撒砂装置在低地板车辆上的应用

■ 蒋红果 徐红星

低地板车辆紧急制动时减速度要求达到2.8 m/s2，即使考虑到不依靠轮轨黏着的磁轨制动，车辆对轮轨间的黏着要求也很高，正常轮轨条件下很难保证车辆不发生滑行。低地板车辆在坡道60‰的线路上运行，牵引时同样存在空转风险。车辆设计时必须配置撒砂装置，通过对轨道喷砂增加轮轨间的黏着，以减少车辆运行时的空转和滑行。

根据国内外对轮轨黏着的研究，结合国外撒砂装置生产厂家经验和实际测得数据，轮轨间无砂和有砂对黏着系数改变状况见表1。在轨道条件较差时，撒砂装置对黏着系数改变尤为明显，不同类型砂子对黏着的改变有所不同。

1 撒砂装置配置

撒砂装置配置很大程度上取决于车辆参数，以苏州高新区有轨电车1号线为例，其车辆制动参数如下。（1）最高运行速度：70 km/h；（2）常用制动平均减速度（70～0 km/h，包括响应时间）：≥1.2 m/s2；（3）安全制动平均减速度（70～0 km/h，包括响应时间）：≥1.5 m/s2；（4）紧急制动平均减速度（70～0 km/h，不包括响应时间）：≥ 2.8 m/s2。

以AW 2载荷进行计算，要达到2.8 m/s2的减速度，总制动力需要187 k N，其中磁轨制动提供制动力为41 kN，牵引提供最大电制动力为113.4 kN；根据液压制动补充原则，紧急制动时仅在拖车上施加液压制动，计算得到需要在拖车上补充的液压制动力为32.59 kN，推算出动车转向架需要的黏着系数为0.26，拖车转向架需要的黏着系数为0.14。表1中干轨、无砂情况下轨面黏着系数约为0.20，因此必须为低地板车辆配置撒砂装置。

撒砂装置在车辆的安装位置同样会影响撒砂效果。根据车辆实际情况，苏州高新区有轨电车1号线车辆将撒砂装置配置在动车前端的转向架上。因为牵引力由动车转向架提供，坡道启动时砂砾需要撒在动车转向架的轮轨间；制动时动车转向架上有电制动，在电制动不足情况下还会补充液压制动，拖车上仅施加液压制动，计算得知动车转向架上需要的黏着更高；同时车辆两端转向架为动车转向架，在列车运行方向前端转向架上撒砂，对整列车转向架轮轨黏着改善最有效。因此，车辆设计时为两端动车转向架配置了8套撒砂装置（见图1），车辆行进时，前端4套撒砂装置处于工作状态。

低地板有轨电车制动系统与通常地铁制动系统本质不同，其不采用空气制动，而采用液压制动，没有配置制动风源系统。因此，需要为撒砂装置配置单独风源，在车辆上撒砂装置作为一个独立的系统，其主要由空压机模块、储砂模块、注砂模块、喷砂模块及喷嘴模块组成（见图2）。

2 撒砂装置关键部件

2.1 空压机模块

空压机模块包括空压机、电机、过滤器、单向阀、排气电磁阀、压力开关、安全阀、风缸、压力测试接头、撒砂电磁阀等。电机采用无刷直流电机，300 W，转速1 550±10 r/m in。空压机采用无油、风扇冷却、免维护的空压机，最大出口压力设计为10 bar，流量70 L/m in（4.2 m3/h），活塞腔容积52 cm3。排气电磁阀的设计主要是避免空压机带载启动，保护其寿命，在空压机启动前1 s，电磁阀得电将空压机上游压力排出。1 L的风缸主要起储能作用，提高撒砂的响应时间，当撒砂电磁阀接收到指令后，风缸里的压缩气体迅速进入撒砂器，同时空压机启动泵风。安全阀设置为10.5 bar。压力开关在0～10 ba r压力范围，根据撒砂量要求设定其上下限值。撒砂电磁阀接收到指令后，执行撒砂气路的关断。撒砂装置撒砂气路原理见图3。

根据撒砂装置空压机模块参数，提出苏州高新区有轨电车1号线的车辆撒砂装置相关设计参数（见表2）。

2.2 喷砂模块

喷砂器采用拉瓦尔喷管结构，由2个锥形管组成，通过喷管可使具有一定压力及较低速度的气体产生超音速流。根据流体力学原理，气体在稳定流动状态下，单位时间内气体经过喷嘴的每一个截面气体质量均相等。

表2 撒砂装置相关设计参数参数 数值运行电压/ V 24电压公差/％ ±30电流（DC）/ V 24（25A）撒砂量/（g·m in-1） 300～1 200撒砂量最大偏离/％ ±10运行温度/℃ -25～50压缩机 无油压缩机系统压力/bar 1～10每套撒砂设备总质量/kg ≤31.7储砂器容量/ L 25喷嘴排砂响应时间/s ≤0.5

低速压缩气体运动遵循“流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小”的原理，气体由喷嘴1进口进入后，喷嘴的前段由大到小逐渐收缩，而气流速度逐渐增大，当沿气流流动方向截面收缩到最小处时，流速达到临界速度即音速，此时压力近似喷嘴进口处的一半压力，达到音速的气流压缩性变强，经过收缩的喷管时被强烈压缩，速度反而变慢，而经过扩张的喷管时体积膨胀，速度加快，到达喷嘴2时气流速度进一步加速。因此，必须在喷嘴临界面后增加一段渐扩段，可在喷嘴出口处获得比音速更大的流速即超音速，并在此处建立低压区域。

喷嘴出口与密闭空腔相通，其内的气体不断被高速流体带走，压力下降形成负压，并最终形成真空。通过真空原理将砂从砂箱中吸出，因此并不需要维持气密或加压的砂箱。同时砂与高流速气体在喷管中混合形成高流速砂流，通过喷砂软管及喷嘴被精确地喷撒到轮轨界面上。砂砾与气流在喷管中的混合原理见图4。当电动机关闭后，高速砂流能够沿着喷砂软管经喷砂嘴喷出，有效防止灰尘及残留砂粒积沉，保证了喷管内部清洁。

2.3 砂位传感器

砂位传感器采用振动弹片传感器（音叉传感器），可不间断监测砂箱内的砂位高度并通知驾驶员。振动弹片通过压电元件和机械共振频率被激发，而通过砂子带动的不同频率可使振动弹片复原。这个检测是通过传感器上的集成电子元件完成，而后将其转换成通信指令。

振动弹片传感器是通过安装在基座上的一对压电晶体使弹片在一定共振频率下振动。当弹片与砂砾相接触时，弹片的振幅和频率发生突变，智能电路对此进行检测并将这种变化转换为开关信号。振动弹片传感器工作原理见图5。一般采用标准抛光电极，通过高频激励，实现优异的抗噪声干扰能力。振动弹片传感器工作与不同砂粒的导电率、介电常数、黏度、压力及温度无关。

2.4 砂量调节

计算得到的轮轨黏着系数为0.26，因地面轨道黏着受天气影响较大，同时结合国外运营经验，正常情况下撒砂量为600～800 g/m in，考虑到最恶劣的条件，撒砂量确定为300～1 200 g/m in。

砂量的调节通过撒砂器进砂口大小、压缩空气流量或压缩空气压强实现，苏州高新区有轨电车1号线车辆采用调节压缩气体压力实现。调节气压控制喷砂量，需在撒砂装置中配置一个1 L的小风缸及压力开关，通过设定压力开关的上下限值控制风缸的压力大小实现砂量调节。

3 撒砂装置电气控制

撒砂控制分为手动和自动，手动撒砂通过按钮实现，自动撒砂由VCU或DCU控制。

3.1 手动撒砂

手动撒砂是通过司机室内的“撒砂”按钮，按下即可。正常运行过程中，“撒砂”按钮的激活由VCU读取，并执行100％的撒砂量。应急运行过程中，通过车辆控制线的“撒砂方向1”或“撒砂方向2”（100％的撒砂量），司机室内被激活的“撒砂”按钮直接控制所有平行的撒砂装置（取决于行车方向）。车辆控制线的“撒砂方向1”或“撒砂方向2”的激活由车辆内被激活的VCU和数据记录仪读取。

3.2 自动撒砂

自动撒砂在以下情况被激活：（1）正常运行过程中，当打滑或滑行发生时，由VCU激活，进行转向架选择并取决于行车方向；（2）紧急制动情况下，达到静止之前通过硬线激活，取决于所有撒砂设备的行车方向；（3）紧急制动情况下，操作锁闭按钮——“司机紧急制动”，通过硬线激活，取决于所有撒砂设备的行车方向；（4）应急操作过程中，当打滑或滑行发生时，由DCU激活，进行转向架选择并取决于行车方向。

正常运行过程中，出现打滑/滑行时，自动撒砂由VCU控制，进行转向架选择，并取决于行车方向，撒砂量为100％。在网络故障运行过程中，出现打滑/滑行时，自动撒砂请求由MOD1和MOD7中的DCU控制，需要进行转向架选择，并取决于行车方向，撒砂量为100％。车辆控制线的“撒砂方向1”或“撒砂方向2”的激活由车辆内被激活的VCU和数据记录仪读取。

3.3 砂位监控

每个砂箱均安装砂位传感器。VCU监控每个砂箱的砂位（low-active = 最低砂位）。如果砂位低于最低限位，此信息在IDD上向司机显示，并在诊断系统中存储。所有砂箱砂位的概要消息——“砂位OK”，通过M VB发送至数据记录仪。

3.4 喷嘴加热

加热装置安装在撒砂喷嘴处，如果达到设定温度（一般为5 ℃），加热装置由VCU激活。如果辅助变流器的24 V供电发生故障，车辆仅由蓄电池供电，撒砂喷嘴加热功能可执行休眠操作。

4 结束语

撒砂装置作为低地板车辆的重要组成部分，对保证制动距离和对车辆滑行/空转起重要作用。目前，国内撒砂装置结构简单，没有独立的空压机模块，撒砂器多采用重力式，应用在低地板车辆上的撒砂装置很少，技术同样亟待升级。

国内撒砂装置生产企业在开发低地板车辆撒砂装置的同时，应从车辆运营商角度考虑，做好撒砂装置配套服务，增加企业产品种类，如加砂车、轨道清理车（低地板轨道的槽型轨需要定期清理砂砾）等，成为撒砂系列产品的供应商。

[1] W erner Bartling，李垒. 铁路车辆新型撒砂系统[J]. 国外内燃机车，2010(1)：13-16．

[2] 天津大学工业机械手设计编写组. 工业机械手设计基础[M]. 天津：天津科学技术出版社，1981.

[3] TB/T 3254—2011 机车、动车用撒砂装置[S].