CRH5A 动车组制动安全环路优化方案研究

刘克思，张远东，栾珂，张欣冉

（1 中国铁路济南局集团有限公司 青岛动车段，山东青岛 266011；2 中国铁路北京局集团有限公司，北京 100860；3 中车南京浦镇车辆有限公司，南京 210031；4 中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266031）

制动安全环路通过监控相关设备状态，当出现不安全因素时，应及时断开制动安全环路实施紧急制动，确保动车组安全停车［1］。当动车组在运用区间内发生制动安全环路断开故障后，应及时查找原因并排除故障点，若短时间内无法排除故障则应在确保安全的前提下隔离故障点，重新建立制动安全环路进行缓解，维持动车组继续运行，避免动车组在区间救援，减少对运输秩序的影响［2］。为了解决因制动安全环路断开不能缓解的问题，采用合理设置旁路功能屏蔽制动安全环路中的相关故障点，可有效提高动车组继续运行能力［3-5］。

近年来，CRH5A 动车组多次在运行途中发生制动安全环路异常断开、触发紧急制动导致区间停车，在故障检查处置过程中，涉及的司机操作设备、控制继电器及电气线路较为复杂，现有列车中央控制系统无法及时诊断并准确报出具体故障点，监控屏仅显示安全环路断开，无其他故障信息提示，随车机械师难以查明问题原因并做出快速处置，制动安全环路没有设置相关旁路功能，全列紧急制动无法缓解，通过隔离ATP、断蓄电池复位等处置均无效，最终需要通过动车组救援或重联解编后列车分部运行的方式调出区间，严重影响运输秩序。为了解决上述问题，文中结合CRH5A动车组电气原理图，梳理制动安全环路的问题，并研究设置旁路功能的优化方案，分析实施旁路功能后对动车组行车安全的影响，给出制动安全环路断开故障后的应急处置操作建议。

1 安全环路

1.1 安全环路概念

为提升动车组安全性和可靠性，动车组设计了以“故障导向安全”为原则的安全环路，将影响动车组安全运行的各种不安全因素串联在安全环路中，动车组出现紧急情况时，不依赖列车中央控制系统的前提下能够安全停车，为列车提供独立于列车中央控制系统之外的安全保护。

1.2 安全环路原理

安全环路由环路中断器（LIA）、环路控制线（LCL）、环路状态线（LSL）及环路状态继电器（LP）组成。当蓄电池打开，电源向安全环路控制线供电，列车安全环路的控制通过布置于整列车的监控接触元件（环路中断器）实现。安全环路控制线的信息传递到端车的环路状态线中，该状态线按顺序将信息传递到整列车，并由环路状态评估元件（环路状态继电器）执行整个安全环路的状态检测。安全环路断电时，环路控制线及状态线也会失电，环路状态继电器失电，各车的环路状态继电器响应控制线及状态线的变化，并对列车或单车执行相应操作。

2 CRH5A 动车组制动安全环路现状

2.1 紧急制动控制原理

CRH5A 动车组制动系统包括计算机控制的电空直通制动系统和用于救援回送的备用空气制动系统，常用制动为电空复合制动，紧急制动为纯空气制动，紧急制动可由安全环路直接触发，其控制原理如图1 所示。

图1 CRH5A 动车组紧急制动控制原理图

动车组列车正常运行时，安全环路保持闭合状态，两头车紧急制动阀（N02）得电关闭，列车管保持定压状态；各车紧急制动电磁阀（B60.05）得电，紧急制动处于缓解状态。当列车运行监控系统检测到影响运行安全的设备故障或车辆控制器发出紧急制动请求时，动车组安全环路断开，N02失电打开，快速排空列车管压力，此时，动车组各车分配阀（B55）动作，向中继阀（B60.04，B60.19）输送间接制动预控压力；同时，各车紧急制动电磁阀（B60.05）失电，向中继阀（B60.04，B60.19）输送直接制动预控压力，两者互为冗余，较大的预控压力经空重车调整阀（B60.06）作用于中继阀；在预控压力作用下，总风压力经中继阀的流量放大后，最终作用于基础制动装置，从而施加与载荷相对应的紧急制动力。另外，CRH5A 动车组安全环路的断开信号会通过网络传输给各车制动控制装置（BCU），BCU 会控制电空转换阀（B60.02）输出接近于紧急制动预控压力的备份预控压力。

2.2 制动安全环路工作原理

CRH5A 动车组安全环路由尾车司机室控制柜（QCA 柜）内30Q103 断路器供电，贯穿全列到主控车。安全环路中断器（触发源）包括牵引制动手柄、备用制动手柄、紧急制动按钮、停放制动、警惕装置、ATP/LKJ 等。通过操作牵引制动手柄至紧急制动位、备用制动手柄、按下紧急制动按钮、列车运行途中停放制动非正常施加、司机警惕装置动作、ATP/LKJ 安全防护功能触发等，均可断开安全环路，致使安全环路状态继电器（30K12）失电，导致紧急制动阀（N02）和紧急制动电磁阀（B60.05）失电，进而触发列车紧急制动，确保动车组安全停车。安全环路示意图如图2 所示。

图2 CRH5A 动车组安全环路示意图

为避免司机警惕装置及ATP/LKJ 装置错误触发造成列车紧急制动无法正常缓解，CRH5A 动车组增设了隔离警惕装置旋钮及ATP/LKJ 装置紧急制动隔离开关。将上述开关操作至隔离位，可旁路相关设备，重新建立安全环路。ATP/LKJ 紧急制动旁路后，动车组须限速40 km/h 运行。

2.3 存在的问题

CRH5A 动车组既有制动安全环路涉及的设备、继电器及电气线路比较多，任一单点故障或异常均会造成整个安全环路断开，但网络系统不能做到完全监控，无法诊断出故障点，车载装置没有故障信息提示，因此现场应急处置存在盲点；安全环路中设备故障造成环路断开后，自动触发紧急制动并无法缓解，此时需闭合安全环路方可恢复行车，目前仅对司机警惕装置、ATP/LKJ 装置设有隔离功能，其他点位故障无法直接操作隔离，难以快速应急处置。

3 制动安全环路优化方案

3.1 增设旁路开关及功能分析

为进一步提升CRH5A 动车组安全环路的可靠性，以及环路异常断开时应急处置的可操作性，基于各铁路局运用实际情况，在1 车/8 车新增旁路空开1（暂定为30Q107）和新增旁路空开2（暂定为30Q108），实现对司机警惕装置及ATP/LKJ 装置以外其他设备的可靠隔离或旁路。动车组正常工作时，新增旁路空开1 和新增旁路空开2 均处于断开位（使用铅封封锁），应急处置时去除铅封并闭合开关。具体工作原理如下：

（1）当单独闭合占用端新增旁路空开1时，安全环路上非主控端和中间车线路及设备被旁路，此时非主控端的牵引制动手柄、紧急制动按钮、备用制动手柄将无法断开安全环路，同时停放制动非正常施加也无法自动断开安全环路。新增旁路空开1 闭合后安全环路的电气原理如图3 所示。

图3 新增旁路空开1 闭合后安全环路的电气原理

（2）当单独闭合占用端新增旁路空开2时，安全环路上主控端线路及设备被旁路，此时主控端的牵引制动手柄、紧急制动按钮、备用制动手柄、司机警惕装置将无法断开安全环路，同时牵引传动装置损坏也无法自动断开安全环路。新增旁路空开2 闭合后安全环路的电气原理如图4 所示。

图4 新增旁路空开2 闭合后安全环路的电气原理

（3）当同时闭合占用端新增旁路空开1 和新增旁路空开2时，安全环路上非主控端、中间车和主控端线路及设备被旁路，此时非主控端的牵引制动手柄、紧急制动按钮、备用制动手柄和主控端的牵引制动手柄、紧急制动按钮、备用制动手柄、司机警惕装置将无法断开安全环路，同时停放制动非正常施加和牵引传动装置损坏也无法自动断开安全环路。

3.2 对行车安全影响分析

新增旁路开关闭合后，对安全环路各个触发源动作后动车组的响应和行车安全影响进行了评估分析，并提出了应急操作建议。

3.2.1 旁路从控车的安全环路控制

动车组闭合新增旁路空开1后，此时主控端的牵引/制动手柄、紧急制动按钮、备用制动手柄、司机警惕装置、牵引传动监控系统报警、ATP/LKJ 装置紧急制动触发可以断开安全环路，触发动车组紧急制动。但以下触发源的功能将受限：非主控端的牵引/制动手柄、紧急制动按钮、备用制动手柄无法断开动车组安全环路，带有停放制动的车辆停放制动非正常施加后也无法自动断开动车组安全环路。

在尾车安全环路供电失效情况下，单独闭合新增旁路空开1，此时，操作主控车牵引制动手柄至紧急制动位、备用制动手柄、紧急制动按钮、列车运行途中主控车停放制动非正常施加、司机警惕装置动作、ATP/LKJ 安全防护功能触发，均可断开安全环路，触发动车组紧急制动停车，列车安全运行不受影响。但须密切关注其他车辆（除主控车以外）停放制动缓解状态，如TD 屏弹出“列车运行过程中，停放制动非正常施加，安全环路断开”的报文信息，需人工干预并制动停车，可使用最大常用制动，也可通过按下紧急制动按钮。

在退行情况下，遇突发情况时列车工作人员操作非主控车牵引制动手柄置紧急制动位、备用制动手柄、紧急制动按钮均无法断开安全环路。考虑CRH5A 动车组设有基于列车管排风的备用空气制动系统，紧急制动按钮又具备机械排风功能，可通过紧急制动按钮排空列车管，实现动车组紧急制动施加。

另外，为避免动车组高速运行时停放制动异常施加导致车轮擦伤的风险，新增旁路空开1 闭合后，可按限速120 km/h 维持运行，动车组终到停车换端前，须断开被操作的旁路开关，并重新评估安全环路情况。

3.2.2 旁路主控车的安全环路控制

动车组闭合新增旁路空开2后，此时仅主控端的ATP/LKJ 可以断开安全环路，触发动车组紧急制动。但下列触发源的功能将受限：主控端的牵引/制动手柄、紧急制动按钮、备用制动手柄、司机警惕装置、牵引传动装置损坏等均无法断开安全环路。当遇到特殊情况需要动车组输出紧急制动时，可通过按下紧急制动按钮（机械式排风功能）排空列车管风压施加紧急制动停车。在退行情况下，遇突发情况时列车工作人员操作非主控车牵引制动手柄置紧急制动位，备用制动手柄、紧急制动按钮均可断开安全环路，退行安全不受影响。

综合评估各种运行工况，考虑主控车紧急制动功能严重受限时对安全行车的影响，可选择进一步降低运行速度，并维持运行至具备条件的车站更换车底。遇有特殊情况，基于安全考虑，可通过临时恢复主控车新增旁路空开2，断开安全环路，重新触发紧急制动停车。

3.2.3 旁路全部环路控制

安全环路特定故障工况下，需同时闭合新增旁路空开1 和新增旁路空开2，相比上述2 种单独闭合情况，动车组紧急制动功能将进一步失效，全列仅剩ATP/LKJ 可断开安全环路，车辆停放制动异常施加导致车轮擦伤的风险将增加，可选择低速运行至最近车站更换车底。当遇到特殊情况需要动车组输出紧急制动时，可通过按下紧急制动按钮（机械式排风功能）排空列车管风压施加紧急制动停车。

3.3 对检修维护影响分析

动车组日常检修作业时，需检查确认新增旁路空开1 和新增旁路空开2 是否处于断开状态，旁路开关的铅封处于正常状态。动车组因安全环路故障而启用旁路开关时，回库后应处理故障并恢复旁路开关，并重新设置铅封。

3.4 应急处置操作建议

CRH5A 动车组出现安全环路无法建立故障时，闭合占用端新增旁路空开1后，如安全环路能够建立，则限速120 km/h 维持运行；如安全环路仍无法建立，则继续闭合占用端新增旁路空开2，如安全环路能够建立，则限速120 km/h 维持运行。后续动车组停车换端前，需恢复所有旁路开关。此外，如出现停放制动非正常施加故障提示或牵引传动装置损坏故障提示时，需人工干预并制动停车，避免进一步扩大故障风险。

4 结论

在CRH5A 动车组制动安全环路上新增旁路空开1 和旁路空开2，可以在制动安全环路因特定故障断开导致列车紧急制动且无法缓解情况下，通过闭合旁路开关可以屏蔽相关触发源故障重新建立安全环路以实现列车缓解，其中新增旁路空开1闭合时可以对非主控端车辆的相关触发源故障进行屏蔽、新增旁路空开2 闭合时可以对主控端车辆的相关触发源故障进行屏蔽，此时动车组可以自走行至前方车站，避免在区间内停车等待救援，对保障高铁运输秩序意义重大。

同时，鉴于操作新增旁路开关后对动车组运行有限制条件，下一步可结合列车软件升级，研究增加特定诊断代码，完善相关操作提示，为司机及随车机械师应急处置提供操作明确的指导意见。后续，还可结合动车组寿命中期整修进一步研究增加安全环路监控及检测设备，用于准确判断安全环路断点位置，自动识别并隔离相关故障点，进一步提升动车组应急处置效率。