動(dòng)車(chē)組制動(dòng)安全性研究

孫劍方，李和平，曹宏發(fā)，章陽(yáng)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

動(dòng)車(chē)組制動(dòng)的安全性問(wèn)題，主要涉及制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)能力、可靠性、故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。在需要停車(chē)的時(shí)候，制動(dòng)系統(tǒng)必須能讓運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)停下來(lái)，動(dòng)車(chē)組的緊急制動(dòng)距離取決于其最大制動(dòng)能力，而列車(chē)最大制動(dòng)能力的設(shè)計(jì)要考慮輪軌間的黏著利用、基礎(chǔ)制動(dòng)的熱容量以及制動(dòng)控制性能等因素。制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)系到列車(chē)運(yùn)行安全，所以它必須安全、可靠，做到萬(wàn)無(wú)一失，因此其各子系統(tǒng)、關(guān)鍵部件和控制軟件等在設(shè)計(jì)時(shí)必須可靠并有足夠的冗余。同時(shí)，列車(chē)故障導(dǎo)向安全的思想必須貫穿整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和配置

傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)控制列車(chē)管壓力來(lái)控制列車(chē)的制動(dòng)及緩解，即列車(chē)管壓力上升制動(dòng)力下降、列車(chē)管壓力下降制動(dòng)力增加。而動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)均采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，這種制動(dòng)系統(tǒng)不需要列車(chē)管，由貫穿全列車(chē)的總風(fēng)管向各車(chē)輛的制動(dòng)設(shè)備供風(fēng)。各車(chē)的微機(jī)控制裝置通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或列車(chē)硬線接收司機(jī)制動(dòng)請(qǐng)求，直接控制各車(chē)的制動(dòng)缸充風(fēng)或排風(fēng)，實(shí)施車(chē)輛的制動(dòng)和緩解。動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)具有控制精度高、反應(yīng)迅速、操縱靈活、車(chē)輛制動(dòng)同步性好等特點(diǎn)。

在有些動(dòng)車(chē)組中設(shè)置有列車(chē)管控制的備用制動(dòng)裝置，但備用制動(dòng)只用于救援、回送，或直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)處于故障狀態(tài)時(shí)。在列車(chē)正常狀態(tài)下，備用制動(dòng)裝置不起作用。

動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)主要由司機(jī)制動(dòng)指令系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)（我國(guó)動(dòng)車(chē)組均采用再生制動(dòng)，他可以把列車(chē)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能后反饋給電網(wǎng)再次利用）、制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（基礎(chǔ)制動(dòng)）和風(fēng)源系統(tǒng)組成。制動(dòng)系統(tǒng)采用空氣制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)復(fù)合的制動(dòng)模式，具有常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)等功能。

動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)能夠確保列車(chē)在需要停車(chē)的時(shí)候按照規(guī)定的制動(dòng)距離停下來(lái)，而不會(huì)對(duì)列車(chē)造成任何設(shè)備損壞，是一個(gè)充分考慮安全的制動(dòng)系統(tǒng)。

1.1 制動(dòng)作用過(guò)程和制動(dòng)能力

司機(jī)制動(dòng)指令系統(tǒng)由司機(jī)制動(dòng)控制器、司機(jī)緊急制動(dòng)按鈕、乘客緊急制動(dòng)手柄、ATO／ATP指令系統(tǒng)等組成。列車(chē)的制動(dòng)指令經(jīng)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)和硬線兩種方式傳輸至列車(chē)中各制動(dòng)微機(jī)控制系統(tǒng)，這兩種方式是相互冗余的，可以確保制動(dòng)指令的準(zhǔn)確傳送。

列車(chē)在調(diào)速、進(jìn)站停車(chē)時(shí)一般采用常用制動(dòng)。常用制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)微機(jī)控制系統(tǒng)接收到司機(jī)制動(dòng)指令后，根據(jù)列車(chē)速度、質(zhì)量等信息計(jì)算目標(biāo)制動(dòng)力，優(yōu)先使用動(dòng)力制動(dòng)，當(dāng)動(dòng)力制動(dòng)力不足或者失效時(shí)，補(bǔ)充空氣制動(dòng)力。在特殊情況下，司機(jī)將施加緊急制動(dòng)。如果出現(xiàn)司機(jī)未及時(shí)響應(yīng)警惕裝置、列車(chē)脫鉤、列車(chē)超速等情況時(shí)，列車(chē)會(huì)自動(dòng)施加緊急制動(dòng)，使得列車(chē)在最短的時(shí)間內(nèi)停下來(lái)。

動(dòng)車(chē)組的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用適用于高速的盤(pán)形制動(dòng)，可以滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組在最高速度下緊急制動(dòng)的要求。基礎(chǔ)制動(dòng)裝置在試驗(yàn)臺(tái)上要通過(guò)比列車(chē)最高速度高10%的試驗(yàn)驗(yàn)證和可靠性試驗(yàn)后才會(huì)允許使用（見(jiàn)圖1）。

動(dòng)車(chē)組在每8輛編組的列車(chē)中安裝有兩套冗余的風(fēng)源系統(tǒng)，只有一套風(fēng)源工作的情況下也能滿(mǎn)足列車(chē)用風(fēng)設(shè)備供風(fēng)需求。在兩套風(fēng)源系統(tǒng)均發(fā)生故障的情況下，列車(chē)的風(fēng)缸容量也能夠保證連續(xù)5次緊急制動(dòng)的用風(fēng)需求。

圖1 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置1∶1臺(tái)架試驗(yàn)

1.2 常用制動(dòng)

列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)主要采用常用制動(dòng)，制動(dòng)力的計(jì)算和控制由計(jì)算機(jī)完成。常用制動(dòng)采用減速度控制方式，制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)速度和司機(jī)控制器手柄級(jí)位確定出需要的減速度，進(jìn)而計(jì)算出應(yīng)該施加的制動(dòng)力。減速度和制動(dòng)力會(huì)跟隨速度不同實(shí)時(shí)調(diào)整。制動(dòng)力還會(huì)根據(jù)列車(chē)質(zhì)量自動(dòng)調(diào)整。常用制動(dòng)時(shí)將充分發(fā)揮動(dòng)力制動(dòng)力，不足的制動(dòng)力再由空氣制動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)充。圖2為某型車(chē)的常用制動(dòng)減速度曲線，司機(jī)實(shí)施4級(jí)及以下制動(dòng)時(shí)，電制動(dòng)即可滿(mǎn)足列車(chē)的制動(dòng)力要求，而無(wú)需使用空氣制動(dòng)。

圖2 常用制動(dòng)減速度曲線

1.3 緊急制動(dòng)

緊急制動(dòng)時(shí)將施加最大制動(dòng)力并達(dá)到最大減速度，以滿(mǎn)足安全制動(dòng)距離要求（如350km／h的列車(chē)制動(dòng)距離小于6 500m，300km／h小于3 800m，200km／h小于2 000m，160km／h小于1 400m）。緊急制動(dòng)是安全等級(jí)最高的制動(dòng)，緊急制動(dòng)由緊急制動(dòng)安全環(huán)路控制，確保緊急制動(dòng)的實(shí)施。

緊急安全環(huán)路是常帶電的，當(dāng)緊急制動(dòng)指令發(fā)出時(shí)，安全環(huán)路失電，實(shí)施緊急制動(dòng)。緊急制動(dòng)后在列車(chē)完全停止前是不能緩解的。

動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)可以通過(guò)3種冗余模式可靠施加：

（1）連接在緊急制動(dòng)安全環(huán)路下的緊急電磁閥觸發(fā)緊急制動(dòng)；

（2）BCU獲得緊急制動(dòng)安全環(huán)路的狀態(tài)信息，實(shí)施冗余緊急制動(dòng)控制；

（3）對(duì)于有備用制動(dòng)的列車(chē)，列車(chē)管壓力排空，備用制動(dòng)系統(tǒng)施加冗余緊急制動(dòng)。

圖3 某車(chē)型的緊急制動(dòng)安全環(huán)路原理

2 動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的安全保障措施

為保證列車(chē)的運(yùn)用安全性，制動(dòng)系統(tǒng)、重要子系統(tǒng)、關(guān)鍵部件和控制軟件在保證自身可靠性的同時(shí)，在列車(chē)安全性上具有高度冗余性。即使制動(dòng)系統(tǒng)故障，也能夠保證列車(chē)安全制動(dòng)停車(chē)，并具有使列車(chē)移動(dòng)到下一站的制動(dòng)能力，見(jiàn)表1。

3 動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)

在保證動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，為監(jiān)測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，制動(dòng)系統(tǒng)還設(shè)有自己的故障診斷系統(tǒng)，實(shí)時(shí)診斷制動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)。

動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷以行車(chē)安全作為首要考慮因素，故障診斷系統(tǒng)可確認(rèn)、評(píng)估、報(bào)告在所有的操作模式中發(fā)生的多數(shù)故障，包括故障對(duì)系統(tǒng)自身以及對(duì)其它系統(tǒng)的影響，便于系統(tǒng)維護(hù)、故障定位查找和分析故障成因。動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行過(guò)程中，有關(guān)運(yùn)行參數(shù)、過(guò)程數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)時(shí)傳輸至中央診斷系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)狀態(tài)并報(bào)告可能發(fā)生的故障和錯(cuò)誤。

制動(dòng)系統(tǒng)診斷出故障時(shí)，列車(chē)將根據(jù)故障等級(jí)自動(dòng)進(jìn)行故障導(dǎo)向安全控制，保證列車(chē)安全、受控的運(yùn)行。同時(shí)列車(chē)診斷系統(tǒng)將故障原因、功能限制、提示操作等信息告知司機(jī)、列車(chē)員，用于采取相關(guān)的補(bǔ)救措施。

動(dòng)車(chē)組按故障影響程度設(shè)定了故障等級(jí)。發(fā)生各級(jí)故障的時(shí)候，將通過(guò)列車(chē)自動(dòng)限速運(yùn)行或者安全停車(chē)，以保障行車(chē)安全。

以CRH3型動(dòng)車(chē)組為例，對(duì)于6類(lèi)可能危及行車(chē)安全的制動(dòng)系統(tǒng)重大故障，除自身進(jìn)行故障導(dǎo)向安全控制，也將通過(guò)與列車(chē)中央控制單元聯(lián)鎖，使得列車(chē)限速運(yùn)行，以保障列車(chē)運(yùn)行安全。

表1 制動(dòng)系統(tǒng)的安全保障措施

表2 CRH3車(chē)型主要故障的導(dǎo)向安全控制

CRH2型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)在自身執(zhí)行故障導(dǎo)向安全控制的同時(shí)，也將重要的診斷信息傳輸至列車(chē)管理系統(tǒng)，向司機(jī)提示當(dāng)前列車(chē)的工作狀態(tài)，由司機(jī)進(jìn)行人工控制。

4 結(jié)論

（1）先進(jìn)的動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使列車(chē)有足夠的制動(dòng)能力，保證列車(chē)在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)安全停車(chē)。

（2）動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)在安全性上具有高度冗余性，即使制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也能保證列車(chē)安全停車(chē)，或在可控狀態(tài)下安全運(yùn)行。

（3）動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)具有良好的故障診斷功能，使制動(dòng)系統(tǒng)始終處于受控狀態(tài)，可以及時(shí)查找故障并分析故障成因。

［1］時(shí)速350公里新一代動(dòng)車(chē)組技術(shù)條件［S］.鐵道部運(yùn)裝客車(chē)〔2010〕253號(hào)文件.

［2］張曙光.中國(guó)高速鐵路技術(shù)叢書(shū).CRH1型動(dòng)車(chē)組［M］.第1版.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.1－8.388－402.

［3］張曙光.中國(guó)高速鐵路技術(shù)叢書(shū).CRH2型動(dòng)車(chē)組［M］.第1版.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.1－8.402－428.

［4］西門(mén)子.CRH3設(shè)計(jì)概念之制動(dòng)系統(tǒng)和壓縮空氣供應(yīng)［R］.2006，1－24.

［5］張曙光.中國(guó)高速鐵路技術(shù)叢書(shū).CRH5型動(dòng)車(chē)組［M］.第1版.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008，1－8.400－432.