機車緊急制動距離校驗校核方法現狀及建議

潘全章

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094）

隨著動力集中電動車組的正式開行，各主機廠與相關單位逐步開展了針對動力集中動車組、和諧型電力機車、和諧型內燃機車裝用的微機控制空氣制動系統運用狀態、產品可靠性、修程情況的持續跟蹤和評估。2020 年7 月曾發生機車在采取緊急制動的情況下，仍出現由于下坡機車冒進出站信號的情況。2019～2021 年，多個鐵路局集團公司結合動力集中動車組運行情況，組織開展以動車組整列制動力為主題的專項技術研討會，探究影響機車和列車制動能力的因素。

為了進一步提升制動系統在鐵路機車運用中的可靠性，保證機車緊急制動性能的正常施行，文中對制動系統制動能力評估方法和現狀進行論述，指出了目前緊急制動距離校驗的問題和難點，并提出了解決方案。

1 制動距離和制動能力評估的標準要求

1.1 制動距離和標準要求

2014 年鐵總169 號文件公布了《鐵路機車車輛設計定型管理辦法》［1］，規定新型鐵路機車分為全新型、重大改進型、一般改進型3 種。對全新型、重大改進型機車在投入運用前需要進行整車型式試驗和運用考核。

目前，機車整車型式試驗按GB/T 3318—2006《電力機車制成后投入使用前的試驗方法》［2］執行。其中機車線路緊急制動距離試驗，需要滿足《鐵路技術管理規程》［3］的要求，以此來驗證全新型、重大改進型機車的緊急制動距離是否符合技術要求。例如，最高運行速度為120 km/h 的HXD1型電力機車要求在平直道上、制動初速120 km/h時，緊急制動距離不大于1 100 m；最高運行速度160 km/h 的動力集中動車組動力車在160、120 km/h的制動初速度下，換算到平直道上施行緊急制動距離應分別不大于1 400、800 m。

1.2 試運要求

國鐵集團對新造機車的技術管理非常嚴格，每一種新車型都建立了對應的總體技術規范?？傮w技術規范對出廠檢驗、型式試驗以及哪些主要部件需要進行型式試驗都有嚴格的規定。新造機車出廠前往往進行線路試運行試驗。新造機車出廠的例行試驗中，進行簡化線路試驗，一般只進行機車或列車的牽引試驗，不進行線路上的緊急制動試驗［2］。

我國機車大修執行的是計劃預防修的維修體制，主要零部件實施專業化集中修和定期檢測狀態修，檢修周期應根據機車實際技術狀態和走形公里數或使用時間確定，機車檢修周期及技術標準按照國鐵集團機車檢修規程執行。機車大修的任務是恢復機車的基本性能，以保證機車的運輸需要。

機車大修后出廠前的線路試運行試驗在各型機車大修規程中都進行了規定。大修機車線路試運行試驗分為廠線試運和正線試運。廠線試運須進行安全設備、速度調節、機車單獨制動、自動制動等功能試驗。試驗期間，機車的控制系統、制動系統及走行部要求工作正常、作用良好、安全可靠，符合運用要求。機車正線試運走行公里不少于100 km，定速試驗正常，其中牽引負荷運行不少于20 km，以試運條件允許的最高速度運行不少于45 km。機車正線試運期間機車的牽引性能、制動性能須符合相關技術要求，各部件不許有漏油、漏氣、過熱、異味及異音，機車主要軸承溫升不許超過55 K。大修機車的線路試運行試驗中，通常不包括緊急制動距離的測量。

2 新造機車、大修機車制動試運情況

為了解目前新造機車、大修機車廠線試運、正線試運的情況，對主機廠以及主要機車檢修段進行調研，摸清主機廠新造機車、大修機車以及檢修段的試運考核內容和技術要求，尤其要對試運環境主要包括交路的限速、坡道情況、曲線半徑、線路長度等方面進行調研、分析。

受限于動態試驗的試驗線路條件等因素，各被調研單位根據實際情況制定相關的試驗項點。對于動態試驗的要求主要包括：牽引手柄性能試驗、電制動性能試驗、空電互鎖、空電聯合試驗、電制動切除試驗、空氣制動調速試驗、50 km/h 速度等級的自動制動手柄緊急制動試驗和車長閥緊急制動試驗、緊急制動與電制動配合試驗等試驗項點，測試速度等級為20～85 km/h 不等，試運線路里程為3～100 km 不等。

3 制動系統情況

目前我國各型機車的制動系統配置較為多樣，各型機車差異較大，直流機車主要采用單元制動器的基礎制動方式，而和諧型電力機車更多采用輪盤制動的方式，閘瓦材質分為粉末冶金、高摩合成、鑄鐵閘瓦等多種材質［4-5］，目前在和諧機車、復興號機車上使用的制動控制系統包括JZ-8、DK-2、CCBII、Faively、CAB-A、CAB-B 等多種［4-5］。多種多樣的配置形式對制動距離的計算帶來的一定的困難。部分和諧型電力機車的制動系統配置情況見表1［5］。

表1 和諧型電力機車（部分）制動系統配置情況

目前，和諧型電力機車通常裝配有微機控制的電空制動系統，這種類型的制動系統內部配置有多個壓力傳感器，并可通過網絡接口與硬線接口與其他車載設備進行實時通訊，可實現采集與制動系統相連通的多條內外部氣路的壓力，如：均衡風缸壓力、列車管壓力、總風壓力、制動缸壓力等［6-7］，數據記錄頻率可達到1 Hz 以上，部分精度較高的制動系統，數據記錄頻率可達到10 Hz 以上?；谥苿酉到y的數據分析能力，微機控制的電空制動系統通常具備自檢功能，運行自檢功能后，可對制動系統內部的各項性能指標進行測試和分析，但以目前制動系統的自檢能力來說，尚不具備對制動距離進行自檢的功能。

針對制動系統數據，制動系統廠家開發了制動系統數據地面分析軟件，能夠對制動系統各壓力數據和IO 信號狀態進行解讀和分析，并生成相關的數據曲線供使用者了解制動系統的運行狀態。通常，地面數據分析軟件僅對各個數據參數進行解析和展示，并未將各項數據相結合進行深化處理，深化處理工作通常由人工完成。

4 問題及解決方案

通過以上分析，現有的動態試驗測試方案中，除機車定型以及重大改進需要進行整車型式試驗外，其他已定型機車新造和大修機車的廠線試運和正線試運只進行牽引試驗和制動系統的常規試驗，沒有進行制動系統的緊急制動距離的校核試驗。原則上，新造機車和大修機車出廠后緊急制動距離靠設計保證，但對每一個機車個體來說，緊急制動距離未經過校核。

微機控制的制動系統雖然具備較為完備的數據采集和記錄系統，并可通過與其他設備數據配合復現車組運行情況，但對制動系統數據的使用仍然存在如下難點：車型配置較為復雜；各個車型的制動系統數據內容和協議內容不盡相同；數據解析需要使用專業的分析軟件，數據分析對操作者要求較高。

目前緊急制動距離校核存在的問題，可通過如下方法解決：

（1）可針對各個不同車型繪制該型號機車在干燥平直軌道上的“緊急制動距離—速度等級”標準曲線，并給出每個速度等級下的緊急制動距離容差范圍。當需要進行緊急制動距離校核時，可通過線路試驗測得某特定速度等級下的緊急制動距離，將實測數據根據線路情況折算為干燥平直路線上的制動距離后，與標準曲線進行比照，若折算后的緊急制動距離處于標準曲線容差范圍之內，則認為緊急制動距離正常。

以HXD2型電力機車為測試對象，對各個不同速度等級的緊急制動距離進行了測試，測試結果見表2 和如圖1 所示。以80 km/h 的速度等級為例，根據實際測試結果，HXD2型電力機車在該速度等級下，緊急制動距離約為370 m，將此數值定義為HXD2型電力機車在80 km/h 速度等級下的標稱值，并給出一定的容差，如±50 m，即可得到HXD2型電力機車在 80 km/h 的速度等級下的緊急制動距離合格范圍。當對同等配置的另一臺HXD2型電力機車進行測試，采用80 km/h 的速度等級進行測試時，緊急制動距離在370±50 m 以內時方為合格，若采用其他速度等級進行測試，同理可查表2將實測結果與標稱值進行比對。

圖1 HXD2 型電力機車緊急制動距離測量結果

表2 HXD2 型電力機車緊急制動距離測量結果

進行實測緊急制動距離時，要選擇在平直無坡的線路上進行；試驗前閘片經過適當磨合，接觸面積不小于80%，制動缸行程在規定范圍內；試驗要盡量選擇氣象條件適合的時機進行，不在雨、雪、霜和大風等對制動距離有明顯影響的氣象環境下進行；在進行下次緊急制動試驗前，基礎制動部件需冷卻至100 ℃以下。

在表2 的緊急制動距離測試過程中，由于測試線路不是一段平直線路，考慮到線路坡度不超過±4‰，因此在實測制動距離后，對制動距離進行修正為式（1）［8］：

式中：L1為修正后的制動距離，m；L為實測的制動距離，m；V0為目標制動初速度，km/h；V為實際制動初速度，km/h；i為線路坡度，mm/m；R為線路曲線半徑；R0為回轉質量系數，取0.08。公式中的“＋”用于下坡，“-”用于上坡。

（2）上述測量緊急制動距離的方法，均采用實地測量方法確認機車的緊急制動距離，這種方法操作較為復雜，測量距離精度不高。文中研究了一種機車緊急制動距離的校驗校核技術方案，用來解決上述的問題。第一步是進行實車緊急制動試驗。此試驗是在現有盡量平直的試驗軌道上，進行允許范圍內多個速度的緊急制動試驗，在試驗過程中，LKJ 將線路信息通過中間設備傳到制動系統中，制動系統則可以根據緊急制動的指令和機車的速度計算得到緊急制動的實際距離。第二步是將非平直軌道上測量的緊急制動距離折算到平直軌道上，這個計算軟件在地面分析軟件中將不同速度、不同坡道下的緊急制動距離進行折算，得到該速度下的緊急制動距離，將該距離與標準緊急制動距離曲線相比較，就能夠得出該速度下，該機車的緊急制動距離是否合格的結論。

緊急制動試驗中硬件的連接方式如圖2 所示，LKJ 數據接口裝置與機車的LKJ 之間通過CAN 網或者以太網連接，這取決于LKJ 的型號。LKJ 數據接口裝置與制動系統通過以太網連接，這樣機車LKJ 的數據經過LKJ 數據接口裝置中轉，就可以發到制動系統，制動系統接收到之后，就可以與制動數據進行同步，計算出緊急制動的距離。采用此方案進行制動距離測算，可有效提升緊急制動距離測量的效率。

圖2 機車緊急制動距離試驗方案框圖

5 結論

文中對機車緊急制動距離試驗測試方法從標準要求方面、主機廠和檢修段的檢驗情況、制動系統本身的數據處理能力等3 個方面進行了調研和總結，指出目前針對緊急制動距離的驗證和測試存在動態驗證不充分，線路條件受限，數據解析不直觀等問題。

針對上述問題提出了解決方案，通過對各個型號機車不同速度等級下的緊急制動距離標稱值的實際測量，確定機車緊急制動距離標準值表，從而克服測試速度等級和線路條件受限等方面的問題，有助于簡化緊急制動距離的測試方法。文中以HXD2型電力機車為例，進行了不同速度等級緊急制動距離實測數據收集。在緊急制動距離的測算方法方面，提出通過LKJ 與制動系統接口車載軟件的方式，對緊急制動距離進行采樣計算，提高測量精度和測試效率。