动车组制动安全性研究

孙剑方，李和平，曹宏发，章阳

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

动车组制动的安全性问题，主要涉及制动系统的制动能力、可靠性、故障导向安全设计等几个方面。在需要停车的时候，制动系统必须能让运行的动车组在规定的制动距离内停下来，动车组的紧急制动距离取决于其最大制动能力，而列车最大制动能力的设计要考虑轮轨间的黏着利用、基础制动的热容量以及制动控制性能等因素。制动系统关系到列车运行安全，所以它必须安全、可靠，做到万无一失，因此其各子系统、关键部件和控制软件等在设计时必须可靠并有足够的冗余。同时，列车故障导向安全的思想必须贯穿整个制动系统的设计过程。

1 动车组制动系统的设计原理和配置

传统制动系统通过控制列车管压力来控制列车的制动及缓解，即列车管压力上升制动力下降、列车管压力下降制动力增加。而动车组制动系统均采用微机控制的直通式电空制动系统，这种制动系统不需要列车管，由贯穿全列车的总风管向各车辆的制动设备供风。各车的微机控制装置通过网络或列车硬线接收司机制动请求，直接控制各车的制动缸充风或排风，实施车辆的制动和缓解。动车组制动系统具有控制精度高、反应迅速、操纵灵活、车辆制动同步性好等特点。

在有些动车组中设置有列车管控制的备用制动装置，但备用制动只用于救援、回送，或直通式电空制动系统处于故障状态时。在列车正常状态下，备用制动装置不起作用。

动车组制动系统主要由司机制动指令系统、空气制动系统、动力制动系统（我国动车组均采用再生制动，他可以把列车动能转化为电能后反馈给电网再次利用）、制动执行机构（基础制动）和风源系统组成。制动系统采用空气制动和动力制动复合的制动模式，具有常用制动和紧急制动等功能。

动车组制动系统能够确保列车在需要停车的时候按照规定的制动距离停下来，而不会对列车造成任何设备损坏，是一个充分考虑安全的制动系统。

1.1 制动作用过程和制动能力

司机制动指令系统由司机制动控制器、司机紧急制动按钮、乘客紧急制动手柄、ATO／ATP指令系统等组成。列车的制动指令经列车网络和硬线两种方式传输至列车中各制动微机控制系统，这两种方式是相互冗余的，可以确保制动指令的准确传送。

列车在调速、进站停车时一般采用常用制动。常用制动时，制动微机控制系统接收到司机制动指令后，根据列车速度、质量等信息计算目标制动力，优先使用动力制动，当动力制动力不足或者失效时，补充空气制动力。在特殊情况下，司机将施加紧急制动。如果出现司机未及时响应警惕装置、列车脱钩、列车超速等情况时，列车会自动施加紧急制动，使得列车在最短的时间内停下来。

动车组的基础制动装置采用适用于高速的盘形制动，可以满足动车组在最高速度下紧急制动的要求。基础制动装置在试验台上要通过比列车最高速度高10%的试验验证和可靠性试验后才会允许使用（见图1）。

动车组在每8辆编组的列车中安装有两套冗余的风源系统，只有一套风源工作的情况下也能满足列车用风设备供风需求。在两套风源系统均发生故障的情况下，列车的风缸容量也能够保证连续5次紧急制动的用风需求。

图1 基础制动装置1∶1台架试验

1.2 常用制动

列车正常运行时主要采用常用制动，制动力的计算和控制由计算机完成。常用制动采用减速度控制方式，制动系统根据速度和司机控制器手柄级位确定出需要的减速度，进而计算出应该施加的制动力。减速度和制动力会跟随速度不同实时调整。制动力还会根据列车质量自动调整。常用制动时将充分发挥动力制动力，不足的制动力再由空气制动系统补充。图2为某型车的常用制动减速度曲线，司机实施4级及以下制动时，电制动即可满足列车的制动力要求，而无需使用空气制动。

图2 常用制动减速度曲线

1.3 紧急制动

紧急制动时将施加最大制动力并达到最大减速度，以满足安全制动距离要求（如350km／h的列车制动距离小于6 500m，300km／h小于3 800m，200km／h小于2 000m，160km／h小于1 400m）。紧急制动是安全等级最高的制动，紧急制动由紧急制动安全环路控制，确保紧急制动的实施。

紧急安全环路是常带电的，当紧急制动指令发出时，安全环路失电，实施紧急制动。紧急制动后在列车完全停止前是不能缓解的。

动车组紧急制动可以通过3种冗余模式可靠施加：

（1）连接在紧急制动安全环路下的紧急电磁阀触发紧急制动；

（2）BCU获得紧急制动安全环路的状态信息，实施冗余紧急制动控制；

（3）对于有备用制动的列车，列车管压力排空，备用制动系统施加冗余紧急制动。

图3 某车型的紧急制动安全环路原理

2 动车组制动系统的安全保障措施

为保证列车的运用安全性，制动系统、重要子系统、关键部件和控制软件在保证自身可靠性的同时，在列车安全性上具有高度冗余性。即使制动系统故障，也能够保证列车安全制动停车，并具有使列车移动到下一站的制动能力，见表1。

3 动车组制动系统的诊断系统

在保证动车组制动系统可靠性的同时，为监测制动系统可能发生的故障，制动系统还设有自己的故障诊断系统，实时诊断制动系统的状态。

动车组制动系统的故障诊断以行车安全作为首要考虑因素，故障诊断系统可确认、评估、报告在所有的操作模式中发生的多数故障，包括故障对系统自身以及对其它系统的影响，便于系统维护、故障定位查找和分析故障成因。动车组在运行过程中，有关运行参数、过程数据、故障数据经由网络接口实时传输至中央诊断系统，用于实时监控列车状态并报告可能发生的故障和错误。

制动系统诊断出故障时，列车将根据故障等级自动进行故障导向安全控制，保证列车安全、受控的运行。同时列车诊断系统将故障原因、功能限制、提示操作等信息告知司机、列车员，用于采取相关的补救措施。

动车组按故障影响程度设定了故障等级。发生各级故障的时候，将通过列车自动限速运行或者安全停车，以保障行车安全。

以CRH3型动车组为例，对于6类可能危及行车安全的制动系统重大故障，除自身进行故障导向安全控制，也将通过与列车中央控制单元联锁，使得列车限速运行，以保障列车运行安全。

表1 制动系统的安全保障措施

表2 CRH3车型主要故障的导向安全控制

CRH2型动车组制动系统在自身执行故障导向安全控制的同时，也将重要的诊断信息传输至列车管理系统，向司机提示当前列车的工作状态，由司机进行人工控制。

4 结论

（1）先进的动车组制动系统设计，使列车有足够的制动能力，保证列车在规定的制动距离内安全停车。

（2）动车组制动系统在安全性上具有高度冗余性，即使制动系统出现故障，也能保证列车安全停车，或在可控状态下安全运行。

（3）动车组制动系统具有良好的故障诊断功能，使制动系统始终处于受控状态，可以及时查找故障并分析故障成因。

［1］时速350公里新一代动车组技术条件［S］.铁道部运装客车〔2010〕253号文件.

［2］张曙光.中国高速铁路技术丛书.CRH1型动车组［M］.第1版.北京：中国铁道出版社，2008.1－8.388－402.

［3］张曙光.中国高速铁路技术丛书.CRH2型动车组［M］.第1版.北京：中国铁道出版社，2008.1－8.402－428.

［4］西门子.CRH3设计概念之制动系统和压缩空气供应［R］.2006，1－24.

［5］张曙光.中国高速铁路技术丛书.CRH5型动车组［M］.第1版.北京：中国铁道出版社，2008，1－8.400－432.