邵 軍

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

機(jī)車撒沙與提高黏著牽引力關(guān)系試驗(yàn)研究*

邵 軍

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

在輪軌低黏著狀態(tài)時(shí)可采用撒沙提高機(jī)車黏著牽引力，針對(duì)撒沙與提高機(jī)車黏著牽引力關(guān)系開展了試驗(yàn)研究，分析不同撒沙工況下的機(jī)車黏著牽引力提高情況，提出了機(jī)車撒沙系統(tǒng)的優(yōu)化方案。

機(jī)車；撒沙；黏著牽引力；試驗(yàn)

在鐵路運(yùn)輸中，機(jī)車依靠在輪軌滾動(dòng)接觸過(guò)程中移動(dòng)接觸面上產(chǎn)生的黏著力來(lái)實(shí)現(xiàn)牽引和制動(dòng)，機(jī)車有效功率的充分利用受到輪軌間黏著水平的限制。當(dāng)機(jī)車的輪周牽引力超過(guò)輪軌間所能產(chǎn)生的黏著力最大值時(shí)，機(jī)車動(dòng)輪就會(huì)發(fā)生空轉(zhuǎn)，造成黏著破壞，出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或滑行等影響行車安全的現(xiàn)象，影響機(jī)車車輛的牽引和制動(dòng)性能。

輪軌間的黏著與機(jī)車的軸重、輪徑、輪軌幾何形狀、車輪材料特性、輪軌狀況都有關(guān)系，其中軌面狀況是指輪軌接觸表面的粗糙度和輪軌間是否有第三介質(zhì)，如水、油和其他有機(jī)污染物，是決定輪軌間有效黏著的最重要因素。有試驗(yàn)顯示，如果輪軌界面有水介質(zhì)，黏著系數(shù)會(huì)隨著速度的提高而顯著下降。采取撒沙或噴射陶瓷粒子等增粘劑可以改善輪軌狀況，提高黏系數(shù)。因此，保證輪軌接觸面的清潔或使用增黏著材料，對(duì)提高黏著是十分有效的。

目前我國(guó)電力機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車，在輪軌低黏著狀態(tài)下采用撒沙來(lái)提高牽引黏著力，在運(yùn)用過(guò)程中對(duì)撒沙系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)要求不一致，撒沙量太小起不到増黏的效果；撒沙量過(guò)大雖能改善牽引黏著，但也會(huì)對(duì)軌道電路、道床等方面帶來(lái)負(fù)面影響。顯然只有更好地了解不同撒沙方式對(duì)改善黏著的效果，才能更有效的利用機(jī)車的牽引和制動(dòng)性能，延長(zhǎng)輪軌使用壽命，對(duì)鐵路行業(yè)的發(fā)展有著重要意義。為了研究不同撒沙工況與機(jī)車牽引黏著改善關(guān)系，探索實(shí)現(xiàn)最大黏著牽引力下的最小撒沙工況，在中國(guó)鐵路總公司統(tǒng)一部署下，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所組織相關(guān)單位開展了機(jī)車撒沙與提高黏著牽引力的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方案

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用情況，選取大功率和諧機(jī)車做為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)調(diào)整撒沙量以及出沙口位置來(lái)設(shè)置不同的撒沙工況，并在軌道上灑水模擬機(jī)車在輪軌低黏著狀態(tài)下牽引列車，研究機(jī)車的黏著牽引力發(fā)揮情況。

1.1 主要試驗(yàn)工況下的撒沙方案

撒沙量方案：

工況1：干燥軌面＋不撒沙；

工況2：濕滑軌面（灑水）＋不撒沙；

工況3：濕滑軌面（灑水）＋同時(shí)撒沙（撒沙量0.3± 0.1 dm3／min）；

工況4：濕滑軌面（灑水）＋同時(shí)撒沙（撒沙量0.5± 0.1 dm3／min）；

工況5：濕滑軌面（灑水）＋同時(shí)撒沙（撒沙量0.7± 0.1 dm3／min）；

工況6：濕滑軌面（灑水）＋同時(shí)撒沙（撒沙量0.9± 0.1 dm3／min）。

出沙口位置方案：

位置1：出沙口距軌面50 mm、距車輪踏面40 mm（分撒沙口朝上和朝下兩種情況）；

位置2：出沙口距軌面18 mm、距車輪踏面15 mm（分撒沙口朝上和朝下兩種情況）；

位置3：出沙口距軌面30 mm、距車輪踏面30 mm（分撒沙口朝上和朝下兩種情況）。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)編組：被試機(jī)車＋ 試驗(yàn)車＋貨物列車（C70重車）＋陪試機(jī)車（1臺(tái)）。

為了增加列車起動(dòng)阻力，采用貨物列車施加部分制動(dòng)（減壓50 kPa）以增加列車的啟動(dòng)阻力，使機(jī)車盡可能滿功率發(fā)揮。關(guān)閉本務(wù)機(jī)車與試驗(yàn)車間的列車管折角塞門，試驗(yàn)車＋貨物列車（C70重車）＋陪試機(jī)車（1臺(tái)）的制動(dòng)緩解由陪試機(jī)車控制，做為負(fù)載。可臨時(shí)增減貨物列車的數(shù)量或關(guān)門車數(shù)量，以調(diào)整負(fù)載力的大小。

試驗(yàn)時(shí)，被試機(jī)車滿級(jí)牽引列車起動(dòng)，按試驗(yàn)工況要求打開撒水閥門，在被試機(jī)車前進(jìn)方向的軌面上連續(xù)噴撒減摩液，同時(shí)按試驗(yàn)工況要求向踏面以不同的撒沙量進(jìn)行手動(dòng)撒沙。觀察試驗(yàn)機(jī)車抑制動(dòng)輪空轉(zhuǎn)的情況，并記錄列車起動(dòng)加速過(guò)程中電機(jī)電壓、電流和功率、車鉤力、列車速度、時(shí)間、距離等參數(shù)。

1.3 評(píng)估方法

機(jī)車在濕軌上運(yùn)行經(jīng)常會(huì)發(fā)生空轉(zhuǎn)，輪周牽引力并不是一個(gè)穩(wěn)定的值，波動(dòng)很大，無(wú)法采用單個(gè)速度點(diǎn)的牽引力進(jìn)行比較，因此將列車的加速過(guò)程分為4～6，6～8，8～10，10～12，12～14，14～16，16～18 km／h和18～20 km／h共8段加速區(qū)間，計(jì)算各種試驗(yàn)工況下每個(gè)加速區(qū)間的輪周牽引力。計(jì)算方法為：

式中w′0為機(jī)車單位運(yùn)行基本阻力，N／k N；

wr為單位曲線附加阻力，環(huán)行鐵道曲線取0.42，N／k N；

m為機(jī)車質(zhì)量，t；

a為平均加速度，m／s2；

γ為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，取0.06；

t為時(shí)間，s；其中t0加速開始時(shí)間；t1為加速末時(shí)間；

v為速度，km／h，其中v0為加速區(qū)間初速度，v1為加速區(qū)間末速度。

圖2 相同撒沙量不同出沙口位置時(shí)機(jī)車輪周牽引力發(fā)揮情況對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

采用式（1）和式（2）計(jì)算出機(jī)車在不同撒沙工況下的每個(gè)加速區(qū)間內(nèi)的輪周牽引力，并進(jìn)行對(duì)比分析，具體結(jié)果如下。

2.1 干燥軌面、潮濕軌面機(jī)車輪周牽引力比較

分別在干燥軌面（分為撒沙和不撒沙工況）和潮濕軌面（不撒沙）情況下，機(jī)車輪周牽引力發(fā)揮情況對(duì)比見圖1。

圖1 干燥軌面、潮濕軌面機(jī)車輪周牽引力發(fā)揮情況對(duì)比

潮濕軌面不撒沙情況下，機(jī)車輪周牽引力損失較大，機(jī)車發(fā)揮的輪周牽引力約為干燥軌面不撒沙工況下的60%。在潮濕軌面時(shí)機(jī)車輪軌間黏著狀況較差，空轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯增多，機(jī)車的防空轉(zhuǎn)功能被激活，調(diào)整機(jī)車牽引力輸出。

2.2 相同撒沙量不同出沙口位置時(shí)的輪周牽引力比較

潮濕軌面下，相同撒沙量不同出沙口位置時(shí)機(jī)車輪周牽引力發(fā)揮情況對(duì)比，見圖2所示。

在潮濕軌面和相同撒沙量工況下，出沙口朝上時(shí)的輪周牽引力發(fā)揮要優(yōu)于出沙口朝下時(shí)的輪周牽引力，但總體差異不大。

2.3 相同出沙口位置不同撒沙量時(shí)輪周牽引力比較

潮濕軌面下，相同出沙口位置不同撒沙量時(shí)機(jī)車輪周牽引力發(fā)揮情況對(duì)比，見圖3所示。

在潮濕軌面和相同出沙口位置工況下，各撒沙量情況下的輪周牽引力差異不大。

潮濕軌面下，將0.3，0.5，0.7 dm3／min和0.9 dm3／min 4種撒沙量中輪周牽引力發(fā)揮最好的工況與不撒沙工況下的輪周牽引力發(fā)揮情況進(jìn)行對(duì)比，見圖4所示。

圖4 濕軌上各工況的輪周牽引力對(duì)比曲線

潮濕軌面下，采用撒沙之后機(jī)車輪周牽引力平均比不撒沙時(shí)的輪周牽引力提高40%以上，說(shuō)明通過(guò)有效撒沙能夠改善機(jī)車輪軌間的黏著狀態(tài)，上述撒沙工況中機(jī)車輪周牽引力總體差異不大，但均恢復(fù)不到干燥軌面時(shí)黏著牽引力水平。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論和建議：

（1）在潮濕軌面下，撒沙能夠改善機(jī)車輪周牽引力發(fā)揮，說(shuō)明通過(guò)撒沙能夠有效改善機(jī)車輪軌間的黏著狀態(tài)，提高機(jī)車的黏著牽引力，但恢復(fù)不到干燥軌面下的黏著牽引力水平。

（2）在潮濕軌面下，不同撒沙工況（不同撒沙量和出沙口位置）時(shí)的機(jī)車黏著牽引力發(fā)揮總體上無(wú)明顯差異，說(shuō)明在列車起動(dòng)時(shí)只要通過(guò)有效撒沙就可以改善機(jī)車輪軌間的黏著狀態(tài)并保持在一個(gè)穩(wěn)定水平，通過(guò)加大撒沙量對(duì)機(jī)車黏著牽引力再改善提高的作用不明顯。

（3）為有效提高輪軌低黏著狀態(tài)時(shí)機(jī)車黏著牽引力，同時(shí)結(jié)合既有運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)降低因撒沙帶來(lái)的負(fù)面影響，建議機(jī)車撒沙系統(tǒng)的撒沙量設(shè)置為0.3～0.7 dm3／min，出沙口位置盡可能朝向輪軌接觸點(diǎn)；同時(shí)建議繼續(xù)對(duì)保證撒沙系統(tǒng)的撒沙可靠性開展相關(guān)研究。

［1］ 邵 軍.2012年JL字第040號(hào).機(jī)車撒沙系統(tǒng)優(yōu)化試驗(yàn)報(bào)告［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，2012.

［2］ 謝維達(dá).電力牽引與控制［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

［3］ 馬國(guó)忠.軌道交通運(yùn)載工具與列車牽引計(jì)算［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

Research on Relationship between Locomotive Sanding and Improving Adhesion Traction Force

SHAO Jun
（Locomotive＆Car Researcher Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Sanding can improve locomotive adhesion traction in low wheel-rail adhesion status.In this paper，tests and research were carried out for analyzing the relationship between locomotive sanding and improving adhesion traction force.Improving adhesion effect was compared and analyzed under different sanding conditions.In the end of the paper，an optimization scheme of the sanding system was proposed.

locomotive；sanding；adhesion traction force；test

U260.11＋5

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.10

1008－7842（2016）06－0039－03

*中國(guó)鐵路總公司科研專項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目（Z2011-052）

?）男，副研究員（

2016－08－18）