“復興號”動車組撒沙系統(tǒng)設計

朱立強，張義文，許紅梅，王東星，張冬冬

（中車唐山機車車輛有限公司 產品研發(fā)中心，河北唐山 063035）

機車車輛制動力的施加依靠輪軌間的黏著實現(xiàn)，而輪軌間的黏著系數(shù)除受車輛的運行速度及軸重影響外，還受軌道和車輪踏面狀態(tài)（生銹、油脂或塵埃）的影響[1]。當輪軌黏著力小于車輪制動力時，輪對將產生滑行，嚴重時會造成車輪踏面擦傷，影響列車的運行品質和運營安全。向軌道撒沙作為一種改善輪軌黏著狀態(tài)的有效方式，已被廣泛認可并應用于國內外鐵道機車及動車組[2]。故為提高列車的運營品質和運營安全，“復興號”動車組均設置了撒沙系統(tǒng)。以“復興號”動車組為背景，系統(tǒng)介紹撒沙系統(tǒng)的配置、組成及結構、撒沙裝置的結構、控制原理、型式試驗等方面的內容。

1 撒沙系統(tǒng)配置

為制定動車組撒沙裝置的配置方案，需要確定在哪幾個車的哪幾根軸布置撒沙裝置，為此進行了大量的相關試驗，經過試驗發(fā)現(xiàn)頭車的第一根軸和4車的第一根軸發(fā)生滑行的概率較大，故最終確定在01、04、05、08車的第一根軸設置撒沙裝置，具體見圖1。

圖1 撒沙裝置配置圖

2 撒沙系統(tǒng)組成及結構

“復興號”動車組撒沙系統(tǒng)采用壓差式撒沙系統(tǒng)，主要包括撒沙指令設備、撒沙控制模塊、沙箱、撒沙裝置、撒沙軟管、撒沙噴嘴組成，為清晰顯示沙箱中的沙量，設置了電子沙位顯示器。頭車沙箱由車體前端焊接而成，作為車體的一部分，預留撒沙裝置、沙箱蓋、沙位顯示器的安裝接口，中間車為單獨沙箱，沙箱采用不銹鋼板焊接結構，預留撒沙裝置、沙箱蓋、沙位顯示器的安裝接口，沙箱通過滑塊吊裝在車體底架上，每側吊裝一個沙箱，并安裝其他設備，兩側是對稱結構，中間車的單側撒沙系統(tǒng)結構見圖2。

圖2 中間車的撒沙系統(tǒng)單側撒沙系統(tǒng)結構

2.1 撒沙裝置

撒沙指令設備用于發(fā)出撒沙電氣指令，手動撒沙時撒沙指令設備為司機臺上的撒沙開關，由司機觸發(fā)；自動撒沙時，撒沙指令由列車控制系統(tǒng)或制動控制系統(tǒng)發(fā)出。撒沙控制模塊可根據(jù)電氣指令轉化為撒沙所需的一定壓力的壓縮空氣。沙箱用于裝載沙子，沙箱上配有沙箱蓋和沙位顯示器。撒沙裝置安裝在沙箱底部，通過輸入壓縮空氣將沙箱內的沙子經軟管輸送到撒沙噴嘴，撒沙噴嘴將沙子按設計的角度及位置準確地噴灑到輪軌接觸處。撒沙裝置結構及工作原理示意圖見圖3。

圖3 撒沙裝置結構及工作原理示意圖

撒沙裝置安裝在沙箱底部，沙帽SZ1應在最低沙位線Lmin以下，沙帽Sz2應該在最高沙位線以上Lmax以上。撒沙供風縮堵S1C、干燥供風接口S2、干燥供風縮堵S2C用于調整壓縮空氣流量，撒沙供風接口S1和干燥供風接口S2的壓縮空氣可穿過隔沙板D進入沙箱，而沙子不會通過隔沙板D進入沙箱，隔沙板D內的加熱棒G用于加熱流經隔沙板D的壓縮空氣，以干燥沙箱內的沙子，防止凝結成塊，堵塞撒沙口。

2.2 撒沙控制模塊

撒沙控制模塊主要由氣路板、電磁閥、減壓閥、截斷塞門、壓力測試口等部件組成，該模塊集成在制動控制單元內，主要用于將壓縮空氣通過該模塊以一定的壓力進入沙箱內，其主要原理圖見圖4。

圖4 撒沙控制模塊原理圖

壓縮空氣進入撒沙控制模塊后，經過截斷塞門F01.02，此時如果收到撒沙指令，制動控制系統(tǒng)判斷當前的列車速度，如列車當前速度大于160 km/h，采用高壓撒沙，此時電磁閥F01.04得電，壓縮空氣經過減壓閥F01.03后，壓力變?yōu)?30 kPa，經過電磁閥F01.04進入沙箱，如列車當前速度小于160 km/h，采用低壓撒沙，此時電磁閥F01.06得電，壓縮空氣經過減壓閥F01.05后，壓力變?yōu)?70 kPa，經過電磁閥F01.06進入沙箱；如外界溫度低于5 ℃，電磁閥F01.07得電，低壓空氣通過電磁閥，經過加熱棒進入沙箱，給沙箱內的沙子加熱攪拌，防止沙子凝結成塊，堵塞撒沙出口，溫度高于7 ℃時停止加熱，電磁閥F01.07失電。

2.3 撒沙噴嘴

撒沙噴嘴固定在轉向架構架上，與車輪成一定的角度，通過軟管與撒沙裝置相連，將沙箱內的沙子噴灑到輪軌接觸面上，同時為防止冬天雨雪天氣導致噴沙嘴結冰堵塞，撒沙噴嘴具有加熱功能，在外界溫度低于5 ℃時自動加熱，溫度高于7 ℃時停止加熱，具體結構見圖5。

圖5 噴沙嘴結構

2.4 電子沙位顯示器

為清晰顯示沙箱內的剩余沙量，便于及時填充沙子，設置了電子沙位顯示器，電子沙位顯示器主要由高沙位傳感器及低沙位傳感器、沙位顯示燈盒組成。沙位顯示器燈盒上有3個燈，分別為綠色、黃色、紅色，當沙位≥90%時，兩個沙位傳感器常開觸點均閉合，綠色指示燈亮；當沙位處于90%＞沙位≥50%時，高沙位傳感器常開觸點斷開，低沙位傳感器常開觸點閉合，黃色指示燈亮；當沙位＜50%時，兩沙位傳感器均常開觸點均斷開，紅色指示燈亮。電子沙位顯示器結構見圖6。

3 撒沙系統(tǒng)的工作原理

撒沙系統(tǒng)具有手動撒沙功能和自動撒沙功能，手動撒沙功能司機通過司機臺上的開關施加，自動撒沙由列車控制系統(tǒng)發(fā)出指令，撒沙系統(tǒng)接受到撒沙指令后將沙箱內的沙子以一定的壓力噴灑到輪軌接觸面處。

3.1 手動撒沙功能

在司機臺上設置一個撒沙控制開關，具有2個檔位，可實現(xiàn)頭車前輪對撒沙和前進方向所有軸（具有撒沙裝置）的全列撒沙，當司機根據(jù)實際情況判斷需要撒沙時，司機可通過該控制開關選擇撒沙的檔位，一旦司機操作該控制開關，撒沙信號通過網(wǎng)絡傳給制動控制系統(tǒng)，同時制動控制系統(tǒng)采集列車的速度信號，當列車的速度小于160 km/h時，低壓電磁閥得電，速度高于160 km/h時，高壓電磁閥得電，通過各自的限壓閥將壓縮空氣傳入沙箱中，通過沙箱內的壓力差將沙子通過沙箱底座及撒沙軟管，再通過撒沙噴嘴撒在軌面與車輪接觸的位置，實現(xiàn)增黏的作用。

3.2 自動撒沙功能

每輛車的制動控制單元（BCU）采集本車4根軸的速度，經過內部計算得出一個平均參考速度，4根軸的速度與該平均參考速度進行比較，如果超出了滑行的判斷標準，則該車的BCU通過網(wǎng)絡向中央控制單元（CCU）發(fā)出該車滑行的信號；同時每個動車組的牽引控制單元（TCU）通過速度傳感器檢測每輛動車的速度，與參考速度進行比較，如差值超出空轉的判斷標準，TCU通過網(wǎng)絡向中央控制單元（CCU）發(fā)出空轉的診斷信號，一旦中央控制單元（CCU）接到任何一輛車的任何一個診斷信號（滑行或空轉），將會通過網(wǎng)絡發(fā)出撒沙指令（全輪對撒沙），制動控制系統(tǒng)接到撒沙指令后，根據(jù)列車當前的運行速度，判斷采用高壓撒沙還是低壓撒沙，如列車速度大于160 km/h時，采用高壓撒沙，則高壓電磁閥得電，通過高壓限壓閥將壓縮空氣傳入沙箱中，通過沙箱內的壓力差將沙子通過沙箱底座及撒沙軟管，再通過撒沙噴嘴撒在軌面與車輪接觸的位置，實現(xiàn)增黏的作用，具體見圖1，由于防滑閥最長持續(xù)排風時間為10 s，超過10 s防滑閥將不起作用，此時撒沙作用不大，為節(jié)約沙子，通過軟件控制，撒沙持續(xù)時間最長不超過20 s，超出20 s將自動停止撒沙，撒沙作用期間如防滑信號消除，則停止撒沙。撒沙控制邏輯見圖7。

圖7 撒沙控制邏輯

4 型式試驗

4.1 部件級型式試驗

為保證撒沙裝置的各項性能符合設計要求，在裝車前需要進行部件級型式試驗，主要項點如下：

（1）外觀質量檢測。

①目測撒沙系統(tǒng)各部件的表面，應光滑平整，不應有碰傷、毛刺、劃痕等明顯缺陷；銘牌安裝應牢固可靠，名稱、日期、編號等內容應無缺失；緊固件處應有清晰的防松標記線。

②測量撒沙裝置各部件的相關尺寸，應符合圖紙要求（全尺寸檢查）;

③測量撒沙裝置各部件的表面外觀要求，應符合圖紙要求;

④分別將沙箱組成、撒沙加熱器放在臺秤上，待臺秤示數(shù)穩(wěn)定后分別記錄各部件的質量值，滿足圖紙要求。

（2）常溫、高低溫性能試驗。檢驗撒沙裝置在常溫及在-40℃和+50℃條件下的高低壓撒沙量、空氣消耗量能否滿足要求。

（3）氣密性試驗。測試并記錄沙箱和沙箱蓋的氣密性能否滿足設計要求。

①沙箱氣密性滿足壓力50 kPa的壓縮空氣，保壓3 min，應無泄漏，沙箱無任何永久變形、損傷的情況。

②沙箱蓋具有過壓保護裝置，最大密封氣壓為30 kPa，安全閥排氣壓力為50±10 kPa；沙箱蓋氣密性滿足壓力30 s下降量少于5 kPa。

③撒沙單元進行1 000 kPa氣密性試驗，保壓3 min，無泄漏，無任何永久變形、損傷的情況。

（4）絕緣耐壓試驗。撒沙加熱元件按照GB/T 21413.1-2008《鐵路應用機車車輛電氣設備第1部分：一般使用條件和通用規(guī)則》要求進行絕緣耐壓試驗，DC 500 V時絕緣電阻大于10 MΩ，耐壓試驗過程中電氣元件沒有產生擊穿或閃絡。

（5）防護等級試驗。按照GB 4208-2008《外殼防護等級（IP代碼）》的要求試驗，驗證撒沙單元的防護等級不低于IP65，撒沙加熱器的防護等級不低于IP67，沙箱蓋防護等級不低于IP55。

（6）振動沖擊試驗。將沙箱、撒沙裝置、撒沙噴嘴組裝后根據(jù)安裝位置按照GB/T 21563-2008《軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》的要求進行試驗，試驗結果滿足要求。

（7）電磁兼容試驗。撒沙單元加熱棒和撒沙加熱器加熱元件按EN 50121-3-2-2016《鐵路應用電磁兼容性.第3-2部分：鐵路車輛-設備》的要求進行試驗，試驗結果滿足要求。

4.2 裝車型式試驗

撒沙系統(tǒng)部件裝車后需進行以下試驗，對其性能進行驗證：

（1）撒沙控制試驗。驗證撒沙系統(tǒng)手動撒沙和自動撒沙的功能是否滿足要求，通過司機臺上的撒沙開關控制撒沙，可通過防滑試驗驗證自動撒沙功能。

（2）撒沙量的控制。模擬列車的速度信號，驗證高低速時的撒沙量是否符合要求。

5 結論

目前“復興號”動車組已經廣泛上線運營，撒沙系統(tǒng)起到了很好的增黏作用，在雨雪等黏著不利的情況下，大大減少了列車因滑行而產生擦輪的幾率，為提高列車的運行品質，保障列車的運營安全發(fā)揮了很大的作用。文中對撒沙系統(tǒng)的配置、系統(tǒng)組成及結構、控制原理及型式試驗等內容進行了介紹，為后續(xù)項目撒沙系統(tǒng)的設計具有指導意義。