高建強(qiáng)

目前，在我國(guó)CTCS-2級(jí)客運(yùn)專(zhuān)線中運(yùn)營(yíng)的動(dòng)車(chē)組，均安裝有滿足歐洲SIL4級(jí)安全完整性要求的車(chē)載ATP設(shè)備，有效地保證了動(dòng)車(chē)組安全高效地運(yùn)行。但目前廣泛使用的普速客、貨牽引機(jī)車(chē)由于沒(méi)有裝備ATP設(shè)備，其監(jiān)控列車(chē)運(yùn)行的安全防護(hù)等級(jí)低于CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)。為保證行車(chē)安全，在200～250 km/h客、貨共線鐵路上，目前只能采用普速客、貨列車(chē)與動(dòng)車(chē)組分時(shí)段運(yùn)行的行車(chē)組織方式。若能在普速客、貨機(jī)車(chē)上也安裝ATP設(shè)備，將極大地提高鐵路的運(yùn)輸能力和行車(chē)組織的靈活性。

根據(jù)機(jī)車(chē)的特點(diǎn)，探討應(yīng)用于機(jī)車(chē)的ATP設(shè)備安全結(jié)構(gòu)，并論述牽引計(jì)算、長(zhǎng)大下坡道制動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)。

1 ATP設(shè)備安全結(jié)構(gòu)

ATP設(shè)備屬于安全設(shè)備，為到達(dá)其安全性、可靠性、可用性和可維護(hù)性的要求，均采用冗余結(jié)構(gòu)，且大多采用二乘二取二的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)層是2個(gè)互相校核的單元模塊組成一系，只有該系的2個(gè)單元模塊都工作正常，且相互比較一致時(shí)才能正常輸出，即進(jìn)行二取二安全比較，相當(dāng)于是邏輯“與”的關(guān)系。外層采用相同的兩系構(gòu)成互為備用的結(jié)構(gòu)，即實(shí)現(xiàn)二乘二冗余，相當(dāng)于邏輯“或”的關(guān)系。當(dāng)檢測(cè)到某系故障時(shí)，自動(dòng)將其隔離，單系工作仍可以保證列車(chē)?yán)^續(xù)正常運(yùn)行。

ATP車(chē)載設(shè)備冗余結(jié)構(gòu)如圖1所示，每一系VC都有2個(gè)CPU，進(jìn)行安全比較。VC1、VC2的緊急制動(dòng)和常用制動(dòng)命令通過(guò)邏輯安全接口(LSI)轉(zhuǎn)換成安全的動(dòng)態(tài)脈沖信號(hào)輸出。VC單元正常工作時(shí)，輸出動(dòng)態(tài)脈沖信號(hào);當(dāng)VC單元出現(xiàn)任何故障或整個(gè)系統(tǒng)的電源出現(xiàn)故障時(shí)，動(dòng)態(tài)脈沖信號(hào)停止輸出，保障了制動(dòng)接口的安全性。

圖1 車(chē)載ATP設(shè)備安全冗余結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

車(chē)載ATP設(shè)備的安全冗余結(jié)構(gòu)是保障行車(chē)安全的重要技術(shù)措施，機(jī)車(chē)牽引列車(chē)的控車(chē)方式和數(shù)學(xué)模型與動(dòng)車(chē)組差別較大，其牽引計(jì)算和長(zhǎng)大下坡道制動(dòng)控制是保證行車(chē)安全的關(guān)鍵控制技術(shù)。

2.1 牽引計(jì)算模型

車(chē)載ATP設(shè)備根據(jù)不同速度、不同坡度下的制動(dòng)距離計(jì)算控車(chē)模式曲線，因此，列車(chē)的制動(dòng)距離是ATP計(jì)算模式曲線的關(guān)鍵參數(shù)。動(dòng)車(chē)組是根據(jù)動(dòng)車(chē)組減速度特性曲線，而普速機(jī)車(chē)牽引列車(chē)的制動(dòng)距離則與牽引的車(chē)輛類(lèi)型和數(shù)量有關(guān)。

根據(jù)《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》規(guī)定，列車(chē)制動(dòng)距離計(jì)算公式為:

其中:Sk為空走時(shí)間，Se為有效制動(dòng)距離，《牽規(guī)》中定義了從初速度v1制動(dòng)到速度v2的制動(dòng)距離的計(jì)算公式。

其中，φh換算摩擦系數(shù)，?h列車(chē)換算制動(dòng)率，βc常用制動(dòng)換算系數(shù)，ωc列車(chē)單位基本阻力，ij制動(dòng)地段的加算坡度千分?jǐn)?shù)。

對(duì)于參數(shù)φh，ωc和ij，《牽規(guī)》中都已做了明確的規(guī)定，這里僅討論列車(chē)換算制動(dòng)率的取值。

比較保守的做法是把現(xiàn)階段正常運(yùn)用狀態(tài)的列車(chē)能夠達(dá)到的列車(chē)換算制動(dòng)率最低值作為?h通用值，例如使用高摩合成閘瓦的列車(chē)換算制動(dòng)率為0.18。該參數(shù)是根據(jù)下列假設(shè)條件計(jì)算而得:①使用高摩閘瓦、標(biāo)記載重61 t及其以上的貨車(chē)，每輛車(chē)總重按83 t計(jì)算;②當(dāng)列車(chē)管壓力位500 kPa時(shí)，重車(chē)位每輛車(chē)的換算閘瓦壓力為160 kN;③考慮6%的“關(guān)門(mén)車(chē)”。

則列車(chē)換算制動(dòng)率為:

雖然該參數(shù)能夠確保列車(chē)運(yùn)營(yíng)組織的安全性，但對(duì)于制動(dòng)性能較好的列車(chē)來(lái)說(shuō)，卻犧牲了運(yùn)行效率。由于公式(3)中160 kN為《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中規(guī)定的最不利情況下的換算閘瓦壓力，對(duì)于制動(dòng)性能好的列車(chē)，實(shí)際的換算閘瓦壓力要大于160 kN，因此實(shí)際的列車(chē)換算制動(dòng)率要大于0.18，實(shí)際有效制動(dòng)距離要比根據(jù)公式(2)計(jì)算的短。同時(shí)，公式(3)沒(méi)有考慮機(jī)車(chē)的制動(dòng)力，以及每輛車(chē)的實(shí)際總重。

為了在保證列車(chē)行車(chē)安全的前提下，最大限度地接近列車(chē)的實(shí)際制動(dòng)性能，ATP車(chē)載設(shè)備根據(jù)《牽規(guī)》中列車(chē)換算制動(dòng)率的計(jì)算公式，考慮6%的關(guān)門(mén)車(chē)，采用以下公式:

其中，KG為機(jī)車(chē)換算閘瓦壓力，Σ KP為車(chē)輛總換算閘瓦壓力，G為機(jī)車(chē)重量，Σ P為車(chē)輛總重，9.81為重力加速度。

例如，采用高摩合成閘瓦、SS4機(jī)車(chē)、牽引標(biāo)重50 t及其以上貨車(chē)，重車(chē)位的每輛車(chē)換算閘瓦壓力為250 kN，每輛車(chē)總重按83 t計(jì)算、牽引40輛，并考慮6%的“關(guān)門(mén)車(chē)”、坡度為0，列車(chē)換算制動(dòng)率分別采用公式 (3)計(jì)算的通用值和公式 (4)計(jì)算的改進(jìn)值，計(jì)算出從不同速度下制動(dòng)停車(chē)的有效制動(dòng)距離如表1所示。

表1 列車(chē)換算制動(dòng)率通用值和改進(jìn)值下有效制動(dòng)距離對(duì)比

從表1可以看出，采用改進(jìn)后的列車(chē)換算制動(dòng)率后，能夠使制動(dòng)距離更加貼近列車(chē)實(shí)際的制動(dòng)性能，從而對(duì)于提升列車(chē)的運(yùn)輸效率，更加合理安排列車(chē)運(yùn)行圖提供了理論基礎(chǔ)。

2.2 長(zhǎng)大下坡道控制模型

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中規(guī)定長(zhǎng)大下坡道為下列情況之一:①線路坡度超過(guò)6‰，長(zhǎng)度為8 km及以上;②線路坡度超過(guò)12‰，長(zhǎng)度為5km及以上;③線路坡度超過(guò)20‰，長(zhǎng)度在2 km及以上。

機(jī)車(chē)牽引列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道上運(yùn)行時(shí)，為了保證運(yùn)行速度不超過(guò)規(guī)定速度，車(chē)載設(shè)備需要使用空氣制動(dòng)進(jìn)行周期性的調(diào)速，即制動(dòng)、緩解、再制動(dòng)、再緩解……，直到駛出長(zhǎng)大下坡道。周期制動(dòng)時(shí)，在每次制動(dòng)前，車(chē)輛制動(dòng)機(jī)的副風(fēng)缸空氣壓力應(yīng)當(dāng)恢復(fù)到規(guī)定壓力 (可以比列車(chē)管定壓低20 kPa)，恢復(fù)到規(guī)定壓力的時(shí)間稱(chēng)為充風(fēng)時(shí)間tc，充風(fēng)時(shí)間與牽引輛數(shù)和減壓量有關(guān)。列車(chē)管定壓500 kPa的貨物列車(chē)輸出120 kPa減壓量的副風(fēng)缸充風(fēng)時(shí)間tc如表2所示。

列車(chē)緩解后到再制動(dòng)的時(shí)間稱(chēng)為增速時(shí)間tz，這段時(shí)間應(yīng)滿足充風(fēng)時(shí)間的要求。

長(zhǎng)大下坡道下緩解速度中增速時(shí)間與充風(fēng)時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

表2 牽引不同輛數(shù)下副風(fēng)缸充風(fēng)時(shí)間

圖2 長(zhǎng)大下坡道下緩解速度中增速時(shí)間與充風(fēng)時(shí)間的關(guān)系

重力加速度g所產(chǎn)生的加速力為其自身的重力，即單位加速力為1kN/kN。若列車(chē)上有1N/kN的單位合力，則加速度為g/1000。當(dāng)單位合力為c N/kN時(shí)，加速度為

當(dāng)列車(chē)具有回轉(zhuǎn)質(zhì)量時(shí)，不僅平移加速度需要消耗加速力，而且與平移加速度成正比的回轉(zhuǎn)加速度也需要消耗加速力。在同樣的單位合力作用下，列車(chē)的實(shí)際平移運(yùn)動(dòng)加速度a實(shí)必然小于a'。令:

其中，γ為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，當(dāng)列車(chē)類(lèi)別為旅客列車(chē)或重貨物列車(chē)時(shí)，列車(chē)的回轉(zhuǎn)系數(shù)一般按0.06計(jì)算，則列車(chē)的實(shí)際平移加速度為:

列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道上運(yùn)行時(shí)，只有坡道阻力和基本阻力，因此列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道上運(yùn)行時(shí)的合力為ωc+ij，列車(chē)的實(shí)際平移加速度為:

列車(chē)單位基本阻力ωc為滾動(dòng)軸承貨物列車(chē)的基本阻力，為簡(jiǎn)化計(jì)算，按平均單位基本阻力為1.3計(jì)算。

當(dāng)ATP接收到含【ETCS-21】包 (線路坡度包)的應(yīng)答器信息后，根據(jù)該坡度信息，判斷列車(chē)處于長(zhǎng)大下坡道區(qū)段時(shí)，首先命令列車(chē)切除牽引、施加制動(dòng)之后，ATP以當(dāng)前列車(chē)速度為基準(zhǔn)速度，不斷根據(jù)長(zhǎng)大下坡道時(shí)的實(shí)際平移加速度a實(shí)計(jì)算充風(fēng)時(shí)間tc后的速度v1，當(dāng)v1小于等于最大常用制動(dòng)曲線時(shí)的列車(chē)速度即為緩解速度，如圖3所示。此時(shí)，車(chē)載ATP可以緩解制動(dòng)，使車(chē)輛制動(dòng)機(jī)的副風(fēng)缸充風(fēng)恢復(fù)到規(guī)定壓力，以便進(jìn)行再一次制動(dòng)，在ATP緩解制動(dòng)期間，保證列車(chē)速度不超過(guò)ATP制動(dòng)曲線。

圖3 ATP列控車(chē)載設(shè)備計(jì)算緩解速度方法

車(chē)載ATP設(shè)備只有在完全監(jiān)控模式下能夠獲得前方線路坡度信息時(shí)，才能進(jìn)行長(zhǎng)大下坡道制動(dòng)控制，而在部分監(jiān)控模式下，由于無(wú)法獲得前方坡度信息，因此，不能進(jìn)行長(zhǎng)大下坡道制動(dòng)控制，此時(shí)，應(yīng)由司機(jī)保證長(zhǎng)大下坡道的行車(chē)安全。

通過(guò)使用在長(zhǎng)大下坡道上車(chē)載ATP自動(dòng)控制技術(shù)，減輕了司機(jī)操作壓力，提高了長(zhǎng)大下坡道的安全性。

3 結(jié)論

隨著我國(guó)200～250 km/h客運(yùn)專(zhuān)線和客、貨共線鐵路的建設(shè)與開(kāi)通，CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)在整個(gè)鐵路運(yùn)輸網(wǎng)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。

在機(jī)車(chē)上安裝列控車(chē)載設(shè)備，可充分利用CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)地面設(shè)備，極大地提高普速列車(chē)運(yùn)行的安全防護(hù)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)與動(dòng)車(chē)組混合運(yùn)行，使我國(guó)鐵路的運(yùn)輸安全和運(yùn)輸效率再上新臺(tái)階，同時(shí)也有利于我國(guó)鐵路“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施。

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路技術(shù)管理規(guī)程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［2］ TB/T 1407－1998.列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程.中華人民共和國(guó)鐵道部.

［3］ 孫中央.列車(chē)牽引計(jì)算實(shí)用教程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

(責(zé)任編輯:溫志紅)