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高速列车基于故障安全的设计对策 张 雷 摘要：随着高速列车的迅猛发展，其安全性成为关注重点，本文从高速列车系统或部件 发生故障以及灾害预防的角度出发，针对车体、转向架、制动系统、ATP 系统、列车网 络控制系统、动车组主要设备结构、火灾情况、软件等八个故障安全性点进行分析，提 出对高速列车碰撞、火灾、结构部件失效、电气部件失效及控制故障等情况下高速列车 各主要系统的故障导向安全设计对策. 0 前言 自2007 年以来，通过引进、消化、吸收、再创新，具有自主知识产权的国产系列时速 250 公 里以及 350 公里级和谐号动车组批量下线，成功地构建了我国高速铁路网，并开展了动车组安全 评估理论和关键技术研究。针对如此高速度、高密度、大跨度的运行所需的系统安全与防灾性设 计要求，本文根据设计和运营的实践经验，按照“故障-安全”设计原则，从高速列车系统或部件 发生故障以及灾害预防的角度出发，提出对高速列车碰撞、火灾、结构部件失效、电气部件失效 及控制故障等情况下高速列车各主要系统的故障导向安全设计对策。 1 故障安全导向设计概念及原则 1.1 故障安全导向设计概念 安全性 （fail safe ）——在设计时使产品失效不致引起人身物质等重大损失而采取的预防措施. 失效安全——预防产品因失效导致致命故障的一种设计措施。 传统的故障安全导向设计是对于重要场合下使用的安全性相关控制系统在系统设计中除了一般 可靠性技术外-还需要采用一种应付意外故障的手段以使电路或系统故障后导向安全，即故障安全. 由于高速高速列车是集成机械、电气等多个复杂系统的集成，不仅需从控制原理上保障故障安全， 还需在机械结构、电气部件结构设计时通过冗余设计及机械防护措施确保在结构失效时的安全性。 1.2 故障安全导向设计原则 结构部件故障安全导向设计原则为：为确保在故障条件下的安全性，必须采取冗余设计，并 通过安全防护结构确保在危害或自身功能失效时仍能够保障列车的安全性。 控制系统部件故障安全导向设计原则如下： （1）在列车需要停车时，故障导向安全的原则是要保证有足够的措施，确保列车能够安全停 车，避免列车失控。 32 2014 中国（唐山）城市轨道交通系统解决方案与工程应用研讨会 （2 ）在列车运行而不希望制动时，故障导向安全的原则是要避免产生不希望的制动力，以使 列车能够维持运行，避免列车意外制动。 （3 ）在控制系统故障而列车需要运行时，故障导向安全的原则能够使制动系统缓解而使列车 受控地运行，以免列车长时停靠在站台或线路上而影响线路正常的运营环境，避免列车“趴窝”。 根据结构部件和控制系统部件故障安全导向设计原则，任何结构部件或控制系统都应该满足 故障条件下可限速继续运行，保证运营秩序和运营安全，因此从车体、转向架、制动系统、ATP 系统、列车网络控制系统、动车组主要设备结构、火灾情况、软件等方面分析故障安全性，并提 出设计对策是非常有必要的。 2 故障安全导向设计对策 2.1 车体故障安全性 高速列车一般采用铝合金薄壁筒形整体承载结构以降低自重.在结构安全设计时，需满足 《200km 及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》的要求.在故障防护方面，以主动 防护为主，被动防护为辅。但应考虑在车体结构非乘客区设计不同的纵向刚度设置，使车体两端 部区域为可以产生塑性变形的弱刚度吸能结构，中间乘客区为仅产生弹性变形的强刚度结构.包括 在碰撞条件下，铝合金车体应先在通过台区域变形，而使客室区域具有足够的强度和刚度.发生碰 撞事故时吸能结构能够沿所需方向产生塑性大变形吸收足够冲击动能保证电气设备和乘客区不发 生破坏并延缓碰撞作用时间降低碰撞瞬间最大减速度，使撞击减速度在人体承受范围内.列车端部 在压溃量为 1 米的情况下吸收 1MJ 的能量，相邻车厢间界面吸收0.5MJ 的能量。 图 1 头车碰撞时吸能装置作用示意图 在头车应设防撞吸能装置.司机室前面部分在碰撞时应至少吸收了 75% 以上的撞击能量.在低 速碰撞时应只损坏车头易更换的鼻部，而主结构不受到破坏.根据需求还可加装防爬机构以提高列 车的安全性。 2.2 转向架故障安全性 高速列车转向架一系悬挂采用双螺旋钢弹簧加高性能橡胶垫减振结构,在螺旋钢弹簧组内装 有止挡销，既可以防止弹簧被压死，也可以在