嘉興有軌電車(chē)撒砂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寇良朋

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司

0 引言

全球變暖已是全人類都要面對(duì)的問(wèn)題。2020年9 月，中國(guó)政府在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！痹诤芏喑鞘兄?，為減少CO2排放和環(huán)境保護(hù)，限制私家車(chē)的使用。近年來(lái)隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市人口持續(xù)增長(zhǎng)。為了解決城市人群的日常出行，大力發(fā)展公共交通勢(shì)在必行。軌道交通車(chē)輛相對(duì)公交車(chē)等公共交通工具具有運(yùn)量大、準(zhǔn)時(shí)高效的特點(diǎn)，比較適合城市人群上下班通勤使用。有軌電車(chē)相比地鐵造價(jià)低，其運(yùn)力大于公交車(chē)，近幾年在中型城市、大城市市郊發(fā)展較快。

嘉興市有軌電車(chē)線路采用專用路權(quán)形式，交叉口處與道路交通混合運(yùn)行，線路敷設(shè)有路中、路側(cè)、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(fù)雜。嘉興市處于長(zhǎng)三角，降雨天氣較多。在車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)需要為適應(yīng)線路的特點(diǎn)而進(jìn)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(wèn)題。黏著影響車(chē)輛牽引和制動(dòng)性能[1，2]；黏著較低時(shí)車(chē)輛容易發(fā)生空轉(zhuǎn)和滑行，一方面會(huì)損壞車(chē)輪、軌面，更重要的是會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)距離加長(zhǎng)，引發(fā)安全事故。影響?zhàn)ぶ闹饕蛩赜休嗆夐g的表面狀況和列車(chē)運(yùn)行速度兩個(gè)[3]。列車(chē)運(yùn)行速度過(guò)低會(huì)影響運(yùn)行效率。通常從改善輪軌間表面狀況角度來(lái)提高黏著[4，5]。撒砂是改善輪軌表面狀況的重要方法，通過(guò)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(tǒng)的組成、控制方案，給軌道車(chē)輛設(shè)計(jì)提供參考。

1 撒砂系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)組成

不同于地鐵車(chē)輛，有軌電車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)采用液壓形式，因此撒砂系統(tǒng)所需的壓縮空氣需單獨(dú)提供[8]。撒砂系統(tǒng)作為一套完整的車(chē)輛控制分系統(tǒng)，主要由風(fēng)源模塊、撒砂控制模塊、砂箱、撒砂閥、噴砂嘴等部件組成。詳見(jiàn)圖1所示。

圖1 撒砂系統(tǒng)構(gòu)成

1.1.1 風(fēng)源模塊

風(fēng)源模塊提供撒砂系統(tǒng)所需壓力空氣，配有單塔干燥器、過(guò)濾器、單向閥和反吹電磁閥、風(fēng)缸等，集成在一起通過(guò)螺栓吊裝在車(chē)下，便于拆卸。風(fēng)源模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2?？紤]到風(fēng)源系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)對(duì)車(chē)內(nèi)的影響，在風(fēng)源組成內(nèi)壓縮機(jī)與框架間增加減振橡膠堆，在風(fēng)源與車(chē)體間增加減振阻尼墊。風(fēng)源模塊內(nèi)部氣路見(jiàn)圖3。安全閥F2（設(shè)定壓力10 bar）用于保護(hù)氣路，防止出現(xiàn)過(guò)壓情況，當(dāng)壓力大于10 bar時(shí)，自動(dòng)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(kāi)閥,得電關(guān)閉,失電打開(kāi)，主要是控制干燥器反吹用，F(xiàn)6 電磁閥與空壓機(jī)同時(shí)得失電。當(dāng)空壓機(jī)工作時(shí)，電磁閥關(guān)閉，不對(duì)干燥器進(jìn)行反吹；當(dāng)空壓機(jī)停止工作時(shí)，電磁閥打開(kāi)，反吹風(fēng)缸中的干燥空氣經(jīng)電磁閥流入干燥器，將干燥器內(nèi)的水分吹出，從而達(dá)到對(duì)干燥器進(jìn)行干燥的目的。干燥器F4 內(nèi)部還設(shè)有一個(gè)H 加熱器,空氣干燥器內(nèi)部溫度控制在+7 ℃～+29 ℃，為防止在寒冷氣候時(shí)，F(xiàn)4 干燥器反吹時(shí)會(huì)在排污口3產(chǎn)生的凝結(jié)水結(jié)冰。反吹風(fēng)缸用于儲(chǔ)存對(duì)干燥器反吹的壓縮空氣。風(fēng)源模塊中配置有一個(gè)儲(chǔ)氣風(fēng)缸，用于儲(chǔ)存高壓壓縮空氣，容積15 L，用于撒砂時(shí)使用。

圖2 風(fēng)源模塊結(jié)構(gòu)

圖3 風(fēng)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(kāi)關(guān)、安全閥、壓力傳感器、調(diào)壓閥、電磁閥、測(cè)試接頭、過(guò)濾器等組成，集成在氣路控制板上便于在車(chē)下安裝，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 撒砂控制模塊結(jié)構(gòu)

壓力開(kāi)關(guān)用于控制風(fēng)源模塊中空壓機(jī)的啟停，當(dāng)系統(tǒng)壓力大于8 bar時(shí)，空壓機(jī)停止工作；當(dāng)系統(tǒng)壓力小于5 bar 時(shí)，空壓機(jī)開(kāi)始工作將系統(tǒng)壓力維持在5～8 bar 之間。壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，用于系統(tǒng)壓力的監(jiān)測(cè)。調(diào)壓閥將出口壓力設(shè)定為2 bar，用于撒砂量控制，當(dāng)需要更改撒砂量時(shí)，可以調(diào)整調(diào)壓閥的設(shè)定值。電磁閥用于控制執(zhí)行撒砂，當(dāng)電磁閥處于導(dǎo)通位置時(shí)，氣流輸出至砂箱，將砂礫輸出。氣路原理見(jiàn)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(gòu)成砂箱組成。砂箱組成為左右件，兩個(gè)砂箱相互獨(dú)立，為緊湊型設(shè)計(jì)，通過(guò)螺栓固定于車(chē)體上。兩個(gè)砂箱負(fù)責(zé)車(chē)輛單向行駛時(shí)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(dāng)砂箱內(nèi)的砂子使用到低于30%位置時(shí)砂位傳感器發(fā)送信號(hào)給指示燈提醒加砂。加砂時(shí)當(dāng)砂箱內(nèi)的砂子加到100%位置時(shí)砂位傳感器發(fā)送信號(hào)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(dāng)砂箱內(nèi)部砂子溫度高于50 ℃時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，加熱棒停止工作；當(dāng)砂箱內(nèi)部砂子溫度低于30 ℃時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)閉合，加熱棒開(kāi)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(dāng)向撒砂閥通氣后，在撒砂閥內(nèi)部形成負(fù)壓，砂子被吸入撒砂管中。砂箱、撒砂閥示意圖見(jiàn)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(nèi)安裝有加熱棒，加熱棒對(duì)出砂管加熱，防止因外界氣溫低，導(dǎo)致砂子在噴砂管口處凝聚成塊，從而影響撒砂效果。當(dāng)溫度高于70 ℃時(shí)自動(dòng)斷電保護(hù)。噴砂嘴結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 噴砂嘴結(jié)構(gòu)

1.2 布置方案

嘉興有軌電車(chē)撒砂噴嘴布置在Mc 車(chē)第一根軸。第一根軸上兩個(gè)車(chē)輪處各布置一個(gè)噴砂嘴，見(jiàn)圖8。噴嘴中心距軌面60 mm，隨著車(chē)輪磨耗噴嘴與軌面之間的距離縮小，為便于調(diào)整距離，撒砂噴嘴安裝支架采用腰形孔設(shè)計(jì)，如圖9所示。Mc車(chē)第一根軸是車(chē)輛上第一個(gè)與軌面接觸的輪軸，軌面情況首先會(huì)對(duì)此軸產(chǎn)生影響。軌面情況不好時(shí)，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(gè)車(chē)輪上。車(chē)輛后面的車(chē)輪接觸的軌面已是撒砂的，對(duì)黏著也是有改善作用的。

圖8 嘉興有軌電車(chē)噴砂嘴布置

圖9 嘉興有軌電車(chē)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(dòng)力較大時(shí)，所需黏著力也越大，更容易出現(xiàn)打滑的情況。因此，在安全制動(dòng)、緊急制動(dòng)、最大常用制動(dòng)等制動(dòng)力較大的情況下需要激活撒砂功能[9]。當(dāng)速度較小時(shí)，可利用的黏著大一些，不易打滑；另外從節(jié)約砂礫的角度考慮也不建議撒砂[10]。當(dāng)車(chē)輛牽引系統(tǒng)檢測(cè)到空轉(zhuǎn)或Mc車(chē)電制動(dòng)時(shí)檢測(cè)到滑行時(shí)，激活撒砂功能，盡量減小輪軌間的損傷。當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)到TP車(chē)滑行時(shí)，激活撒砂功能，盡量避免擦輪。

車(chē)輛在司機(jī)室激活且選擇方向后，按如下要求執(zhí)行撒砂功能：

a)當(dāng)列車(chē)在運(yùn)行中速度大于3 km/h，且實(shí)施了緊急制動(dòng)或安全制動(dòng)或最大常用制動(dòng)，該情況下根據(jù)運(yùn)行方向控制撒砂。當(dāng)速度小于3 km/h 時(shí)停止撒砂。

b) 當(dāng)收到牽引系統(tǒng)或制動(dòng)系統(tǒng)的撒砂請(qǐng)求信號(hào)后，根據(jù)運(yùn)行方向進(jìn)行撒砂；

c)每次撒砂時(shí)間為10 s。

另外，在司機(jī)臺(tái)布置一個(gè)撒砂測(cè)試按鈕，當(dāng)按下按鈕時(shí)，車(chē)輛兩端同時(shí)撒砂。在特殊情況下，也可使用此按鈕進(jìn)行應(yīng)急撒砂。

1.3.2 風(fēng)源管理

正常情況下空壓機(jī)啟停，通過(guò)撒砂控制模塊中的壓力開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制，滿足撒砂系統(tǒng)用風(fēng)量需求。在司機(jī)室顯示屏界面上設(shè)有強(qiáng)迫供風(fēng)按鈕，需要強(qiáng)迫供風(fēng)時(shí)，可在對(duì)應(yīng)界面點(diǎn)擊此按鈕。風(fēng)源系統(tǒng)的壓力通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并送入車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。風(fēng)源控制原理見(jiàn)圖10。

圖10 風(fēng)源控制原理圖

2 對(duì)砂礫的要求

撒砂系統(tǒng)所用砂礫按TB/T3254-2011《機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)組用撒砂裝置》的要求執(zhí)行，即砂子形狀應(yīng)盡可能地不規(guī)則，顆粒大小分布按表1執(zhí)行。

表1 砂子顆粒分布

撒砂量控制可通過(guò)調(diào)整空氣壓力大小和撒砂閥內(nèi)部撒砂孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。撒砂量應(yīng)根據(jù)線路實(shí)際條件在做型式試驗(yàn)時(shí)作調(diào)整，以達(dá)到較好的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合嘉興有軌電車(chē)項(xiàng)目，介紹了撒砂系統(tǒng)的原理、基本組成和控制方案，對(duì)于后續(xù)有軌電車(chē)、地鐵車(chē)輛的撒砂系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。