沈陽地鐵車輛防滑分析

張星宇 賈思晉 沈陽地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司

一、選題背景

自2016 年起，沈陽地鐵二號線電客車在北陵公園站、白塔河路站等站臺多次出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。為此，車輛中心對電客車ER 數(shù)據(jù)、制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，未發(fā)現(xiàn)故障，防滑系統(tǒng)正常啟動；對輪對踏面的進(jìn)行查驗，未發(fā)現(xiàn)踏面擦傷現(xiàn)象。

經(jīng)研究，滑行是由于粘著力變化而產(chǎn)生的非正常運(yùn)行狀態(tài)，會導(dǎo)致制動距離延長、對設(shè)備設(shè)施造成損害并影響運(yùn)行平穩(wěn)性。本文通過對滑行概念、危害、影響因素、防滑控制原理的研究，結(jié)合沈陽地鐵二號線線網(wǎng)實際情況，深入分析造成沈陽地鐵二號線電客車打滑的因素，為減少打滑現(xiàn)象提出有效的運(yùn)營維保建議。

二、防滑系統(tǒng)介紹

（一）列車滑行的概念

列車是依靠粘著滾動的車輪與鋼軌粘著點之間的粘著力來實現(xiàn)車輛的制動，即粘著制動。列車采用粘著制動時，能夠獲得的最大制動力不會大于粘著力。當(dāng)列車制動時，制動力大于車輪與鋼軌之間的最大粘著力，列車就會發(fā)生滑行現(xiàn)象。

（二）列車滑行的危害

列車制動滑行會產(chǎn)生輪軌發(fā)熱、輪軌擦傷現(xiàn)象。輪軌擦傷會使輪軌之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動和沖擊噪聲；會導(dǎo)致車輪軸承、車軸和軌道的損傷，增加輪軌維修費用；也會造成輪軌粘著效果進(jìn)一步降低，嚴(yán)重時還會使線路失穩(wěn)，甚至導(dǎo)致脫軌事故的發(fā)生。

（三）影響打滑因素

通過調(diào)研國內(nèi)其他地鐵和鐵路出現(xiàn)的打滑現(xiàn)象，總結(jié)影響打滑的因素可能有以下六種原因：

1.軌面狀態(tài)及環(huán)境影響因素

鋼軌表面狀態(tài)及周圍環(huán)境狀況對粘著的影響最大。主要包括樹葉、植物、油、油脂、水、冰、雪、泥和鋼軌上的鐵銹對軌道的污染影響以及對輪軌接觸表面微觀粗糙度的影響等。

2.走行速度

當(dāng)速度增加時，輪軌間的接觸狀態(tài)發(fā)生了變化，最大粘著系數(shù)隨速度增加而略有減小。

3.軌道質(zhì)量的影響

軌道質(zhì)量對列車所能獲得的粘著有直接影響。接頭鋼軌和扭曲鋼軌均會使粘著水平下降。由于接頭鋼軌引起的沖擊，在鋼軌接頭處引起車輪減載，導(dǎo)致粘著顯著下降。

4.曲線軌道

列車在曲線上運(yùn)行時，輪對的運(yùn)行方向與曲線的切線方向形成沖角，沖角使車輪在鋼軌上產(chǎn)生橫向蠕滑，由于輪軌間所能傳遞的總?cè)浠κ艿秸持南拗?，因此造成曲線粘降。

5.車輛因素

高速導(dǎo)致單軸功率和制動功率的不斷提高，過大的制動力會導(dǎo)致車輛產(chǎn)生滑行的傾向。

（四）防滑保護(hù)系統(tǒng)

防滑保護(hù)系統(tǒng)是列車在出現(xiàn)打滑現(xiàn)象之后自動施加的緩解滑行的措施。它不僅能防止車輪失穩(wěn)、打滑，還能充分利用輪軌粘著，在不擦傷輪對的前提下對列車進(jìn)行有效的制動控制。

1.參考速度的確定

車輛在制動工況時，系統(tǒng)將選取各制動控制模塊所控制的所有軸中的最大速度，作為判斷本制動控制單元所控制的各軸是否發(fā)生滑行的參考速度。

2.滑行判斷

（1）速度差判斷

將一個制動控制單元控制的每根軸的速度與參考速度進(jìn)行比較，當(dāng)差值大于預(yù)設(shè)定值Δv 時，則判定此輪發(fā)生了滑行。

（2）減速度判斷

當(dāng)一個制動控制單元控制的每根軸都不同程度的滑行時，各軸的速度與參考速度的差值未達(dá)到設(shè)定值Δv，但實際車輛已經(jīng)發(fā)生了滑行，此時通過速度差已經(jīng)不能判斷出輪對的滑行，需利用減速度作為判斷滑行的依據(jù)。當(dāng)減速度超過預(yù)設(shè)定值β 時，則判斷此軸發(fā)生了滑行。

速度差與減速度只要兩者中有一個達(dá)到預(yù)設(shè)定值，系統(tǒng)就認(rèn)為此軸發(fā)生了滑行。

3.防滑控制過程

在列車運(yùn)行過程中，各軸端速度傳感器將速度信號實時傳給EBCU，EBCU 判斷該軸是否產(chǎn)生滑行。當(dāng)判斷出某一軸發(fā)生滑行時，EBCU 會控制本軸防滑閥進(jìn)行排氣。此時制動缸壓力降低，制動力減小，通過控制防滑閥的排氣、保持，最終使車輛最大程度地利用粘著，使輪對恢復(fù)正常運(yùn)行。

三、結(jié)合沈陽地鐵實際情況的分析

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，發(fā)生打滑現(xiàn)象的月份不規(guī)律，發(fā)生打滑現(xiàn)象的電客車無規(guī)律，因此可以排除由于季節(jié)交替降雨、降雪等環(huán)境因素以及車輛偶發(fā)故障引起的電客車打滑現(xiàn)象。

以影響列車打滑因素為依據(jù)，結(jié)合打滑現(xiàn)象數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，對引起沈陽地鐵二號線電客車打滑的原因分析如下：

（一）輪軌間粘著系數(shù)惡化

導(dǎo)致軌面粘著狀態(tài)改變的裝置有輪緣潤滑裝置和軌道涂油器，其作用是減少鋼軌和車輪輪緣磨耗。輪緣潤滑裝置是安裝在輪緣處的潤滑裝置；軌道涂油器是安裝在軌道曲線處，為外軌內(nèi)側(cè)進(jìn)行涂油的一種涂油裝置。正常狀態(tài)下，輪緣潤滑裝置和軌道涂油器可以正常滿足粘著需求。當(dāng)存在其他因素影響時，在多種因素的共同作用下，會導(dǎo)致粘著系數(shù)下降。

（二）軌道曲線半徑

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，沈陽地鐵二號線發(fā)生打滑的電客車在沈陽北站站、岐山路站、北陵公園站、新樂遺址站和白塔河路站進(jìn)出站位置，其中北陵公園站和白塔河路站發(fā)生打滑現(xiàn)象頻次最高。通過分析沈陽地鐵二號線線路圖可以發(fā)現(xiàn)，沈陽北站、岐山路站、北陵公園站、新樂遺址站均處于進(jìn)出曲線處。列車在曲線上運(yùn)行時，輪對的運(yùn)行方向與曲線的切線方向形成沖角，沖角使車輪在鋼軌上產(chǎn)生橫向蠕滑。由于輪軌間所能傳遞的總?cè)浠κ艿秸持南拗?，造成曲線粘降，同時對應(yīng)最大粘著系數(shù)的蠕滑率會隨曲率的增加而增大，因此軌道曲線半徑會影響粘著系數(shù)的下降。

通過以上分析可知，電客車打滑是由多種因素共同作用導(dǎo)致的。當(dāng)軌道曲線半徑、軌面狀態(tài)、運(yùn)行速度等多個影響粘著系數(shù)的因素同時作用時，會導(dǎo)致粘著系數(shù)急劇下降，從而引發(fā)電客車打滑現(xiàn)象。

四、運(yùn)營維保建議

鑒于以上分析情況，提出以下建議：

（一）優(yōu)化線路設(shè)計

在新線進(jìn)行線路設(shè)計時，盡量減少多段連續(xù)曲線的線路。

（二）改善輪軌關(guān)系

（1）加強(qiáng)對車輪狀態(tài)的監(jiān)控，對車輪踏面定期進(jìn)行清潔。

（2）加強(qiáng)對軌道的巡查，注意觀察軌面狀態(tài)。在軌道保養(yǎng)結(jié)束后，確保軌面清潔，現(xiàn)場無油脂、鐵銹等會導(dǎo)致粘著系數(shù)降低的雜質(zhì)。

（三）限速降低影響

在發(fā)生打滑現(xiàn)象時，采取限速的手段降低防止持續(xù)發(fā)生打滑現(xiàn)象。