和諧號(hào)動(dòng)車組撒沙裝置及控制

李邦國，孫棟棟，孫正軍，張 寶

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

鐵路周圍的環(huán)境對(duì)輪軌黏著性能具有很大影響，包括樹葉、植物、油脂、水、冰和雪等［1］。當(dāng)這些污染物附著在鋼軌上時(shí)，會(huì)使輪軌黏著急劇下降，從而導(dǎo)致列車的車輪滑行，造成車輪與鋼軌的擦傷［2］。此外，諸如車輪踏面與鋼軌表面的狀態(tài)、線路質(zhì)量等也是影響?zhàn)ぶ闹匾蛩?。增加輪軌黏著的主要措施是改變輪軌接觸界面的狀態(tài)。實(shí)際中有很多方法用于清除污染，如空氣或水流噴射，它們都可以掃除樹葉等輪軌接觸面間的污染物。此外，輪軌增黏劑也常用來提高輪軌黏著性能，其中撒沙是最常用的增黏方法，也是増黏效果和經(jīng)濟(jì)性較為理想的一種［3］。在CRH3型動(dòng)車組中，通過撒沙裝置向輪軌接觸面撒沙，從而改善輪軌間的黏著系數(shù)，提高動(dòng)車組的運(yùn)行品質(zhì)。本文針對(duì)CRH3型動(dòng)車組撒沙裝置及控制進(jìn)行了分析研究。

1 撒沙的作用

軌道車輛的運(yùn)動(dòng)是靠在輪軌之間接觸點(diǎn)施加切向力實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)黏著系數(shù)的不同，與法向力成比例的切向力是沿與法向力垂直的方向產(chǎn)生的，其大小因黏著系數(shù)而不同。對(duì)于軌道車輛，這種切向力既可用于加速，亦可用于減速。如果車輪和軌道都是清潔而又干燥的，即使不撒沙，可用黏著系數(shù)也是足夠的。但是，如果接觸表面潮濕或不清潔，黏著系數(shù)可能就會(huì)過低。在這種情況下，產(chǎn)生的切向力會(huì)小于牽引電動(dòng)機(jī)或制動(dòng)機(jī)施加的力，于是車輪開始空轉(zhuǎn)或滑行。這種情況會(huì)使加速或制動(dòng)列車所需要的距離增加。除了存在運(yùn)行安全性降低的危險(xiǎn)以及能量浪費(fèi)外，還會(huì)使軌道或車輪磨損量增大，使維修成本大大提高，旅客舒適度也會(huì)受影響。解決這類問題最主要的方法就是防止軌道車輛在正常運(yùn)行過程中發(fā)生車輪空轉(zhuǎn)或打滑。撒沙使其黏著系數(shù)有一定程度的提高［4］。

2 撒沙裝置

2.1 撒沙裝置的組成

在和諧號(hào)CRH3動(dòng)車組上，撒沙裝置主要由沙箱蓋、沙箱、輔助控制單元、沙量指示器、撒沙設(shè)備、撒沙加熱管等組成。位于轉(zhuǎn)向架上的撒沙裝置如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架上的撒沙裝置

其中，撒沙設(shè)備如圖2所示。

圖2 撒沙設(shè)備

2.2 撒沙裝置的布置

在CRH3動(dòng)車組中，撒沙裝置位于EC01／EC08車的輪對(duì)1處及IC03／IC06車的輪對(duì)1和4處，如圖3所示。

圖3 撒沙裝置在列車上的布置

2.3 沙質(zhì)的要求

CRH3動(dòng)車組上撒沙裝置使用的沙有明確的技術(shù)要求。沙粒應(yīng)該有棱角，且必須干燥、干凈。沙粒的直徑要求見表1：

2.4 撒沙設(shè)備工作原理

如圖4所示，P1為撒沙供氣接口，壓縮空氣由P1口進(jìn)入，經(jīng)加熱設(shè)備32加熱后進(jìn)入沙箱，在壓縮空氣的推動(dòng)下，沙流經(jīng)Sg沙帽到達(dá)P3口。P2口為烘干供風(fēng)，壓縮空氣由P2口進(jìn)入后，經(jīng)加熱設(shè)備32加熱，進(jìn)入沙箱，對(duì)沙箱內(nèi)的沙子進(jìn)行烘干。烘干后的壓縮空氣如圖示1）經(jīng)排氣噴嘴排出。沙箱內(nèi)的沙位應(yīng)為于hmin和hmax之間。

表1 沙粒直徑及含量

圖4 撒沙設(shè)備的工作原理

3 撒沙控制

撒沙系統(tǒng)輔助控制模塊（F06）的氣動(dòng)原理圖如圖5所示。

圖5 撒沙輔助控制模塊氣動(dòng)原理圖

從總風(fēng)來的壓縮空氣通過1口進(jìn)入輔助控制模塊F06。輔助控制模塊內(nèi)的空氣可通過F06.02塞門進(jìn)行隔離。經(jīng)過F06.02塞門后，壓縮空氣到達(dá)兩個(gè)減壓閥，F(xiàn)06.03減壓閥的壓力設(shè)定值為0.27MPa，為低壓撒沙；F06.04減壓閥的壓力設(shè)定值為0.63MPa，為高壓撒沙。為了使沙保持流暢和干燥，電磁閥F06.05控制到撒沙裝置用于干燥作用的氣流。F06.06電磁閥和F06.07電磁閥為速度控制電磁閥。如果列車速度達(dá)到高壓撒沙的速度值，BCU控制F06.07電磁閥動(dòng)作進(jìn)行高壓撒沙；如果列車速度達(dá)不到高壓撒沙的速度值，BCU控制F06.06電磁閥動(dòng)作進(jìn)行低壓撒沙。通過高低壓撒沙也實(shí)現(xiàn)了撒沙量的優(yōu)化。

圖6 撒沙功能圖

撒沙系統(tǒng)可分信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)的分配和執(zhí)行三部分，如圖6所示。當(dāng)司機(jī)按下撒沙按鈕時(shí)撒沙開始，中央控制單元CCU（即圖示列車控制）接受由按鈕產(chǎn)生的撒沙信號(hào)后，檢測(cè)列車行駛方向并分配相應(yīng)地信號(hào)，通過車輛總線MVB和列車總線WTB將指令信號(hào)傳遞給局部控制單元（BCU），BCU控制F06模塊上的電磁閥動(dòng)作進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

4 可能存在的問題及需要進(jìn)一步研究的問題

在撒沙設(shè)備中，當(dāng)沙箱內(nèi)壓力達(dá)到一定值時(shí)，沙箱蓋打開。撒沙設(shè)備在裝配及實(shí)際應(yīng)用過程中，沙箱蓋與填料管的配合要求很高，見圖7、圖8所示。因加工誤差及法蘭焊接變形等因素導(dǎo)致填料管故障的概率較高。

此外，撒沙作為一種增黏的方式，增黏效果是一個(gè)重要問題。當(dāng)撒沙量過于少時(shí)，輪軌的增黏效果不理想，達(dá)不到預(yù)期目的。當(dāng)撒沙量過大時(shí)，壓不完的沙子留在軌道上，后面車輛的車輪壓在沙子上會(huì)起到增加阻力的作用。此外撒沙還對(duì)車輪磨耗有一定的影響。撒沙量及磨耗等問題需要進(jìn)一步的研究和分析。

圖7 填料管正面

圖8 填料管背面

5 結(jié)束語

撒沙裝置是和諧號(hào)動(dòng)車組上增加輪軌黏著的一種方式。基于CRH3型動(dòng)車組，對(duì)撒沙裝置的組成、撒沙的作用、沙質(zhì)要求、撒沙設(shè)備的工作原理及撒沙控制進(jìn)行了闡述。對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行了預(yù)測(cè)與分析，并對(duì)撒沙系統(tǒng)存在的需要進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了闡述。

［1］申 鵬，王文建，張鴻斐，等.撒沙對(duì)輪軌黏著特性的影響［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（16）：74－78.

［2］ZHANG Weihua，CHEN Jianzheng，WU Xuejie，et al.Wheel／rail adhesion and analysis by using full scale rollerrig［J］.Wear，2002（253）：82－88.

［3］OSCAR A C，LI Zili，LEWIS R.A Laboratory investigation on the influence of the particle size and slip during sanding on the adhesion and wear in the wheel－rail contact［C］∥The CM2009Organizing Committee.The 8th Inernational Conference on Contact Mechanics and wear of Rail／Wheel Systems，September 15－18，F(xiàn)irenze，Italy：CM2009，2009：175－184.

［4］Wemer Bartling.鐵路車輛新型撒沙系統(tǒng)［J］.國外內(nèi)燃機(jī)車，2010（1）：10－14.