機車制動控制系統冗余設計研究

葛汝博 劉云龍 呂梟 侯化安 朱冠汶 張杰家 何遠航

摘? 要：機車制動控制系統作為軌道交通機車車輛的關鍵核心子系統，提升制動控制系統的可靠性和可用性至關重要。開展冗余設計是提升機車制動控制系統可靠性和可用性的重要方法，該文從功能、系統和機車3個層面上梳理當前國內各型機車制動控制系統的冗余設計原理，有助于后續制動控制系統設計和優化改進。

關鍵詞：機車；制動控制系統；冗余設計；故障導向；功能

中圖分類號：U260.35? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）08-0098-04

Abstract： As the key subsystem of locomotive， it is very important to improve the reliability and availability of locomotive braking control system. Redundancy design is an important method to improve the reliability and availability of locomotive braking control system， in this paper， the redundancy design principle of the current domestic locomotive braking control system is reviewed from three aspects： function， system and locomotive， which is helpful to the design and optimization of the subsequent braking control system.

Keywords： Locomotive; brake control system; redundancy design; fault guidance; function

作為軌道交通機車車輛的關鍵核心子系統，如何提升制動控制系統的可靠性和可用性至關重要，研究人員對此作了大量的試驗和研究，除了不斷提高系統各部件自身的可靠性外，開展制動控制系統冗余設計是一種重要方法。

國內機車制動控制系統經歷了從純機械空氣制動控制系統，到基于繼電器的電空制動控制系統，再到基于微機控制的電空制動控制系統，以及當下最先進的分布式網絡智能模塊制動控制系統的多年發展，在此過程中，研究人員學習和積累了豐富的冗余設計經驗，推動了制動控制系統的不斷優化與改進，極大地提高了制動控制系統的可靠性和可用性。

本文對我國主型機車制動控制系統功能原理進行了研究與梳理，分別從功能、系統和機車3個層面，介紹了不同制動控制系統的冗余設計方法。

1? 系統概述

機車制動控制系統主要由制動顯示屏、制動控制器和制動柜等部件組成，如圖1所示。

制動顯示屏作為制動控制系統的人機交互部件，可實時顯示制動控制系統的狀態信息、完成系統模式設置，并提供單機自檢、事件記錄和傳感器校準等診斷功能。

制動控制器作為制動控制系統的主要操縱部件，可將手柄的閘位信息轉換為相應的制動指令，并發送給其他制動部件。

制動柜是制動控制系統的主要控制與執行機構，負責完成系統邏輯運算、壓力控制等，按照功能可以劃分為均衡風缸控制、列車管控制、制動缸控制等，最終實現單獨制動、自動制動和緊急制動等功能。

目前，我國交流傳動機車主要裝用克諾爾公司CCBⅡ[1]、法維萊Eurotrol、株機公司DK-2[2]、四方所JZ-8[3]和鐵科院CAB-A[4]和中車制動CAB-B制動控制系統。

2? 功能級冗余

功能級冗余是指制動控制系統內部某個功能的冗余設計，當常用部件功能失效時，冗余部件可投入工作，保障該功能不受影響。

本節主要就機車制動控制系統的自動制動功能、緊急制動功能、單獨制動功能和其他功能的冗余設計進行梳理和說明。

2.1? 自動制動功能

自動制動功能指的是制動柜響應制動控制器自動制動手柄閘位指令，輸出列車管壓力和機車制動缸壓力，因此，該功能的冗余設計主要針對列車管壓力和機車制動缸壓力控制兩個方面，功能實現邏輯如圖2所示。

（a）? 制動柜

（b）? 制動控制器? ? ? ? ? ? （c）? 制動顯示屏

2.1.1? 列車管壓力控制冗余設計

自動制動時，制動控制單元通過控制均衡風缸充排氣電磁閥進而控制均衡風缸壓力，通過列車管中繼閥最終實現列車管的制動與緩解。

在列車管控制過程中，均衡風缸控制至關重要，大部分機車制動控制系統對均衡風缸控制進行了冗余設計，但在實現方式上存在差異。

Eurotrol、JZ-8和DK2型機車制動控制系統通過設置均衡風缸充排氣電磁閥實現冗余控制[5]；CCBII和CAB型制動控制系統則通過其他的智能模塊進行均衡風缸冗余控制。其中，在CCBII制動控制系統中，負責均衡風缸壓力控制的均衡風缸模塊（ERBU）故障時，制動缸控制模塊（16CP）進行備用；在CAB-A制動控制系統中，負責均衡風缸壓力控制的列車管模塊（BPCM）故障時，輔助功能模塊（ACM）進行備用；在CAB-B制動控制系統中，負責均衡風缸壓力控制的列車管模塊（BPCM）故障時，制動缸模塊（BCCM）進行備用。

2.1.2? 機車制動缸壓力控制冗余設計

自動制動時，制動控制單元根據列車管壓力控制電子分配閥，進而控制自動制動預控壓力，通過制動缸中繼閥最終輸出制動缸壓力。為了保證機車自動制動預控壓力的有效輸出，當前國內各型機車制動控制系統的分配閥模塊均實現了電子分配閥和機械分配閥的冗余配置。正常情況下，系統采用電子分配閥輸出制動缸預控壓力；當電子分配閥控制故障時，制動控制系統自動切換至機械分配閥輸出制動缸預控壓力，保證機車自動制動預控壓力地有效輸出。

2.2? 緊急制動功能

緊急制動功能是機車制動控制系統的安全底線，可響應多路緊急制動指令，快速排空列車管壓力并輸出機車制動缸壓力。因此，該功能的冗余設計主要針對列車管壓力和機車制動缸壓力控制2個方面。

2.2.1? 列車管排空控制冗余設計

各型機車制動控制系統均對緊急制動列車管壓力排空控制進行了冗余設計，功能設計結構如圖3所示。

在電氣設計上，通過緊急環路設計，確保網絡緊急、制動控制系統控制緊急與機車硬線控制緊急冗余輸出緊急制動控制指令；氣路設計上，一方面通過設置2個緊急電磁閥，冗余控制緊急氣控閥打開列車管排大氣通路，另一方面通過快速排風閥，加大列車管排風速度；另外，車長閥同樣提供了列車管排大氣通道。

另外，制動控制器部件觸發緊急制動時，自動制動手柄緊急位設置了緊急排風通道，最大限度保證了緊急時列車管壓力的快速排空。

2.2.2? 機車制動缸壓力控制冗余設計

緊急制動時，各型制動控制系統除了2.1所述的制動缸壓力冗余設計外，還采用了緊急增壓輸出實現了進一步冗余，該通路由總風管經450 kPa減壓閥直接輸出作為機車制動缸（預控）壓力，保障了緊急制動時機車制動缸壓力的有效輸出。

2.3? 單獨制動功能

單獨制動功能指的是制動柜響應制動控制器單獨制動手柄閘位指令，輸出機車制動缸壓力。單獨制動時，單獨制動手柄發出單獨制動控制指令，制動控制單元根據單獨制動控制指令控制電磁閥，進而控制單獨制動預控壓力輸出制動缸壓力。

Eurotrol、JZ-8和DK2型機車制動控制系統未對單獨制動功能進行冗余設計，當單獨制動故障時，可以切除單獨制動功能，采用自動制動維持運行；CCBII和CAB型制動控制系統則通過其他的智能模塊進行單獨制動冗余控制。其中，在CCBII制動控制系統中，負責單獨制動壓力控制的平均管控制模塊（20CP）故障時，制動缸控制模塊（16CP）進行備用；在CAB-A和CAB-B制動控制系統中，負責單獨制動壓力控制的單獨制動模塊（IBCM）故障時，制動缸模塊（BCCM）進行備用。

2.4? 其他功能級冗余設計

除了上述冗余設計外，部分制動控制系統還從以下幾個方面實現了冗余設計，見表1。

1）系統供電層面，采用雙電源冗余設計，單電源故障不影響系統使用。

2）網絡架構層面，采用雙CAN冗余設計，極大地提升了網絡通信可靠性。

3? 系統級冗余

系統級冗余是指單節機車多個制動控制系統間的冗余設計，通常為電空制動控制系統和純空氣制動控制系統的冗余。當電空制動控制系統故障時，純空氣制動控制系統可投入使用，保證機車正常運營。

當前，主流機車上常見的制動控制系統為微機控制電空制動控制系統和分布式網絡智能控制電空制動控制系統，它們均屬于電空制動控制系統。部分車型為了保證制動控制系統的有效性，在常用電控制動控制系統系統的基礎上，同時配置了空氣后備制動控制系統。當電控制動控制系統出現故障且短時間無法恢復正常時，可將機車電控制動控制系統斷電，并投入空氣后備制動控制系統，實現了常用電控制動控制系統和空氣后備制動控制系統的冗余[6]。

空氣后備制動控制系統是一種純空氣制動控制系統，主要由后備制動閥、調壓閥（可集成在模塊中）、轉換塞門、后備均衡風缸、中繼閥及壓力顯示裝置等部件組成，方案如圖4所示。

其中，后備制動閥具有控制后備均衡風缸壓力的能力，可使后備均衡風缸充氣、保壓或排氣；調壓閥用于調整后備制動啟用時后備均衡風缸的整定壓力；轉換塞門可控制空氣后備制動控制系統的投入或切除，同時把塞門的狀態以電信號形式傳送給機車。

目前，系統級冗余設計已在CR200J型動力集中動車組、HXD2機車等廣泛使用，極大地提高了制動控制系統的可靠性和可用性。

4? 機車級冗余

機車級冗余是指兩節機車制動控制系統間的冗余設計，通常當操縱節機車制動控制系統故障時，非操縱節機車制動控制系統可投入使用，保障機車正常運營，如圖5所示。

在常用模式下，操縱節機車的指令轉換器接收制動控制器位置信號，通過CAN網絡將位置指令發送到操縱節制動控制單元BCU，此時操縱節的司機制動閥根據BCU的控制指令，實現列車管的制動和緩解。操縱節的制動柜通過兩節機車之間的空氣管路連接，控制非操縱節機車的列車管和平均管壓力。

當操縱節制動柜出現設備故障導致列車管壓力無法正常控制時，通過制動屏設置（向BCU發送備用制動轉換信號）和平均管塞門轉換（制動柜切換空氣管路控制），將操縱節制動柜上用于均衡和列車管壓力控制的司機制動閥進行切除，轉換為由非操縱節制動柜的司機制動閥進行均衡和列車管壓力的控制，同時平均管也轉換為由非操縱節制動柜的分配閥輸出壓力進行控制，制動控制系統轉換為備用模式[7]，如圖6所示。

在備用模式下，操縱節的司機制動閥由遮斷閥控制切除，操縱節機車的指令轉換器接收制動控制器位置信號，通過CAN網絡將位置指令發送到非操縱節制動控制單元BCU，非操縱節的司機制動閥根據BCU的控制指令，實現列車管的制動和緩解。非操縱節的制動柜通過兩節機車之間的空氣管路連接，控制操縱節機車的列車管和平均管壓力，完成制動控制系統的相關功能，最大程度上保證了機車制動控制系統的正常工作。

目前，機車級制動控制系統冗余設計僅出現在HXD2型機車上，該機車由兩節四軸機車重聯形成八軸機車，其中兩節機車內分別配置獨立的制動控制系統，互為冗余。

5? 結束語

本文梳理了國內主型機車制動控制系統在系統功能冗余設計方面的現狀，從功能、系統和機車3個層面介紹了具體的冗余設計原理，有利于后續制動控制系統設計和優化改進，同時也對其他系統設計具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1] 賓睿.基于擴展解析冗余關系的CCBII制動機多故障診斷[D].長沙：中南大學，2014.

[2] 蔣廉華.DK-2型機車電空制動系統的研制[D].成都：西南交通大學，2013.

[3] 王其偉，許豐磊，劉澳，等.JZ-8型機車制動控制系統研制[J].機車電傳動，2018（1）：48-53，56.

[4] 劉璐.CAB-A型空氣制動系統[J].鐵道機車與動車，2019（11）：28-30，6.

[5] 呂梟，王令軍，孫彬，等.HXD3C型電力機車裝用JZ-8型制動控制系統[J].鐵道機車與動車，2016（5）：14-16.

[6] 夏軍，王圣龍，任向杰，等.機車空氣后備制動控制系統及常見故障分析[J].鐵道機車與動車，2020（7）：47-48.

[7] 周浩，王樹海，仝雷.HXD2型大功率交流傳動電力機車空氣管路與制動控制系統[J].機車電傳動，2008（5）：15-18.