地铁车辆制动系统撒砂装置的应用

李恒恒，卢衍伟

(1.青岛海信微联信号有限公司，山东 青岛 266000； 2.中车四方车辆有限公司，山东 青岛 266111)

地铁车辆制动方式普遍为黏着制动，其制动力的提供取决于轮轨间的黏着状态及车辆的自重。当轮轨间黏着状态所能提供的制动力大于车辆所需的制动力时，车辆可实现正常的制动功能；当轮轨间黏着状态差以致不能提供车辆制动所需的最大制动力时，就会出现轮对抱死、滑行现象，影响停车距离及行车安全。

黏着系数的影响因素主要有车辆运行速度、车轮和钢轨的表面状况等。列车在制动过程中，随着列车速度的下降，冲击振动以及伴随的少量的纵向和横向滑动都逐渐减弱，因而黏着力和黏着系数会相应增大[1]。轮轨间表面状态包括干湿情况、脏污程度、是否有锈、是否撒砂以及砂的数量和品质等。当轨道表面干燥且清洁时，黏着系数较大；轨道表面潮湿或者有霜、雪、油污覆盖时，黏着系数将明显减小,若轨道表面被雨水冲刷得很洁净，即使轨道表面很湿，黏着系数也不会减小；当轨面生锈时，薄薄的一层锈可使黏着系数增大，但如果锈层较厚，特别是有湿润的棕色锈层时，反而会使黏着系数减少。本文以青岛地铁为例，通过设置撒砂装置来防止车轮滑行。

1 撒砂装置

1.1 撒砂装置主要结构

车辆共设置8套撒砂装置(前进方向4套)，每个单元主要包括砂箱、撒砂单元、控制箱、管路及撒砂加热器[2]。图1为列车撒砂装置布置图。

图1 列车撒砂装置布置图

图2为撒砂装置主要结构。砂箱和控制箱安装在车体底架上，撒砂加热器安装于转向架上。控制箱从总风管取风，通过供风管路与砂箱底部的撒砂单元相连，撒砂单元通过软管与转向架上的加热器及撒砂管相连，砂箱内装有足量的石英砂。

图2 撒砂装置主要结构

1.2 撒砂量计算

列车以120 km/h速度进行常用制动100%级位制动和紧急制动，且在此过程中一直滑行的工况下(最恶劣工况)，按照每列车配置8台砂箱、砂箱容积为10 L进行撒砂量计算。车辆制动距离S的计算公式为：

(1)

式中：a——车辆制动减速度，m/s2；

vt——车辆制动时的最高速度，km/h；

v0——车辆制动时的停车速度，取值为0；

t——车辆制动时间,s。

1.2.1常用制动

根据式(1)，a取值为1.07 m/s2，vt取值为120 km/h，计算得常用制动距离约为519.21 m，常用制动时间约为31.15 s。

砂箱设计流速为1 300 g/30 s，则单次常用制动所消耗的砂子质量=流速×时间=(1 300 g/30 s)×31.15 s=1 349.8 g；砂子的密度为1.5 g/cm3，则单次常用制动所消耗的砂子的体积=质量/密度=1 349.8 g/(1.5 g/cm3)=899.9 cm3=0.9 L，约占砂箱容量的1/10。

1.2.2紧急制动

根据式(1)，a取值为1.3 m/s2，计算得紧急制动距离约为426.5 m，紧急制动时间约为25.6 s。单次常用制动所消耗的砂子质量=流速×时间=(1 300 g/30 s)×25.6 s=1 109 g； 单次常用制动所消耗的砂子的体积=质量/密度=1 109 g/(1.5 g/cm3)=739.6 cm3=0.74 L，约占砂箱容量的1/13。

2 试验

青岛地铁撒砂装置的功能设定为：

(1) 紧急制动时产生滑行，控制单元执行自动撒砂动作；

(2) 其他工况下执行人工操作即手动撒砂动作。

2.1 型式试验

车辆撒砂功能组装完毕后，制定试验大纲进行试验验证。采用的测试方式为制动初速度60 km/h，恒级位常用制动(70%、100%)，轨面喷洒乙二醇溶液。试验结果见表1。

表1 列车撒砂型式试验结果

试验结果显示：

(1) 采用100%级位制动的8组试验。未撒砂的4组试验制动距离平均值为165.75 m，撒砂的4组为158.25 m，2种工况相比，撒砂工况下制动距离减少约4.7%。

(2) 采用70%级位制动的6组试验。未撒砂的3组试验制动距离平均值为223 m，撒砂的3组为205 m，2种工况相比，撒砂工况下制动距离减少约9.1%。

2.2 运行试验

为验证撒砂装置的实际应用效果，特选取2列载客列车进行撒砂试验。根据天气变化情况，使用自动或手动撒砂功能，观察轨面撒砂后对车辆滑行抑制情况，具体试验数据见表2。

(1) 表2中，2018年11月5日10:29:55车辆在庙石下行进站期间的试验数据见图3。

图3 2018年11月5日庙石下行进站滑行数据

车辆在庙石下行进站制动过程中产生滑行，司机收到TCMS屏发出的提示后，手动按压撒砂按钮约3 s，虽然司机执行了手动撒砂功能，但在撒砂动作执行前车辆牵引/制动系统已进行滑行控制，且得到抑制，撒砂功能未起到实际效果。

(2) 表2中，2018年12月5日18：23：51车辆在庙石下行进站期间的试验数据见图4。

表2 车辆撒砂功能的实际应用情况

图4 2018年12月5日庙石下行进站滑行数据

车辆在庙石下行进站制动过程中产生滑行，司机收到TCMS屏发出的提示后，手动按压撒砂按钮约3.7 s，此次撒砂动作后，车辆滑行抑制情况有明显改善。

(3) 表2中，2018年12月11日06:14:38车辆在蓝色硅谷—山东大学上行区间运行期间的试验数据见图5。

车辆在蓝色硅谷—山东大学上行区间制动过程中产生滑行并导致车载信号系统请求紧急制动，车辆自动启用撒砂功能，此次滑行深度比较严重，执行撒砂动作后，车辆滑行抑制情况并没有得到很好的抑制效果。

综上，由试验数据及案例可知：

(1) 当车辆运行过程中产生滑行/空转，启动自动撒砂功能的情况下，部分时段产生了很明显的滑行抑制作用，如2018年12月5日庙石下行进站产生滑行案例；也有对滑行未产生明显抑制作用的现象，如2018年12月11日在蓝色硅谷—山东大学上行区间滑行产生紧急制动案例。

(2) 当车辆运行过程中产生滑行/空转，启用手动撒砂功能的情况下，手动撒砂的滑行抑制效果存在滞后现象，主要和司机的观察力有关。

图5 2018年12月11日蓝色硅谷—山东大学上行区间滑行数据

3 结论

车辆增加撒砂装置，可适当增加轮轨间的黏着系数，提高制动力的发挥，对滑行/空转能起到一定的改善作用。手动撒砂存在延迟的现象，不如自动撒砂时效性高，可选择不同的制动工况增加自动撒砂功能。