关于改善宁高线轮轨黏着的建议措施

丁亦丰

一、情况概述

南京地铁S9号线（宁高城际）于2017年12月30日正式运营，期间在正线出现较多的滑行现象导致信号系统施加紧急制动，并且打滑大多发生在明觉站与团结圩站之间。

宁高线车辆为地铁B型车，采用2动1拖编组，最高运行速度为120km/h。采用架控的EP2002空气制动系统（防滑保护时为轴控模式），转向架基础制动装置采用盘式制动。

宁高线全长52.42km，其中地下线3.61km，地面段4.62km，高架段44.19km，共设6座车站，其中高架站5座，地面站1座，明觉站与团结圩站之间为石臼湖大桥。

宁高线车辆运行特点是速度高、编组短、载客少;线路特点是全线绝大部分为高架露天且部分区段经过湖泊水域空气湿度大。

车辆技术合同要求在平直干燥洁净的轨道条件下列车最高速度（120km/h）时的紧急制动平均减速度至少为1.2m/s2。平直干燥洁净的轨道条件下列车最高速度（120km/h）时的最大常用制动平均减速度至少为1.0m/s2。 在制动系统设计时还需要充分利用电制动，且计算所需轮轨黏着为0.14—0.16。

具体要求如图1所示：

二、影响轮轨黏着的因素

列车在启动和加速的过程中和轮轨的黏浊特征的关系非常的紧密，并且影响因素是比较多的，例如速度和接触面的状态等等。主要的原因包含的是接触面的状态，特别是如果钢轨存在着水和油等一些介质时，那么粘着系数会在不断的下降。

在轮轨干燥而清洁时黏着系数较大;在轮轨刚刚潮湿或有霜雪、油污时，黏着系数将明显减小;但如果连续大雨，钢轨被冲刷得很洁净，则钢轨虽然很湿，黏着系数也不会減小太多。如果粘着系数无法满足相关标准的话，那么会在牵引时出现车轮空转的问题，无法达到应有的速度，另外在制动时很难让车轮滑行，也会在后续制动时存在着距离超出预定范围的问题。当车轮在空转和滑行时都会对轨道表面造成一定的擦伤，增加了后续的维护成本，也会增加后续运行的安全风险。

由于宁高线的运营环境大部分为露天高架线路，主要影响其轮轨黏着的环境因素为雨水或者露水，统称为水介质。在这一条件的影响下，会随着粘着系数的变化而对速度造成一定的影响，由于整个接触表面是粗糙的表面，要考虑粗糙表面的成分和弹性流体相关的状态，在介质条件下，车轮当以更高速度通过钢轨表面时会形成致密性较强的水膜，在水膜的作用下会有水磨的厚度和凹凸表面来决定后续的混合润滑状态。如果表面是凹凸不平的话，那么会产生共同的压力，使得整个车轮处于摩擦的状态中，具体情况如下图所示：

由于式（3）中的 e值变大，从而使μ值变小。这就是水介质条件下由于速度上升而导致黏着系数发生急剧下降的原因。

为研究水介质条件下的轮轨黏着关系，轨道科学研究院在实验室内也进行大量的试验，对水介质条件下轮轨黏着特性及其影响规律进行了对比性分析，最终得出如下结论：

1.在喷水量不断增加的时期，粘着系数会随着水量的增加逐渐的减少，但是当到了每分钟200毫升左右时，水量在不断的增加，最终的粘着系数是保持不变的。

2.在水介质的条件下，会随着接触表面粗糙度的不断增加而增加，两者是成正比关系的，在不同的速度区间内，表面粗糙程度对粘着系数的影响并不是那么的明显，在高速区间内表面粗糙度的影响相比于低速度来说，影响是比较明显的，在表面粗糙度较低时，速度和粘着系数的影响非常的密切。

3.轮轨的粘着系数还和喷水温度有着密切的关系，例如会随着温度的升高而不断的增加。

4. 轮轨黏着系数在水介质条件下在轴重10〜16t的范围内，对于粘着系数的影响并不是那么的明显，只影响10%左右。

5. 水介质条件下，在40〜200km/h速度范围内，粘着系数和速度之间是呈反比关系的;在200〜400km/h速度范围内，减小得较缓慢。

喷水量、轮轨接触表面粗糙度、运行速度对水介质条件下的轮轨黏着系数影响较大，喷水温度和轴重的影响较小。因此为了保证正常的列车牵引制动性能， 即达到预期的黏着系数，可以通过增加轮轨接触表面粗糙度有效提高水介质条件下的轮轨黏着系数。但轮轨模拟试验结果表明当黏着系数超过0.3时， 轮轨磨损即迅速加剧。所以在考虑增加轮轨黏着系数的措施同时应兼顾轮轨之间磨损速率。

三、已采取改善黏着的措施

为应对宁高线可能出现的正线由于黏着不足产生滑行的情况，设计初期车辆已增加相应功能，以达到改善或充分利用黏着的目的。

1.滑行时制动力重新分配。宁高线车辆所使用克诺尔EP2002空气制动系统，其本身存在防滑控制功能，即一旦检测到因外界因素或较大的制动力引起轮对打滑时，制动阀会重新分配各轴制动力，不断调整各轴制动力充分利用黏着的同时对车辆滑行进行修正，以期达到在低黏着条件下尽可能缩短制动距离及避免车轮擦伤的目的。

防滑控制系统是尽可能避免因轴速突变（如轮轨状态较差）而产生的车轮擦伤现象，是一种自适应（有轴速差自动激活动作）自调整（调整当前制动力与当前轮轨黏着水平接近）系统。但其防滑保护功能并非是全能型，对于轮轨黏着状态差这一事实并不能由防滑保护系统动作而实质上改变（在防滑控制过程中有部分改善），对于轮轨黏着改善需要更专业更对口的技术系统来完成。

防滑保护系统工作是一种正常反应及动作，设置防滑保护系统的目的就是在需要其动作的时候能快速有效地保护车轮尽可能不擦伤（防滑保护不及时车轮擦伤非常容易出现），但不能因其动作（降低制动力）而将最终制动距离延长的事实认为是防滑系统的故障导致，这其实是对防滑保护定位认识上的一个误区。

2.增加研磨子。宁高线车辆在A车上配置了研磨子，其作用是改善轮轨的黏着并清扫踏面杂物，其触发控制逻辑如下：

（1）列车施加制动，同时列车速度高于30km/h时，研磨子踏面清扫装置动作;当列车速度小于20km/h时，踏面清扫停止动作。

（2）当该车任意一轴产生滑行或空转时，研磨子踏面清扫装置动作;直至滑行或空转信号消失，踏面清扫停止动作。

该研磨子采用增粘配方，可以一定程度上改善轮轨黏着。

3.对减速度进行分段控制。在实际控制时要加强对整个制动过程的全面分析，并且按照速度的特点进行层次性的划分，在高速阶段按照线性变速的方式进行减量，在这一区间内速度在明显的降低。对于制动力来说是随着速度呈线性的方式而不断增加的，之后再按照恒减速读进行制动，直到车辆停止运行，通过分段制动力的控制，达到良好的控制效果，具体的曲线如下图所示。

4.采用干式轮缘润滑装置。在国内的大多数地铁中采取的是传统油脂润滑的方式将油纸喷在车轮的边缘处，但是在露天的环境下，会随着温度的湿度而不断的变化，例如油脂在使用时会逐渐的上升到钢轨上，增加后续行车的风险，也会出现一定的粘着问题。

5.预留撒砂接口。宁高线在A车拖架一轴，B车动架（PB1）一轴都预留了撒砂喷嘴的安装接口。

四、改善黏着的建议

宁高线正线频繁发生打滑问题归根结底是由于黏着过低造成，为使该情况下车辆依然能满足技术设计要求提出以下措施：

1.增设撒砂装置

这一装置要将沙粒喷在轨道上，刺破轨道上的油膜传，为轨道的使用奠定良好的条件，同时利用这一材料还可以使轨道粗糙度，在不断的提高全面的提升轨道本身的粘着系数，保证后续行车的安全性，如图4、图5所示。

从根本上解决目前正线由于滑行产生紧急制动、冲标这类问题应该着眼于轮轨黏着的提高和改善，而目前切实有效的手段是增设撒砂系统及磁轨制动，但对于运行速度并非特别高的地铁列车来说（即使高铁列车也是通过加装撒砂系统来提高和改善轮轨黏着），撒砂系统相对来说是一种性价比高的方案。

撒砂系统由砂箱、砂位传感器、撒砂阀、软管和喷嘴等组成（见图6）。撒砂所需风源通过总风管提供。每次行进中，位于前进方向的撒砂装置处于工作状态（见图7）。

从前期项目对比撒砂及防滑试验结果（如表2所示）来看，撒砂系统对于改善轮轨黏着有非常明显的效果。另外在试验过程中也进行了踏面清扫增粘装置对于防滑状态下制动距离改善的试验，从改善滑行及缩短制动距离这一角度来看，基本上没有明显改善的效果。

撒砂装置将砂粒喷在轨道上，砂粒刺破轨道上的水膜或油膜，改善轨面条件，同时砂粒可以增加轨道的粗糙度，提高轨道黏着系数，缩短制动距离及增加电客车爬坡能力。启动撒砂功能的目的是提高轮轨黏着能力，撒砂量对提高轮轨黏着能力有着明显的影响。撒砂量过小时，增粘效果不明显;撒砂量过大时，多余的未被碾碎的砂子，起不到增粘的效果。与此同时也会带来相应问题：

1、增加轮轨接触面粗糙程度可能导致轮轨磨耗加剧;

2、对轨道两旁造成砂量的堆积，影响轨道检修，需要定期清理;

3、对道岔区及转辙机造成影响，影响正常工作，需要定期清理;

4、撒砂单元喷嘴在冬季会存在上冻问题，需增设相应加热功能;

5、砂的黏度、成分、硬度和湿度都必须符合一定要求，为确保撒砂功能正常使用，会在一定程度上增加运营维护成本。

上述部分问题，可通过优化TCMS软件、硬件更改及进行人工干预的方法进行改善，但由于撒砂系统的设备特性带来的风险和缺陷无法完全消除。

2.定期对特定区段线路进行轨面打磨、清潔。建议由工务分公司对易产生打滑区段的轨道、环境进行差异性分析，并采取相应措施提高轮轨间的黏着。

3.在特定区段增设轨旁喷涂增粘剂。如美国洛杉矶 LACMTA线上所采用的轨旁增粘剂喷涂装置。