轨道交通动车组单双管制制动系统可靠性建模

2015-06-29 02:35:58李红军
城市轨道交通研究 2015年9期
关键词:故障率管制动车组

祝 露 李红军

(1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804 上海;2.长春轨道客车股份有限公司,220100 长春∥第一作者,博士研究生)

保证列车的安全正点是轨道交通运营追求的目标,其中列车的制动系统起着必不可少的作用。通过制动系统的可靠调节,列车才能及时准确地改变速度,在预定地点停车,以保证正常的运输秩序,同时制动系统由于故障而造成的后果比失去牵引力更为严重,因此制动系统的可靠性就显得极为重要。

1 单双管制制动系统简介

单管制制动系统是通过一套独立完整的制动控制系统来控制制动缸的相应动作。一般而言,压缩空气只能够通过总风管进入到制动控制设备中,因而被称为单管制制动系统。单管制制动系统的结构较为简单,维护维修方便,降低了列车的运行成本。目前城市轨道交通交通车辆主要采用单管制制动系统。

与单管制制动系统相比较,双管制制动系统在单管制制动系统的基础上增设了一套纯空气式的备用制动控制系统,主要用于主制动系统失灵时的列车救援、列车回送等情况。备用制动系统的动作不受总风管的影响,只受列车管的减压量控制。因而,在总风管的基础上又增设了一根列车管,此双管控制方式称为双管制制动系统。目前,双管制制动系统在一些动车组车辆上有所使用。

2 单双管制制动系统的工作原理

本文单管制制动系统以“和谐号”CRH2 型动车组为研究对象,双管制制动系统以“中华之星”和“和谐号”CRH3 型动车组为研究对象。以下将详细分析这三种车型制动系统的工作原理。

2.1 CRH2型动车组制动系统

CRH2型动车组采用的是单管制制动系统,其制动系统为微机直通电空制动系统。制动时电制动(再生制动)优先,尽最大能力充分发挥电制动作用;在电制动不足或电制动失效的情况下,由空气制动力补充。制动控制系统采用计算机控制,接受司机控制器、列车控制系统、ATP(列车自动防护)的控制指令,并通过网络及硬线传送至各车的制动控制单元;同时,制动控制系统会根据制动力要求及再生制动能力,计算所需的空气制动力,控制各车施加空气制动。

2.2 CRH3型动车组制动系统

CRH3型动车组采用的是双管制制动系统。列车制动系统包括有直通式制动系统和自动式制动系统。直通式制动系统为主制动系统,是一套由电气直接控制气动摩擦制动的制动系统;自动式制动系统为备用制动系统,是一套自动式空气制动系统。

CRH3型动车组的备用制动系统在电控直通空气制动无法使用时(故障或救援/回送状态)通过司机手柄人工启用。备用制动启用后,主制动控制手柄的制动控制被切断,电制动无法使用。CRH3型动车组的直通电空制动与CRH2型动车组的工作原理类似,不再赘述。

2.3 “中华之星”制动系统

“中华之星”制动系统采用的是双管制制动系统,该制动系统主要由微机直通电空制动、基础制动、防滑器及备用自动空气制动等4 个部分组成。其中,备用自动空气制动采用自动空气制动装置。它不但能与既有的机车车辆制动系统联挂,还能以热备用的方式实施与电空制动的自动转换。

直通电空制动系统采用F8空气制动机作热备用,其切换逻辑如图1图所示。当电空制动系统正常工作时,气路集成板上的空/电转换阀得电。空/电转换阀将电空制动中继阀的输出压力通往制动缸,使制动缸的压力受电空制动系统控制。当电空制动系统没有正常投入工作时,空/电转换阀失电,F8空气制动机的输出通往制动缸,制动缸压力受F8分配阀控制,相当于普通空气制动系统。

图1 “中华之星”动车组制动系统电空制动与备用空气制动的切换

空/电转换阀能否得电取决于2个条件:1个条件是制动总线上的空电转换线有电;另一个条件是本车的BCU(制动控制单元)空/电转换控制在电空位。

3 单双管制制动系统可靠性模型

典型的可靠性模型有串联模型、并联模型、旁联模型和表决模型等。旁联模型表示冷储备的逻辑关系,构成模型的各个通路具有一定的优先级,初始工作通路故障时切换至第一备用通路,第一备用通路故障时切换至第二备用通路,以此类推,如图2所示。本文采用旁联模型对单双管制制动系统建立可靠性模型。

图2 旁联模型

根据CRH2型动车组、CRH3 型动车组及“中华之星”动车组制动系统的工作原理,建立如图3~图5所示的可靠性模型框图。

图3 CRH2型动车组制动系统可靠性模型

图4 CRH3型动车组制动系统可靠性模型

图5 “中华之星”动车组制动系统可靠性模型

根据可靠性计算的相似产品法,以同类型某制动系统可靠性数据估算动车组制动系统可靠度函数。制动系统各部件的工作故障率λ如表1所示[5]。

表1 制动系统各部分工作故障率表

3.1 CRH2型动车组可靠性模型

根据可靠性理论,车辆制动系统的故障率为:

假设部件均服从指数分布,则根据指数分布的可靠度与工作故障率之间的关系可得到CRH2型动车组制动系统的可靠度为:

式中,t为制动系统的工作时间。

3.2 CRH3型动车组可靠性模型

在图4中,CRH3型动车组制动系统的开关1为司机手动操作,此时可假设司机操作无误,则其可靠度为1。

根据可靠性理论,直通制动系统的故障率为:

假设各个部件服从指数分布,则其平均无故障工作时间为:

模块A 的平均无故障时间为:

则模块A 的工作故障率为:

制动系统的总故障率为:

假设部件均服从指数分布,则根据指数分布的可靠度与工作故障率之间的关系得到CRH3型动车组制动系统的可靠度为:

3.3 “中华之星”动车组可靠性模型

由于开关2(见图5)是在列车安全线断裂或者车辆BCU 出现故障而不能够正常工作时自动切换的,因而其故障率为:

现以一般分配阀的故障率取代F8型分配阀的故障率,则模块B的平均无故障时间为:

模块C 的平均无故障时间为:

则整个制动系统的平均无故障时间为:

根据指数分布的可靠度与平均无故障工作时间之间的关系,该制动系统的可靠度为:

4 结语

本文根据可靠度函数,分别计算“中华之星”、CRH3型动车组双管制制动系统以及CHR2 型动车组直通电空单管制制动系统的可靠度函数曲线如图6所示。

图6 各动车组制动系统的可靠度函数曲线

通过图6 可以发现,在相同的工作时间内CRH3型动车组的可靠度最高,其次分别为CRH2型动车组和“中华之星”动车组。比较CRH2型动车组和CRH3型动车组可以知道,采用双管制制动系统可增加整个制动系统的可靠度,从而提高了制动安全性。

由图6可知,“中华之星”动车组的可靠度最低,这是因为:①“中华之星”动车组采用的是自动切换方式,而CRH3型动车组采用的是人工手动切换,在计算可靠度时默认手动切换的可靠度为1;虽然说自动切换能够减少响应时间,从而降低纵向冲动等不利因素的影响,但是依靠零部件自身可靠度来实施备用制动与主制动之间的切换,本身已经降低了整体制动系统的可靠度。②“中华之星”动车组与CRH3型动车组相比会发现,主制动与备用制动之间的连接元器件的可靠度相差很大,其中“中华之星”动车组的空/电转换电磁阀的可靠度较低,进而影响到了整个制动系统的可靠度。由此可见,中间连接器件的可靠度对整个制动系统还是十分关键的。

[1]吴萌岭.微机控制直通电空制动系统研究[D].上海:同济大学,2006.

[2]战成一.CRH2 型200km/h 动车组制动系统[J].机车电传动,2009(1):4.

[3]张曙光.中国高速铁路技术丛书CRH3型动车组[M].北京:中国铁道出版社,1008.

[4]林祜亭.《中华之星》动车组制动系统的技术分析和评估[J].铁道机车车辆,2003(3):1.

[5]王孝延,吴萌岭,赵惠祥.2型高速动车组的制动力分配和可靠性建模[J].同济大学学报:自然科学版,2010(9):1359.

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