制动试验在CRH380CL型动车组上的运用

刘芳铭， 刘 静， 亢 磊

(中车长春轨道客车股份有限公司， 长春 130062)

目前，我国的动车组正朝着高速化、自动化、舒适度方向不断发展，随着“复兴号”中国标准动车组在京沪高铁以350 km/h的速度运营，说明高铁技术正在走向成熟，高速动车组的制动系统作为核心技术之一，其可靠性和安全性直接影响高速动车组的行车安全，高速动车组在正式投入运营任务之前必须进行制动系统的系统化自检和人机配合试验检查，保证动车组运营前制动系统的安全、可靠。以成熟的新一代的“和谐号”动车组CRH380CL型动车组为例，通过制动试验项点的控制过程、检测步骤及控制策略介绍制动试验在该动车组上的运用情况，为后续新型动车组和“复兴号”中国标准动车组的设计升级提供相关设计经验，也为动车组维护人员提供制动试验的相关参考和运用维护依据。

1 制动试验内容

1.1 试验分类

CRH380CL型动车组制动试验分为自动制动试验(ABT)和菜单引导制动试验(MBT)，自动制动试验和菜单引导制动试验均根据制动系统和列车网络系统CCU之间网络接口协议按步骤对各项制动系统功能进行逐一制动控制逻辑、相关空气控制阀及空气管路的性能验证。

自动制动试验是通过HMI司机显示屏将动车组设置进入自动制动试验模式后，制动系统根据设定好的控制步骤自行进行功能测试，测试内容及项点全面，全方位检验制动系统的正确性和安全性。

菜单引导制动试验是通过司机配合操作司机室指令设备按照设定好的HMI显示屏的菜单引导指示说明内容进行试验，保证制动系统主要功能的完整性和正确性。

1.2 自动制动试验项点

自动制动试验期间主要进行下列制动试验项点的测试，测试过程完全由制动制动按设定控制逻辑自动完成：

(1)总风管(MRP)贯通性试验；

(2)空压机试验；

(3)列车管(BP)泄漏试验；

(4)包括高/低压方式的直通制动试验；

(5)防滑试验；

(6)列车管(BP)贯通性试验；

(7)间接制动试验；

(8)紧急制动排风阀和充风阀的功能试验；

(9)单车制动控制单元(BCU)对停放制动监控回路断开控制试验。

1.3 菜单引导制动试验项点

菜单引导制动试验期间，司机通过HMI显示屏可选择性的进行下列试验项点的测试：

(1)直通制动试验；

(2)紧急制动试验；

(3)总风管(MRP)贯通性试验；

(4)列车管(BP)泄漏试验；

(5)间接制动试验；

(6)列车管(BP)贯通性试验。

2 制动试验接口及控制原理

2.1 制动系统网络控制架构

CRH380CL型动车组为16辆编组列车，8辆动车、8辆拖车，制动系统各制动控制单元(BCU)通过先进、可靠及成熟的TCN网络单独成网通讯，8辆车组成一个MVB控制通讯单元，全列两个MVB总线单元之间通过WTB总线进行通讯，制动系统各控制功能采用分层级控制模式，制动力采用全列混合控制模式，制动系统与列车网络中央局(CCU)通过RS485总线进行通讯，CCU与HMI显示屏通过列车网络ATI总线进行通讯。制动系统主要分为3层级实现制动控制的管理，分别为列车制动管理TBM、单元制动管理SBM 和本地制动管理LBCU，具体制动系统网络控制架构及设备组成参见图1所示。

(1)TBM由占用端头车BCU担当且BCU1和BCU2冗余，主要承担制动管理、主供风单元管理、制动试验和制动管充风管理，实现对自动制动试验(ABT)、菜单引导制动试验(MBT)的控制，控制充风电磁阀得电，实现总风管对制动管进行充风。

(2)01车、16车的制动控制单元BCU分别作为SBM进行本MVB单元的管理，负责通过MVB收集本单元内每个EBCU最大可用空气制动力和实际空气制动力、电制动可用性和实际电制动力、车重等信息，汇总后通过MVB/WTB 向TBM 进行上报，同时接收TBM 通过MVB/WTB 发送的制动指令，并通过MVB 发送至本MVB单元内各EBCU，动车的EBCU通过硬线将指令发送至TCU。

(3)LBCU由各车EBCU担当，实现对本车的制动控制、防滑控制、故障诊断和本车制动试验控制等功能，负责计算本车最大可用空气制动力和实际空气制动力等，通过MVB发送至SBM，同时接收SBM发送的制动指令，进行本车的制动管理和试验管理。

2.2 自动制动试验(ABT)

2.2.1自动制动试验制动系统分级控制接口及功能

(1)ABT的TBM与CCU的接口及TBM功能

CRH380CL型动车组TBM与CCU之间通过RS485总线进行通讯，在ABT开始时，司机通过触摸式HMI显示屏选择激活“自动制动测试”(见图2)，CCU通过冗余的网络协议指令“开始ABT测试”给TBM，TBM接收到该指令并延时15 s会将“ABT激活”信号置为1并保持至ABT结束后重置为0，同时会通过一个5 s脉冲信号激活“ABT开始”信号，SBM通过MVB/WTB接收“ABT激活”和“ABT开始”信号后开始控制相应的MVB单元内的各车LBCU执行制动试验相关指令，具体时序图见图3；在试验过程中，CCU会发送试验终止信号命令TBM终止ABT试验；在试验结束时，TBM会将最终ABT的试验结果和故障信息发送至CCU显示试验结果和试验故障信息，当CCU主动中断ABT时，TBM会根据CCU的信号终止ABT试验，并显示试验结果失败，具体见图4所示。

图2 HMI司机显示屏自动制动测试按键

图3 ABT开始时的时序图

图4 TBM结束或中断ABT的时序

图5 CCU中断ABT的时序

(2)ABT的TBM与SBM的接口及SBM功能

在ABT开始时，占用端作为TBM和SBM的头车BCU以及非占用端作为SBM的尾车BCU会识别自己在上一次的ABT中是否已经担任了TBM或SBM，此时BCU会根据冗余BCU的状态来进行TBM和SBM的功能转换，将上次未作为TBM和SBM的冗余BCU作为本次ABT过程中的TBM和SBM。具体转换过程参见图6所示。

图6 主从转换时序

在ABT试验过程中，SBM通过MVB/WTB接收来自TBM的开始和终止ABT指令；接收来自TBM的实际试验步骤命令信号；将各车BCU反馈的各步试验结果反馈给TBM。

(3)ABT的SBM与BCU的功能接口及LBCU功能

在试验开始时，SBM会将来自TBM的开始和终止ABT指令发送给本单元内的各车BCU；在试验过程中，SBM会将来自TBM的实际试验步骤的命令信号发送给本单元内的各车BCU；各车BCU执行相关测试，并将各车每项试验的试验结果反馈给SBM。

LBCU连接相关压力传感器、压力开关并通过触发器激活相应电磁阀进行工作，并根据ABT试验步骤要求进行下列单车功能的测试：

①包括高低阶压力转换的施加和缓解常用制动测试；

②直通制动的施加和缓解测试；

③带停放功能车辆的环路断开测试；

④单车控制的防滑功能测试；

⑤本车压缩机的启停测试。

2.2.2自动制动试验控制步骤及策略

2.2.2.1 ABT试验顺序

ABT各项制动试验根据系统控制策略，按照设定好的顺序依次进行制动系统的各功能测试，ABT的试验步骤如图7所示。

2.2.2.2 ABT各项试验控制策略

(1)总风管(MRP)贯通性试验：总风贯通性试验时，TBM通过发送若干次的常用制动的施加和缓解将总风压力降低至870 kPa，并控制激活编组车辆中的1台空压机启动，检测在规定2 min内，总风压力上升至少30 kPa。该项试验会按照图5所示顺序执行，直到编组内所有4台空压机(03、06、11、14车)全部测试完毕。

(2)为缩短ABT试验的时间，列车管(BP)泄漏试验、直通制动试验、防滑测试这3项试验同时进行，互不影响。

①列车管泄漏试验：TBM控制将总风向列车管充风电磁阀失电，保持列车管不充风也不排风，在1 min内列车管风压不得下降6 kPa。

图7 ABT试验步骤

②直通制动试验：ⓐTBM发送1A级别常用制动指令，SBM将1A级别制动指令发送至各车BCU，各车BCU施加1A级别常用制动，并根据要求将高低阶压力控制转为低阶压力，检测本车制动缸压力是否在规定范围内，TBM缓解1A级别制动，各车BCU控制1A级别制动缓解，并检测本车制动缸的缓解压力是否<20 kPa；ⓑTBM发送最大常用制动指令，SBM将最大常用制动指令发送至各车BCU，各车BCU施加最大常用制动，并根据要求进行低阶压力控制和高阶压力控制，并检测相应制动缸压力是否在规定范围内，TBM缓解最大常用制动，各车BCU控制最大常用制动缓解，并检测本车制动缸的缓解压力是否<20 kPa。

③防滑测试：主要对防滑控制单元内的主处理器(CPU)和监控失效安全处理器(MPU)进行进行检测，检测CPU的防滑控制功能和MPU对防滑阀排风时间的超时安全断电功能，保证防滑功能的有效性和安全性。

(3)列车管(BP)贯通性试验：在该项试验中，还包括列车管BP的无故充风测试和间接制动试验。

①列车管贯通性试验：TBM给CCU发送指令，要求CCU通过网络指令激活尾车列车管紧急排风阀No.5排风，同时切断列车管充风电磁阀电源，实现列车管排风功能，TBM通过头尾车BCU反馈的列车管压力，判断动车组头尾列车管压力是否在30 s内均降低至200 kPa以下。

②列车管BP的无故充风测试：在列车管贯通性试验结尾时进行，在不激活列车管充风电磁阀的条件下，关闭头尾车紧急制动电磁阀No.5的排风，检测列车管在20 s内压力不能上升>20 kPa。

③间接制动试验：在列车管排风后，单车BCU会检测直通制动预控压力是否为缓解压力和间接制动预控压力是否为紧急级别压力，并判断制动缸压力是否达到紧急制动级别的压力值，随后TBM控制列车管充风至定压600 kPa，本车BCU判断单车空气制动是否在1 min内减小至20 kPa以下缓解，列车管压力是否达到定压600 kPa范围。

(4)间接制动紧急排风阀No.5测试：TBM向CCU发送激活头车No.5电磁阀实现对列车管的排风，然后进行列车管充风控制；TBM再向CCU发送激活尾车No.5电磁阀实现对列车管的排风，然后再进行列车管充风。SBM检测列车管在10 s内是否排风至200 kPa以下的排风速度。

(5)停放制动监控环路(PBML)、紧急制动环路(EBL)断开试验：在列车管充风至定压时，TBM通过指令要求带停放车辆(02、07、10、15车)的BCU依次通过内部继电器控制输出PBML断开指令，同时通过列车环路电路断开EBL，对断开环路状态进行检测。

(6)计算制动有效率，在ABT上述所有试验项点完成后，TBM将根据各BCU反馈的各车空气制动系统可用性测试结果进行列车范围内的制动有效率计算(有效率=空气制动可用车辆数/列车编组车辆数)，并将计算结果作为ABT自动制动试验结果的输出。

2.2.3进入自动制动试验的前提条件及试验注意事项

(1)自动制动试验前必须实现下列前提条件：

①总风管通过列车本身的供风装置供风；

②不得启用备用制动；

③停发制动监控环路和紧急制动环路不能被旁路；

④停放制动必须施加；

⑤列车配置必须正确，网络通讯正常；

⑥必须保证动车组司机室被激活占用且只有1个；

⑦所有车辆空气制动需要缓解。

(2)试验注意事项

ABT进行时，列车处于“整备模式”或车辆检查状态，在ABT期间，司机手柄必须在缓解位，不能操作任何制动设备及环路相关的按钮开关，列车必须保持静止状态，停放制动必须保持施加，增风管及列车管压力传感器必须正常有效，列车网络通讯及配置状态必须正确。

2.3 菜单引导制动试验(MBT)

2.3.1菜单引导制动试验接口

菜单引导制动试验是司机通过HMI显示屏按照CCU发送的显示屏信息进行相应的操作，因此CCU与TBM在菜单引导制动试验时，通过相应RS485网络通信接口进行通讯。

2.3.1.1 菜单引导制动试验CCU与TBM的接口

(1)CCU根据HMI显示屏反馈信息通过RS485发送给TBM的接口信号命令TBM进行MBT中的试验项点信号：0=无制动请求；1=进行总风管(MRP)贯通性试验；2=进行列车管(BP)泄漏试验；3=进行直通制动试验；4= 进行紧急制动试验；5=进行列车管(BP)贯通性试验；6=进行间接制动试验。

在某一项试验项点内的试验步骤编号，用于告知TBM目前显示屏显示的状态提示信息。

(2)TBM发送给CCU的RS485接口信号

①TBM反馈CCU所接收的制动试验项点信号，定义值与CCU命令TBM进行的的制动试验项点编号相同。当反馈值为255时，说明试验中断。

②在某一项试验项点内的试验步骤编号，用于告知CCU目前T需要在显示屏显示对应试验过程中的状态提示信息。

CCU与TBM的接口信号时序图见图8所示。

图8 菜单引导制动试验CCU与TBM试验过程信号时序

2.3.1.2 TBM、SBM、LBCU的接口信号

菜单引导制动试验的制动系统内部的TBM、SBM、LBCU之间的层级控制信号与ABT过程中的大部分信号是一致的，包括空压机的管理信号、制动力请求信号、制动步骤状态信号、LBCU反馈的制动能力信号、空气制动有效性信号等。在制动试验过程中，TBM、SBM是不会主动进行主从转换的。

2.3.2菜单引导制动试验控制步骤及策略

2.3.2.1 MBT试验顺序

菜单引导制动试验没有硬性要求的试验顺序，通过HMI显示屏选择需要进行的试验项点，试验完成后相应试验步骤会显示试验完成时间，HMI显示屏的试验项点如图9所示，进入制动试验界面后，通过点选“开始”进行试验，相关提示信息状态见图10。

2.3.2.2 MBT各项试验控制策略及试验结果

(1)直通制动试验：司机根据HMI显示屏提示通过制动手柄施加3级常用制动，TBM根据手柄CAN总线3级制动信号将设定值通过SBM发各车BCU，各车BCU控制本车制动阀施加3级制动，检测相关阀的输出压力及状态，并进行高低阶压力的转换测试，测试完成后TBM会反馈CCU显示提示司机信息将制动手柄置于缓解位，司机通过手柄缓解3级常用制动，各车BCU根据缓解指令缓解空气制动并检测本车空气制动缓解是否正常。

图9 HMI显示屏菜单引导制动试验项点选择界面

图10 HMI显示试验过程提示信息状态

(2)紧急制动试验：司机根据HMI显示屏提示通过制动手柄施加紧急制动EB，TBM通过SBM反馈的列车管压力判断列车管排风是否正常，压力是否<200 kPa，同时各车BCU检测单车紧急制动施加状态是否满足压力要求，并进行高低阶压力转换测试，各车检测完成后，司机通过HMI显示屏信息将制动手柄置于缓解位，列车管开始充风，TBM检测在80 s内列车管充风至定压600 kPa，所有空气制动缓解，各车BCU将检测结果反馈给TBM。

(3)总风管(MRP)贯通性试验：如果总风管压力大于900 kPa，HMI屏会提示司机通过若干次最大常用制动将总风管压力降低至900 kPa以下，此时TBM会阻止所有空压机启动，待总风压力降低至900 kPa以下时，会提示司机等待，此时TBM会根据优先选择控制策略激活全列车的1台空压机进行启动供风，并检测总风管压力在2 min内是否上升了30 kPa。

(4)列车管泄漏试验：TBM控制列车管充风电磁阀失电阻断列车管充风，通过单元的SBM检测的列车管压力，判断列车管在30 s内压力下降≤15 kPa。

(5)间接制动试验：司机根据HMI显示屏提示信息，通过点选HMI显示屏的“BP排风”按键通知TBM向CCU发送通过尾车列车管排风电磁阀No.5排列车管风，CCU通过网络输出继电器信号使No.5得电排风，列车管压力需要在30 s内降低至200 kPa以下，BCU检测本车制动施加状态，BCU检测后，TBM会反馈CCU使HMI显示屏显示“停止排风”按键，司机通过点选按键告知TBM撤销排风指令，使列车管充风电磁阀得电充风，列车管充风后各车制动需要缓解，BCU判断本车制动缓解状态。

(6)列车管(BP)贯通性试验：司机根据HMI显示提示信息点选“BP排风”按键通知TBM向CCU发送通过尾车列车管排风电磁阀No.5排列车管风，CCU通过网络输出继电器信号使No.5得电排风，TBM通过SBM检测反馈头尾车列车管压力需要在30 s内降低至200 kPa以下，同时BCU检测本车制动施加状态，BCU检测后，TBM将撤销排风指令，使列车管充风电磁阀得电充风，TBM检查列车管80 s内充风至定压600 kPa，各车制动需要缓解，BCU判断本车制动缓解状态。

(7)制动试验结果是通过制动有效率计算体现的，各车BCU会根据各项试验结果判断本车空气制动可用性，并将可用性结果反馈至TBM，TBM进行列车范围内的制动有效率计算(有效率=空气制动可用车辆数/列车编组车辆数)，并将结果反馈给CCU进行显示。

2.3.3进入菜单引导制动试验的前提条件及试验注意事项

(1)菜单引导制动试验前必须实现下列前提条件：

①司机室占用并升弓送电，HMI屏制动界面显示正常；

②动车组管路未通过外接风源充风；

③备用制动未激活；

④停放制动处于施加状态；

⑤列车空气制动处于缓解状态；

⑥恒速设置关闭，故障面板上各环路故障开关处于正常位；

⑦总风管风压大于850 kPa，列车管风压大于550 kPa。

(2)试验注意事项

①试验过程中应按照试验顺序执行。严格按照屏幕提示进度进行操作，提前操作可能导致试验失败；

②试验期间不可进行切换HMI、激活备用制动、意外触动制动手柄等操作，此类操作影响制动试验；

③系统默认采用右屏进行制动试验，可将左屏调至制动试验时间显示界面进行查看；

④制动试验中如果某步制动试验未通过，可根据该项试验期间的故障代码处理故障后，重做该步制动试验；应急处置过程中，当某车制动故障时(如分配阀等)，在已确认故障点但无法修复而采用制动切除等方式进行处置时，如进行制动试验，试验过程中各步骤会诊断出相关故障，此时仍应继续进行其他试验，方可生成其他车的有效率。

3 典型试验故障

2017年CRH380CL-5603动车组在进行MBT测试时，发现10车制动有效性丢失，查找车辆故障记录时发现10车BCU报故障，故障代码为1729(直接制动控制故障)，故障处理提示"车辆的间接制动故障，常用制动的动作可能已经改变。对车下制动控制单元进行排查，听见存在异常排风声，通过测试软件发现预控压力值异常，车辆在直接制动缓解，备用制动启用缓解的情况下该处检测的压力应该为零，综合上述判断双向阀B60.04存在故障，导致在备用制动施加的情况下有压缩空气进入到直接制动管路中，使得B60.02-3检测到相关压力，10车BCU在制动测试时检测出压力异常而未通过制动试验。更换双向阀B60.04后重新进行制动试验，故障消除，车辆制动有效率正常。制动控制气路原理图及双向止回阀如图11所示。

1-B60.02-1常用制动施加电磁阀；2-B60.02-2常用制动缓解电磁阀；3-B60.02-3直接制动压力传感器；4-B60.04双向电磁阀。图11 单车空气制动控制原理图及实物图

4 结束语

通过从CRH380CL型动车组制动试验的控制过程、检测步骤及控制策略进行阐述，以及在车辆实际运用过程制动试验所起到的作用，说明通过动车组制动试验检测功能的设置，能有效保障动车组制动系统的可靠性和安全性，确保在动车组上线运营前的良好状态，CRH380CL型动车组投入批量运营已经6年时间，通过制动试验检查出制动系统本身故障可靠、准确，该车型制动试验的控制理念及控制策略将会对后续研发的新型动车组提供宝贵的借鉴经验。