基本介紹
產品用途,套用領域,
產品用途
車輛採用防滑器後。 列車運行中防滑器如果頻繁動作,將可能使制動距離延長,超過規定。因此,防滑器應在防止車輪滑行的同時,還應能充分利用輪軌間粘著,防止制動距離過多延長。當然,在粘著不良或粘著下降時,防滑器產生防滑作用,可能使制動距離有所延長。但這是與採用相同制動力而且粘著良好、不產生滑行的情況下相比的。如果沒有防滑器作保障,就要降低粘著的利用程度,無法提高制動力,也就不能充分利用粘著、縮短制動距離,甚至有可能超過規定的制動距離要求,所以與這種情況相比,在安裝防滑器以後,由於提高了制動力,即使防滑器產生作用,其制動距離也縮短了。
防滑控制與粘著的關係
高速列車運行時動能增加,為縮短制動距離,制動力也要增大。在粘著制動的情況下,當制動力超過輪軌間粘著力時,就會發生滑行。因此,防滑控制就要從控制制動力著手,使之不超過粘著力。理想的制動力控制應使制動減速度的變化趨勢與粘著係數的變化趨勢相同,並儘可能使制動減速度接近不發生滑行之最大減速度(最大減速度根據粘著係數求得,由減速力不超過粘著力, 以充分利用粘著。
防滑器的防滑控制依據
防滑器是在制動力即將超過粘著力時(此時防滑器判斷為“滑行” ) ,降低制動力,使車輪繼續處於滾動(或滾滑)狀態,避免車輪滑行。因此,關鍵是在什麼時候判斷為“滑行” ,判斷早了,會使制動力損失過大,無法充分利用輪軌間粘著,使制動距離延長較大; 判斷晚了,就會產生滑行,造成踏面擦傷,起不到防滑作用。防滑器判斷出“滑行”以後,控制制動力的變化過程也很重要。由於防滑器普遍採用了微處理器控制(或稱微機控制) ,在判斷出滑行後,並不是簡單地降低制動力,而應通過對制動缸壓力反覆進行減壓、保壓和升壓,最大限度地利用輪軌間粘著,所以防滑器對制動力的控制既要能防止滑行,又要不致使制動力損失過大,以利用粘著。
目前,已有的防滑器在判斷“滑行”時,採用了許多判據,主要依據的是速度差、減速度、滑移率、減速度微分等,其中速度差和減速度採用的較為普遍。防滑器根據速度差、減速度等的變化,相應地控制制動力變化, 以避免車輪滑行。但無論採用哪一種判據,都應把防滑與充分利用粘著作為主要目的。 有時雖然兩種防滑器採用相同的判據,但效果卻不同,這主要是由於判據參數的選取和對制動力的控制過程不同造成的。
根據速度差變化控制制動力與粘著利用
速度差是某一軸的速度與車輛速度(由於車輛速度的取得比較困難,防滑器一般採用接近車輛速度的模擬速度,稱之為參考速度)之差值。當速度差達到滑行判斷標準時,即認為該軸發生滑行,防滑器進行防滑控制,控制該軸的制動力。防滑器根據速度差變化來控制制動力時,一般採用三個過程,即對制動缸壓力進行減壓、保壓和增壓。制動缸開始減壓、保壓、增壓時,其速度差值的確定,對粘著利用是至關重要的這些防滑器速度差判據的值有採用變化值的,也有採用定值的,而且值的大小各不相同,而速度差值的大小與粘著利用有關。國外曾進行過試驗,如德國的試驗表明: 速度差大約為10 km /h～20 km /h時,可得到最佳粘著,並據此確定防滑器速度差判定值。
通過分析不難看出,低速時,判斷滑行時的速度差值要小於高速時的速度差值。因此,隨著車輛速度的提高,判斷滑行時的速度差值也要稍有增加,即速度差判據的大小是變化的,這對充分利用粘著有利。
另外,制動缸減壓、升壓速度,即防滑排風閥的充排氣速度以及減壓、升壓過程的控制,對粘著利用也很重要。防滑排風閥的充、排氣速度根據制動缸的容積和閥的靈敏度而定,以不應使制動力降低過快(慢)或增加過快(慢)為原則,為了儘可能使制動力與粘著力相匹配,對制動缸壓力減壓、升壓過程的控制,許多防滑器採用了階段式(也稱脈衝式)減壓、升壓的方式,每一過程由減壓、保壓、再減壓、再保壓(或增壓、保壓、再增壓)不斷地交替進行,直至達到下一個判斷點為止。這種方式在高速時採用,應該說對粘著利用是有益的。低速時由於車輪很可能在瞬間即被抱死,很難採用這種控制方式。採用階段式減(增)壓的方式對控制單元(主機)和防滑排風閥的要求較高, 特別對防滑排風閥來說,要具有較高的動作靈敏度。
根據減速度變化控制制動力與粘著利用
當一輛車中某一軸或幾根軸,甚至所有軸的減速度達到減速度判定標準時,防滑器即進行防滑控制,控制制動缸壓力。特別是在所有軸同時滑行時,用速度差是無法判斷的,必須用減速度判斷。
與速度差判斷標準值的確定一樣,減速度判斷值的確定對粘著利用也同樣重要。 已有的防滑器一般都在減速度達到3 m /s～4 m /s時降低制動缸壓力,而且作為定值,不受速度變化的影響。當然實際運用時, 根據不同情況,也可能不在3 m /s～4 m /s的減速度範圍內取值。
對於制動缸壓力的控制,根據減速度控制和根據速度差控制基本一樣,都要考慮防滑和利用粘著。為了儘量減少使用減速度判斷時,因防滑排風閥動作的延遲,使制動缸減壓、升壓作用滯後(有可能無法起到良好的防滑或充分利用粘著作用) ,有的防滑器(如安裝在法國TGV—A上的防滑器)在減速度判斷的同時,引入了減速度微分進行輔助判斷。通常情況下,防滑器在a1時判斷出“滑行”,經過延遲時間t後,使防滑排風閥動作,此時兩個減速度值分別為a和a2’, 這就有可能造成減速度變化快的防滑作用不良,而減速度慢的粘著利用不良。引入減速度微分後,有可能解決上述問題。 ,假如根據a+ ( da /dt )·t 達到規定值判斷為“滑行” ,則經過延遲時間後,無論減速度變化快還是變化慢,防滑排風閥動作時,即制動缸壓力變化時的減速度值a2都是相同的。而只有控制制動缸壓力變化時的減速度,才能保證良好的防滑作用和充分利用粘著。這種判斷方式對防滑器要求較高,控制單元要有相當快的計算速度。
根據滑移率的變化控制制動力與粘著利用
滑移率是某一軸的速度與參考速度之差值同參考速度的比值。當防滑器在採用滑移率作為判據時,認為某一軸的滑移率達到一定值時便發生滑行,即對該軸的制動缸壓力進行控制。根據滑移率變化控制制動缸壓力,應與根據前兩種判據的變化進行控制的方法一樣。國外的試驗已經表明: 滑移率與粘著利用是密切相關的,控制滑移率可以達到充分利用粘著的目的。日本的試驗表明: 當粘著係數為最大值時,滑移率隨軌道情況而變化,乾燥軌道滑移率一般在3% ～10% 範圍內。所以認為“在微小滑行時,即使不產生緩解作用也會再粘著的情況很多” ,“對超過適當大小的滑行才進行緩解,能有助於縮短制動距離”。根據法國的試驗結果 ,除輕微滑移(蠕滑)的滑移率為1. 5% 時達到一個粘著係數峰值外,與粘著有關的較大滑移, 滑移率在5% ～25% 之間有最大粘著值 。
在日本,曾專門進行過試驗,試驗中把滑移率維持在10% 以下。當滑移率低於5% 時,瞬時粘著係數變化很小; 滑移率超過5% 時,粘著係數趨於下降。這表明如果制動缸壓力能被準確地控制,即車輪滑移率能維持在確定水平,粘著就能得到有效地利用。針對使用常規防滑器時制動距離延長較大,根據上述試驗結果日本研製出了一種由滑移率控制的高性能防滑器,裝在東日本鐵路客運公司E501電動車組上進行試驗。試驗結果表明: 濕軌與乾軌狀態時(防滑器不動作)的制動距離比較,防滑器動作時的制動距離變化很小。從這個結果看,輪軌間粘著得到了有效利用。在日本Ky ushus—883系擺式車組(最大速度130 km /h) 的制動試驗中,使用常規防滑器,制動距離延長15% ,而採用滑移率控制的防滑器,僅延長3% 以內。現已計畫將滑移率控制的防滑器套用於新幹線。
綜上所述,防滑器根據滑移率控制制動力,即通過控制制動力使車輪滑移率保持在某一範圍內,完全能夠在防止滑行的基礎上,充分利用粘著,防止制動距離延長過大。
防滑器能否改善粘著
通過前面的分析不難看出,防滑器合理選擇判據參數,正確控制制動缸壓力,就能夠達到充分利用輪軌間粘著的目的。防滑器控制得當,能起到改善粘著的作用。前面已經提到,保持車輪在鋼軌上有微小的滑動(小滑移率) ,可充分利用粘著,這同時也應該對鋼軌表面和車輪踏面有一定的清掃作用,改善輪軌的表面狀況,從而改善輪軌間的粘著。所以高性能的防滑器是能改善粘著的。
結束語
既要防滑器有良好的防滑作用,又要能充分利用輪軌間粘著,二者缺一不可。要達到這個目的,可採取下列方法:
(1) 合理選擇防滑判據,正確控制制動力的變化。防滑器是根據選擇的判據來控制制動力的,選擇何種判據,選擇多大的判據參數,藉以系統地控制制動缸的壓力變化,對防滑作用和粘著利用非常重要。
(2) 根據滑移率控制制動力, 其充分利用粘著效果顯著,而且有可能改善粘著。因此,防滑器防滑控制模式的選擇是非常重要的,只有兼顧防滑作用和粘著利用,防滑器的設計才是成功的。
套用領域
國內外快速貨車的制動系統現狀及防滑控制
國外鐵路貨物快運方面,走在前列並具有代表性的是德國和法國。德國鐵路為了加強與公路競爭,從20世紀90年代起就利用既有線和新投入運營的高速鐵路套跑的辦法開行城市間特快貨物列車,最高速度達到160 km /h。法國鐵路貨物列車的運行速度在80 年代開始普遍有了提高,快速貨車的速度從100 km /h～120 km /h逐步提高到140 km /h～160 km /h,還試運過160 km /h 以上、甚至200 km /h 左右的高速貨車。
國外的快速貨車在速度達到160 km /h 時, 其制動系統主要採用盤形制動或盤形制動加踏面制動、無級空重車調整裝置、防滑器等,有的還採用電空制動裝置。防滑器的使用上,起初普遍採用機械式防滑器,但由於機械式防滑器存在一些固有的缺點以及快速貨車上電源問題的解決(如用軸裝發電機發電) ,使得微機控制防滑器的使用成為可能,因此,國外的快速貨車開始採用微機控制防滑器。
近幾年,我國先後開發了快運貨櫃平車專列、P65快運行包專列、冷藏車專列等快速貨物列車, 最高運行速度達到120 km /h。制動系統基本採用傳統的貨車制動方式,制動裝置包括120型控制閥、旋壓式制動缸、閘調器、空重車調整裝置等,採用踏面制動。今後幾年,我國還將發展最高速度為140 km /h～160 km /h 的快速貨車,制動裝置可能採用盤形制動或盤形制動加踏面制動、空重車調整裝置、機械式防滑器、帶閘調器的單元制動缸等。防滑器將首次在貨車上使用。
防滑器的作用性能及我國防滑器的發展
我國於20世紀60年代中期研製出機械-電氣式防滑器,安裝在當時的25. 5 m客車上, 70年代後期改為機械-空氣式,並在一批新設計的25. 5 m客車上裝用過,後來均停止使用。90年代初開發出微機控制防滑器,套用在快速客車上。隨著快速貨車的開發研製, 又開始了快速貨車用機械式防滑器的研製。
防滑器能根據判據參數的變化控制制動力,使其不超過粘著力,達到防滑目的。機械式防滑器只根據輪對的減速度變化控制制動力。 微機控制防滑器則可根據多個判據參數來控制制動力。 微機控制防滑器無論在作用性能還是在可靠性等方面,都遠遠優於機械式防滑器。
2. 1 機械式防滑器的結構組成及作用原理
機械式防滑器有機械-空氣式和機械-電氣式2種,主要由防滑傳送器和防滑排風閥組成,還包括安全閥等其他附屬檔案。 空氣式和電氣式的差別只在於傳送器和防滑排風閥之間的聯絡方式不同,後者在輪對滑行時接通電觸點(需要有電源) ,驅動電磁閥使防滑排風閥排風。防滑排風閥分別通制動缸管、制動缸和副風缸,防滑傳送器安裝在軸頭上,通過圓柱銷與軸承壓板相連。
2. 1. 1 車輛正常運行時的防滑器狀態
當副風缸充風時,副風缸里的壓力空氣到防滑排風閥膜板下部室, 並經小孔到上部室, 然後經連線管到傳送器的排氣閥室。 由於膜板上部室及其連通容積很小,副風缸容積大,充風慢,所以膜板兩側形成不了足夠的壓力差用以克服膜板彈簧的安裝力。因此,膜板保持與副風缸無壓力時相同的位置,即下閥口關閉、上閥口開啟。正常運行狀態的防滑傳送器,由軸承壓板上的圓柱銷帶動轉動盤、軸承套筒和主動桿等隨車軸一起轉動。由於調整彈簧的壓緊力作用,使主動桿兩端的小軸承落在凸輪盤斜面的坡谷里。當主動桿隨車軸轉動時, V 型斜面受到2個小軸承的推力作用,克服飛輪軸承阻力而帶動凸輪盤和飛輪隨車軸同步轉動。此時,移動桿與排氣閥之間保持一定間隙,因而排氣閥呈關閉狀態。保持防滑排風閥膜板上部壓力不變,防滑排風閥下閥口關閉、上閥口開啟,不影響制動缸在制動、緩解過程中的充氣和排氣作用。
2. 1. 2 出現滑行時防滑器的作用過程
當某輪對發生滑行時,其轉速急劇下降,飛輪因其慣性作用,克服主動桿小軸承對凸輪斜坡的作用力和軸承的阻力等所形成的力矩作用,引起飛輪、凸輪盤與車軸、主動桿之間的相對轉動,使小軸承帶動主動桿沿斜坡上爬,推動移動桿左移,打開排氣閥,使排氣閥室和防滑排風閥膜板上部室的壓力空氣迅速排向大氣。
防滑排風閥因膜板下方的副風缸壓力空氣來不及經小孔向膜板上部室補氣,當膜板兩側形成一定壓力差之後,克服膜板彈簧向下的作用力而使膜板上移, 迅速打開下閥口並關閉上閥口,遮斷分配閥制動缸管與制動缸之間的通路,同時使制動缸的壓力空氣經下閥口排入大氣。因而,制動力很快減小,使該輪對隨即恢復正常轉動狀態,以免長時間滑行擦傷車輪。
2. 1. 3 滑行結束後防滑器的動作
當主動桿兩端的小軸承爬到凸輪坡頂時,主動桿與橡膠擋接觸,使飛輪與車軸間的相對轉動停止。在輪對恢復正常轉動過程中,飛輪與車軸之間出現反向相對轉動時,在調整彈簧的作用下,小軸承帶動主動桿沿凸輪斜坡下滑,又落到坡谷里。此後,凸輪斜坡又受到小軸承的反作用力,使飛輪與車軸繼續保持同步轉動,同時,移動桿右移,使排氣閥口關閉,停止防滑排風閥膜板上部室排入大氣過程, 於是下部副風缸壓力空氣向上部室充氣。 當膜板兩側壓力接近平衡時,靠膜板彈簧壓力壓下膜板,使防滑排風閥下閥口關閉、上閥口打開,恢復正常位置。
2. 2 機械式防滑器的缺點
雖然機械式防滑器在防止滑行、避免車輪擦傷方面具有一定作用,但由於機械式防滑器的固有模式,不可避免地存在以下缺點:
2. 2. 1 靈敏度低,防滑性能不穩定
主要表現在:
(1) 為防止誤動作,一般設定的動作減速度較大( 3 m /s～4 m /s) ,有可能在已經出現滑行時,防滑器才動作。
(2) 機械式防滑器無法根據實際粘著條件調節制動力,防滑時使制動缸排氣到零,這不但浪費了大量壓縮空氣,而且不能充分利用粘著,因而延長了制動距離。
(3) 防滑作用滯後時間長,造成防滑性能下降。特別在低速時,減速度達到一定值,瞬間即可使車輪抱死滑行,所以,低速時防滑性能必然下降。需要向制動缸充氣時,防滑器也要經過一段時間才能使制動缸充氣。
(4) 試驗表明,在同樣的試驗條件下,開始動作時的減速度範圍波動很大。
2. 2. 2 可靠性差
一是會發生誤動作,二是容易損壞。因為它有相對轉動磨耗,根據調查結果,經過一段時間運用之後, 有的機械式防滑器會失去作用。由於機械式防滑器存在上述一些缺點,所以很難從根本上解決防滑控制的問題。
2. 3 微機控制防滑器的結構組成及作用原理
微機控制防滑器主要由主機、防滑排風閥、速度感測器、壓力開關等組成。防滑器主機根據速度感測器傳來的脈衝信號計算出每根軸的速度、速度差、減速度及滑移率等,作為防滑控制的判據。根據這些判據的變化,判斷車輪是否會出現滑行,進而控制防滑排風閥的排氣、保壓、充氣作用, 達到控制制動缸壓力,實現防滑的目的。
2. 4 微機控制防滑器的特點
微機控制防滑器幾乎彌補了機械式防滑器的所有不足之處,普遍具有以下幾個特點:
(1) 運算速度快,控制精度高。微機控制防滑器並不是等到已經造成滑行,才控制制動力,而是在將要出現滑行之前,即對制動缸壓力進行調整。
(2) 可採用多判據進行防滑控制。
(3) 能充分利用粘著。微機控制防滑器能夠根據粘著的變化,有效地控制制動力,並不是一旦排氣,就簡單地使制動缸壓力降到零。
(4) 具有故障檢測和存儲功能。
(5) 速度感測器無磨耗。
(6) 系統回響時間短。
(7) 防滑作用的可靠性較高。
我國快速貨車上使用防滑器的可行性
我國已經完成或正在開發的快速貨車,主要是最高運行速度為120 km /h的貨車,均不安裝防滑器,這一點已基本達成共識。正在研製的140 km /h～160 km /h 快速貨車,將採用全新的制動系統,類似於快速客車,可能採用盤形制動或盤形加踏面制動,制動缸也將是帶閘調器的單元制動缸,計畫安裝機械式防滑器。對於依靠粘著制動實現減速停車的快速貨車來說,防滑器是一種安全保障裝置。制動過程中,制動力超過粘著力,車輪就會出現滑行。隨著列車速度的提高,如果制動力和減速度增大,車輪出現滑行的可能性也將增大。 即使按照理論上的粘著變化趨勢設計制動力,也有可能出現滑行,因為粘著係數是隨機變化的,當粘著不良時,制動力就有可能超過粘著力,從而造成車輪滑行。特別是車輛速度提高時,一旦出現滑行,造成的危害會更大,所以為防止車輪擦傷、保障行車安全,快速車輛應當安裝防滑器。從國外的經驗看,當貨車速度提高到160 km /h以上, 均安裝了防滑器。因此,我國在發展140 km /h～160 km /h 的快速貨車時,也應當考慮安裝防滑器。
機械式防滑器在我國還沒有成熟的產品,而且由於機械式防滑器本身一些不可克服的缺點,難以較好地解決防滑控制的問題,有可能造成制動距離超限、防滑作用失效等問題,再加上我國整體工藝水平較低,國產的機械式防滑器性能可能更差,所以應慎重考慮防滑器的使用問題。
國外在快速貨車上採用機械式防滑器時,使用的是客車上運用過的成熟產品,而且有較高的工藝水平做保證,大大提高了防滑器的可靠性。況且隨著快速貨車不斷採用新技術,如電空制動等,供電電源問題的解決(如採用軸頭髮電機發電) ,隨之便採用了微機控制防滑器。所以,要最終解決快速貨車的防滑問題,必須採用微機控制防滑器。
目前條件下,我國140 km /h～160 km /h 快速貨車只能安裝機械式防滑器,這方面可借鑑快速客車的經驗,我國快速客車防滑器的使用經過了國外引進和自行研製同時進行的過程。快速貨車防滑器的使用,在國內沒有成熟產品的條件下,也不妨引進國外成熟的產品,因為防滑器是一種安全保障系統,如果防滑器本身不可靠,必然會增加新的不安全因素。待國產機械式防滑器成熟後再採用。國內外快速貨車的編組形式基本上都採用快速貨車之間的連掛或與旅客車輛連掛,所以容易採用新技術,制約新技術的使用因素主要是成本及維修等問題。如果隨著技術的發展,將來我國快速貨車解決了電源問題,並具備了運用條件,也應使用微機控制防滑器。
結論
綜上所述,我國140 km /h～160 km /h 快速貨車應安裝防滑器,防滑器的使用上,應遵循以下原則:
(1) 目前條件下,應考慮安裝機械式防滑器,但也應考慮到機械式防滑器的不足之處。
(2) 在國內沒有成熟的機械式防滑器的情況下, 可使用國外成熟的產品。 同時加快國產機械式防滑器的研製和完善,儘快達到能夠裝車運用的水平。
(3) 微機控制防滑器能夠較好地解決快速貨車的防滑問題,將來條件成熟時,應採用微機控制防滑器。
