握各车防冻结动作状态以及故障信息，及时进行处理。

图9 防冻结动作示意图Fig.9 Anti freezing action diagram

（5）故障诊断。考虑到两辆车同时缓解时存在溜车的风险，所以EBCU 对车辆制动状态实施监控，各车的缓解动作信号由网络系统实时发送至各车EBCU，当EBCU检测到两辆及以上车辆同时缓解时，自动退出防冻结控制，迅速施加制动，保证停车安全，并上报网络系统弹屏提示。 由于紧急制动UB 由单独电磁阀控制施加，不受EBCU的控制，一旦施加，制动夹钳不能实现自动缓解，所以当车辆触发紧急制动UB 时，EBCU 停止防冻结控制， 并上报网络系统弹屏提示。 由于整个控制流程需网络系统进行协调，所以网络系统故障时，EBCU 退出防冻结控制。

4 结论

该防冻结控制方法，实现较为简单，可节省动车组转向架结构优化的时间和成本，可有效解决动车组运行时因冰雪附着造成制动性能降低的问题，同时，也可以有效解决动车组库外长时停放时， 制动夹钳被冻结的问题，可有效提高动车组的运用效率以及制动系统复杂环境适应性。