我國高速動車組撒砂裝置現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

胡 淼,王善方,董光進,馬永靖,張方亮,李新康

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司 制動事業(yè)部,山東 青島 266031;2.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心,吉林 長春 130062)

1 概述

撒砂裝置屬于軌道車輛輔助增黏設備,通過將砂子噴撒至輪對踏面與軌道之間,從而達到改善列車黏著,提高運行品質的目的。基于以下原因,高速動車組配置撒砂裝置是極有必要的:(1)輪軌可用黏著系數(shù)隨列車運行速度的提高而呈現(xiàn)降低趨勢,動車組運營速度普遍高于200 km/h,甚至高于300 km/h,在此速度下,車輪出現(xiàn)空轉和滑行的概率增大;(2)動車組幾乎均運行于地上線路和高架線路,輪軌可用黏著系數(shù)受環(huán)境條件影響很大,雨雪等天氣或軌道存在落葉等均可能導致輪軌黏著系數(shù)顯著下降[1]。

截至目前,我國已批量運用的和諧號動車組和復興號動車組均安裝有撒砂裝置。從動車組技術引進初期CRH3/5型動車組上采用國外公司的撒砂裝置,到之后我國自主研發(fā)的撒砂裝置在CRH1/2/380A型動車組上實現(xiàn)加裝,最終在復興號動車組上均采用自主研制的撒砂裝置,我國動車組撒砂裝置技術不斷取得突破,綜合性能指標已達到了國際先進水平。

結合近幾年國外撒砂裝置最新研制情況,以及動車組未來智能化、綠色節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢,提出了我國動車組撒砂裝置未來技術發(fā)展趨勢。

2 我國高速動車組撒砂裝置現(xiàn)狀

2.1 和諧號動車組撒砂裝置

CRH3/380B/5型動車組上配置的撒砂裝置由德國克諾爾公司隨制動系統(tǒng)配套供貨,采用壓差式撒砂裝置,如圖1為安裝在CRH380B型動車組上的撒砂裝置。撒砂裝置主要由撒砂控制模塊(集成在制動控制裝置內)、撒砂單元、砂箱蓋、撒砂噴口和砂箱(非克諾爾公司產(chǎn)品)等組成。

圖1 CRH380B型動車組撒砂裝置安裝圖

撒砂控制模塊實現(xiàn)對撒砂單元輸入氣流控制,其中CRH5型動車組采用單級壓力輸入氣流,CRH3/380B型動車組采用兩級壓力輸入氣流,采用兩級壓力輸入氣流可實現(xiàn)高低速撒砂量調節(jié),這有助于避免動車組高速運行時撒砂量過少從而無法起到改善輪軌黏著作用,動車組低速運行時撒砂量過多造成砂子浪費。

砂箱用于盛裝撒砂用砂子,撒砂單元安裝于砂箱底部,通過撒砂氣流作用使砂箱中的砂子松散、流化,推動砂子從撒砂單元底部噴出,干燥氣流經(jīng)過撒砂單元加熱棒加熱,并作用于砂箱內砂子,可避免砂子板結無法噴出。砂箱蓋安裝在砂箱上,提供加砂通路,同時砂箱蓋具有過壓排氣的功能,能夠防止砂箱內的壓力過大。

撒砂噴口實現(xiàn)將流出撒砂單元的砂子引流并噴灑至輪軌之間,撒砂噴口噴砂管處配有加熱元件,可避免低溫時噴砂管內部結冰,防止砂子凍結、堵塞撒砂通路。

CRH1/2/380A型動車組在初期并未配置撒砂裝置,考慮到撒砂裝置改善輪軌黏著的作用,從2016年起,CRH1/2/380A型動車組新造列車均加裝撒砂裝置,既有動車組結合高級修進行加裝改造。CRH1/2/380A型動車組上加裝的撒砂裝置由中車青島四方車輛研究所有限公司研發(fā)并供貨。與CRH3/380B/5型動車組上采用的克諾爾公司撒砂裝置相比,加裝的撒砂裝置受現(xiàn)車安裝位置與安裝空間等限制,對此,采用了如下創(chuàng)新優(yōu)化設計:

(1) 撒砂裝置增加清砂功能。CRH1型動車組撒砂單元出砂口與輪對距離較遠,造成撒砂噴口的流砂軟管較長且高度差較小,在完成一次撒砂動作后,砂子容易在流砂軟管內堆積,甚至最終導致板結阻塞流砂軟管。針對該類車型,在原有撒砂裝置功能基礎上增加清砂功能,在每次撒砂之后利用干燥氣流進行清砂動作,以達到清除流砂軟管內積砂的目的。

(2) 砂箱砂位可視化設計。砂箱的側面設置砂位視窗,如圖2所示,視窗上有砂位刻度線,方便使用者觀察砂箱內的剩余砂量,便于及時加砂。

圖2 帶砂位視窗的砂箱

(3) 撒砂噴口流砂軟管循跡設計。CRH2/380A型動車組撒砂單元與輪對距離很近,針對性設計三維異形流砂軟管,如圖3所示,提高流砂軟管的抗彎折能力,避免列車運行過程中流砂軟管在遇到較小的彎曲半徑時產(chǎn)生彎折,影響撒砂效果。

圖3 帶三維異形流砂軟管的撒砂噴口安裝圖

(4) 撒砂噴口加熱元件抗擊打性能提升。撒砂噴口加熱元件外層增加鋼管防護,提高了加熱元件的抗擊打能力,避免列車運行過程中碎石等異物擊打造成加熱元件電阻絲斷裂,加熱失效。

2.2 復興號動車組撒砂裝置

隨著復興號動車組投入運用,標志著我國高速動車組技術實現(xiàn)全面自主化。目前,復興號動車組上均配置我國自主研發(fā)生產(chǎn)的撒砂裝置,與和諧號動車組撒砂裝置相比,復興號動車組撒砂裝置在維護便捷性、產(chǎn)品可靠性等方面進行了提升。

(1) 增加砂位顯示功能。在實際運用過程中,砂箱上的砂位視窗可能存在距離裙板過遠、視窗表面落灰導致難以觀察砂位狀態(tài)等問題,CR400BF型動車組撒砂裝置設置有電子砂位顯示裝置,通過在砂箱不同位置安裝砂位傳感器,可實時監(jiān)控砂箱內砂位變化情況,司機及檢修維護人員可通過司機室顯示屏維修界面和車輛側方裙板處設置的砂位顯示器確認砂箱砂位狀態(tài),如圖4所示,為日常檢修維護提供了便利條件[2]。

圖4 砂箱砂位狀態(tài)

(2) 撒砂噴口流砂軟管抗擊打性能提升。由于撒砂噴口流砂軟管位于轉向架附近不受設備艙防護,在動車組運行過程中易受到異物擊打導致破損甚至嚴重時出現(xiàn)斷裂,CR400BF型動車組撒砂噴口流砂軟管外增加了鋼絲編制的鎧裝層,如圖5所示,可以盡量減少動車組運行過程中異物擊打導致的流砂管軟物理損壞。

圖5 帶有鎧裝層的流砂軟管

3 國外撒砂裝置最新研制情況

近幾年,國外公司如克諾爾、法維萊等均圍繞撒砂量精確控制開展新型撒砂裝置的研制。圖6為克諾爾公司研制的新型撒砂裝置,通過在噴砂口處加裝砂流量傳感器,實時調節(jié)撒砂氣流壓力,可實現(xiàn)撒砂量的精確調整。

圖6 克諾爾公司新型撒砂裝置

法維萊公司研制的新型撒砂裝置如圖7所示。該撒砂裝置主要優(yōu)勢包括:(1)砂箱只要求防水,不做氣密性和干燥加熱要求;(2)通過機械封鎖機構防止空氣中的水汽通過流砂軟管進入砂箱,造成砂子板結;(3)采用機械輸送結構實現(xiàn)撒砂量精確控制,能根據(jù)動車組的不同速度等級調整撒砂量,確保黏著有效提升;(4)通過調整吹砂氣流壓力,可實現(xiàn)超遠距離送砂以及確保砂子被吹到軌面上。

圖7 法維萊公司新型撒砂裝置

4 未來技術發(fā)展趨勢探討

智能化、綠色節(jié)能環(huán)保將是未來高速動車組的發(fā)展趨勢[3],參考上文介紹到的國外撒砂裝置最新研制情況,我國高速動車組撒砂裝置未來技術發(fā)展趨勢將朝向以下兩方面:

(1) 智能化精確控制。撒砂裝置引入微機控制技術,撒砂量隨動車組運行速度精確調整,達到高速時輪軌增黏效果明顯、低速時防止砂子浪費和減少環(huán)境污染的目的,提高砂子利用效率;撒砂裝置具備網(wǎng)絡及硬線通信接口,可實現(xiàn)與列車控制系統(tǒng)實時通信,在牽引或制動黏著不利工況,可實現(xiàn)自動撒砂功能。

(2) 集成化設計。撒砂控制模塊、撒砂單元等集成于砂箱組成上,砂箱組成作為整體模塊實現(xiàn)撒砂控制、撒砂執(zhí)行和砂子存儲等功能,通過集成化設計可簡化撒砂裝置安裝設計,同時撒砂響應時間也將得到顯著提升。

5 結束語

從和諧號動車組到復興號動車組,通過不斷研發(fā)創(chuàng)新,目前我國已自主掌握了高速動車組撒砂裝置核心技術,通過對未來發(fā)展趨勢的探討以及今后的持續(xù)深化研究,力爭能夠早日實現(xiàn)撒砂裝置技術從追隨到引領的轉變。