改善輪軌粘著條件的專利技術布局和分析研究

丁艷輝 王艷

摘 ? 要：本文通過檢索目前國內(nèi)外關于提高輪軌粘著方法的專利，分析其提高粘著的實用性和有效性，結合地鐵運行模擬路況條件下的實驗數(shù)據(jù)，研究對比目前有效提高輪軌粘著系數(shù)的具體實用方法、創(chuàng)新熱點及發(fā)展趨勢。

關鍵詞：輪軌粘著 ?專利技術布局 ?分析研究

中圖分類號：TB12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0253-02

近年來，隨著城市的快速擴張，越來越多的城市建設軌道交通來緩解城市交通壓力，現(xiàn)在許多新的地鐵線路由地底、地面和高架結合，由于城市空氣污染（霧霾）的加重和沿海特有的潮濕氣候特點，會在不同的季節(jié)不同的氣候條件下影響著軌道的粘著條件。

1 ?提高輪軌粘著的國內(nèi)外專利檢索情況

通過對關鍵詞和分類號的邏輯組合成邏輯檢索式，對歐專局，美國專利局、世界知識產(chǎn)權組織的專利檢索網(wǎng)站進行檢索，以B61為主分類號，檢索關鍵詞包括粘著系數(shù)、制動距離、輪軌條件等;分類號包括B61C 15/00、B61C 15/04、B61C 11/00、B61H等。在有效選擇和剔除無關或相關度小的專利數(shù)據(jù)后，共篩選出與改善輪軌粘著方面的國內(nèi)相關專利數(shù)據(jù)178條，國外專利數(shù)據(jù)34條，數(shù)據(jù)歸納和分析結果如下。

分布特點：涉及粘著的專利申請的時間和專利申請人布局。

圖1可看出從2009年后輪軌粘著的專利申請量呈明顯增多趨勢。

2 ?專利數(shù)據(jù)中改善輪軌粘著條件的各類方法分類布局

我們通過專利數(shù)據(jù)分析對比發(fā)現(xiàn)，在改善輪軌粘著，縮短制動距離等主題相關的專利技術內(nèi)容中，主要包括以下六種手段和方法。

2.1 直接采取措施作用于輪軌接觸面

這種方法的專利數(shù)量較多，占60%左右，是目前最為普遍，傳統(tǒng)、直觀的方法，主要包括以下三類：

第一類：軌面撒沙。因軌面撒沙在軌道車輛行業(yè)上是較為成熟的技術，故此類專利大多以對撒沙量的控制為主，以及少量對撒沙裝置結構的改進，國內(nèi)主要申請人為中車集團各公司及下屬公司，另一重要申請人是GEN ELECTRIC（美國通用電氣）。車輛制造商代表專利“CN201710770839.7”是通過設置可監(jiān)測所述出砂模塊的實際撒沙壓力和實際撒砂流量的反饋模塊，將反饋信號發(fā)送給撒沙控制模塊，并與撒沙信號比較調(diào)整，以提高車輛的撒沙精度。通用電氣在中國申請的發(fā)明專利“CN200680005343.0”是在施沙系統(tǒng)中限制沙子使用的方法和計算機程序產(chǎn)品，自動控制沙流以限制施撒器數(shù)量，限制施撒到軌道的沙子的數(shù)量。

第二類：接觸面施加增粘劑。其相關專利一般是通過裝置將增粘劑附著在車輪踏面上，以改善輪軌粘著條件。專利申請人主要是車輛部件供應商公司。代表專利“CN201310070856.1”是通過增粘裝置與轉動車輪表面貼靠的摩擦過程中使增粘材料粘附在車輪踏面上，改善接觸點的粘著條件以提高粘著系數(shù)，實現(xiàn)抑制和預防空轉的發(fā)生。

第三類：軌面、踏面清潔。這類專利主要是對軌面、踏面進行清潔、烘干等方式提高粘著系數(shù)。專利申請人以車輛制造商為主，以及部分個人申請。代表專利“CN201310279310.7、CN201520478969.X”是通過高壓熱風烘干軌面、清掃踏面、清理軌面水膜、雨雪等物質(zhì)。此類專利通過輪軌之間的表面狀態(tài)的改善，增加輪軌的粘著系數(shù)，防止機車動輪發(fā)生空轉或滑行。

2.2 優(yōu)化控制牽引力、制動力以及控制輪對速度的方法

此類專利主要是通過控制牽引力、制動力來輪軌速度，實現(xiàn)粘著力的優(yōu)化及利用，多為一種控制方法與粘著力的對應策略改進。專利申請人以車輛制造商為主，大學院校也有相關研究。例如軌道車輛制造商代表專利：專利號“CN201110451507.5”是一種電力機車粘著控制方法和裝置，依據(jù)輪徑修正系數(shù)和粘著控制系數(shù)調(diào)整牽引電機轉矩給定值的修正系數(shù)，智能化粘著控制，有效的提高了輪軌之間的粘著利用率。

2.3 優(yōu)化車輛轉向架、底架結構以提高粘著

與粘著性能相關的優(yōu)化轉向架部件的專利仍以中國專利為主，創(chuàng)新點包括構架、輪對、牽引裝置、驅(qū)動裝置、懸掛裝置、軸箱等部件上的結構優(yōu)化，轉向架結構中涉及粘著研究的熱點是構架，其次是輪對和驅(qū)動裝置。也有底架上的結構改進，通過降低司機室震動改善粘著條件。

從中國專利申請來看，專利數(shù)量都增長較快，研究方向比較集中，解決的技術方案也相近似，大多采用的是構架結構的改進。通過降低構架的高度來達到增加粘著力的方案，例如西南交通大學提出的一種將構架安裝在軸箱下方的機車用四軸轉向架，由前后兩個對稱放置的二軸轉向架與中間構架組成，W形構架的兩端跨接在前后輪對軸箱的下方，降低轉向架中間構架的安裝高度，結構簡化且可獲得較高的粘著利用率。另一專利“高粘著重載貨運機車C0轉向架”，其牽引裝置采用低位中央布置雙節(jié)牽引桿，斜牽引桿的牽引點高度為零，最大程度提高機車粘著力，發(fā)揮出電力機車的牽引力。

與之相對應的，國外企業(yè)的研究熱點與國內(nèi)略有不同，西門子公司在粘著方面研究的對象不是構架，而是驅(qū)動裝置，如“EP05450098A，Method of minimizing the wheel wear of a railway vehicle”，“EP08759757A，EP2008056137W”等是通過驅(qū)動結構的優(yōu)化設計提高粘著的利用。國外企業(yè)在年度申請量上比較均勻，沒有出現(xiàn)明顯增長。

2.4 增加風阻以提高減速度，縮短制動距離，如阻力板、阻力傘、翼板、擾流板等

這類專利雖然附加阻力板安裝的位置和大小，材質(zhì)各有不同，但普遍都采用的是通過控制風翼板的開啟和閉合，在制動時，風翼板開啟，產(chǎn)生運行阻力，從而輔助產(chǎn)生制動作用，以彌補高速制動工況下粘著制動的缺陷，確保高速列車安全可靠制動。代表性的專利如“CN201220009259.9 ”是一種高速列車的風阻制動裝置，在列車車頂上的風翼板，通過判斷風向，由轉動轉動連接機構控制風翼板角度的變化?！癈N201510910203.9”是在列車底架上安裝上平下凸的擾流板，列車高速運行時空氣高速流過擾流板的上下表面時受到向下的壓力，增加了列車的粘著力，車輪的滑動減少，增加輪軌間的黏著系數(shù)。

2.5 軌道安裝電磁裝置，磁軌制動等在輪軌間增加附加粘著力的方法

這類專利主要采用的是在車輛上和軌道上或者軌道附近增加各種額外附加裝置，能產(chǎn)生粘著力，如電磁等裝置等，或者改現(xiàn)有的跨座式獨軌交通車的粘著驅(qū)動為非粘著驅(qū)動，車輛制動、加速由直線電機和感應板之間的相互作用力完成，降低走行輪的負擔，提高結構穩(wěn)定性等。代表專利有如車輛制造商的“CN201710668898.3”是一種通過控制磁力裝置動作，增加機車粘著質(zhì)量，改善機車牽引力發(fā)揮，降低車輪空轉幾率。重慶大學的專利“CN201110225556.7”是通過在獨軌式軌道梁兩側各設置有一感應板，轉向架兩側設置直線電機，直線電機與感應板一一對應且位置相對，通過增加附加力來提高粘著條件，縮短制動距離。

2.6 研磨子方法和裝置的應用

涉及研磨子方法這類專利數(shù)量不多，主要在軌面噴灑除沙子以外的研磨物質(zhì)，包括研磨子的改變而新增噴灑裝置的改進，以及對研磨子條件下踏面清掃等內(nèi)容。專利“CN201110202207.3”是一種輪軌瓷沙噴射裝置，將氣源作為動力源，將瓷沙噴射至輪軌之間，增加輪軌之間的粘著力，保證列車行車安全。

3 ?實驗數(shù)據(jù)對比

以某型3節(jié)編組的地鐵車輛進行的防滑測試的實驗數(shù)據(jù)為例，通過低粘著條件、撒沙裝置、軌道噴涂增粘劑、列車增加研磨子四種方式進行實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行對比分析和研究。根據(jù)具體的實驗結果分析，可以看出：

（1）在低粘著軌道條件下，數(shù)據(jù)顯示撒沙條件中無論是高撒沙量還是低撒沙量，列車的平均減速度都有明顯的提升;輪軌之間的粘著明顯提高。

（2）增粘劑的應用。（選取加拿大LBFoster公司提供的增粘劑）在軌道添加了增粘劑之后，列車的平均減速度有所提升，輪軌的粘著關系有所改善。

（3）施加研磨子。同增粘劑數(shù)據(jù)相比，列車的平均減速度和制動距離都相差無幾，輪軌粘著關系也有所改善。

（4）撒沙。不管初速度是40還是60，撒沙都是防滑的最有效手段，撒沙情況下，輪軌的粘著條件均得到明顯改善。

4 ?結語

從專利檢索的結果分析，在改善輪軌關系、提高粘著系數(shù)等技術領域，車輛制造商、部件制造商的技術布局重點仍在物理干預方面，以對撒砂裝置的控制為主，對比實驗數(shù)據(jù)，撒沙也是最有效的改善粘著手段，效果明顯，易于取材、實施、檢測和控制?？刂品椒ǚ矫妫瑖鴥?nèi)專利的布局大多以控制牽引或制動力、調(diào)整轉向架的結構來實現(xiàn)粘著的改善，也有制動控制系統(tǒng)改進，目前這類設計改進都無法準確地在數(shù)據(jù)上直觀的判斷輪軌粘著的有效性。從國際研究的熱點來看，與軌道相互作用力的夾置、制動器的操作機構、研磨子的應用等仍是研究輪軌關系的強相關課題。

參考文獻

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