LKJ制动距离计算模型简化方案研究

2021-04-23叶永华

铁道通信信号 2021年3期

叶永华

列车运行监控装置（LKJ）是以防止列车冒进信号、运行超速和辅助司机提高操纵能力为主要目标的列车速度控制系统［1］，为保障铁路行车安全和支撑铁路相关技术发展发挥了重要作用。

列车制动距离计算模型是LKJ系统的关键技术之一，该计算模型使用的制动距离计算公式及制动距离计算参数取自铁路管理部门的有关规定。《列车运行监控装置（LKJ）控制模式设定规范》（2008版）［2］（目前虽已发布2015版［3］，但其制动计算公式因软件未升级到20081127版以上，仍沿用2008版设置。以下简称《LKJ控制模式规范》）将机车牵引的列车制动计算参数分为货车、闸瓦制动客车、盘形制动客车等。LKJ根据预先设置的列车类型或制动类型来选用不同的制动距离计算参数，该方式既增加了LKJ制动距离计算的复杂度，又可能因列车类型或制动类型设置错误而引起LKJ计算的列车制动距离偏短，给列车运行带来安全隐患。

本文从制动距离计算公式在不同类型制动距离计算参数下的制动距离差别出发，研究LKJ制动距离计算模型的简化方案。

1 应用现状

《LKJ控制模式规范》中规定机车牵引的列车制动距离计算公式为

式中：Sz为制动距离（m）；Sk为空走距离（m）；Se为有效制动距离（m）；v0为制动初速度（km/h）；vm为制动末速度（km/h）；tk为空走时间（s）；φh为闸瓦（闸片）换算摩擦系数；ϑh为列车换算制动率；βc为常用制动系数；ω0为列车单位基本阻力（N/kN）；ij为制动地段加算坡度千分数。

制动距离计算参数取值见表1［4］。

从公式（1）和表1可以看出，在线路、初速度和末速度相同的情况下，只有列车换算制动率（ϑh）、闸瓦（闸片）换算摩擦系数（φh）及列车单元基本阻力（w0）影响LKJ计算的制动距离，这3种参数对于货车、闸瓦制动客车、盘形制动客车各不相同，且包含在各自的制动类型中，因此，LKJ只有获取正确的制动类型，才能保证制动距离的准确性。

表1 制动距离计算参数取值

1.1 制动类型获取方式分析

目前LKJ获取制动类型方法为：铁路局LKJ专业机构将制动类型通过LKJ特定运行区段控制模式捆绑到监控交路中，LKJ从司机设定的监控交路中获取制动类型［6］。由于LKJ特定运行区段控制模式同一监控交路只能设置一种客车制动类型，而闸瓦制动客车和盘形制动客车的制动距离计算参数不同，且LKJ计算的制动距离存在一定的差别。因此，为解决该问题，采取将运行径路相同而制动类型不同的客车按照2个监控交路进行设置，其中一个监控交路设置闸瓦制动客车，另外一个监控交路设置盘形制动客车，通过司机设定不同的监控交路来区分闸瓦制动客车和盘形制动客车。但由于既有LKJ资源限制，监控交路数最大只支持255条，随着机车长交路、乘务区段化的运用组织不断变化，既有监控交路数已不能满足运用需求，再加上相同运行径路的客车要占用2条监控交路，造成监控交路数更加紧张。目前部分铁路局为解决该问题，已采取按照担当运行区段分块管理监控交路的方式，即将本局运行区段划分成几大块，每块单独划分监控交路来解决监控交路数不足的问题，但该方式既给机车运用区段的管理、LKJ软件的换装等带来不便，又可能存在监控交路设置错误而导致的制动距离计算偏差。另外，司机很难判断本趟牵引的列车是闸瓦制动还是盘形制动，存在制动类型设置错误的可能，给司机操作带来一定的负担。

LKJ从运用及安全考虑，将货车（包括普通货物列车、120 km/h货物列车和快速货物班列货车）的制动计算参数简化成一种（从表1可以看出），且固定按照该制动计算参数计算货车的制动距离，所以对货车来说，不会存在操作失误造成LKJ计算制动距离偏差的情况。但对于机车牵引的旅客列车来说，由于最高速度120 km/h客车存在闸瓦制动和盘形制动2种类型，可能因制动类型直接或间接设置错误而导致LKJ计算的制动距离出现偏差，所以本文主要对闸瓦制动客车和盘形制动客车的2种制动类型进行分析，以寻找LKJ制动计算模型的简化方案。

1.2 闸瓦和盘形制动距离对比分析

根据公式（1）可以看出，在线路（平坡）、初速度和末速度相同的情况下，制动距离主要由有效制动距离（Se）影响，按照表1分别计算盘形制动客车和闸瓦制动客车的紧急制动有效制动距离，其制动曲线对比示意见图1，有效制动距离对比见表2。

从图1和表2可见，限制速度约在95 km/h以下时，盘形制动客车的紧急制动有效制动距离比闸瓦制动客车的紧急制动有效制动距离略长，其偏长最大值约为32 m；限制速度约在95 km/h以上时，盘形制动客车的紧急制动有效制动距离比闸瓦制动客车的紧急制动有效制动距离偏短，且随着限制速度的上升，偏短的值逐步变大，在限制速度为120 km/h时为120 m。

图1 盘形制动客车与闸瓦制动客车的紧急制动有效制动曲线对比示意图

表2 盘形制动客车与闸瓦制动客车的紧急制动有效制动距离对比

2 ATP制动距离计算模型分析

中车四方机车车辆股份有限公司提供的ATP制动速度模式曲线计算数学模型为

式中：Se为从ν0制动到νt走过的距离（m）；ν0为开始制动的速度（km/h）；νt为制动的目标速度（km/h）；α为制动减速度（m/s2）；λ1为制动力百分比（车载设备预存储配置）；ij为制动地段加算坡度千分数。

公式（2）中的β、λ2的具体含义没有描述，但公式中λ1明显是对制动力打折扣的“使用系数”，至于取值为多少，这里虽然没有注明，但至少说明ATP对制动力进行了打折处理［7］。

3 制动距离计算模型简化

通过对2种制动类型计算的制动距离对比分析可以看出，限制速度在95 km/h及以下时，盘形制动客车比闸瓦制动客车制动距离长，但限制速度在95 km/h以上时，闸瓦制动客车比盘形制动客车制动距离长。

3.1 制动力打折系数分析

通过ATP制动距离计算模型［8］的分析可以看出，ATP对制动力的使用上是比较宽松的。但LKJ除了给予足够小的安全保护距离“A+0.5ν0”外，对列车制动能力（以换算制动率为代表）参数基本没留余地。LKJ同样可以在安全为主且兼顾效率的基础上，考虑设计LKJ制动距离计算模型，合理放宽列车制动能力的利用。

结合LKJ现场运用经验，可以通过对列车换算制动率（ϑh）进行适当打折，来合理放宽列车制动能力的利用，即将列车换算制动率（ϑh）乘以制动力使用系数λ［9］，此时制动距离计算公式为

式中：λ为制动力使用系数。

根据现场实际情况，综合考虑列车制动离散性、列车编组多样性等因素，λ取值选择在0.8～0.9之间比较合理。下面分别计算λ取值为0.8、0.85、0.9、1.0时盘形制动客车有效制动距离，并进行对比分析。其客车制动曲线对比示意见图2，有效制动距离对比见表3。

图2 盘形制动客车紧急制动有效制动曲线对比示意图

表3 盘形制动客车紧急制动有效制动距离对比

从图2和表3可见，在线路、初速度和末速度相同的情况下：

1）λ取0.9计算的紧急制动有效制动距离比λ取1.0计算的紧急制动有效制动距离最大偏长149 m，且在120 km/h左右时偏长只有81 m，表现出来的效果不太明显。

2）λ取0.8计算的紧急制动有效制动距离比λ取1.0计算的紧急制动有效制动距离最大偏长333 m，且在120 km/h左右时偏长为182 m，既影响司机的操作，又影响运输效率。

3）λ取0.85计算的紧急制动有效制动距离比λ取1.0计算的紧急制动有效制动距离最大偏长235 m，且在120 km/h左右时偏长为129 m，该差别对司机操作及运输效率不会造成太大影响。

3.2 制动类型选择分析

假设将客车制动类型统一为闸瓦制动客车方式，通过前面分析可以看出，限制速度在95 km/h以上时，制动类型采用闸瓦制动客车比盘形制动客车制动距离长，车速等级为140 km/h和160 km/h的客车（目前制动类型固定采用盘形制动）采用闸瓦制动客车方式，从表2可见，紧急制动有效制动距离要比目前分别偏长346 m和781 m，对运输效率影响过大。

假设将客车制动类型统一为盘形制动客车方式，由于目前车速等级为140 km/h和160 km/h的客车已固定采用盘形制动方式，且限制速度约在95 km/h及以下时，制动类型采用盘形制动客车比闸瓦制动客车制动距离长，所以只需要考虑95～120 km/h间的限制速度即可。结合上述列车换算制动率（ϑh）的制动力使用系数λ取值0.85的结论，分别计算制动类型为闸瓦制动客车和列车换算制动率（ϑh）打折0.85的盘形制动客车的紧急制动有效制动距离，其中限制速度在95～120 km/h（包括120 km/h）间的对比关系如表4所示。

表4 盘形制动与闸瓦制动的有效制动距离对比

从表4可以看出，列车换算制动率（ϑh）的制动力使用系数λ取0.85后，制动类型为盘形制动客车的紧急制动有效距离比闸瓦制动客车紧急制动有效距离略长，偏长最大值为80 m。

综上所述，采用制动力使用系数λ（取值0.85）后，车速等级120 km/h及以下的客车，制动类型采用盘形制动客车要比闸瓦制动客车更安全，由于目前车速等级为140 km/h和160 km/h的客车已固定采用盘形制动方式，所以可以将客车的制动类型统一为盘形制动客车。

通过上述分析，对机车牵引的客车，可以将闸瓦制动客车和盘形制动客车统一为盘形制动客车，同时将列车换算制动率（ϑh）乘以制动力使用系数λ（取值0.85）。简化后紧急制动有效制动距离比简化前偏长，但比简化前闸瓦制动客车的最大偏长值仅为80 m，比简化前盘形制动客车的最大偏长值仅为235 m，既简化了司机的操作，又不会影响运输效率。