动车组制动系统故障对行车安全影响的分析

2013-09-04石先明

铁道标准设计 2013年2期

石先明

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

毫无疑问，安全是铁路永恒的主题，要确保行车安全，列车制动系统是基础、是核心，必须选用高安全、高可靠、性能优异的制动系统设备。然而，任何设备都有可能故障，列车制动系统发生故障后，不同的故障会产生什么样的后果?列车继续运行是否有足够的安全保障?其安全与速度之间存在什么样的关系?这些问题至关重要。以CRH2型动车组为例，分析我国动车组列车制动系统自身的安全保障措施，并通过理论计算，深入分析动车组列车制动系统故障后对行车安全的影响程度。限于篇幅的原因，将另行专题研究动车组列车制动系统故障后的安全防护对策。

1 动车组制动系统构成及工作模式

1.1 动车组制动系统构成及其特点

我国目前运营的动车组有 CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380等，构成 CRH系列，广泛用于 200 km/h以上既有线提速区段和新建客运专线旅客运输［1-3］。CRH系列动车组都采用电气指令微机控制的电空复合制动，即空气制动与动力制动复合形成列车的制动力。动力制动是一种电制动，在动车组上大都以再生制动的方式存在。

动力(再生)制动是常用制动优先使用的一种制动方式，列车制动时，优先使用再生制动，当其制动力不足时，由空气制动来补充。当列车减慢到很低的速度时，动力制动能力减弱，甚至减到零。为了在低速阶段仍能得到制动力，随着速度的减少，逐步加入空气制动，最后全部取代动力制动。

另外，CRH系列动车组采用动力分散方式，其制动系统也采用分散方式，分布在各个车辆上的制动子系统设备通过协同工作，使列车具有足够的制动力，保护列车运行安全。

CRH2型动车组制动系统主要由制动控制系统、基础制动装置及空气供给系统三大部分组成［4］。

1.1.1 制动控制系统

制动控制系统主要包括制动信号发生装置、制动信号传输装置和制动控制装置。

制动信号发生装置包括司机制动控制器和制动指令转换装置。司机制动控制器位于1、8号(16号)车驾驶室操纵控制台上。另外各驾驶室内安装1台制动指令转换装置，在动车组救援时，将连挂机车的列车管空气压力变化信号转换成电信号，实施列车制动。

制动信号传输装置主要用于接收、传输制动指令及制动状态信息。

制动控制装置主要用于接收制动指令、实施制动力控制、防滑控制、故障诊断及信息传输等。其内部集成了制动控制器(BCU)、空气阀类组件、风缸等设备。

制动控制装置接收列车网络以及指令线所发的常用制动或快速制动指令，根据车辆速度、空气弹簧压力等各项因素，算出必要的空气制动力，输出到电空转换阀进行电空转换，然后供给中继阀，经中继阀放大流量后，压力空气通过防滑阀到达制动缸。

制动控制装置可以实时将监测到的制动信息(如总风压力、制动缸压力、空气弹簧压力等)通过列车网络传输至车辆信息显示器上。若车轮抱死、传感器传输异常等故障发生时，故障信息会立即通过列车网络传输至车辆信息显示器上，报警并弹出故障信息。

1.1.2 基础制动系统

CRH2型动车组的基础制动装置采用气压-油压转换的液压夹钳式盘型制动装置，列车制动管的压缩空气需要经过增压缸的转换，之后向制动夹钳的油缸输出高压油液，推动夹钳活塞上的闸片夹紧制动盘形成制动力。

1.1.3 空气供给系统

动车组空气供给系统主要由主空气压缩机、辅助压缩机、储风缸、主风缸管路、空气干燥剂、空气过滤器及其相关的辅助设备等组成。

8辆编组的CRH2型动车组的风源系统有2套:一套是3台主空气压缩机组成的主风源，分别位于3、5、7号车，主要为空气制动系统供风，同时为气动辅助设备(包括风笛、空气簧、门控、集便器等)提供风源;另一套为3台辅助空气压缩机，分别位于2、4、6号车，主要为受电弓升降弓装置、真空断路器提供风源。

CRH2型动车组的风缸采用冗余设计，即使其中一半的压缩机不能工作，供风系统也能满足各用风装置的正常用风要求，整个制动系统仍能正常工作。

CRH2型动车组的供风系统由列车主控计算机监控，正常情况下，系统自动工作，压缩机为管路与储风缸加压，通过压力传感器，监测气压达到设定值时，风缸停止工作。在列车运行过程中，如果压力下降到某一值，主压缩机开始启动;如果压力继续下降第二压缩机启动;如果进一步下降，第三压缩机启动，当气压低于警戒值时，自动实施紧急制动，保障行车安全。

1.2 动车组制动模式

动车组运行时的制动工况最主要有2种:常用制动和紧急制动，各型动车组还有一些自身特色的其他制动功能，如CRH2型动车组还有快速制动、辅助制动等功能。常用制动是动车组常用的制动控制方式，用于正常的调速或停车。紧急制动用于紧急情况下的最大减速停车。

CRH2型动车组司机制动控制器设置“运行”位、1～7级常用制动位、“快速”制动位以及“拔取”位等。

1.2.1 常用、快速制动

CRH2型动车组在常用、快速制动情况下，基于预先设定的制动模式曲线控制列车减速或者停车，采用具有时间常数的柔性控制方式，对列车减速度变化率进行控制。

制动控制装置具有空重车调整功能，常用、快速制动时，减速度不受列车荷载的影响，动车组按照设定的减速度特性进行制动控制。

1.2.2 紧急制动

CRH2型动车组设有贯穿全列车的“得电缓解”紧急制动回路，回路失电时列车立即实施紧急制动。

在驾驶室内设有紧急制动开关，紧急情况下(如总风缸压力不足，或列车分离，或紧急制动回路中断或失电，或检测到制动力不足，或列车运行控制系统发出紧急制动指令，或紧急电磁阀失电，或紧急制动开关动作时)，紧急制动可以由司机起动或自动触发。紧急制动时，动车组防滑装置正常起作用进行防滑控制，避免车轮擦伤。

紧急制动作用时，同时自动触发快速制动，制动控制装置按照高位输出的原则输出制动缸压力。

1.2.3 辅助制动

CRH2型动车组在两头车设置辅助制动模式发生器，当制动控制装置异常、制动指令线断线以及传输异常等情况下需要维持动车组低速运行时，闭合驾驶室内辅助制动断路器，通过操作司机制动控制器，在两头车实施辅助制动，能产生相当于3级、5级、7级常用制动及快速制动。

2 动车组制动系统安全保障措施

从上可知，动车组制动系统是一个结构复杂、功能强大的自动控制系统和制动执行设备，自身具有非常完备的故障监测、报警和故障导向安全的控制功能，当制动系统的某一部件发生故障时，监测装置会提示及报警，并采取相应的故障处理措施。表1归纳总结了CRH2型动车组列车制动系统的各种故障源及其处理对策措施。

表1 CRH2型动车组制动系统故障源及其导向安全策略

3 动车组制动系统故障后继续运行对行车安全的影响

表1反映的是动车组制动系统发生故障的那一时刻对行车安全的影响和应对措施，不涉及之后继续运行时的行车安全问题。根据《铁路客运专线技术管理办法(试行)(200～250 km/h部分)》［1］第 219 条、《铁路客运专线技术管理办法(试行)(300～350 km/h部分)》［2］第230条的规定，动车组列车在制动系统发生了故障、制动力被部分切除的情况下还需要继续运行;为保障行车安全，要求采取限速措施。那么仅仅采取限速措施，就可以保证行车安全吗?笔者认为有必要深入分析研究动车组制动系统故障后的行车安全问题。

3.1 动车组制动系统故障分类及对行车安全影响的初步分析

对表1中的各种故障源的后果进行分类梳理，可以细分出如下4类故障。

(1)第Ⅰ类故障:制动系统能自动监测到故障，故障后制动性能不受影响，列车可以继续正常运行。

这类故障又可以分为2种情况，一种是制动系统具有故障冗余设计，利用冗余(备用)设备继续保持动车组正常运行;另一种是动车组制动力没有下降，停车后，随车机械师检查故障原因，解除故障后，制动系统恢复完好，列车再起动后正常运行。如表1中的A.1.1司机制动控制器无制动指令输出、A.2.1光纤传输不良、A.3.1车重信息载荷信号异常、B.1.1空压机故障以及D.1.1无法实施电制动等故障。

此类故障发生时，列车制动系统性能不受影响，因此其安全性没有降低。

(2)第Ⅱ类故障:制动系统能自动监测到故障，故障后自动实施紧急制动，停车后不能继续运行。

表1中的A.3.3控制装置电源失电、B.1.2总风压力不足以及B.2.1列车分离等故障属于第Ⅱ类故障。该类故障发生时，制动系统自动触发紧急制动，紧急制动过程中，利用列车风管的保压量，其制动力并没有下降。因此，其制动过程是安全的。另外，列车停车后，因故障不能修复，只能等待救援。救援后的行车安全这里不予讨论。总之，第Ⅱ类故障没有安全性问题。

(3)第Ⅲ类故障:制动系统能自动监测到故障，故障后需采取“关门车”处理，司机根据“关门车”的数量按相关规定进行限速后，列车可以继续运行。

表1中的A.3.2个别车制动控制装置不能实施制动功能、A.3.4制动控制装置速度发电机断线、A.3.5制动力不足、A.3.6抱死、A.3.7制动不缓解以及B.2.2管路泄漏的故障都属于第Ⅲ类故障。

此类故障列控系统车载设备(以下简称为ATP)并不“知情”，对行车安全可能会产生一定影响。这是因为:部分车辆“关车门”后，该车辆的制动力也就不复存在，导致列车的整个制动性能下降，而ATP是按照列车制动系统工作正常、制动力为规定值并适当留出余量后对列车进行超速防护的。如果“关车门”数量较大，整个列车的实际制动力(或称剩余制动力)小于ATP的计算值时，列车在后续的运行中，ATP将难以保证列车不超速、不冒进。

(4)第Ⅳ类故障:动车组制动力降低，且其故障得不到监测。

表1中只有一种这类故障，就是动车组制动夹钳的工作状态无法完全被监测到，其发生故障后，动车组的制动力会降低，司机和控制系统(包括动车组制动控制系统和列控系统)均不能立即得到信息。

与第Ⅲ类故障一样，第Ⅳ类故障到达一定程度后，整个列车的实际制动力(或称剩余制动力)小于ATP的计算值，对行车安全可能会产生一定影响。

第Ⅳ类故障一旦被发现后，可以采取“关车门”方式，即转化为第Ⅲ类故障。

3.2 故障场景的安全性定量分析

限于篇幅，本文仅就CRH2型动车组在CTCS-2级列控系统完全监控模式下运行的特定条件，用定量分析法深入探讨动车组制动系统发生第Ⅲ、Ⅳ类故障后的安全性。

CRH2-200型动车组在正线上运行的最高速度为200 km/h，考虑到部分动车段(所)的走行线上的线路最高允许速度为120、80 km/h，或动车组在正线上因故限速160、120 km/h运行，因此，本文选取200、160、120、80 km/h四个速度档分别进行计算。

3.2.1 有关技术参数和计算公式

(1)列车取8辆编组，文献［1，2］要求动车组制动系统切除50%制动力时还能限速运行，因此本文考虑其中可能有1～4辆车的制动力丧失的故障，对应的制动力切除比例值分别为 1/8、2/8、3/8、4/8。

(2)线路平均坡度:文献［3］规定，高速铁路区间的线路坡度一般不大于20‰(困难时不大于30‰)，站内特别困难时可达6‰。

(3)道岔:高速铁路道岔选取18号和12号两种，其侧向正常运行速度分别为80、45 km/h(列控系统的允许运行速度)。

(4)CRH2-200 动车组制动性能［5］:

①最大常用制动减速度(7N)

a=0.747 2 (0～70 km/h)

a=0.933 6-0.002 662×v (70 ～118 km/h)

a=0.784 4-0.001 397 7×v (118 ～200 km/h)

②紧急制动减速度

③列车单位基本阻力

w0=0.880+0.007 44×v+0.000 114×v2

④制动延时空走时间

常用制动:2.3 s;

紧急制动:1.5 s。

(5)ATP生成最大常用制动曲线的制动力使用系数采用0.9，列车运行速度超过ATP允许运行速度5 km/h时触发常用制动，超过10 km/h(250 km/h以下)时触发紧急制动。

CRH系列动车组ATP计算的动车组制动距离Sz1采用以下公式［5］

式中 v0——制动初始速度，km/h;

v1，v2——分别为速度间隔的初速和末速，km/h;

tk——动车组空走时间，包括ATP延时时间、动车组制动系统延时时间，s;

a——动车组制动减速度(分常用制动和紧急制动);

β——ATP计算用制动力使用系数，紧急制动取1.0，常用制动取0.9;

w0——动车组列车单位基本阻力;

ij——制动地段加算坡度千分数，上坡取正值，下坡取负值。

(6)CRH系列动车组实际的制动距离Sz2算式如下

式中 η——制动力切除比例值(分别取1/8、2/8、3/8、4/8 等);

其余同(1)式。

(7)ATP 安全防护距离［6］

CTCS-2级列控系统的安全防护区位于信号机(点)的外方，其安全防护距离为区间110 m，站内60 m。由于ATP存在测速测距误差等原因，列车实际停车点有可能进入ATP的安全防护区内，因此，以下计算不应考虑ATP安全防护距离的作用。

3.2.2 列车正线停车(含区间)

假设动车组在起模点处超速而触发了最大常用制动，制动系统此时也恰巧发生了第Ⅲ类或第Ⅳ类故障。根据动车组列车在不同初始速度(指起模点处的运行速度，下同)、不同制动力切除比例、不同线路坡度条件，可以计算停车点冒进信号机(点)的距离，计算结果见表2。

表2 正线停车时列车冒进信号机(点)的距离 m

从表2可以得出这样的结论。

(1)列车冒进信号的距离值与列车的初始速度、切除后的剩余制动力、线路坡度等因素都有关系，但它们之间的关系比较复杂，不是简单的单调递增或递减的函数关系。

(2)只要切除了部分制动力(即使是切除1/8)，列车就有可能冒进信号机(点)。

(3)列车初始速度低时，冒进信号机的可能性反而更高，尽管其冒进的距离相对较短，但还是危及到行车安全。

(4)当制动力切除比例值≥3/8后，列车冒进信号的距离值较大;制动力切除比例值≥4/8后，列车冒进信号的距离值呈高速增长趋势。

出现上述现象的原因分析如下。

前已说过，ATP按上式(1)计算制动距离，其制动力使用系数(β)都是一个事先设定值(常用制动取0.9，紧急制动取1.0)，与列车实际制动力大小没有任何关系。而动车组实际制动曲线按上式(2)生成，列车剩余制动力的大小是由动车组各辆车的制动系统工作状态决定的，一旦某辆车(或某几辆车)的制动力因故丧失，会导致动车组整个制动系统的制动力下降。当动车组制动系统实际的剩余制动力小于ATP计算用制动力时，列车减速过程就会放缓，实际运行速度将越来越高于ATP常用制动允许的速度值。因此，动车组的实际制动曲线可能由2段曲线组成，如图1所示。第一段是从初始速度开始的常用制动曲线，该段曲线动车组使用剩余常用制动力;当该段曲线碰上ATP控制的紧急制动曲线时(图中的转换点处)，ATP立即转为紧急制动，第二段曲线是从转换点开始的紧急制动曲线，动车组使用剩余紧急制动力。

图1 动车组制动曲线关系

常用制动转紧急制动的转换点与初始速度、切除后的剩余制动力、线路坡度有关，基本规律是:初始速度越高，或剩余制动力越小，转换点就越早，常用制动段也就越短、紧急制动段越长，两者之间存在着此消彼长的关系。

当转换点发生得较早时，如果动车组剩余紧急制动力大于ATP的常用制动力取值，则紧急制动距离消减的效果可能比较明显，使得实际的整个制动距离值有可能小于ATP计算的常用制动距离值，此时，列车运行是安全的;但如果动车组剩余紧急制动力与ATP的常用制动力取值相差不大(有的列车在低速区就有这种现象)，则紧急制动距离消减的效果不大，使得实际的整个制动距离值仍有可能大于ATP计算的常用制动距离值，此时，列车将冒进信号机。

当转换点发生较晚时，常用制动段较长，常用制动距离延长的效果可能比较明显，使得实际的整个制动距离值大于ATP计算的常用制动距离值，列车将有可能冒进信号机。

还有一种情况，当动车组初始速度较低，或剩余制动力较大时，动车组的实际常用制动曲线虽然超过了ATP控制的最大常用制动曲线，但没有触碰到ATP控制的紧急制动曲线，没有触发紧急制动(即没有出现转换点)，整个制动过程只有一个常用制动段，这时，实际制动距离(或冒进信号机的距离)与列车初始速度、剩余制动力之间才是一种单调函数关系。

以上结论同样适用于下面侧线接车场景的分析。

3.2.3 列车侧线进站停车

按照列车制动系统发生故障的时机，又可以分为如下2种情形。

(1)列车在驶入进站信号机前发生制动系统故障时

当列车在越过进站信号机前发生动车组制动系统故障时，影响列车进站安全性的关键之处有2个方面:一是列车进站速度是会否超过道岔侧向限速(即是否会存在侧翻危险)，另一个是列车是否会冒进股道上的出站信号机或警冲标。

假设动车组在站外起模点处超速而触发了最大常用制动，制动系统此时也恰巧发生了第Ⅲ类或第Ⅳ类故障。根据动车组列车在不同初始速度、不同制动力切除比例、不同线路坡度和站内不同道岔号条件，可以计算列车侧向进站时的速度值和进入进站信号机后的制动走行距离值。表3、表4是站内采用18号道岔时的计算结果。

表3 侧线进站时列车速度km/h

表4 侧线进站时列车在站内的制动走行距离 m

表3、表4所示的结果表明。

①列车侧向进站时的速度值和进入进站信号机后的制动走行距离值与列车的初始速度、切除后的剩余制动力、线路坡度等因素都有关系，它们之间的关系也不是简单的单调函数关系。

②只要切除了部分制动力(即使是切除1/8)，列车的进站速度值就有可能超过道岔的规定限速值，制动力≥3/8后，其过岔速度呈高速增长趋势，列车侧翻的危险性大增。

③考虑到我国高速铁路普通车站同方向进、出站信号机之间的距离都比较长(绝大多数都在1 000 m以上，但一般不超过1 500 m)，当制动力切除量不超过3/8时，列车基本上不冒进出站信号机;但按照发展趋势，当切除的制动力超过3/8，或者(和)列车初始速度很高时，列车就有可能冒进出站信号机，甚至还有可能冒进警冲标(根据文献［3］的规定，出站信号机至警冲标的距离为55 m;文献［7］则补充规定，出站信号机至警冲标的距离不宜小于30 m，困难条件下不小于20 m)。

(2)列车在越过进站信号机后发生动车组制动系统故障时

假设动车组在站内起模点处超速而触发了最大常用制动，制动系统此时也恰巧发生了第Ⅲ类或第Ⅳ类故障。根据动车组列车在不同初始速度、不同制动力切除比例、不同线路坡度条件，可以计算停车点冒进出站信号机的距离。

在暂不考虑股道上出站应答器绝对停车报文触发动车组紧急制动这一因素的前提下，计算结果如表5所示。