王善方，吳 迪，張方亮，胡 淼

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266112； 2.中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司 車輛部，遼寧 沈陽(yáng) 110001)

軌道車輛在雨雪天氣或者軌道有水漬、油污、薄冰等情況下，軌道車輛的輪對(duì)踏面與軌道之間的黏著性能變差，如果這種黏著狀態(tài)不能得到及時(shí)改善，列車就會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或滑行現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成車輪擦傷和制動(dòng)距離延長(zhǎng)的后果[1]。為了改善軌道車輛輪軌之間的黏著狀態(tài)，通常會(huì)在軌道車輛上配置撒砂系統(tǒng)[2-3]，一般設(shè)置于軌道車輛的底部并向軌道車輛的輪對(duì)踏面和軌道之間噴撒特定規(guī)格的砂子(比如：石英砂)，以改善輪軌之間的黏著狀態(tài)[4]，從而保證軌道車輛的牽引或制動(dòng)性能，進(jìn)而保證軌道車輛的行駛安全性能。

目前，軌道車輛撒砂系統(tǒng)廣泛采用單級(jí)壓力撒砂或兩級(jí)壓力進(jìn)行撒砂，根據(jù)軌道車輛的運(yùn)行速度選擇相應(yīng)的撒砂輸出壓力，并進(jìn)行撒砂控制[5]。撒砂系統(tǒng)中的撒砂口用來(lái)將撒出砂箱的砂子引流并噴撒到輪對(duì)踏面和軌道之間。軌道車輛在不同的行駛速度條件下，當(dāng)砂子撒出撒砂口并飛往輪對(duì)踏面和軌道的過(guò)程中，出砂口處的空氣流場(chǎng)對(duì)出砂口噴撒的砂子的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生的影響也不同，而砂子的運(yùn)動(dòng)軌跡直接影響到達(dá)輪軌之間的有效撒砂量，因此，采用單級(jí)或兩級(jí)壓力進(jìn)行撒砂采用的是一種模糊控制方法，不能完全保證吹砂壓力的合理范圍內(nèi)，同時(shí)，也不能保證出砂口處的實(shí)際撒砂量處在目標(biāo)撒砂量的合理范圍內(nèi)，撒砂精度較低，進(jìn)而難以有效改善軌道車輛輪軌之間的黏著性能。本文系統(tǒng)地介紹了一種軌道車輛用智能化撒砂系統(tǒng)的組成、工作原理及控制策略等內(nèi)容。

1 智能化撒砂系統(tǒng)組成及工作原理

圖1為軌道車輛智能化撒砂系統(tǒng)的組成。

圖1 智能化撒砂系統(tǒng)組成及原理示意圖

如圖1所示，智能化撒砂系統(tǒng)主要由撒砂控制模塊、出砂模塊和反饋模塊組成。各模塊的功能和工作原理介紹如下：

(1) 撒砂控制模塊：用于接收撒砂指令和讀取當(dāng)前軌道車輛的行駛速度，計(jì)算并發(fā)送與當(dāng)前行駛速度對(duì)應(yīng)的撒砂信號(hào)，撒砂信號(hào)主要包括控制閥門組件的信號(hào)和控制電機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速信號(hào)。另外，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行撒砂功能時(shí)，可接受反饋模塊輸出的壓力傳感器信號(hào)和流量傳感器信號(hào)。

(2) 出砂模塊：由氣路閥板單元和撒砂組件組成。氣路閥板單元接收撒砂控制模塊發(fā)出的控制閥門組件的信號(hào)，并將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為干燥供風(fēng)和吹砂供風(fēng)輸出。撒砂組件提供氣路閥板單元輸出的干燥供風(fēng)和吹砂供風(fēng)接口，并接收撒砂控制模塊輸出的控制電機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速信號(hào)，由螺桿將砂箱中的砂子撒出砂箱，電機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速大小直接決定撒砂量的大小。具有電機(jī)螺桿的撒砂組件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

注：箭頭代表砂子流動(dòng)的方向圖2 電機(jī)螺桿撒砂組件結(jié)構(gòu)原理圖

如圖2所示，撒砂組件安裝在砂箱底部，砂子在重力的作用下會(huì)填滿進(jìn)砂口，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，砂子在螺桿的輸送作用下會(huì)被運(yùn)送到出砂口處，從而實(shí)現(xiàn)定量撒砂功能。在撒砂的同時(shí)，進(jìn)氣口處與氣路閥板單元的吹砂出風(fēng)口相連，可實(shí)現(xiàn)定壓吹砂的功能。螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)出砂模塊與撒砂控制模塊之間采用的是電性連接。

(3) 反饋模塊：用于監(jiān)測(cè)出砂模塊的實(shí)際吹砂壓力和實(shí)際撒砂流量并發(fā)送至撒砂控制模塊以調(diào)整撒砂信號(hào)，反饋模塊與出砂模塊和撒砂控制模塊采用的是電性連接。

在軌道車輛運(yùn)用過(guò)程中，撒砂控制模塊接受到撒砂指令后，自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)前速度條件下對(duì)應(yīng)的目標(biāo)撒砂量和吹砂壓力，并把目標(biāo)撒砂量信號(hào)和吹砂壓力信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為電機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速信號(hào)和吹砂壓力信號(hào)輸出到出砂模塊，當(dāng)砂子撒出出砂模塊后，反饋模塊自動(dòng)檢測(cè)實(shí)際的撒砂流量和吹砂壓力，并把實(shí)際的撒砂流量和吹砂壓力以電信號(hào)的形式反饋至撒砂控制模塊，撒砂控制模塊將目標(biāo)撒砂量信號(hào)和吹砂壓力信號(hào)與反饋的實(shí)際撒砂量信號(hào)和吹砂壓力信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，若超過(guò)允許的誤差范圍，則撒砂控制模塊輸出修正后的撒砂量信號(hào)和吹砂壓力信號(hào)，從而使反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)盡可能地保持一致。

2 智能化撒砂系統(tǒng)控制策略

軌道車輛在運(yùn)用過(guò)程中，撒砂控制模塊始終讀取列車的速度信號(hào)，并判斷是否接到了撒砂指令(注：撒砂指令既可設(shè)置為司機(jī)臺(tái)撒砂按鈕發(fā)出的撒砂硬線指令，也可與列車的安全回路聯(lián)動(dòng)，即當(dāng)列車執(zhí)行最大常用制動(dòng)或緊急制動(dòng)時(shí)，自動(dòng)向撒砂控制模塊發(fā)出撒砂指令)，當(dāng)接到撒砂指令后，撒砂控制模塊開(kāi)始發(fā)出控制撒砂量的信號(hào)和吹砂壓力信號(hào)。

撒砂量的大小是通過(guò)控制電機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的，推薦的電機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速與當(dāng)前軌道車輛的行駛速度的預(yù)設(shè)映射關(guān)系為：

當(dāng)軌道車輛的行駛速度為V≤200 km/h時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為：N=K·V/S

(1)

當(dāng)軌道車輛的行駛速度V>200 km/h時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為：N=[(K+B)·V-C]/S

(2)

式中：N——電機(jī)轉(zhuǎn)速；

K——撒砂速度常數(shù)；

V——當(dāng)前軌道車輛的行駛速度；

S——電機(jī)螺桿的每轉(zhuǎn)撒砂量；

B——撒砂速度補(bǔ)償常數(shù)；

C——撒砂量調(diào)節(jié)常數(shù)。

推薦的吹砂壓力與當(dāng)前軌道車輛的行駛速度的預(yù)設(shè)映射關(guān)系為：

P=R·V2+D

(3)

式中：P——吹砂壓力；

R——吹砂壓力常數(shù)；

V——當(dāng)前軌道車輛的行駛速度；

D——吹砂壓力調(diào)節(jié)常數(shù)。

由上述分析可知，智能化撒砂系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速、吹砂壓力分別和當(dāng)前軌道車輛的行駛速度為線性關(guān)系，不同的行駛速度對(duì)應(yīng)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速和不同的吹砂壓力，從而可根據(jù)當(dāng)前軌道車輛的行駛速度實(shí)現(xiàn)對(duì)吹砂壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)控制。

執(zhí)行撒砂動(dòng)作后，由反饋模塊監(jiān)測(cè)撒砂量和吹砂壓力，并把二者的反饋信號(hào)反饋至撒砂控制模塊，撒砂控制模塊將反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，反饋的吹砂壓力與目標(biāo)壓力允許誤差范圍為15 kPa，反饋的撒砂量與目標(biāo)撒砂量對(duì)應(yīng)的允許誤差范圍為20 g/min。若超出上述誤差范圍，撒砂控制模塊將對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速或吹砂壓力進(jìn)行調(diào)整，直至反饋值處于目標(biāo)值允許的誤差范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

本文提出一種軌道車輛用的智能化撒砂系統(tǒng)，主要包括撒砂控制模塊、出砂模塊和反饋模塊，通過(guò)撒砂控制模塊輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)和吹砂壓力控制信號(hào)分別對(duì)撒砂量和吹砂壓力進(jìn)行控制，且設(shè)置了可監(jiān)測(cè)出砂模塊實(shí)際的撒砂量和吹砂壓力的反饋模塊，反饋模塊可將所述反饋信號(hào)發(fā)送給撒砂控制模塊并與目標(biāo)撒砂信號(hào)相比較后進(jìn)一步調(diào)整撒砂信號(hào)，以使所述反饋信號(hào)與撒砂信號(hào)相對(duì)應(yīng)，進(jìn)而提高了撒砂精度，進(jìn)一步改善軌道車輛的輪軌黏著性能。避免了在軌道車輛低速運(yùn)行時(shí)撒砂量過(guò)大或者高速運(yùn)行時(shí)撒砂量過(guò)小的現(xiàn)象，并能根據(jù)軌道車輛的行駛速度有效地改善輪軌之間的黏著狀態(tài)，從而可進(jìn)一步地改善軌道車輛的輪軌黏著性能，提高了對(duì)砂子的合理利用，有利于節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。