撒砂裝置在低地板車(chē)輛上的應(yīng)用

■ 蔣紅果 徐紅星

低地板車(chē)輛緊急制動(dòng)時(shí)減速度要求達(dá)到2.8 m/s2，即使考慮到不依靠輪軌黏著的磁軌制動(dòng)，車(chē)輛對(duì)輪軌間的黏著要求也很高，正常輪軌條件下很難保證車(chē)輛不發(fā)生滑行。低地板車(chē)輛在坡道60‰的線路上運(yùn)行，牽引時(shí)同樣存在空轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)。車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)必須配置撒砂裝置，通過(guò)對(duì)軌道噴砂增加輪軌間的黏著，以減少車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的空轉(zhuǎn)和滑行。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)輪軌黏著的研究，結(jié)合國(guó)外撒砂裝置生產(chǎn)廠家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)，輪軌間無(wú)砂和有砂對(duì)黏著系數(shù)改變狀況見(jiàn)表1。在軌道條件較差時(shí)，撒砂裝置對(duì)黏著系數(shù)改變尤為明顯，不同類(lèi)型砂子對(duì)黏著的改變有所不同。

1 撒砂裝置配置

撒砂裝置配置很大程度上取決于車(chē)輛參數(shù)，以蘇州高新區(qū)有軌電車(chē)1號(hào)線為例，其車(chē)輛制動(dòng)參數(shù)如下。（1）最高運(yùn)行速度：70 km/h；（2）常用制動(dòng)平均減速度（70～0 km/h，包括響應(yīng)時(shí)間）：≥1.2 m/s2；（3）安全制動(dòng)平均減速度（70～0 km/h，包括響應(yīng)時(shí)間）：≥1.5 m/s2；（4）緊急制動(dòng)平均減速度（70～0 km/h，不包括響應(yīng)時(shí)間）：≥ 2.8 m/s2。

以AW 2載荷進(jìn)行計(jì)算，要達(dá)到2.8 m/s2的減速度，總制動(dòng)力需要187 k N，其中磁軌制動(dòng)提供制動(dòng)力為41 kN，牽引提供最大電制動(dòng)力為113.4 kN；根據(jù)液壓制動(dòng)補(bǔ)充原則，緊急制動(dòng)時(shí)僅在拖車(chē)上施加液壓制動(dòng)，計(jì)算得到需要在拖車(chē)上補(bǔ)充的液壓制動(dòng)力為32.59 kN，推算出動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架需要的黏著系數(shù)為0.26，拖車(chē)轉(zhuǎn)向架需要的黏著系數(shù)為0.14。表1中干軌、無(wú)砂情況下軌面黏著系數(shù)約為0.20，因此必須為低地板車(chē)輛配置撒砂裝置。

撒砂裝置在車(chē)輛的安裝位置同樣會(huì)影響撒砂效果。根據(jù)車(chē)輛實(shí)際情況，蘇州高新區(qū)有軌電車(chē)1號(hào)線車(chē)輛將撒砂裝置配置在動(dòng)車(chē)前端的轉(zhuǎn)向架上。因?yàn)闋恳τ蓜?dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架提供，坡道啟動(dòng)時(shí)砂礫需要撒在動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架的輪軌間；制動(dòng)時(shí)動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架上有電制動(dòng)，在電制動(dòng)不足情況下還會(huì)補(bǔ)充液壓制動(dòng)，拖車(chē)上僅施加液壓制動(dòng)，計(jì)算得知?jiǎng)榆?chē)轉(zhuǎn)向架上需要的黏著更高；同時(shí)車(chē)輛兩端轉(zhuǎn)向架為動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架，在列車(chē)運(yùn)行方向前端轉(zhuǎn)向架上撒砂，對(duì)整列車(chē)轉(zhuǎn)向架輪軌黏著改善最有效。因此，車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)為兩端動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架配置了8套撒砂裝置（見(jiàn)圖1），車(chē)輛行進(jìn)時(shí)，前端4套撒砂裝置處于工作狀態(tài)。

低地板有軌電車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)與通常地鐵制動(dòng)系統(tǒng)本質(zhì)不同，其不采用空氣制動(dòng)，而采用液壓制動(dòng)，沒(méi)有配置制動(dòng)風(fēng)源系統(tǒng)。因此，需要為撒砂裝置配置單獨(dú)風(fēng)源，在車(chē)輛上撒砂裝置作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，其主要由空壓機(jī)模塊、儲(chǔ)砂模塊、注砂模塊、噴砂模塊及噴嘴模塊組成（見(jiàn)圖2）。

2 撒砂裝置關(guān)鍵部件

2.1 空壓機(jī)模塊

空壓機(jī)模塊包括空壓機(jī)、電機(jī)、過(guò)濾器、單向閥、排氣電磁閥、壓力開(kāi)關(guān)、安全閥、風(fēng)缸、壓力測(cè)試接頭、撒砂電磁閥等。電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)，300 W，轉(zhuǎn)速1 550±10 r/m in。空壓機(jī)采用無(wú)油、風(fēng)扇冷卻、免維護(hù)的空壓機(jī)，最大出口壓力設(shè)計(jì)為10 bar，流量70 L/m in（4.2 m3/h），活塞腔容積52 cm3。排氣電磁閥的設(shè)計(jì)主要是避免空壓機(jī)帶載啟動(dòng)，保護(hù)其壽命，在空壓機(jī)啟動(dòng)前1 s，電磁閥得電將空壓機(jī)上游壓力排出。1 L的風(fēng)缸主要起儲(chǔ)能作用，提高撒砂的響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)撒砂電磁閥接收到指令后，風(fēng)缸里的壓縮氣體迅速進(jìn)入撒砂器，同時(shí)空壓機(jī)啟動(dòng)泵風(fēng)。安全閥設(shè)置為10.5 bar。壓力開(kāi)關(guān)在0～10 ba r壓力范圍，根據(jù)撒砂量要求設(shè)定其上下限值。撒砂電磁閥接收到指令后，執(zhí)行撒砂氣路的關(guān)斷。撒砂裝置撒砂氣路原理見(jiàn)圖3。

根據(jù)撒砂裝置空壓機(jī)模塊參數(shù)，提出蘇州高新區(qū)有軌電車(chē)1號(hào)線的車(chē)輛撒砂裝置相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)（見(jiàn)表2）。

2.2 噴砂模塊

噴砂器采用拉瓦爾噴管結(jié)構(gòu)，由2個(gè)錐形管組成，通過(guò)噴管可使具有一定壓力及較低速度的氣體產(chǎn)生超音速流。根據(jù)流體力學(xué)原理，氣體在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)氣體經(jīng)過(guò)噴嘴的每一個(gè)截面氣體質(zhì)量均相等。

表2 撒砂裝置相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù) 數(shù)值運(yùn)行電壓/ V 24電壓公差/％ ±30電流（DC）/ V 24（25A）撒砂量/（g·m in-1） 300～1 200撒砂量最大偏離/％ ±10運(yùn)行溫度/℃ -25～50壓縮機(jī) 無(wú)油壓縮機(jī)系統(tǒng)壓力/bar 1～10每套撒砂設(shè)備總質(zhì)量/kg ≤31.7儲(chǔ)砂器容量/ L 25噴嘴排砂響應(yīng)時(shí)間/s ≤0.5

低速壓縮氣體運(yùn)動(dòng)遵循“流體在管中運(yùn)動(dòng)時(shí)，截面小處流速大，截面大處流速小”的原理，氣體由噴嘴1進(jìn)口進(jìn)入后，噴嘴的前段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當(dāng)沿氣流流動(dòng)方向截面收縮到最小處時(shí)，流速達(dá)到臨界速度即音速，此時(shí)壓力近似噴嘴進(jìn)口處的一半壓力，達(dá)到音速的氣流壓縮性變強(qiáng)，經(jīng)過(guò)收縮的噴管時(shí)被強(qiáng)烈壓縮，速度反而變慢，而經(jīng)過(guò)擴(kuò)張的噴管時(shí)體積膨脹，速度加快，到達(dá)噴嘴2時(shí)氣流速度進(jìn)一步加速。因此，必須在噴嘴臨界面后增加一段漸擴(kuò)段，可在噴嘴出口處獲得比音速更大的流速即超音速，并在此處建立低壓區(qū)域。

噴嘴出口與密閉空腔相通，其內(nèi)的氣體不斷被高速流體帶走，壓力下降形成負(fù)壓，并最終形成真空。通過(guò)真空原理將砂從砂箱中吸出，因此并不需要維持氣密或加壓的砂箱。同時(shí)砂與高流速氣體在噴管中混合形成高流速砂流，通過(guò)噴砂軟管及噴嘴被精確地噴撒到輪軌界面上。砂礫與氣流在噴管中的混合原理見(jiàn)圖4。當(dāng)電動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，高速砂流能夠沿著噴砂軟管經(jīng)噴砂嘴噴出，有效防止灰塵及殘留砂粒積沉，保證了噴管內(nèi)部清潔。

2.3 砂位傳感器

砂位傳感器采用振動(dòng)彈片傳感器（音叉?zhèn)鞲衅鳎刹婚g斷監(jiān)測(cè)砂箱內(nèi)的砂位高度并通知駕駛員。振動(dòng)彈片通過(guò)壓電元件和機(jī)械共振頻率被激發(fā)，而通過(guò)砂子帶動(dòng)的不同頻率可使振動(dòng)彈片復(fù)原。這個(gè)檢測(cè)是通過(guò)傳感器上的集成電子元件完成，而后將其轉(zhuǎn)換成通信指令。

振動(dòng)彈片傳感器是通過(guò)安裝在基座上的一對(duì)壓電晶體使彈片在一定共振頻率下振動(dòng)。當(dāng)彈片與砂礫相接觸時(shí)，彈片的振幅和頻率發(fā)生突變，智能電路對(duì)此進(jìn)行檢測(cè)并將這種變化轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)信號(hào)。振動(dòng)彈片傳感器工作原理見(jiàn)圖5。一般采用標(biāo)準(zhǔn)拋光電極，通過(guò)高頻激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的抗噪聲干擾能力。振動(dòng)彈片傳感器工作與不同砂粒的導(dǎo)電率、介電常數(shù)、黏度、壓力及溫度無(wú)關(guān)。

2.4 砂量調(diào)節(jié)

計(jì)算得到的輪軌黏著系數(shù)為0.26，因地面軌道黏著受天氣影響較大，同時(shí)結(jié)合國(guó)外運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，正常情況下撒砂量為600～800 g/m in，考慮到最?lèi)毫拥臈l件，撒砂量確定為300～1 200 g/m in。

砂量的調(diào)節(jié)通過(guò)撒砂器進(jìn)砂口大小、壓縮空氣流量或壓縮空氣壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)，蘇州高新區(qū)有軌電車(chē)1號(hào)線車(chē)輛采用調(diào)節(jié)壓縮氣體壓力實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)氣壓控制噴砂量，需在撒砂裝置中配置一個(gè)1 L的小風(fēng)缸及壓力開(kāi)關(guān)，通過(guò)設(shè)定壓力開(kāi)關(guān)的上下限值控制風(fēng)缸的壓力大小實(shí)現(xiàn)砂量調(diào)節(jié)。

3 撒砂裝置電氣控制

撒砂控制分為手動(dòng)和自動(dòng)，手動(dòng)撒砂通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)撒砂由VCU或DCU控制。

3.1 手動(dòng)撒砂

手動(dòng)撒砂是通過(guò)司機(jī)室內(nèi)的“撒砂”按鈕，按下即可。正常運(yùn)行過(guò)程中，“撒砂”按鈕的激活由VCU讀取，并執(zhí)行100％的撒砂量。應(yīng)急運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)車(chē)輛控制線的“撒砂方向1”或“撒砂方向2”（100％的撒砂量），司機(jī)室內(nèi)被激活的“撒砂”按鈕直接控制所有平行的撒砂裝置（取決于行車(chē)方向）。車(chē)輛控制線的“撒砂方向1”或“撒砂方向2”的激活由車(chē)輛內(nèi)被激活的VCU和數(shù)據(jù)記錄儀讀取。

3.2 自動(dòng)撒砂

自動(dòng)撒砂在以下情況被激活：（1）正常運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)打滑或滑行發(fā)生時(shí)，由VCU激活，進(jìn)行轉(zhuǎn)向架選擇并取決于行車(chē)方向；（2）緊急制動(dòng)情況下，達(dá)到靜止之前通過(guò)硬線激活，取決于所有撒砂設(shè)備的行車(chē)方向；（3）緊急制動(dòng)情況下，操作鎖閉按鈕——“司機(jī)緊急制動(dòng)”，通過(guò)硬線激活，取決于所有撒砂設(shè)備的行車(chē)方向；（4）應(yīng)急操作過(guò)程中，當(dāng)打滑或滑行發(fā)生時(shí)，由DCU激活，進(jìn)行轉(zhuǎn)向架選擇并取決于行車(chē)方向。

正常運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)打滑/滑行時(shí)，自動(dòng)撒砂由VCU控制，進(jìn)行轉(zhuǎn)向架選擇，并取決于行車(chē)方向，撒砂量為100％。在網(wǎng)絡(luò)故障運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)打滑/滑行時(shí)，自動(dòng)撒砂請(qǐng)求由MOD1和MOD7中的DCU控制，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向架選擇，并取決于行車(chē)方向，撒砂量為100％。車(chē)輛控制線的“撒砂方向1”或“撒砂方向2”的激活由車(chē)輛內(nèi)被激活的VCU和數(shù)據(jù)記錄儀讀取。

3.3 砂位監(jiān)控

每個(gè)砂箱均安裝砂位傳感器。VCU監(jiān)控每個(gè)砂箱的砂位（low-active = 最低砂位）。如果砂位低于最低限位，此信息在IDD上向司機(jī)顯示，并在診斷系統(tǒng)中存儲(chǔ)。所有砂箱砂位的概要消息——“砂位OK”，通過(guò)M VB發(fā)送至數(shù)據(jù)記錄儀。

3.4 噴嘴加熱

加熱裝置安裝在撒砂噴嘴處，如果達(dá)到設(shè)定溫度（一般為5 ℃），加熱裝置由VCU激活。如果輔助變流器的24 V供電發(fā)生故障，車(chē)輛僅由蓄電池供電，撒砂噴嘴加熱功能可執(zhí)行休眠操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

撒砂裝置作為低地板車(chē)輛的重要組成部分，對(duì)保證制動(dòng)距離和對(duì)車(chē)輛滑行/空轉(zhuǎn)起重要作用。目前，國(guó)內(nèi)撒砂裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有獨(dú)立的空壓機(jī)模塊，撒砂器多采用重力式，應(yīng)用在低地板車(chē)輛上的撒砂裝置很少，技術(shù)同樣亟待升級(jí)。

國(guó)內(nèi)撒砂裝置生產(chǎn)企業(yè)在開(kāi)發(fā)低地板車(chē)輛撒砂裝置的同時(shí)，應(yīng)從車(chē)輛運(yùn)營(yíng)商角度考慮，做好撒砂裝置配套服務(wù)，增加企業(yè)產(chǎn)品種類(lèi)，如加砂車(chē)、軌道清理車(chē)（低地板軌道的槽型軌需要定期清理砂礫）等，成為撒砂系列產(chǎn)品的供應(yīng)商。

[1] W erner Bartling，李壘. 鐵路車(chē)輛新型撒砂系統(tǒng)[J]. 國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2010(1)：13-16．

[2] 天津大學(xué)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)編寫(xiě)組. 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1981.

[3] TB/T 3254—2011 機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)用撒砂裝置[S].