軌道交通動車組單雙管制制動系統可靠性建模

祝 露 李紅軍

（1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804 上海；2.長春軌道客車股份有限公司，220100 長春∥第一作者，博士研究生）

保證列車的安全正點是軌道交通運營追求的目標，其中列車的制動系統起著必不可少的作用。通過制動系統的可靠調節，列車才能及時準確地改變速度，在預定地點停車，以保證正常的運輸秩序，同時制動系統由于故障而造成的后果比失去牽引力更為嚴重，因此制動系統的可靠性就顯得極為重要。

1 單雙管制制動系統簡介

單管制制動系統是通過一套獨立完整的制動控制系統來控制制動缸的相應動作。一般而言，壓縮空氣只能夠通過總風管進入到制動控制設備中，因而被稱為單管制制動系統。單管制制動系統的結構較為簡單，維護維修方便，降低了列車的運行成本。目前城市軌道交通交通車輛主要采用單管制制動系統。

與單管制制動系統相比較，雙管制制動系統在單管制制動系統的基礎上增設了一套純空氣式的備用制動控制系統，主要用于主制動系統失靈時的列車救援、列車回送等情況。備用制動系統的動作不受總風管的影響，只受列車管的減壓量控制。因而，在總風管的基礎上又增設了一根列車管，此雙管控制方式稱為雙管制制動系統。目前，雙管制制動系統在一些動車組車輛上有所使用。

2 單雙管制制動系統的工作原理

本文單管制制動系統以“和諧號”CRH2 型動車組為研究對象，雙管制制動系統以“中華之星”和“和諧號”CRH3 型動車組為研究對象。以下將詳細分析這三種車型制動系統的工作原理。

2.1 CRH2型動車組制動系統

CRH2型動車組采用的是單管制制動系統，其制動系統為微機直通電空制動系統。制動時電制動（再生制動）優先，盡最大能力充分發揮電制動作用；在電制動不足或電制動失效的情況下，由空氣制動力補充。制動控制系統采用計算機控制，接受司機控制器、列車控制系統、ATP（列車自動防護）的控制指令，并通過網絡及硬線傳送至各車的制動控制單元；同時，制動控制系統會根據制動力要求及再生制動能力，計算所需的空氣制動力，控制各車施加空氣制動。

2.2 CRH3型動車組制動系統

CRH3型動車組采用的是雙管制制動系統。列車制動系統包括有直通式制動系統和自動式制動系統。直通式制動系統為主制動系統，是一套由電氣直接控制氣動摩擦制動的制動系統；自動式制動系統為備用制動系統，是一套自動式空氣制動系統。

CRH3型動車組的備用制動系統在電控直通空氣制動無法使用時（故障或救援／回送狀態）通過司機手柄人工啟用。備用制動啟用后，主制動控制手柄的制動控制被切斷，電制動無法使用。CRH3型動車組的直通電空制動與CRH2型動車組的工作原理類似，不再贅述。

2.3 “中華之星”制動系統

“中華之星”制動系統采用的是雙管制制動系統，該制動系統主要由微機直通電空制動、基礎制動、防滑器及備用自動空氣制動等4 個部分組成。其中，備用自動空氣制動采用自動空氣制動裝置。它不但能與既有的機車車輛制動系統聯掛，還能以熱備用的方式實施與電空制動的自動轉換。

直通電空制動系統采用F8空氣制動機作熱備用，其切換邏輯如圖1圖所示。當電空制動系統正常工作時，氣路集成板上的空／電轉換閥得電。空／電轉換閥將電空制動中繼閥的輸出壓力通往制動缸，使制動缸的壓力受電空制動系統控制。當電空制動系統沒有正常投入工作時，空／電轉換閥失電，F8空氣制動機的輸出通往制動缸，制動缸壓力受F8分配閥控制，相當于普通空氣制動系統。

圖1 “中華之星”動車組制動系統電空制動與備用空氣制動的切換

空／電轉換閥能否得電取決于2個條件：1個條件是制動總線上的空電轉換線有電；另一個條件是本車的BCU（制動控制單元）空／電轉換控制在電空位。

3 單雙管制制動系統可靠性模型

典型的可靠性模型有串聯模型、并聯模型、旁聯模型和表決模型等。旁聯模型表示冷儲備的邏輯關系，構成模型的各個通路具有一定的優先級，初始工作通路故障時切換至第一備用通路，第一備用通路故障時切換至第二備用通路，以此類推，如圖2所示。本文采用旁聯模型對單雙管制制動系統建立可靠性模型。

圖2 旁聯模型

根據CRH2型動車組、CRH3 型動車組及“中華之星”動車組制動系統的工作原理，建立如圖3～圖5所示的可靠性模型框圖。

圖3 CRH2型動車組制動系統可靠性模型

圖4 CRH3型動車組制動系統可靠性模型

圖5 “中華之星”動車組制動系統可靠性模型

根據可靠性計算的相似產品法，以同類型某制動系統可靠性數據估算動車組制動系統可靠度函數。制動系統各部件的工作故障率λ如表1所示［5］。

表1 制動系統各部分工作故障率表

3.1 CRH2型動車組可靠性模型

根據可靠性理論，車輛制動系統的故障率為：

假設部件均服從指數分布，則根據指數分布的可靠度與工作故障率之間的關系可得到CRH2型動車組制動系統的可靠度為：

式中，t為制動系統的工作時間。

3.2 CRH3型動車組可靠性模型

在圖4中，CRH3型動車組制動系統的開關1為司機手動操作，此時可假設司機操作無誤，則其可靠度為1。

根據可靠性理論，直通制動系統的故障率為：

假設各個部件服從指數分布，則其平均無故障工作時間為：

模塊A 的平均無故障時間為：

則模塊A 的工作故障率為：

制動系統的總故障率為：

假設部件均服從指數分布，則根據指數分布的可靠度與工作故障率之間的關系得到CRH3型動車組制動系統的可靠度為：

3.3 “中華之星”動車組可靠性模型

由于開關2（見圖5）是在列車安全線斷裂或者車輛BCU 出現故障而不能夠正常工作時自動切換的，因而其故障率為：

現以一般分配閥的故障率取代F8型分配閥的故障率，則模塊B的平均無故障時間為：

模塊C 的平均無故障時間為：

則整個制動系統的平均無故障時間為：

根據指數分布的可靠度與平均無故障工作時間之間的關系，該制動系統的可靠度為：

4 結語

本文根據可靠度函數，分別計算“中華之星”、CRH3型動車組雙管制制動系統以及CHR2 型動車組直通電空單管制制動系統的可靠度函數曲線如圖6所示。

圖6 各動車組制動系統的可靠度函數曲線

通過圖6 可以發現，在相同的工作時間內CRH3型動車組的可靠度最高，其次分別為CRH2型動車組和“中華之星”動車組。比較CRH2型動車組和CRH3型動車組可以知道，采用雙管制制動系統可增加整個制動系統的可靠度，從而提高了制動安全性。

由圖6可知，“中華之星”動車組的可靠度最低，這是因為：①“中華之星”動車組采用的是自動切換方式，而CRH3型動車組采用的是人工手動切換，在計算可靠度時默認手動切換的可靠度為1；雖然說自動切換能夠減少響應時間，從而降低縱向沖動等不利因素的影響，但是依靠零部件自身可靠度來實施備用制動與主制動之間的切換，本身已經降低了整體制動系統的可靠度。②“中華之星”動車組與CRH3型動車組相比會發現，主制動與備用制動之間的連接元器件的可靠度相差很大，其中“中華之星”動車組的空／電轉換電磁閥的可靠度較低，進而影響到了整個制動系統的可靠度。由此可見，中間連接器件的可靠度對整個制動系統還是十分關鍵的。

［1］吳萌嶺.微機控制直通電空制動系統研究［D］.上海：同濟大學，2006.

［2］戰成一.CRH2 型200km／h 動車組制動系統［J］.機車電傳動，2009（1）：4.

［3］張曙光.中國高速鐵路技術叢書CRH3型動車組［M］.北京：中國鐵道出版社，1008.

［4］林祜亭.《中華之星》動車組制動系統的技術分析和評估［J］.鐵道機車車輛，2003（3）：1.

［5］王孝延，吳萌嶺，趙惠祥.2型高速動車組的制動力分配和可靠性建模［J］.同濟大學學報：自然科學版，2010（9）：1359.