淺談重慶As地鐵車輛撒砂裝置設(shè)計

摘 要：為了使車輛適應(yīng)山地城市坡陡彎小的地形特點，保障地鐵車輛在大坡道、小曲線半徑線路上的安全和可靠運營。本文研究了地鐵車輛在大坡道線路工況下車輛粘著利用的問題，首先介紹了重慶As車輛技術(shù)參數(shù)和技術(shù)特點，重點研究了As車撒砂裝置的配置、組成、功能及控制邏輯，最后通過裝車在實際線路上進行實驗，驗證撒砂裝置在As車輛上的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：As型;地鐵車輛;撒砂裝置;設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.041

0 引言

由于國內(nèi)通用地鐵車輛主要爬坡能力為35‰[1]。山地城市地鐵線路普遍存在坡道多、轉(zhuǎn)彎半徑小、車站埋深深的情況。為了克服通用列車車輛在山地城市應(yīng)用產(chǎn)生的爬坡能力不足、建設(shè)和運營成本大、運營能耗高等問題，借鑒國內(nèi)外城市軌道交通車輛先進經(jīng)驗，研制了適合山地城市特點的一種新車型“山地城市A型車車輛”，簡稱As車。As車采用了A型車寬度、B型車長度及單軌車內(nèi)空高度，最大爬坡能力達50‰，正線最小轉(zhuǎn)彎半徑300m[2-4]。但是As車輛在坡道50‰的線路上運行，牽引時存在空轉(zhuǎn)或滑行風險，除了使運營安全性降低和能量浪費外，還會使車輪和軌道磨耗量增加。根據(jù)國內(nèi)外對輪軌粘著的研究，在軌道條件較差時，撒砂裝置能改善輪軌粘著系數(shù)[5-8]。通過對重慶As車輛安裝撒砂裝置，車輛運行時通過對軌道噴砂增加輪軌間的粘著，減少車輛的空轉(zhuǎn)和滑行，提升As車運營品質(zhì)。本文主要介紹了國內(nèi)首創(chuàng)的As車輛技術(shù)參數(shù)和特點，重點研究了As車輛撒砂裝置的配置、組成、功能及控制邏輯，通過裝車實測數(shù)據(jù)分析，驗證撒砂裝置在As車輛上的應(yīng)用效果。

1 As地鐵車輛介紹

1.1 As車輛主要技術(shù)參數(shù)

As車輛是國內(nèi)首創(chuàng)的山地A型車，是在標準地鐵A型車和B型車的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化車輛參數(shù)和動力配置，以適應(yīng)重慶山地城市坡道多、轉(zhuǎn)彎半徑小、車站埋深大的實際情況而研制的一種新車型，As車輛的主要技術(shù)參數(shù)見表1。As車輛運行的線路最大坡度為區(qū)間正線坡度不宜大于45‰，困難地段可采用50‰;聯(lián)絡(luò)線、出入線的最大坡度不宜大于50‰;洞口以內(nèi)及露天地面線和高架線不宜大于35‰[2]。

1.2 主要技術(shù)特點和優(yōu)點

（1）改善列車通過小曲線半徑的性能。最小曲線半徑為正線250m，有利于線路的選線和設(shè)計。列車設(shè)計時采取的措施如下：1）轉(zhuǎn)向架固定軸距為2200m;2）安裝干式輪緣潤滑裝置來降低噪聲和減少輪緣磨耗及鋼軌磨耗。

（2）提高列車的爬坡能力。車輛最大爬坡能力由35‰提高到50‰，線路最大坡道提升后，降低了車站埋深，減少了車站電扶梯使用，方便乘客出入站，在建設(shè)階段減少拆遷和土建費用。列車設(shè)計時采取的措施如下：1）車輛采用5動1拖的動力配置;2）牽引和制動均采用架控方式，提高牽引力和制動力的控制精度;3）基礎(chǔ)制動裝置采用輪盤制動，確保車輪在長大坡道上的制動安全性;4）每個車輪設(shè)置踏面清掃器，提高了車輪粘著和保護踏面。

（3）全列車采用4個受電弓受電，每個Mp車安裝2個受電弓，提高車輛受電能力，降低車輛受電弓離線率，減少受電弓碳滑條和接觸線的電磨耗。

（4）車體結(jié)構(gòu)的重要改進，主要措施如下：1）采用A型車寬度3000m;B型車長度;單軌車的車內(nèi)凈空高2.2m;2）全列車車門等間距布置，便于車站屏蔽門的設(shè)置;3）車體結(jié)構(gòu)斷面為矩形，便于鋁合金車體采用攪拌摩擦焊，提高了焊接質(zhì)量，降低了焊接難度和成本。

（5）列車加裝撒砂裝置，提高了高架露天區(qū)段的粘著利用率，降低了列車出現(xiàn)空轉(zhuǎn)和滑行的幾率。

2 撒砂裝置設(shè)計

2.1 總體方案

As車輛撒砂裝置的布置原則：

（1）輪軌粘著：頭車相對尾車粘著惡劣，考慮布置在列車兩端車輛上;（2）牽引空轉(zhuǎn)：輪軌粘著惡劣時列車牽引空轉(zhuǎn)，考慮部分動車加裝;（3）對稱布置：保證兩端控車時，撒砂效果一致性。

為便于撒砂，撒砂裝置設(shè)置在靠近轉(zhuǎn)向架輪對附近。6編組As車有4個動車和2個半動車，在每輛車配置一套撒砂裝置，包括一個撒砂控制箱、兩個砂箱及撒砂單元和兩個撒砂口（在每輛車靠近三軸的位置安裝）。每列設(shè)6套撒砂裝置。

2.2 撒砂裝置技術(shù)

撒砂裝置使成比例的砂子通過砂管噴灑到鋼軌上，撒砂量根據(jù)要求進行調(diào)整。具有如下功能：（1）具有烘干功能，采用熱空氣將砂箱內(nèi)的砂子烘干;（2）具備加熱功能，防止低溫時砂管凍結(jié);（3）具有隔離裝置，發(fā)生故障時可以人為切斷撒砂器。

撒砂裝置供電電壓為DC110V（+25%～-30%），功耗約為110W，工作壓力為2.7bar，耗風量約為3L/min，出沙量為800～1200g/min。主要由撒砂控制箱、撒砂單元、撒砂口、砂箱、砂箱蓋等組成。

2.2.1 撒砂控制箱

撒砂控制箱主要由氣路板及安裝在氣路板上的溢流閥、減壓閥、撒砂電磁閥、干燥電磁閥等部件。與整車總風風源連接，為撒砂單元提供風源。車輛總風管提供撒砂風源，同時提供干燥供風風源。由車輛提供DC110V的工作電源，工作壓力為0～900kPa。

2.2.2 撒砂單元

撒砂單元具有撒砂、干燥功能，工作原理圖如圖3所示。執(zhí)行干燥工作時，通過干燥供風口dD提供的干燥風分成氣流 A 和 B 流經(jīng)砂箱，確保砂箱內(nèi)始終保持在干燥狀態(tài)。執(zhí)行撒砂工作時，通過撒砂供風口S提供的風分成氣流A和B流經(jīng)砂箱，氣流A和砂礫混合，形成氣砂混合物，與氣流B一起最終由R口流出。因為氣流A和B的總量一定，撒砂單元可以通過控制氣流B的流量來調(diào)節(jié)氣流A的流量，從而實現(xiàn)撒砂量的調(diào)節(jié)。

砂箱容積為12L，根據(jù)輕量化設(shè)計要求，砂箱采用鋁合金材料的鈑金焊接而成，沙箱結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。砂箱不僅具有存儲撒沙所需的沙子的功能，還具有承載整個撒沙裝置的作用。為保證整體強度，砂箱內(nèi)部增加了加強支架。砂箱上設(shè)置了沙位視窗，便于操作人員觀察砂箱內(nèi)剩余沙量，判斷加砂時間。砂位視窗分為雙層，內(nèi)層選用耐磨的鋼化玻璃，外層選用抗擊打能力較強的PC板。砂箱蓋同時也安置在砂箱上，撒砂裝置安裝時，砂箱蓋應(yīng)靠近車側(cè)，當需要添加砂子時，打開砂箱蓋，通過注砂口向砂箱內(nèi)注入砂子。

2.2.3 撒砂噴嘴

撒砂噴嘴安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的支架上，進砂口與撒砂單元的出砂口相連。安裝示意圖如圖5。當列車運行的環(huán)境溫度≤5℃時，列車對撒砂噴嘴的加熱棒通電，以避免噴砂管內(nèi)部結(jié)冰，影響撒砂效果。

2.3 電氣控制策略

撒砂控制分為手動和自動，手動撒砂通過按鈕實現(xiàn)，自動撒砂由列車網(wǎng)絡(luò)控制。

2.3.1 手動撒砂

手動撒砂是通過司機臺上的“撒砂”按鈕，按鈕采用自復(fù)位按鈕帶燈，按下時按鈕燈亮起，進行前向撒砂。手動撒砂分為網(wǎng)絡(luò)正常模式和網(wǎng)絡(luò)故障模式。

（1）在網(wǎng)絡(luò)正常模式下，撒砂指令傳輸至網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)發(fā)布撒砂指令，控制撒砂繼電器得電撒砂，撒砂時間控制邏輯為：車輛速度≤5km/h時，允許最長連續(xù)手動撒砂時間為10s;當車輛速度>5km/h時，手動撒砂時間與“撒砂裝置”按鈕被按壓的時間相同。

（2）在緊急牽引模式下直接通過硬線發(fā)布撒砂指令，控制撒砂裝置撒砂，手動撒砂時間與“撒砂裝置”按鈕被按壓的時間相同。

（3）手動撒砂提示，列車網(wǎng)絡(luò)每200ms檢測所有車的滑行狀態(tài)，當檢測到不少于4個轉(zhuǎn)向架處于滑行狀態(tài)后進行手動撒砂提示，TCMS彈出提示畫面，該信號保持5s，5s后不符合撒砂提示條件撒砂提示自動清除。

2.3.2 自動撒砂

自動撒砂在以下情況被激活：（1）正常運行過程中，制動級位≥85%最大常用制動且連續(xù)滑行超過3s;（2）緊急制動且滑行時，由列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)布撒砂指令，控制撒砂繼電器得電撒砂，列車前進方向的撒砂單元執(zhí)行撒砂指令。

2.3.3 砂箱干燥和加熱控制

列車升受電弓后，車輛上具有高壓電后，自動施加370KPa壓縮空氣干燥砂子。溫度低于5℃，砂箱加熱器和沙嘴加熱器自動啟動，每軸對應(yīng)設(shè)置2個砂箱加熱器和2個沙嘴加熱器;溫度高于7℃，停止工作。需要TCMS從空調(diào)控制器采集車外溫度，參與控制。

2.4 氣路控制

撒砂控制單元與總風管相連，通過溢流閥、減壓閥、電磁閥給撒砂裝置供風。當列車總風壓力大于700KPa時，溢流閥打開，列車撒砂功能可用;當總風壓力小于700KPa時，溢流閥關(guān)閉，列車撒砂功能不可用。主控信號投入，VCB閉合后，撒砂干燥電磁閥處于常得電狀態(tài)，持續(xù)施加370KPa的壓縮空氣，自動干燥砂子。

3 試驗結(jié)果

As列車分別以100km/h、50km/h初速度施加最大常用制動（純空氣），在整個試驗過程中一直噴灑降低粘著的液體。將相同速度下撒砂裝置工作與不工作的制動距離、平均減速度進行對比，分析撒砂對粘著的改善效果。試驗結(jié)果見下表2，安裝了撒砂裝置的比無撒砂裝置的制動距離減少，平均減速度增大。

4 結(jié)束語

從上述試驗結(jié)果可知，在As車輛上安裝撒砂裝置，能有效提高輪軌間的粘著利用率，保證As車輛的制動距離，對As車輛在濕滑軌道上的空轉(zhuǎn)或滑行有改善作用，確保了As車輛在大坡道上運營的安全可靠性。

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作者簡介：王元貴（1987-），女，重慶人，碩士研究生，工程師，研究方向：地鐵車輛建設(shè)。