地鐵車輛制動系統(tǒng)撒砂裝置的應用

李恒恒，盧衍偉

(1.青島海信微聯(lián)信號有限公司，山東 青島 266000； 2.中車四方車輛有限公司，山東 青島 266111)

地鐵車輛制動方式普遍為黏著制動，其制動力的提供取決于輪軌間的黏著狀態(tài)及車輛的自重。當輪軌間黏著狀態(tài)所能提供的制動力大于車輛所需的制動力時，車輛可實現(xiàn)正常的制動功能；當輪軌間黏著狀態(tài)差以致不能提供車輛制動所需的最大制動力時，就會出現(xiàn)輪對抱死、滑行現(xiàn)象，影響停車距離及行車安全。

黏著系數(shù)的影響因素主要有車輛運行速度、車輪和鋼軌的表面狀況等。列車在制動過程中，隨著列車速度的下降，沖擊振動以及伴隨的少量的縱向和橫向滑動都逐漸減弱，因而黏著力和黏著系數(shù)會相應增大[1]。輪軌間表面狀態(tài)包括干濕情況、臟污程度、是否有銹、是否撒砂以及砂的數(shù)量和品質(zhì)等。當軌道表面干燥且清潔時，黏著系數(shù)較大；軌道表面潮濕或者有霜、雪、油污覆蓋時，黏著系數(shù)將明顯減小,若軌道表面被雨水沖刷得很潔凈，即使軌道表面很濕，黏著系數(shù)也不會減?。划斳壝嫔P時，薄薄的一層銹可使黏著系數(shù)增大，但如果銹層較厚，特別是有濕潤的棕色銹層時，反而會使黏著系數(shù)減少。本文以青島地鐵為例，通過設(shè)置撒砂裝置來防止車輪滑行。

1 撒砂裝置

1.1 撒砂裝置主要結(jié)構(gòu)

車輛共設(shè)置8套撒砂裝置(前進方向4套)，每個單元主要包括砂箱、撒砂單元、控制箱、管路及撒砂加熱器[2]。圖1為列車撒砂裝置布置圖。

圖1 列車撒砂裝置布置圖

圖2為撒砂裝置主要結(jié)構(gòu)。砂箱和控制箱安裝在車體底架上，撒砂加熱器安裝于轉(zhuǎn)向架上?？刂葡鋸目傦L管取風，通過供風管路與砂箱底部的撒砂單元相連，撒砂單元通過軟管與轉(zhuǎn)向架上的加熱器及撒砂管相連，砂箱內(nèi)裝有足量的石英砂。

圖2 撒砂裝置主要結(jié)構(gòu)

1.2 撒砂量計算

列車以120 km/h速度進行常用制動100%級位制動和緊急制動，且在此過程中一直滑行的工況下(最惡劣工況)，按照每列車配置8臺砂箱、砂箱容積為10 L進行撒砂量計算。車輛制動距離S的計算公式為：

(1)

式中：a——車輛制動減速度，m/s2；

vt——車輛制動時的最高速度，km/h；

v0——車輛制動時的停車速度，取值為0；

t——車輛制動時間,s。

1.2.1常用制動

根據(jù)式(1)，a取值為1.07 m/s2，vt取值為120 km/h，計算得常用制動距離約為519.21 m，常用制動時間約為31.15 s。

砂箱設(shè)計流速為1 300 g/30 s，則單次常用制動所消耗的砂子質(zhì)量=流速×時間=(1 300 g/30 s)×31.15 s=1 349.8 g；砂子的密度為1.5 g/cm3，則單次常用制動所消耗的砂子的體積=質(zhì)量/密度=1 349.8 g/(1.5 g/cm3)=899.9 cm3=0.9 L，約占砂箱容量的1/10。

1.2.2緊急制動

根據(jù)式(1)，a取值為1.3 m/s2，計算得緊急制動距離約為426.5 m，緊急制動時間約為25.6 s。單次常用制動所消耗的砂子質(zhì)量=流速×時間=(1 300 g/30 s)×25.6 s=1 109 g； 單次常用制動所消耗的砂子的體積=質(zhì)量/密度=1 109 g/(1.5 g/cm3)=739.6 cm3=0.74 L，約占砂箱容量的1/13。

2 試驗

青島地鐵撒砂裝置的功能設(shè)定為：

(1) 緊急制動時產(chǎn)生滑行，控制單元執(zhí)行自動撒砂動作；

(2) 其他工況下執(zhí)行人工操作即手動撒砂動作。

2.1 型式試驗

車輛撒砂功能組裝完畢后，制定試驗大綱進行試驗驗證。采用的測試方式為制動初速度60 km/h，恒級位常用制動(70%、100%)，軌面噴灑乙二醇溶液。試驗結(jié)果見表1。

表1 列車撒砂型式試驗結(jié)果

試驗結(jié)果顯示：

(1) 采用100%級位制動的8組試驗。未撒砂的4組試驗制動距離平均值為165.75 m，撒砂的4組為158.25 m，2種工況相比，撒砂工況下制動距離減少約4.7%。

(2) 采用70%級位制動的6組試驗。未撒砂的3組試驗制動距離平均值為223 m，撒砂的3組為205 m，2種工況相比，撒砂工況下制動距離減少約9.1%。

2.2 運行試驗

為驗證撒砂裝置的實際應用效果，特選取2列載客列車進行撒砂試驗。根據(jù)天氣變化情況，使用自動或手動撒砂功能，觀察軌面撒砂后對車輛滑行抑制情況，具體試驗數(shù)據(jù)見表2。

(1) 表2中，2018年11月5日10:29:55車輛在廟石下行進站期間的試驗數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 2018年11月5日廟石下行進站滑行數(shù)據(jù)

車輛在廟石下行進站制動過程中產(chǎn)生滑行，司機收到TCMS屏發(fā)出的提示后，手動按壓撒砂按鈕約3 s，雖然司機執(zhí)行了手動撒砂功能，但在撒砂動作執(zhí)行前車輛牽引/制動系統(tǒng)已進行滑行控制，且得到抑制，撒砂功能未起到實際效果。

(2) 表2中，2018年12月5日18：23：51車輛在廟石下行進站期間的試驗數(shù)據(jù)見圖4。

表2 車輛撒砂功能的實際應用情況

圖4 2018年12月5日廟石下行進站滑行數(shù)據(jù)

車輛在廟石下行進站制動過程中產(chǎn)生滑行，司機收到TCMS屏發(fā)出的提示后，手動按壓撒砂按鈕約3.7 s，此次撒砂動作后，車輛滑行抑制情況有明顯改善。

(3) 表2中，2018年12月11日06:14:38車輛在藍色硅谷—山東大學上行區(qū)間運行期間的試驗數(shù)據(jù)見圖5。

車輛在藍色硅谷—山東大學上行區(qū)間制動過程中產(chǎn)生滑行并導致車載信號系統(tǒng)請求緊急制動，車輛自動啟用撒砂功能，此次滑行深度比較嚴重，執(zhí)行撒砂動作后，車輛滑行抑制情況并沒有得到很好的抑制效果。

綜上，由試驗數(shù)據(jù)及案例可知：

(1) 當車輛運行過程中產(chǎn)生滑行/空轉(zhuǎn)，啟動自動撒砂功能的情況下，部分時段產(chǎn)生了很明顯的滑行抑制作用，如2018年12月5日廟石下行進站產(chǎn)生滑行案例；也有對滑行未產(chǎn)生明顯抑制作用的現(xiàn)象，如2018年12月11日在藍色硅谷—山東大學上行區(qū)間滑行產(chǎn)生緊急制動案例。

(2) 當車輛運行過程中產(chǎn)生滑行/空轉(zhuǎn)，啟用手動撒砂功能的情況下，手動撒砂的滑行抑制效果存在滯后現(xiàn)象，主要和司機的觀察力有關(guān)。

圖5 2018年12月11日藍色硅谷—山東大學上行區(qū)間滑行數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

車輛增加撒砂裝置，可適當增加輪軌間的黏著系數(shù)，提高制動力的發(fā)揮，對滑行/空轉(zhuǎn)能起到一定的改善作用。手動撒砂存在延遲的現(xiàn)象，不如自動撒砂時效性高，可選擇不同的制動工況增加自動撒砂功能。