动力集中动车组制动系统设计与运用研究*

2020-11-11林晖

铁道机车车辆 2020年5期

林晖

(1 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；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094)

随着中国铁路六次大提速以及近年来高速铁路不断发展所取得的巨大成就，旅客对于高速铁路所提供的优质客运服务越来越认可，选择出行的交通模式越来越高铁化、动车化、铁路化，促使旅客对于乘坐动车出行的需求不断增加，特别是在高铁覆盖率较低的地区更是迫切需要能够享受到乘坐动车出行的客运服务。

最近几年，在国铁集团相关部门组织下，通过中国铁道科学研究院集团有限公司和中国中车集团旗下机车车辆制造企业的共同努力，完成了CR200J型时速160公里动力集中电动车组的设计、研制及运用考核，于2019年元旦前后在我国数条铁路线上正式批量投入运营。该型动车组属于复兴号动车组系列，舒适度和服务水平优于普速列车，丰富了复兴号动车组作为铁路服务的产品种类，实现了在普速线路开行动力集中动车组，使更多的旅客能够享受到动车组的优质服务，满足人民高质量的客运需求。

1 CR200J动车组制动系统技术方案

1.1 概述

CR200J型动力集中电动车组的动力车采用和谐型8轴大功率快速客运机车技术平台，使用单节4轴机车作为动力车，拖车以25T型客车技术为基础。动车组采用推挽方式运行，可双向操纵，在车站换向开车方便、灵活，为此动车组双端均需要设置制动控制系统。制动控制基于微机控制技术，在列车制动控制、断钩保护、故障导向安全等方面满足列车安全运用要求，同时再生制动技术的充分使用可以改善整个列车制动系统摩擦副的运用。

CR200J动车组采用自动式空气制动系统，即列车管减压产生制动作用的方式，拖车辅助以电空制动功能，动力车和控制车上的紧急制动电磁阀为得电产生紧急制动作用。操作端司机室设有显示器显示本车制动控制系统状态及主要制动参数信息，同时还显示动车组尾车的总风、列车管和制动缸压力等制动状态信息[1]。动车组制动系统构成示意见图1。

图1 CR200J动车组制动系统框架示意图(短编)

动车组制动系统的设计较普通快速旅客列车在风源系统配置、列车制动控制、基础制动等方面有所变化及技术提升，并且使用了电空制动，增加了安全环路控制，以下将分别叙述。

1.2 风源系统

动车组仅在动力车上设置空气压缩机，动力车装有两台容积流量为1 600 dm3/min的螺杆空气压缩机，总容积流量达到3 200 dm3/min，相对于8轴快速客运机车装用两台(单节一台)不小于2 400 dm3/min容积流量的空压机，其供风能力增加了33%，动力车另设有1 000 dm3容积总风缸，满足动车组的制动系统用风和集便器、空气弹簧、塞拉门用风要求。

控制车上不设空气压缩机，仅设有容积为500 dm3的总风缸，满足控制车作为操纵端时制动系统正常用风要求。由于空气压缩机设于动力车上，控制车的总风缸压缩空气始终由动力车总风缸通过贯穿动车组的总风管供给。

动车组采用双管供风，对动力车总风管(供风管)压力输出不再进行600 kPa限压设置。

1.3 制动控制

制动控制采用符合国铁集团最新技术标准、基于网络通讯和计算机控制技术、分布式模块化结构设计的制动系统，动力车装用的CAB-A型机车空气制动控制系统，配备电子防滑器，制动系统制动柜见图2。制动柜上设有纯机械空气制动阀，当动力车制动系统故障或无动力回送时，空气制动阀能够响应动车组列车管的压力变化产生制动和缓解作用。

在控制车作为操纵端时，动车组制动作用通过控制车的制动控制系统来实现，制动系统制动柜为动力车制动柜的简化版，保留了用于列车制动控制的列车管控制模块，去掉用于制动缸压力控制的模块，包括纯机械空气制动阀。列车管控制模块根据制动控制器手柄的位置，实现动车组列车管的排风和充风作用，制动柜见图3。

控制车对制动缸的压力控制由车辆制动机实现，其与拖车的制动机一样，为104或F8集成电空制动机，依赖于列车管的减压和增压实现制动和缓解功能。

图3 控制车制动柜

1.4 基础制动

动力车基础制动沿用客运机车技术，采用钢制轮装制动盘和粉末冶金闸片，制动夹钳单元采用3点吊挂式，为保证动力车单车能在30‰的坡道上安全停放，选择具有弹簧储能方式的停放制动单元，设计布局为每轴设置一个，共4个停放制动单元。

相对于25T客车，拖车的基础制动有较大改动，考虑到25T客车铸铁制动盘大量出现热疲劳裂纹现状，初步考虑装用钢制制动盘配以粉末冶金闸片，满足160 km/h速度时紧急制动距离1 400 m的要求。每辆拖车均配置手制动，手制动完全施加结合动力车停放制动，只能满足全列动车组在12‰的坡道上停放。

1.5 电空制动

为了提升整体制动性能，CR220J型动车组为提升制动性能开通并使用了硬线控制的辅助电空制动，尽管旅客列车电空制动技术已研发完成三十余年，尚未进行成批量大规模的使用，特别是与动力车装用的CAB-A制动系统成套配合应用没有经过任何试验和验证。为了保证电空制动的可用性和正常运用，对动力集中动车组的电空制动系统进行了完整的匹配性试验研究。

试验基于CR200J动车组实际装车运用的动力车CAB-A制动控制系统和拖车104及F8集成电空制动机配置，在模拟动车组长编组和短编组的列车编组模式下，分别进行拖车电空制动机专列、空气制动专列及104与F8制动机混编等工况的性能试验。图4～图7分别列出了18辆编组拖车104和F8电空制动机的电空制动与空气制动试验曲线，表1给出了首尾车制动缸开始升压和降压的时间差等数据。

图4 电空制动减压100 kPa试验(18辆104)

图5 空气制动减压100 kPa试验(18辆104)

图6 电空制动减压100 kPa试验(18辆F8)

图7 空气制动减压100 kPa试验(18辆F8)

从试验曲线和相关数据中可以看出，电空制动系统的制动和缓解的同步性较空气制动有明显提高，硬线辅助电空制动的使用明显提高了整列动车组的制动、缓解波速和初始动作的一致性，对于减小列车纵向冲动提高平稳性有显著作用。

1.6 安全环路控制

动车组设有包括拖车车门、火警、轴温、制动等安全环路，其中需要动车组制动系统做出反应的安全环路只有轴温报警安全环路和制动安全环路，这两条安全环路与动力车和控制车的网络控制系统连接，正常时为高电平输出，当轴温和制动安全环路断开情况下，由网络控制系统发出惩罚制动指令制动控制系统，触发制动系统实施常用全制动减压量的惩罚制动作用，使动车组停车保证列车运用安全。

表1 模拟18辆拖车编组104阀和F8阀制动试验数据

2 动力集中动车组制动系统应用研究

CR200J型动车组是我国第一个成规模运行的动力集中动车组，实际运用已有一年，制动系统稳定可靠，满足了动车组安全、平稳运行要求。但是通过来自实际运用现场的信息反馈，需要对CR200J动车组制动系统在动车组无火回送(无动力)设置操作以及制动系统一体化试验等运用层面进行技术提升和完善，满足动车组现场实际运用需求。另外，动力车动力制动的投入使用方面也有进一步提升的空间，并且结合时速200公里动力集中动车组前期技术方案研究，对未来动力集中动车组采用直通式电空制动技术进行试验研究。具体从以下几个方面进行研究和分析。

2.1 优化动车组无火回送设置

CR200J动车组仅动力车装有弹簧储能停放制动装置，停放制动的施加控制采用了原机车的基本方法，在动力车的控制电源或蓄电池电源断电时发出脉冲信号控制停放制动装置中的“双脉冲电磁阀”到达制动位，使停放制动施加。

当动车组需要回送时或因故障需要救援时，就要对动车组的动力车进行无火回送设置，由于动力车无火设置时的断电操作会引起停放制动的施加，为保证动车组的后续运行需要缓解停放制动，并确保停放制动不再施加。

2.1.1常规无火回送设置方法

常规无火回送设置采取物理隔离停放制动功能的方法，直接且有效的在动力车上空气制动柜处的操作主要有两部分：

(1)将动力车制动柜内中部左侧停放制动控制模块上的“停放隔离塞门”(图3-1)置于水平位“隔离位”，排尽停放制动缸压力空气，并彻底切断动力车总风缸/制动缸对停放制动缸的充气作用，此时停放制动已处于施加状态。

(2)将制动柜内右下角的辅助功能模块上“无火塞门”置于水平位“无火位”，列车管压力空气经此模块向制动机总风缸充风，以满足动力车空气制动时制动缸的用风需要。

图8 制动柜上各塞门位置

除上述在车上的操作外，乘务员还须到车下进行手动缓解停放制动的操作，通过手动操作动力车两侧的停放制动缓解拉环可以缓解停放制动。此时由于停放风缸内的压力空气已经排零，动力车两侧的停放制动指示器显示红色表示停放制动处于施加状态，即使在手动缓解停放制动后，指示器仍然显示红色，与手动缓解后的停放制动状态不能对应，需要进一步在车底下用手动晃动制动缸夹钳或在制动闸片与制动盘之间塞入塞尺或纸张以确认停放制动处于真实的缓解状态，保证动车组无火回送或被救援运行时不带闸。

如果遇到动车组停于高站台的状况，因动车组与站台之间的空间受高站台限制，乘务员可能无法在车下进行手动缓解停放制动的操作和确认停放制动的完全缓解，甚至由于操作困难，可能导致手动缓解停放制动不彻底，给动车组回送救援运行等造成安全隐患。

2.1.2无火回送设置方法优化

CAB-A型机车空气制动系统在设计时考虑大功率机车现有的无火回送设置方法所带来的步骤复杂、设置不方便等现状，提供了一种简化无火回送设置的方案，无需在车上操作停放制动控制模块上的“停放隔离塞门”，也无需下车通过手动操作停放制动缓解拉环来缓解停放制动的步骤。

具体方法是在车上手动推压制动柜上停放制动控制模块的“双脉冲电磁阀”的缓解柱塞置于“缓解位”，使总风缸的压力空气通过“双脉冲电磁阀”进入停放风缸，用压力空气来缓解停放制动，此时停放制动缸的工作状态与动力车正常运用时的完全一样，同时车外两侧的停放制动指示器显示绿色(绿色为缓解)，与实际停放制动为缓解状态完全对应。

但是方案在动车组上操作实际使用时仍有隐患存在，停放制动的施加可以在动车组的操纵端按压司机台上的停放制动按钮，或者当任一端的控制电源或蓄电池断电，均可以通过重联线同时控制动力车停放制动的施加。如果尾部动力车按简化设置方案完成无火回送并手动后，在动车组的前操纵端上再次进行控制电源断电操作，会导致尾部动力车停放制动的再次施加，如果不能及时发现，尾部动力车就会带着制动运行导致发生安全事故。

为此针对简化的无火回送设置方案，在两个方面开展优化设计，以期实现既降低乘务员劳动强度，同时还能满足动车组在高站台进行无火回送设置的操作：

(1)增加停放制动指示器并引入到制动柜上，方便乘务员和机械师进行观察，通过停放制动指示器颜色显示与停放制动实际施加状态对应的关系，动车组运行时可在车上随时确认停放制动状态。

(2)对控制“双脉冲电磁阀”的相关电路进行改进，把“无火塞门”设有的常闭触点接入“双脉冲电磁阀”的制动控制电路，当“无火塞门”置“无火位”时，断开“无火塞门”内的常闭触点，切断“双脉冲电磁阀”的制动控制电路，使电控施加停放制动的功能彻底失效。

根据优化方案进行样机设计和试制，在制动柜顶部的传感器接口模块引出停放制动缸的压力气路至停放制动指示器，指示器进行小型化设计后安装于制动柜的左上角空余位置；在相关模块内的接线及线束进行调整设计，完成电气相关接线调整。所有的技术变更集中在制动柜内实现，不改变制动柜的对外电气、气路接口和动力车电气设计。图9为优化后的制动柜样机，左上角停放制动指示器显示停放制动的缓解(绿色)和制动(红色)状态。

对完成无火回送设置优化方案的制动柜上进行试验验证，将“无火塞门”置“无火位”，“双脉冲电磁阀”手动置“缓解位”，用电控(包括断电)的方式施加停放制动，“双脉冲电磁阀”没有动作，停放制动处于缓解控制状态。试验结果验证了优化方案的有效性，在无火回送设置完成后能够保证停放制动的彻底缓解。

采用优化方案进行动力车无火回送设置，只需在制动柜处进行两个步骤操作，一是将“无火塞门”置于水平位“无火位”，二是手动推压并确保“双脉冲电磁阀”的缓解柱塞在“缓解位”，然后在总风缸有压力空气保证时观察位于制动柜上新增设的停放制动指示器是否为绿色，以确认停放制动处于缓解状态，该方案可以在CR200J动车组上进行批量改造实施。

图9 制动柜上停放制动指示器状态显示

2.2 动车组制动试验一体化

为支撑CR200J动车组的运用维护，原中国铁路总公司于2018年12月印发了《时速160公里动力集中动车组运用维修管理暂行办法》，其中的附件2《时速160公里动力集中动车组制动系统试验》对动车组制动系统相关的试验进行明确要求，附件中的2-1规定了列车制动试验内容和方法，包括全部试验、简略试验和站折试验[2]。

由于动车组沿用了和谐型(HXD1G/HXD3G)八轴大功率快速客运机车和25T型客车技术平台，目前制动系统的试验分别按原机车和客车的方法进行，动力车和拖车的制动试验结果无法统一在司机制动显示屏上显示，并且动车组为双端操纵模式，在进行列车制动全部试验时需要在动车组双端完成试验操作和确认，导致完成全部试验的时间需要2～3 h，作业效率低。另外，试验操作过程全部手动进行，增加了运用和检修人员的劳动强度。

国铁集团根据运用现场的反映意见，提出了优化动车组制动试验过程的要求，制动系统试验一体化，采用计算机控制试验流程，并且还可人工根据试验需要进行选项方式进行试验操作。

具体的制动试验一体化优化方案必须融合拖车安装的TCDS系统功能，将TCDS系统所采集的拖车列车管、副风缸和制动缸等状态数据，通过相关网络传递至动力车(或控制车)的TCMS系统，再由TCMS系统发送至CAB-A制动系统，形成拖车制动数据与动力车制动控制系统的交互机制，该数据交互仅在动车组停车状态下有效传输，以适时用于满足制动试验一体化的要求。在CAB-A制动系统上进行相应软件开发，包括控制软件和显示软件。

考虑到动车组制动系统的使用特性，制动控制器作为乘务员人机操作的一个重要部件，必须由人工操作才能体现其可靠性和操纵性能，并获得最终确认。为此，制动控制器的性能试验步骤必须借助操作员的操作才能完成。

动车组制动试验设有包括全部试验、车站折返试验和简略试验制动控制器试验等试验流程，除上述所说制动控制器外，其他试验项点和结果确认均可由CAB-A系统软件自动完成。另外，制动试验的试验项点可以选择采用点单方式进行，根据需要选择对应的试验项目进行试验，试验数据仍由操纵端动力车(或控制车)CAB-A制动系统自动确认。试验过程中可显示试验进度、各步骤试验结果。图10为动车组进行制动试验的显示界面。

动车组制动试验一体化的设计已经完成，在动力车上完成了与TCMS的联调测试，时机合适时在CR200J动车组实车上进行软件升级并完成最终试验确认，在国铁集团和铁路局用户认可后可在动车组上批量升级运用。

图10 动车组制动试验一体化时的显示界面

2.3 进一步应用动力制动

动车组动力车具有完美的动力制动特性，能够给动车组在全运行速度范围内提供较强的动力制动能力，动力车的动力制动可以在制动过程中通过再生发电并反馈至接触网而产生节能效果，同时可以减少摩擦制动而有利于环境保护，因此制动系统设计时应考虑动力制动的充分使用。

2.3.1空气制动和动力制动联合作用

空气制动和动力制动联合作用是交流传动机车一个基本功能，在施加列车空气制动时，机车投入相当大小的动力制动替代本车的空气制动作用，而车辆仍产生空气制动作用。不过实际情况是使用大功率客运机车牵引旅客列车，屏蔽了空气制动和动力制动联合作用功能，主要考虑到机车动力制动力发挥与列车空气制动力实施的特性匹配差异，采用空气制动和动力制动联合作用可能增加制动、缓解过程中的列车纵向冲动，导致旅客乘坐舒适度的下降。

CR200J动车组中间车钩完全采用密接式车钩，在整列车上基本消除了车钩间隙，可以避免动车组在运用中产生较大纵向冲击，这就促成了动车组使用空气制动和动力制动联合作用功能。动力车施加动力制动时，其加载速率须与拖车空气制动力的施加速率相匹配，使旅客不会感觉到舒适度的下降。

为保证紧急制动作用可靠，在非动力制动工况下，紧急制动时，动车组仍采用完全空气制动模式，动力车与拖车一样施加空气制动。

2.3.2合理使用动力制动，进一步减少车辆空气制动摩擦负荷

目前运用路局反映CR200J动车组的拖车制动闸片磨耗较快，增加了运营部门的运用成本。为此，在保证列车安全及平稳运行前提下，实施动车组调速或停车制动应考虑进一步提高动力车动力制动的使用频率和作用，除了增加节能效果外，可以适当减少拖车制动盘的工作负荷，延长制动闸片和制动盘的使用寿命，具体可以从两个方面实现。

(1)动车组紧急制动时，采用空气制动和动力制动联合制动作用模式，使动力车施加再生制动力替代本车的空气制动力，可以减少动力车摩擦制动的使用频次。当再生制动失效或者切除(比如过分相)时，动力车投入空气制动。

(2)动力车再生制动力最大使用值为153 kN，以FXD3-J动力车为例，在动车组实施初制动时，动力车投入的再生制动力仅为22 kN，最大常用全制动时，再生制动力约为75 kN，也才用到了允许最大动力制动力的一半，动力制动的能力远未充分发挥作用。动车组制动时，可考虑增加动力制动的施加比例。

动车组作为一个整体，实施制动过程中拖车与动力车减速度相同。结合动力车空气制动和动力制动联合作用功能，动车组空气制动时适当增加在动力制动力的投入比例，在拖车空气制动力不变情况下，等于增加了整列动车组的制动力，提高了动车组的减速度，动车组制动时间和制动距离相应缩短，因此降低了拖车在整个制动过程中的空气制动负荷。

以配置FXD3-J动力车的短编组动车组为例，依据制动减压量工况将动力车动力制动力较本车空气制动力大小分别增加40 kN和50 kN进行计算，可以计算分析其对降低拖车制动负荷的影响效果，见图11所示，其中W为现列车管减压量下对应动力制动作用值时拖车制动负荷，WZ为增加动力制动后的拖车制动负荷。

图11 增加动力制动力前后的拖车制动负荷比

可以看出，动力制动增加40～50 kN，动车组初制动时，车辆制动盘负荷可降低25%～29%左右，在全制动时也能降低7%～9%左右。我们曾统计两列CR200J动车组实际运营一个月的制动数据，发现动车组使用初制动的比例在70%以上，占制动调速和停车操作的绝大部分，动力制动力在原设计值的基础上增加40～50 kN可以非常有效地降低摩擦制动负荷，减小制动盘和制动闸片的磨耗，延长使用寿命。

2.4 电空制动技术的运用与研究

2.4.1自动式空气制动辅以硬线控制的电空制动

CR200J动车组采用了自动式空气制动系统辅以硬线控制的电空制动，基本作用原理是如在列车制动时，拖车的制动电空阀激活通过特定的限流孔排出列出管压力空气，以辅助动车组操纵端列车管中继阀的排风动作，加快动车组拖车本车列车管压力的减压时间。该方案基本上是旅客列车的列车电空制动控制系统方案，在欧洲动车组上也大都采用了这种技术方案，如德国ICE1、ICE2和ICE3，法国的TGV的高速动车组上基本采用这种技术方案。

该方式电空制动明显提高了动车组的制动、缓解波速，但是拖车制动缸压力最终是由空气制动阀响应列车管的减压作用来实现，制动缸压力的升压曲线及最终平衡压力受拖车空气制动阀的特性和列车管、工作风缸等压力容器空气充风状态影响，从前述试验曲线(图4～图7)看，各拖车的制动缸压力曲线仍略有差异。

2.4.2采用微机控制的直通式电空制动系统

动力分散动车组制动系统采用的是直通式电空制动，我国的复兴号动力分散动车组全列动车组不设列车管，仅设贯穿全列车的总风管，制动时由车辆的BCU控制总风压力空气进入制动缸实现制动作用，有别于传统的由列车管减压产生的制动作用。直通式电空制动可以实现对车辆制动缸的精准控制，响应时间更快。在动力集中动车组上研究采用微机控制的直通式电空制动系统，从而获得拖车制动缸理想的升压曲线，可以进一步提升动车组制动系统性能。

探讨动力集中动车组采用直通式电空制动的可能性，基本原则是使用列车网络通讯技术传递制动指令和车辆状态信息，制动系统和网络系统满足列车任意编组的运用需要。保留列车自动式制动系统，即保留列车管和各辆车辆上的空气制动阀，把列车自动式空气制动系统作为备用制动方式，可在直通式电空制动因故障切除时转换至备用制动方式，使用列车管减压制动系统维持列车运行；或者在动车组故障时，自动式空气制动能够满足普通机车救援故障动车组的运用需要。

通过样机试制和模拟编组列车制动性能试验，确认了直通式电空制动系统方案的可行性和性能，图12和图13为模拟编组列车的直通制动系统试验曲线。试验曲线体现了直通式电空制动的制动和缓解优越性能，所有拖车的制动和缓解完全同步，制动缸的压力控制精度也有提高，制动性能较硬线辅助电空制动有明显提高。

图12 常用制动试验曲线

图13 阶段制动和阶段缓解试验曲线

更重要的是通过研究与试验，证明了动力集中动车组采用微机控制的直通式电空制动系统是完全可能的，可以极大改善动车组的制动性能，相对于欧洲动力集中动车组和CR200J目前采用的硬线辅助电空制动体系具有制动响应快、控制精准的特点，具备了全动车组制动系统的故障诊断功能，另外，制动操作实施的灵活性更是为进一步发挥动力车的动力制动作用提供了可实现的空间，通过合理控制拖车的制动缸压力以配合动力制动力的使用，提高动力制动力的使用率，减少动车组摩擦制动的使用频率和使用量，提高节能、环保效果和降低运营成本。