潘全章

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，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、和諧型電力機車、和諧型內(nèi)燃機車裝用的微機控制空氣制動系統(tǒng)運用狀態(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)生機車在采取緊急制動的情況下，仍出現(xiàn)由于下坡機車冒進出站信號的情況。2019～2021 年，多個鐵路局集團公司結(jié)合動力集中動車組運行情況，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，探究影響機車和列車制動能力的因素。

為了進一步提升制動系統(tǒng)在鐵路機車運用中的可靠性，保證機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準要求

1.1 制動距離和標準要求

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

目前，機車整車型式試驗按GB/T 3318—2006《電力機車制成后投入使用前的試驗方法》［2］執(zhí)行。其中機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、重大改進型機車的緊急制動距離是否符合技術(shù)要求。例如，最高運行速度為120 km/h 的HXD1型電力機車要求在平直道上、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 試運要求

國鐵集團對新造機車的技術(shù)管理非常嚴格，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行型式試驗都有嚴格的規(guī)定。新造機車出廠前往往進行線路試運行試驗。新造機車出廠的例行試驗中，進行簡化線路試驗，一般只進行機車或列車的牽引試驗，不進行線路上的緊急制動試驗［2］。

我國機車大修執(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)機車實際技術(shù)狀態(tài)和走形公里數(shù)或使用時間確定，機車檢修周期及技術(shù)標準按照國鐵集團機車檢修規(guī)程執(zhí)行。機車大修的任務(wù)是恢復(fù)機車的基本性能，以保證機車的運輸需要。

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

2 新造機車、大修機車制動試運情況

為了解目前新造機車、大修機車廠線試運、正線試運的情況，對主機廠以及主要機車檢修段進行調(diào)研，摸清主機廠新造機車、大修機車以及檢修段的試運考核內(nèi)容和技術(shù)要求，尤其要對試運環(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

目前我國各型機車的制動系統(tǒng)配置較為多樣，各型機車差異較大，直流機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］，目前在和諧機車、復(fù)興號機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。部分和諧型電力機車的制動系統(tǒng)配置情況見表1［5］。

表1 和諧型電力機車（部分）制動系統(tǒng)配置情況

目前，和諧型電力機車通常裝配有微機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：均衡風缸壓力、列車管壓力、總風壓力、制動缸壓力等［6-7］，數(shù)據(jù)記錄頻率可達到1 Hz 以上，部分精度較高的制動系統(tǒng)，數(shù)據(jù)記錄頻率可達到10 Hz 以上?；谥苿酉到y(tǒng)的數(shù)據(jù)分析能力，微機控制的電空制動系統(tǒng)通常具備自檢功能，運行自檢功能后，可對制動系統(tǒng)內(nèi)部的各項性能指標進行測試和分析，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)進行解析和展示，并未將各項數(shù)據(jù)相結(jié)合進行深化處理，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，除機車定型以及重大改進需要進行整車型式試驗外，其他已定型機車新造和大修機車的廠線試運和正線試運只進行牽引試驗和制動系統(tǒng)的常規(guī)試驗，沒有進行制動系統(tǒng)的緊急制動距離的校核試驗。原則上，新造機車和大修機車出廠后緊急制動距離靠設(shè)計保證，但對每一個機車個體來說，緊急制動距離未經(jīng)過校核。

微機控制的制動系統(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車在干燥平直軌道上的“緊急制動距離—速度等級”標準曲線，并給出每個速度等級下的緊急制動距離容差范圍。當需要進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，與標準曲線進行比照，若折算后的緊急制動距離處于標準曲線容差范圍之內(nèi)，則認為緊急制動距離正常。

以HXD2型電力機車為測試對象，對各個不同速度等級的緊急制動距離進行了測試，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型電力機車在80 km/h 速度等級下的標稱值，并給出一定的容差，如±50 m，即可得到HXD2型電力機車在 80 km/h 的速度等級下的緊急制動距離合格范圍。當對同等配置的另一臺HXD2型電力機車進行測試，采用80 km/h 的速度等級進行測試時，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行測試，同理可查表2將實測結(jié)果與標稱值進行比對。

圖1 HXD2 型電力機車緊急制動距離測量結(jié)果

表2 HXD2 型電力機車緊急制動距離測量結(jié)果

進行實測緊急制動距離時，要選擇在平直無坡的線路上進行；試驗前閘片經(jīng)過適當磨合，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進行，不在雨、雪、霜和大風等對制動距離有明顯影響的氣象環(huán)境下進行；在進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機車的緊急制動距離，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行折算，得到該速度下的緊急制動距離，將該距離與標準緊急制動距離曲線相比較，就能夠得出該速度下，該機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)進行同步，計算出緊急制動的距離。采用此方案進行制動距離測算，可有效提升緊急制動距離測量的效率。

圖2 機車緊急制動距離試驗方案框圖

5 結(jié)論

文中對機車緊急制動距離試驗測試方法從標準要求方面、主機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，通過對各個型號機車不同速度等級下的緊急制動距離標稱值的實際測量，確定機車緊急制動距離標準值表，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型電力機車為例，進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，對緊急制動距離進行采樣計算，提高測量精度和測試效率。