丁艷輝 王艷

摘 ? 要：本文通過(guò)檢索目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于提高輪軌粘著方法的專(zhuān)利，分析其提高粘著的實(shí)用性和有效性，結(jié)合地鐵運(yùn)行模擬路況條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究對(duì)比目前有效提高輪軌粘著系數(shù)的具體實(shí)用方法、創(chuàng)新熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：輪軌粘著 ?專(zhuān)利技術(shù)布局 ?分析研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TB12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（c）-0253-02

近年來(lái)，隨著城市的快速擴(kuò)張，越來(lái)越多的城市建設(shè)軌道交通來(lái)緩解城市交通壓力，現(xiàn)在許多新的地鐵線路由地底、地面和高架結(jié)合，由于城市空氣污染（霧霾）的加重和沿海特有的潮濕氣候特點(diǎn)，會(huì)在不同的季節(jié)不同的氣候條件下影響著軌道的粘著條件。

1 ?提高輪軌粘著的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利檢索情況

通過(guò)對(duì)關(guān)鍵詞和分類(lèi)號(hào)的邏輯組合成邏輯檢索式，對(duì)歐專(zhuān)局，美國(guó)專(zhuān)利局、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織的專(zhuān)利檢索網(wǎng)站進(jìn)行檢索，以B61為主分類(lèi)號(hào)，檢索關(guān)鍵詞包括粘著系數(shù)、制動(dòng)距離、輪軌條件等;分類(lèi)號(hào)包括B61C 15/00、B61C 15/04、B61C 11/00、B61H等。在有效選擇和剔除無(wú)關(guān)或相關(guān)度小的專(zhuān)利數(shù)據(jù)后，共篩選出與改善輪軌粘著方面的國(guó)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)利數(shù)據(jù)178條，國(guó)外專(zhuān)利數(shù)據(jù)34條，數(shù)據(jù)歸納和分析結(jié)果如下。

分布特點(diǎn)：涉及粘著的專(zhuān)利申請(qǐng)的時(shí)間和專(zhuān)利申請(qǐng)人布局。

圖1可看出從2009年后輪軌粘著的專(zhuān)利申請(qǐng)量呈明顯增多趨勢(shì)。

2 ?專(zhuān)利數(shù)據(jù)中改善輪軌粘著條件的各類(lèi)方法分類(lèi)布局

我們通過(guò)專(zhuān)利數(shù)據(jù)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在改善輪軌粘著，縮短制動(dòng)距離等主題相關(guān)的專(zhuān)利技術(shù)內(nèi)容中，主要包括以下六種手段和方法。

2.1 直接采取措施作用于輪軌接觸面

這種方法的專(zhuān)利數(shù)量較多，占60%左右，是目前最為普遍，傳統(tǒng)、直觀的方法，主要包括以下三類(lèi)：

第一類(lèi)：軌面撒沙。因軌面撒沙在軌道車(chē)輛行業(yè)上是較為成熟的技術(shù)，故此類(lèi)專(zhuān)利大多以對(duì)撒沙量的控制為主，以及少量對(duì)撒沙裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，國(guó)內(nèi)主要申請(qǐng)人為中車(chē)集團(tuán)各公司及下屬公司，另一重要申請(qǐng)人是GEN ELECTRIC（美國(guó)通用電氣）。車(chē)輛制造商代表專(zhuān)利“CN201710770839.7”是通過(guò)設(shè)置可監(jiān)測(cè)所述出砂模塊的實(shí)際撒沙壓力和實(shí)際撒砂流量的反饋模塊，將反饋信號(hào)發(fā)送給撒沙控制模塊，并與撒沙信號(hào)比較調(diào)整，以提高車(chē)輛的撒沙精度。通用電氣在中國(guó)申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利“CN200680005343.0”是在施沙系統(tǒng)中限制沙子使用的方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，自動(dòng)控制沙流以限制施撒器數(shù)量，限制施撒到軌道的沙子的數(shù)量。

第二類(lèi)：接觸面施加增粘劑。其相關(guān)專(zhuān)利一般是通過(guò)裝置將增粘劑附著在車(chē)輪踏面上，以改善輪軌粘著條件。專(zhuān)利申請(qǐng)人主要是車(chē)輛部件供應(yīng)商公司。代表專(zhuān)利“CN201310070856.1”是通過(guò)增粘裝置與轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)輪表面貼靠的摩擦過(guò)程中使增粘材料粘附在車(chē)輪踏面上，改善接觸點(diǎn)的粘著條件以提高粘著系數(shù)，實(shí)現(xiàn)抑制和預(yù)防空轉(zhuǎn)的發(fā)生。

第三類(lèi)：軌面、踏面清潔。這類(lèi)專(zhuān)利主要是對(duì)軌面、踏面進(jìn)行清潔、烘干等方式提高粘著系數(shù)。專(zhuān)利申請(qǐng)人以車(chē)輛制造商為主，以及部分個(gè)人申請(qǐng)。代表專(zhuān)利“CN201310279310.7、CN201520478969.X”是通過(guò)高壓熱風(fēng)烘干軌面、清掃踏面、清理軌面水膜、雨雪等物質(zhì)。此類(lèi)專(zhuān)利通過(guò)輪軌之間的表面狀態(tài)的改善，增加輪軌的粘著系數(shù)，防止機(jī)車(chē)動(dòng)輪發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行。

2.2 優(yōu)化控制牽引力、制動(dòng)力以及控制輪對(duì)速度的方法

此類(lèi)專(zhuān)利主要是通過(guò)控制牽引力、制動(dòng)力來(lái)輪軌速度，實(shí)現(xiàn)粘著力的優(yōu)化及利用，多為一種控制方法與粘著力的對(duì)應(yīng)策略改進(jìn)。專(zhuān)利申請(qǐng)人以車(chē)輛制造商為主，大學(xué)院校也有相關(guān)研究。例如軌道車(chē)輛制造商代表專(zhuān)利：專(zhuān)利號(hào)“CN201110451507.5”是一種電力機(jī)車(chē)粘著控制方法和裝置，依據(jù)輪徑修正系數(shù)和粘著控制系數(shù)調(diào)整牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值的修正系數(shù)，智能化粘著控制，有效的提高了輪軌之間的粘著利用率。

2.3 優(yōu)化車(chē)輛轉(zhuǎn)向架、底架結(jié)構(gòu)以提高粘著

與粘著性能相關(guān)的優(yōu)化轉(zhuǎn)向架部件的專(zhuān)利仍以中國(guó)專(zhuān)利為主，創(chuàng)新點(diǎn)包括構(gòu)架、輪對(duì)、牽引裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、懸掛裝置、軸箱等部件上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)中涉及粘著研究的熱點(diǎn)是構(gòu)架，其次是輪對(duì)和驅(qū)動(dòng)裝置。也有底架上的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，通過(guò)降低司機(jī)室震動(dòng)改善粘著條件。

從中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)來(lái)看，專(zhuān)利數(shù)量都增長(zhǎng)較快，研究方向比較集中，解決的技術(shù)方案也相近似，大多采用的是構(gòu)架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。通過(guò)降低構(gòu)架的高度來(lái)達(dá)到增加粘著力的方案，例如西南交通大學(xué)提出的一種將構(gòu)架安裝在軸箱下方的機(jī)車(chē)用四軸轉(zhuǎn)向架，由前后兩個(gè)對(duì)稱(chēng)放置的二軸轉(zhuǎn)向架與中間構(gòu)架組成，W形構(gòu)架的兩端跨接在前后輪對(duì)軸箱的下方，降低轉(zhuǎn)向架中間構(gòu)架的安裝高度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化且可獲得較高的粘著利用率。另一專(zhuān)利“高粘著重載貨運(yùn)機(jī)車(chē)C0轉(zhuǎn)向架”，其牽引裝置采用低位中央布置雙節(jié)牽引桿，斜牽引桿的牽引點(diǎn)高度為零，最大程度提高機(jī)車(chē)粘著力，發(fā)揮出電力機(jī)車(chē)的牽引力。

與之相對(duì)應(yīng)的，國(guó)外企業(yè)的研究熱點(diǎn)與國(guó)內(nèi)略有不同，西門(mén)子公司在粘著方面研究的對(duì)象不是構(gòu)架，而是驅(qū)動(dòng)裝置，如“EP05450098A，Method of minimizing the wheel wear of a railway vehicle”，“EP08759757A，EP2008056137W”等是通過(guò)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高粘著的利用。國(guó)外企業(yè)在年度申請(qǐng)量上比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。

2.4 增加風(fēng)阻以提高減速度，縮短制動(dòng)距離，如阻力板、阻力傘、翼板、擾流板等

這類(lèi)專(zhuān)利雖然附加阻力板安裝的位置和大小，材質(zhì)各有不同，但普遍都采用的是通過(guò)控制風(fēng)翼板的開(kāi)啟和閉合，在制動(dòng)時(shí)，風(fēng)翼板開(kāi)啟，產(chǎn)生運(yùn)行阻力，從而輔助產(chǎn)生制動(dòng)作用，以彌補(bǔ)高速制動(dòng)工況下粘著制動(dòng)的缺陷，確保高速列車(chē)安全可靠制動(dòng)。代表性的專(zhuān)利如“CN201220009259.9 ”是一種高速列車(chē)的風(fēng)阻制動(dòng)裝置，在列車(chē)車(chē)頂上的風(fēng)翼板，通過(guò)判斷風(fēng)向，由轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)連接機(jī)構(gòu)控制風(fēng)翼板角度的變化?！癈N201510910203.9”是在列車(chē)底架上安裝上平下凸的擾流板，列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)空氣高速流過(guò)擾流板的上下表面時(shí)受到向下的壓力，增加了列車(chē)的粘著力，車(chē)輪的滑動(dòng)減少，增加輪軌間的黏著系數(shù)。

2.5 軌道安裝電磁裝置，磁軌制動(dòng)等在輪軌間增加附加粘著力的方法

這類(lèi)專(zhuān)利主要采用的是在車(chē)輛上和軌道上或者軌道附近增加各種額外附加裝置，能產(chǎn)生粘著力，如電磁等裝置等，或者改現(xiàn)有的跨座式獨(dú)軌交通車(chē)的粘著驅(qū)動(dòng)為非粘著驅(qū)動(dòng)，車(chē)輛制動(dòng)、加速由直線電機(jī)和感應(yīng)板之間的相互作用力完成，降低走行輪的負(fù)擔(dān)，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。代表專(zhuān)利有如車(chē)輛制造商的“CN201710668898.3”是一種通過(guò)控制磁力裝置動(dòng)作，增加機(jī)車(chē)粘著質(zhì)量，改善機(jī)車(chē)牽引力發(fā)揮，降低車(chē)輪空轉(zhuǎn)幾率。重慶大學(xué)的專(zhuān)利“CN201110225556.7”是通過(guò)在獨(dú)軌式軌道梁兩側(cè)各設(shè)置有一感應(yīng)板，轉(zhuǎn)向架兩側(cè)設(shè)置直線電機(jī)，直線電機(jī)與感應(yīng)板一一對(duì)應(yīng)且位置相對(duì)，通過(guò)增加附加力來(lái)提高粘著條件，縮短制動(dòng)距離。

2.6 研磨子方法和裝置的應(yīng)用

涉及研磨子方法這類(lèi)專(zhuān)利數(shù)量不多，主要在軌面噴灑除沙子以外的研磨物質(zhì)，包括研磨子的改變而新增噴灑裝置的改進(jìn)，以及對(duì)研磨子條件下踏面清掃等內(nèi)容。專(zhuān)利“CN201110202207.3”是一種輪軌瓷沙噴射裝置，將氣源作為動(dòng)力源，將瓷沙噴射至輪軌之間，增加輪軌之間的粘著力，保證列車(chē)行車(chē)安全。

3 ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

以某型3節(jié)編組的地鐵車(chē)輛進(jìn)行的防滑測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，通過(guò)低粘著條件、撒沙裝置、軌道噴涂增粘劑、列車(chē)增加研磨子四種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析和研究。根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以看出：

（1）在低粘著軌道條件下，數(shù)據(jù)顯示撒沙條件中無(wú)論是高撒沙量還是低撒沙量，列車(chē)的平均減速度都有明顯的提升;輪軌之間的粘著明顯提高。

（2）增粘劑的應(yīng)用。（選取加拿大LBFoster公司提供的增粘劑）在軌道添加了增粘劑之后，列車(chē)的平均減速度有所提升，輪軌的粘著關(guān)系有所改善。

（3）施加研磨子。同增粘劑數(shù)據(jù)相比，列車(chē)的平均減速度和制動(dòng)距離都相差無(wú)幾，輪軌粘著關(guān)系也有所改善。

（4）撒沙。不管初速度是40還是60，撒沙都是防滑的最有效手段，撒沙情況下，輪軌的粘著條件均得到明顯改善。

4 ?結(jié)語(yǔ)

從專(zhuān)利檢索的結(jié)果分析，在改善輪軌關(guān)系、提高粘著系數(shù)等技術(shù)領(lǐng)域，車(chē)輛制造商、部件制造商的技術(shù)布局重點(diǎn)仍在物理干預(yù)方面，以對(duì)撒砂裝置的控制為主，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撒沙也是最有效的改善粘著手段，效果明顯，易于取材、實(shí)施、檢測(cè)和控制?？刂品椒ǚ矫妫瑖?guó)內(nèi)專(zhuān)利的布局大多以控制牽引或制動(dòng)力、調(diào)整轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)粘著的改善，也有制動(dòng)控制系統(tǒng)改進(jìn)，目前這類(lèi)設(shè)計(jì)改進(jìn)都無(wú)法準(zhǔn)確地在數(shù)據(jù)上直觀的判斷輪軌粘著的有效性。從國(guó)際研究的熱點(diǎn)來(lái)看，與軌道相互作用力的夾置、制動(dòng)器的操作機(jī)構(gòu)、研磨子的應(yīng)用等仍是研究輪軌關(guān)系的強(qiáng)相關(guān)課題。

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