动力制动改造的机车紧急制动时的操纵方法及制动距离计算若干问题的探讨与建议

鲍存众， 王奇钟

(太原铁路局　侯马北机务段， 山西侯马 043000)



动力制动改造的机车紧急制动时的操纵方法及制动距离计算若干问题的探讨与建议

鲍存众， 王奇钟

(太原铁路局侯马北机务段， 山西侯马 043000)

一起单机撞人事故发生后，在进行制动距离时遇到下列问题：机车使用的粉末冶金闸瓦，无正式计算参数；紧急制动过程中动力制动与闸瓦制动同时投入，制动距离计算无相关先例。针对上述问题，根据《铁路机车操作规则》第35条规定和机车操纵实际，提出了实际操纵和制动距离计算建议。

粉末冶金闸瓦； 换算摩擦系数； 换算闸瓦压力； 动力制动； 闸瓦制动； 制动距离； 制动力

1　问题的提出

1.1单机撞人事故紧急制动停车时操纵过程概况

2015年10月11日侯月线发生了一起铁路交通伤亡事故，SS4G机车(单机)与行人相撞。停车前、后操纵概况如下：

发生事故前及停车过程中线路坡度为11.5‰的下坡道；紧急制动前及紧急制动过程中机车运行工况均为电阻制动；LKJ显示：制动初速度为64 km/h；15:47:23，紧急制动，15:47:35速度为0，用时12 s、走行距离158 m；紧急制动后机车制动缸压力5 s后上升到270 kPa，随后降至260 kPa，随即又逐渐上升至310 kPa，停车后上升至450 kPa。

机车视频画面显示：紧急制动后，司机立即加大电阻制动给定。

1.2实际紧急制动距离分析

SS4G机车紧急制动停车过程中LKJ数据显示：15:47:23施行紧急制动后，机车速度从64 km/h开始下降，15:47:33降至46 km/h；15:47:35，速度由45 km/h突降至0 km/h，这显然是机车发生了滑行。16:31，现场处理完毕后开车，从停车地点走行584 m通过就近的657号通过信号机时，LKJ显示距离误差50 m，而停车前通过的前一架669通过信号机时LKJ刚进行了距离校正。也就是说，该机车紧急制动过程中滑行距离为50 m。亦即：实际紧急制动距离S为LKJ显示的158+50=208(m)。

机车紧急制动停车过程中的LKJ速度曲线如图1所示，可以看出：施行紧急制动后4 s左右就发生了滑行，停车前则发生了严重滑行。究其原因是：机车的闸瓦制动力与强大的电阻制动力叠加，且速度较低，超过了黏着极限所致。

图1　LKJ速度曲线图

1.3单机紧急制动距离计算引起的困惑

事故发生后，通过与以往单机紧急制动距离比对，分析小组认为：制动初速度64 km/h、11.5‰的下坡道，单凭闸瓦制动，不可能在208 m，更不可能在158 m的距离内停车，而且由于司机按《铁路机车操作规则》简称《操规》规定缓解单阀，紧急制动过程中机车制动缸压力为270 kPa左右，并未达到机车最高制动缸压力450 kPa。因此，在紧急制动过程中，电阻制动发挥很大的作用。为了比对单纯闸瓦制动与空电联合制动时的紧急制动距离，分析小组决定进行单机紧急制动距离计算。计算过程中发现依据现行《列车牵引计算规程》简称:《牵规》,难以进行准确计算。

(1) 无粉末冶金闸瓦正式计算参数

目前，大部分SS4G机车采用粉末冶金闸瓦，其他机车也大多使用粉末冶金闸瓦。但《牵规》中既无粉末冶金闸瓦摩擦系数计算公式，也无SS4机车粉末冶金闸瓦换算闸瓦压力值，也没有与其他闸瓦的换算系数。

[3]72页指出：根据等效处理原则，给出了各种摩擦材料换算闸瓦压力之间的换算系数，即该摩擦材料换算摩擦系数与基准摩擦材料换算摩擦系数的比值，表3～表7显示：高摩合成闸瓦与粉末冶金闸瓦换算闸瓦压力的二次换算系数为1:0.8。但这一换算系数并未纳入《牵规》，而且具体计算时，装有粉末冶金闸瓦的机车、车辆的换算闸瓦压力和换算摩擦系数的二次换算系数是否取同一值也未明确。

原铁道部曾组织修改《牵规》，2013年2月的送审稿中包含了粉末冶金闸瓦相关计算参数，但仍未批准施行，且其合理与否尚需论证(后面的计算表明其不尽合理)。

(2) 动力制动与闸瓦制动同时投入时紧急制动力如何取值？

按照SS4G机车的设计原理(其他直流机车也是如此)：使用动力制动时，为防止机车制动力过大，引起滑行擦伤动轮，当机车制动缸压力超过150 kPa时，压力继电器516KF动作，切断励磁电路，解除动力制动。2009年郴州制动失灵事故后，原铁道部组织统一对装有动力制动装置的机车进行了改造，使得紧急制动时机车制动缸压力超过150 kPa仍然可以使用动力制动，以缩短制动距离，尽快停车。

《操规》第35条规定：装有动力制动的机车在使用动力制动调速过程中发生紧急制动或需紧急制动时，司机应保持机车动力制动，同时立即用单阀缓解机车制动缸压力至150 kPa以下(设有自动控制装置的机车可不进行单阀缓解操作)。装有DK-1型制动机的直流电力机车无动力制动时制动缸压力自动控制装置，进行动力制动时需人工缓解机车制动缸压力。

如此一来，计算制动距离时必然会遇到以下问题：紧急制动时动力制动该投入多大？按什么标准取值？机车制动力如何取值？制动合力如何取值？紧急制动时，司机使用单阀缓解机车制动缸压力时按照什么标准进行操纵？

2　紧急制动时的操纵建议

按照《操规》第35条：“紧急制动后，立即用单阀缓解机车制动缸压力至150 kPa以下”的要求，分析人员在SS4G机车上进行了库内试验，结果如下：

紧急制动时单阀在缓解位时：制动缸最高压力约300 kPa， 18 s左右自动降至150 kPa， 45 s左右降至0；如同时下压单阀缓解，则10 s左右降至150 kPa。单阀在运转位时，紧急制动后立即下压手把缓解，13 s左右降至150 kPa。

上述紧急制动后的单阀缓解试验是在宽松的环境中进行的。但在紧急情况下，司机施行紧急制动时高度紧张，要求立即使用单阀缓解机车制动缸压力至150 kPa以下，难以做到。如上述案例中司机施行紧急制动后，缓解单阀至260 kPa，来不及缓解至150 kPa以下就停车了。

遇有危及行车和人身安全的紧急情况时，值乘司机要么惊慌失措，施行紧急制动后坐等停车，要么立即将动力制动给至最大，匆忙之中难以兼顾缓解机车制动。再者，施行紧急制动前，假如机车处于惰行、甚至牵引工况：如果遇有冲突、相撞等危险时，司机往往是紧急制动后即跑到机械间躲避，而来不及启动动力制动，此时更不允许缓解机车制动。如果司机发现制动失灵，则应于紧急制动后，立即投入动力制动。

查阅参考文献[4]26～27页，SS4G机车电制动各曲线参数数据表可知，SS4G机车主要速度关节点对应的动力制动力如下：速度10 km/h时为363 kN，11.5～46.3 km/h时为412 kN，46.4～90 km/h，线性下降至180 kN，11.5～0 km/h线性下降至0 kN。

SS4G机车高摩合成闸瓦换算闸瓦压力为400 kN，5,80 km/h 时的换算摩擦系数分别为0.312,0.239，其闸瓦制动力分别为128.4,95.6 kN。也就是说，SS4G机车10 km/h以上时，其动力制动力远大于闸瓦制动力。

鉴于上述原因，对于装有DK-1型制动机的机车紧急制动时，提出如下操纵建议：

施行紧急制动前，机车处于动力制动状态时：自阀施行紧急制动后，立即将动力制动给至最大值，同时将单阀置于缓解位并下压手把，以尽快缓解制动缸压力，防止机车滑行；停车前(速度降至10 km/h)或须到机械间躲避前，将单阀拉到制动位，充分发挥低速时的闸瓦制动作用。这样，既能充分发挥机车综合制动作用，又能避免机车制动力过大引起的动轮擦伤事故。

施行紧急制动前，机车处于惰行或牵引工况时：自阀施行紧急制动后，有条件时立即启动动力制动并给至最大值，同时将单阀置于缓解位并下压手把缓解制动缸压力，停车前(速度降至10 km/h)或须到机械间躲避前，将单阀拉到制动位。

3　紧急制动距离计算取值建议

3.1增加粉末冶金闸瓦牵引计算相关参数

牵引计算参数应配套且应尽量符合现场实际。因此，建议尽快试验论证粉末冶金闸瓦换算摩擦系数、换算闸瓦压力等相关参数，并正式公布，使装有该型闸瓦的机车车辆制动距离计算有据可查。

3.2紧急制动时机车制动力取值建议

紧急制动改造后的机车紧急制动时，由于处于紧急情况下，受司机操纵熟练程度、当时的运行工况、施行紧急制动后司机能否安坐司机室操纵等因素的影响，具体操纵情况及制动距离计算非常复杂。因此，设有动力制动的机车进行紧急制动距离计算时应采用概算法，具体取值建议如下：

按照紧急制动后立即将动力制动给至最大值的方法操纵时：施行紧急制动时的制动力可忽略机车闸瓦制动力，只取动力制动力。考虑到司机操纵熟练程度、机车动力制动性能的差异、速度变化引起的动力制动力变化、黏着限制等因素，机车动力制动力宜取最大值的70%，空走时间取5 s。

如紧急制动时来不及投入动力制动，则只取机车闸瓦制动力。

如紧急制动后，再投入动力制动，则应分段计算。即：未投入动力制动前取机车闸瓦制动力；投入动力制动后，单取动力制动力。具体计算时，应根据LKJ显示的投入动力制动的时间、速度等数据，分别计算。

4　单机撞人事故紧急制动距离计算与制动距离试验结果分析

4.1SS4G机车纯闸瓦制动紧急制动距离计算

鉴于SS4G机车使用的粉末冶金闸瓦无明确的换算闸瓦压力和换算摩擦系数的计算公式，依据3种计算方法进行计算。有关计算数据说明如下：

制动初速度v0为64 km/h，末速度为0 km/h；加算坡度取-11.5；SS4G机车计算质量P取184 t；根据《牵规》规定，单机紧急制动时空走时间取2.5 s；机车单位基本阻力、换算摩擦系数，按紧急制动距离内的平均速度32 km/h计算取值；换算闸瓦压力、换算摩擦系数按相应的计算公式分别计算取值。

(1) 按高摩合成闸瓦计算紧急制动距离

换算摩擦系数按φh=0.322×(v+150)/(2v+150)计算取值；SS4G机车高摩合成闸瓦换算闸瓦压力取400 kN；换算制动率按θh=400/(184×9.81)计算取值。据此计算制动距离为370.6 m。

(2) 按《牵规》送审稿提供的参数计算紧急制动距离

2013年2月《牵规》送审稿中显示粉末冶金闸瓦相关计算参数：换算摩擦系数计算公式：φh=0.395×((2v+40)/(5v+40))，SS4G机车粉末冶金闸瓦换算闸瓦压力为620 kN；据此计算制动距离为318.9 m。

(3) 按参考文献[3]提供的换算系数计算紧急制动距离

参考文献[3]72页表3—表7显示：高摩合成闸瓦与粉末冶金闸瓦换算闸瓦压力的二次换算系数为1:0.8。据此计算制动距离为469.3 m。

4.2按 SS4G机车纯动力制动取值紧急制动距离计算

SS4G机车动力制动力最大值为412 kN，按其70%取值作为紧急制动期间的机车平均制动力，即机车制动力B=412(kN)×70%=288.4(kN)。

机车单位动力制动力

b=(B/p×g)×103=159.7(N/kN)

机车单位基本阻力按速度32 km/h时计算取值：

ω0=3.19(N/kN)；ij仍取-11.5。

机车单位合力C=-(b+ω0+ij)=

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

-(4.17×642)/(-151.4)=112.8(m)

空走时间取5 s，制动初速v0为64 km/h，空走距离Sk=v0×5/3.6=88.9(m)。

全制动距离：

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

4.3紧急制动距离模拟试验情况

上述制动距离计算结果差异很大,分析小组决定在原事故地段进行模拟试验。10月19日模拟试验结果如下：

第1次试验，SS4G-217，53159次，紧急制动前电阻制动控制速度，紧急制动后立即将电阻制动给至最大，单阀运转位不动，制动缸压力4 s上升至410 kPa,试验结果：制动初速度63 km/h，走行19 s，紧急制动距离167 m。

第2次试验，SS4G-6022，53213次，紧急制动前电阻制动控制速度，紧急制动后保持原电阻制动，单阀运转位不动,制动缸压力4 s上升至410 kPa,：制动初速度63 km/h，走行44 s，紧急制动距离443 m。

第3次试验，SS4G-274，53163次，紧急制动前电阻制动控制速度，紧急制动后保持原电阻制动，单阀运转位不动, 制动缸压力4 s上升至400 kPa,：制动初速度64 km/h，走行40 s，紧急制动距离392 m。

4.4计算结果与实际紧急制动距离分析比较

综上所述，可以得出如下结论：

(1) 事故发生时机车实际制动距离为208 m，第1次模拟试验时，模拟司机当时的操纵方法是紧急制动后立即加大电阻制动，但未缓解机车制动缸压力，制动缸压力明显高于事故机车270 kPa左右的压力，所以其制动距离从208 m缩短为167 m，这是导致二者制动距离差异的主要原因。其次，试验时的条件较为宽松，试验人员准备充分，操纵技术较为熟练，制动过程中未发生明显滑行。

上述试验结果及事故机车实际制动距离，与按SS4G机车纯动力制动取值紧急制动距离计算结果较为接近。

(2) 第2，第3次模拟试验时，未加大动力制动，制动电流约150 A，SS4G改机车最大制动电流为771 A。因此，采用该操纵方法时，机车制动力较纯空气制动大了不少。受机车制动性能及当时制动电流大小的影响，第2,第3次模拟试验的制动距离存在差异，但可以肯定：如果不用电阻制动，仅仅采用空气制动，采用粉末冶金闸瓦的SS4G机车以64 km/h，在11.5‰的下坡道，紧急制动距离应在500 m左右。按照参考文献[3]计算的制动距离与实际较为接近。而按《牵规》送审稿计算出的制动距离仅为318 m，也就是说，《牵规》送审稿给出的计算参数尚需论证。

5　结束语

紧急制动改造后的机车紧急制动时的操纵方法和制动距离计算是一个全新课题，其具体操纵情况、计算过程非常复杂。以上论述仅仅是笔者的一己之见，还需专家学者批评指正，并进行进一步的试验、论证，使紧急制动时司机的操纵方法及牵引计算更加规范合理。

参考文献

[1]铁道部.列车牵引计算规程[S].1999.

[2]铁道部.机车操作规则[S].2013.

[3]孙中央.列车牵引计算规程实用教程[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[4]张友松,等.韶山4型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，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，高级工程师(

2015-12-18)

U260.35

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.31