我国高速动车组撒砂装置现状及发展趋势

胡 淼,王善方,董光进,马永靖,张方亮,李新康

(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司 制动事业部,山东 青岛 266031;2.中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心,吉林 长春 130062)

1 概述

撒砂装置属于轨道车辆辅助增黏设备,通过将砂子喷撒至轮对踏面与轨道之间,从而达到改善列车黏着,提高运行品质的目的。基于以下原因,高速动车组配置撒砂装置是极有必要的:(1)轮轨可用黏着系数随列车运行速度的提高而呈现降低趋势,动车组运营速度普遍高于200 km/h,甚至高于300 km/h,在此速度下,车轮出现空转和滑行的概率增大;(2)动车组几乎均运行于地上线路和高架线路,轮轨可用黏着系数受环境条件影响很大,雨雪等天气或轨道存在落叶等均可能导致轮轨黏着系数显著下降[1]。

截至目前,我国已批量运用的和谐号动车组和复兴号动车组均安装有撒砂装置。从动车组技术引进初期CRH3/5型动车组上采用国外公司的撒砂装置,到之后我国自主研发的撒砂装置在CRH1/2/380A型动车组上实现加装,最终在复兴号动车组上均采用自主研制的撒砂装置,我国动车组撒砂装置技术不断取得突破,综合性能指标已达到了国际先进水平。

结合近几年国外撒砂装置最新研制情况,以及动车组未来智能化、绿色节能环保的发展趋势,提出了我国动车组撒砂装置未来技术发展趋势。

2 我国高速动车组撒砂装置现状

2.1 和谐号动车组撒砂装置

CRH3/380B/5型动车组上配置的撒砂装置由德国克诺尔公司随制动系统配套供货,采用压差式撒砂装置,如图1为安装在CRH380B型动车组上的撒砂装置。撒砂装置主要由撒砂控制模块(集成在制动控制装置内)、撒砂单元、砂箱盖、撒砂喷口和砂箱(非克诺尔公司产品)等组成。

图1 CRH380B型动车组撒砂装置安装图

撒砂控制模块实现对撒砂单元输入气流控制,其中CRH5型动车组采用单级压力输入气流,CRH3/380B型动车组采用两级压力输入气流,采用两级压力输入气流可实现高低速撒砂量调节,这有助于避免动车组高速运行时撒砂量过少从而无法起到改善轮轨黏着作用,动车组低速运行时撒砂量过多造成砂子浪费。

砂箱用于盛装撒砂用砂子,撒砂单元安装于砂箱底部,通过撒砂气流作用使砂箱中的砂子松散、流化,推动砂子从撒砂单元底部喷出,干燥气流经过撒砂单元加热棒加热,并作用于砂箱内砂子,可避免砂子板结无法喷出。砂箱盖安装在砂箱上,提供加砂通路,同时砂箱盖具有过压排气的功能,能够防止砂箱内的压力过大。

撒砂喷口实现将流出撒砂单元的砂子引流并喷洒至轮轨之间,撒砂喷口喷砂管处配有加热元件,可避免低温时喷砂管内部结冰,防止砂子冻结、堵塞撒砂通路。

CRH1/2/380A型动车组在初期并未配置撒砂装置,考虑到撒砂装置改善轮轨黏着的作用,从2016年起,CRH1/2/380A型动车组新造列车均加装撒砂装置,既有动车组结合高级修进行加装改造。CRH1/2/380A型动车组上加装的撒砂装置由中车青岛四方车辆研究所有限公司研发并供货。与CRH3/380B/5型动车组上采用的克诺尔公司撒砂装置相比,加装的撒砂装置受现车安装位置与安装空间等限制,对此,采用了如下创新优化设计:

(1) 撒砂装置增加清砂功能。CRH1型动车组撒砂单元出砂口与轮对距离较远,造成撒砂喷口的流砂软管较长且高度差较小,在完成一次撒砂动作后,砂子容易在流砂软管内堆积,甚至最终导致板结阻塞流砂软管。针对该类车型,在原有撒砂装置功能基础上增加清砂功能,在每次撒砂之后利用干燥气流进行清砂动作,以达到清除流砂软管内积砂的目的。

(2) 砂箱砂位可视化设计。砂箱的侧面设置砂位视窗,如图2所示,视窗上有砂位刻度线,方便使用者观察砂箱内的剩余砂量,便于及时加砂。

图2 带砂位视窗的砂箱

(3) 撒砂喷口流砂软管循迹设计。CRH2/380A型动车组撒砂单元与轮对距离很近,针对性设计三维异形流砂软管,如图3所示,提高流砂软管的抗弯折能力,避免列车运行过程中流砂软管在遇到较小的弯曲半径时产生弯折,影响撒砂效果。

图3 带三维异形流砂软管的撒砂喷口安装图

(4) 撒砂喷口加热元件抗击打性能提升。撒砂喷口加热元件外层增加钢管防护,提高了加热元件的抗击打能力,避免列车运行过程中碎石等异物击打造成加热元件电阻丝断裂,加热失效。

2.2 复兴号动车组撒砂装置

随着复兴号动车组投入运用,标志着我国高速动车组技术实现全面自主化。目前,复兴号动车组上均配置我国自主研发生产的撒砂装置,与和谐号动车组撒砂装置相比,复兴号动车组撒砂装置在维护便捷性、产品可靠性等方面进行了提升。

(1) 增加砂位显示功能。在实际运用过程中,砂箱上的砂位视窗可能存在距离裙板过远、视窗表面落灰导致难以观察砂位状态等问题,CR400BF型动车组撒砂装置设置有电子砂位显示装置,通过在砂箱不同位置安装砂位传感器,可实时监控砂箱内砂位变化情况,司机及检修维护人员可通过司机室显示屏维修界面和车辆侧方裙板处设置的砂位显示器确认砂箱砂位状态,如图4所示,为日常检修维护提供了便利条件[2]。

图4 砂箱砂位状态

(2) 撒砂喷口流砂软管抗击打性能提升。由于撒砂喷口流砂软管位于转向架附近不受设备舱防护,在动车组运行过程中易受到异物击打导致破损甚至严重时出现断裂,CR400BF型动车组撒砂喷口流砂软管外增加了钢丝编制的铠装层,如图5所示,可以尽量减少动车组运行过程中异物击打导致的流砂管软物理损坏。

图5 带有铠装层的流砂软管

3 国外撒砂装置最新研制情况

近几年,国外公司如克诺尔、法维莱等均围绕撒砂量精确控制开展新型撒砂装置的研制。图6为克诺尔公司研制的新型撒砂装置,通过在喷砂口处加装砂流量传感器,实时调节撒砂气流压力,可实现撒砂量的精确调整。

图6 克诺尔公司新型撒砂装置

法维莱公司研制的新型撒砂装置如图7所示。该撒砂装置主要优势包括:(1)砂箱只要求防水,不做气密性和干燥加热要求;(2)通过机械封锁机构防止空气中的水汽通过流砂软管进入砂箱,造成砂子板结;(3)采用机械输送结构实现撒砂量精确控制,能根据动车组的不同速度等级调整撒砂量,确保黏着有效提升;(4)通过调整吹砂气流压力,可实现超远距离送砂以及确保砂子被吹到轨面上。

图7 法维莱公司新型撒砂装置

4 未来技术发展趋势探讨

智能化、绿色节能环保将是未来高速动车组的发展趋势[3],参考上文介绍到的国外撒砂装置最新研制情况,我国高速动车组撒砂装置未来技术发展趋势将朝向以下两方面:

(1) 智能化精确控制。撒砂装置引入微机控制技术,撒砂量随动车组运行速度精确调整,达到高速时轮轨增黏效果明显、低速时防止砂子浪费和减少环境污染的目的,提高砂子利用效率;撒砂装置具备网络及硬线通信接口,可实现与列车控制系统实时通信,在牵引或制动黏着不利工况,可实现自动撒砂功能。

(2) 集成化设计。撒砂控制模块、撒砂单元等集成于砂箱组成上,砂箱组成作为整体模块实现撒砂控制、撒砂执行和砂子存储等功能,通过集成化设计可简化撒砂装置安装设计,同时撒砂响应时间也将得到显著提升。

5 结束语

从和谐号动车组到复兴号动车组,通过不断研发创新,目前我国已自主掌握了高速动车组撒砂装置核心技术,通过对未来发展趋势的探讨以及今后的持续深化研究,力争能够早日实现撒砂装置技术从追随到引领的转变。