許洪春

(中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明　650215)

1　大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)用防滑器的必要性

大型養(yǎng)路機(jī)械近年來得到了很大的發(fā)展，隨著列車質(zhì)量的逐步增加和運(yùn)行速度的不斷提高，列車的制動(dòng)力要求越來越大，對(duì)于利用摩擦副產(chǎn)生制動(dòng)力、利用輪軌間的黏著傳遞制動(dòng)力的大型養(yǎng)路機(jī)械來講，制動(dòng)力等于摩擦副間的壓力與摩擦因數(shù)的乘積,黏著力等于輪軌黏著系數(shù)與列車重量的乘積。為保證制動(dòng)力的可靠傳遞，必須保證輪軌始終維持黏著狀態(tài)，即制動(dòng)力小于或等于黏著力。

輪軌間的黏著特性是：當(dāng)軌面清潔、干燥時(shí)，黏著系數(shù)可達(dá)到0.25以上；當(dāng)軌面有雨雪油污時(shí)，黏著系數(shù)急劇下降；當(dāng)軌面有乳狀腐敗物(如壓爛的植物漿液)時(shí)，黏著系數(shù)可能降至0.08以下[1]。

設(shè)計(jì)時(shí)，為保證足夠短的制動(dòng)距離，必須充分地利用輪軌間的黏著力，以獲得最大的制動(dòng)力，直至黏著利用率(制動(dòng)力與黏著力的比值)接近或等于1。為此，不宜選取出現(xiàn)概率較小的最小黏著系數(shù)。對(duì)采用新型制動(dòng)系統(tǒng)的160 km/h大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行制動(dòng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：為達(dá)到制動(dòng)初速度為160 km/h、緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)距離不超過 1 400 m 的要求，按TB/T 1407—1998《列車牽引計(jì)算規(guī)程》[2]潮濕軌面平均黏著系數(shù)取0.11，在高速段的黏著利用率就>1(制動(dòng)初速度為160 km/h 時(shí)黏著利用率達(dá)1.26)。這就出現(xiàn)了安全隱患：當(dāng)輪軌黏著條件差且高速運(yùn)行時(shí)，實(shí)施常用全制動(dòng)或緊急制動(dòng)，輪軌就會(huì)超黏，車輪就會(huì)在軌道上滑行?；袝r(shí)，輪軌間的摩擦因數(shù)可能降至0.05以下，輪軌摩擦(黏著)力進(jìn)一步減小，使傳遞的實(shí)際制動(dòng)力進(jìn)一步減小，造成制動(dòng)距離大大延長，擦傷車輪踏面和軌面。

防滑器的應(yīng)用，在輪軌黏著條件較好時(shí)，可能延長制動(dòng)距離。在車輪發(fā)生連續(xù)滑行時(shí)有利于縮短制動(dòng)距離。根據(jù)國外相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)：在制動(dòng)初速度為120 km/h 時(shí)軌面上噴灑洗滌劑溶液后，則有防滑器和無防滑器作用的制動(dòng)距離分別為572 m和677 m，而在干燥軌面的條件下，有防滑器和無防滑器作用的制動(dòng)距離分別為510 m和492 m[3]。

2　防滑器在160 km/h大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)用的可行性

大型養(yǎng)路機(jī)械用防滑器可分為電子式和機(jī)械式2大類。電子式防滑器的基本特點(diǎn)是：滑行判據(jù)多樣，靈敏度高，起控快速、準(zhǔn)確，但必須裝常備電源，使用受到一定限制。機(jī)械式防滑器的基本特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便，但存在靈敏度相對(duì)較低，控制模糊區(qū)較寬的缺陷。

我國正在研制的速度160 km/h接觸網(wǎng)綜合維修車，要求與大型養(yǎng)路機(jī)械混編，其制動(dòng)系統(tǒng)在適應(yīng)快速的要求時(shí)，還必須具備普通大型養(yǎng)路機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的所有技術(shù)特征。電子式防滑器已有安裝使用。

圖1　制動(dòng)時(shí)車輪的滾動(dòng)和滑行(模擬)特性曲線

制動(dòng)時(shí)車輪的滾動(dòng)和滑行特性曲線如圖1所示?？芍谥苿?dòng)過程中車輪的狀態(tài)。當(dāng)車輪處于滾動(dòng)狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)力隨車輪轉(zhuǎn)速的下降逐漸上升,但變化率較小。這與摩擦副的摩擦因數(shù)變化規(guī)律是一致的。因?yàn)樵摖顟B(tài)下制動(dòng)力小于或等于黏著力，所以制動(dòng)力能完全作用于車輛。

當(dāng)車輪處于連滾帶滑狀態(tài)時(shí)，車輪的轉(zhuǎn)速下降→摩擦副的摩擦因數(shù)增大→摩擦制動(dòng)力上升(同時(shí)，輪軌間的黏著力下降→有效制動(dòng)力減小)→車輪轉(zhuǎn)速下降加快→摩擦副的摩擦因數(shù)更大→摩擦制動(dòng)力更大→車輪轉(zhuǎn)速下降更快。由于正反饋的作用，使連滾帶滑階段維持的時(shí)間很短，車輪的減速度會(huì)很快邁過機(jī)械式防滑器的起控點(diǎn)。所以，裝用機(jī)械式防滑器，同樣可以達(dá)到快速消減制動(dòng)力，使車輪很快恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)、輪軌恢復(fù)黏著狀態(tài)的目的。

如果不裝防滑器，連滾帶滑加劇后的正反饋?zhàn)饔脮?huì)使車輪很快停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，摩擦副的摩擦因數(shù)最大(等于靜摩擦因數(shù))，摩擦副產(chǎn)生的制動(dòng)力最大，但因?yàn)檐囕喅驶袪顟B(tài)，輪軌間的摩擦因數(shù)最小，有效制動(dòng)力等于摩擦副產(chǎn)生的制動(dòng)力與輪軌間的摩擦因數(shù)的乘積，得出的有效制動(dòng)力最小，列車的實(shí)際減速度反而比滾動(dòng)和連滾帶滑狀態(tài)時(shí)要小得多，這正是車輪滑行使制動(dòng)距離延長的原因[4]。

3　機(jī)械式防滑器的構(gòu)造及工作原理

3.1　構(gòu)造

機(jī)械式防滑器由防滑調(diào)節(jié)器、排風(fēng)閥和安全閥組成(見圖2)。防滑調(diào)節(jié)器主體均采用法蘭式連接安裝在軸箱端面的螺栓孔上，防滑調(diào)節(jié)器的飛輪采用柔性套筒驅(qū)動(dòng)方式，柔性套筒驅(qū)動(dòng)方式是在軸承前蓋上加工4個(gè)凹槽，套筒一端與防滑調(diào)節(jié)器固定，另一端內(nèi)壁上設(shè)有4個(gè)凸起與軸承前蓋凹槽配合，通過4點(diǎn)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)飛輪，排風(fēng)閥安裝在分配閥和制動(dòng)缸的回路中間，安全閥布置在防滑調(diào)節(jié)器和排風(fēng)閥的回路上，防滑調(diào)節(jié)器通過比較各車軸的轉(zhuǎn)速來判斷車輛滑行的可能性，從而控制排氣閥的開關(guān)。

1-傳動(dòng)軸; 2-套軸; 3-飛輪; 4-凸輪; 5-驅(qū)動(dòng)叉; 6-挺桿; 7-先導(dǎo)閥; 8-活塞閥; 9-排風(fēng)閥活塞; 10-排風(fēng)縮孔; 11-給排閥; 12-安全閥; 13-安全活塞; 14-安全縮孔; 15-漏泄縮孔; 16-變流縮孔圖2　機(jī)械式防滑器結(jié)構(gòu)原理

3.2　工作原理

防滑器控制的流程是：防滑調(diào)節(jié)器→安全閥→排風(fēng)閥→制動(dòng)缸。

防滑調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)過程：傳動(dòng)軸1→套軸2→驅(qū)動(dòng)叉5→凸輪4→飛輪3。

控制調(diào)節(jié)閥開、閉的動(dòng)力傳遞過程：飛輪3→凸輪4→驅(qū)動(dòng)叉5→挺桿6→先導(dǎo)閥7→活塞閥8。

1)運(yùn)行和常用制動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)車輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，飛輪3、凸輪4與驅(qū)動(dòng)叉5的轉(zhuǎn)速相等，驅(qū)動(dòng)叉5上的軸承在頂桿彈簧的作用下處于凸輪4 “V”形槽的溝部。

當(dāng)車輪加速或減速時(shí)，在速度變化的瞬間，驅(qū)動(dòng)叉5的轉(zhuǎn)速趨向于輪軸，凸輪4的轉(zhuǎn)速趨向于飛輪3。由于飛輪的慣性力作用，凸輪4與驅(qū)動(dòng)叉5的轉(zhuǎn)速有一個(gè)差值，飛輪的慣性力推動(dòng)凸輪4繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)叉5上的軸承沿凸輪4“V”形槽斜坡爬升并帶動(dòng)挺桿6向先導(dǎo)閥7開啟的方向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，因彈簧壓縮而使爬升抗力增加，抵消飛輪的慣性力。如果車輪的加速度或減速度在正常范圍內(nèi)時(shí)，爬升的距離不足以開啟先導(dǎo)閥7，防滑調(diào)節(jié)器不產(chǎn)生作用。

當(dāng)防滑調(diào)節(jié)器不產(chǎn)生作用時(shí)，先導(dǎo)閥7和活塞閥8均處于關(guān)閉狀態(tài)。排風(fēng)閥活塞9的上、下腔通過排風(fēng)縮孔10溝通，壓力處于平衡狀態(tài)，排風(fēng)閥活塞桿上的給排閥11在彈簧的作用下開啟制動(dòng)缸與分配閥的通路，關(guān)閉制動(dòng)缸與大氣的通路。如此時(shí)車輛處于制動(dòng)狀態(tài)，則制動(dòng)缸維持充氣或保壓狀態(tài)。

2)車輛非正?；?/p>

當(dāng)車輛減速過大(發(fā)生滑行)時(shí)，凸輪4與驅(qū)動(dòng)叉5的轉(zhuǎn)速差值增大，驅(qū)動(dòng)叉5爬升距離加大，帶動(dòng)挺桿6頂開先導(dǎo)閥7向大氣排風(fēng)，活塞閥8因背壓突減來不及補(bǔ)充的壓差而開啟，排風(fēng)閥活塞9上腔向大氣快速排風(fēng)，由于縮孔的限制，排風(fēng)閥活塞9因上腔壓力遠(yuǎn)小于下腔而快速上移，帶動(dòng)給排閥11開啟制動(dòng)缸與大氣的通路，關(guān)閉制動(dòng)缸與分配閥的通路。被控制的制動(dòng)缸快速排風(fēng)，制動(dòng)力快速降低。

3)制動(dòng)力恢復(fù)正常的狀態(tài)

當(dāng)整車制動(dòng)力降低到一定值時(shí)，車輪恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)叉5的轉(zhuǎn)速趨向于凸輪，驅(qū)動(dòng)叉5回復(fù)到凸輪4“V”形槽溝部，先導(dǎo)閥7、活塞閥8重新關(guān)閉，排風(fēng)閥活塞9上腔的壓力快速回升至與下腔平衡，給排閥11在彈簧的作用下使制動(dòng)缸與大氣的通路關(guān)閉，充氣通路開啟，制動(dòng)缸再快速充氣，車輛的制動(dòng)力得以快速恢復(fù)，完成一個(gè)防滑作用周期。

4)安全閥的工作狀況與安全保護(hù)

安全閥主要是防止防滑系統(tǒng)回路中壓力空氣泄漏影響防滑性能。

當(dāng)回路沒有泄漏時(shí)，如果車輛發(fā)生滑行，調(diào)節(jié)器產(chǎn)生作用，安全活塞13下腔的壓力快速釋放，由于受安全縮孔14的限制，上腔壓力不能很快消失，壓差使活塞快速向下移動(dòng)，打開安全閥12，使排風(fēng)閥活塞9上腔的壓力快速排向大氣，排風(fēng)閥動(dòng)作，產(chǎn)生正常的防滑作用。

當(dāng)軟管破裂發(fā)生漏泄時(shí)，安全活塞13上腔壓力也通過安全縮孔14一起漏泄。隨著時(shí)間延長，安全活塞13上、下腔的壓力趨于相等，彈簧的作用使安全閥關(guān)閉，漏泄量被漏泄縮孔15限制。因?yàn)槁┬雇◤?DN0.8)小于充氣通徑(DN1.4)，使排風(fēng)閥活塞9上、下腔的壓力平衡得以維持，制動(dòng)缸至大氣的通路被關(guān)閉。由該調(diào)節(jié)器控制的制動(dòng)缸仍能正常地實(shí)施制動(dòng)，達(dá)到保證安全的目的。但是，當(dāng)軟管發(fā)生漏泄后，所連接的調(diào)節(jié)器會(huì)失去防滑作用。因此，漏泄氣流發(fā)出的聲響應(yīng)引起列檢的注意，盡快更換破裂的軟管。

3.3　機(jī)械式防滑器主要性能參數(shù)的選取

1)穩(wěn)定性與靈敏度

防滑器的穩(wěn)定性一般用防滑器不產(chǎn)生防滑作用時(shí)車輪的最大線減速度值來衡量。該值選得越大，防滑器對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的影響力越小。如選得過大，會(huì)降低機(jī)械式防滑器的作用性能；如選得過小，又會(huì)影響制動(dòng)系統(tǒng)效能的正常發(fā)揮。一般原則是：制動(dòng)初速度高、輪軌的黏著系數(shù)小、實(shí)際減速度小時(shí)，該值可取得小些；制動(dòng)初速度低、輪軌的黏著系數(shù)大、實(shí)用減速度大時(shí)，該值可取得大些。輪徑大，輪子的轉(zhuǎn)速慢，滑行時(shí)的正反饋弱，該值應(yīng)取得小些；輪徑小，輪子的轉(zhuǎn)速快，滑行時(shí)的正反饋強(qiáng)，該值應(yīng)取得大些。因?yàn)榫o急制動(dòng)時(shí)列車的實(shí)際減速度可能>1.1 m/s2，考慮到機(jī)械式防滑器磨損后趨向于作用靈敏，該值一般取值≥2 m/s2。

用能準(zhǔn)確產(chǎn)生防滑作用時(shí)車輪的最小線減速度值來衡量防滑器的靈敏度。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了機(jī)械式防滑器從穩(wěn)定到能準(zhǔn)確產(chǎn)生防滑作用具有較大的過渡區(qū)，比如克諾爾公司生產(chǎn)的M4d型機(jī)械式防滑器，穩(wěn)定值設(shè)定在3.0 m/s2左右，靈敏度值約為4.3 m/s2左右，二者差約1.3 m/s2。

2)作用周期

對(duì)于采用空氣控制回路的機(jī)械式防滑器，作用周期主要取決于控制信號(hào)的產(chǎn)生和傳遞速度及防滑排風(fēng)閥的作用速度，而控制信號(hào)的產(chǎn)生速度決定于調(diào)節(jié)器的靈敏度和車輪的滑行程度，控制信號(hào)的傳遞速度、防滑排風(fēng)閥的作用速度又與控制氣路的容積、長度密切相關(guān)。因此，防滑器作用周期不是一個(gè)定值。

4　MGS2系列電子防滑器的構(gòu)造及工作原理

MGS2 電子防滑器是克諾爾根據(jù)“基于微處理器的車輪滑行控制”理論發(fā)展而來的。可以與克諾爾的CCB-26制動(dòng)系統(tǒng)和大型養(yǎng)路機(jī)械使用的YZ-1G制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合或集成。MGS2電子防滑器能在各種天氣，甚至面對(duì)由于軌道潮濕導(dǎo)致極端低黏著力的情況下，都能可靠地防止車輪被鎖住，可以快速地調(diào)節(jié)低黏著力情況下的制動(dòng)力，極大地提升平均黏著系數(shù)，使停車距離最小化。MGS2電子防滑器還能消耗少量壓縮空氣，甚至在制動(dòng)被延長和黏著力較低的情況下，避免使用制動(dòng)系統(tǒng)。

4.1　構(gòu)造

MGS2電子防滑器主要由MGS2控制單元、防滑排風(fēng)閥、軸裝速度傳感器、壓力開關(guān)等組成。每根車軸都裝有速度傳感器和防滑閥。速度傳感器用來檢測(cè)車輪速度，其信息被采集后在主機(jī)中共享，此時(shí)如果檢測(cè)到單個(gè)車軸減速度過大，或車軸與車軸之間存在速度差，主機(jī)都會(huì)激活防滑保護(hù)功能并且通過防滑閥將2根軸的制動(dòng)力分開，進(jìn)而控制充氣閥和排氣閥來控制該軸的黏著狀態(tài)，從而達(dá)到防滑的功能[5]。

4.2　MGS2電子防滑器工作原理

1)控制回路

MGS2車輪防滑保護(hù)系統(tǒng)(WSP)構(gòu)成了制動(dòng)和車輪之間緊密的回路。速度傳感器能在沒有物理接觸情況下探測(cè)車輪的速度，并發(fā)送成比例的頻率信號(hào)給控制單元?？刂茊卧u(píng)估了來自所有車輛的速度傳感器頻率并生成了通過防滑閥控制制動(dòng)缸壓力的信號(hào)?？梢酝ㄟ^“脈沖”來減少或增加制動(dòng)缸壓力的梯度。控制回路可以調(diào)節(jié)制動(dòng)缸壓力至即時(shí)的車輪與軌道黏著力，使車輪維持在最適宜的滑行范圍內(nèi)，并確保最佳的制動(dòng)力轉(zhuǎn)換[6]。

2)控制邏輯

①加速度控制

加速度控制同時(shí)說明加速的比率以及每段時(shí)間變化的原因。當(dāng)一個(gè)車輪開始鎖住，它的圓周速度(Vi)下降,車輪降速(ai)超過了第一次的臨界值aA，結(jié)果控制器在制動(dòng)缸內(nèi)維持持續(xù)的壓力值Ci。當(dāng)車輪持續(xù)減速，一旦車輪降速(ai)與臨界值aB交叉，壓力值Ci慢慢下降。隨著壓力值的降低，車輪再次加速。當(dāng)達(dá)到較小加速值aC時(shí)，制動(dòng)壓力停止下降并穩(wěn)定在一個(gè)恒定值上。當(dāng)車輪加速超過它的最大值時(shí)，就會(huì)達(dá)到最適宜的車輪與軌道黏著狀態(tài)。如此就出現(xiàn)了一個(gè)車輪滑行的穩(wěn)定范圍。因此，一旦車輪加速度下降到臨界值aD以下，制動(dòng)缸壓力值Ci就會(huì)慢慢上升。

②車輪滑行控制

MGS2控制單元并不測(cè)量實(shí)際的車輛速度。相反，它從所有的獨(dú)立的車輪速度中計(jì)算出假想速度。系統(tǒng)從任一時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)的車輪速度中選擇最高值。當(dāng)車輛加速超過限定值aV時(shí)，將急劇下降的值代入直線上的實(shí)際速度。最適宜的滑行是在假想的車輛速度基礎(chǔ)上計(jì)算得出的。控制單元通過評(píng)估車輛加速度調(diào)節(jié)車輪速度來滑行。低黏著狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致所有車輪速度逐漸下降到既定值。在此情況下，沒有車輪允許在限制時(shí)間之外滑行，設(shè)定的車輛速度會(huì)升高，制動(dòng)缸排氣。

5　結(jié)論

對(duì)輪軌的黏著特性、摩擦制動(dòng)的特性、機(jī)械式防滑器和MGS2電子防滑器的構(gòu)造特點(diǎn)及工作原理進(jìn)行了分析。防滑器的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能滿足160 km/h 大型養(yǎng)路機(jī)械上的使用需要，有效防止車輪的制動(dòng)擦傷，且有利于簡(jiǎn)化其制動(dòng)系統(tǒng)。因此，防滑器在160 km/h大型養(yǎng)路機(jī)械上使用是可行的，機(jī)械式防滑器已經(jīng)在JDZ-160綜合作業(yè)檢修車運(yùn)用，MGS2 電子防滑器也已經(jīng)在昆明地鐵的鋼軌打磨車MM-1000K安裝使用，經(jīng)過一年的運(yùn)用表明該防滑器在大型養(yǎng)路機(jī)械使用是可靠安全的。

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