CRH5A 動車組制動安全環(huán)路優(yōu)化方案研究

劉克思，張遠東，欒珂，張欣冉

（1 中國鐵路濟南局集團有限公司 青島動車段，山東青島 266011；2 中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100860；3 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京 210031；4 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031）

制動安全環(huán)路通過監(jiān)控相關設備狀態(tài)，當出現(xiàn)不安全因素時，應及時斷開制動安全環(huán)路實施緊急制動，確保動車組安全停車［1］。當動車組在運用區(qū)間內發(fā)生制動安全環(huán)路斷開故障后，應及時查找原因并排除故障點，若短時間內無法排除故障則應在確保安全的前提下隔離故障點，重新建立制動安全環(huán)路進行緩解，維持動車組繼續(xù)運行，避免動車組在區(qū)間救援，減少對運輸秩序的影響［2］。為了解決因制動安全環(huán)路斷開不能緩解的問題，采用合理設置旁路功能屏蔽制動安全環(huán)路中的相關故障點，可有效提高動車組繼續(xù)運行能力［3-5］。

近年來，CRH5A 動車組多次在運行途中發(fā)生制動安全環(huán)路異常斷開、觸發(fā)緊急制動導致區(qū)間停車，在故障檢查處置過程中，涉及的司機操作設備、控制繼電器及電氣線路較為復雜，現(xiàn)有列車中央控制系統(tǒng)無法及時診斷并準確報出具體故障點，監(jiān)控屏僅顯示安全環(huán)路斷開，無其他故障信息提示，隨車機械師難以查明問題原因并做出快速處置，制動安全環(huán)路沒有設置相關旁路功能，全列緊急制動無法緩解，通過隔離ATP、斷蓄電池復位等處置均無效，最終需要通過動車組救援或重聯(lián)解編后列車分部運行的方式調出區(qū)間，嚴重影響運輸秩序。為了解決上述問題，文中結合CRH5A動車組電氣原理圖，梳理制動安全環(huán)路的問題，并研究設置旁路功能的優(yōu)化方案，分析實施旁路功能后對動車組行車安全的影響，給出制動安全環(huán)路斷開故障后的應急處置操作建議。

1 安全環(huán)路

1.1 安全環(huán)路概念

為提升動車組安全性和可靠性，動車組設計了以“故障導向安全”為原則的安全環(huán)路，將影響動車組安全運行的各種不安全因素串聯(lián)在安全環(huán)路中，動車組出現(xiàn)緊急情況時，不依賴列車中央控制系統(tǒng)的前提下能夠安全停車，為列車提供獨立于列車中央控制系統(tǒng)之外的安全保護。

1.2 安全環(huán)路原理

安全環(huán)路由環(huán)路中斷器（LIA）、環(huán)路控制線（LCL）、環(huán)路狀態(tài)線（LSL）及環(huán)路狀態(tài)繼電器（LP）組成。當蓄電池打開，電源向安全環(huán)路控制線供電，列車安全環(huán)路的控制通過布置于整列車的監(jiān)控接觸元件（環(huán)路中斷器）實現(xiàn)。安全環(huán)路控制線的信息傳遞到端車的環(huán)路狀態(tài)線中，該狀態(tài)線按順序將信息傳遞到整列車，并由環(huán)路狀態(tài)評估元件（環(huán)路狀態(tài)繼電器）執(zhí)行整個安全環(huán)路的狀態(tài)檢測。安全環(huán)路斷電時，環(huán)路控制線及狀態(tài)線也會失電，環(huán)路狀態(tài)繼電器失電，各車的環(huán)路狀態(tài)繼電器響應控制線及狀態(tài)線的變化，并對列車或單車執(zhí)行相應操作。

2 CRH5A 動車組制動安全環(huán)路現(xiàn)狀

2.1 緊急制動控制原理

CRH5A 動車組制動系統(tǒng)包括計算機控制的電空直通制動系統(tǒng)和用于救援回送的備用空氣制動系統(tǒng)，常用制動為電空復合制動，緊急制動為純空氣制動，緊急制動可由安全環(huán)路直接觸發(fā)，其控制原理如圖1 所示。

圖1 CRH5A 動車組緊急制動控制原理圖

動車組列車正常運行時，安全環(huán)路保持閉合狀態(tài)，兩頭車緊急制動閥（N02）得電關閉，列車管保持定壓狀態(tài)；各車緊急制動電磁閥（B60.05）得電，緊急制動處于緩解狀態(tài)。當列車運行監(jiān)控系統(tǒng)檢測到影響運行安全的設備故障或車輛控制器發(fā)出緊急制動請求時，動車組安全環(huán)路斷開，N02失電打開，快速排空列車管壓力，此時，動車組各車分配閥（B55）動作，向中繼閥（B60.04，B60.19）輸送間接制動預控壓力；同時，各車緊急制動電磁閥（B60.05）失電，向中繼閥（B60.04，B60.19）輸送直接制動預控壓力，兩者互為冗余，較大的預控壓力經空重車調整閥（B60.06）作用于中繼閥；在預控壓力作用下，總風壓力經中繼閥的流量放大后，最終作用于基礎制動裝置，從而施加與載荷相對應的緊急制動力。另外，CRH5A 動車組安全環(huán)路的斷開信號會通過網(wǎng)絡傳輸給各車制動控制裝置（BCU），BCU 會控制電空轉換閥（B60.02）輸出接近于緊急制動預控壓力的備份預控壓力。

2.2 制動安全環(huán)路工作原理

CRH5A 動車組安全環(huán)路由尾車司機室控制柜（QCA 柜）內30Q103 斷路器供電，貫穿全列到主控車。安全環(huán)路中斷器（觸發(fā)源）包括牽引制動手柄、備用制動手柄、緊急制動按鈕、停放制動、警惕裝置、ATP/LKJ 等。通過操作牽引制動手柄至緊急制動位、備用制動手柄、按下緊急制動按鈕、列車運行途中停放制動非正常施加、司機警惕裝置動作、ATP/LKJ 安全防護功能觸發(fā)等，均可斷開安全環(huán)路，致使安全環(huán)路狀態(tài)繼電器（30K12）失電，導致緊急制動閥（N02）和緊急制動電磁閥（B60.05）失電，進而觸發(fā)列車緊急制動，確保動車組安全停車。安全環(huán)路示意圖如圖2 所示。

圖2 CRH5A 動車組安全環(huán)路示意圖

為避免司機警惕裝置及ATP/LKJ 裝置錯誤觸發(fā)造成列車緊急制動無法正常緩解，CRH5A 動車組增設了隔離警惕裝置旋鈕及ATP/LKJ 裝置緊急制動隔離開關。將上述開關操作至隔離位，可旁路相關設備，重新建立安全環(huán)路。ATP/LKJ 緊急制動旁路后，動車組須限速40 km/h 運行。

2.3 存在的問題

CRH5A 動車組既有制動安全環(huán)路涉及的設備、繼電器及電氣線路比較多，任一單點故障或異常均會造成整個安全環(huán)路斷開，但網(wǎng)絡系統(tǒng)不能做到完全監(jiān)控，無法診斷出故障點，車載裝置沒有故障信息提示，因此現(xiàn)場應急處置存在盲點；安全環(huán)路中設備故障造成環(huán)路斷開后，自動觸發(fā)緊急制動并無法緩解，此時需閉合安全環(huán)路方可恢復行車，目前僅對司機警惕裝置、ATP/LKJ 裝置設有隔離功能，其他點位故障無法直接操作隔離，難以快速應急處置。

3 制動安全環(huán)路優(yōu)化方案

3.1 增設旁路開關及功能分析

為進一步提升CRH5A 動車組安全環(huán)路的可靠性，以及環(huán)路異常斷開時應急處置的可操作性，基于各鐵路局運用實際情況，在1 車/8 車新增旁路空開1（暫定為30Q107）和新增旁路空開2（暫定為30Q108），實現(xiàn)對司機警惕裝置及ATP/LKJ 裝置以外其他設備的可靠隔離或旁路。動車組正常工作時，新增旁路空開1 和新增旁路空開2 均處于斷開位（使用鉛封封鎖），應急處置時去除鉛封并閉合開關。具體工作原理如下：

（1）當單獨閉合占用端新增旁路空開1時，安全環(huán)路上非主控端和中間車線路及設備被旁路，此時非主控端的牽引制動手柄、緊急制動按鈕、備用制動手柄將無法斷開安全環(huán)路，同時停放制動非正常施加也無法自動斷開安全環(huán)路。新增旁路空開1 閉合后安全環(huán)路的電氣原理如圖3 所示。

圖3 新增旁路空開1 閉合后安全環(huán)路的電氣原理

（2）當單獨閉合占用端新增旁路空開2時，安全環(huán)路上主控端線路及設備被旁路，此時主控端的牽引制動手柄、緊急制動按鈕、備用制動手柄、司機警惕裝置將無法斷開安全環(huán)路，同時牽引傳動裝置損壞也無法自動斷開安全環(huán)路。新增旁路空開2 閉合后安全環(huán)路的電氣原理如圖4 所示。

圖4 新增旁路空開2 閉合后安全環(huán)路的電氣原理

（3）當同時閉合占用端新增旁路空開1 和新增旁路空開2時，安全環(huán)路上非主控端、中間車和主控端線路及設備被旁路，此時非主控端的牽引制動手柄、緊急制動按鈕、備用制動手柄和主控端的牽引制動手柄、緊急制動按鈕、備用制動手柄、司機警惕裝置將無法斷開安全環(huán)路，同時停放制動非正常施加和牽引傳動裝置損壞也無法自動斷開安全環(huán)路。

3.2 對行車安全影響分析

新增旁路開關閉合后，對安全環(huán)路各個觸發(fā)源動作后動車組的響應和行車安全影響進行了評估分析，并提出了應急操作建議。

3.2.1 旁路從控車的安全環(huán)路控制

動車組閉合新增旁路空開1后，此時主控端的牽引/制動手柄、緊急制動按鈕、備用制動手柄、司機警惕裝置、牽引傳動監(jiān)控系統(tǒng)報警、ATP/LKJ 裝置緊急制動觸發(fā)可以斷開安全環(huán)路，觸發(fā)動車組緊急制動。但以下觸發(fā)源的功能將受限：非主控端的牽引/制動手柄、緊急制動按鈕、備用制動手柄無法斷開動車組安全環(huán)路，帶有停放制動的車輛停放制動非正常施加后也無法自動斷開動車組安全環(huán)路。

在尾車安全環(huán)路供電失效情況下，單獨閉合新增旁路空開1，此時，操作主控車牽引制動手柄至緊急制動位、備用制動手柄、緊急制動按鈕、列車運行途中主控車停放制動非正常施加、司機警惕裝置動作、ATP/LKJ 安全防護功能觸發(fā)，均可斷開安全環(huán)路，觸發(fā)動車組緊急制動停車，列車安全運行不受影響。但須密切關注其他車輛（除主控車以外）停放制動緩解狀態(tài)，如TD 屏彈出“列車運行過程中，停放制動非正常施加，安全環(huán)路斷開”的報文信息，需人工干預并制動停車，可使用最大常用制動，也可通過按下緊急制動按鈕。

在退行情況下，遇突發(fā)情況時列車工作人員操作非主控車牽引制動手柄置緊急制動位、備用制動手柄、緊急制動按鈕均無法斷開安全環(huán)路。考慮CRH5A 動車組設有基于列車管排風的備用空氣制動系統(tǒng)，緊急制動按鈕又具備機械排風功能，可通過緊急制動按鈕排空列車管，實現(xiàn)動車組緊急制動施加。

另外，為避免動車組高速運行時停放制動異常施加導致車輪擦傷的風險，新增旁路空開1 閉合后，可按限速120 km/h 維持運行，動車組終到停車換端前，須斷開被操作的旁路開關，并重新評估安全環(huán)路情況。

3.2.2 旁路主控車的安全環(huán)路控制

動車組閉合新增旁路空開2后，此時僅主控端的ATP/LKJ 可以斷開安全環(huán)路，觸發(fā)動車組緊急制動。但下列觸發(fā)源的功能將受限：主控端的牽引/制動手柄、緊急制動按鈕、備用制動手柄、司機警惕裝置、牽引傳動裝置損壞等均無法斷開安全環(huán)路。當遇到特殊情況需要動車組輸出緊急制動時，可通過按下緊急制動按鈕（機械式排風功能）排空列車管風壓施加緊急制動停車。在退行情況下，遇突發(fā)情況時列車工作人員操作非主控車牽引制動手柄置緊急制動位，備用制動手柄、緊急制動按鈕均可斷開安全環(huán)路，退行安全不受影響。

綜合評估各種運行工況，考慮主控車緊急制動功能嚴重受限時對安全行車的影響，可選擇進一步降低運行速度，并維持運行至具備條件的車站更換車底。遇有特殊情況，基于安全考慮，可通過臨時恢復主控車新增旁路空開2，斷開安全環(huán)路，重新觸發(fā)緊急制動停車。

3.2.3 旁路全部環(huán)路控制

安全環(huán)路特定故障工況下，需同時閉合新增旁路空開1 和新增旁路空開2，相比上述2 種單獨閉合情況，動車組緊急制動功能將進一步失效，全列僅剩ATP/LKJ 可斷開安全環(huán)路，車輛停放制動異常施加導致車輪擦傷的風險將增加，可選擇低速運行至最近車站更換車底。當遇到特殊情況需要動車組輸出緊急制動時，可通過按下緊急制動按鈕（機械式排風功能）排空列車管風壓施加緊急制動停車。

3.3 對檢修維護影響分析

動車組日常檢修作業(yè)時，需檢查確認新增旁路空開1 和新增旁路空開2 是否處于斷開狀態(tài)，旁路開關的鉛封處于正常狀態(tài)。動車組因安全環(huán)路故障而啟用旁路開關時，回庫后應處理故障并恢復旁路開關，并重新設置鉛封。

3.4 應急處置操作建議

CRH5A 動車組出現(xiàn)安全環(huán)路無法建立故障時，閉合占用端新增旁路空開1后，如安全環(huán)路能夠建立，則限速120 km/h 維持運行；如安全環(huán)路仍無法建立，則繼續(xù)閉合占用端新增旁路空開2，如安全環(huán)路能夠建立，則限速120 km/h 維持運行。后續(xù)動車組停車換端前，需恢復所有旁路開關。此外，如出現(xiàn)停放制動非正常施加故障提示或牽引傳動裝置損壞故障提示時，需人工干預并制動停車，避免進一步擴大故障風險。

4 結論

在CRH5A 動車組制動安全環(huán)路上新增旁路空開1 和旁路空開2，可以在制動安全環(huán)路因特定故障斷開導致列車緊急制動且無法緩解情況下，通過閉合旁路開關可以屏蔽相關觸發(fā)源故障重新建立安全環(huán)路以實現(xiàn)列車緩解，其中新增旁路空開1閉合時可以對非主控端車輛的相關觸發(fā)源故障進行屏蔽、新增旁路空開2 閉合時可以對主控端車輛的相關觸發(fā)源故障進行屏蔽，此時動車組可以自走行至前方車站，避免在區(qū)間內停車等待救援，對保障高鐵運輸秩序意義重大。

同時，鑒于操作新增旁路開關后對動車組運行有限制條件，下一步可結合列車軟件升級，研究增加特定診斷代碼，完善相關操作提示，為司機及隨車機械師應急處置提供操作明確的指導意見。后續(xù)，還可結合動車組壽命中期整修進一步研究增加安全環(huán)路監(jiān)控及檢測設備，用于準確判斷安全環(huán)路斷點位置，自動識別并隔離相關故障點，進一步提升動車組應急處置效率。