嘉兴有轨电车撒砂系统设计

寇良朋

上海轨道交通设备发展有限公司

0 引言

全球变暖已是全人类都要面对的问题。2020年9 月，中国政府在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。”在很多城市中，为减少CO2排放和环境保护，限制私家车的使用。近年来随着我国城市化进程的加快和经济的飞速发展，城市人口持续增长。为了解决城市人群的日常出行，大力发展公共交通势在必行。轨道交通车辆相对公交车等公共交通工具具有运量大、准时高效的特点，比较适合城市人群上下班通勤使用。有轨电车相比地铁造价低，其运力大于公交车，近几年在中型城市、大城市市郊发展较快。

嘉兴市有轨电车线路采用专用路权形式，交叉口处与道路交通混合运行，线路敷设有路中、路侧、地面、局部高架等方式，最大坡度为5.53%，线路形式多样化，轨道情况复杂。嘉兴市处于长三角，降雨天气较多。在车辆设计时需要为适应线路的特点而进行深入研究，其中比较重要的是改善在露天的线路、潮湿轨面的轮轨间低黏着问题。黏着影响车辆牵引和制动性能[1，2]；黏着较低时车辆容易发生空转和滑行，一方面会损坏车轮、轨面，更重要的是会导致制动距离加长，引发安全事故。影响黏着的主要因素有轮轨间的表面状况和列车运行速度两个[3]。列车运行速度过低会影响运行效率。通常从改善轮轨间表面状况角度来提高黏着[4，5]。撒砂是改善轮轨表面状况的重要方法，通过撒砂可以破坏轮轨接触面的污染膜，增加轮轨表面粗糙度，增大黏着[6，7]。本文介绍撒砂系统的组成、控制方案，给轨道车辆设计提供参考。

1 撒砂系统方案

1.1 系统组成

不同于地铁车辆，有轨电车制动系统采用液压形式，因此撒砂系统所需的压缩空气需单独提供[8]。撒砂系统作为一套完整的车辆控制分系统，主要由风源模块、撒砂控制模块、砂箱、撒砂阀、喷砂嘴等部件组成。详见图1所示。

图1 撒砂系统构成

1.1.1 风源模块

风源模块提供撒砂系统所需压力空气，配有单塔干燥器、过滤器、单向阀和反吹电磁阀、风缸等，集成在一起通过螺栓吊装在车下，便于拆卸。风源模块结构见图2。考虑到风源系统的噪声与振动对车内的影响，在风源组成内压缩机与框架间增加减振橡胶堆，在风源与车体间增加减振阻尼垫。风源模块内部气路见图3。安全阀F2（设定压力10 bar）用于保护气路，防止出现过压情况，当压力大于10 bar时，自动泄压。F5单向阀可以防止气流逆流向F4 干燥器。F6 电磁阀为常开阀,得电关闭,失电打开，主要是控制干燥器反吹用，F6 电磁阀与空压机同时得失电。当空压机工作时，电磁阀关闭，不对干燥器进行反吹；当空压机停止工作时，电磁阀打开，反吹风缸中的干燥空气经电磁阀流入干燥器，将干燥器内的水分吹出，从而达到对干燥器进行干燥的目的。干燥器F4 内部还设有一个H 加热器,空气干燥器内部温度控制在+7 ℃～+29 ℃，为防止在寒冷气候时，F4 干燥器反吹时会在排污口3产生的凝结水结冰。反吹风缸用于储存对干燥器反吹的压缩空气。风源模块中配置有一个储气风缸，用于储存高压压缩空气，容积15 L，用于撒砂时使用。

图2 风源模块结构

图3 风源模块气路原理

1.1.2 撒砂控制模块

撒砂控制模块是撒砂控制的核心，主要由气路控制板、压力开关、安全阀、压力传感器、调压阀、电磁阀、测试接头、过滤器等组成，集成在气路控制板上便于在车下安装，结构见图4。

图4 撒砂控制模块结构

压力开关用于控制风源模块中空压机的启停，当系统压力大于8 bar时，空压机停止工作；当系统压力小于5 bar 时，空压机开始工作将系统压力维持在5～8 bar 之间。压力传感器将压力信号转换成电信号，用于系统压力的监测。调压阀将出口压力设定为2 bar，用于撒砂量控制，当需要更改撒砂量时，可以调整调压阀的设定值。电磁阀用于控制执行撒砂，当电磁阀处于导通位置时，气流输出至砂箱，将砂砾输出。气路原理见图5。

图5 撒砂控制模块气路原理

1.1.3 砂箱和撒砂阀

砂箱和撒砂阀集成在一起构成砂箱组成。砂箱组成为左右件，两个砂箱相互独立，为紧凑型设计，通过螺栓固定于车体上。两个砂箱负责车辆单向行驶时某一向的撒砂。砂箱自带砂位传感器和指示灯，可以指示砂位低和砂位满。当砂箱内的砂子使用到低于30%位置时砂位传感器发送信号给指示灯提醒加砂。加砂时当砂箱内的砂子加到100%位置时砂位传感器发送信号给指示灯提醒停止加砂。砂箱上有观察窗，可便于观察砂位。砂箱自带加热棒和温控器，当砂箱内部砂子温度高于50 ℃时，温度开关断开，加热棒停止工作；当砂箱内部砂子温度低于30 ℃时，温度开关闭合，加热棒开始工作；以此保证砂子干燥，不易堵塞。撒砂阀位于砂箱下部，当向撒砂阀通气后，在撒砂阀内部形成负压，砂子被吸入撒砂管中。砂箱、撒砂阀示意图见图6。

图6 砂箱、撒砂阀示意图

1.1.4. 喷砂嘴

喷砂嘴分左右件，喷砂嘴阀板内安装有加热棒，加热棒对出砂管加热，防止因外界气温低，导致砂子在喷砂管口处凝聚成块，从而影响撒砂效果。当温度高于70 ℃时自动断电保护。喷砂嘴结构见图7。

图7 喷砂嘴结构

1.2 布置方案

嘉兴有轨电车撒砂喷嘴布置在Mc 车第一根轴。第一根轴上两个车轮处各布置一个喷砂嘴，见图8。喷嘴中心距轨面60 mm，随着车轮磨耗喷嘴与轨面之间的距离缩小，为便于调整距离，撒砂喷嘴安装支架采用腰形孔设计，如图9所示。Mc车第一根轴是车辆上第一个与轨面接触的轮轴，轨面情况首先会对此轴产生影响。轨面情况不好时，首先受影响的即是此轴，因此将撒砂喷嘴布置于此轴上的两个车轮上。车辆后面的车轮接触的轨面已是撒砂的，对黏着也是有改善作用的。

图8 嘉兴有轨电车喷砂嘴布置

图9 嘉兴有轨电车喷砂嘴安装

1.3 控制方案

1.3.1 撒砂功能控制方案

在制动力较大时，所需黏着力也越大，更容易出现打滑的情况。因此，在安全制动、紧急制动、最大常用制动等制动力较大的情况下需要激活撒砂功能[9]。当速度较小时，可利用的黏着大一些，不易打滑；另外从节约砂砾的角度考虑也不建议撒砂[10]。当车辆牵引系统检测到空转或Mc车电制动时检测到滑行时，激活撒砂功能，尽量减小轮轨间的损伤。当车辆制动系统检测到TP车滑行时，激活撒砂功能，尽量避免擦轮。

车辆在司机室激活且选择方向后，按如下要求执行撒砂功能：

a)当列车在运行中速度大于3 km/h，且实施了紧急制动或安全制动或最大常用制动，该情况下根据运行方向控制撒砂。当速度小于3 km/h 时停止撒砂。

b) 当收到牵引系统或制动系统的撒砂请求信号后，根据运行方向进行撒砂；

c)每次撒砂时间为10 s。

另外，在司机台布置一个撒砂测试按钮，当按下按钮时，车辆两端同时撒砂。在特殊情况下，也可使用此按钮进行应急撒砂。

1.3.2 风源管理

正常情况下空压机启停，通过撒砂控制模块中的压力开关自动控制，满足撒砂系统用风量需求。在司机室显示屏界面上设有强迫供风按钮，需要强迫供风时，可在对应界面点击此按钮。风源系统的压力通过压力传感器进行监测，并送入车辆网络系统。风源控制原理见图10。

图10 风源控制原理图

2 对砂砾的要求

撒砂系统所用砂砾按TB/T3254-2011《机车、动车组用撒砂装置》的要求执行，即砂子形状应尽可能地不规则，颗粒大小分布按表1执行。

表1 砂子颗粒分布

撒砂量控制可通过调整空气压力大小和撒砂阀内部撒砂孔来实现。撒砂量应根据线路实际条件在做型式试验时作调整，以达到较好的效果。

3 结语

本文结合嘉兴有轨电车项目，介绍了撒砂系统的原理、基本组成和控制方案，对于后续有轨电车、地铁车辆的撒砂系统设计提供了一定的参考。