地鐵車輛車輪踏面清掃裝置的設計與實現(xiàn)

蘇 超張 潛

（1.南京鐵道職業(yè)技術學院機車車輛學院，210031，南京；2.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司設計開發(fā)部，210031，南京∥第一作者，工程師）

市郊高架地鐵線路在雨雪天氣下，由于軌面條件較差，再加上近年來列車速度的提升，導致列車經常會出現(xiàn)空轉、滑行，甚至擦輪的風險。基于此，考慮在地鐵車輛上增加踏面清掃裝置，以改善輪軌踏面間的黏著狀態(tài)，防止車輪發(fā)生空轉滑行。踏面清掃裝置在動車組上已有應用成功的先例，然而在地鐵列車上使用較少，因此需要針對地鐵列車的運行特性，對踏面清掃裝置的控制邏輯進行重新設計，以使踏面清掃裝置能夠與地鐵列車完美匹配。

1 踏面清掃裝置簡介

踏面清掃裝置安裝在車輛的轉向架上，并且作用于車輪踏面。該裝置的具體作用如下：

（1）修正車輪多邊形：去除車輪踏面微小裂紋，預防車輪擦傷、剝離現(xiàn)象，高效修正車輪踏面。

（2）提高輪軌黏著系數：改善輪軌踏面間的黏著狀態(tài)，防止車輪發(fā)生打滑、空轉，避免車輪踏面的擦傷、剝離，尤其對于雨雪天氣造成的輪軌低黏著問題改善效果較為明顯。

（3）清掃車輪踏面：清除車輪踏面異物，保證輪軌黏著力。

（4）降噪：抑制車輪轉動噪聲。

當車輪踏面清掃裝置作用于車輪踏面時，裝置前端的粘磨子內包含的金屬顆粒會通過熱塑性樹脂粘附在車輪踏面上，通過輪軌的碾壓，形成金屬粒子薄膜，改變輪軌接觸區(qū)的受力狀態(tài)，提高黏著系數。在雨雪天氣條件下，輪軌間會形成一層水膜。該水膜的厚度會隨著列車運行速度的提高而增加，從而導致輪軌黏著快速降低。粘磨子中的金屬顆粒則能有效清除輪軌間的水膜，改善輪軌間的接觸面，從而保證雨雪天氣下輪軌的有效黏著。

車輪踏面清掃裝置結構如圖1所示。由圖1可知，粘磨子與車輪踏面直接接觸，可有效改善輪軌踏面間的黏著狀況；閘瓦托與活塞桿連接，用于安裝粘磨子；橡膠波紋管與活塞桿和本體連接，起到防塵和保護的作用；本體為主體結構，用于把其他零部件組合在一起；進氣口連接進氣管路，對踏面清掃裝置進行供風；插銷為拉拔插銷，可使粘磨子復位到最短位置。

2 設計需求

圖1 車輪踏面清掃裝置結構圖

本文以南京S 3號線為工程背景。該線路大部分為高架線路，且存在1段坡度為34.5‰的大坡道。在正常天氣下，列車在該線路上能正常運行，但在雨雪天氣下，高架線路上的列車存在空轉、滑行的風險。而對于34.5‰的大坡道，若列車發(fā)生滑行則會導致制動力不足，具有較大的安全風險。基于以上考慮，建議在列車上增加車輪踏面清掃裝置。

一般列車運行時，滑行概率最大的為頭車，同時考慮到轉向架底部的安裝空間和經濟效益，僅需在兩端頭車的車輪上安裝踏面清掃裝置。基于安全考慮，在大坡道線路上需時刻保證列車的運行安全。因此當列車處于大坡道時，踏面清掃裝置需保持動作。當列車出現(xiàn)滑行時，為保證列車能盡快恢復黏著，出現(xiàn)滑行的車輛踏面清掃裝置應立即動作，以改善輪軌黏著關系。在雨雪天氣下，高架線路的輪軌黏著較差，此時為防止列車出現(xiàn)滑行，需保證每次制動時踏面清掃裝置都動作，以及時改善輪軌間的黏著情況。

綜上所述，需針對地鐵列車的特殊情況，對車輪踏面清掃功能進行相應優(yōu)化。

3 設計實現(xiàn)

3.1 車輪踏面清掃裝置動作方式

由于車輪踏面清掃裝置主要依靠粘磨子里面的金屬顆粒碾壓到車輪踏面來實現(xiàn)增黏，因此粘磨子作用一段時間以后，車輪踏面就已布滿金屬顆粒，此時粘磨子繼續(xù)作用的效果已不大。因此，考慮車輪踏面清掃裝置采用間歇動作方式。

據經驗值，車輪踏面清掃裝置連續(xù)作用于軌面20圈以上才會取得較好的效果?？紤]較極端的情況，當對列車施加減速度a=1.2 m/s2，且在一定的作用時間t0內，列車最短的制動距離為S0=0.5 at02。因半磨耗車輪直徑D=805 mm，輪面轉動圈數N=20，故有 π·D·N=S0。經計算得到 t0=9.2 s。若要保證輪面轉動20圈以上，建議連續(xù)作用時間為10 s。因此，可設計踏面清掃動作方式為連續(xù)作用10 s、緩解10 s的周期循環(huán)。

3.2 踏面清掃作用及緩解條件

對于車輪踏面清掃作用條件的判定，基于以下3方面來考慮：

（1）為保障南京S3號線34.5‰的大坡道安全行駛，當列車處于該坡道時，踏面清掃就立即開始動作。

（2）當列車出現(xiàn)滑行時，踏面清掃裝置亦需立即動作來改善輪軌之間的黏著情況。

（3）對列車施加制動后，踏面清掃即刻動作，從而改善列車制動過程中的輪軌黏著情況。

（4）針對踏面清掃的緩解條件，若因列車處于大坡道而觸發(fā)踏面清掃，則當列車離開大坡道時，踏面清掃可立即緩解；若因列車滑行而觸發(fā)了踏面清掃動作，可考慮滑行信號消失時緩解踏面清掃。但在實際的線路運行中，如果列車出現(xiàn)滑行，此時滑行信號一般都不持續(xù)，而是短時間歇性的信號。因此，如果讓踏面清掃信號跟隨滑行信號，則會出現(xiàn)踏面清掃裝置短時間歇性的充排氣。

從表3可知，對泡椒豬皮細菌總數影響因素由主至次依次為植酸，茶多酚，乳酸鏈球菌素；對揮發(fā)性鹽基氮的影響最大的是乳酸鏈球菌素，其次是植酸，茶多酚對其影響最??；對pH值的影響最大的是植酸，其次是乳酸鏈球菌素，茶多酚對pH值的影響不顯著。

為避免列車在低速進站時踏面清掃動作引起制動力的變化，從而導致停車精度問題，應考慮當列車速度低于10 km/h時，踏面清掃裝置立即停止動作。為避免以上情況，考慮將踏面清掃裝置作用10 s、緩解10 s的動作設置為1個動作周期。若踏面清掃激活，則1個周期后再重新檢測。

3.3 踏面清掃測試

為方便列車在靜態(tài)條件下對車輪踏面清掃裝置進行檢修測試，在DDU屏維護界面上設置踏面清掃測試按鈕。按下該按鈕后，當網絡檢測到列車處于靜止狀態(tài)時，列車將會輸出踏面清掃信號驅動踏面清掃動作，作用方式同列車正常運行時一致。為防止檢修人員忘記復位該按鈕，設置每次作用時間為2 min，當超過2 min后，網絡會自動復位踏面清掃信號。另外，在測試過程中，若列車起動，測試過程就會立即中斷。

3.4 踏面清掃控制邏輯實現(xiàn)方式

車輪踏面清掃控制邏輯如圖2所示。由圖2可知，在該控制邏輯中，TCMS（列車監(jiān)控管理系統(tǒng)）起到非常重要的作用。所有與列車狀態(tài)相關的信息都均由TCMS采集，然后進行邏輯判斷，并輸出信號控制車輪踏面清掃裝置的動作。

3.5 踏面清掃對制動力的影響

圖2 車輪踏面清掃控制流程圖

車輪踏面清掃裝置直接作用于車輪踏面，因此需要考慮其對制動力的影響。車輪踏面清掃裝置參數如表1所示。

表1 車輪踏面清掃裝置相關參數

由表1可知，因車輪踏面清掃裝置使每個車輪產生的等效制動力為300 N×0.3=90 N，每節(jié)車輛8個車輪，則等效制動力為90 N×8=720 N。該值低于制動缸輸出的公差，不影響車輛制動。

3.6 踏面清掃硬件電路設計

踏面清掃控制邏輯由TCMS實現(xiàn)。當TCMS判斷滿足觸發(fā)條件時，驅動繼電器輸出信號來控制踏面清掃電磁閥導通。當TCMS判斷不滿足觸發(fā)條件、且動作滿足1個周期時，將復位觸發(fā)信號，從而關斷踏面清掃電磁閥。

圖3 踏面清掃硬件電路圖

由圖3可知，由車輛輸出的滑行信號和大坡道信號傳到TCMS，TCMS按照上述邏輯綜合判斷，當滿足觸發(fā)邏輯時，輸出10 mA的電流信號到TCR，從而觸發(fā)TCV動作，踏面清掃缸充氣；粘磨子作用到車輪踏面上。當觸發(fā)條件消失時，假如剛好作用1個周期，則停止，否則繼續(xù)完成該周期。

4 結語

本文提出并分析了車輪踏面清掃裝置的動作方式、踏面清掃的測試方案以及踏面清掃控制邏輯實現(xiàn)方式，在此基礎上給出了踏面清掃硬件電路設計方案。通過以上分析可知，當車輛處于制動或滑行狀態(tài)時，通過觸發(fā)車輪踏面清掃裝置，可改善輪軌踏面間的黏著狀態(tài)，從而減小列車車輪發(fā)生空轉或滑行擦輪等的風險。

［1］ 茍青炳，伍安旭，江浪.城軌車輛踏面清掃器增粘試驗研究［J］.機車車輛工藝，2013（3）：11.

［2］ 白洪民，艾正武，劉進華，等.JPQS-1型踏面清掃器的研制［J］.電力機車與城軌車輛，2012（3）：31.

［3］ 張曙光.CRH2型動車組［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.