潘全章

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094）

隨著動力集中電動車組的正式開行，各主機(jī)廠與相關(guān)單位逐步開展了針對動力集中動車組、和諧型電力機(jī)車、和諧型內(nèi)燃機(jī)車裝用的微機(jī)控制空氣制動系統(tǒng)運(yùn)用狀態(tài)、產(chǎn)品可靠性、修程情況的持續(xù)跟蹤和評估。2020 年7 月曾發(fā)生機(jī)車在采取緊急制動的情況下，仍出現(xiàn)由于下坡機(jī)車冒進(jìn)出站信號的情況。2019～2021 年，多個鐵路局集團(tuán)公司結(jié)合動力集中動車組運(yùn)行情況，組織開展以動車組整列制動力為主題的專項技術(shù)研討會，探究影響機(jī)車和列車制動能力的因素。

為了進(jìn)一步提升制動系統(tǒng)在鐵路機(jī)車運(yùn)用中的可靠性，保證機(jī)車緊急制動性能的正常施行，文中對制動系統(tǒng)制動能力評估方法和現(xiàn)狀進(jìn)行論述，指出了目前緊急制動距離校驗的問題和難點，并提出了解決方案。

1 制動距離和制動能力評估的標(biāo)準(zhǔn)要求

1.1 制動距離和標(biāo)準(zhǔn)要求

2014 年鐵總169 號文件公布了《鐵路機(jī)車車輛設(shè)計定型管理辦法》［1］，規(guī)定新型鐵路機(jī)車分為全新型、重大改進(jìn)型、一般改進(jìn)型3 種。對全新型、重大改進(jìn)型機(jī)車在投入運(yùn)用前需要進(jìn)行整車型式試驗和運(yùn)用考核。

目前，機(jī)車整車型式試驗按GB/T 3318—2006《電力機(jī)車制成后投入使用前的試驗方法》［2］執(zhí)行。其中機(jī)車線路緊急制動距離試驗，需要滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》［3］的要求，以此來驗證全新型、重大改進(jìn)型機(jī)車的緊急制動距離是否符合技術(shù)要求。例如，最高運(yùn)行速度為120 km/h 的HXD1型電力機(jī)車要求在平直道上、制動初速120 km/h時，緊急制動距離不大于1 100 m；最高運(yùn)行速度160 km/h 的動力集中動車組動力車在160、120 km/h的制動初速度下，換算到平直道上施行緊急制動距離應(yīng)分別不大于1 400、800 m。

1.2 試運(yùn)要求

國鐵集團(tuán)對新造機(jī)車的技術(shù)管理非常嚴(yán)格，每一種新車型都建立了對應(yīng)的總體技術(shù)規(guī)范?？傮w技術(shù)規(guī)范對出廠檢驗、型式試驗以及哪些主要部件需要進(jìn)行型式試驗都有嚴(yán)格的規(guī)定。新造機(jī)車出廠前往往進(jìn)行線路試運(yùn)行試驗。新造機(jī)車出廠的例行試驗中，進(jìn)行簡化線路試驗，一般只進(jìn)行機(jī)車或列車的牽引試驗，不進(jìn)行線路上的緊急制動試驗［2］。

我國機(jī)車大修執(zhí)行的是計劃預(yù)防修的維修體制，主要零部件實施專業(yè)化集中修和定期檢測狀態(tài)修，檢修周期應(yīng)根據(jù)機(jī)車實際技術(shù)狀態(tài)和走形公里數(shù)或使用時間確定，機(jī)車檢修周期及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按照國鐵集團(tuán)機(jī)車檢修規(guī)程執(zhí)行。機(jī)車大修的任務(wù)是恢復(fù)機(jī)車的基本性能，以保證機(jī)車的運(yùn)輸需要。

機(jī)車大修后出廠前的線路試運(yùn)行試驗在各型機(jī)車大修規(guī)程中都進(jìn)行了規(guī)定。大修機(jī)車線路試運(yùn)行試驗分為廠線試運(yùn)和正線試運(yùn)。廠線試運(yùn)須進(jìn)行安全設(shè)備、速度調(diào)節(jié)、機(jī)車單獨制動、自動制動等功能試驗。試驗期間，機(jī)車的控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及走行部要求工作正常、作用良好、安全可靠，符合運(yùn)用要求。機(jī)車正線試運(yùn)走行公里不少于100 km，定速試驗正常，其中牽引負(fù)荷運(yùn)行不少于20 km，以試運(yùn)條件允許的最高速度運(yùn)行不少于45 km。機(jī)車正線試運(yùn)期間機(jī)車的牽引性能、制動性能須符合相關(guān)技術(shù)要求，各部件不許有漏油、漏氣、過熱、異味及異音，機(jī)車主要軸承溫升不許超過55 K。大修機(jī)車的線路試運(yùn)行試驗中，通常不包括緊急制動距離的測量。

2 新造機(jī)車、大修機(jī)車制動試運(yùn)情況

為了解目前新造機(jī)車、大修機(jī)車廠線試運(yùn)、正線試運(yùn)的情況，對主機(jī)廠以及主要機(jī)車檢修段進(jìn)行調(diào)研，摸清主機(jī)廠新造機(jī)車、大修機(jī)車以及檢修段的試運(yùn)考核內(nèi)容和技術(shù)要求，尤其要對試運(yùn)環(huán)境主要包括交路的限速、坡道情況、曲線半徑、線路長度等方面進(jìn)行調(diào)研、分析。

受限于動態(tài)試驗的試驗線路條件等因素，各被調(diào)研單位根據(jù)實際情況制定相關(guān)的試驗項點。對于動態(tài)試驗的要求主要包括：牽引手柄性能試驗、電制動性能試驗、空電互鎖、空電聯(lián)合試驗、電制動切除試驗、空氣制動調(diào)速試驗、50 km/h 速度等級的自動制動手柄緊急制動試驗和車長閥緊急制動試驗、緊急制動與電制動配合試驗等試驗項點，測試速度等級為20～85 km/h 不等，試運(yùn)線路里程為3～100 km 不等。

3 制動系統(tǒng)情況

目前我國各型機(jī)車的制動系統(tǒng)配置較為多樣，各型機(jī)車差異較大，直流機(jī)車主要采用單元制動器的基礎(chǔ)制動方式，而和諧型電力機(jī)車更多采用輪盤制動的方式，閘瓦材質(zhì)分為粉末冶金、高摩合成、鑄鐵閘瓦等多種材質(zhì)［4-5］，目前在和諧機(jī)車、復(fù)興號機(jī)車上使用的制動控制系統(tǒng)包括JZ-8、DK-2、CCBII、Faively、CAB-A、CAB-B 等多種［4-5］。多種多樣的配置形式對制動距離的計算帶來的一定的困難。部分和諧型電力機(jī)車的制動系統(tǒng)配置情況見表1［5］。

表1 和諧型電力機(jī)車（部分）制動系統(tǒng)配置情況

目前，和諧型電力機(jī)車通常裝配有微機(jī)控制的電空制動系統(tǒng)，這種類型的制動系統(tǒng)內(nèi)部配置有多個壓力傳感器，并可通過網(wǎng)絡(luò)接口與硬線接口與其他車載設(shè)備進(jìn)行實時通訊，可實現(xiàn)采集與制動系統(tǒng)相連通的多條內(nèi)外部氣路的壓力，如：均衡風(fēng)缸壓力、列車管壓力、總風(fēng)壓力、制動缸壓力等［6-7］，數(shù)據(jù)記錄頻率可達(dá)到1 Hz 以上，部分精度較高的制動系統(tǒng)，數(shù)據(jù)記錄頻率可達(dá)到10 Hz 以上。基于制動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析能力，微機(jī)控制的電空制動系統(tǒng)通常具備自檢功能，運(yùn)行自檢功能后，可對制動系統(tǒng)內(nèi)部的各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試和分析，但以目前制動系統(tǒng)的自檢能力來說，尚不具備對制動距離進(jìn)行自檢的功能。

針對制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)，制動系統(tǒng)廠家開發(fā)了制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)地面分析軟件，能夠?qū)χ苿酉到y(tǒng)各壓力數(shù)據(jù)和IO 信號狀態(tài)進(jìn)行解讀和分析，并生成相關(guān)的數(shù)據(jù)曲線供使用者了解制動系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。通常，地面數(shù)據(jù)分析軟件僅對各個數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行解析和展示，并未將各項數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行深化處理，深化處理工作通常由人工完成。

4 問題及解決方案

通過以上分析，現(xiàn)有的動態(tài)試驗測試方案中，除機(jī)車定型以及重大改進(jìn)需要進(jìn)行整車型式試驗外，其他已定型機(jī)車新造和大修機(jī)車的廠線試運(yùn)和正線試運(yùn)只進(jìn)行牽引試驗和制動系統(tǒng)的常規(guī)試驗，沒有進(jìn)行制動系統(tǒng)的緊急制動距離的校核試驗。原則上，新造機(jī)車和大修機(jī)車出廠后緊急制動距離靠設(shè)計保證，但對每一個機(jī)車個體來說，緊急制動距離未經(jīng)過校核。

微機(jī)控制的制動系統(tǒng)雖然具備較為完備的數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)，并可通過與其他設(shè)備數(shù)據(jù)配合復(fù)現(xiàn)車組運(yùn)行情況，但對制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)的使用仍然存在如下難點：車型配置較為復(fù)雜；各個車型的制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容和協(xié)議內(nèi)容不盡相同；數(shù)據(jù)解析需要使用專業(yè)的分析軟件，數(shù)據(jù)分析對操作者要求較高。

目前緊急制動距離校核存在的問題，可通過如下方法解決：

（1）可針對各個不同車型繪制該型號機(jī)車在干燥平直軌道上的“緊急制動距離—速度等級”標(biāo)準(zhǔn)曲線，并給出每個速度等級下的緊急制動距離容差范圍。當(dāng)需要進(jìn)行緊急制動距離校核時，可通過線路試驗測得某特定速度等級下的緊急制動距離，將實測數(shù)據(jù)根據(jù)線路情況折算為干燥平直路線上的制動距離后，與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行比照，若折算后的緊急制動距離處于標(biāo)準(zhǔn)曲線容差范圍之內(nèi)，則認(rèn)為緊急制動距離正常。

以HXD2型電力機(jī)車為測試對象，對各個不同速度等級的緊急制動距離進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表2 和如圖1 所示。以80 km/h 的速度等級為例，根據(jù)實際測試結(jié)果，HXD2型電力機(jī)車在該速度等級下，緊急制動距離約為370 m，將此數(shù)值定義為HXD2型電力機(jī)車在80 km/h 速度等級下的標(biāo)稱值，并給出一定的容差，如±50 m，即可得到HXD2型電力機(jī)車在 80 km/h 的速度等級下的緊急制動距離合格范圍。當(dāng)對同等配置的另一臺HXD2型電力機(jī)車進(jìn)行測試，采用80 km/h 的速度等級進(jìn)行測試時，緊急制動距離在370±50 m 以內(nèi)時方為合格，若采用其他速度等級進(jìn)行測試，同理可查表2將實測結(jié)果與標(biāo)稱值進(jìn)行比對。

圖1 HXD2 型電力機(jī)車緊急制動距離測量結(jié)果

表2 HXD2 型電力機(jī)車緊急制動距離測量結(jié)果

進(jìn)行實測緊急制動距離時，要選擇在平直無坡的線路上進(jìn)行；試驗前閘片經(jīng)過適當(dāng)磨合，接觸面積不小于80%，制動缸行程在規(guī)定范圍內(nèi)；試驗要盡量選擇氣象條件適合的時機(jī)進(jìn)行，不在雨、雪、霜和大風(fēng)等對制動距離有明顯影響的氣象環(huán)境下進(jìn)行；在進(jìn)行下次緊急制動試驗前，基礎(chǔ)制動部件需冷卻至100 ℃以下。

在表2 的緊急制動距離測試過程中，由于測試線路不是一段平直線路，考慮到線路坡度不超過±4‰，因此在實測制動距離后，對制動距離進(jìn)行修正為式（1）［8］：

式中：L1為修正后的制動距離，m；L為實測的制動距離，m；V0為目標(biāo)制動初速度，km/h；V為實際制動初速度，km/h；i為線路坡度，mm/m；R為線路曲線半徑；R0為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，取0.08。公式中的“＋”用于下坡，“-”用于上坡。

（2）上述測量緊急制動距離的方法，均采用實地測量方法確認(rèn)機(jī)車的緊急制動距離，這種方法操作較為復(fù)雜，測量距離精度不高。文中研究了一種機(jī)車緊急制動距離的校驗校核技術(shù)方案，用來解決上述的問題。第一步是進(jìn)行實車緊急制動試驗。此試驗是在現(xiàn)有盡量平直的試驗軌道上，進(jìn)行允許范圍內(nèi)多個速度的緊急制動試驗，在試驗過程中，LKJ 將線路信息通過中間設(shè)備傳到制動系統(tǒng)中，制動系統(tǒng)則可以根據(jù)緊急制動的指令和機(jī)車的速度計算得到緊急制動的實際距離。第二步是將非平直軌道上測量的緊急制動距離折算到平直軌道上，這個計算軟件在地面分析軟件中將不同速度、不同坡道下的緊急制動距離進(jìn)行折算，得到該速度下的緊急制動距離，將該距離與標(biāo)準(zhǔn)緊急制動距離曲線相比較，就能夠得出該速度下，該機(jī)車的緊急制動距離是否合格的結(jié)論。

緊急制動試驗中硬件的連接方式如圖2 所示，LKJ 數(shù)據(jù)接口裝置與機(jī)車的LKJ 之間通過CAN 網(wǎng)或者以太網(wǎng)連接，這取決于LKJ 的型號。LKJ 數(shù)據(jù)接口裝置與制動系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接，這樣機(jī)車LKJ 的數(shù)據(jù)經(jīng)過LKJ 數(shù)據(jù)接口裝置中轉(zhuǎn)，就可以發(fā)到制動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)接收到之后，就可以與制動數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，計算出緊急制動的距離。采用此方案進(jìn)行制動距離測算，可有效提升緊急制動距離測量的效率。

圖2 機(jī)車緊急制動距離試驗方案框圖

5 結(jié)論

文中對機(jī)車緊急制動距離試驗測試方法從標(biāo)準(zhǔn)要求方面、主機(jī)廠和檢修段的檢驗情況、制動系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)處理能力等3 個方面進(jìn)行了調(diào)研和總結(jié)，指出目前針對緊急制動距離的驗證和測試存在動態(tài)驗證不充分，線路條件受限，數(shù)據(jù)解析不直觀等問題。

針對上述問題提出了解決方案，通過對各個型號機(jī)車不同速度等級下的緊急制動距離標(biāo)稱值的實際測量，確定機(jī)車緊急制動距離標(biāo)準(zhǔn)值表，從而克服測試速度等級和線路條件受限等方面的問題，有助于簡化緊急制動距離的測試方法。文中以HXD2型電力機(jī)車為例，進(jìn)行了不同速度等級緊急制動距離實測數(shù)據(jù)收集。在緊急制動距離的測算方法方面，提出通過LKJ 與制動系統(tǒng)接口車載軟件的方式，對緊急制動距離進(jìn)行采樣計算，提高測量精度和測試效率。