机车紧急制动距离校验校核方法现状及建议

潘全章

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094）

随着动力集中电动车组的正式开行，各主机厂与相关单位逐步开展了针对动力集中动车组、和谐型电力机车、和谐型内燃机车装用的微机控制空气制动系统运用状态、产品可靠性、修程情况的持续跟踪和评估。2020 年7 月曾发生机车在采取紧急制动的情况下，仍出现由于下坡机车冒进出站信号的情况。2019～2021 年，多个铁路局集团公司结合动力集中动车组运行情况，组织开展以动车组整列制动力为主题的专项技术研讨会，探究影响机车和列车制动能力的因素。

为了进一步提升制动系统在铁路机车运用中的可靠性，保证机车紧急制动性能的正常施行，文中对制动系统制动能力评估方法和现状进行论述，指出了目前紧急制动距离校验的问题和难点，并提出了解决方案。

1 制动距离和制动能力评估的标准要求

1.1 制动距离和标准要求

2014 年铁总169 号文件公布了《铁路机车车辆设计定型管理办法》［1］，规定新型铁路机车分为全新型、重大改进型、一般改进型3 种。对全新型、重大改进型机车在投入运用前需要进行整车型式试验和运用考核。

目前，机车整车型式试验按GB/T 3318—2006《电力机车制成后投入使用前的试验方法》［2］执行。其中机车线路紧急制动距离试验，需要满足《铁路技术管理规程》［3］的要求，以此来验证全新型、重大改进型机车的紧急制动距离是否符合技术要求。例如，最高运行速度为120 km/h 的HXD1型电力机车要求在平直道上、制动初速120 km/h时，紧急制动距离不大于1 100 m；最高运行速度160 km/h 的动力集中动车组动力车在160、120 km/h的制动初速度下，换算到平直道上施行紧急制动距离应分别不大于1 400、800 m。

1.2 试运要求

国铁集团对新造机车的技术管理非常严格，每一种新车型都建立了对应的总体技术规范。总体技术规范对出厂检验、型式试验以及哪些主要部件需要进行型式试验都有严格的规定。新造机车出厂前往往进行线路试运行试验。新造机车出厂的例行试验中，进行简化线路试验，一般只进行机车或列车的牵引试验，不进行线路上的紧急制动试验［2］。

我国机车大修执行的是计划预防修的维修体制，主要零部件实施专业化集中修和定期检测状态修，检修周期应根据机车实际技术状态和走形公里数或使用时间确定，机车检修周期及技术标准按照国铁集团机车检修规程执行。机车大修的任务是恢复机车的基本性能，以保证机车的运输需要。

机车大修后出厂前的线路试运行试验在各型机车大修规程中都进行了规定。大修机车线路试运行试验分为厂线试运和正线试运。厂线试运须进行安全设备、速度调节、机车单独制动、自动制动等功能试验。试验期间，机车的控制系统、制动系统及走行部要求工作正常、作用良好、安全可靠，符合运用要求。机车正线试运走行公里不少于100 km，定速试验正常，其中牵引负荷运行不少于20 km，以试运条件允许的最高速度运行不少于45 km。机车正线试运期间机车的牵引性能、制动性能须符合相关技术要求，各部件不许有漏油、漏气、过热、异味及异音，机车主要轴承温升不许超过55 K。大修机车的线路试运行试验中，通常不包括紧急制动距离的测量。

2 新造机车、大修机车制动试运情况

为了解目前新造机车、大修机车厂线试运、正线试运的情况，对主机厂以及主要机车检修段进行调研，摸清主机厂新造机车、大修机车以及检修段的试运考核内容和技术要求，尤其要对试运环境主要包括交路的限速、坡道情况、曲线半径、线路长度等方面进行调研、分析。

受限于动态试验的试验线路条件等因素，各被调研单位根据实际情况制定相关的试验项点。对于动态试验的要求主要包括：牵引手柄性能试验、电制动性能试验、空电互锁、空电联合试验、电制动切除试验、空气制动调速试验、50 km/h 速度等级的自动制动手柄紧急制动试验和车长阀紧急制动试验、紧急制动与电制动配合试验等试验项点，测试速度等级为20～85 km/h 不等，试运线路里程为3～100 km 不等。

3 制动系统情况

目前我国各型机车的制动系统配置较为多样，各型机车差异较大，直流机车主要采用单元制动器的基础制动方式，而和谐型电力机车更多采用轮盘制动的方式，闸瓦材质分为粉末冶金、高摩合成、铸铁闸瓦等多种材质［4-5］，目前在和谐机车、复兴号机车上使用的制动控制系统包括JZ-8、DK-2、CCBII、Faively、CAB-A、CAB-B 等多种［4-5］。多种多样的配置形式对制动距离的计算带来的一定的困难。部分和谐型电力机车的制动系统配置情况见表1［5］。

表1 和谐型电力机车（部分）制动系统配置情况

目前，和谐型电力机车通常装配有微机控制的电空制动系统，这种类型的制动系统内部配置有多个压力传感器，并可通过网络接口与硬线接口与其他车载设备进行实时通讯，可实现采集与制动系统相连通的多条内外部气路的压力，如：均衡风缸压力、列车管压力、总风压力、制动缸压力等［6-7］，数据记录频率可达到1 Hz 以上，部分精度较高的制动系统，数据记录频率可达到10 Hz 以上。基于制动系统的数据分析能力，微机控制的电空制动系统通常具备自检功能，运行自检功能后，可对制动系统内部的各项性能指标进行测试和分析，但以目前制动系统的自检能力来说，尚不具备对制动距离进行自检的功能。

针对制动系统数据，制动系统厂家开发了制动系统数据地面分析软件，能够对制动系统各压力数据和IO 信号状态进行解读和分析，并生成相关的数据曲线供使用者了解制动系统的运行状态。通常，地面数据分析软件仅对各个数据参数进行解析和展示，并未将各项数据相结合进行深化处理，深化处理工作通常由人工完成。

4 问题及解决方案

通过以上分析，现有的动态试验测试方案中，除机车定型以及重大改进需要进行整车型式试验外，其他已定型机车新造和大修机车的厂线试运和正线试运只进行牵引试验和制动系统的常规试验，没有进行制动系统的紧急制动距离的校核试验。原则上，新造机车和大修机车出厂后紧急制动距离靠设计保证，但对每一个机车个体来说，紧急制动距离未经过校核。

微机控制的制动系统虽然具备较为完备的数据采集和记录系统，并可通过与其他设备数据配合复现车组运行情况，但对制动系统数据的使用仍然存在如下难点：车型配置较为复杂；各个车型的制动系统数据内容和协议内容不尽相同；数据解析需要使用专业的分析软件，数据分析对操作者要求较高。

目前紧急制动距离校核存在的问题，可通过如下方法解决：

（1）可针对各个不同车型绘制该型号机车在干燥平直轨道上的“紧急制动距离—速度等级”标准曲线，并给出每个速度等级下的紧急制动距离容差范围。当需要进行紧急制动距离校核时，可通过线路试验测得某特定速度等级下的紧急制动距离，将实测数据根据线路情况折算为干燥平直路线上的制动距离后，与标准曲线进行比照，若折算后的紧急制动距离处于标准曲线容差范围之内，则认为紧急制动距离正常。

以HXD2型电力机车为测试对象，对各个不同速度等级的紧急制动距离进行了测试，测试结果见表2 和如图1 所示。以80 km/h 的速度等级为例，根据实际测试结果，HXD2型电力机车在该速度等级下，紧急制动距离约为370 m，将此数值定义为HXD2型电力机车在80 km/h 速度等级下的标称值，并给出一定的容差，如±50 m，即可得到HXD2型电力机车在 80 km/h 的速度等级下的紧急制动距离合格范围。当对同等配置的另一台HXD2型电力机车进行测试，采用80 km/h 的速度等级进行测试时，紧急制动距离在370±50 m 以内时方为合格，若采用其他速度等级进行测试，同理可查表2将实测结果与标称值进行比对。

图1 HXD2 型电力机车紧急制动距离测量结果

表2 HXD2 型电力机车紧急制动距离测量结果

进行实测紧急制动距离时，要选择在平直无坡的线路上进行；试验前闸片经过适当磨合，接触面积不小于80%，制动缸行程在规定范围内；试验要尽量选择气象条件适合的时机进行，不在雨、雪、霜和大风等对制动距离有明显影响的气象环境下进行；在进行下次紧急制动试验前，基础制动部件需冷却至100 ℃以下。

在表2 的紧急制动距离测试过程中，由于测试线路不是一段平直线路，考虑到线路坡度不超过±4‰，因此在实测制动距离后，对制动距离进行修正为式（1）［8］：

式中：L1为修正后的制动距离，m；L为实测的制动距离，m；V0为目标制动初速度，km/h；V为实际制动初速度，km/h；i为线路坡度，mm/m；R为线路曲线半径；R0为回转质量系数，取0.08。公式中的“＋”用于下坡，“-”用于上坡。

（2）上述测量紧急制动距离的方法，均采用实地测量方法确认机车的紧急制动距离，这种方法操作较为复杂，测量距离精度不高。文中研究了一种机车紧急制动距离的校验校核技术方案，用来解决上述的问题。第一步是进行实车紧急制动试验。此试验是在现有尽量平直的试验轨道上，进行允许范围内多个速度的紧急制动试验，在试验过程中，LKJ 将线路信息通过中间设备传到制动系统中，制动系统则可以根据紧急制动的指令和机车的速度计算得到紧急制动的实际距离。第二步是将非平直轨道上测量的紧急制动距离折算到平直轨道上，这个计算软件在地面分析软件中将不同速度、不同坡道下的紧急制动距离进行折算，得到该速度下的紧急制动距离，将该距离与标准紧急制动距离曲线相比较，就能够得出该速度下，该机车的紧急制动距离是否合格的结论。

紧急制动试验中硬件的连接方式如图2 所示，LKJ 数据接口装置与机车的LKJ 之间通过CAN 网或者以太网连接，这取决于LKJ 的型号。LKJ 数据接口装置与制动系统通过以太网连接，这样机车LKJ 的数据经过LKJ 数据接口装置中转，就可以发到制动系统，制动系统接收到之后，就可以与制动数据进行同步，计算出紧急制动的距离。采用此方案进行制动距离测算，可有效提升紧急制动距离测量的效率。

图2 机车紧急制动距离试验方案框图

5 结论

文中对机车紧急制动距离试验测试方法从标准要求方面、主机厂和检修段的检验情况、制动系统本身的数据处理能力等3 个方面进行了调研和总结，指出目前针对紧急制动距离的验证和测试存在动态验证不充分，线路条件受限，数据解析不直观等问题。

针对上述问题提出了解决方案，通过对各个型号机车不同速度等级下的紧急制动距离标称值的实际测量，确定机车紧急制动距离标准值表，从而克服测试速度等级和线路条件受限等方面的问题，有助于简化紧急制动距离的测试方法。文中以HXD2型电力机车为例，进行了不同速度等级紧急制动距离实测数据收集。在紧急制动距离的测算方法方面，提出通过LKJ 与制动系统接口车载软件的方式，对紧急制动距离进行采样计算，提高测量精度和测试效率。