機車車輛電空制動系統在大軸重機車裝車研究

王海平, 林 暉

(1 中國中車大同電力機車有限公司 技術中心， 山西大同 037038；2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

HXD2F機車是中國中車大同電力機車有限公司(簡稱：同車公司)在HXD2系列機車平臺基礎上，結合中國國內重載線路運營需要而研制的新一代的30 t軸重重載交流貨運機車，同時考慮對既有線路運用的適應性，可以通過減壓鐵，使機車軸重調整為27 t，滿足既有線路未來27 t軸重貨運列車的動力牽引需要。機車牽引功率可達9 600 kW，采用2(B0-B0)轉向架，機車制動系統采用法維萊公司的Eurotrol型制動機，它是在原SAB WABCO微機控制電空制動機基礎上，按照中國鐵路要求開發的新一代制動機[2]。

貨物列車電控空氣制動(以下簡稱ECP)技術基于有線通訊，其制動性能有著傳統空氣制動無可比擬的優越性，能夠極大限度的改善列車制動和緩解過程中列車縱向沖動的問題，尤其適用于特長編組的重載單元或組合列車，HXD2F機車裝用了由中國鐵道科學研究院開發研制的ECP電空制動系統。

由于首次在大功率交流傳動機車安裝并試驗運用ECP電空空氣制動系統，并且該制動系統的操作及人機界面均獨立設置，以滿足適應裝用法維萊機車制動系統的機車運用。設備的安裝結合機車機器間及司機室情況，保證操縱設備必須滿足乘務員的操作方便，信息顯示能夠使乘務員便于觀察，所有設備的安裝不改變機車根本構架及設計。

1 ECP制動系統功能及組成

1.1 ECP制動系統基本功能

通過操縱本務機車的制動控制器，產生電子信號來控制車輛的電空制動裝置，將車輛副風缸的壓縮空氣直接或間接充入制動缸，實現列車常用和緊急制動作用；同時在制動過程中列車管不排風并持續充風到車輛副風缸，機車維持對列車管的補風作用。

設有跨越列車全長的雙芯電纜作為列車電力總線，用于機車向列車所有ECP系統設備提供電源和傳送指令信息，機車實時監測列車ECP系統狀態。

提供幾乎即時的制動指令，實現全列車同步制動、緩解和再制動作用。并具備階段緩解功能。

具備關閉或切除ECP系統作用，可轉為列車傳統空氣制動操作控制模式，具備故障安全導向功能，ECP系統對列車管或列車總線電纜的異常分離等嚴重故障均能做出正確響應，實施緊急制動或常用全制動動作[1]。

1.2 ECP機車設備的組成及主要功能

HXD2F單節機車的ECP設備組成如圖1所示。

圖1 單節機車ECP組成框圖

ECP機車控制裝置安裝在機車內控制管理列車電空制動系統的控制裝置，由電空制動控制器(ECP手柄)、電空制動顯示屏(ECP顯示屏)、列車制動控制單元(包括ECP電源、ECP主機、ECP事件記錄器)等設備組成，主要功能如下：

(1) 提供操縱列車電空制動系統的人/機界面；

(2) 顯示數據和信息，發送制動指令；

(3) 提供控制信號接通或關斷列車總線電源、啟動或關閉車輛控制裝置；

(4) 提供與機車相關系統的接口；

(5) 含有機車特性數據信息，包括機車車號、機車類型、機車長度、機車質量、軸數、緊急制動時制動率、機車參考方位等。

2 ECP設備裝車及電氣連接

2.1 操縱臺設備安裝

由于機車操縱臺正面位置已布滿機車操縱及顯示設備，為滿足機車乘務員操作ECP制動系統時的需要，在操縱臺右側位置選擇安裝ECP系統用顯示器。通過在副司機臺面板上開孔并安裝一個支架，將ECP顯示屏安裝在支架上，面向機車機務員，使乘務員在操作ECP制動時方便觀察。副司機臺臺面上共開4個安裝孔，支架通過安裝孔與操縱臺骨架連接，見圖2。

圖2 ECP顯示器加裝圖

顯示屏的連接電纜通過儀表臺后部出線孔進入操縱臺內部，再從機車布線進入到無線電臺柜內見圖3所示。

圖3 ECP顯示器進線示意圖

ECP制動系統操作手柄安裝于操縱臺上，在操縱臺骨架開孔進行加裝。在操縱臺骨架側面開4個安裝孔，ECP手柄安裝在安裝盒上，將ECP手柄安裝盒固定在操縱臺上。為了ECP手柄連接電纜能夠方便進入操縱臺內部，做一個試驗用操縱臺左門，此門上半部分削掉，便于進線，ECP手柄的連接電纜通過操縱臺左門進入到操縱臺內，再隨同操縱臺的布線從機車布線進入到安裝其他ECP機車設備的無線電臺柜內，見圖4。

圖4 ECP手柄加裝圖

本次ECP設備裝車是在機車已經完成組裝后進行加裝的，對于司乘人員需要控制更多的操作設備，后續可以將ECP顯示屏與制動顯示屏集成，ECP手柄與自動制動控制器集成。

2.2 無線電臺柜內設備安裝

ECP系統主機、ECP列車線電源及系統事件記錄器集成安裝在無線電臺柜的第2層。

線纜從機車布線經無線電臺柜上端進線口進入到無線電臺柜內，沿柜內部兩側的扎線孔連接到ECP系統主機，見圖5。

圖5 ECP主機加裝圖

2.3 ECP制動系統車端連接器安裝

ECP制動系統車端連接器安裝于機車端部，位于列車管折角塞門上部，通過加裝采用支板過渡固定，如圖6所示。

2.4 ECP系統設備電氣連接

圖6 ECP車端連接器加裝圖

機車與ECP制動系統的電氣接口包括硬線接口和網絡通訊接口。

(1) 硬線接口，采用原有的機車與制動系統的硬線接口，同時機車向ECP設備提供兩路電源，電源最大功率為2.5 kW。當ECP系統在投入運行模式時進行切換，由ECP系統接管，而ECP系統僅向機車控制單元輸出牽引切除及緊急制動硬線信號。

(2) ECP設備與機車通過MVB網絡進行通信，ECP作為一個新的節點接入機車MVB網絡，網絡通信速率為1.5 Mb/s，傳輸介質為EMD。

3 ECP設備安裝后的調試與動態試驗

3.1 設備調試

ECP系統于2014年3月在同車公司內完成HXD2F 0001 機車設備安裝，該機車最終在4月初完成驗收并到達新鄉機務段長子南折返段，準備在瓦日重載鐵路通道進行綜合性能試驗。

出廠之前，中國鐵道科學研究院的技術人員和同車公司有關人員一同完成了系統上電并試運行，機車雙節ECP系統狀態均良好。系統初始化、運行及其他模式設置，對列車編組輛數、控制車、制動定壓等設置均正常。ECP列車線電源及電源控制器動作正常，操縱ECP系統制動手柄，制動指令的下發及顯示均在在顯示屏上能反映出來，圖7為系統上電顯示界面。

圖7 系統上電顯示界面

3.2 瓦日鐵路通道線路測試

3.2.1試驗概述

瓦日重載鐵路通道于2014年12月30日正式開通，是我國第一條以30 t軸重標準建設的重載鐵路。裝有ECP電控空氣制動系統的30 t軸重重載列車動態試驗在瓦日線的長子南站(含)～平順站(含)區段進行，試驗從2014年9月起結合瓦日鐵路通道重載綜合試驗計劃安排，開始進行列車電空制動系統靜態調試工作。

在初步完成5 000 t列車ECP系統的調試后，2014年10月首次進行由同車公司HXD2F 0001 機車牽引編組42輛5 000 t列車電空制動動態性能試驗，試驗列車最高運行速度80 km/h，試驗進行了常用全制動、循環制動、階段緩解、低速緩解以及緊急制動等試驗，試驗達到預期效果。

2014年12月，開始電空制動系統正式現場試驗，試驗分靜態試驗和動態試驗，試驗列車質量分別為8 000，10 000，12 000 t，列車編組形式為：

8 000 t試驗列車編組：HXD2F 0001(HXD1F 0001)+WX25G999330+66輛C96貨車(8 000 t)+HXD2F 0002(HXD1F 0002)。

10 000 t試驗列車編組：HXD1F 0001+WX25G999330+84輛C96貨車(10 000 t)+ HXD2F 0002+HXD1F 0002。

12 000 t試驗列車編組：HXD2F 0001+HXD1F 0001+WX25G999330+100輛C96貨車(12 000 t)+ HXD1F 0002+ HXD2F 0002。

試驗列車分別按列車管定壓500 kPa 和600 kPa進行試驗[3]。

3.2.2靜態試驗

靜態試驗的主要內容包括：

(1) 列車初充氣時間。

(2) 列車制動系統漏泄。

(3) 常用制動及緩解性能：按制動百分比分別為15%、30%、50%、80%、100%和緊急制動指令進行，僅進行重車狀態工況。

(4) 階段制動性能。

(5) 緊急制動和緩解性。

(6) 循環制動性能、壓力保持性能與再充氣時間。

(7) 制動/緩解同步性性能。

(8) 模擬列車斷鉤保護性能。

(9) ECP系統的故障監測試驗。

由于制動指令是基于時間來決定其制動百分比的，因此對制動指令的最終目標解析成制動百分比需要一定的時間，不同比例常用制動工況的響應時間約為1.5～2.7 s。每個車輛基本同時接收到制動指令并執行，制動同步性很好，對于每一次制動試驗，各車的制動動作都基本在同一時間開始。

表1和表2分別為HXD2F機車牽引8 000 t列車的靜態ECP試驗時的制動同步性和制動缸壓力數據，列車管定壓600 kPa。

表1 8 000 t ECP制動同步性試驗數據(HXD2F 0001機車，定壓600 kPa)

表2 8 000 t ECP制動缸壓力試驗數據(HXD2F 0001機車，定壓600 kPa)

在8 000 t列車編組模式下還進行了ECP制動系統模擬故障監測試驗，通過人為設置ECP故障，ECP系統能夠判別這些故障并在顯示屏上給出提示以及自動實施對應的處理措施。

HXD2F 0001機車操縱ECP系統靜態試驗結果達到了預計目標，為動態試驗提供了依據。

3.2.3動態試驗

2014年12月～2015年1月在瓦日重載通道長子南至平順區間進行ECP制動系統動態試驗，分別完成了8 000 t列車、10 000 t列車和12 000 t列車動態運行試驗。

(1) 長大下坡道的循環制動試驗

試驗區間K556+500→K586為連續30 km的長大下坡，最大坡度為-13‰。

列車使用ECP制動系統操縱重載列車在長大下坡道運行時，由于在制動過程中，列車管仍然在向副風缸充風，使列車的再制動能力顯著提升，并且ECP制動系統具有階段制動和階段緩解功能，列車操縱靈活方便，在列車操縱過程中，可以適當控制列車速度，提高重載列車在長大下坡道的旅行速度。

(2) 常用和緊急制動停車試驗

試驗列車分別為8 000 t編組、10 000 t 編組和12 000 t編組，并分別按列車管定壓500 kPa 和600 kPa進行試驗，試驗區段包括平直道和長大下坡道，試驗初速度分別為80 km/h和100 km/h。

試驗結果表明：ECP制動系統能大幅度縮短列車制動距離，其中ECP常用全制動較傳統空氣制動縮短制動距離30%～40%，ECP緊急制動較傳統空氣制動縮短制動距離約10%。

4 結束語

HXD2F大功率交流傳動30 t軸重電力機車安裝使用由中國鐵道科學研究院研制的ECP電空空氣制動系統，并在瓦日重載鐵路通道完成了ECP動態及相關試驗，試驗數據全面，列車運行安全平穩，機車乘務員反應良好，試驗結果表明：

(1) HXD2F機車安裝ECP電空制動系統技術方案可行，并且ECP制動系統能與機車其他設備兼容并相互配合協調。

(2) HXD2F機車安裝ECP電空制動系統后的各項性能指標滿足設計任務書的要求，ECP系統的安裝不影響機車其他設備的運用。

(3) HXD2F機車操縱列車ECP制動，其綜合制動性能反映出列車制動、緩解的完全同步，并且列車在制動過程中的始終充風，提高了列車制動性能和再制動能力，降低了列車縱向沖擊，對重載列車的安全運行提供了技術保障。

(4) 重載列車ECP制動性能使得機車乘務員操縱更為簡單、有效，對重載列車提速具有現實意義。