動力制動改造的機車緊急制動時的操縱方法及制動距離計算若干問題的探討與建議

鮑存眾， 王奇鐘

(太原鐵路局　侯馬北機務段， 山西侯馬 043000)

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動力制動改造的機車緊急制動時的操縱方法及制動距離計算若干問題的探討與建議

鮑存眾， 王奇鐘

(太原鐵路局侯馬北機務段， 山西侯馬 043000)

一起單機撞人事故發生后，在進行制動距離時遇到下列問題：機車使用的粉末冶金閘瓦，無正式計算參數；緊急制動過程中動力制動與閘瓦制動同時投入，制動距離計算無相關先例。針對上述問題，根據《鐵路機車操作規則》第35條規定和機車操縱實際，提出了實際操縱和制動距離計算建議。

粉末冶金閘瓦； 換算摩擦系數； 換算閘瓦壓力； 動力制動； 閘瓦制動； 制動距離； 制動力

1　問題的提出

1.1單機撞人事故緊急制動停車時操縱過程概況

2015年10月11日侯月線發生了一起鐵路交通傷亡事故，SS4G機車(單機)與行人相撞。停車前、后操縱概況如下：

發生事故前及停車過程中線路坡度為11.5‰的下坡道；緊急制動前及緊急制動過程中機車運行工況均為電阻制動；LKJ顯示：制動初速度為64 km/h；15:47:23，緊急制動，15:47:35速度為0，用時12 s、走行距離158 m；緊急制動后機車制動缸壓力5 s后上升到270 kPa，隨后降至260 kPa，隨即又逐漸上升至310 kPa，停車后上升至450 kPa。

機車視頻畫面顯示：緊急制動后，司機立即加大電阻制動給定。

1.2實際緊急制動距離分析

SS4G機車緊急制動停車過程中LKJ數據顯示：15:47:23施行緊急制動后，機車速度從64 km/h開始下降，15:47:33降至46 km/h；15:47:35，速度由45 km/h突降至0 km/h，這顯然是機車發生了滑行。16:31，現場處理完畢后開車，從停車地點走行584 m通過就近的657號通過信號機時，LKJ顯示距離誤差50 m，而停車前通過的前一架669通過信號機時LKJ剛進行了距離校正。也就是說，該機車緊急制動過程中滑行距離為50 m。亦即：實際緊急制動距離S為LKJ顯示的158+50=208(m)。

機車緊急制動停車過程中的LKJ速度曲線如圖1所示，可以看出：施行緊急制動后4 s左右就發生了滑行，停車前則發生了嚴重滑行。究其原因是：機車的閘瓦制動力與強大的電阻制動力疊加，且速度較低，超過了黏著極限所致。

圖1　LKJ速度曲線圖

1.3單機緊急制動距離計算引起的困惑

事故發生后，通過與以往單機緊急制動距離比對，分析小組認為：制動初速度64 km/h、11.5‰的下坡道，單憑閘瓦制動，不可能在208 m，更不可能在158 m的距離內停車，而且由于司機按《鐵路機車操作規則》簡稱《操規》規定緩解單閥，緊急制動過程中機車制動缸壓力為270 kPa左右，并未達到機車最高制動缸壓力450 kPa。因此，在緊急制動過程中，電阻制動發揮很大的作用。為了比對單純閘瓦制動與空電聯合制動時的緊急制動距離，分析小組決定進行單機緊急制動距離計算。計算過程中發現依據現行《列車牽引計算規程》簡稱:《牽規》,難以進行準確計算。

(1) 無粉末冶金閘瓦正式計算參數

目前，大部分SS4G機車采用粉末冶金閘瓦，其他機車也大多使用粉末冶金閘瓦。但《牽規》中既無粉末冶金閘瓦摩擦系數計算公式，也無SS4機車粉末冶金閘瓦換算閘瓦壓力值，也沒有與其他閘瓦的換算系數。

[3]72頁指出：根據等效處理原則，給出了各種摩擦材料換算閘瓦壓力之間的換算系數，即該摩擦材料換算摩擦系數與基準摩擦材料換算摩擦系數的比值，表3～表7顯示：高摩合成閘瓦與粉末冶金閘瓦換算閘瓦壓力的二次換算系數為1:0.8。但這一換算系數并未納入《牽規》，而且具體計算時，裝有粉末冶金閘瓦的機車、車輛的換算閘瓦壓力和換算摩擦系數的二次換算系數是否取同一值也未明確。

原鐵道部曾組織修改《牽規》，2013年2月的送審稿中包含了粉末冶金閘瓦相關計算參數，但仍未批準施行，且其合理與否尚需論證(后面的計算表明其不盡合理)。

(2) 動力制動與閘瓦制動同時投入時緊急制動力如何取值？

按照SS4G機車的設計原理(其他直流機車也是如此)：使用動力制動時，為防止機車制動力過大，引起滑行擦傷動輪，當機車制動缸壓力超過150 kPa時，壓力繼電器516KF動作，切斷勵磁電路，解除動力制動。2009年郴州制動失靈事故后，原鐵道部組織統一對裝有動力制動裝置的機車進行了改造，使得緊急制動時機車制動缸壓力超過150 kPa仍然可以使用動力制動，以縮短制動距離，盡快停車。

《操規》第35條規定：裝有動力制動的機車在使用動力制動調速過程中發生緊急制動或需緊急制動時，司機應保持機車動力制動，同時立即用單閥緩解機車制動缸壓力至150 kPa以下(設有自動控制裝置的機車可不進行單閥緩解操作)。裝有DK-1型制動機的直流電力機車無動力制動時制動缸壓力自動控制裝置，進行動力制動時需人工緩解機車制動缸壓力。

如此一來，計算制動距離時必然會遇到以下問題：緊急制動時動力制動該投入多大？按什么標準取值？機車制動力如何取值？制動合力如何取值？緊急制動時，司機使用單閥緩解機車制動缸壓力時按照什么標準進行操縱？

2　緊急制動時的操縱建議

按照《操規》第35條：“緊急制動后，立即用單閥緩解機車制動缸壓力至150 kPa以下”的要求，分析人員在SS4G機車上進行了庫內試驗，結果如下：

緊急制動時單閥在緩解位時：制動缸最高壓力約300 kPa， 18 s左右自動降至150 kPa， 45 s左右降至0；如同時下壓單閥緩解，則10 s左右降至150 kPa。單閥在運轉位時，緊急制動后立即下壓手把緩解，13 s左右降至150 kPa。

上述緊急制動后的單閥緩解試驗是在寬松的環境中進行的。但在緊急情況下，司機施行緊急制動時高度緊張，要求立即使用單閥緩解機車制動缸壓力至150 kPa以下，難以做到。如上述案例中司機施行緊急制動后，緩解單閥至260 kPa，來不及緩解至150 kPa以下就停車了。

遇有危及行車和人身安全的緊急情況時，值乘司機要么驚慌失措，施行緊急制動后坐等停車，要么立即將動力制動給至最大，匆忙之中難以兼顧緩解機車制動。再者，施行緊急制動前，假如機車處于惰行、甚至牽引工況：如果遇有沖突、相撞等危險時，司機往往是緊急制動后即跑到機械間躲避，而來不及啟動動力制動，此時更不允許緩解機車制動。如果司機發現制動失靈，則應于緊急制動后，立即投入動力制動。

查閱參考文獻[4]26～27頁，SS4G機車電制動各曲線參數數據表可知，SS4G機車主要速度關節點對應的動力制動力如下：速度10 km/h時為363 kN，11.5～46.3 km/h時為412 kN，46.4～90 km/h，線性下降至180 kN，11.5～0 km/h線性下降至0 kN。

SS4G機車高摩合成閘瓦換算閘瓦壓力為400 kN，5,80 km/h 時的換算摩擦系數分別為0.312,0.239，其閘瓦制動力分別為128.4,95.6 kN。也就是說，SS4G機車10 km/h以上時，其動力制動力遠大于閘瓦制動力。

鑒于上述原因，對于裝有DK-1型制動機的機車緊急制動時，提出如下操縱建議：

施行緊急制動前，機車處于動力制動狀態時：自閥施行緊急制動后，立即將動力制動給至最大值，同時將單閥置于緩解位并下壓手把，以盡快緩解制動缸壓力，防止機車滑行；停車前(速度降至10 km/h)或須到機械間躲避前，將單閥拉到制動位，充分發揮低速時的閘瓦制動作用。這樣，既能充分發揮機車綜合制動作用，又能避免機車制動力過大引起的動輪擦傷事故。

施行緊急制動前，機車處于惰行或牽引工況時：自閥施行緊急制動后，有條件時立即啟動動力制動并給至最大值，同時將單閥置于緩解位并下壓手把緩解制動缸壓力，停車前(速度降至10 km/h)或須到機械間躲避前，將單閥拉到制動位。

3　緊急制動距離計算取值建議

3.1增加粉末冶金閘瓦牽引計算相關參數

牽引計算參數應配套且應盡量符合現場實際。因此，建議盡快試驗論證粉末冶金閘瓦換算摩擦系數、換算閘瓦壓力等相關參數，并正式公布，使裝有該型閘瓦的機車車輛制動距離計算有據可查。

3.2緊急制動時機車制動力取值建議

緊急制動改造后的機車緊急制動時，由于處于緊急情況下，受司機操縱熟練程度、當時的運行工況、施行緊急制動后司機能否安坐司機室操縱等因素的影響，具體操縱情況及制動距離計算非常復雜。因此，設有動力制動的機車進行緊急制動距離計算時應采用概算法，具體取值建議如下：

按照緊急制動后立即將動力制動給至最大值的方法操縱時：施行緊急制動時的制動力可忽略機車閘瓦制動力，只取動力制動力。考慮到司機操縱熟練程度、機車動力制動性能的差異、速度變化引起的動力制動力變化、黏著限制等因素，機車動力制動力宜取最大值的70%，空走時間取5 s。

如緊急制動時來不及投入動力制動，則只取機車閘瓦制動力。

如緊急制動后，再投入動力制動，則應分段計算。即：未投入動力制動前取機車閘瓦制動力；投入動力制動后，單取動力制動力。具體計算時，應根據LKJ顯示的投入動力制動的時間、速度等數據，分別計算。

4　單機撞人事故緊急制動距離計算與制動距離試驗結果分析

4.1SS4G機車純閘瓦制動緊急制動距離計算

鑒于SS4G機車使用的粉末冶金閘瓦無明確的換算閘瓦壓力和換算摩擦系數的計算公式，依據3種計算方法進行計算。有關計算數據說明如下：

制動初速度v0為64 km/h，末速度為0 km/h；加算坡度取-11.5；SS4G機車計算質量P取184 t；根據《牽規》規定，單機緊急制動時空走時間取2.5 s；機車單位基本阻力、換算摩擦系數，按緊急制動距離內的平均速度32 km/h計算取值；換算閘瓦壓力、換算摩擦系數按相應的計算公式分別計算取值。

(1) 按高摩合成閘瓦計算緊急制動距離

換算摩擦系數按φh=0.322×(v+150)/(2v+150)計算取值；SS4G機車高摩合成閘瓦換算閘瓦壓力取400 kN；換算制動率按θh=400/(184×9.81)計算取值。據此計算制動距離為370.6 m。

(2) 按《牽規》送審稿提供的參數計算緊急制動距離

2013年2月《牽規》送審稿中顯示粉末冶金閘瓦相關計算參數：換算摩擦系數計算公式：φh=0.395×((2v+40)/(5v+40))，SS4G機車粉末冶金閘瓦換算閘瓦壓力為620 kN；據此計算制動距離為318.9 m。

(3) 按參考文獻[3]提供的換算系數計算緊急制動距離

參考文獻[3]72頁表3—表7顯示：高摩合成閘瓦與粉末冶金閘瓦換算閘瓦壓力的二次換算系數為1:0.8。據此計算制動距離為469.3 m。

4.2按 SS4G機車純動力制動取值緊急制動距離計算

SS4G機車動力制動力最大值為412 kN，按其70%取值作為緊急制動期間的機車平均制動力，即機車制動力B=412(kN)×70%=288.4(kN)。

機車單位動力制動力

b=(B/p×g)×103=159.7(N/kN)

機車單位基本阻力按速度32 km/h時計算取值：

ω0=3.19(N/kN)；ij仍取-11.5。

機車單位合力C=-(b+ω0+ij)=

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

-(4.17×642)/(-151.4)=112.8(m)

空走時間取5 s，制動初速v0為64 km/h，空走距離Sk=v0×5/3.6=88.9(m)。

全制動距離：

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

4.3緊急制動距離模擬試驗情況

上述制動距離計算結果差異很大,分析小組決定在原事故地段進行模擬試驗。10月19日模擬試驗結果如下：

第1次試驗，SS4G-217，53159次，緊急制動前電阻制動控制速度，緊急制動后立即將電阻制動給至最大，單閥運轉位不動，制動缸壓力4 s上升至410 kPa,試驗結果：制動初速度63 km/h，走行19 s，緊急制動距離167 m。

第2次試驗，SS4G-6022，53213次，緊急制動前電阻制動控制速度，緊急制動后保持原電阻制動，單閥運轉位不動,制動缸壓力4 s上升至410 kPa,：制動初速度63 km/h，走行44 s，緊急制動距離443 m。

第3次試驗，SS4G-274，53163次，緊急制動前電阻制動控制速度，緊急制動后保持原電阻制動，單閥運轉位不動, 制動缸壓力4 s上升至400 kPa,：制動初速度64 km/h，走行40 s，緊急制動距離392 m。

4.4計算結果與實際緊急制動距離分析比較

綜上所述，可以得出如下結論：

(1) 事故發生時機車實際制動距離為208 m，第1次模擬試驗時，模擬司機當時的操縱方法是緊急制動后立即加大電阻制動，但未緩解機車制動缸壓力，制動缸壓力明顯高于事故機車270 kPa左右的壓力，所以其制動距離從208 m縮短為167 m，這是導致二者制動距離差異的主要原因。其次，試驗時的條件較為寬松，試驗人員準備充分，操縱技術較為熟練，制動過程中未發生明顯滑行。

上述試驗結果及事故機車實際制動距離，與按SS4G機車純動力制動取值緊急制動距離計算結果較為接近。

(2) 第2，第3次模擬試驗時，未加大動力制動，制動電流約150 A，SS4G改機車最大制動電流為771 A。因此，采用該操縱方法時，機車制動力較純空氣制動大了不少。受機車制動性能及當時制動電流大小的影響，第2,第3次模擬試驗的制動距離存在差異，但可以肯定：如果不用電阻制動，僅僅采用空氣制動，采用粉末冶金閘瓦的SS4G機車以64 km/h，在11.5‰的下坡道，緊急制動距離應在500 m左右。按照參考文獻[3]計算的制動距離與實際較為接近。而按《牽規》送審稿計算出的制動距離僅為318 m，也就是說，《牽規》送審稿給出的計算參數尚需論證。

5　結束語

緊急制動改造后的機車緊急制動時的操縱方法和制動距離計算是一個全新課題，其具體操縱情況、計算過程非常復雜。以上論述僅僅是筆者的一己之見，還需專家學者批評指正，并進行進一步的試驗、論證，使緊急制動時司機的操縱方法及牽引計算更加規范合理。

參考文獻

[1]鐵道部.列車牽引計算規程[S].1999.

[2]鐵道部.機車操作規則[S].2013.

[3]孫中央.列車牽引計算規程實用教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[4]張友松,等.韶山4型電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，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，高級工程師(

2015-12-18)

U260.35

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.31