丁亦豐

一、情況概述

南京地鐵S9號(hào)線（寧高城際）于2017年12月30日正式運(yùn)營(yíng)，期間在正線出現(xiàn)較多的滑行現(xiàn)象導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)施加緊急制動(dòng)，并且打滑大多發(fā)生在明覺(jué)站與團(tuán)結(jié)圩站之間。

寧高線車(chē)輛為地鐵B型車(chē)，采用2動(dòng)1拖編組，最高運(yùn)行速度為120km/h。采用架控的EP2002空氣制動(dòng)系統(tǒng)（防滑保護(hù)時(shí)為軸控模式），轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用盤(pán)式制動(dòng)。

寧高線全長(zhǎng)52.42km，其中地下線3.61km，地面段4.62km，高架段44.19km，共設(shè)6座車(chē)站，其中高架站5座，地面站1座，明覺(jué)站與團(tuán)結(jié)圩站之間為石臼湖大橋。

寧高線車(chē)輛運(yùn)行特點(diǎn)是速度高、編組短、載客少;線路特點(diǎn)是全線絕大部分為高架露天且部分區(qū)段經(jīng)過(guò)湖泊水域空氣濕度大。

車(chē)輛技術(shù)合同要求在平直干燥潔凈的軌道條件下列車(chē)最高速度（120km/h）時(shí)的緊急制動(dòng)平均減速度至少為1.2m/s2。平直干燥潔凈的軌道條件下列車(chē)最高速度（120km/h）時(shí)的最大常用制動(dòng)平均減速度至少為1.0m/s2。 在制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還需要充分利用電制動(dòng)，且計(jì)算所需輪軌黏著為0.14—0.16。

具體要求如圖1所示：

二、影響輪軌黏著的因素

列車(chē)在啟動(dòng)和加速的過(guò)程中和輪軌的黏濁特征的關(guān)系非常的緊密，并且影響因素是比較多的，例如速度和接觸面的狀態(tài)等等。主要的原因包含的是接觸面的狀態(tài)，特別是如果鋼軌存在著水和油等一些介質(zhì)時(shí)，那么粘著系數(shù)會(huì)在不斷的下降。

在輪軌干燥而清潔時(shí)黏著系數(shù)較大;在輪軌剛剛潮濕或有霜雪、油污時(shí)，黏著系數(shù)將明顯減小;但如果連續(xù)大雨，鋼軌被沖刷得很潔凈，則鋼軌雖然很濕，黏著系數(shù)也不會(huì)減小太多。如果粘著系數(shù)無(wú)法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的話，那么會(huì)在牽引時(shí)出現(xiàn)車(chē)輪空轉(zhuǎn)的問(wèn)題，無(wú)法達(dá)到應(yīng)有的速度，另外在制動(dòng)時(shí)很難讓車(chē)輪滑行，也會(huì)在后續(xù)制動(dòng)時(shí)存在著距離超出預(yù)定范圍的問(wèn)題。當(dāng)車(chē)輪在空轉(zhuǎn)和滑行時(shí)都會(huì)對(duì)軌道表面造成一定的擦傷，增加了后續(xù)的維護(hù)成本，也會(huì)增加后續(xù)運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)。

由于寧高線的運(yùn)營(yíng)環(huán)境大部分為露天高架線路，主要影響其輪軌黏著的環(huán)境因素為雨水或者露水，統(tǒng)稱(chēng)為水介質(zhì)。在這一條件的影響下，會(huì)隨著粘著系數(shù)的變化而對(duì)速度造成一定的影響，由于整個(gè)接觸表面是粗糙的表面，要考慮粗糙表面的成分和彈性流體相關(guān)的狀態(tài)，在介質(zhì)條件下，車(chē)輪當(dāng)以更高速度通過(guò)鋼軌表面時(shí)會(huì)形成致密性較強(qiáng)的水膜，在水膜的作用下會(huì)有水磨的厚度和凹凸表面來(lái)決定后續(xù)的混合潤(rùn)滑狀態(tài)。如果表面是凹凸不平的話，那么會(huì)產(chǎn)生共同的壓力，使得整個(gè)車(chē)輪處于摩擦的狀態(tài)中，具體情況如下圖所示：

由于式（3）中的 e值變大，從而使μ值變小。這就是水介質(zhì)條件下由于速度上升而導(dǎo)致黏著系數(shù)發(fā)生急劇下降的原因。

為研究水介質(zhì)條件下的輪軌黏著關(guān)系，軌道科學(xué)研究院在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)也進(jìn)行大量的試驗(yàn)，對(duì)水介質(zhì)條件下輪軌黏著特性及其影響規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比性分析，最終得出如下結(jié)論：

1.在噴水量不斷增加的時(shí)期，粘著系數(shù)會(huì)隨著水量的增加逐漸的減少，但是當(dāng)?shù)搅嗣糠昼?00毫升左右時(shí)，水量在不斷的增加，最終的粘著系數(shù)是保持不變的。

2.在水介質(zhì)的條件下，會(huì)隨著接觸表面粗糙度的不斷增加而增加，兩者是成正比關(guān)系的，在不同的速度區(qū)間內(nèi)，表面粗糙程度對(duì)粘著系數(shù)的影響并不是那么的明顯，在高速區(qū)間內(nèi)表面粗糙度的影響相比于低速度來(lái)說(shuō)，影響是比較明顯的，在表面粗糙度較低時(shí)，速度和粘著系數(shù)的影響非常的密切。

3.輪軌的粘著系數(shù)還和噴水溫度有著密切的關(guān)系，例如會(huì)隨著溫度的升高而不斷的增加。

4. 輪軌黏著系數(shù)在水介質(zhì)條件下在軸重10?16t的范圍內(nèi)，對(duì)于粘著系數(shù)的影響并不是那么的明顯，只影響10%左右。

5. 水介質(zhì)條件下，在40?200km/h速度范圍內(nèi)，粘著系數(shù)和速度之間是呈反比關(guān)系的;在200?400km/h速度范圍內(nèi)，減小得較緩慢。

噴水量、輪軌接觸表面粗糙度、運(yùn)行速度對(duì)水介質(zhì)條件下的輪軌黏著系數(shù)影響較大，噴水溫度和軸重的影響較小。因此為了保證正常的列車(chē)牽引制動(dòng)性能， 即達(dá)到預(yù)期的黏著系數(shù)，可以通過(guò)增加輪軌接觸表面粗糙度有效提高水介質(zhì)條件下的輪軌黏著系數(shù)。但輪軌模擬試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)黏著系數(shù)超過(guò)0.3時(shí)， 輪軌磨損即迅速加劇。所以在考慮增加輪軌黏著系數(shù)的措施同時(shí)應(yīng)兼顧輪軌之間磨損速率。

三、已采取改善黏著的措施

為應(yīng)對(duì)寧高線可能出現(xiàn)的正線由于黏著不足產(chǎn)生滑行的情況，設(shè)計(jì)初期車(chē)輛已增加相應(yīng)功能，以達(dá)到改善或充分利用黏著的目的。

1.滑行時(shí)制動(dòng)力重新分配。寧高線車(chē)輛所使用克諾爾EP2002空氣制動(dòng)系統(tǒng)，其本身存在防滑控制功能，即一旦檢測(cè)到因外界因素或較大的制動(dòng)力引起輪對(duì)打滑時(shí)，制動(dòng)閥會(huì)重新分配各軸制動(dòng)力，不斷調(diào)整各軸制動(dòng)力充分利用黏著的同時(shí)對(duì)車(chē)輛滑行進(jìn)行修正，以期達(dá)到在低黏著條件下盡可能縮短制動(dòng)距離及避免車(chē)輪擦傷的目的。

防滑控制系統(tǒng)是盡可能避免因軸速突變（如輪軌狀態(tài)較差）而產(chǎn)生的車(chē)輪擦傷現(xiàn)象，是一種自適應(yīng)（有軸速差自動(dòng)激活動(dòng)作）自調(diào)整（調(diào)整當(dāng)前制動(dòng)力與當(dāng)前輪軌黏著水平接近）系統(tǒng)。但其防滑保護(hù)功能并非是全能型，對(duì)于輪軌黏著狀態(tài)差這一事實(shí)并不能由防滑保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作而實(shí)質(zhì)上改變（在防滑控制過(guò)程中有部分改善），對(duì)于輪軌黏著改善需要更專(zhuān)業(yè)更對(duì)口的技術(shù)系統(tǒng)來(lái)完成。

防滑保護(hù)系統(tǒng)工作是一種正常反應(yīng)及動(dòng)作，設(shè)置防滑保護(hù)系統(tǒng)的目的就是在需要其動(dòng)作的時(shí)候能快速有效地保護(hù)車(chē)輪盡可能不擦傷（防滑保護(hù)不及時(shí)車(chē)輪擦傷非常容易出現(xiàn)），但不能因其動(dòng)作（降低制動(dòng)力）而將最終制動(dòng)距離延長(zhǎng)的事實(shí)認(rèn)為是防滑系統(tǒng)的故障導(dǎo)致，這其實(shí)是對(duì)防滑保護(hù)定位認(rèn)識(shí)上的一個(gè)誤區(qū)。

2.增加研磨子。寧高線車(chē)輛在A車(chē)上配置了研磨子，其作用是改善輪軌的黏著并清掃踏面雜物，其觸發(fā)控制邏輯如下：

（1）列車(chē)施加制動(dòng)，同時(shí)列車(chē)速度高于30km/h時(shí)，研磨子踏面清掃裝置動(dòng)作;當(dāng)列車(chē)速度小于20km/h時(shí)，踏面清掃停止動(dòng)作。

（2）當(dāng)該車(chē)任意一軸產(chǎn)生滑行或空轉(zhuǎn)時(shí)，研磨子踏面清掃裝置動(dòng)作;直至滑行或空轉(zhuǎn)信號(hào)消失，踏面清掃停止動(dòng)作。

該研磨子采用增粘配方，可以一定程度上改善輪軌黏著。

3.對(duì)減速度進(jìn)行分段控制。在實(shí)際控制時(shí)要加強(qiáng)對(duì)整個(gè)制動(dòng)過(guò)程的全面分析，并且按照速度的特點(diǎn)進(jìn)行層次性的劃分，在高速階段按照線性變速的方式進(jìn)行減量，在這一區(qū)間內(nèi)速度在明顯的降低。對(duì)于制動(dòng)力來(lái)說(shuō)是隨著速度呈線性的方式而不斷增加的，之后再按照恒減速讀進(jìn)行制動(dòng)，直到車(chē)輛停止運(yùn)行，通過(guò)分段制動(dòng)力的控制，達(dá)到良好的控制效果，具體的曲線如下圖所示。

4.采用干式輪緣潤(rùn)滑裝置。在國(guó)內(nèi)的大多數(shù)地鐵中采取的是傳統(tǒng)油脂潤(rùn)滑的方式將油紙噴在車(chē)輪的邊緣處，但是在露天的環(huán)境下，會(huì)隨著溫度的濕度而不斷的變化，例如油脂在使用時(shí)會(huì)逐漸的上升到鋼軌上，增加后續(xù)行車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)出現(xiàn)一定的粘著問(wèn)題。

5.預(yù)留撒砂接口。寧高線在A車(chē)拖架一軸，B車(chē)動(dòng)架（PB1）一軸都預(yù)留了撒砂噴嘴的安裝接口。

四、改善黏著的建議

寧高線正線頻繁發(fā)生打滑問(wèn)題歸根結(jié)底是由于黏著過(guò)低造成，為使該情況下車(chē)輛依然能滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求提出以下措施：

1.增設(shè)撒砂裝置

這一裝置要將沙粒噴在軌道上，刺破軌道上的油膜傳，為軌道的使用奠定良好的條件，同時(shí)利用這一材料還可以使軌道粗糙度，在不斷的提高全面的提升軌道本身的粘著系數(shù)，保證后續(xù)行車(chē)的安全性，如圖4、圖5所示。

從根本上解決目前正線由于滑行產(chǎn)生緊急制動(dòng)、沖標(biāo)這類(lèi)問(wèn)題應(yīng)該著眼于輪軌黏著的提高和改善，而目前切實(shí)有效的手段是增設(shè)撒砂系統(tǒng)及磁軌制動(dòng)，但對(duì)于運(yùn)行速度并非特別高的地鐵列車(chē)來(lái)說(shuō)（即使高鐵列車(chē)也是通過(guò)加裝撒砂系統(tǒng)來(lái)提高和改善輪軌黏著），撒砂系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)是一種性價(jià)比高的方案。

撒砂系統(tǒng)由砂箱、砂位傳感器、撒砂閥、軟管和噴嘴等組成（見(jiàn)圖6）。撒砂所需風(fēng)源通過(guò)總風(fēng)管提供。每次行進(jìn)中，位于前進(jìn)方向的撒砂裝置處于工作狀態(tài)（見(jiàn)圖7）。

從前期項(xiàng)目對(duì)比撒砂及防滑試驗(yàn)結(jié)果（如表2所示）來(lái)看，撒砂系統(tǒng)對(duì)于改善輪軌黏著有非常明顯的效果。另外在試驗(yàn)過(guò)程中也進(jìn)行了踏面清掃增粘裝置對(duì)于防滑狀態(tài)下制動(dòng)距離改善的試驗(yàn)，從改善滑行及縮短制動(dòng)距離這一角度來(lái)看，基本上沒(méi)有明顯改善的效果。

撒砂裝置將砂粒噴在軌道上，砂粒刺破軌道上的水膜或油膜，改善軌面條件，同時(shí)砂?？梢栽黾榆壍赖拇植诙?，提高軌道黏著系數(shù)，縮短制動(dòng)距離及增加電客車(chē)爬坡能力。啟動(dòng)撒砂功能的目的是提高輪軌黏著能力，撒砂量對(duì)提高輪軌黏著能力有著明顯的影響。撒砂量過(guò)小時(shí)，增粘效果不明顯;撒砂量過(guò)大時(shí)，多余的未被碾碎的砂子，起不到增粘的效果。與此同時(shí)也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)問(wèn)題：

1、增加輪軌接觸面粗糙程度可能導(dǎo)致輪軌磨耗加劇;

2、對(duì)軌道兩旁造成砂量的堆積，影響軌道檢修，需要定期清理;

3、對(duì)道岔區(qū)及轉(zhuǎn)轍機(jī)造成影響，影響正常工作，需要定期清理;

4、撒砂單元噴嘴在冬季會(huì)存在上凍問(wèn)題，需增設(shè)相應(yīng)加熱功能;

5、砂的黏度、成分、硬度和濕度都必須符合一定要求，為確保撒砂功能正常使用，會(huì)在一定程度上增加運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

上述部分問(wèn)題，可通過(guò)優(yōu)化TCMS軟件、硬件更改及進(jìn)行人工干預(yù)的方法進(jìn)行改善，但由于撒砂系統(tǒng)的設(shè)備特性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和缺陷無(wú)法完全消除。

2.定期對(duì)特定區(qū)段線路進(jìn)行軌面打磨、清潔。建議由工務(wù)分公司對(duì)易產(chǎn)生打滑區(qū)段的軌道、環(huán)境進(jìn)行差異性分析，并采取相應(yīng)措施提高輪軌間的黏著。

3.在特定區(qū)段增設(shè)軌旁噴涂增粘劑。如美國(guó)洛杉磯 LACMTA線上所采用的軌旁增粘劑噴涂裝置。