机车制动控制系统冗余设计研究

葛汝博 刘云龙 吕枭 侯化安 朱冠汶 张杰家 何远航

摘  要：机车制动控制系统作为轨道交通机车车辆的关键核心子系统，提升制动控制系统的可靠性和可用性至关重要。开展冗余设计是提升机车制动控制系统可靠性和可用性的重要方法，该文从功能、系统和机车3个层面上梳理当前国内各型机车制动控制系统的冗余设计原理，有助于后续制动控制系统设计和优化改进。

关键词：机车；制动控制系统；冗余设计；故障导向；功能

中图分类号：U260.35      文献标志码：A          文章编号：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

作为轨道交通机车车辆的关键核心子系统，如何提升制动控制系统的可靠性和可用性至关重要，研究人员对此作了大量的试验和研究，除了不断提高系统各部件自身的可靠性外，开展制动控制系统冗余设计是一种重要方法。

国内机车制动控制系统经历了从纯机械空气制动控制系统，到基于继电器的电空制动控制系统，再到基于微机控制的电空制动控制系统，以及当下最先进的分布式网络智能模块制动控制系统的多年发展，在此过程中，研究人员学习和积累了丰富的冗余设计经验，推动了制动控制系统的不断优化与改进，极大地提高了制动控制系统的可靠性和可用性。

本文对我国主型机车制动控制系统功能原理进行了研究与梳理，分别从功能、系统和机车3个层面，介绍了不同制动控制系统的冗余设计方法。

1  系统概述

机车制动控制系统主要由制动显示屏、制动控制器和制动柜等部件组成，如图1所示。

制动显示屏作为制动控制系统的人机交互部件，可实时显示制动控制系统的状态信息、完成系统模式设置，并提供单机自检、事件记录和传感器校准等诊断功能。

制动控制器作为制动控制系统的主要操纵部件，可将手柄的闸位信息转换为相应的制动指令，并发送给其他制动部件。

制动柜是制动控制系统的主要控制与执行机构，负责完成系统逻辑运算、压力控制等，按照功能可以划分为均衡风缸控制、列车管控制、制动缸控制等，最终实现单独制动、自动制动和紧急制动等功能。

目前，我国交流传动机车主要装用克诺尔公司CCBⅡ[1]、法维萊Eurotrol、株机公司DK-2[2]、四方所JZ-8[3]和铁科院CAB-A[4]和中车制动CAB-B制动控制系统。

2  功能级冗余

功能级冗余是指制动控制系统内部某个功能的冗余设计，当常用部件功能失效时，冗余部件可投入工作，保障该功能不受影响。

本节主要就机车制动控制系统的自动制动功能、紧急制动功能、单独制动功能和其他功能的冗余设计进行梳理和说明。

2.1  自动制动功能

自动制动功能指的是制动柜响应制动控制器自动制动手柄闸位指令，输出列车管压力和机车制动缸压力，因此，该功能的冗余设计主要针对列车管压力和机车制动缸压力控制两个方面，功能实现逻辑如图2所示。

（a）  制动柜

（b）  制动控制器            （c）  制动显示屏

2.1.1  列车管压力控制冗余设计

自动制动时，制动控制单元通过控制均衡风缸充排气电磁阀进而控制均衡风缸压力，通过列车管中继阀最终实现列车管的制动与缓解。

在列车管控制过程中，均衡风缸控制至关重要，大部分机车制动控制系统对均衡风缸控制进行了冗余设计，但在实现方式上存在差异。

Eurotrol、JZ-8和DK2型机车制动控制系统通过设置均衡风缸充排气电磁阀实现冗余控制[5]；CCBII和CAB型制动控制系统则通过其他的智能模块进行均衡风缸冗余控制。其中，在CCBII制动控制系统中，负责均衡风缸压力控制的均衡风缸模块（ERBU）故障时，制动缸控制模块（16CP）进行备用；在CAB-A制动控制系统中，负责均衡风缸压力控制的列车管模块（BPCM）故障时，辅助功能模块（ACM）进行备用；在CAB-B制动控制系统中，负责均衡风缸压力控制的列车管模块（BPCM）故障时，制动缸模块（BCCM）进行备用。

2.1.2  机车制动缸压力控制冗余设计

自动制动时，制动控制单元根据列车管压力控制电子分配阀，进而控制自动制动预控压力，通过制动缸中继阀最终输出制动缸压力。为了保证机车自动制动预控压力的有效输出，当前国内各型机车制动控制系统的分配阀模块均实现了电子分配阀和机械分配阀的冗余配置。正常情况下，系统采用电子分配阀输出制动缸预控压力；当电子分配阀控制故障时，制动控制系统自动切换至机械分配阀输出制动缸预控压力，保证机车自动制动预控压力地有效输出。

2.2  紧急制动功能

紧急制动功能是机车制动控制系统的安全底线，可响应多路紧急制动指令，快速排空列车管压力并输出机车制动缸压力。因此，该功能的冗余设计主要针对列车管压力和机车制动缸压力控制2个方面。

2.2.1  列车管排空控制冗余设计

各型机车制动控制系统均对紧急制动列车管压力排空控制进行了冗余设计，功能设计结构如图3所示。

在电气设计上，通过紧急环路设计，确保网络紧急、制动控制系统控制紧急与机车硬线控制紧急冗余输出紧急制动控制指令；气路设计上，一方面通过设置2个紧急电磁阀，冗余控制紧急气控阀打开列车管排大气通路，另一方面通过快速排风阀，加大列车管排风速度；另外，车长阀同样提供了列车管排大气通道。

另外，制动控制器部件触发紧急制动时，自动制动手柄紧急位设置了紧急排风通道，最大限度保证了紧急时列车管压力的快速排空。

2.2.2  机车制动缸压力控制冗余设计

紧急制动时，各型制动控制系统除了2.1所述的制动缸压力冗余设计外，还采用了紧急增压输出实现了进一步冗余，该通路由总风管经450 kPa减压阀直接输出作为机车制动缸（预控）压力，保障了紧急制动时机车制动缸压力的有效输出。

2.3  单独制动功能

单独制动功能指的是制动柜响应制动控制器单独制动手柄闸位指令，输出机车制动缸压力。单独制动时，单独制动手柄发出单独制动控制指令，制动控制单元根据单独制动控制指令控制电磁阀，进而控制单独制动预控压力输出制动缸压力。

Eurotrol、JZ-8和DK2型机车制动控制系统未对单独制动功能进行冗余设计，当单独制动故障时，可以切除单独制动功能，采用自动制动维持运行；CCBII和CAB型制动控制系统则通过其他的智能模块进行单独制动冗余控制。其中，在CCBII制动控制系统中，负责单独制动压力控制的平均管控制模块（20CP）故障时，制动缸控制模块（16CP）进行备用；在CAB-A和CAB-B制动控制系统中，负责单独制动压力控制的单独制动模块（IBCM）故障时，制动缸模块（BCCM）进行备用。

2.4  其他功能级冗余设计

除了上述冗余设计外，部分制动控制系统还从以下几个方面实现了冗余设计，见表1。

1）系统供电层面，采用双电源冗余设计，单电源故障不影响系统使用。

2）网络架构层面，采用双CAN冗余设计，极大地提升了网络通信可靠性。

3  系统级冗余

系统级冗余是指单节机车多个制动控制系统间的冗余设计，通常为电空制动控制系统和纯空气制动控制系统的冗余。当电空制动控制系统故障时，纯空气制动控制系统可投入使用，保证机车正常运营。

当前，主流机车上常见的制动控制系统为微机控制电空制动控制系统和分布式网络智能控制电空制动控制系统，它们均属于电空制动控制系统。部分车型为了保证制动控制系统的有效性，在常用电控制动控制系统系统的基础上，同时配置了空气后备制動控制系统。当电控制动控制系统出现故障且短时间无法恢复正常时，可将机车电控制动控制系统断电，并投入空气后备制动控制系统，实现了常用电控制动控制系统和空气后备制动控制系统的冗余[6]。

空气后备制动控制系统是一种纯空气制动控制系统，主要由后备制动阀、调压阀（可集成在模块中）、转换塞门、后备均衡风缸、中继阀及压力显示装置等部件组成，方案如图4所示。

其中，后备制动阀具有控制后备均衡风缸压力的能力，可使后备均衡风缸充气、保压或排气；调压阀用于调整后备制动启用时后备均衡风缸的整定压力；转换塞门可控制空气后备制动控制系统的投入或切除，同时把塞门的状态以电信号形式传送给机车。

目前，系统级冗余设计已在CR200J型动力集中动车组、HXD2机车等广泛使用，极大地提高了制动控制系统的可靠性和可用性。

4  机车级冗余

机车级冗余是指两节机车制动控制系统间的冗余设计，通常当操纵节机车制动控制系统故障时，非操纵节机车制动控制系统可投入使用，保障机车正常运营，如图5所示。

在常用模式下，操纵节机车的指令转换器接收制动控制器位置信号，通过CAN网络将位置指令发送到操纵节制动控制单元BCU，此时操纵节的司机制动阀根据BCU的控制指令，实现列车管的制动和缓解。操纵节的制动柜通过两节机车之间的空气管路连接，控制非操纵节机车的列车管和平均管压力。

当操纵节制动柜出现设备故障导致列车管压力无法正常控制时，通过制动屏设置（向BCU发送备用制动转换信号）和平均管塞门转换（制动柜切换空气管路控制），将操纵节制动柜上用于均衡和列车管压力控制的司机制动阀进行切除，转换为由非操纵节制动柜的司机制动阀进行均衡和列车管压力的控制，同时平均管也转换为由非操纵节制动柜的分配阀输出压力进行控制，制动控制系统转换为备用模式[7]，如图6所示。

在备用模式下，操纵节的司机制动阀由遮断阀控制切除，操纵节机车的指令转换器接收制动控制器位置信号，通过CAN网络将位置指令发送到非操纵节制动控制单元BCU，非操纵节的司机制动阀根据BCU的控制指令，实现列车管的制动和缓解。非操纵节的制动柜通过两节机车之间的空气管路连接，控制操纵节机车的列车管和平均管压力，完成制动控制系统的相关功能，最大程度上保证了机车制动控制系统的正常工作。

目前，机车级制动控制系统冗余设计仅出现在HXD2型机车上，该机车由两节四轴机车重联形成八轴机车，其中两节机车内分别配置独立的制动控制系统，互为冗余。

5  结束语

本文梳理了国内主型机车制动控制系统在系统功能冗余设计方面的现状，从功能、系统和机车3个层面介绍了具体的冗余设计原理，有利于后续制动控制系统设计和优化改进，同时也对其他系统设计具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] 宾睿.基于扩展解析冗余关系的CCBII制动机多故障诊断[D].长沙：中南大学，2014.

[2] 蒋廉华.DK-2型机车电空制动系统的研制[D].成都：西南交通大学，2013.

[3] 王其伟，许丰磊，刘澳，等.JZ-8型机车制动控制系统研制[J].机车电传动，2018（1）：48-53，56.

[4] 刘璐.CAB-A型空气制动系统[J].铁道机车与动车，2019（11）：28-30，6.

[5] 吕枭，王令军，孙彬，等.HXD3C型电力机车装用JZ-8型制动控制系统[J].铁道机车与动车，2016（5）：14-16.

[6] 夏军，王圣龙，任向杰，等.机车空气后备制动控制系统及常见故障分析[J].铁道机车与动车，2020（7）：47-48.

[7] 周浩，王树海，仝雷.HXD2型大功率交流传动电力机车空气管路与制动控制系统[J].机车电传动，2008（5）：15-18.