嘉興有軌電車撒砂系統設計

寇良朋

上海軌道交通設備發展有限公司

0 引言

全球變暖已是全人類都要面對的問題。2020年9 月，中國政府在第七十五屆聯合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。”在很多城市中，為減少CO2排放和環境保護，限制私家車的使用。近年來隨著我國城市化進程的加快和經濟的飛速發展，城市人口持續增長。為了解決城市人群的日常出行，大力發展公共交通勢在必行。軌道交通車輛相對公交車等公共交通工具具有運量大、準時高效的特點，比較適合城市人群上下班通勤使用。有軌電車相比地鐵造價低，其運力大于公交車，近幾年在中型城市、大城市市郊發展較快。

嘉興市有軌電車線路采用專用路權形式，交叉口處與道路交通混合運行，線路敷設有路中、路側、地面、局部高架等方式，最大坡度為5.53%，線路形式多樣化，軌道情況復雜。嘉興市處于長三角，降雨天氣較多。在車輛設計時需要為適應線路的特點而進行深入研究，其中比較重要的是改善在露天的線路、潮濕軌面的輪軌間低黏著問題。黏著影響車輛牽引和制動性能[1，2]；黏著較低時車輛容易發生空轉和滑行，一方面會損壞車輪、軌面，更重要的是會導致制動距離加長，引發安全事故。影響黏著的主要因素有輪軌間的表面狀況和列車運行速度兩個[3]。列車運行速度過低會影響運行效率。通常從改善輪軌間表面狀況角度來提高黏著[4，5]。撒砂是改善輪軌表面狀況的重要方法，通過撒砂可以破壞輪軌接觸面的污染膜，增加輪軌表面粗糙度，增大黏著[6，7]。本文介紹撒砂系統的組成、控制方案，給軌道車輛設計提供參考。

1 撒砂系統方案

1.1 系統組成

不同于地鐵車輛，有軌電車制動系統采用液壓形式，因此撒砂系統所需的壓縮空氣需單獨提供[8]。撒砂系統作為一套完整的車輛控制分系統，主要由風源模塊、撒砂控制模塊、砂箱、撒砂閥、噴砂嘴等部件組成。詳見圖1所示。

圖1 撒砂系統構成

1.1.1 風源模塊

風源模塊提供撒砂系統所需壓力空氣，配有單塔干燥器、過濾器、單向閥和反吹電磁閥、風缸等，集成在一起通過螺栓吊裝在車下，便于拆卸。風源模塊結構見圖2。考慮到風源系統的噪聲與振動對車內的影響，在風源組成內壓縮機與框架間增加減振橡膠堆，在風源與車體間增加減振阻尼墊。風源模塊內部氣路見圖3。安全閥F2（設定壓力10 bar）用于保護氣路，防止出現過壓情況，當壓力大于10 bar時，自動泄壓。F5單向閥可以防止氣流逆流向F4 干燥器。F6 電磁閥為常開閥,得電關閉,失電打開，主要是控制干燥器反吹用，F6 電磁閥與空壓機同時得失電。當空壓機工作時，電磁閥關閉，不對干燥器進行反吹；當空壓機停止工作時，電磁閥打開，反吹風缸中的干燥空氣經電磁閥流入干燥器，將干燥器內的水分吹出，從而達到對干燥器進行干燥的目的。干燥器F4 內部還設有一個H 加熱器,空氣干燥器內部溫度控制在+7 ℃～+29 ℃，為防止在寒冷氣候時，F4 干燥器反吹時會在排污口3產生的凝結水結冰。反吹風缸用于儲存對干燥器反吹的壓縮空氣。風源模塊中配置有一個儲氣風缸，用于儲存高壓壓縮空氣，容積15 L，用于撒砂時使用。

圖2 風源模塊結構

圖3 風源模塊氣路原理

1.1.2 撒砂控制模塊

撒砂控制模塊是撒砂控制的核心，主要由氣路控制板、壓力開關、安全閥、壓力傳感器、調壓閥、電磁閥、測試接頭、過濾器等組成，集成在氣路控制板上便于在車下安裝，結構見圖4。

圖4 撒砂控制模塊結構

壓力開關用于控制風源模塊中空壓機的啟停，當系統壓力大于8 bar時，空壓機停止工作；當系統壓力小于5 bar 時，空壓機開始工作將系統壓力維持在5～8 bar 之間。壓力傳感器將壓力信號轉換成電信號，用于系統壓力的監測。調壓閥將出口壓力設定為2 bar，用于撒砂量控制，當需要更改撒砂量時，可以調整調壓閥的設定值。電磁閥用于控制執行撒砂，當電磁閥處于導通位置時，氣流輸出至砂箱，將砂礫輸出。氣路原理見圖5。

圖5 撒砂控制模塊氣路原理

1.1.3 砂箱和撒砂閥

砂箱和撒砂閥集成在一起構成砂箱組成。砂箱組成為左右件，兩個砂箱相互獨立，為緊湊型設計，通過螺栓固定于車體上。兩個砂箱負責車輛單向行駛時某一向的撒砂。砂箱自帶砂位傳感器和指示燈，可以指示砂位低和砂位滿。當砂箱內的砂子使用到低于30%位置時砂位傳感器發送信號給指示燈提醒加砂。加砂時當砂箱內的砂子加到100%位置時砂位傳感器發送信號給指示燈提醒停止加砂。砂箱上有觀察窗，可便于觀察砂位。砂箱自帶加熱棒和溫控器，當砂箱內部砂子溫度高于50 ℃時，溫度開關斷開，加熱棒停止工作；當砂箱內部砂子溫度低于30 ℃時，溫度開關閉合，加熱棒開始工作；以此保證砂子干燥，不易堵塞。撒砂閥位于砂箱下部，當向撒砂閥通氣后，在撒砂閥內部形成負壓，砂子被吸入撒砂管中。砂箱、撒砂閥示意圖見圖6。

圖6 砂箱、撒砂閥示意圖

1.1.4. 噴砂嘴

噴砂嘴分左右件，噴砂嘴閥板內安裝有加熱棒，加熱棒對出砂管加熱，防止因外界氣溫低，導致砂子在噴砂管口處凝聚成塊，從而影響撒砂效果。當溫度高于70 ℃時自動斷電保護。噴砂嘴結構見圖7。

圖7 噴砂嘴結構

1.2 布置方案

嘉興有軌電車撒砂噴嘴布置在Mc 車第一根軸。第一根軸上兩個車輪處各布置一個噴砂嘴，見圖8。噴嘴中心距軌面60 mm，隨著車輪磨耗噴嘴與軌面之間的距離縮小，為便于調整距離，撒砂噴嘴安裝支架采用腰形孔設計，如圖9所示。Mc車第一根軸是車輛上第一個與軌面接觸的輪軸，軌面情況首先會對此軸產生影響。軌面情況不好時，首先受影響的即是此軸，因此將撒砂噴嘴布置于此軸上的兩個車輪上。車輛后面的車輪接觸的軌面已是撒砂的，對黏著也是有改善作用的。

圖8 嘉興有軌電車噴砂嘴布置

圖9 嘉興有軌電車噴砂嘴安裝

1.3 控制方案

1.3.1 撒砂功能控制方案

在制動力較大時，所需黏著力也越大，更容易出現打滑的情況。因此，在安全制動、緊急制動、最大常用制動等制動力較大的情況下需要激活撒砂功能[9]。當速度較小時，可利用的黏著大一些，不易打滑；另外從節約砂礫的角度考慮也不建議撒砂[10]。當車輛牽引系統檢測到空轉或Mc車電制動時檢測到滑行時，激活撒砂功能，盡量減小輪軌間的損傷。當車輛制動系統檢測到TP車滑行時，激活撒砂功能，盡量避免擦輪。

車輛在司機室激活且選擇方向后，按如下要求執行撒砂功能：

a)當列車在運行中速度大于3 km/h，且實施了緊急制動或安全制動或最大常用制動，該情況下根據運行方向控制撒砂。當速度小于3 km/h 時停止撒砂。

b) 當收到牽引系統或制動系統的撒砂請求信號后，根據運行方向進行撒砂；

c)每次撒砂時間為10 s。

另外，在司機臺布置一個撒砂測試按鈕，當按下按鈕時，車輛兩端同時撒砂。在特殊情況下，也可使用此按鈕進行應急撒砂。

1.3.2 風源管理

正常情況下空壓機啟停，通過撒砂控制模塊中的壓力開關自動控制，滿足撒砂系統用風量需求。在司機室顯示屏界面上設有強迫供風按鈕，需要強迫供風時，可在對應界面點擊此按鈕。風源系統的壓力通過壓力傳感器進行監測，并送入車輛網絡系統。風源控制原理見圖10。

圖10 風源控制原理圖

2 對砂礫的要求

撒砂系統所用砂礫按TB/T3254-2011《機車、動車組用撒砂裝置》的要求執行，即砂子形狀應盡可能地不規則，顆粒大小分布按表1執行。

表1 砂子顆粒分布

撒砂量控制可通過調整空氣壓力大小和撒砂閥內部撒砂孔來實現。撒砂量應根據線路實際條件在做型式試驗時作調整，以達到較好的效果。

3 結語

本文結合嘉興有軌電車項目，介紹了撒砂系統的原理、基本組成和控制方案，對于后續有軌電車、地鐵車輛的撒砂系統設計提供了一定的參考。