李恒恒,盧衍偉
(1.青島海信微聯(lián)信號(hào)有限公司,山東 青島 266000; 2.中車四方車輛有限公司,山東 青島 266111)
地鐵車輛制動(dòng)方式普遍為黏著制動(dòng),其制動(dòng)力的提供取決于輪軌間的黏著狀態(tài)及車輛的自重。當(dāng)輪軌間黏著狀態(tài)所能提供的制動(dòng)力大于車輛所需的制動(dòng)力時(shí),車輛可實(shí)現(xiàn)正常的制動(dòng)功能;當(dāng)輪軌間黏著狀態(tài)差以致不能提供車輛制動(dòng)所需的最大制動(dòng)力時(shí),就會(huì)出現(xiàn)輪對(duì)抱死、滑行現(xiàn)象,影響停車距離及行車安全。
黏著系數(shù)的影響因素主要有車輛運(yùn)行速度、車輪和鋼軌的表面狀況等。列車在制動(dòng)過程中,隨著列車速度的下降,沖擊振動(dòng)以及伴隨的少量的縱向和橫向滑動(dòng)都逐漸減弱,因而黏著力和黏著系數(shù)會(huì)相應(yīng)增大[1]。輪軌間表面狀態(tài)包括干濕情況、臟污程度、是否有銹、是否撒砂以及砂的數(shù)量和品質(zhì)等。當(dāng)軌道表面干燥且清潔時(shí),黏著系數(shù)較大;軌道表面潮濕或者有霜、雪、油污覆蓋時(shí),黏著系數(shù)將明顯減小,若軌道表面被雨水沖刷得很潔凈,即使軌道表面很濕,黏著系數(shù)也不會(huì)減?。划?dāng)軌面生銹時(shí),薄薄的一層銹可使黏著系數(shù)增大,但如果銹層較厚,特別是有濕潤的棕色銹層時(shí),反而會(huì)使黏著系數(shù)減少。本文以青島地鐵為例,通過設(shè)置撒砂裝置來防止車輪滑行。
車輛共設(shè)置8套撒砂裝置(前進(jìn)方向4套),每個(gè)單元主要包括砂箱、撒砂單元、控制箱、管路及撒砂加熱器[2]。圖1為列車撒砂裝置布置圖。
圖1 列車撒砂裝置布置圖
圖2為撒砂裝置主要結(jié)構(gòu)。砂箱和控制箱安裝在車體底架上,撒砂加熱器安裝于轉(zhuǎn)向架上。控制箱從總風(fēng)管取風(fēng),通過供風(fēng)管路與砂箱底部的撒砂單元相連,撒砂單元通過軟管與轉(zhuǎn)向架上的加熱器及撒砂管相連,砂箱內(nèi)裝有足量的石英砂。
圖2 撒砂裝置主要結(jié)構(gòu)
列車以120 km/h速度進(jìn)行常用制動(dòng)100%級(jí)位制動(dòng)和緊急制動(dòng),且在此過程中一直滑行的工況下(最惡劣工況),按照每列車配置8臺(tái)砂箱、砂箱容積為10 L進(jìn)行撒砂量計(jì)算。車輛制動(dòng)距離S的計(jì)算公式為:
(1)
式中:a——車輛制動(dòng)減速度,m/s2;
vt——車輛制動(dòng)時(shí)的最高速度,km/h;
v0——車輛制動(dòng)時(shí)的停車速度,取值為0;
t——車輛制動(dòng)時(shí)間,s。
1.2.1常用制動(dòng)
根據(jù)式(1),a取值為1.07 m/s2,vt取值為120 km/h,計(jì)算得常用制動(dòng)距離約為519.21 m,常用制動(dòng)時(shí)間約為31.15 s。
砂箱設(shè)計(jì)流速為1 300 g/30 s,則單次常用制動(dòng)所消耗的砂子質(zhì)量=流速×?xí)r間=(1 300 g/30 s)×31.15 s=1 349.8 g;砂子的密度為1.5 g/cm3,則單次常用制動(dòng)所消耗的砂子的體積=質(zhì)量/密度=1 349.8 g/(1.5 g/cm3)=899.9 cm3=0.9 L,約占砂箱容量的1/10。
1.2.2緊急制動(dòng)
根據(jù)式(1),a取值為1.3 m/s2,計(jì)算得緊急制動(dòng)距離約為426.5 m,緊急制動(dòng)時(shí)間約為25.6 s。單次常用制動(dòng)所消耗的砂子質(zhì)量=流速×?xí)r間=(1 300 g/30 s)×25.6 s=1 109 g; 單次常用制動(dòng)所消耗的砂子的體積=質(zhì)量/密度=1 109 g/(1.5 g/cm3)=739.6 cm3=0.74 L,約占砂箱容量的1/13。
青島地鐵撒砂裝置的功能設(shè)定為:
(1) 緊急制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滑行,控制單元執(zhí)行自動(dòng)撒砂動(dòng)作;
(2) 其他工況下執(zhí)行人工操作即手動(dòng)撒砂動(dòng)作。
車輛撒砂功能組裝完畢后,制定試驗(yàn)大綱進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。采用的測(cè)試方式為制動(dòng)初速度60 km/h,恒級(jí)位常用制動(dòng)(70%、100%),軌面噴灑乙二醇溶液。試驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 列車撒砂型式試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果顯示:
(1) 采用100%級(jí)位制動(dòng)的8組試驗(yàn)。未撒砂的4組試驗(yàn)制動(dòng)距離平均值為165.75 m,撒砂的4組為158.25 m,2種工況相比,撒砂工況下制動(dòng)距離減少約4.7%。
(2) 采用70%級(jí)位制動(dòng)的6組試驗(yàn)。未撒砂的3組試驗(yàn)制動(dòng)距離平均值為223 m,撒砂的3組為205 m,2種工況相比,撒砂工況下制動(dòng)距離減少約9.1%。
為驗(yàn)證撒砂裝置的實(shí)際應(yīng)用效果,特選取2列載客列車進(jìn)行撒砂試驗(yàn)。根據(jù)天氣變化情況,使用自動(dòng)或手動(dòng)撒砂功能,觀察軌面撒砂后對(duì)車輛滑行抑制情況,具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。
(1) 表2中,2018年11月5日10:29:55車輛在廟石下行進(jìn)站期間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖3。
圖3 2018年11月5日廟石下行進(jìn)站滑行數(shù)據(jù)
車輛在廟石下行進(jìn)站制動(dòng)過程中產(chǎn)生滑行,司機(jī)收到TCMS屏發(fā)出的提示后,手動(dòng)按壓撒砂按鈕約3 s,雖然司機(jī)執(zhí)行了手動(dòng)撒砂功能,但在撒砂動(dòng)作執(zhí)行前車輛牽引/制動(dòng)系統(tǒng)已進(jìn)行滑行控制,且得到抑制,撒砂功能未起到實(shí)際效果。
(2) 表2中,2018年12月5日18:23:51車輛在廟石下行進(jìn)站期間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖4。
表2 車輛撒砂功能的實(shí)際應(yīng)用情況
圖4 2018年12月5日廟石下行進(jìn)站滑行數(shù)據(jù)
車輛在廟石下行進(jìn)站制動(dòng)過程中產(chǎn)生滑行,司機(jī)收到TCMS屏發(fā)出的提示后,手動(dòng)按壓撒砂按鈕約3.7 s,此次撒砂動(dòng)作后,車輛滑行抑制情況有明顯改善。
(3) 表2中,2018年12月11日06:14:38車輛在藍(lán)色硅谷—山東大學(xué)上行區(qū)間運(yùn)行期間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖5。
車輛在藍(lán)色硅谷—山東大學(xué)上行區(qū)間制動(dòng)過程中產(chǎn)生滑行并導(dǎo)致車載信號(hào)系統(tǒng)請(qǐng)求緊急制動(dòng),車輛自動(dòng)啟用撒砂功能,此次滑行深度比較嚴(yán)重,執(zhí)行撒砂動(dòng)作后,車輛滑行抑制情況并沒有得到很好的抑制效果。
綜上,由試驗(yàn)數(shù)據(jù)及案例可知:
(1) 當(dāng)車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生滑行/空轉(zhuǎn),啟動(dòng)自動(dòng)撒砂功能的情況下,部分時(shí)段產(chǎn)生了很明顯的滑行抑制作用,如2018年12月5日廟石下行進(jìn)站產(chǎn)生滑行案例;也有對(duì)滑行未產(chǎn)生明顯抑制作用的現(xiàn)象,如2018年12月11日在藍(lán)色硅谷—山東大學(xué)上行區(qū)間滑行產(chǎn)生緊急制動(dòng)案例。
(2) 當(dāng)車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生滑行/空轉(zhuǎn),啟用手動(dòng)撒砂功能的情況下,手動(dòng)撒砂的滑行抑制效果存在滯后現(xiàn)象,主要和司機(jī)的觀察力有關(guān)。
圖5 2018年12月11日藍(lán)色硅谷—山東大學(xué)上行區(qū)間滑行數(shù)據(jù)
車輛增加撒砂裝置,可適當(dāng)增加輪軌間的黏著系數(shù),提高制動(dòng)力的發(fā)揮,對(duì)滑行/空轉(zhuǎn)能起到一定的改善作用。手動(dòng)撒砂存在延遲的現(xiàn)象,不如自動(dòng)撒砂時(shí)效性高,可選擇不同的制動(dòng)工況增加自動(dòng)撒砂功能。