CRH1A型動車組制動異?；袉栴}原因分析及對策

薛文敏

(中國鐵路南昌局集團(tuán)有限公司 福州動車段， 福州 350000)

自CRH1A型動車組配屬福州動車段以來，發(fā)生了6件動車組在制動過程中出現(xiàn)異?；校斐芍苿泳嚯x延長，其中最嚴(yán)重的停車后動車組越出站信號機(jī)216 m，給動車組運行帶來安全隱患。查閱動車組出現(xiàn)問題時的環(huán)境數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)動車組自身的制動系統(tǒng)故障或網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)故障，為此必須對動車組源頭設(shè)計和運行外部環(huán)境進(jìn)行深度分析。

1 現(xiàn)場初步調(diào)查

針對CRH1A型動車組出現(xiàn)的6件制動異?；惺录?，通過調(diào)閱車載監(jiān)控數(shù)據(jù)和外部環(huán)境數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)存在共同點：動車組異常制動主要發(fā)生在迷霧、陰雨天氣及下坡軌道路段，且均在司機(jī)施加制動后出現(xiàn)。為此，選定在類似的天氣狀況、車站、車次進(jìn)行跟蹤模擬，又發(fā)現(xiàn)3件制動異?；惺录?/p>

某年2月6日凌晨，小雨，實車添乘CRH1A型動車組在運行速度200 km/h，施加B7級制動時分別出現(xiàn)了3次滑行。第1次滑行發(fā)生處的下坡度為4‰，第2、第3次滑行發(fā)生處的下坡度均為5‰。通過異?；星闆r初步判斷，動車組異常滑行均是出現(xiàn)在迷霧、陰雨天氣條件下，輪軌黏著系數(shù)降低后發(fā)生且多出現(xiàn)在下坡路段，而在同樣車組運行在天氣晴朗情況下的平直路段均未出現(xiàn)異?；鞋F(xiàn)象。通過監(jiān)測車載數(shù)據(jù)捕捉到防滑裝置被激活的信號和速度變化曲線如圖1所示。

2 動車組滑行控制原理分析

(1)WSP系統(tǒng)基本控制原理

動車組在制動過程中，通過安裝在各車軸及牽引電機(jī)上的速度傳感器，對速度進(jìn)行檢測，當(dāng)車輪與鋼軌之間的黏著力比基礎(chǔ)制動裝置(空氣制動)及牽引電機(jī)(再生制動)產(chǎn)生的制動力小時，輪軌之間就會產(chǎn)生滑行，輪對轉(zhuǎn)速減小，此時動車組滑行檢測單元檢測到滑行率、減速度、速度差等參數(shù)超過設(shè)定值，立即觸發(fā)防滑系統(tǒng)動作，減小該軸的制動力，進(jìn)行再黏著控制，以防止制動距離的繼續(xù)延長及車輪踏面的擦傷。但如果快速施加大級別制動力，會使得滑行率、減速度、速度差均增大，從而造成運行動車組制動時異?；?。減速度檢測和速度差檢測示意圖分別如圖2、圖3所示。

圖1 監(jiān)測到的滑行信號和速度變化曲線

圖2 減速度檢測

圖3 速度差檢測

滑行率λ采用下式計算：

從滑行率公式及減速度、速度差檢測圖形中可以看出，當(dāng)車組快速施加大級別制動力時，減速度β、速度差Δv增大，使得滑行率λ增大，增加了車組的異?；懈怕?。

(2)防滑閥超時控制原理

國際鐵路聯(lián)盟UIC541-05的標(biāo)準(zhǔn)中對防滑閥的持續(xù)排風(fēng)時間要求：防滑閥持續(xù)排風(fēng)時間不允許超過10 s，并且需由一個獨立的設(shè)備控制。為滿足以上要求，該車型WSP系統(tǒng)設(shè)有watchdog用于監(jiān)控防滑閥的排風(fēng)時間，當(dāng)防滑閥連續(xù)排風(fēng)時間超過7 s時，中斷對防滑閥的控制，即停止排風(fēng)并恢復(fù)向制動缸供風(fēng)。另，防滑系統(tǒng)軟件中設(shè)置防滑閥最大允許單次連續(xù)排風(fēng)的時間為5 s，最大允許排風(fēng)保持總的持續(xù)時間為8 s；若防滑閥的工作時間超過了以上限制，則判定為控制超時，WSP系統(tǒng)將中斷對防滑閥的控制，制動缸壓力恢復(fù)到要求的水平，直到達(dá)到以下任一條件，則恢復(fù)防滑控制：

①列車靜止

②列車進(jìn)入到牽引模式

③軌道黏著系數(shù)增大

④制動請求減少

國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定10s是允許的最大時間，但系統(tǒng)根據(jù)防滑系統(tǒng)使用歐洲鐵路經(jīng)驗選用7 s進(jìn)行設(shè)定，理論上可以滿足防滑控制要求，并且能夠增加列車運行的安全保障。問題發(fā)生時，動車組運行在濕滑的軌道上，由于黏著系數(shù)過低，部分軸發(fā)生了滑行并且持續(xù)了較長的時間，導(dǎo)致防滑閥控制超時，使WSP系統(tǒng)中斷了對防滑閥的控制，制動缸壓力恢復(fù)，從而造成了輪對抱死。

3 動車組滑行問題專項試驗分析

為進(jìn)一步查找CRH1A型動車組異?；惺录?，在南昌鐵路局管內(nèi)杭深高鐵鐵路進(jìn)行以下模擬試驗：干軌狀態(tài)緊急制動和常用制動試驗、濕軌狀態(tài)緊急制動和常用制動試驗、模擬車站對標(biāo)停車試驗。

試驗檢測參數(shù)為：1、2、3車各軸速度；1、2車各軸制動缸壓力；1、2車防滑閥信號；1車電機(jī)電流；1車和8車制動起始點；動車組實際速度(通過安裝在7車的速度傳感器獲得)等。同時電務(wù)部門配合對整個試驗過程ATP數(shù)據(jù)進(jìn)行了全程采集，以便對試驗結(jié)果進(jìn)行全面分析。

試驗時，8車主控時進(jìn)行干軌狀態(tài)緊急制動和常用制動試驗，1車主控時進(jìn)行濕軌狀態(tài)防滑試驗。

(1)滑行工況下ATP顯示速度差異及緩解時顯示速度躍升現(xiàn)象

在本次調(diào)查試驗時，進(jìn)行了多次制動調(diào)速時噴灑減摩液，以模擬冬季時杭深線軌面薄冰、結(jié)霜等極端低黏著狀態(tài)，動車組施加B5及B7級制動及緩解，典型試驗曲線見圖4。

圖4 B5/B7復(fù)合制動緩解速度曲線

電務(wù)部門提供的ATP顯示屏顯示速度曲線見圖5。

圖5 車載ATP狀態(tài)監(jiān)測曲線

動車組施加B5復(fù)合制動，由于軌面黏著條件較差，ATP軸發(fā)生滑行，待速度降至約110 km/h緩解；隨后動車組施加B7復(fù)合制動，至約60 km/h緩解。由試驗曲線和車載ATP狀態(tài)監(jiān)測曲線可見，動車組B5級制動緩解前，ATP軸速度與動車組實際速度差約15 km/h，緩解瞬間，ATP屏顯示速度從99 km/h躍升至107 km/h，速度躍升8 km/h；動車組B7級制動緩解前，ATP軸速度與動車組實際速度差約15 km/h，緩解瞬間，ATP屏顯示速度從53 km/h躍升至61 km/h，速度躍升約8 km/h。

通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步認(rèn)定CRH1A動車組在實際運營中發(fā)生的異?；校斐芍苿泳嚯x延長的原因為：車載ATP顯示屏的速度來源為主控端第一車的2軸和3軸安裝的速度傳感器，兩軸均為動軸，制動力配置與其他動軸相同。在軌面黏著條件較差的情況下，在調(diào)速制動過程中ATP軸如發(fā)生滑行，ATP屏顯示速度低于動車組實際速度且差異較大，司機(jī)進(jìn)站對標(biāo)停車時按ATP屏顯示速度預(yù)留制動距離，進(jìn)行調(diào)速。但此時動車組實際速度高于ATP顯示速度，按ATP屏顯示速度進(jìn)行調(diào)速操作，加之此時軌面黏著條件較差，制動力較正常狀態(tài)弱，兩方面的原因共同作用，實施制動后動車組滑行制動距離延長，最終導(dǎo)致動車組停車過標(biāo)。

此過程的另一個現(xiàn)象是緩解時ATP顯示速度躍升，這同樣與制動滑行時ATP顯示速度低于動車組實際速度有關(guān)，當(dāng)緩解后，由于制動力的撤除，ATP軸輪周速度迅速跟上動車組實際速度，即表現(xiàn)為ATP屏顯示速度躍升。

(2)ATP車載設(shè)備轉(zhuǎn)部分監(jiān)控模式的現(xiàn)象

列車轉(zhuǎn)換成部分監(jiān)控模式的條件是：當(dāng)ATP軸減速度超過5 (km·h-1)·s-1的持續(xù)時間超過6.5 s，或因在制動過程中，ATP軸發(fā)生滑行后，由ATP軸計算得到的位置信息與動車組實際位置有較大偏差。發(fā)生監(jiān)控模式轉(zhuǎn)換后，列車限速45 km/h，此時動車組速度超過限速，ATP發(fā)出緊急制動命令。

在此次調(diào)查試驗中，雖未捕捉到常用制動時車載ATP設(shè)備轉(zhuǎn)為部分監(jiān)控的現(xiàn)象，但在濕軌條件下多次出現(xiàn)緊急制動時轉(zhuǎn)部分監(jiān)控的情況。經(jīng)試驗組分析，試驗時噴灑減摩液的軌面條件與冬季沿海地區(qū)軌面的黏著條件還是有一定的差異。試驗采集到的典型試驗曲線見圖6。

電務(wù)部門監(jiān)測到的監(jiān)控模式轉(zhuǎn)換曲線見圖7，轉(zhuǎn)換前的局部放大圖見圖7。

由試驗曲線看出，由于制動過程中，ATP軸發(fā)生滑行，防滑控制并未使ATP軸速度盡快恢復(fù)到動車組實際速度，保持一定的速度差，導(dǎo)致一段時間內(nèi)ATP軸速度下降率大于動車組實際速度下降率，當(dāng)ATP軸減速度達(dá)到部分監(jiān)控模式的轉(zhuǎn)換條件，車載ATP將進(jìn)行監(jiān)控模式的轉(zhuǎn)換。

由車載ATP狀態(tài)監(jiān)測曲線可知，從制動施加至模式轉(zhuǎn)換的6.6 s內(nèi)，ATP顯示速度從193.1 km/h線性下降至163 km/h，過程中減速度均為約5.4 (km·h-1)·s-1，達(dá)到了監(jiān)控模式的轉(zhuǎn)換條件。分析之前情況監(jiān)控模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象與試驗時捕捉到的現(xiàn)象相似。

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圖6 緊急制動過程中ATP轉(zhuǎn)部分監(jiān)控模式速度曲線

圖7 車載ATP狀態(tài)監(jiān)測曲線(監(jiān)控模式轉(zhuǎn)換)

圖8 車載ATP狀態(tài)監(jiān)測曲線(監(jiān)控模式轉(zhuǎn)換局部放大)

4 動車組異?；袉栴}的原因

綜合分析CRH1A型動車組異?；械默F(xiàn)象，并對動車組滑行控制原理通過專項試驗進(jìn)行驗證，得出如下結(jié)論：

(1)車載ATP顯示屏的速度來源為主控端第1車的2軸和3軸安裝的速度傳感器，兩軸均為動軸，制動力配置與其他動軸相同。在軌面黏著條件較差的情況下，在調(diào)速制動過程中ATP軸如發(fā)生滑行，ATP屏顯示速度低于動車組實際速度且差異較大，司機(jī)進(jìn)站對標(biāo)停車時按ATP屏顯示速度預(yù)留制動距離，進(jìn)行調(diào)速。但此時動車組實際速度高于ATP顯示速度，按ATP屏顯示速度進(jìn)行調(diào)速操作，加之此時軌面黏著條件較差，制動力較正常狀態(tài)弱，兩方面的原因共同作用，實施制動后動車組滑行制動距離延長，最終導(dǎo)致動車組停車過標(biāo)。

(2)由于迷霧、陰雨天氣，造成輪、軌間黏著系數(shù)降低，此時動車組過快施加大級別制動，易導(dǎo)致滑行事件發(fā)生；而平緩遞增制動等級，可降低動車組出現(xiàn)滑行事件概率。因此，在迷霧、陰雨等特定天氣環(huán)境下，過快的施加大級別制動，是導(dǎo)致動車組產(chǎn)生滑行因素之一。

(3)動車組在施加制動產(chǎn)生滑行集中在下坡軌道路段，也是導(dǎo)致動車組產(chǎn)生滑行因素之一。

5 動車組異常滑行問題對策措施

(1)在迷霧、陰雨等特定天氣環(huán)境下，動車組在?？壳八緳C(jī)應(yīng)適當(dāng)提前施加制動，并且逐級施加制動，避免高級位制動。具體操作要求如下：

①列車進(jìn)站停車時應(yīng)控制過岔速度不超過60 km/h，待列車頭部過岔后應(yīng)較晴好天氣提前100 m開始制動，依次逐級平緩增加制動級位(制動級位不超過B4級)，控制列車在站中心的速度不超過35 km/h。

②如遇發(fā)生滑行時應(yīng)適當(dāng)減少制動力，待滑行消除后再緩慢增加制動力，如列車滑行可能危及安全時，司機(jī)必須立即采取緊急制動措施。

③惡劣天氣動車組遇機(jī)外停車時必須提前一個閉塞分區(qū)開始制動減速，減速時先采取B1級制動，停留2～3 s后再緩慢進(jìn)級增加制動力(制動級位不超過B5級)，控制列車平穩(wěn)降速，使列車實際運行速度保持在低于監(jiān)控模式線50 km/h以下，同時加強(qiáng)對速度的盯控，控制列車在顯示一個黃色燈光的通過信號機(jī)前停車。

(2)優(yōu)化CRH1A行動車組防滑控制邏輯，通過動車組TCMS軟件修改頭車滑行檢測的制動控制，具體如下：

①當(dāng)主控端第1車檢測到滑行時，立刻切除該車的電制動，本次制動操作結(jié)束后恢復(fù)電制動。

②若滑行持續(xù)3 s以上，則切除主控端第1車的空氣制動，滑行信號消失并維持5 s后恢復(fù)空氣制動。

2012年鐵路局機(jī)務(wù)部門制定并發(fā)布了《防止動車組制動滑行安全控制措施》的文件，明確了司機(jī)在迷霧、陰雨天氣條件下的安全防控措施。2015年通過專項試驗驗證CRH1A動車組軟件防滑控制邏輯通過中國鐵路總公司評審，并最終在動車組上批量裝車，通過以上整治措施，動車組未再發(fā)生過異?；械膯栴}。