鮑存眾， 王奇鐘

(太原鐵路局　侯馬北機(jī)務(wù)段， 山西侯馬 043000)

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動力制動改造的機(jī)車緊急制動時的操縱方法及制動距離計(jì)算若干問題的探討與建議

鮑存眾， 王奇鐘

(太原鐵路局侯馬北機(jī)務(wù)段， 山西侯馬 043000)

一起單機(jī)撞人事故發(fā)生后，在進(jìn)行制動距離時遇到下列問題：機(jī)車使用的粉末冶金閘瓦，無正式計(jì)算參數(shù)；緊急制動過程中動力制動與閘瓦制動同時投入，制動距離計(jì)算無相關(guān)先例。針對上述問題，根據(jù)《鐵路機(jī)車操作規(guī)則》第35條規(guī)定和機(jī)車操縱實(shí)際，提出了實(shí)際操縱和制動距離計(jì)算建議。

粉末冶金閘瓦； 換算摩擦系數(shù)； 換算閘瓦壓力； 動力制動； 閘瓦制動； 制動距離； 制動力

1　問題的提出

1.1單機(jī)撞人事故緊急制動停車時操縱過程概況

2015年10月11日侯月線發(fā)生了一起鐵路交通傷亡事故，SS4G機(jī)車(單機(jī))與行人相撞。停車前、后操縱概況如下：

發(fā)生事故前及停車過程中線路坡度為11.5‰的下坡道；緊急制動前及緊急制動過程中機(jī)車運(yùn)行工況均為電阻制動；LKJ顯示：制動初速度為64 km/h；15:47:23，緊急制動，15:47:35速度為0，用時12 s、走行距離158 m；緊急制動后機(jī)車制動缸壓力5 s后上升到270 kPa，隨后降至260 kPa，隨即又逐漸上升至310 kPa，停車后上升至450 kPa。

機(jī)車視頻畫面顯示：緊急制動后，司機(jī)立即加大電阻制動給定。

1.2實(shí)際緊急制動距離分析

SS4G機(jī)車緊急制動停車過程中LKJ數(shù)據(jù)顯示：15:47:23施行緊急制動后，機(jī)車速度從64 km/h開始下降，15:47:33降至46 km/h；15:47:35，速度由45 km/h突降至0 km/h，這顯然是機(jī)車發(fā)生了滑行。16:31，現(xiàn)場處理完畢后開車，從停車地點(diǎn)走行584 m通過就近的657號通過信號機(jī)時，LKJ顯示距離誤差50 m，而停車前通過的前一架669通過信號機(jī)時LKJ剛進(jìn)行了距離校正。也就是說，該機(jī)車緊急制動過程中滑行距離為50 m。亦即：實(shí)際緊急制動距離S為LKJ顯示的158+50=208(m)。

機(jī)車緊急制動停車過程中的LKJ速度曲線如圖1所示，可以看出：施行緊急制動后4 s左右就發(fā)生了滑行，停車前則發(fā)生了嚴(yán)重滑行。究其原因是：機(jī)車的閘瓦制動力與強(qiáng)大的電阻制動力疊加，且速度較低，超過了黏著極限所致。

圖1　LKJ速度曲線圖

1.3單機(jī)緊急制動距離計(jì)算引起的困惑

事故發(fā)生后，通過與以往單機(jī)緊急制動距離比對，分析小組認(rèn)為：制動初速度64 km/h、11.5‰的下坡道，單憑閘瓦制動，不可能在208 m，更不可能在158 m的距離內(nèi)停車，而且由于司機(jī)按《鐵路機(jī)車操作規(guī)則》簡稱《操規(guī)》規(guī)定緩解單閥，緊急制動過程中機(jī)車制動缸壓力為270 kPa左右，并未達(dá)到機(jī)車最高制動缸壓力450 kPa。因此，在緊急制動過程中，電阻制動發(fā)揮很大的作用。為了比對單純閘瓦制動與空電聯(lián)合制動時的緊急制動距離，分析小組決定進(jìn)行單機(jī)緊急制動距離計(jì)算。計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)依據(jù)現(xiàn)行《列車牽引計(jì)算規(guī)程》簡稱:《牽規(guī)》,難以進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

(1) 無粉末冶金閘瓦正式計(jì)算參數(shù)

目前，大部分SS4G機(jī)車采用粉末冶金閘瓦，其他機(jī)車也大多使用粉末冶金閘瓦。但《牽規(guī)》中既無粉末冶金閘瓦摩擦系數(shù)計(jì)算公式，也無SS4機(jī)車粉末冶金閘瓦換算閘瓦壓力值，也沒有與其他閘瓦的換算系數(shù)。

[3]72頁指出：根據(jù)等效處理原則，給出了各種摩擦材料換算閘瓦壓力之間的換算系數(shù)，即該摩擦材料換算摩擦系數(shù)與基準(zhǔn)摩擦材料換算摩擦系數(shù)的比值，表3～表7顯示：高摩合成閘瓦與粉末冶金閘瓦換算閘瓦壓力的二次換算系數(shù)為1:0.8。但這一換算系數(shù)并未納入《牽規(guī)》，而且具體計(jì)算時，裝有粉末冶金閘瓦的機(jī)車、車輛的換算閘瓦壓力和換算摩擦系數(shù)的二次換算系數(shù)是否取同一值也未明確。

原鐵道部曾組織修改《牽規(guī)》，2013年2月的送審稿中包含了粉末冶金閘瓦相關(guān)計(jì)算參數(shù)，但仍未批準(zhǔn)施行，且其合理與否尚需論證(后面的計(jì)算表明其不盡合理)。

(2) 動力制動與閘瓦制動同時投入時緊急制動力如何取值？

按照SS4G機(jī)車的設(shè)計(jì)原理(其他直流機(jī)車也是如此)：使用動力制動時，為防止機(jī)車制動力過大，引起滑行擦傷動輪，當(dāng)機(jī)車制動缸壓力超過150 kPa時，壓力繼電器516KF動作，切斷勵磁電路，解除動力制動。2009年郴州制動失靈事故后，原鐵道部組織統(tǒng)一對裝有動力制動裝置的機(jī)車進(jìn)行了改造，使得緊急制動時機(jī)車制動缸壓力超過150 kPa仍然可以使用動力制動，以縮短制動距離，盡快停車。

《操規(guī)》第35條規(guī)定：裝有動力制動的機(jī)車在使用動力制動調(diào)速過程中發(fā)生緊急制動或需緊急制動時，司機(jī)應(yīng)保持機(jī)車動力制動，同時立即用單閥緩解機(jī)車制動缸壓力至150 kPa以下(設(shè)有自動控制裝置的機(jī)車可不進(jìn)行單閥緩解操作)。裝有DK-1型制動機(jī)的直流電力機(jī)車無動力制動時制動缸壓力自動控制裝置，進(jìn)行動力制動時需人工緩解機(jī)車制動缸壓力。

如此一來，計(jì)算制動距離時必然會遇到以下問題：緊急制動時動力制動該投入多大？按什么標(biāo)準(zhǔn)取值？機(jī)車制動力如何取值？制動合力如何取值？緊急制動時，司機(jī)使用單閥緩解機(jī)車制動缸壓力時按照什么標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操縱？

2　緊急制動時的操縱建議

按照《操規(guī)》第35條：“緊急制動后，立即用單閥緩解機(jī)車制動缸壓力至150 kPa以下”的要求，分析人員在SS4G機(jī)車上進(jìn)行了庫內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果如下：

緊急制動時單閥在緩解位時：制動缸最高壓力約300 kPa， 18 s左右自動降至150 kPa， 45 s左右降至0；如同時下壓單閥緩解，則10 s左右降至150 kPa。單閥在運(yùn)轉(zhuǎn)位時，緊急制動后立即下壓手把緩解，13 s左右降至150 kPa。

上述緊急制動后的單閥緩解試驗(yàn)是在寬松的環(huán)境中進(jìn)行的。但在緊急情況下，司機(jī)施行緊急制動時高度緊張，要求立即使用單閥緩解機(jī)車制動缸壓力至150 kPa以下，難以做到。如上述案例中司機(jī)施行緊急制動后，緩解單閥至260 kPa，來不及緩解至150 kPa以下就停車了。

遇有危及行車和人身安全的緊急情況時，值乘司機(jī)要么驚慌失措，施行緊急制動后坐等停車，要么立即將動力制動給至最大，匆忙之中難以兼顧緩解機(jī)車制動。再者，施行緊急制動前，假如機(jī)車處于惰行、甚至牽引工況：如果遇有沖突、相撞等危險(xiǎn)時，司機(jī)往往是緊急制動后即跑到機(jī)械間躲避，而來不及啟動動力制動，此時更不允許緩解機(jī)車制動。如果司機(jī)發(fā)現(xiàn)制動失靈，則應(yīng)于緊急制動后，立即投入動力制動。

查閱參考文獻(xiàn)[4]26～27頁，SS4G機(jī)車電制動各曲線參數(shù)數(shù)據(jù)表可知，SS4G機(jī)車主要速度關(guān)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的動力制動力如下：速度10 km/h時為363 kN，11.5～46.3 km/h時為412 kN，46.4～90 km/h，線性下降至180 kN，11.5～0 km/h線性下降至0 kN。

SS4G機(jī)車高摩合成閘瓦換算閘瓦壓力為400 kN，5,80 km/h 時的換算摩擦系數(shù)分別為0.312,0.239，其閘瓦制動力分別為128.4,95.6 kN。也就是說，SS4G機(jī)車10 km/h以上時，其動力制動力遠(yuǎn)大于閘瓦制動力。

鑒于上述原因，對于裝有DK-1型制動機(jī)的機(jī)車緊急制動時，提出如下操縱建議：

施行緊急制動前，機(jī)車處于動力制動狀態(tài)時：自閥施行緊急制動后，立即將動力制動給至最大值，同時將單閥置于緩解位并下壓手把，以盡快緩解制動缸壓力，防止機(jī)車滑行；停車前(速度降至10 km/h)或須到機(jī)械間躲避前，將單閥拉到制動位，充分發(fā)揮低速時的閘瓦制動作用。這樣，既能充分發(fā)揮機(jī)車綜合制動作用，又能避免機(jī)車制動力過大引起的動輪擦傷事故。

施行緊急制動前，機(jī)車處于惰行或牽引工況時：自閥施行緊急制動后，有條件時立即啟動動力制動并給至最大值，同時將單閥置于緩解位并下壓手把緩解制動缸壓力，停車前(速度降至10 km/h)或須到機(jī)械間躲避前，將單閥拉到制動位。

3　緊急制動距離計(jì)算取值建議

3.1增加粉末冶金閘瓦牽引計(jì)算相關(guān)參數(shù)

牽引計(jì)算參數(shù)應(yīng)配套且應(yīng)盡量符合現(xiàn)場實(shí)際。因此，建議盡快試驗(yàn)論證粉末冶金閘瓦換算摩擦系數(shù)、換算閘瓦壓力等相關(guān)參數(shù)，并正式公布，使裝有該型閘瓦的機(jī)車車輛制動距離計(jì)算有據(jù)可查。

3.2緊急制動時機(jī)車制動力取值建議

緊急制動改造后的機(jī)車緊急制動時，由于處于緊急情況下，受司機(jī)操縱熟練程度、當(dāng)時的運(yùn)行工況、施行緊急制動后司機(jī)能否安坐司機(jī)室操縱等因素的影響，具體操縱情況及制動距離計(jì)算非常復(fù)雜。因此，設(shè)有動力制動的機(jī)車進(jìn)行緊急制動距離計(jì)算時應(yīng)采用概算法，具體取值建議如下：

按照緊急制動后立即將動力制動給至最大值的方法操縱時：施行緊急制動時的制動力可忽略機(jī)車閘瓦制動力，只取動力制動力。考慮到司機(jī)操縱熟練程度、機(jī)車動力制動性能的差異、速度變化引起的動力制動力變化、黏著限制等因素，機(jī)車動力制動力宜取最大值的70%，空走時間取5 s。

如緊急制動時來不及投入動力制動，則只取機(jī)車閘瓦制動力。

如緊急制動后，再投入動力制動，則應(yīng)分段計(jì)算。即：未投入動力制動前取機(jī)車閘瓦制動力；投入動力制動后，單取動力制動力。具體計(jì)算時，應(yīng)根據(jù)LKJ顯示的投入動力制動的時間、速度等數(shù)據(jù)，分別計(jì)算。

4　單機(jī)撞人事故緊急制動距離計(jì)算與制動距離試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1SS4G機(jī)車純閘瓦制動緊急制動距離計(jì)算

鑒于SS4G機(jī)車使用的粉末冶金閘瓦無明確的換算閘瓦壓力和換算摩擦系數(shù)的計(jì)算公式，依據(jù)3種計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。有關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)說明如下：

制動初速度v0為64 km/h，末速度為0 km/h；加算坡度取-11.5；SS4G機(jī)車計(jì)算質(zhì)量P取184 t；根據(jù)《牽規(guī)》規(guī)定，單機(jī)緊急制動時空走時間取2.5 s；機(jī)車單位基本阻力、換算摩擦系數(shù)，按緊急制動距離內(nèi)的平均速度32 km/h計(jì)算取值；換算閘瓦壓力、換算摩擦系數(shù)按相應(yīng)的計(jì)算公式分別計(jì)算取值。

(1) 按高摩合成閘瓦計(jì)算緊急制動距離

換算摩擦系數(shù)按φh=0.322×(v+150)/(2v+150)計(jì)算取值；SS4G機(jī)車高摩合成閘瓦換算閘瓦壓力取400 kN；換算制動率按θh=400/(184×9.81)計(jì)算取值。據(jù)此計(jì)算制動距離為370.6 m。

(2) 按《牽規(guī)》送審稿提供的參數(shù)計(jì)算緊急制動距離

2013年2月《牽規(guī)》送審稿中顯示粉末冶金閘瓦相關(guān)計(jì)算參數(shù)：換算摩擦系數(shù)計(jì)算公式：φh=0.395×((2v+40)/(5v+40))，SS4G機(jī)車粉末冶金閘瓦換算閘瓦壓力為620 kN；據(jù)此計(jì)算制動距離為318.9 m。

(3) 按參考文獻(xiàn)[3]提供的換算系數(shù)計(jì)算緊急制動距離

參考文獻(xiàn)[3]72頁表3—表7顯示：高摩合成閘瓦與粉末冶金閘瓦換算閘瓦壓力的二次換算系數(shù)為1:0.8。據(jù)此計(jì)算制動距離為469.3 m。

4.2按 SS4G機(jī)車純動力制動取值緊急制動距離計(jì)算

SS4G機(jī)車動力制動力最大值為412 kN，按其70%取值作為緊急制動期間的機(jī)車平均制動力，即機(jī)車制動力B=412(kN)×70%=288.4(kN)。

機(jī)車單位動力制動力

b=(B/p×g)×103=159.7(N/kN)

機(jī)車單位基本阻力按速度32 km/h時計(jì)算取值：

ω0=3.19(N/kN)；ij仍取-11.5。

機(jī)車單位合力C=-(b+ω0+ij)=

-(159.7+3.19-11.5)=-151.4(N/kN)

-(4.17×642)/(-151.4)=112.8(m)

空走時間取5 s，制動初速v0為64 km/h，空走距離Sk=v0×5/3.6=88.9(m)。

全制動距離：

S=Sk+Se=88.9+112.8=201.2(m)

4.3緊急制動距離模擬試驗(yàn)情況

上述制動距離計(jì)算結(jié)果差異很大,分析小組決定在原事故地段進(jìn)行模擬試驗(yàn)。10月19日模擬試驗(yàn)結(jié)果如下：

第1次試驗(yàn)，SS4G-217，53159次，緊急制動前電阻制動控制速度，緊急制動后立即將電阻制動給至最大，單閥運(yùn)轉(zhuǎn)位不動，制動缸壓力4 s上升至410 kPa,試驗(yàn)結(jié)果：制動初速度63 km/h，走行19 s，緊急制動距離167 m。

第2次試驗(yàn)，SS4G-6022，53213次，緊急制動前電阻制動控制速度，緊急制動后保持原電阻制動，單閥運(yùn)轉(zhuǎn)位不動,制動缸壓力4 s上升至410 kPa,：制動初速度63 km/h，走行44 s，緊急制動距離443 m。

第3次試驗(yàn)，SS4G-274，53163次，緊急制動前電阻制動控制速度，緊急制動后保持原電阻制動，單閥運(yùn)轉(zhuǎn)位不動, 制動缸壓力4 s上升至400 kPa,：制動初速度64 km/h，走行40 s，緊急制動距離392 m。

4.4計(jì)算結(jié)果與實(shí)際緊急制動距離分析比較

綜上所述，可以得出如下結(jié)論：

(1) 事故發(fā)生時機(jī)車實(shí)際制動距離為208 m，第1次模擬試驗(yàn)時，模擬司機(jī)當(dāng)時的操縱方法是緊急制動后立即加大電阻制動，但未緩解機(jī)車制動缸壓力，制動缸壓力明顯高于事故機(jī)車270 kPa左右的壓力，所以其制動距離從208 m縮短為167 m，這是導(dǎo)致二者制動距離差異的主要原因。其次，試驗(yàn)時的條件較為寬松，試驗(yàn)人員準(zhǔn)備充分，操縱技術(shù)較為熟練，制動過程中未發(fā)生明顯滑行。

上述試驗(yàn)結(jié)果及事故機(jī)車實(shí)際制動距離，與按SS4G機(jī)車純動力制動取值緊急制動距離計(jì)算結(jié)果較為接近。

(2) 第2，第3次模擬試驗(yàn)時，未加大動力制動，制動電流約150 A，SS4G改機(jī)車最大制動電流為771 A。因此，采用該操縱方法時，機(jī)車制動力較純空氣制動大了不少。受機(jī)車制動性能及當(dāng)時制動電流大小的影響，第2,第3次模擬試驗(yàn)的制動距離存在差異，但可以肯定：如果不用電阻制動，僅僅采用空氣制動，采用粉末冶金閘瓦的SS4G機(jī)車以64 km/h，在11.5‰的下坡道，緊急制動距離應(yīng)在500 m左右。按照參考文獻(xiàn)[3]計(jì)算的制動距離與實(shí)際較為接近。而按《牽規(guī)》送審稿計(jì)算出的制動距離僅為318 m，也就是說，《牽規(guī)》送審稿給出的計(jì)算參數(shù)尚需論證。

5　結(jié)束語

緊急制動改造后的機(jī)車緊急制動時的操縱方法和制動距離計(jì)算是一個全新課題，其具體操縱情況、計(jì)算過程非常復(fù)雜。以上論述僅僅是筆者的一己之見，還需專家學(xué)者批評指正，并進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)、論證，使緊急制動時司機(jī)的操縱方法及牽引計(jì)算更加規(guī)范合理。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵道部.列車牽引計(jì)算規(guī)程[S].1999.

[2]鐵道部.機(jī)車操作規(guī)則[S].2013.

[3]孫中央.列車牽引計(jì)算規(guī)程實(shí)用教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4]張友松,等.韶山4型電力機(jī)車[M].北京：中國鐵道出版社，1998.

Study and Suggestion on Reconstruction of Locomotive Dynamic Braking & the Method of Manipulating the Emergency Brake when Braking and Distance Calculation

BAOCunzhong,WANGQizhong

(Taiyuan Railway Bureau Houma North Locomotive Depot., Houma 043000 Shanxi, China)

After accident caused by single loco, encountered the following questions during the braking distance: Locomotive brake shoe using powder metallurgy brake shoe, non-formal calculation parameters; emergency braking and brake shoe put into operation during dynamic braking, no relevant precedents for braking distance. To solve these problems, according to the provisions of thirty-five "locomotive operating rules" and manipulate the actual locomotive, made actual steering and braking distance calculation recommendation.

powder metallurgy brake shoe; conversion coefficient of friction; Converted Brake pressure; dynamic braking; brake shoe; braking distance; braking force

1008-7842 (2016) 04-0123-04

??)男，高級工程師(

2015-12-18)

U260.35

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.31