CRH380B动车组制动系统分析与改进.docx
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CRH380B动车组制动系统分析与改进
摘要
近些年，我国高速铁路快速发展。
列车运行速度明显提高，如何保障列车安全运行成为重中之重。
对于高速动车组而言，必须采用综合制动系统来保障列车的运行安全可靠性。
而CRH380B型电力动车组（或称CRH-380型），是中华人民共和国铁道部为营运新建的高速城际铁路及客运专线，中国铁道部将所有自行发展关键技术、引进国外技术、联合设计生产的中国铁路高速（CRH）车辆均命名为“和谐号”。
CRH380B型高速动车组采用先进的微机控制直通式电空制动系统，可根据列车的运行速度和载重等情况实现精准和恒减速度的电空合制动联，以提高制动时的平稳性。
众所周知，动车组的制动系统是其不可或缺的环节。
它是动车组快速发展的基本保障，也是动车组安全运营的基石。
对于CRH380B型动车组制动系统关键部位的功能，我们应该做全面的了解与分析，如制动控制单元、司机室控制部分、撒砂模块等。
制动系统是一个整体，但它也是由每个部分组成的。
因此，我们应该整体和部分相结合的了解与分析制动系统。
这样才能发现其中的不足。
只有这样，我们才能分析及优化、改进制动系统。
关键词：
CRH380B动车组；制动系统；分析优化
CRH380B动车组制动系统分析与改进
第1章绪论
1.1研究背景
中国内陆面积宽广，人口众多，幅员辽阔，经济发展与联系的跨度大，需要有一种强而有力的运输方式将整个国家和国民经济联系起来。
铁路作为重要的基础设施，国民经济的大动脉和大众化的交通工具，最显著的特点是运载量大、运行成本低、耗能少，在大流量长距离的客货运输有着绝对优势，也在大流量、高密度的城际中短途旅客运输中具有强大的竞争力。
而高速铁路则是当今时代的主题，动车组制动系统更是重中之重。
CRH380B型电力动车组由中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司、长春轨道客车股份有限公司在CRH3C型电力动车组基础上自主研发的CRH系列高速动车组，也是“中国高速列车自主创新联合行动计划”的重点项目之一，是中国自主研发的动车组。
因此了解与分析其制动系统就很有意义。
1.2研究思路
在对CRH380B型动车组制动系统的优化研究中，我们应该遵循铁路部门制定的相关规定和国家的法律法规，并结合动车运用所的日常工作实际情况。
通过了解与分析动车组制动系统的组成和以及各部分的作用。
联系动车组在日常行驶中，制动系统常见的故障。
通过这些进行系统的了解，分析其中的原因，努力做出相应的改进与优化。
第2章CRH380B动车组制动系统简介
2.1制动简介
（1）人为的使运动的列车减速或停止运动，称之为制动。
除制动的过程称之为缓解，也就是说列车处于无闸的状态。
目前，列车运行速度不断提高，对制动性能提出了更高的要求，否则制动距离不能保证，会严重影响运行安全。
（2）CRH380BL（16辆编组）型动车组共有四套主供风单元（空气压缩机组）和四套辅助风源（辅助空气压缩机），其中主供风单元供的风是可以供给列车所有用风设备使用。
（3）制动系统供风管路分为两种：
一种是总风管，总风管中的风压为10bar，负责为全列车所有需要用风的设备提供压缩空气，如制动、空气弹簧、受电弓、撒砂等装置。
另一种是列车管，列车管中的风压为6bar，主要为制动夹钳供风。
2.2制动系统的基本功能
制动系统可以实现常用制动、紧急制动、停放制动、备用制动等。
（1）常用制动包括电空常用制动和动力制动。
首先在动力转向架上施加动力制动，如果动力制动力不足，再在拖车轴上施加空气摩擦制动；在动力轴的动力制动不能使用时，用空气摩擦制动代替。
（2）紧急制动在紧急制动时，牵引被切断，列车管被快速彻底的排空，电制动、直通电空制动和备用空气制动沉余产生紧急制动。
紧急制动可以通过以下情形产生：
①制动手柄处于紧急制动位；②按下司机室内的紧急制动按钮；③安全装置（ATP）启动或列车断开；④备用制动启动后手柄处于紧急制动位。
⑤列车运行时停放制动被施加或总风缸压力过低。
（3）停放制动转向架上设有足够数量的停放制动缸（弹簧储能式）可保证动车组安全地停放在30‰的坡道上，停放制动为停放制动缸充风缓解，排风制动。
第3章CRH380B动车组制动系统的组成
3.1制动控制单元
制动控制单元（BCU）是制动控制系统中的核心部件，它通过计算对列车实施电气制动及空气制动的控制，此外还具有滑行控制功能。
BCU执行电空常用制动、空气紧急制动和停放制动的控制功能，可对所有必要点进行连接测试，以检测和调整所有必要的压力。
制动控制单元BCU内部由截断塞门模块B06、电空制动控制模块B60、分配阀模块B55和撒砂模块F06组成。
图1制动控制单元原理图
3.1.1截断塞门模块
制动板的空气供应可以通过关闭截断塞门B06.02与B06.03来隔离。
截断塞门B06.02用于直接电空制动的隔离，截断塞门B06.03用于摩擦制动。
表1截断塞门模块各部件的作用表
序号
代号
名称
作用
1
B06-02
预控压力截断塞门
相当于总关门车
2
B06-03
制动风缸压力截断塞门
电气信号由BCU读取
3.1.2电空制动控制模块
电空制动控制模块B60负责制动控制。
压力调节器B60.02将制动控制元件B01的电摩擦制动指令信号调制成相称的预控制压力。
压力调节器配备1个充气电磁阀和1个排气电磁阀。
如果压力调节器发出的信号与要求的压力不符，则由制动控制原件B01控制充气电磁阀或排气电磁阀以达到正确的压力。
表2电空制动控制模块各部件的作用表
序号
代号
名称
作用
1
B60.02
电空转换阀
根据总制动需求指令，在制动控制器控制下实现与动力制动完全混合
2
B60.02-1
充风制动电磁阀
控制制动板中的实际压力
3
B60.02-2
放风缓解电磁阀
4
B60.02-3
压力传感器
控制控制单元中的实际预控制压力阀
5
B60.03
紧急电磁阀
转换到最大R压力紧急制动上
6
B60.04
双向阀
控制空气方向
7
B60.05
空重阀
在载重量的相关变化下限制中继阀的压力
8
B60.06
截断塞门
用于闭锁压缩空气接口压力
9
B60.07
中继阀
EP阀压力变大直接驱动制动缸产生制动力
10
B60.08
开关电磁阀
实现低减速与高减速的相互转换
11
B60.09
压力开关
中继阀上的T-压力
12
B60.11/.23
压力开关
向列车信息管理系统缓解和制动提供信息
13
B60.10
气控阀
用于电制动与空气制动的联锁
14
B60.12
电磁阀
15
B60.13
压力传感器
储风缸压力R
16
B60.14
分配阀的先导压力
17
B60.15
随负载变化而变化的控制压力T
18
B60.16
C压力
19
B60.17
检测套管
直接制动的先导压力Cv
20
B60.18
间接制动的先导压力Cv
21
B60.19
随负载变化的控制压力T
22
B60.20
随负载而修正的先导压力Cv
23
B60.21
储风缸压力R
24
B60.22
制动缸压力
在正常的工作状态下，紧急电磁阀B60.03断开，在压力调节器B60.02的控制下，控制压力通过双止回阀B60.04、空重车调整阀到达中继阀（直接制动回路）。
对于常用制动，负载修正（压力传感器B60.15的信号）通过制动指令信号从制动控制元件传到压力调节器B60.02。
在紧急制动中，电力紧急制动操作系统将会开启，并且紧急电磁阀B60.03开启，因此供风缸B05的压力空气通过双止回阀B60.04流向空重车调整阀及中继阀，开始紧急制动操作。
空重车调整阀根据风动负荷限制中继阀的预控制压力。
在紧急制动过程中需要最大的制动作用力，并且制动缸压力不再继续调节。
为了避免车轮滑动并保证盘式制动器更长的使用寿命，速度在200km/h及以上时使用低减速压力，速度在200km/h以下时使用高减速压力。
低减速压力与高减速压力之间的转换靠电磁阀来实现。
该电磁阀通过允许或切断中继阀控制口的空气供应来实现预先规定的低减速压力或高减速压力，与中继阀的预控制压力无关。
在出现故障的情况下，电磁阀排气，中继阀释放高减速压力。
制动器可以借助制动缸管中带有电开关的截断塞门来实现手动隔离，以隔离制动板并释放空气制动缸压力。
该截断塞门只有在维修时才开启。
此外，制动器还可以通过直接作用于充气电磁阀B60.12的电开关来与制动板隔离，该电磁阀切断制动缸管中活塞阀B60.10的空气供应并释放制动缸压力，以阻止截断塞门及充气电磁阀B60．12的电信号传递给制动控制元件及列车管理系统。
压力开关B60.11给列车管理系统传递制动缓解信息。
压力开关B60.23将此信息传递给制动控制单元。
压力传感器B60.16显示制动缸压力。
3.1.3分配阀模块
分配阀模块主要由分配阀、截断塞门、压力传感器、检测套管等部件构成。
分配阀的作用是:
能根据制动管的压力变化来控制制动的缓解保压。
表3分配阀模块各部件的作用表
序号
代号
名称
作用
1
B55.02
分配阀
随制动管压力的变化，来控制制动作用、缓解作用和保压作用
2
B55.03
截断塞门
切断分配阀中的空气供应
3
B55.04/.05
压力传感器
监控指示列车管和制动管中的压力
4
B55.06
检测套管
检测压力大小
3.1.4撒砂模块
撒沙模块主要由转换塞门、减压阀、、隔离电磁阀、控制电磁阀、检测套管、压力传感器等构成。
撒砂的主要作用是提高车轮与轨道之间的摩擦系数，在端车、IC03、IC06、IC11、IC14的BCU内设置撒砂控制单元，在端车的一轴及IC03、IC06、IC11、IC14的一、四轴设置撒砂管路装置；撒砂模块F06由总风供风，功能包括干燥砂、低压撒砂和高压撒砂；为了优化撒砂量，在车辆速度小于160km/h时采用2.7Bar低压撒砂，在车辆速度大于160km/h时采用6.3Bar高压撒砂。
表4撒沙模块各部件的作用表
序号
代号
名称
作用
1
F06.02
转换塞门
切断空气供应，防止空气泄露
2
F06.03/.04
减压阀
用于调节压缩空气系统中的压缩空气
3
F06.05
隔离电磁阀
控制撒砂装置连接的气流
4
F06.06/.07
控制电磁阀
将压力控制到撒砂装置上
5
F06.08/.09
检测套管
在设备的指定区域检测压力
6
F06.10
压力传感器
测量总风管的压力大小
3.2基础制动装置
基础制动装置分为动车和拖车基础制动装置，动车转向架设置四个常用制动缸，采用轮盘制动方式；拖车转向架设置六个制动缸，包括四个常用制动缸和二个弹簧承载的停放制动缸，均采用轴盘制动方式；常用制动缸充风施加制动，排风缓解制动，停放制动缸充风缓解制动，排风施加制动；每个转向架设置一个加速度传感器和二个位于同侧的单通道速度传感器（动车）和双通道速度传感器（拖车）。
图2转向架气路图
表5转向架各部件的作用表
序号
编号
名称
作用
1
G03/G04/G05
速度传感器
传输速度大小信号到计算机
2
G06
加速度传感器
传输加速度大小信号到计算机
3
D02/D03
制动缸
车辆制动动力来源
4
D04
制动软管
传输制动力
5
D05
制动盘
制动主要部件，用与刹车
6
D07
制动衬垫
防止制动相关部件松动
3.3备用制动
CRH380B动车组的备用制动系统为自动式空气制动系统，在电空控制的直通空气制动无法启动时（故障或救援/送回状态）启用。
备用制动系统启用后，可通过控制制动管的空气压力，来实现列车的制动和缓解；制动管的空气压力变化，可由动车组自身的备用制动控制阀或救援/回送机车控制。
系统启用后，牵引/控制系统手柄的制动控制被切断，电制动也无法使用。
图3备用制动原理图
表6备用制动各部件的作用表
序号
代号
名称
作用
1
C007/1
总风压力测试口
测试总风缸的压力大小
2
C07/2
列车管压力测试口
测试列车制动风管的压力大小
3
C11
均衡风缸
控制制动管的压力大小，从而控制制动力大小
4
C01.05
单向阀
根据均衡风缸的压力大小控制制动管压力大小
5
C01.07
均衡风缸压力测试口
允许气流单向通过
6
C01.06
列车管充风中继阀
把EP阀压力放大直接驱动制动缸产生制动力
7
C01.08
活塞阀
防止空气制动力与停车制动产生重叠，造成制动夹钳过载
8
C01.04
调压阀
把EP阀压力放大直接驱动制动缸产生制动力
9
C01.03
单向阀
测试制动管压力大小
10
C01.02
列车管充风电磁阀
用于操作装置与制动管连接
车辆正常运行时，安全环路建立，列车管充风电磁阀C01.02得电打开，向列车管充风，如绿色箭头所示：
总风管→6Bar调压阀C01.04→单向阀C01.03→列车管充风电磁阀得电（A2和A3通）→列车管
启用备用制动时，需打开截断塞门C14，如蓝色箭头所示：
C14打开→活塞阀C01.08打开（A和P通）；将备用制动手柄置于充风位给列车管充风，如黄色箭头所示：
备用制动手柄置于充风位（1和2通）→均衡风缸C11→中继阀C01.06提供预控制压力Cv，同时总风经红色箭头向中继阀提供风源R，当Cv和R同时被提供，中继阀打开，产生列车管压力C，经过活塞阀C01.08向列车管提供6Bar风源。
3.4停放制动
施加停放制动，采用排风释放弹簧力。
缓解停放制动，采用压缩空气来抵消机械弹簧力。
图4停放制动原理图
表7停放制动各部件的作用表
序号
代号
名称
作用
1
H01.02
调压阀
把输出的压力值调节到设定压力
2
H01.03
停放制动双稳态电磁
施加或缓解用于制动的制动力
3
H01.04
停放制动压力测试口
检测压力大小
4
H01.05
停放制动压力传感器
传送防止车辆移动的信号直到收到弹簧制动器释放信号
5
H10
双向阀
控制气流双向通过
6
H29
停放制动压力
用于车辆停放制动
在所有拖车上设置有停放制动控制单元，足以使车辆在30‰的坡度上稳停靠；停放制动采用弹簧储能制动方式，排风时施加制动，充风时缓解制动，并由制动风缸经由6Bar调压阀H01.02供风，再经双稳态电磁阀控制停放制动的施加与缓解；为了预防停放制动夹钳的机械性负荷过载，再停放制动管路和常用制动管路间设置双向阀H10，当常用制动和停放制动同时施加时，常用制动向停放制动缸充风，使停放制动得到部分缓解。
DVC:
双向阀：
双向止回阀的作用是：
在同时有停放制动和紧急制动时，限制制动夹钳的力（在CRH3型车上移至停放制动缸缸体侧）。
压力传感器（H01.05）的信号可防止动车组在停放制动施加的情况下发生移动，直到停放制动缓解为止。
停放制动指示器安装于车辆的两侧，显示列车的制动和缓解状态。
紧急制动：
施加紧急制动时，牵引和电制动被切断，列车管快速排风，直通制动和备用空气制动冗余产生紧急制动，如常用制动模块B60中红色箭头所示，预控制压力Cv经截断塞门B06.02，→紧急电磁阀B06.03的A2、A3（此时紧急电磁阀得电，A2,A3通），→双向阀的A1、A2→空重车调整阀B60.05（根据空气簧压力调整通风比例）→制动中继阀的Cv处；与此同时备用空气制动产生的预控制压力一起被提供至中继阀的Cv处（备用制动模块B55中的黄色箭头）；制动风源压力通过蓝色箭头经过截断塞门B06.03到达中继阀B60.07的R处。
当制动中继阀B60.07的制动风源压力R和预控制风源压力Cv同时被提供，制动中继阀被打开，产生制动压力C（来自于制动风源压力R）到达制动缸，车辆施加紧急制动。
3.5供风系统
CRH3动车组的主供风系统包含2个供风设备，每套设备主要包括以下部分：
电动空气压缩机单元SL2，一个双塔式空气干燥装置LTZ015，一个具有防冻功能的冷凝水收集器，一个微孔滤油器OEF1-4及有关的辅助设备，为制动系统及其他用风设备提供清洁，干燥的压缩空气。
3.5.1主空气压缩机
图5主空气压缩机原理图
表8主空气压缩机各部件的作用表
符号
名称
作用
A01
主空压机
产生制动压缩空气
A15
冷凝水收集器
收集压缩机压缩空气产生的冷凝水
A04
单向阀
限制压缩空气的流通
A06
安全阀
通过向系统外排放介质主空压机风缸来防止设备内介质压力超过规定数值
14/1
主空压机风缸
储存压缩空气
主空压机位于IC03、IC06、IC11和IC14，每个空压机包括一个传送率为1300L/分的空压机组、一个双塔型干燥器和一个具有防冻功能的冷凝水收集器；主空压机启动后经由单向阀A04、安全阀A06、风缸A14向列车总风管供应10Bar压缩空气
3.5.2辅助空气压缩机
辅助空压机位于TC02、TC07、TC10和TC15车，当总风风压充足时，总风管同时向辅助空压机风缸和车顶高压装置供风。
当总风低于5Ba，车辆无法接通高压时，辅助空压机由DC110V供电启动，向车顶高压装置供风。
图6辅助空气压缩机原理图
表9辅助空气压缩机各部件的作用表
符号
名称
作用
U03.04
单向阀
限制压缩空气的流向
U03.02
辅助风缸压力传感器
测量辅助风缸的风压
U01
辅助空气压缩机
辅助作用
U16
单向阀
限制压缩空气的流向
U03.03
单向滤尘器
过滤空气中的灰尘和水汽
U03.09
升弓压力测试口
测量升弓时风缸压力大小
U10
升弓电磁阀
控制受点弓的升降
U03.08
辅助风缸压力测试口
测量辅助风缸风压力
U03.05
辅助风缸压力表
显示辅助风缸压缩空气的风压
U12
辅助空压机安全阀
控制辅助空压机风压的安全值
U02
辅助风缸
在主风缸发生故障后起作用
U03.06
调压阀
通过控制流过阀的空气流量来调节风压
第4章CRH380B制动系统故障分析及改进
4.1改进的意义
目前国内使用的动车组主要以自主研发的新一代CRH380型动车组为主，其中CRH380B型动车组在各条高铁线上广泛使用，但因制动系统发生故障，造成后续交路动车组晚点，影响运营秩序的情况时有发生。
因此，掌握了常见制动故障，并采用先进的制动控制系统，可以方便我们今后快速处置CRH380B型动车组制动故障，尽快恢复运行秩序。
4.2列车常用制动失效分析
图7列车常用制动指令图
通过图7分析可以发现，BCU响应并执行了ATP的最大常用制动指令，而通过制动手柄施加常用制动失效。
在常用制动失效后的停车过程中，司机的制动手柄指令已通过MVB有效传输至CCU，而在BCU响应和执行ATP的最大常用制动指令时，列车实际减速度明显比设计值偏小。
由此可以判断:
（1）TBM发送至MVB网络的列车制动力指令正常；
（2）TBM内部将常用制动手柄指令转化为列车常用制动指令的控制功能出现异常；（3）TBM内部汇总的空气制动力实际值异常；（4）主控单元的SBM发送至MVB网络的单元13制动指令异常。
也即造成列车常用制动失效的主要原因是常用制动指令在TBM内部通讯发生异常。
4.2.1CB09A板卡操作系统的结构
图8CB09A板卡操作系统任务分配图
由图8可知，常用制动指令与MVB的通讯均由CB09A板卡实现，其中涉及的异常数据均属于CB09A板卡中500ms时间周期任务.
CB09A板卡具有MVB通讯接口和控制部分系统制动功能，其控制是基于具有高优先级的运行时间周期（10ms，20ms，50ms，100ms）进程或是由事件触发来开始。
此外，它还有一个更长的500ms的时间进程。
具有高优先级的运行时间周期（10ms，20ms，50ms，100ms）通过操作系统所谓的“红色”部分控制，事件触发进程和500ms进程则通过操作系统所谓的“蓝色”部分控制（见图10）。
为更加优化地处理优先权，操作系统内这两部分的调度程序通过不同的方式来实现。
500ms周期相关的计数器用于操作系统的蓝色部分，以便在蓝色系统中产生一个循环事件来触发进程。
具有高优先级的运行时间周期（10ms，20ms，50ms，100ms）独立工作，与其没有任何关系。
图8CB09A板卡内操作系统的任务分配示意图BCU中的CB09A板卡内部处理周期为500ms的任务是通过CB09A板卡内部基础软件的操作系统进行调度和管理的，造成CB09A板卡通讯异常的原因可能是500ms周期任务被冻结，其功能不再运行，传输给MVB网络的数据将不再被更新。
4.2.2500ms周期任务被冻结的原因分析
对故障CB09A板卡的深层调查分析显示，500ms时间片段的操作时间计数器总是在4294967s（即49天）时停止。
即BCU的休眠模式未能有效对BCU复位，其时间记录超过49天后，对应500ms周期调度任务的内部计数器溢出，从而导致500ms周期任务无法执行。
对其进行深入分析研究后，发现500ms周期相关的计数器被冻结是一个征兆。
该计数器被定义为32位的变量，意味着最大范围为4294967296ms，也即49.7天。
（1）系统运作钢轨打磨车组1号车的相关信息，该计数器达到它的最大值时，内部计算由于溢出而故障，那么500ms的时间片段不能被重新触发。
该失效机理对其他的时间片段没有影响，例如100ms的循环。
冻结的500ms时间片段导致EBCU内受到影响的通道关闭，造成司机的常用制动要求在所有车上都没有得到处理，常用制动性能降低。
CB09A板卡中500ms时间进程的内部计数器通常不会达到最大值，因为通过在停车线对列车强制断电将激活BCU休眠功能，制动控制单元内部将实现循环切断和重设。
制动控制单元一旦被切断，那么内部的计数器就会被重设为0。
只有2个原因可能导致计数器达到最大值：
一是车辆在49天内蓄电池没有断电；二是用于保证自动断电、重启的内部休眠功能故障。
经过试验验证，发现BCU无法进入休眠状态。
按照正常操作，BCU休眠功能没有启动并且制动控制设备总是处于开机工作状态。
分析发现是CB12A板卡阻止了BCU的休眠功能。
CB12A板卡仅提供以太网的维护接口，并没有参与制动控制逻辑，因此在设计断电功能时，没有考虑到其对休眠功能的影响。
CB12A板卡持续发送Power_On信号，使得BCU一直处于开机模式，无法激活休眠功能，
如图11所示：
图9BCU休眠控制图
图9BCU的休眠控制通过故障再现和试验验证，造成制动手柄施加的常用制动失效的根本原因是:
①CB09A板卡的500ms周期计数器在49天后溢出；②CB12A板卡的休眠功能故障。
4.3技术解决方案
4.3.1处理等级
提高制动手柄和常用制动信号的处理优先级通过升级软件，将CB09A板卡中制动手柄控制和最大常用制动信号等由500ms时间周期的触发任务调整为优先级更高的100ms时间周期任务;从而提高了制动手柄控制和最大常用制动信号的优先级。
CB12A板卡休眠控制功能通过更新软件，使得CB12A板卡不再阻止EB-CU的休眠功能。
完善常用制动指令传输监测和冗余。
对软件进行修改，当CB09A板卡内计数器出现，溢出时触发生命信号异常。
在生命信号异常的情况时，自动地进行BCU的主从冗余转换。
4.
升级会员 