CRH1A型动车组制动异常滑行问题原因分析及对策

2019-09-10薛文敏

铁道机车车辆 2019年4期

薛文敏

(中国铁路南昌局集团有限公司福州动车段，福州 350000)

自CRH1A型动车组配属福州动车段以来，发生了6件动车组在制动过程中出现异常滑行，造成制动距离延长，其中最严重的停车后动车组越出站信号机216 m，给动车组运行带来安全隐患。查阅动车组出现问题时的环境数据，未发现动车组自身的制动系统故障或网络控制系统故障，为此必须对动车组源头设计和运行外部环境进行深度分析。

1 现场初步调查

针对CRH1A型动车组出现的6件制动异常滑行事件，通过调阅车载监控数据和外部环境数据，发现存在共同点：动车组异常制动主要发生在迷雾、阴雨天气及下坡轨道路段，且均在司机施加制动后出现。为此，选定在类似的天气状况、车站、车次进行跟踪模拟，又发现3件制动异常滑行事件。

某年2月6日凌晨，小雨，实车添乘CRH1A型动车组在运行速度200 km/h，施加B7级制动时分别出现了3次滑行。第1次滑行发生处的下坡度为4‰，第2、第3次滑行发生处的下坡度均为5‰。通过异常滑行情况初步判断，动车组异常滑行均是出现在迷雾、阴雨天气条件下，轮轨黏着系数降低后发生且多出现在下坡路段，而在同样车组运行在天气晴朗情况下的平直路段均未出现异常滑行现象。通过监测车载数据捕捉到防滑装置被激活的信号和速度变化曲线如图1所示。

2 动车组滑行控制原理分析

(1)WSP系统基本控制原理

动车组在制动过程中，通过安装在各车轴及牵引电机上的速度传感器，对速度进行检测，当车轮与钢轨之间的黏着力比基础制动装置(空气制动)及牵引电机(再生制动)产生的制动力小时，轮轨之间就会产生滑行，轮对转速减小，此时动车组滑行检测单元检测到滑行率、减速度、速度差等参数超过设定值，立即触发防滑系统动作，减小该轴的制动力，进行再黏着控制，以防止制动距离的继续延长及车轮踏面的擦伤。但如果快速施加大级别制动力，会使得滑行率、减速度、速度差均增大，从而造成运行动车组制动时异常滑行。减速度检测和速度差检测示意图分别如图2、图3所示。

图1 监测到的滑行信号和速度变化曲线

图2 减速度检测

图3 速度差检测

滑行率λ采用下式计算：

从滑行率公式及减速度、速度差检测图形中可以看出，当车组快速施加大级别制动力时，减速度β、速度差Δv增大，使得滑行率λ增大，增加了车组的异常滑行概率。

(2)防滑阀超时控制原理

国际铁路联盟UIC541-05的标准中对防滑阀的持续排风时间要求：防滑阀持续排风时间不允许超过10 s，并且需由一个独立的设备控制。为满足以上要求，该车型WSP系统设有watchdog用于监控防滑阀的排风时间，当防滑阀连续排风时间超过7 s时，中断对防滑阀的控制，即停止排风并恢复向制动缸供风。另，防滑系统软件中设置防滑阀最大允许单次连续排风的时间为5 s，最大允许排风保持总的持续时间为8 s；若防滑阀的工作时间超过了以上限制，则判定为控制超时，WSP系统将中断对防滑阀的控制，制动缸压力恢复到要求的水平，直到达到以下任一条件，则恢复防滑控制：

①列车静止

②列车进入到牵引模式

③轨道黏着系数增大

④制动请求减少

国际铁路联盟标准中规定10s是允许的最大时间，但系统根据防滑系统使用欧洲铁路经验选用7 s进行设定，理论上可以满足防滑控制要求，并且能够增加列车运行的安全保障。问题发生时，动车组运行在湿滑的轨道上，由于黏着系数过低，部分轴发生了滑行并且持续了较长的时间，导致防滑阀控制超时，使WSP系统中断了对防滑阀的控制，制动缸压力恢复，从而造成了轮对抱死。

3 动车组滑行问题专项试验分析

为进一步查找CRH1A型动车组异常滑行事件原因，在南昌铁路局管内杭深高铁铁路进行以下模拟试验：干轨状态紧急制动和常用制动试验、湿轨状态紧急制动和常用制动试验、模拟车站对标停车试验。

试验检测参数为：1、2、3车各轴速度；1、2车各轴制动缸压力；1、2车防滑阀信号；1车电机电流；1车和8车制动起始点；动车组实际速度(通过安装在7车的速度传感器获得)等。同时电务部门配合对整个试验过程ATP数据进行了全程采集，以便对试验结果进行全面分析。

试验时，8车主控时进行干轨状态紧急制动和常用制动试验，1车主控时进行湿轨状态防滑试验。

(1)滑行工况下ATP显示速度差异及缓解时显示速度跃升现象

在本次调查试验时，进行了多次制动调速时喷洒减摩液，以模拟冬季时杭深线轨面薄冰、结霜等极端低黏着状态，动车组施加B5及B7级制动及缓解，典型试验曲线见图4。

图4 B5/B7复合制动缓解速度曲线

电务部门提供的ATP显示屏显示速度曲线见图5。

图5 车载ATP状态监测曲线

动车组施加B5复合制动，由于轨面黏着条件较差，ATP轴发生滑行，待速度降至约110 km/h缓解；随后动车组施加B7复合制动，至约60 km/h缓解。由试验曲线和车载ATP状态监测曲线可见，动车组B5级制动缓解前，ATP轴速度与动车组实际速度差约15 km/h，缓解瞬间，ATP屏显示速度从99 km/h跃升至107 km/h，速度跃升8 km/h；动车组B7级制动缓解前，ATP轴速度与动车组实际速度差约15 km/h，缓解瞬间，ATP屏显示速度从53 km/h跃升至61 km/h，速度跃升约8 km/h。

通过对试验数据进行分析，初步认定CRH1A动车组在实际运营中发生的异常滑行，造成制动距离延长的原因为：车载ATP显示屏的速度来源为主控端第一车的2轴和3轴安装的速度传感器，两轴均为动轴，制动力配置与其他动轴相同。在轨面黏着条件较差的情况下，在调速制动过程中ATP轴如发生滑行，ATP屏显示速度低于动车组实际速度且差异较大，司机进站对标停车时按ATP屏显示速度预留制动距离，进行调速。但此时动车组实际速度高于ATP显示速度，按ATP屏显示速度进行调速操作，加之此时轨面黏着条件较差，制动力较正常状态弱，两方面的原因共同作用，实施制动后动车组滑行制动距离延长，最终导致动车组停车过标。

此过程的另一个现象是缓解时ATP显示速度跃升，这同样与制动滑行时ATP显示速度低于动车组实际速度有关，当缓解后，由于制动力的撤除，ATP轴轮周速度迅速跟上动车组实际速度，即表现为ATP屏显示速度跃升。

(2)ATP车载设备转部分监控模式的现象

列车转换成部分监控模式的条件是：当ATP轴减速度超过5 (km·h-1)·s-1的持续时间超过6.5 s，或因在制动过程中，ATP轴发生滑行后，由ATP轴计算得到的位置信息与动车组实际位置有较大偏差。发生监控模式转换后，列车限速45 km/h，此时动车组速度超过限速，ATP发出紧急制动命令。

在此次调查试验中，虽未捕捉到常用制动时车载ATP设备转为部分监控的现象，但在湿轨条件下多次出现紧急制动时转部分监控的情况。经试验组分析，试验时喷洒减摩液的轨面条件与冬季沿海地区轨面的黏着条件还是有一定的差异。试验采集到的典型试验曲线见图6。

电务部门监测到的监控模式转换曲线见图7，转换前的局部放大图见图7。

由试验曲线看出，由于制动过程中，ATP轴发生滑行，防滑控制并未使ATP轴速度尽快恢复到动车组实际速度，保持一定的速度差，导致一段时间内ATP轴速度下降率大于动车组实际速度下降率，当ATP轴减速度达到部分监控模式的转换条件，车载ATP将进行监控模式的转换。

由车载ATP状态监测曲线可知，从制动施加至模式转换的6.6 s内，ATP显示速度从193.1 km/h线性下降至163 km/h，过程中减速度均为约5.4 (km·h-1)·s-1，达到了监控模式的转换条件。分析之前情况监控模式转换现象与试验时捕捉到的现象相似。

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图6 紧急制动过程中ATP转部分监控模式速度曲线

图7 车载ATP状态监测曲线(监控模式转换)

图8 车载ATP状态监测曲线(监控模式转换局部放大)

4 动车组异常滑行问题的原因

综合分析CRH1A型动车组异常滑行的现象，并对动车组滑行控制原理通过专项试验进行验证，得出如下结论：

(1)车载ATP显示屏的速度来源为主控端第1车的2轴和3轴安装的速度传感器，两轴均为动轴，制动力配置与其他动轴相同。在轨面黏着条件较差的情况下，在调速制动过程中ATP轴如发生滑行，ATP屏显示速度低于动车组实际速度且差异较大，司机进站对标停车时按ATP屏显示速度预留制动距离，进行调速。但此时动车组实际速度高于ATP显示速度，按ATP屏显示速度进行调速操作，加之此时轨面黏着条件较差，制动力较正常状态弱，两方面的原因共同作用，实施制动后动车组滑行制动距离延长，最终导致动车组停车过标。

(2)由于迷雾、阴雨天气，造成轮、轨间黏着系数降低，此时动车组过快施加大级别制动，易导致滑行事件发生；而平缓递增制动等级，可降低动车组出现滑行事件概率。因此，在迷雾、阴雨等特定天气环境下，过快的施加大级别制动，是导致动车组产生滑行因素之一。

(3)动车组在施加制动产生滑行集中在下坡轨道路段，也是导致动车组产生滑行因素之一。