撒砂裝置在低地板車輛上的應用

■ 蔣紅果 徐紅星

低地板車輛緊急制動時減速度要求達到2.8 m/s2，即使考慮到不依靠輪軌黏著的磁軌制動，車輛對輪軌間的黏著要求也很高，正常輪軌條件下很難保證車輛不發(fā)生滑行。低地板車輛在坡道60‰的線路上運行，牽引時同樣存在空轉(zhuǎn)風險。車輛設計時必須配置撒砂裝置，通過對軌道噴砂增加輪軌間的黏著，以減少車輛運行時的空轉(zhuǎn)和滑行。

根據(jù)國內(nèi)外對輪軌黏著的研究，結(jié)合國外撒砂裝置生產(chǎn)廠家經(jīng)驗和實際測得數(shù)據(jù)，輪軌間無砂和有砂對黏著系數(shù)改變狀況見表1。在軌道條件較差時，撒砂裝置對黏著系數(shù)改變尤為明顯，不同類型砂子對黏著的改變有所不同。

1 撒砂裝置配置

撒砂裝置配置很大程度上取決于車輛參數(shù)，以蘇州高新區(qū)有軌電車1號線為例，其車輛制動參數(shù)如下。（1）最高運行速度：70 km/h；（2）常用制動平均減速度（70～0 km/h，包括響應時間）：≥1.2 m/s2；（3）安全制動平均減速度（70～0 km/h，包括響應時間）：≥1.5 m/s2；（4）緊急制動平均減速度（70～0 km/h，不包括響應時間）：≥ 2.8 m/s2。

以AW 2載荷進行計算，要達到2.8 m/s2的減速度，總制動力需要187 k N，其中磁軌制動提供制動力為41 kN，牽引提供最大電制動力為113.4 kN；根據(jù)液壓制動補充原則，緊急制動時僅在拖車上施加液壓制動，計算得到需要在拖車上補充的液壓制動力為32.59 kN，推算出動車轉(zhuǎn)向架需要的黏著系數(shù)為0.26，拖車轉(zhuǎn)向架需要的黏著系數(shù)為0.14。表1中干軌、無砂情況下軌面黏著系數(shù)約為0.20，因此必須為低地板車輛配置撒砂裝置。

撒砂裝置在車輛的安裝位置同樣會影響撒砂效果。根據(jù)車輛實際情況，蘇州高新區(qū)有軌電車1號線車輛將撒砂裝置配置在動車前端的轉(zhuǎn)向架上。因為牽引力由動車轉(zhuǎn)向架提供，坡道啟動時砂礫需要撒在動車轉(zhuǎn)向架的輪軌間；制動時動車轉(zhuǎn)向架上有電制動，在電制動不足情況下還會補充液壓制動，拖車上僅施加液壓制動，計算得知動車轉(zhuǎn)向架上需要的黏著更高；同時車輛兩端轉(zhuǎn)向架為動車轉(zhuǎn)向架，在列車運行方向前端轉(zhuǎn)向架上撒砂，對整列車轉(zhuǎn)向架輪軌黏著改善最有效。因此，車輛設計時為兩端動車轉(zhuǎn)向架配置了8套撒砂裝置（見圖1），車輛行進時，前端4套撒砂裝置處于工作狀態(tài)。

低地板有軌電車制動系統(tǒng)與通常地鐵制動系統(tǒng)本質(zhì)不同，其不采用空氣制動，而采用液壓制動，沒有配置制動風源系統(tǒng)。因此，需要為撒砂裝置配置單獨風源，在車輛上撒砂裝置作為一個獨立的系統(tǒng)，其主要由空壓機模塊、儲砂模塊、注砂模塊、噴砂模塊及噴嘴模塊組成（見圖2）。

2 撒砂裝置關鍵部件

2.1 空壓機模塊

空壓機模塊包括空壓機、電機、過濾器、單向閥、排氣電磁閥、壓力開關、安全閥、風缸、壓力測試接頭、撒砂電磁閥等。電機采用無刷直流電機，300 W，轉(zhuǎn)速1 550±10 r/m in?？諌簷C采用無油、風扇冷卻、免維護的空壓機，最大出口壓力設計為10 bar，流量70 L/m in（4.2 m3/h），活塞腔容積52 cm3。排氣電磁閥的設計主要是避免空壓機帶載啟動，保護其壽命，在空壓機啟動前1 s，電磁閥得電將空壓機上游壓力排出。1 L的風缸主要起儲能作用，提高撒砂的響應時間，當撒砂電磁閥接收到指令后，風缸里的壓縮氣體迅速進入撒砂器，同時空壓機啟動泵風。安全閥設置為10.5 bar。壓力開關在0～10 ba r壓力范圍，根據(jù)撒砂量要求設定其上下限值。撒砂電磁閥接收到指令后，執(zhí)行撒砂氣路的關斷。撒砂裝置撒砂氣路原理見圖3。

根據(jù)撒砂裝置空壓機模塊參數(shù)，提出蘇州高新區(qū)有軌電車1號線的車輛撒砂裝置相關設計參數(shù)（見表2）。

2.2 噴砂模塊

噴砂器采用拉瓦爾噴管結(jié)構(gòu)，由2個錐形管組成，通過噴管可使具有一定壓力及較低速度的氣體產(chǎn)生超音速流。根據(jù)流體力學原理，氣體在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，單位時間內(nèi)氣體經(jīng)過噴嘴的每一個截面氣體質(zhì)量均相等。

表2 撒砂裝置相關設計參數(shù)參數(shù) 數(shù)值運行電壓/ V 24電壓公差/％ ±30電流（DC）/ V 24（25A）撒砂量/（g·m in-1） 300～1 200撒砂量最大偏離/％ ±10運行溫度/℃ -25～50壓縮機 無油壓縮機系統(tǒng)壓力/bar 1～10每套撒砂設備總質(zhì)量/kg ≤31.7儲砂器容量/ L 25噴嘴排砂響應時間/s ≤0.5

低速壓縮氣體運動遵循“流體在管中運動時，截面小處流速大，截面大處流速小”的原理，氣體由噴嘴1進口進入后，噴嘴的前段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當沿氣流流動方向截面收縮到最小處時，流速達到臨界速度即音速，此時壓力近似噴嘴進口處的一半壓力，達到音速的氣流壓縮性變強，經(jīng)過收縮的噴管時被強烈壓縮，速度反而變慢，而經(jīng)過擴張的噴管時體積膨脹，速度加快，到達噴嘴2時氣流速度進一步加速。因此，必須在噴嘴臨界面后增加一段漸擴段，可在噴嘴出口處獲得比音速更大的流速即超音速，并在此處建立低壓區(qū)域。

噴嘴出口與密閉空腔相通，其內(nèi)的氣體不斷被高速流體帶走，壓力下降形成負壓，并最終形成真空。通過真空原理將砂從砂箱中吸出，因此并不需要維持氣密或加壓的砂箱。同時砂與高流速氣體在噴管中混合形成高流速砂流，通過噴砂軟管及噴嘴被精確地噴撒到輪軌界面上。砂礫與氣流在噴管中的混合原理見圖4。當電動機關閉后，高速砂流能夠沿著噴砂軟管經(jīng)噴砂嘴噴出，有效防止灰塵及殘留砂粒積沉，保證了噴管內(nèi)部清潔。

2.3 砂位傳感器

砂位傳感器采用振動彈片傳感器（音叉?zhèn)鞲衅鳎刹婚g斷監(jiān)測砂箱內(nèi)的砂位高度并通知駕駛員。振動彈片通過壓電元件和機械共振頻率被激發(fā)，而通過砂子帶動的不同頻率可使振動彈片復原。這個檢測是通過傳感器上的集成電子元件完成，而后將其轉(zhuǎn)換成通信指令。

振動彈片傳感器是通過安裝在基座上的一對壓電晶體使彈片在一定共振頻率下振動。當彈片與砂礫相接觸時，彈片的振幅和頻率發(fā)生突變，智能電路對此進行檢測并將這種變化轉(zhuǎn)換為開關信號。振動彈片傳感器工作原理見圖5。一般采用標準拋光電極，通過高頻激勵，實現(xiàn)優(yōu)異的抗噪聲干擾能力。振動彈片傳感器工作與不同砂粒的導電率、介電常數(shù)、黏度、壓力及溫度無關。

2.4 砂量調(diào)節(jié)

計算得到的輪軌黏著系數(shù)為0.26，因地面軌道黏著受天氣影響較大，同時結(jié)合國外運營經(jīng)驗，正常情況下撒砂量為600～800 g/m in，考慮到最惡劣的條件，撒砂量確定為300～1 200 g/m in。

砂量的調(diào)節(jié)通過撒砂器進砂口大小、壓縮空氣流量或壓縮空氣壓強實現(xiàn)，蘇州高新區(qū)有軌電車1號線車輛采用調(diào)節(jié)壓縮氣體壓力實現(xiàn)。調(diào)節(jié)氣壓控制噴砂量，需在撒砂裝置中配置一個1 L的小風缸及壓力開關，通過設定壓力開關的上下限值控制風缸的壓力大小實現(xiàn)砂量調(diào)節(jié)。

3 撒砂裝置電氣控制

撒砂控制分為手動和自動，手動撒砂通過按鈕實現(xiàn)，自動撒砂由VCU或DCU控制。

3.1 手動撒砂

手動撒砂是通過司機室內(nèi)的“撒砂”按鈕，按下即可。正常運行過程中，“撒砂”按鈕的激活由VCU讀取，并執(zhí)行100％的撒砂量。應急運行過程中，通過車輛控制線的“撒砂方向1”或“撒砂方向2”（100％的撒砂量），司機室內(nèi)被激活的“撒砂”按鈕直接控制所有平行的撒砂裝置（取決于行車方向）。車輛控制線的“撒砂方向1”或“撒砂方向2”的激活由車輛內(nèi)被激活的VCU和數(shù)據(jù)記錄儀讀取。

3.2 自動撒砂

自動撒砂在以下情況被激活：（1）正常運行過程中，當打滑或滑行發(fā)生時，由VCU激活，進行轉(zhuǎn)向架選擇并取決于行車方向；（2）緊急制動情況下，達到靜止之前通過硬線激活，取決于所有撒砂設備的行車方向；（3）緊急制動情況下，操作鎖閉按鈕——“司機緊急制動”，通過硬線激活，取決于所有撒砂設備的行車方向；（4）應急操作過程中，當打滑或滑行發(fā)生時，由DCU激活，進行轉(zhuǎn)向架選擇并取決于行車方向。

正常運行過程中，出現(xiàn)打滑/滑行時，自動撒砂由VCU控制，進行轉(zhuǎn)向架選擇，并取決于行車方向，撒砂量為100％。在網(wǎng)絡故障運行過程中，出現(xiàn)打滑/滑行時，自動撒砂請求由MOD1和MOD7中的DCU控制，需要進行轉(zhuǎn)向架選擇，并取決于行車方向，撒砂量為100％。車輛控制線的“撒砂方向1”或“撒砂方向2”的激活由車輛內(nèi)被激活的VCU和數(shù)據(jù)記錄儀讀取。

3.3 砂位監(jiān)控

每個砂箱均安裝砂位傳感器。VCU監(jiān)控每個砂箱的砂位（low-active = 最低砂位）。如果砂位低于最低限位，此信息在IDD上向司機顯示，并在診斷系統(tǒng)中存儲。所有砂箱砂位的概要消息——“砂位OK”，通過M VB發(fā)送至數(shù)據(jù)記錄儀。

3.4 噴嘴加熱

加熱裝置安裝在撒砂噴嘴處，如果達到設定溫度（一般為5 ℃），加熱裝置由VCU激活。如果輔助變流器的24 V供電發(fā)生故障，車輛僅由蓄電池供電，撒砂噴嘴加熱功能可執(zhí)行休眠操作。

4 結(jié)束語

撒砂裝置作為低地板車輛的重要組成部分，對保證制動距離和對車輛滑行/空轉(zhuǎn)起重要作用。目前，國內(nèi)撒砂裝置結(jié)構(gòu)簡單，沒有獨立的空壓機模塊，撒砂器多采用重力式，應用在低地板車輛上的撒砂裝置很少，技術同樣亟待升級。

國內(nèi)撒砂裝置生產(chǎn)企業(yè)在開發(fā)低地板車輛撒砂裝置的同時，應從車輛運營商角度考慮，做好撒砂裝置配套服務，增加企業(yè)產(chǎn)品種類，如加砂車、軌道清理車（低地板軌道的槽型軌需要定期清理砂礫）等，成為撒砂系列產(chǎn)品的供應商。

[1] W erner Bartling，李壘. 鐵路車輛新型撒砂系統(tǒng)[J]. 國外內(nèi)燃機車，2010(1)：13-16．

[2] 天津大學工業(yè)機械手設計編寫組. 工業(yè)機械手設計基礎[M]. 天津：天津科學技術出版社，1981.

[3] TB/T 3254—2011 機車、動車用撒砂裝置[S].