一種軌道車輛智能化撒砂系統(tǒng)

王善方，吳 迪，張方亮，胡 淼

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266112； 2.中國鐵路沈陽局集團有限公司 車輛部，遼寧 沈陽 110001)

軌道車輛在雨雪天氣或者軌道有水漬、油污、薄冰等情況下，軌道車輛的輪對踏面與軌道之間的黏著性能變差，如果這種黏著狀態(tài)不能得到及時改善，列車就會出現(xiàn)空轉或滑行現(xiàn)象，嚴重時會造成車輪擦傷和制動距離延長的后果[1]。為了改善軌道車輛輪軌之間的黏著狀態(tài)，通常會在軌道車輛上配置撒砂系統(tǒng)[2-3]，一般設置于軌道車輛的底部并向軌道車輛的輪對踏面和軌道之間噴撒特定規(guī)格的砂子(比如：石英砂)，以改善輪軌之間的黏著狀態(tài)[4]，從而保證軌道車輛的牽引或制動性能，進而保證軌道車輛的行駛安全性能。

目前，軌道車輛撒砂系統(tǒng)廣泛采用單級壓力撒砂或兩級壓力進行撒砂，根據(jù)軌道車輛的運行速度選擇相應的撒砂輸出壓力，并進行撒砂控制[5]。撒砂系統(tǒng)中的撒砂口用來將撒出砂箱的砂子引流并噴撒到輪對踏面和軌道之間。軌道車輛在不同的行駛速度條件下，當砂子撒出撒砂口并飛往輪對踏面和軌道的過程中，出砂口處的空氣流場對出砂口噴撒的砂子的運動軌跡產(chǎn)生的影響也不同，而砂子的運動軌跡直接影響到達輪軌之間的有效撒砂量，因此，采用單級或兩級壓力進行撒砂采用的是一種模糊控制方法，不能完全保證吹砂壓力的合理范圍內(nèi)，同時，也不能保證出砂口處的實際撒砂量處在目標撒砂量的合理范圍內(nèi)，撒砂精度較低，進而難以有效改善軌道車輛輪軌之間的黏著性能。本文系統(tǒng)地介紹了一種軌道車輛用智能化撒砂系統(tǒng)的組成、工作原理及控制策略等內(nèi)容。

1 智能化撒砂系統(tǒng)組成及工作原理

圖1為軌道車輛智能化撒砂系統(tǒng)的組成。

圖1 智能化撒砂系統(tǒng)組成及原理示意圖

如圖1所示，智能化撒砂系統(tǒng)主要由撒砂控制模塊、出砂模塊和反饋模塊組成。各模塊的功能和工作原理介紹如下：

(1) 撒砂控制模塊：用于接收撒砂指令和讀取當前軌道車輛的行駛速度，計算并發(fā)送與當前行駛速度對應的撒砂信號，撒砂信號主要包括控制閥門組件的信號和控制電機螺桿的轉速信號。另外，當系統(tǒng)執(zhí)行撒砂功能時，可接受反饋模塊輸出的壓力傳感器信號和流量傳感器信號。

(2) 出砂模塊：由氣路閥板單元和撒砂組件組成。氣路閥板單元接收撒砂控制模塊發(fā)出的控制閥門組件的信號，并將此信號轉換為干燥供風和吹砂供風輸出。撒砂組件提供氣路閥板單元輸出的干燥供風和吹砂供風接口，并接收撒砂控制模塊輸出的控制電機螺桿的轉速信號，由螺桿將砂箱中的砂子撒出砂箱，電機螺桿的轉速大小直接決定撒砂量的大小。具有電機螺桿的撒砂組件結構原理圖如圖2所示。

注：箭頭代表砂子流動的方向圖2 電機螺桿撒砂組件結構原理圖

如圖2所示，撒砂組件安裝在砂箱底部，砂子在重力的作用下會填滿進砂口，當螺桿轉動時，砂子在螺桿的輸送作用下會被運送到出砂口處，從而實現(xiàn)定量撒砂功能。在撒砂的同時，進氣口處與氣路閥板單元的吹砂出風口相連，可實現(xiàn)定壓吹砂的功能。螺桿的轉動出砂模塊與撒砂控制模塊之間采用的是電性連接。

(3) 反饋模塊：用于監(jiān)測出砂模塊的實際吹砂壓力和實際撒砂流量并發(fā)送至撒砂控制模塊以調(diào)整撒砂信號，反饋模塊與出砂模塊和撒砂控制模塊采用的是電性連接。

在軌道車輛運用過程中，撒砂控制模塊接受到撒砂指令后，自動計算出當前速度條件下對應的目標撒砂量和吹砂壓力，并把目標撒砂量信號和吹砂壓力信號分別轉換為電機螺桿的轉速信號和吹砂壓力信號輸出到出砂模塊，當砂子撒出出砂模塊后，反饋模塊自動檢測實際的撒砂流量和吹砂壓力，并把實際的撒砂流量和吹砂壓力以電信號的形式反饋至撒砂控制模塊，撒砂控制模塊將目標撒砂量信號和吹砂壓力信號與反饋的實際撒砂量信號和吹砂壓力信號進行比對，若超過允許的誤差范圍，則撒砂控制模塊輸出修正后的撒砂量信號和吹砂壓力信號，從而使反饋信號與目標信號盡可能地保持一致。

2 智能化撒砂系統(tǒng)控制策略

軌道車輛在運用過程中，撒砂控制模塊始終讀取列車的速度信號，并判斷是否接到了撒砂指令(注：撒砂指令既可設置為司機臺撒砂按鈕發(fā)出的撒砂硬線指令，也可與列車的安全回路聯(lián)動，即當列車執(zhí)行最大常用制動或緊急制動時，自動向撒砂控制模塊發(fā)出撒砂指令)，當接到撒砂指令后，撒砂控制模塊開始發(fā)出控制撒砂量的信號和吹砂壓力信號。

撒砂量的大小是通過控制電機螺桿的轉速進行調(diào)節(jié)的，推薦的電機螺桿轉速與當前軌道車輛的行駛速度的預設映射關系為：

當軌道車輛的行駛速度為V≤200 km/h時，電機轉速為：N=K·V/S

(1)

當軌道車輛的行駛速度V>200 km/h時，電機轉速為：N=[(K+B)·V-C]/S

(2)

式中：N——電機轉速；

K——撒砂速度常數(shù)；

V——當前軌道車輛的行駛速度；

S——電機螺桿的每轉撒砂量；

B——撒砂速度補償常數(shù)；

C——撒砂量調(diào)節(jié)常數(shù)。

推薦的吹砂壓力與當前軌道車輛的行駛速度的預設映射關系為：

P=R·V2+D

(3)

式中：P——吹砂壓力；

R——吹砂壓力常數(shù)；

V——當前軌道車輛的行駛速度；

D——吹砂壓力調(diào)節(jié)常數(shù)。

由上述分析可知，智能化撒砂系統(tǒng)中，電機轉速、吹砂壓力分別和當前軌道車輛的行駛速度為線性關系，不同的行駛速度對應不同的電機轉速和不同的吹砂壓力，從而可根據(jù)當前軌道車輛的行駛速度實現(xiàn)對吹砂壓力、電機轉速的無級控制。

執(zhí)行撒砂動作后，由反饋模塊監(jiān)測撒砂量和吹砂壓力，并把二者的反饋信號反饋至撒砂控制模塊，撒砂控制模塊將反饋信號與目標信號進行對比，反饋的吹砂壓力與目標壓力允許誤差范圍為15 kPa，反饋的撒砂量與目標撒砂量對應的允許誤差范圍為20 g/min。若超出上述誤差范圍，撒砂控制模塊將對電機轉速或吹砂壓力進行調(diào)整，直至反饋值處于目標值允許的誤差范圍內(nèi)。

3 結論

本文提出一種軌道車輛用的智能化撒砂系統(tǒng)，主要包括撒砂控制模塊、出砂模塊和反饋模塊，通過撒砂控制模塊輸出的電機轉速控制信號和吹砂壓力控制信號分別對撒砂量和吹砂壓力進行控制，且設置了可監(jiān)測出砂模塊實際的撒砂量和吹砂壓力的反饋模塊，反饋模塊可將所述反饋信號發(fā)送給撒砂控制模塊并與目標撒砂信號相比較后進一步調(diào)整撒砂信號，以使所述反饋信號與撒砂信號相對應，進而提高了撒砂精度，進一步改善軌道車輛的輪軌黏著性能。避免了在軌道車輛低速運行時撒砂量過大或者高速運行時撒砂量過小的現(xiàn)象，并能根據(jù)軌道車輛的行駛速度有效地改善輪軌之間的黏著狀態(tài)，從而可進一步地改善軌道車輛的輪軌黏著性能，提高了對砂子的合理利用，有利于節(jié)約資源和保護環(huán)境。