軌道交通動(dòng)車(chē)組單雙管制制動(dòng)系統(tǒng)可靠性建模

祝 露 李紅軍

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804 上海；2.長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，220100 長(zhǎng)春∥第一作者，博士研究生）

保證列車(chē)的安全正點(diǎn)是軌道交通運(yùn)營(yíng)追求的目標(biāo)，其中列車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)起著必不可少的作用。通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠調(diào)節(jié)，列車(chē)才能及時(shí)準(zhǔn)確地改變速度，在預(yù)定地點(diǎn)停車(chē)，以保證正常的運(yùn)輸秩序，同時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)由于故障而造成的后果比失去牽引力更為嚴(yán)重，因此制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性就顯得極為重要。

1 單雙管制制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

單管制制動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)一套獨(dú)立完整的制動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)控制制動(dòng)缸的相應(yīng)動(dòng)作。一般而言，壓縮空氣只能夠通過(guò)總風(fēng)管進(jìn)入到制動(dòng)控制設(shè)備中，因而被稱(chēng)為單管制制動(dòng)系統(tǒng)。單管制制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，維護(hù)維修方便，降低了列車(chē)的運(yùn)行成本。目前城市軌道交通交通車(chē)輛主要采用單管制制動(dòng)系統(tǒng)。

與單管制制動(dòng)系統(tǒng)相比較，雙管制制動(dòng)系統(tǒng)在單管制制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了一套純空氣式的備用制動(dòng)控制系統(tǒng)，主要用于主制動(dòng)系統(tǒng)失靈時(shí)的列車(chē)救援、列車(chē)回送等情況。備用制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作不受總風(fēng)管的影響，只受列車(chē)管的減壓量控制。因而，在總風(fēng)管的基礎(chǔ)上又增設(shè)了一根列車(chē)管，此雙管控制方式稱(chēng)為雙管制制動(dòng)系統(tǒng)。目前，雙管制制動(dòng)系統(tǒng)在一些動(dòng)車(chē)組車(chē)輛上有所使用。

2 單雙管制制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

本文單管制制動(dòng)系統(tǒng)以“和諧號(hào)”CRH2 型動(dòng)車(chē)組為研究對(duì)象，雙管制制動(dòng)系統(tǒng)以“中華之星”和“和諧號(hào)”CRH3 型動(dòng)車(chē)組為研究對(duì)象。以下將詳細(xì)分析這三種車(chē)型制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理。

2.1 CRH2型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)

CRH2型動(dòng)車(chē)組采用的是單管制制動(dòng)系統(tǒng)，其制動(dòng)系統(tǒng)為微機(jī)直通電空制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)時(shí)電制動(dòng)（再生制動(dòng)）優(yōu)先，盡最大能力充分發(fā)揮電制動(dòng)作用；在電制動(dòng)不足或電制動(dòng)失效的情況下，由空氣制動(dòng)力補(bǔ)充。制動(dòng)控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制，接受司機(jī)控制器、列車(chē)控制系統(tǒng)、ATP（列車(chē)自動(dòng)防護(hù)）的控制指令，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及硬線(xiàn)傳送至各車(chē)的制動(dòng)控制單元；同時(shí)，制動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)制動(dòng)力要求及再生制動(dòng)能力，計(jì)算所需的空氣制動(dòng)力，控制各車(chē)施加空氣制動(dòng)。

2.2 CRH3型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)

CRH3型動(dòng)車(chē)組采用的是雙管制制動(dòng)系統(tǒng)。列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)包括有直通式制動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)式制動(dòng)系統(tǒng)。直通式制動(dòng)系統(tǒng)為主制動(dòng)系統(tǒng)，是一套由電氣直接控制氣動(dòng)摩擦制動(dòng)的制動(dòng)系統(tǒng)；自動(dòng)式制動(dòng)系統(tǒng)為備用制動(dòng)系統(tǒng)，是一套自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)。

CRH3型動(dòng)車(chē)組的備用制動(dòng)系統(tǒng)在電控直通空氣制動(dòng)無(wú)法使用時(shí)（故障或救援／回送狀態(tài)）通過(guò)司機(jī)手柄人工啟用。備用制動(dòng)啟用后，主制動(dòng)控制手柄的制動(dòng)控制被切斷，電制動(dòng)無(wú)法使用。CRH3型動(dòng)車(chē)組的直通電空制動(dòng)與CRH2型動(dòng)車(chē)組的工作原理類(lèi)似，不再贅述。

2.3 “中華之星”制動(dòng)系統(tǒng)

“中華之星”制動(dòng)系統(tǒng)采用的是雙管制制動(dòng)系統(tǒng)，該制動(dòng)系統(tǒng)主要由微機(jī)直通電空制動(dòng)、基礎(chǔ)制動(dòng)、防滑器及備用自動(dòng)空氣制動(dòng)等4 個(gè)部分組成。其中，備用自動(dòng)空氣制動(dòng)采用自動(dòng)空氣制動(dòng)裝置。它不但能與既有的機(jī)車(chē)車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)掛，還能以熱備用的方式實(shí)施與電空制動(dòng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

直通電空制動(dòng)系統(tǒng)采用F8空氣制動(dòng)機(jī)作熱備用，其切換邏輯如圖1圖所示。當(dāng)電空制動(dòng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，氣路集成板上的空／電轉(zhuǎn)換閥得電?？眨娹D(zhuǎn)換閥將電空制動(dòng)中繼閥的輸出壓力通往制動(dòng)缸，使制動(dòng)缸的壓力受電空制動(dòng)系統(tǒng)控制。當(dāng)電空制動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有正常投入工作時(shí)，空／電轉(zhuǎn)換閥失電，F(xiàn)8空氣制動(dòng)機(jī)的輸出通往制動(dòng)缸，制動(dòng)缸壓力受F8分配閥控制，相當(dāng)于普通空氣制動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 “中華之星”動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)電空制動(dòng)與備用空氣制動(dòng)的切換

空／電轉(zhuǎn)換閥能否得電取決于2個(gè)條件：1個(gè)條件是制動(dòng)總線(xiàn)上的空電轉(zhuǎn)換線(xiàn)有電；另一個(gè)條件是本車(chē)的BCU（制動(dòng)控制單元）空／電轉(zhuǎn)換控制在電空位。

3 單雙管制制動(dòng)系統(tǒng)可靠性模型

典型的可靠性模型有串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、旁聯(lián)模型和表決模型等。旁聯(lián)模型表示冷儲(chǔ)備的邏輯關(guān)系，構(gòu)成模型的各個(gè)通路具有一定的優(yōu)先級(jí)，初始工作通路故障時(shí)切換至第一備用通路，第一備用通路故障時(shí)切換至第二備用通路，以此類(lèi)推，如圖2所示。本文采用旁聯(lián)模型對(duì)單雙管制制動(dòng)系統(tǒng)建立可靠性模型。

圖2 旁聯(lián)模型

根據(jù)CRH2型動(dòng)車(chē)組、CRH3 型動(dòng)車(chē)組及“中華之星”動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，建立如圖3～圖5所示的可靠性模型框圖。

圖3 CRH2型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)可靠性模型

圖4 CRH3型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)可靠性模型

圖5 “中華之星”動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)可靠性模型

根據(jù)可靠性計(jì)算的相似產(chǎn)品法，以同類(lèi)型某制動(dòng)系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)估算動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)可靠度函數(shù)。制動(dòng)系統(tǒng)各部件的工作故障率λ如表1所示［5］。

表1 制動(dòng)系統(tǒng)各部分工作故障率表

3.1 CRH2型動(dòng)車(chē)組可靠性模型

根據(jù)可靠性理論，車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的故障率為：

假設(shè)部件均服從指數(shù)分布，則根據(jù)指數(shù)分布的可靠度與工作故障率之間的關(guān)系可得到CRH2型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的可靠度為：

式中，t為制動(dòng)系統(tǒng)的工作時(shí)間。

3.2 CRH3型動(dòng)車(chē)組可靠性模型

在圖4中，CRH3型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)1為司機(jī)手動(dòng)操作，此時(shí)可假設(shè)司機(jī)操作無(wú)誤，則其可靠度為1。

根據(jù)可靠性理論，直通制動(dòng)系統(tǒng)的故障率為：

假設(shè)各個(gè)部件服從指數(shù)分布，則其平均無(wú)故障工作時(shí)間為：

模塊A 的平均無(wú)故障時(shí)間為：

則模塊A 的工作故障率為：

制動(dòng)系統(tǒng)的總故障率為：

假設(shè)部件均服從指數(shù)分布，則根據(jù)指數(shù)分布的可靠度與工作故障率之間的關(guān)系得到CRH3型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的可靠度為：

3.3 “中華之星”動(dòng)車(chē)組可靠性模型

由于開(kāi)關(guān)2（見(jiàn)圖5）是在列車(chē)安全線(xiàn)斷裂或者車(chē)輛BCU 出現(xiàn)故障而不能夠正常工作時(shí)自動(dòng)切換的，因而其故障率為：

現(xiàn)以一般分配閥的故障率取代F8型分配閥的故障率，則模塊B的平均無(wú)故障時(shí)間為：

模塊C 的平均無(wú)故障時(shí)間為：

則整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間為：

根據(jù)指數(shù)分布的可靠度與平均無(wú)故障工作時(shí)間之間的關(guān)系，該制動(dòng)系統(tǒng)的可靠度為：

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)可靠度函數(shù)，分別計(jì)算“中華之星”、CRH3型動(dòng)車(chē)組雙管制制動(dòng)系統(tǒng)以及CHR2 型動(dòng)車(chē)組直通電空單管制制動(dòng)系統(tǒng)的可靠度函數(shù)曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 各動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的可靠度函數(shù)曲線(xiàn)

通過(guò)圖6 可以發(fā)現(xiàn)，在相同的工作時(shí)間內(nèi)CRH3型動(dòng)車(chē)組的可靠度最高，其次分別為CRH2型動(dòng)車(chē)組和“中華之星”動(dòng)車(chē)組。比較CRH2型動(dòng)車(chē)組和CRH3型動(dòng)車(chē)組可以知道，采用雙管制制動(dòng)系統(tǒng)可增加整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠度，從而提高了制動(dòng)安全性。

由圖6可知，“中華之星”動(dòng)車(chē)組的可靠度最低，這是因?yàn)椋孩佟爸腥A之星”動(dòng)車(chē)組采用的是自動(dòng)切換方式，而CRH3型動(dòng)車(chē)組采用的是人工手動(dòng)切換，在計(jì)算可靠度時(shí)默認(rèn)手動(dòng)切換的可靠度為1；雖然說(shuō)自動(dòng)切換能夠減少響應(yīng)時(shí)間，從而降低縱向沖動(dòng)等不利因素的影響，但是依靠零部件自身可靠度來(lái)實(shí)施備用制動(dòng)與主制動(dòng)之間的切換，本身已經(jīng)降低了整體制動(dòng)系統(tǒng)的可靠度。②“中華之星”動(dòng)車(chē)組與CRH3型動(dòng)車(chē)組相比會(huì)發(fā)現(xiàn)，主制動(dòng)與備用制動(dòng)之間的連接元器件的可靠度相差很大，其中“中華之星”動(dòng)車(chē)組的空／電轉(zhuǎn)換電磁閥的可靠度較低，進(jìn)而影響到了整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠度。由此可見(jiàn)，中間連接器件的可靠度對(duì)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)還是十分關(guān)鍵的。

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