2型高速动车组的制动力分配和可靠性建模

第３８卷第９期　２０１０年９月　同济大学学报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＯＮＧＪＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）　Ｖ０１．３８　Ｎｏ．９　Ｓｅｐ．２０１０　文章编号：０２５３—３７４Ｘ（２０１０）０９—１３５９—０４　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３—３７４ｘ．２０１０．０９．０２０　２型高速动车组的制动力分配和可靠性建模　王孝延　，吴萌岭　，赵惠祥　（１．同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海２００３３１；２．《同济大学学报（自然科学版）》编辑部，上海２０００９２）　干线铁路速度和城市轨道交通停站精度要求的　城市轨道交通车辆制动系统的主要制动方式．２型高速动车　提高，促使轨道交通车辆制动系统技术不断向前发　摘要：电制动力和空气制动力配合是当今高速动车组和新型　组（Ｃ　｛２）的电制动力和空气制动力以一动一拖的编组为单　位进行协调配合，不同制动工况下电制动力和摩擦制动力的　展．作为制动系统主控机构的制动机由最初的手制　动机、空气制动机、真空制动机发展为现在普遍采用　组成方式多样．通过分析其结构和制动力构成的特点，运用　的电空制动机ｌ＿１］．微机控制电空制动机作为电空制　旁联结构建立了编组制动系统的可靠性模型．根据相似产品　可靠性数据，对所建立的可靠性模型进行了定量计算．　动机的一种，与空气制动机相比，由于采用了电信号　传递制动指令，提高了列车前后车辆制动动作的一　关键词：中国高速铁路；动车组；制动系统；制动力分配；　致性．同时，与其他电空制动机相比，由于采用微机　对制动力进行计算和分配，不仅提高了制动力控制　可靠性建模　中图分类号：Ｕ　２７０．３５　文献标识码：Ａ　的准确性和响应速度，而且便于多种制动方式的协　调控制，因此成为当前高速列车和新型城市轨道交　　Ｂｒａｋｉｎｇ　Ｆｏｒｃｅ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＲＨ２　ａｎｄ　Ｉｔｓ　通制动系统的主要制动方式．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ＷＡＮＧＸｉａｏｙａｎ　，ＷＵＭｅｎｇｌｉｎｇ　，ＺｔｌＡＯＨｕｉｘｉａｎｇ。　（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　ａｎｄ　Ｕｒｂａｎ　Ｒａｉｌ　Ｔｒａｎｓｉｔ，Ｔｏｎ￣ｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００３３１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｅｄｉｔｏｒｉａｌ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ），Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，　Ｃｈｉｎａ）　轨道交通是大运量的载运工具，对高速列车来　说，关乎乘客安全的制动系统的可靠性尤为重要，必　须对其进行系统的可靠性评估．与传统的空气制动　机以单节车为单位进行制动力控制不同，微机控制　电空制动机的制动力多以若干节车组成的制动控制　单元为单位进行制动力分配，对电制动力和空气制　动力在单元内各车之间进行协调配合，不同的工况　电制动力和气制动力的构成各异，这为制动系统的　可靠性建模提出了新的挑战．目前，国内尚无针对电　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｐｎｅｕｍａｔｉｃ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｂｅｃｏｍｉｎｇ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｐｏｐｕｌａｒ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｃｏｏｐｅｒａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　ｐｎｅｕｍａｔｉｃ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｉｎ　ａ　ｕｎｉｔ　ｏｆ　ＣＲＨ２　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｍｏｔｏｒ　ｃａｒ　ａｎｄ　ｏｎｅ　ｔｍｉ１　ｃａｒ．Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｐｎｅｕｍａｔｉｃ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ．Ｓｏ　ｉｔ　ｇｉｖｅｓ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ　ｉｎ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＲＨ２　ｂｒａｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｗｉｈ　ｓｔａｎｄｂｙ　ｔ空配合制动系统以制动控制单元为研究对象的可靠　性建模方面的文献．本文拟以Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｈｉｇｈ．　ｓｐｅｅｄ中的２型动车组（ＣＲＨ２）的微机控制直通电空　制动系统为对象，提出一种可靠性建模方法．　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｍｔｅｒ　ｔｈａｔ，ｑｕａｎｔｉａｔｉｖｅ　ｃａｌｔｃｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌ　ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ．　１　ＣＲＨ２的制动力分配　传统的干线铁路通常采用动力集中的方式，即　列车的头尾两节车是具有牵引能力的动车，中问各　车为没有牵引能力的拖车．动车组和新型城市轨道　交通车辆较多采用动力分散结构，动车和拖车互相　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｈｉｎａ　ｒａｉｌｗａｙ　ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｕｎｉｔｓ；　ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ；　收稿日期：２００９—０６—０５　基金项目：铁道部动车组引进技术消化吸收再创新项目（２００７０９２３）　作者简介：王孝延（１９８２一），男，工学博士，主要研究方向为轨道交通制动系统可靠性与动态评估技术．　Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｘｉａｏｙａｎｓｈ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ＣＯｒｎ　吴萌岭（１９５９），男，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为轨道交通制动技术．Ｅ．ｍａｉｌ：ｗｕｍｌｓｈ＠１６３．ｃｏｍ　同济大学学报（自然科学版）　第３８卷　搭配形成编组，ＣＲＨ２动车组为８节编组，１辆动车　故障，动车无法提供再生制动力，此时动车和拖车各　和１辆拖车组成一个制动控制单元，如图１所示　引．　自用摩擦制动承担自身所需的制动力；工况２表示　有再生制动力，但数值较低，不能满足动车所需制动　力，此时动车再生制动全部发挥，动车摩擦制动补足　／拖车ｌ｝劫车；Ｉ　制动单元●表示动车轴　网　０表示拖车轴　自身不足的制动力，拖车摩擦制动补足自身所需制　动力；工况３表示再生制动力已超过动车所需制动　ｏｏ　００■■●■ＩＱＱ■■００　ＯＯ１００　ＵＵ■■■■　●■■ＵＵ　ＵＵ　：制动单元：　制动单元：制动单元　力，但小于单元所需总制动力数值，此时动车再生制　动力全部发挥，除负担自身所需的制动力外，负担拖　图１　ａ珏Ｉ２动车组编组结构　Ｆｉｇ．１　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｕｎｉｔ　ｏｆ　ＣＲＨ２　ＣＲＨ２动车组采用再生制动和空气制动联合作　用的复合制动模式，由于再生制动具有能量利用率　高，无机械磨耗的优点，因此在单元内实行再生制动　优先，摩擦制动延迟控制的制动力控制模式．每个单　元的制动力由再生制动力和摩擦制动力两部分构　成，制动力大小的运算以及两种制动力的协调配合　由制动控制单元（ＢＣＵ）完成，它含有微处理模块，是　制动控制的运算中心．再生制动是由动车上的牵引　电机实现的，制动时电机转变为发电机，将列车的动　能转换为电能反馈回电网，因此再生制动力只能由　动车产生；而动车和拖车各有一套独立的摩擦制动　系统，故动车和拖车均可产生摩擦制动力．制动单元　的工作原理如图２所示．　煎一一一一一一一一一一一：　一一一一一　堡亳：　图２　ＣＲＩ－Ｉ２动车组制动单元工作原理　Ｆｉｇ．２　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｆｏｒ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｕｎｉｔ　ｏｆ　ＣＲＨ２　由于高速时再生制动具有良好的特性，而在低　速时却难于提供稳定的再生制动力，因此在列车速　度低于１５　ｋｍ．ｈ　或再生制动出现故障时，动车和　拖车只用其摩擦制动完成制动作用．而在其他工况，　则是优先采用动车的再生制动力，不足的制动力先　由拖车的摩擦制动力补充，再由动车的摩擦制动力　补充．根据动车再生制动力大小的不同，将ＣＲＨ２的　制动分为工况１、工况２、工况３和工况４，不同工况　单元的制动力分配情况如表１所示，其中ＢＭ为动车　所需制动力，Ｂ　为拖车所需制动力，Ｂ　为动车所提　供的再生制动力．工况１表示低速或再生制动系统　车所需部分制动力，拖车的摩擦制动力补足余下的　制动力需求，动车的摩擦制动力不起作用；工况４表　示再生制动力数值足够大，已超过单元所需的总制　动力，此时动车再生制动力负担单元所需总制动力，　动车和拖车的摩擦制动均不起作用．　表１　ＣＲ】日【２各制动工况制动力分配　Ｔａｂ．１　Ｂｒａｋｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＣＲＩＩ２　ｕｎｄｅｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　以上单元内制动力的计算和分配由动车ＢＣＵ　和拖车ＢＣＵ协调配合完成．动车ＢＣＵ除计算自身所　需制动力外，还要计算单元所需总制动力，并将电制　动不足部分的信息传递给拖车ＢＣＵ．拖车ＢＣＵ计算　自身需要的制动力数值，并接收动车ＢＣＵ的协作信　号，对不足的制动力进行补充．因此，制动力的优先　级由高到低分别为动车的再生制动力、拖车的摩擦　制动力和动车的摩擦制动力．　２　ＣＲＨ２制动系统的可靠性建模　为了对产品的可靠性进行预计和估算所建立的　模型就是产品的可靠性模型，它描述了系统及其组　成单元之间的故障逻辑关系［３］．系统的可靠性模型　来源于系统的功能模型，一个好的可靠性模型应能　较好地反映系统的工作原理．　典型的可靠性模型有串联模型、并联模型、旁联　模型和表决模型等．旁联模型表示冷储备的逻辑关　系，构成模型的各个通路具有一定的优先级，初始工　作通路故障时切换至第一备用通路，第一备用通路故　障时切换至第二备用通路，以此类推，如图３所示．　第９期　王孝延，等：２型高速动车组的制动力分配和可靠性建模　单元的通讯，确定再生制动是否可用；其次，再生制　动判定有效后，动车ＢＣＵ根据再生制动力的数值和　编组所需制动力的计算结果确定制动工况，并对是　否需要拖车摩擦制动补足做出判断．最后，动车ＢＣＵ　计算再生制动力和拖车能够提供的摩擦制动力之　图３旁联模型原理　Ｆｉｇ．３　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｆｏｒ　ｓｔａｎｄｂｙ　ｍｏｄｅｌ　和，并与单元需要的总制动力比较，对是否需要动车　摩擦制动力做出判断．在这里，动车和拖车的ＢＣＵ　　根据ＣＲＩ－Ｌ？动车组制动力分配的方式和特点，　起了开关的作用．据此，本文用含有３个开关的旁联模型来建立　通过对该型动车组制动力分配原理的分析，采用旁　联模型进行可靠性建模．现将制动力分配过程假设　ＣＲＨ２制动系统的可靠性模型，所建立的系统可靠性　　为以下３个步骤：首先，动车ＢＣＵ根据与再生制动　框图如图４所示．动车ＢＣＵ　图４制动系统可靠性模型　Ｆｉｇ．４　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　由图４可得，４种制动工况可分别由图中的３个　制动失效后在动车ＢＣＵ的控制下，动车组的相应单　旁联开关０，１，２的不同位置组合实现．设Ｍ．Ｎ表　元切换到摩擦制动模式．根据制动系统的实际情况，　示开关Ｍ位于第Ｎ个位置，则开关位置组合０．２可　工况２和工况３在实际运用中发生的概率远小于工　实现工况１；组合０．１，１．２和２．２可实现工况２；组　况１和工况４，忽略后对计算结果影响不大．因此可　合Ｏ．１，１．２和２．１可实现工况３；组合０．１和１．１可　将图５所示的可靠性简化模型作为ＣＲＨ２制动系统　实现工况４．因此图４所建的可靠性模型能够较好地　可靠性的工程化模型，据此进行可靠性预计．　反映ＣＲＨ２动车组的电空配合制动力分配情况，而　模型中充当“开关”的转换装置即为动车ＢＣＵ和拖　Ｓ　……………………………………………………………．、　Ａ．　曼　．。　垒　．　车ＢＣＵ．由于旁联模型的工作单元代表了旁联开关　的初始状态，而ＣＲＨ２动车组默认状态为电制动力　充足，因此图４中开关０，１，２的初始状态也较好地　Ｉ］制动单元ｎ制动单元　ｌ拖车摩擦Ｕ动车摩擦ｆ　ｌ制动指ｌ　兰＿Ｊ　开始　１令单元『　ｌ　０．１　　Ｉ制动单元ｌｌｉ　１Ｊ　Ｉ　反映了制动系统制动力分配的初始状态．　由于旁联模型在计算上的复杂性，在此需要寻　找一种适合工程计算的模型简化解．根据可靠性旁　联模型的含义，工作单元故障时，由转换装置转接到　另一个单元继续工作．而可靠性模型中的开关１、开　翥辇　；图５制动系统可靠性简化模型　Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　关２的工作单元无具体部件，也即该分支可靠度为　１．因此从可靠性理论的角度，这两个开关相当于被　“短路”，如图５所示．从制动系统的角度理解，图５　的含义是将动车、拖车的摩擦制动作为动车再生制　３可靠性模型的应用　根据相似产品法，以同类型某制动系统可靠性　动的冗余冷备份．该简化模型忽略了再生制动和摩　数据估算本文所研究制动系统各部分的平均无故障　擦制动同时作用的情况（即工况２和工况３），当再生　工作时间Ｔ，如表２所示．　同济大学学报（自然科学版）　第３８卷　表２制动系统各部分平均无故障工作时间　Ｔａｂ．２　Ｍｅａｎ　ｔｉｍｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｆｏｒ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　为运用前述模型对制动系统可靠性进行定量计　算，将图５中制动系统各组成部分用表２中的代号　表示，并划分虚单元Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｓ＿３］，如图５所示．　为了计算方便，在此假设制动系统各部件的寿　命服从指数分布，依照可靠性理论中关于串联、旁联　以及虚单元可靠性计算式，将表２中数据代入，则虚　单元Ａ和Ｂ平均无故障工作时间为　Ｔ　＝撬＝１６　０３１．３　ｈ（１）４结语　ＴＢ：—一　　：一　：９１　２５７．‘ｎ　５　ｈ　（２）　根据可靠性理论中旁联模型的含义　，虚单元　Ｃ的平均无故障工作时间为　Ｔｃ＝ｎ＋ｅｘｐ（一　）ＴＢ＝１６　０３１．３＋　９１　２５７．５ｅｘｐ（一　ｔ　）　（３）　由此得制动系统的平均无故障工作时１９表达　式为　１１一Ｔ１　Ｔｒ瓦　一　竺　二　㈤　１．７１７＋４ｅｘｐ（一而　ｔ　）　根据指数分布系统的可靠度与平均无故障工作　时１９之间的关系得制动系统的可靠度为　Ｒｓ（ｔ）＝　ｆ　１．７１７ｔ＋４￡ｅｘｐ（一　Ｊ）］　ｐ　ｌ　１一１—６　０３１　．　３—＋　．９１　２５　７　　５ｅｘｐ　　１一＝＿＝　－：　■＝Ｊ　Ｊｌ　（５）　制动系统的可靠度Ｒ　（ｔ）随ｉ云营时间变化的曲　线如图６所示．　由图６曲线可以看出制动系统完成制动任务的　可靠度随时间变化的趋势，运营部门可以据此制定　相应的维护保养计划，以使制动系统具有良好的可　用性．　图６制动系统的可靠度曲线　Ｆｉｇ．６　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｆｉｇｕｒｅ　ｆｏｒ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ＣＲＨ２动车组的制动力在１辆动车和１辆拖车　组成的制动控制单元内采取电制动和空气制动相结　合的复合制动方式；动车组制动时，制动控制单元内　３种制动力投入使用的优先级由高到低依次为：再生　制动力、拖车的摩擦制动力和动车的摩擦制动力．　利用旁联模型建立的Ｃ　｛２高速动车组制动控　制单元的可靠性模型不仅适用于ＣⅪ｛２型动车组的　制动系统，同时也适用于电空配合的其他型动车组　或城市轨道交通车辆的制动系统，具有普遍性．　参考文献：　［１］饶忠．列车制动［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００６．　ＲＡＯ　Ｚｈｏｎｇ．Ｔｒａｉｎ　ｂｒａｋｅ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｉｆｇ　Ｈｏｕｓｅ，２００６．　Ｅ２］彭俊彬．动车组牵引与制动［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００７．　ＰＥＮＧ　Ｊｕｎｂｉｎ．Ｔｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｆｏｒ　ＥＭＵＦＭ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｈｏｕｓｅ，２００７．　［３］曾声奎，赵廷弟，张建国，等．系统可靠性设计分析教程［Ｍ］．北　京：北京航空航天大学出版社，２００１．　ＺＥＮＧ　Ｓｈｅｎｇｋｕｉ，ＺＨＡ０　Ｔｉｎｇｄｉ，ＺＩ｛ＡＮＧ　Ｊｉａｎｇｕｏ，ｅｔ　ａ１．ＴｕｍｒＭ　ｆｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＢＵＡＡ　Ｐｒｅｓｓ，２００１．　［４］王少萍．工程可靠性［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版　社，２０００．　ＷＡＮＧ　Ｓｈａｏｐｉｎｇ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｂ１　７ＡＡ　Ｐｒｅｓｓ，２０００．