動車組制動安全性研究

孫劍方，李和平，曹宏發(fā)，章陽

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

動車組制動的安全性問題，主要涉及制動系統(tǒng)的制動能力、可靠性、故障導向安全設計等幾個方面。在需要停車的時候，制動系統(tǒng)必須能讓運行的動車組在規(guī)定的制動距離內(nèi)停下來，動車組的緊急制動距離取決于其最大制動能力，而列車最大制動能力的設計要考慮輪軌間的黏著利用、基礎制動的熱容量以及制動控制性能等因素。制動系統(tǒng)關系到列車運行安全，所以它必須安全、可靠，做到萬無一失，因此其各子系統(tǒng)、關鍵部件和控制軟件等在設計時必須可靠并有足夠的冗余。同時，列車故障導向安全的思想必須貫穿整個制動系統(tǒng)的設計過程。

1 動車組制動系統(tǒng)的設計原理和配置

傳統(tǒng)制動系統(tǒng)通過控制列車管壓力來控制列車的制動及緩解，即列車管壓力上升制動力下降、列車管壓力下降制動力增加。而動車組制動系統(tǒng)均采用微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)，這種制動系統(tǒng)不需要列車管，由貫穿全列車的總風管向各車輛的制動設備供風。各車的微機控制裝置通過網(wǎng)絡或列車硬線接收司機制動請求，直接控制各車的制動缸充風或排風，實施車輛的制動和緩解。動車組制動系統(tǒng)具有控制精度高、反應迅速、操縱靈活、車輛制動同步性好等特點。

在有些動車組中設置有列車管控制的備用制動裝置，但備用制動只用于救援、回送，或直通式電空制動系統(tǒng)處于故障狀態(tài)時。在列車正常狀態(tài)下，備用制動裝置不起作用。

動車組制動系統(tǒng)主要由司機制動指令系統(tǒng)、空氣制動系統(tǒng)、動力制動系統(tǒng)（我國動車組均采用再生制動，他可以把列車動能轉(zhuǎn)化為電能后反饋給電網(wǎng)再次利用）、制動執(zhí)行機構（基礎制動）和風源系統(tǒng)組成。制動系統(tǒng)采用空氣制動和動力制動復合的制動模式，具有常用制動和緊急制動等功能。

動車組制動系統(tǒng)能夠確保列車在需要停車的時候按照規(guī)定的制動距離停下來，而不會對列車造成任何設備損壞，是一個充分考慮安全的制動系統(tǒng)。

1.1 制動作用過程和制動能力

司機制動指令系統(tǒng)由司機制動控制器、司機緊急制動按鈕、乘客緊急制動手柄、ATO／ATP指令系統(tǒng)等組成。列車的制動指令經(jīng)列車網(wǎng)絡和硬線兩種方式傳輸至列車中各制動微機控制系統(tǒng)，這兩種方式是相互冗余的，可以確保制動指令的準確傳送。

列車在調(diào)速、進站停車時一般采用常用制動。常用制動時，制動微機控制系統(tǒng)接收到司機制動指令后，根據(jù)列車速度、質(zhì)量等信息計算目標制動力，優(yōu)先使用動力制動，當動力制動力不足或者失效時，補充空氣制動力。在特殊情況下，司機將施加緊急制動。如果出現(xiàn)司機未及時響應警惕裝置、列車脫鉤、列車超速等情況時，列車會自動施加緊急制動，使得列車在最短的時間內(nèi)停下來。

動車組的基礎制動裝置采用適用于高速的盤形制動，可以滿足動車組在最高速度下緊急制動的要求。基礎制動裝置在試驗臺上要通過比列車最高速度高10%的試驗驗證和可靠性試驗后才會允許使用（見圖1）。

動車組在每8輛編組的列車中安裝有兩套冗余的風源系統(tǒng)，只有一套風源工作的情況下也能滿足列車用風設備供風需求。在兩套風源系統(tǒng)均發(fā)生故障的情況下，列車的風缸容量也能夠保證連續(xù)5次緊急制動的用風需求。

圖1 基礎制動裝置1∶1臺架試驗

1.2 常用制動

列車正常運行時主要采用常用制動，制動力的計算和控制由計算機完成。常用制動采用減速度控制方式，制動系統(tǒng)根據(jù)速度和司機控制器手柄級位確定出需要的減速度，進而計算出應該施加的制動力。減速度和制動力會跟隨速度不同實時調(diào)整。制動力還會根據(jù)列車質(zhì)量自動調(diào)整。常用制動時將充分發(fā)揮動力制動力，不足的制動力再由空氣制動系統(tǒng)補充。圖2為某型車的常用制動減速度曲線，司機實施4級及以下制動時，電制動即可滿足列車的制動力要求，而無需使用空氣制動。

圖2 常用制動減速度曲線

1.3 緊急制動

緊急制動時將施加最大制動力并達到最大減速度，以滿足安全制動距離要求（如350km／h的列車制動距離小于6 500m，300km／h小于3 800m，200km／h小于2 000m，160km／h小于1 400m）。緊急制動是安全等級最高的制動，緊急制動由緊急制動安全環(huán)路控制，確保緊急制動的實施。

緊急安全環(huán)路是常帶電的，當緊急制動指令發(fā)出時，安全環(huán)路失電，實施緊急制動。緊急制動后在列車完全停止前是不能緩解的。

動車組緊急制動可以通過3種冗余模式可靠施加：

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

（2）BCU獲得緊急制動安全環(huán)路的狀態(tài)信息，實施冗余緊急制動控制；

（3）對于有備用制動的列車，列車管壓力排空，備用制動系統(tǒng)施加冗余緊急制動。

圖3 某車型的緊急制動安全環(huán)路原理

2 動車組制動系統(tǒng)的安全保障措施

為保證列車的運用安全性，制動系統(tǒng)、重要子系統(tǒng)、關鍵部件和控制軟件在保證自身可靠性的同時，在列車安全性上具有高度冗余性。即使制動系統(tǒng)故障，也能夠保證列車安全制動停車，并具有使列車移動到下一站的制動能力，見表1。

3 動車組制動系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)

在保證動車組制動系統(tǒng)可靠性的同時，為監(jiān)測制動系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，制動系統(tǒng)還設有自己的故障診斷系統(tǒng)，實時診斷制動系統(tǒng)的狀態(tài)。

動車組制動系統(tǒng)的故障診斷以行車安全作為首要考慮因素，故障診斷系統(tǒng)可確認、評估、報告在所有的操作模式中發(fā)生的多數(shù)故障，包括故障對系統(tǒng)自身以及對其它系統(tǒng)的影響，便于系統(tǒng)維護、故障定位查找和分析故障成因。動車組在運行過程中，有關運行參數(shù)、過程數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡接口實時傳輸至中央診斷系統(tǒng)，用于實時監(jiān)控列車狀態(tài)并報告可能發(fā)生的故障和錯誤。

制動系統(tǒng)診斷出故障時，列車將根據(jù)故障等級自動進行故障導向安全控制，保證列車安全、受控的運行。同時列車診斷系統(tǒng)將故障原因、功能限制、提示操作等信息告知司機、列車員，用于采取相關的補救措施。

動車組按故障影響程度設定了故障等級。發(fā)生各級故障的時候，將通過列車自動限速運行或者安全停車，以保障行車安全。

以CRH3型動車組為例，對于6類可能危及行車安全的制動系統(tǒng)重大故障，除自身進行故障導向安全控制，也將通過與列車中央控制單元聯(lián)鎖，使得列車限速運行，以保障列車運行安全。

表1 制動系統(tǒng)的安全保障措施

表2 CRH3車型主要故障的導向安全控制

CRH2型動車組制動系統(tǒng)在自身執(zhí)行故障導向安全控制的同時，也將重要的診斷信息傳輸至列車管理系統(tǒng)，向司機提示當前列車的工作狀態(tài)，由司機進行人工控制。

4 結論

（1）先進的動車組制動系統(tǒng)設計，使列車有足夠的制動能力，保證列車在規(guī)定的制動距離內(nèi)安全停車。

（2）動車組制動系統(tǒng)在安全性上具有高度冗余性，即使制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也能保證列車安全停車，或在可控狀態(tài)下安全運行。

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

［1］時速350公里新一代動車組技術條件［S］.鐵道部運裝客車〔2010〕253號文件.

［2］張曙光.中國高速鐵路技術叢書.CRH1型動車組［M］.第1版.北京：中國鐵道出版社，2008.1－8.388－402.

［3］張曙光.中國高速鐵路技術叢書.CRH2型動車組［M］.第1版.北京：中國鐵道出版社，2008.1－8.402－428.

［4］西門子.CRH3設計概念之制動系統(tǒng)和壓縮空氣供應［R］.2006，1－24.

［5］張曙光.中國高速鐵路技術叢書.CRH5型動車組［M］.第1版.北京：中國鐵道出版社，2008，1－8.400－432.