CRH380A型动车组撒沙专项试验

梁德龙

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 电气开发部， 山东青岛 266111)

动车组运营过程中，特别是恶劣环境条件及复杂工况下，制动的安全性、可靠性要求越来越高。目前动车组主要是采用黏着制动方式，列车能否实现有效的制动，轮轨黏着条件起关键作用。因此，在恶劣环境下，改善轮轨黏着条件，是提升动车组制动安全性的一种有效方式。研究表明[1-2]，撒沙可提高轮轨间的表面粗糙度，破坏轮轨之间的水膜或油膜，从而有效改善黏着。根据地面试验结果，水介质工况下，撒沙可增加轮轨黏着系数50%～65%[3]；干轨工况，撒沙对黏着系数的影响较小。

针对前期动车组在恶劣黏着工况下发生了制动距离不同程度延长的问题，选取配置不同增黏装置的动车组进行80 km/h制动初速度、干轨及湿轨工况下的低速制动距离对比测试。其中动车组1配置研磨子增黏装置，湿轨工况增黏后的制动距离相对干轨制动距离延长25%；动车组2配置撒沙增黏装置，湿轨工况自动撒沙增黏后的制动距离相对干轨制动距离延长17%，手动撒沙增黏后的制动距离相对干轨制动距离延长3%。通过低速对比测试，可以看出撒沙增黏效果最为明显。

为了进一步验证撒沙对黏着条件改善的效果，考虑实际线路与地面试验存在速度等级、车下走行风、振动等方面的差异，基于已加装撒沙装置的CRH380A型动车组，按照相关标准及方法[4-7]开展了200 km/h、250 km/h、300 km/h等速度等级的干轨、喷洒减摩液工况的线路撒沙专项试验。各工况分别进行切除撒沙、自动撒沙、手动撒沙的组合试验，验证各工况下撒沙对制动距离、瞬时减速度等参数的改善效果。

1 测试设备及布置

1.1 测试原理

主要通过制动距离、瞬时减速度、平均减速度等参数对撒沙改善黏着的效果进行评估，因此在这种复杂工况下，准确地获取上述参数尤为重要。文中采用车辆轴速度、非接触式GPS和陀螺仪相结合的方法对上述参数进行准确测量。

制动试验区间均存在一定的坡度(最大坡度为3‰)，考虑线路坡度和实际制动初速的偏差影响，对制动距离的修正公式为式(1)：

(1)

式中L1为修正后的制动距离，m；L为实测走行距离，m；v0为目标制动初速度，km/h；v为实测制动初速度，km/h；i为线路坡度，‰；R0为惯量系数。式(1)中，R0一般取0.08，在i前的“+”表示下坡，“-”表示上坡。

根据制动初速、走行距离计算平均减速度的公式为式(2)：

(2)

式中a为平均减速度，m/s2；v为制动初速度，m/s；S为走行距离，m。

1.2 测试设备及布置

试验用列车装有2套洒水装置、2套视频监控设备、2套cRIO采集设备及1套VBOX采集设备，对撒沙试验过程数据进行监测。

头尾车安装的洒水装置，分别用于不同主控车方向，轮轨低黏着工况的模拟。撒沙状态的监控，通过带有夜视功能的摄像头与视屏记录设备，将实时画面传输至显示器并存储于本地硬盘。cRIO采集设备采集1车、2车、7车及8车的制动信息及滑行数据。VBOX采集设备采集整车的制动距离、瞬时减速度等信号。基于以上监测数据，综合评估撒沙功能对轮轨黏着关系的改善效果。试验设备如图1所示。

图1 测试方案示意图

2 撒沙配置说明

CRH380A型动车组配置有自动撒沙与手动撒沙功能，撒沙系统由制动控制器(BCU)、撒沙控制阀、干燥系统、沙箱及撒沙口等部分组成。分别在T1车3轴、M1车2轴和3轴、M6车2轴和3轴、T2车2轴设置有撒沙装置，撒沙装置配置情况如图下2所示。

图2 撒沙装置位置及方向控制示意图

图2中，撒沙控制系统根据车辆的运行方向，控制对应的撒沙装置。前向(T1车主控)控制T1车3轴、M1车3轴和M6车3轴撒沙装置，后向(T2车主控)控制M1车2轴、M6车2轴和T2车2轴撒沙装置。撒沙控制包括手动撒沙和自动撒沙，司机控制台设有手动撒沙按钮，BCU检测到手动撒沙信号后，根据列车的前进方向控制相应的撒沙装置执行撒沙动作；BCU检测出车辆发生严重滑行后，输出自动撒沙请求信号，网络综合各车的自动撒沙请求信号后向BCU发送自动撒沙控制信号，BCU根据列车的前进方向控制相应的撒沙装置执行撒沙动作。

3 减速度设计情况

高速动车组制动系统的减速度需要基于黏着系数进行设计，同时综合考虑高速、中速及低速运行阶段的制动性能，最终实现满足各个速度等级的制动距离要求。CRH380A型动车组设计减速度综合参考了TSI及日本新干线的黏着系数，在高速区段的减速度设定相对较低，而低速区段的减速度设定相对较高。减速度曲线设定如图3所示。

通过图3可以看出，与TSI干轨黏着系数相比，紧急制动EB的减速度设定值在20 km/h至70 km/h区段剩余可用黏着余量最小，随着速度的增加，余量增大；与新干线干轨黏着系数相比，紧急制动EB的减速度设定值在100 km/h至200 km/h区段剩余可用黏着余量最小，随着速度的增加或减少，余量均增大。通过与TSI及日本新干线的黏着系数进行对比，可以看出在相同的轨面黏着条件下，中低速制动工况动车组更容易发生滑行。

4 试验数据分析

4.1 撒沙状态

根据车下撒沙装置处所安装监控装置的视频记录，160 km/h以下低速工况，设定撒沙压力小，撒沙量较少，视频截图如图4所示，撒沙装置能够有效的将沙砾喷洒至轮对与轨道中间，撒沙状态良好。160 km/h以上高速工况，设定撒沙压力大，撒沙量较多，视频截图如图5所示，由于车下走行风风速较大及撒沙压力的增加，有部分沙砾被吹至轮轨外侧，但大部分沙砾有效保留于轮对与轨道中间，撒沙装置仍然能够保持良好的撒沙效果。

图3 CRH380A动车组减速度设计

图4 低速工况撒沙状态

图5 高速工况撒沙状态

4.2 制动距离分析

分别选取200 km/h、250 km/h及300 km/h制动初速度，紧急制动EB工况，干轨、切除撒沙功能喷洒减摩液、设置自动撒沙功能喷洒减摩液及设置手动撒沙功能喷洒减摩液条件下，撒沙对制动距离影响的效果分析，详细测试数据见表1。

表1 不同制动初速下撒沙对制动距离影响

根据上表数据，可以看出：撒沙能够有效地改善轮轨黏着条件，明显缩短制动距离，撒沙对低速制动工况下的轮轨黏着改善更为明显，在同种制动工况下手动撒沙改善效果更加明显。

4.3 瞬时减速度分析

车辆的瞬时减速度能够直接反映车辆的实际制动力，通过撒沙前后一段时间内车辆瞬时减速度的变化数据，分析轮轨间的黏着状态变化情况。图6为200 km/h制动初速度、紧急制动EB级位、喷洒减摩液、自动撒沙工况下的典型减速度响应曲线。

图6 撒沙对瞬时减速度影响

图6中，在制动开始时刻A，车辆未发生滑行，瞬时减速度迅速上升并达到设计要求。在B速度区段，随着速度的降低、设计减速度的增加，制动力大于黏着力，车辆发生滑行，瞬时减速度减小并低于设计值，同时车辆伴有一定的抖动。C时刻(图中速度降低至83.3 km/h)，随着滑行的加剧，车辆实时减速度急剧下降，发生严重滑行，此时BCU控制输出撒沙信号，开始撒沙，经撒沙增黏，轮轨间黏着关系得到一定的改善，车辆滑行减轻，瞬时减速度开始增加。D时刻，轮轨黏着关系进一步改善，严重滑行解除、停止撒沙，同时残留在轮对与轨道中的沙砾，对轮轨间黏着关系的改善持续了一段时间，实时减速度继续增加(E区段)。

5 结 论

综合以上对制动距离和瞬时减速度的测量和分析，得出主要结论如下：

(1)在轮轨黏着条件较差的工况下，撒沙能够有效地改善轮轨间的黏着条件，减小制动力的损失，缩短车辆制动距离，提高车辆的制动性能，从而保障运输能力和行车安全。

(2)结合CRH380A型动车组的减速度曲线设定情况，在高速区段，动车组减速度设定值较低，要求的黏着系数略小；在中低速区段，动车组减速度设定值较高，要求的黏着系数更高，动车组发生滑行的概率及滑行深度较高速时更大；另外，速度较高时对走行距离的贡献更大，总制动距离将更长。因此，在特定的试验条件下，从制动距离的角度，撒沙对低速工况下轮轨黏着的改善效果更为明显，制动距离缩减率更大。

(3)CRH380A型动车组手动撒沙为制动全过程人工控制进行撒沙；自动撒沙为BCU检测到车辆发生一定程度的滑行后(列车减速度已经发生一定程度的降低)才进行动作，此过程会导致制动距离产生一定的增加，因此手动撒沙较自动撒沙对制动距离的改善效果更优。