CRH5A 动车组制动系统电空协同控制策略优化

一、CRH5A 动车组制动系统电空协同控制优化的重要意义

1.1 提升制动安全性，缩短制动距离

电空协同控制优化技术在加快制动响应速度、改善制动力分配准确度上有着明显的优势，给轨道交通的安全运行提供了有力的技术保障。拿 CRH5A 型动车组来说，按照传统的电空协调模式，时速达到 250 公里的时候，紧急制动距离大概为 2000 米；改进以后，借助融合电制动快速反应的特性以及空气制动精确补偿机制，这个距离缩短到 1850 米以内，完全符合高寒环境下行车安全的要求。优化之后的制动力分配算法可以随时监控轮轨黏着系数的变动情况，然后调整电空制动力的分配方案，进而减小轮对滑行的风险。

1.2 减少制动磨耗以降低维护成本

空气制动系统使用频率降低后，制动夹钳、制动软管等重要零件的磨损程度以及老化速度明显变慢，这极大地缩减了由于磨损而产生的零部件替换次数，而且有效地降低了因为制动故障所造成的列车停运概率。制动部件寿命得到延长后，维修作业给正常运作带来的干扰也被相应地缩减，这样就使整体运作效率有所提升。通过改良制动磨耗管理方案，CRH5A 型动车组在运维成本控制和服务质量改进方面取得了明显的进步，给铁路运输系统经济性的提升提供了有力的支持。

1.3 高寒环境适应性与运营稳定性提升策略

CRH5A 型动车组要在极寒环境下正常行驶，就需要提升动车组应对恶劣天气情况的能力，电空协同控制系统可以在极寒天气环境中大幅提高 CRH5A 型动车组的适应度。在寒冷气候中，常规的制动方法往往由于压缩空气管道冻结而造成反应延迟，改良过的系统利用预先启动电制动并实施管路预热控制，把制动延迟降到 0.2 秒以内。优化后的低温补偿计算程序可根据实时环境温度变化动态调控电制动励磁参数，使电制动在低温条件下保持稳定的制动强度，确保其制动力能够稳定而可靠地发挥出来，防止电制动失败带来的空气制动过载危险。

二、CRH5A 动车组制动系统电空协同控制优化策略

2.1 制动指令分配逻辑优化

按照列车运行状况、速度、载重以及黏着系数等实时动态特性，创建电制动与空气制动协同控制策略，进而改善整体制动效果。当列车时速超过 120公里 / 小时的时候，首先采用 100% 再生制动模式；如果电制动能力不足或者电网电压存在异常情况，则依靠空气制动予以补充。处于 60 到 120 公里/ 小时这一速度区间内，电制动一般会担负起大约 80%～90% 的制动力需求，而空气制动则起到辅助作用；当车速降到 60 公里 / 小时以下时，逐渐缩减电制动所占的比例，以此来解决低速行驶时电制动效率下降引发的制动力波动问题。还要根据实际载客量对两者之间的配比加以调整：满载时保持 7:3 的比例平衡；空载情况下把电制动占比提升到 90% ，从而进一步削减空气制动的使用频率。

根据轮速传感器、轴重传感器所获得的数据，可以精确计算出轮轨黏着系数；当该系数小于 0.2（冰雪路面工况），则会自动调节电制动比例，并且会同时减小空气制动缸的压力，以防止轮对打滑。利用“黏着峰值跟踪算法”在线监测，实时捕捉轮轨黏着峰值，采用微调电制动和空气制动输出参数的方法，使制动力始终保持在黏着极限的 90% 左右，实现最佳制动效果，抑制滑行。

2.2 电制动与空气制动的动态匹配优化研究

依靠动态调节和平滑过渡技术，做到电制动和空气制动的高效协同运作。当网压发生波动（低于 25kV）或者电机出现故障致使电制动效能降低的时候，空气制动就会采取“分段递增”的方式提供能量补给，它的补能速度被严格控制在 50kPa/s 之内，以此避免因为制动力突然改变而产生的安全隐患。针对高寒环境里空气制动反应迟缓的情况，在电制动性能下降之前 0.2 秒发出预充压指令，使得制动缸在电制动减弱的时候就达到了目标压力值，从而保证了制动力的持续性和稳定性。

在电制动与空气制动切换过程中，采用“线性衰减 - 线性递增”控制策略，即电制动以 0.1m/s² 的恒定减速度逐步释放制动力，同时空气制动也按相同加速度同步递增制动力，实现平滑过渡，减少乘客不适感；当列车处于缓解状态，从空气制动切换到电制动时，在电制动力达到目标值 80% 之后，再以 0.05m/ s² 的速度递减空气制动力，避免由于制动力突变造成的列车冲击现象。

2.3 高寒环境适应性优化

符合 CRH5A 型动车组在高寒环境中的运行需求，就要对低温工况下的电空联合控制策略加以改良设计。利用车载环境温度传感器搜集当前气温数据，当外部温度处在 - 40℃到 0℃之间的时候，电制动励磁电流应当随着外部温度的下降而呈线性增长的趋势，这样就能保证电制动系统在极寒条件下稳定地输出制动力矩。当列车开始行驶，外部温度低于 - 20^∘C 时，系统就会自动触发电制动电机的预热程序，此时预设的功率为 5kW，使电机的温度上升到 -10℃以上，从而明显改善了低温启动时的响应速度。

低温条件下，空气制动系统的管路容易结冰损坏，为解决此问题，可以使用自限温伴热带给主管路和制动缸管路保温；当环境温度降到 - 5℃以下时，该装置会自动开启，使管路保持在 0 到 5℃之间，防止压缩空气结冰堵塞管道。根据制动系统的压力参数以及季节性温差特点，要制定周期性排液计划，每 30 分钟短时间打开排水阀大约 10 秒，清除管路中的冷凝水，极大地缩减结冰可能性。在制动控制单元添加温度传感模块和智能加热部件，在外界气温低于 - 20℃的时候自动开始加热，保证电子元器件正常运作，免除低温环境下的设备失效危险。

2.4 安全冗余控制优化

构建多层级冗余防护体系，能够在电空协同控制失效的情形下，使得制动系统保持较高的可靠性。采取主从双模架构设计，主控制器会及时生成指令信号，从控制器同样会同步监测指令执行状况；如果主控制器发生故障，那么从控制器可在 0.05 秒内做到无缝切换，进而保证制动过程的连续性。在制动夹钳以及电制动电机内部嵌入力传感器和扭矩传感器，动态获取实际制动力数据并同目标值展开比较；一旦察觉到实际制动力超出 ±10% 的范围，系统就会自动调节电空制动力分配方案，而且还会向驾驶员发出警报提示。

紧急制动的情况下，首先使用电制动并且输出 100% 额定制动力，同时空气制动压力从 0kPa 开始以 100kPa/s 的速度上升到 450kPa ；如果电制动失灵，立刻使用空气制动并且空气压力要达到 600kPa ，保证列车的制动性能符合要求；当电与空气联合控制出现严重的故障后，制动将会自动切换成纯空气制动，并按照事先设定好的制动曲线保证车辆能安全减速，从而避免可能出现的各种安全隐患。

结语：电空协调控制是列车运行安全的关键保障体系，它把电制动和空气制动的功能融合起来，从而实现了能量的回收，并且大幅提升了整体的制动力表现。对于 CRH5A 型动车组在高寒环境下出现的制动反应迟缓、磨损加剧等情况，迫切需要对它的电空协同控制策略加以优化完善。展望未来，凭借智能化算法，能够为动车组应对复杂状况提供新的解决办法。

参考文献：

[1] 程宏明 , 王涤非 , 齐政亮 , 等 . 高速动车组制动系统自动测试方法的研究与设计 [J]. 铁道机车车辆 ,2025,45(03):1-9.

[2] 华皛 , 王鹏 , 于伟 , 等 . 动车组制动系统软件自动化测试方法研究与实现 [J]. 铁道机车车辆 ,2025,45(03):81-87.