CRH3型动车组空气制动系统的两种控制模式
徐杰;曹梓楠;呙林锋
【摘 要】详细分析了CRH3型动车组两种空气制动控制模式的设计扣实现过程.这两种控制模式为在正常情况下使用的直通式电空制动和在故障或者救援时使用的自动式制动.两种控制模式相互、功能完备且性能可靠,同时二者又相互关联且可根据不同工况进行转换,以实现列车安全平稳运行.此外,CRH3型动车组制动系统还具有完善的故障诊断功能.
【期刊名称】《上海工程技术大学学报》 【年(卷),期】2017(031)001 【总页数】5页(P61-65)
【关键词】CRH3型动车组;制动系统;空气制动;直通式电空制动;故障诊断 【作 者】徐杰;曹梓楠;呙林锋
【作者单位】必维质量技术服务(上海)有限公司,上海200011;必维质量技术服务(上海)有限公司,上海200011;必维质量技术服务(上海)有限公司,上海200011 【正文语种】中 文 【中图分类】U260
CRH3型动车组是我国最早实现运营、速度达到350 km/h的高速列车,并投入到我国首条高速铁路——京津城际线上运营.随着CRH3型动车组技术的不断改进和成熟,近年来又先后顺利投入到沪宁城际线,武广、沪杭、京沪等高铁线上运营.CRH3型动车组之所以能够在多条高速铁路线上实现安全平稳运行,不仅与它良
好的车体结构、走行部、牵引传动、网络控制等系统密切相关,而且更离不开其安全高效的制动系统.
众所周知,高速动车组的制动系统是高速列车的关键核心技术之一[1-3],在我国目前所有的在运行的和谐号动车组的制动系统中,CRH3型动车组制动系统是较为完备和典型的一种,其采用了微机控制的空电复合制动,列车需要制动时优先施加电制动,在一切允许的条件下尽最大能力发挥电制动.当电制动力失效、不足或被切除时,由空气制动补充不足的制动力.制动控制系统采用微机控制,接收司机控制器、列车控制系统、列车自动保护(Automatic Train Protection,ATP)等发出的制动指令并通过车辆总线和列车总线传递到各节车的制动控制单元中.同时制动控制系统再根据整列车所需制动力要求及可得的电制动力,计算各车所需要施加的空气制动力[4-6].空气制动系统是将制动控制的指令转化为空气压力进而控制制动缸的压力实现向列车施加制动或缓解[7-8].空气制动有基于微机控制的直通式电空制动和后备的自动式制动两种控制模式.直通式电空制动是通过列车网络与硬线传输制动控制指令,后备的自动式制动由列车管传输制动控制指令.相对CRH3型动车组的制动系统而言,CRH1型车没有后备制动的功能,CRH2型车的后备制动发出的制动力不能随速度和车重变化而只能执行预定的制动力[9-10],虽然CRH5型动车组具有和CRH3型动车组同样的双管制空气制动系统,但其直通式电空制动系统的逻辑过于繁冗.对于现有的CRH3型动车组的空气制动系统,目前多数文献只对其气路原理做了概述性[4-6]或一般性[7]的介绍,本文将对CRH3型动车
组空气制动系统的两种控制模式的气路实现过程进行详细的介绍.近年来,我国在既有CRH3型动车组制动系统功能和性能及运用经验的基础上进行了相关的自主研制,并逐步实现了自主研制的动车组制动系统与既有的动车组制动系统的互联互控[11-12].
基于微机控制的直通式电空制动由电子制动控制单元(EBCU)接收并解读来自司机
控制器、列车控制系统和ATP等制动指令,然后控制空气制动控制单元(PBCU)的运行实现空气制动. 直通式电空制动的气路执行部分为PBCU,其气路原理如图1中PBCU-1部分所示.风源的气路是压缩空气由总风管经止回阀向储风缸充风,当总风压力不足或泄漏时止回阀可确保储风缸中存储的压缩空气仍可以为PBCU提供风源.风源系统由两台螺杆式空压机提供的压缩空气经过一级限压到1.2 MPa,其经过干燥器和过滤器后再经过二级限压到1.05 MPa后向总风缸和总风管充风,总风管的正常压力波动为(1±0.02) MPa. 1.1 常用制动实现过程
在PBCU内,调压机构根据EBCU给出的制动指令调节制动所需要的预控压力.调压机构由1个高精度的压力传感器③和2个通过脉宽调制(PWM)调节控制的电磁阀(充风电磁阀①和排风电磁阀②)组成.压力传感器检测预控压力输出的实际值,当检测到的预控压力与EBCU中所要求的压力不相符时,通过充风电磁阀和排风电磁阀配合对预控压力进行调节.调压机构对预控压力进行闭环控制以保证实时输出精确的预控压力.紧急电磁阀④在常用制动时处于失电状态,从常用制动调压机构来的压缩空气经过称重阀⑥后进入中继阀⑨,由中继阀的流量放大后控制着向制动缸充排风实现列车的制动或缓解功能.在常用制动时用压力传感器⑦检测来自空气弹簧内车重的压力信号并向EBCU反馈,称重阀根据车重情况中继阀预控压力的设定,在制动压力的控制回路出现故障时防止制动力过大. 1.2 紧急制动实现过程
在触发紧急制动时,根据故障导向安全的原则,断开紧急制动安全环路和紧急电磁阀④,来自总风管的压缩空气经过紧急电磁阀直接通过双向止回阀⑤和称重阀⑥向中继阀⑨中输入压力,压力大小根据车重信息由称重阀进行调节.紧急制动过程中往往需要施加最大的制动力,因此没有连续调节制动缸中压力的过程.为了防止车轮抱死及延长基础制动部件的寿命周期等,制动缸中压力的施加分为两个阶段:列车速度高
于200 km/h时施加低减速度的制动压力;列车速度低于200 km/h时施加高减速度的制动压力.本文设计中特别增加了一个高低压转换电磁阀⑩.通过电磁阀⑩输入的压力信号,控制中继阀高低比例输出.高低压转换电磁阀在缺省状态下为失电的且中继阀处于高比例输出状态,这种设计有利于在列车被救援过程中施加较高的制动力,从而确保紧急制动的安全.
当直通式电空制动系统发生故障、或者在救援和回送状态时,通过操控一个纯机械的备用制动控制器 启用后备的自动式制动系统,实现列车空气制动的施加和缓解功能,且在备用的自动式制动系统启用后主制动控制手柄的制动控制被切除,其气路原理如图1中PBCU-2部分所示. 2.1 后备的自动式制动系统的实现过程
通过备用制动控制器操作后备的制动所具有的基本制动和缓解功能.为了实现更高精度的控制,系统采用小流量控制大流量的方式,即备用制动控制器所给出小流量的预控压力,通过中继阀放大后控制总风向列车管的充风或排风.压力表实时显示预控压力的值,司机通过观测压力表,根据需要的目标压力值进行升压或减压等调节操作.中继阀根据预控压力的变化对列车管的压力进行相应调节.分配阀⑧根据列车管的压力变化,通过双向止回阀⑤和称重阀⑥向中继阀输入一个预控压力.根据分配阀输入的预控压力,通过中继阀⑨的流量放大控制向制动缸充排风,从而实现列车的制动及缓解功能.由于后备的制动是纯机械控制的系统,通过备用制动控制器进行增压和减压所建立的时间比直通式电空制动系统要长,因此为了安全起见,在后备的自动式制动系统控制模式下列车都必须降速运行. 2.2 直通式制动模式下对后备的制动控制
在直通式电空制动系统控制模式下,列车管处于稳压状态且压力不低于列车管完全缓解制动所需的压力(通常为定压0.6 MPa),只有在紧急制动被触发时列车管才会排风至定压0.6 MPa以下.在直通式电空制动系统控制模式下可以对备用的自动式
制动系统进行以下控制,通过EBCU控制电磁阀向列车管充风,只要没触发紧急制动,电磁阀常得电使总风向列车管充风至定压0.6 MPa,调压阀将总风的压力降到0.6 MPa后向列车管充风,节流阀的作用是向列车管缓慢充风以确保在直通式电空制动控制模式下后备的制动功能受控.当触发紧急制动时,整列车上所有的紧急排风阀打开,列车管通过大口径的排风口快速排风,实现列车的紧急制动功能,此时通过电磁阀切断总风向列车管充风.在直通式电空制动控制模式下,EBCU同时激活后备的自动式制动系统,以确保当直通式电空制动系统出现故障时列车后备的制动系统立即投入运行.
由于CRH3型动车组最高运行速度能高达380 km/h,因此对制动的各项性能指标要求也非常高,如紧急制动时制动缸压力上升到最大值的90%的时间仅为2.5 s.在可得的最大轮轨黏着系数条件下,通过制动计算软件对CRH3车型的制动相关指标进行计算,紧急制动减速度曲线如图2所示.紧急制动距离与初速度之间的对应关系见表1.
最大车重常用制动减速度曲线如图3所示,制动距离与初速度之间的对应关系见表2。
根据线路条件和列车的设计要求,停放制动需要保证列车在空车状态下能够安全停放在30‰的坡道上,在满员状态下能够安全停放在20‰的坡道上.列车停放在坡道时,车轮上存在着滑动和滚动两种导致停放失效的因素,需要根据车重、坡度、轮轨之间黏着系数、闸片与制动盘之间的静摩擦因数以及停放装置的布置等条件,计算停放制动的防滑和防滚安全系数,结果见表3.
通过上述停放制动计算结果可以看出,CRH3型动车组的停放制动功能能够实现列车在不同载荷状态下安全地停放在规定坡道的线路上.
CRH3型动车组制动系统在设计过程中充分考虑了故障诊断功能,制动系统通过带电触点的截断塞门及传感器等采集外部设备状态信息,并将这些信息输入EBCU,由
其对车辆制动系统状态进行判断,并将故障和制动状态信息通过多功能车量总线(MVB)和绞线式列车总线(WTB)报告给列车诊断系统,并将部分信息显示在数字显示器(DDU)上,以便于车辆的运行控制和故障处理.同时,制动系统的诊断信息经列车远程数据传输系统传输到地面服务中心,地面维护人员可对列车制动系统状态进行实时监控.
制动系统的故障诊断主要包含两个功能:
1) 制动系统的故障诊断和监测.制动系统的各种故障,如制动不缓解、停放制动无法施加、总风压力过低等,这些故障以故障代码的形式存储在EBCU中并通过MVB诊断端口报告给列车诊断系统.
2) 制动系统的状态诊断.制动系统的某些功能或部件在当前的状态下不一定是故障,但在特定的条件下会引起故障,如被关闭的隔离塞门、乘客紧急拉环被拉下等,这些状态同样以代码的形式存储在EBCU中,并通过MVB报告给列车诊断系统. 在EBCU内设有RS232接口,可与PC机进行通信,实现对BCU相关参数的实时监控和下载故障数据等功能.
CRH3型动车组制动控制系统的设计遵循了故障导向安全的原则,采用了空电联合的复合制动,电制动优先使用,在电制动不足或者失效时由空气制动补充.空气制动系统的设计采用两种控制模式,即在正常运行时使用直通式电空制动和在故障或者救援过程中使用后备的自动式制动.整个制动系统具备完善的故障诊断功能,CRH3型动车组制动系统具有功能完备、性能可靠和完善的故障诊断功能等优点,对我国其他系列动车组和城际列车的制动设计也具有参考和借鉴的意义.
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