地鐵車輛制動系統撒砂裝置的應用

李恒恒，盧衍偉

(1.青島海信微聯信號有限公司，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及車輛的自重。當輪軌間黏著狀態所能提供的制動力大于車輛所需的制動力時，車輛可實現正常的制動功能；當輪軌間黏著狀態差以致不能提供車輛制動所需的最大制動力時，就會出現輪對抱死、滑行現象，影響停車距離及行車安全。

黏著系數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會相應增大[1]。輪軌間表面狀態包括干濕情況、臟污程度、是否有銹、是否撒砂以及砂的數量和品質等。當軌道表面干燥且清潔時，黏著系數較大；軌道表面潮濕或者有霜、雪、油污覆蓋時，黏著系數將明顯減小,若軌道表面被雨水沖刷得很潔凈，即使軌道表面很濕，黏著系數也不會減小；當軌面生銹時，薄薄的一層銹可使黏著系數增大，但如果銹層較厚，特別是有濕潤的棕色銹層時，反而會使黏著系數減少。本文以青島地鐵為例，通過設置撒砂裝置來防止車輪滑行。

1 撒砂裝置

1.1 撒砂裝置主要結構

車輛共設置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為撒砂裝置主要結構。砂箱和控制箱安裝在車體底架上，撒砂加熱器安裝于轉向架上。控制箱從總風管取風，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向架上的加熱器及撒砂管相連，砂箱內裝有足量的石英砂。

圖2 撒砂裝置主要結構

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。

砂箱設計流速為1 300 g/30 s，則單次常用制動所消耗的砂子質量=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定為：

(1) 緊急制動時產生滑行，控制單元執行自動撒砂動作；

(2) 其他工況下執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。試驗結果見表1。

表1 列車撒砂型式試驗結果

試驗結果顯示：

(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，具體試驗數據見表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據見圖3。

圖3 2018年11月5日廟石下行進站滑行數據

車輛在廟石下行進站制動過程中產生滑行，司機收到TCMS屏發出的提示后，手動按壓撒砂按鈕約3 s，雖然司機執行了手動撒砂功能，但在撒砂動作執行前車輛牽引/制動系統已進行滑行控制，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據見圖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據

車輛在廟石下行進站制動過程中產生滑行，司機收到TCMS屏發出的提示后，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—山東大學上行區間運行期間的試驗數據見圖5。

車輛在藍色硅谷—山東大學上行區間制動過程中產生滑行并導致車載信號系統請求緊急制動，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，由試驗數據及案例可知：

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

(2) 當車輛運行過程中產生滑行/空轉，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象，主要和司機的觀察力有關。

圖5 2018年12月11日藍色硅谷—山東大學上行區間滑行數據

3 結論

車輛增加撒砂裝置，可適當增加輪軌間的黏著系數，提高制動力的發揮，對滑行/空轉能起到一定的改善作用。手動撒砂存在延遲的現象，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。