關于改善寧高線輪軌黏著的建議措施

丁亦豐

一、情況概述

南京地鐵S9號線（寧高城際）于2017年12月30日正式運營，期間在正線出現較多的滑行現象導致信號系統施加緊急制動，并且打滑大多發生在明覺站與團結圩站之間。

寧高線車輛為地鐵B型車，采用2動1拖編組，最高運行速度為120km/h。采用架控的EP2002空氣制動系統（防滑保護時為軸控模式），轉向架基礎制動裝置采用盤式制動。

寧高線全長52.42km，其中地下線3.61km，地面段4.62km，高架段44.19km，共設6座車站，其中高架站5座，地面站1座，明覺站與團結圩站之間為石臼湖大橋。

寧高線車輛運行特點是速度高、編組短、載客少;線路特點是全線絕大部分為高架露天且部分區段經過湖泊水域空氣濕度大。

車輛技術合同要求在平直干燥潔凈的軌道條件下列車最高速度（120km/h）時的緊急制動平均減速度至少為1.2m/s2。平直干燥潔凈的軌道條件下列車最高速度（120km/h）時的最大常用制動平均減速度至少為1.0m/s2。 在制動系統設計時還需要充分利用電制動，且計算所需輪軌黏著為0.14—0.16。

具體要求如圖1所示：

二、影響輪軌黏著的因素

列車在啟動和加速的過程中和輪軌的黏濁特征的關系非常的緊密，并且影響因素是比較多的，例如速度和接觸面的狀態等等。主要的原因包含的是接觸面的狀態，特別是如果鋼軌存在著水和油等一些介質時，那么粘著系數會在不斷的下降。

在輪軌干燥而清潔時黏著系數較大;在輪軌剛剛潮濕或有霜雪、油污時，黏著系數將明顯減小;但如果連續大雨，鋼軌被沖刷得很潔凈，則鋼軌雖然很濕，黏著系數也不會減小太多。如果粘著系數無法滿足相關標準的話，那么會在牽引時出現車輪空轉的問題，無法達到應有的速度，另外在制動時很難讓車輪滑行，也會在后續制動時存在著距離超出預定范圍的問題。當車輪在空轉和滑行時都會對軌道表面造成一定的擦傷，增加了后續的維護成本，也會增加后續運行的安全風險。

由于寧高線的運營環境大部分為露天高架線路，主要影響其輪軌黏著的環境因素為雨水或者露水，統稱為水介質。在這一條件的影響下，會隨著粘著系數的變化而對速度造成一定的影響，由于整個接觸表面是粗糙的表面，要考慮粗糙表面的成分和彈性流體相關的狀態，在介質條件下，車輪當以更高速度通過鋼軌表面時會形成致密性較強的水膜，在水膜的作用下會有水磨的厚度和凹凸表面來決定后續的混合潤滑狀態。如果表面是凹凸不平的話，那么會產生共同的壓力，使得整個車輪處于摩擦的狀態中，具體情況如下圖所示：

由于式（3）中的 e值變大，從而使μ值變小。這就是水介質條件下由于速度上升而導致黏著系數發生急劇下降的原因。

為研究水介質條件下的輪軌黏著關系，軌道科學研究院在實驗室內也進行大量的試驗，對水介質條件下輪軌黏著特性及其影響規律進行了對比性分析，最終得出如下結論：

1.在噴水量不斷增加的時期，粘著系數會隨著水量的增加逐漸的減少，但是當到了每分鐘200毫升左右時，水量在不斷的增加，最終的粘著系數是保持不變的。

2.在水介質的條件下，會隨著接觸表面粗糙度的不斷增加而增加，兩者是成正比關系的，在不同的速度區間內，表面粗糙程度對粘著系數的影響并不是那么的明顯，在高速區間內表面粗糙度的影響相比于低速度來說，影響是比較明顯的，在表面粗糙度較低時，速度和粘著系數的影響非常的密切。

3.輪軌的粘著系數還和噴水溫度有著密切的關系，例如會隨著溫度的升高而不斷的增加。

4. 輪軌黏著系數在水介質條件下在軸重10?16t的范圍內，對于粘著系數的影響并不是那么的明顯，只影響10%左右。

5. 水介質條件下，在40?200km/h速度范圍內，粘著系數和速度之間是呈反比關系的;在200?400km/h速度范圍內，減小得較緩慢。

噴水量、輪軌接觸表面粗糙度、運行速度對水介質條件下的輪軌黏著系數影響較大，噴水溫度和軸重的影響較小。因此為了保證正常的列車牽引制動性能， 即達到預期的黏著系數，可以通過增加輪軌接觸表面粗糙度有效提高水介質條件下的輪軌黏著系數。但輪軌模擬試驗結果表明當黏著系數超過0.3時， 輪軌磨損即迅速加劇。所以在考慮增加輪軌黏著系數的措施同時應兼顧輪軌之間磨損速率。

三、已采取改善黏著的措施

為應對寧高線可能出現的正線由于黏著不足產生滑行的情況，設計初期車輛已增加相應功能，以達到改善或充分利用黏著的目的。

1.滑行時制動力重新分配。寧高線車輛所使用克諾爾EP2002空氣制動系統，其本身存在防滑控制功能，即一旦檢測到因外界因素或較大的制動力引起輪對打滑時，制動閥會重新分配各軸制動力，不斷調整各軸制動力充分利用黏著的同時對車輛滑行進行修正，以期達到在低黏著條件下盡可能縮短制動距離及避免車輪擦傷的目的。

防滑控制系統是盡可能避免因軸速突變（如輪軌狀態較差）而產生的車輪擦傷現象，是一種自適應（有軸速差自動激活動作）自調整（調整當前制動力與當前輪軌黏著水平接近）系統。但其防滑保護功能并非是全能型，對于輪軌黏著狀態差這一事實并不能由防滑保護系統動作而實質上改變（在防滑控制過程中有部分改善），對于輪軌黏著改善需要更專業更對口的技術系統來完成。

防滑保護系統工作是一種正常反應及動作，設置防滑保護系統的目的就是在需要其動作的時候能快速有效地保護車輪盡可能不擦傷（防滑保護不及時車輪擦傷非常容易出現），但不能因其動作（降低制動力）而將最終制動距離延長的事實認為是防滑系統的故障導致，這其實是對防滑保護定位認識上的一個誤區。

2.增加研磨子。寧高線車輛在A車上配置了研磨子，其作用是改善輪軌的黏著并清掃踏面雜物，其觸發控制邏輯如下：

（1）列車施加制動，同時列車速度高于30km/h時，研磨子踏面清掃裝置動作;當列車速度小于20km/h時，踏面清掃停止動作。

（2）當該車任意一軸產生滑行或空轉時，研磨子踏面清掃裝置動作;直至滑行或空轉信號消失，踏面清掃停止動作。

該研磨子采用增粘配方，可以一定程度上改善輪軌黏著。

3.對減速度進行分段控制。在實際控制時要加強對整個制動過程的全面分析，并且按照速度的特點進行層次性的劃分，在高速階段按照線性變速的方式進行減量，在這一區間內速度在明顯的降低。對于制動力來說是隨著速度呈線性的方式而不斷增加的，之后再按照恒減速讀進行制動，直到車輛停止運行，通過分段制動力的控制，達到良好的控制效果，具體的曲線如下圖所示。

4.采用干式輪緣潤滑裝置。在國內的大多數地鐵中采取的是傳統油脂潤滑的方式將油紙噴在車輪的邊緣處，但是在露天的環境下，會隨著溫度的濕度而不斷的變化，例如油脂在使用時會逐漸的上升到鋼軌上，增加后續行車的風險，也會出現一定的粘著問題。

5.預留撒砂接口。寧高線在A車拖架一軸，B車動架（PB1）一軸都預留了撒砂噴嘴的安裝接口。

四、改善黏著的建議

寧高線正線頻繁發生打滑問題歸根結底是由于黏著過低造成，為使該情況下車輛依然能滿足技術設計要求提出以下措施：

1.增設撒砂裝置

這一裝置要將沙粒噴在軌道上，刺破軌道上的油膜傳，為軌道的使用奠定良好的條件，同時利用這一材料還可以使軌道粗糙度，在不斷的提高全面的提升軌道本身的粘著系數，保證后續行車的安全性，如圖4、圖5所示。

從根本上解決目前正線由于滑行產生緊急制動、沖標這類問題應該著眼于輪軌黏著的提高和改善，而目前切實有效的手段是增設撒砂系統及磁軌制動，但對于運行速度并非特別高的地鐵列車來說（即使高鐵列車也是通過加裝撒砂系統來提高和改善輪軌黏著），撒砂系統相對來說是一種性價比高的方案。

撒砂系統由砂箱、砂位傳感器、撒砂閥、軟管和噴嘴等組成（見圖6）。撒砂所需風源通過總風管提供。每次行進中，位于前進方向的撒砂裝置處于工作狀態（見圖7）。

從前期項目對比撒砂及防滑試驗結果（如表2所示）來看，撒砂系統對于改善輪軌黏著有非常明顯的效果。另外在試驗過程中也進行了踏面清掃增粘裝置對于防滑狀態下制動距離改善的試驗，從改善滑行及縮短制動距離這一角度來看，基本上沒有明顯改善的效果。

撒砂裝置將砂粒噴在軌道上，砂粒刺破軌道上的水膜或油膜，改善軌面條件，同時砂粒可以增加軌道的粗糙度，提高軌道黏著系數，縮短制動距離及增加電客車爬坡能力。啟動撒砂功能的目的是提高輪軌黏著能力，撒砂量對提高輪軌黏著能力有著明顯的影響。撒砂量過小時，增粘效果不明顯;撒砂量過大時，多余的未被碾碎的砂子，起不到增粘的效果。與此同時也會帶來相應問題：

1、增加輪軌接觸面粗糙程度可能導致輪軌磨耗加劇;

2、對軌道兩旁造成砂量的堆積，影響軌道檢修，需要定期清理;

3、對道岔區及轉轍機造成影響，影響正常工作，需要定期清理;

4、撒砂單元噴嘴在冬季會存在上凍問題，需增設相應加熱功能;

5、砂的黏度、成分、硬度和濕度都必須符合一定要求，為確保撒砂功能正常使用，會在一定程度上增加運營維護成本。

上述部分問題，可通過優化TCMS軟件、硬件更改及進行人工干預的方法進行改善，但由于撒砂系統的設備特性帶來的風險和缺陷無法完全消除。

2.定期對特定區段線路進行軌面打磨、清潔。建議由工務分公司對易產生打滑區段的軌道、環境進行差異性分析，并采取相應措施提高輪軌間的黏著。

3.在特定區段增設軌旁噴涂增粘劑。如美國洛杉磯 LACMTA線上所采用的軌旁增粘劑噴涂裝置。