CN110588706A - 铁路机车非撒沙防滑装置 - Google Patents

Abstract

一种铁路机车非撒沙防滑装置，是利用“磁能”感应加压的方式，替代沙粒摩擦的作用。利用磁能就是利用磁吸互拉能量的作用，使车轮对钢轨施加正向压力，以实现轮轨间摩擦系数大幅增值。磁吸互拉作用除用于防滑外，因可生成对轮、轨强力约束的锁定性，亦可有防止机车脱轨、倾翻的安全防范作用。该装置做功所应用的磁能，是采用的电磁铁。电磁铁所生成吸引力的强度量级可实现人为的任意调节，在应对不同状态、不同时机时有更灵活的选用。防滑装置，由电磁做功机构与电控操纵装置两个部分组成。电磁做功机构的组件主要有：机构外壳，电磁铁。电控操纵装置主要有：对电流大小的调节装置、电磁铁的开关及对电磁铁工作状态监视和电流流量的仪表等。

Description

铁路机车非撒沙防滑装置

技术领域

交通运输 用于铁路电力及内燃机车

技术背景

机车在轨道光滑时起步会出现车轮空转打滑现象。除起步外机车在运行途中若遇下雨雪、结霜冻或油污等路况中行进，尤其是在前者路况中爬坡或制动时打滑更是不可避免。

机车打滑，除不利的气象等因素导致轮轨粘着系数降低外，其机车自身因素也同属主要。即在一定的时候，机车车轮与轨道产生的牵引摩擦力，小于被牵车辆的滚动摩擦阻力。之所以小，是机车的自重与钢轨所形成的正向压力不足以生成足够的摩擦力。但若以最大程度的增加机车的自重固然有效，但增加自重绝不可取，因涉及轨道、道床及桥涵的承载限制。

机车打滑，不仅是影响机车运行性能的问题，更是涉及事故风险的大问题。为了克服机车车轮打滑，一直以来，均采用在钢轨撒沙的措施。将沙子撒在钢轨上，增大摩擦力，为此机车在设计时就专门设置了用于防滑撒沙的配套装置。

撒沙防滑，是长久以来延续至今的有效措施，但撒沙这种做法，不只是落后原始，它也存在诸多痹病：除复杂的工序及相关产生的费用外，长久撒沙(业内资料：全国不少于1000吨/年)，沙粒被碾成细粉后几乎全部落入道床，若细粉过多将会导致石渣道床滤水不畅，为此需进行定期重复的扒碴清筛维护。其二是，用作机车防滑的沙子其硬度应大于5(莫氏硬度)，属坚硬性的沙粒，坚硬的沙粒在碾压时必然对轨道及车轮踏面有一定的磨损。三是，因沙粒的隔绝而致使车、轨闭塞信号发生阻断。并且直到当前，机车撒沙装置的故障屡次频发，业内人士为之感慨：是一个头疼问题。

随着我国快速的发展，铁路轨道立交化已成常态，线路起伏、爬山钻海将越来越多，尤其是北方、西部高寒冰雪(强风)路段将会有增无减，且提速及重载也应是趋势的必然，这等等一切都意味着机车打滑的机会将越来越多，而撒沙防滑所呈现的弊端也将越来越繁。我们的祖辈创造出铁路机车，也为后人摸出了撒沙防滑的成熟经验，但撒沙防滑这种既有效又有弊的传统工法，相信绝不会永远的传承下去。

机车撒沙是为了增大摩擦力，而“摩擦力的最大值和两个物体之间的法向压力N成正比”。据此理解：机车增大摩擦力，或不仅只限定于撒沙的这一种模式。

发明内容

为探索机车防滑的其它模式，拟发明一种铁路机车非撒沙防滑装置，该装置的核心机理是：利用“磁能”感应加压的方式，替代沙粒摩擦的作用。利用磁能就是利用磁吸互拉能量的作用，使车轮对钢轨施加正向压力，以实现轮轨间摩擦系数大幅增值。磁吸互拉作用除用于防滑外，因可生成对轮、轨强力约束的锁定性，亦可有防止机车脱轨、倾翻的安全防范作用。

铁路机车非撒沙防滑装置(以下简称：防滑装置)，该装置做功所应用的磁能，是采用的电磁铁。电磁铁所生成吸引力的强度量级可实现人为的任意调节，在应对不同状态、不同时机时有更灵活的选用，如：重载起步、爬坡、光滑路段的长线行驶以及制动等。

防滑装置，由电磁做功机构与电控(显示)装置两个部分组成。电磁做功机构的组件主要有：机构外壳，电磁铁。电控(显示)装置主要有：对电流大小的调节装置、电磁铁的开关及对电磁铁工作状态、温度的光标显示和电流流量的数据显示仪表。

采用非撒沙防滑技术的优势：1、阻止车轮打滑的应用更便捷更随意。2、可免去防滑沙子---从原料制备到加装喷撒等繁杂的工序及费用。3、可减少对车轮、轨道磨损性的伤害以及道床清理维护的劳作。

防滑装置的原理构造及构成：

1.电磁做功机构的构造：

1.1机构外壳 机构外壳为矩形长方体，由三个连体并列的方格形的格子框架构成，长边的侧立面呈横放的“目”字形，目字两端的空格较大，为置放电磁铁的腔室，腔室内各装一个电磁铁。中间空格较小，是用于设置安装螺栓的空位，并兼有为磁铁腔室散热的用途。机构外壳，是磁吸做功的受力部件也是电磁铁的围护构造。

机构外壳，由安装基座与格子框架两个部分一体构成，整体形象类似胖体的“T”形。基座的平面形状为长方形，长向大于框架的长度，其超长部分是用于两端设置安装螺栓的平台。基座的宽度与框架同宽。格子框架由四块竖向隔板与底板构成；置放电磁铁腔室的底板，中间设有横向贯通的凹槽。凹槽是与磁极头相配套的构造形式。机构外壳吊装在侧架内侧的弹簧承台之下，外壳长向与轨道平行，宽向与轨道居中。框架底板的底面距轨顶保有一定近距的间隔——作业气隙。

1.2电磁铁 由铁芯与线圈构成。一个防滑装置并列(有间隔)设置两个电磁铁，两个电磁铁构成一个做功磁组单元。单元性的磁组，就是将两个磁铁合成一个高势能的做功体，即两个共同做功的磁极极向不相同：一个磁极为“N”极，另一个磁极为“S”极。

1.2.1铁芯，以竖向分为励磁段及磁极段，基本形体为矩形截面的短柱，铁芯柱体的高度小于腔室内的高度。铁芯下端的磁极与底板顶严顶紧，上端与基座有相距的间隔，间隔的空间里设有顶紧铁芯的螺旋，电磁铁安装就位后由顶紧螺旋将磁铁顶紧固定。

柱形铁芯的下端部为磁极段(约占磁芯柱体高度的6％)，磁极段为变小截面四棱体，四棱体称：磁极头。磁极头与铁芯为一体结构，以整体形象看磁极头呈下凸形，其凸出部分与底板凹槽装配相吻合。铁芯柱体的上部为励磁段，中间大部分的区段为缩颈式的凹槽(缩颈仅涉及两个侧面)，凹槽是敷设励磁线圈的敷线构造。

每个磁组的两个铁芯，构造形式均一致相同。

1.2.2励磁线圈，两个磁铁线圈的线型、线径、匝数相同，但绕线螺旋方向不同，一个为正螺旋缠绕一个是反螺旋缠绕。线圈成形后的最大外形要与腔室的空间要有一定的间隔，用于线圈散热。线圈的导线由框架顶端的侧面开孔引入。

励磁线圈，是防滑作用的核心部件，磁铁做功的能量取决于线圈励磁能量的效果。励磁能量为可变性，可根据防滑应用的需要而增强或减弱。线圈电流的调控采用手动操纵。

2.电控装置及仪表：

该防滑装置虽属机车行走系统，但属支持性的辅助设备，仅为阶段性的工作性质，所以该电控装置设为自成体系的独立模式应更合理。其系统装置主要包括：控制电磁铁磁力增减的电流调节器、电磁铁单控及联控开关、电压/电流显示仪表、电磁铁是否工作及线圈升温的信号显示灯标。

2.1电流调节器，设为两档两用的机制模式。第一档为群控，负荷较大：由一个调节器同时负责四个分路(即四个电磁组)。第二档为单控，负荷较小：由四个调节器负责四个分路，即每个调节器各负责一个电磁组；每个分路各设两条并列的支路(即每个分路为四条导线)，每条支路专为一个电磁铁供电。

2.2电控开关，是与电流调节器配套的装置，同样也为两档两用的设置模式。第二档，每个分路各设一个单控开关。第一档，四个分路并列设一个群控开关。两档的电路采用两路交汇的“Y”形接线方式，即群控开关只能实现四个电磁组同开同关，单控开关只能实现一个组电磁组的开或关。

2.3电流显示仪表，采用视屏窗口显示，显示模式为数字显示及彩色光标显示。数字显示为：入口电压/电流及调节后的电流。光标显示为：各磁铁工作状态及磁铁腔室的温度。

防滑装置属于附加增设的性质，对原车的结构体系及构造模式基本不关大的改变。但在主要的几个方面需进行考虑：一是，在侧架内侧的弹簧承台之处加设防滑装置需考虑原承台的配合改型。二是，防滑装置做功时对侧架偏拉扭矩的反制措施。三是，轮轨互拉施压，对车轴及转动组织的影响。四是，轮轨加压性的增阻，对原车型的动力及系统的影响。

发明的宗旨是：探索一种机车防滑的新方法。

附图说明

图1 是防滑装置安装部位及相关主要部件关系的示意图。箭头指向的部位是吊装防滑装置的部位(本示意与该设置部位的节点构造形式无关)

图2 是防滑装置的立剖面示意图

图3 是防滑装置的横剖面示意图

图中所示：1.侧架 2.动轮 3.钢轨 4.防滑装置 5.弹簧承台 6.铁芯 7.线圈 8.底板凹槽 9.磁极头 10.底板 11.格子框架 12.安装基座 13.螺栓孔 14.顶紧螺旋 15.隔板 16.腔室 17.腔室封盖 18.温度传感器

具体实施方式

该方案的实施涉及两个部分：机械构造及应用和电控系统的设置及运用。

第一部分 机械构造及应用 (主要涉及：机构外壳、电磁铁)

1.机构外壳 机构外壳是防滑装置的主体结构部件，也是磁吸做功的主要受力部件，主要受力为垂向受拉，之次，横向为双向受剪。机构外壳由：安装基座(12)与格子框架(11)构成。外壳材料首选采用与侧架(1)相同的材质的钢材，一体铸造成形。

1.1安装基座(以下简称：基座) 基座(12)是防滑装置(4)与弹簧承台(5)拼装的组对构件，形体为平板状，以长550mm、宽170mm、厚15mm为参考。基座(12)的长度比格子框架(11)的长度每端各超出50mm。其超出的部位是用于设置安装螺栓孔(13)的位置。基座(12)除两端设有螺栓孔(13)外，并在中间部位也设有螺栓孔(13)；基座(12)的定位：纵向与钢轨(3)平行，横向与钢轨(3)垂向居中。

1.2格子框架 格子框架(11)由四块竖向隔板(15)及底板(10)构成，是电磁装置的外壳也是电磁做功的作用构件，格子框架(11)与基座(12)为一体构造。框架的格子为方形，分左、中、右三个并联，其中左、右两个是设置电磁铁的空间——腔室(16)，中间的格子是用于设置吊装基座(12)螺栓的空间，也兼有给电磁铁腔室(16)侧壁散热的作用。三个格子均为横向贯通的筒状空腔。三个格子由竖向的隔板(15)及一块整体的底板(10)及上部的基座(12)构成。格子框架(11)的外形全尺寸：长450mm，宽170mm，高约165mm(不含基座(12)厚度)。

格子框架的确切高度＝弹簧承台的底面距轨顶面的距离-基座厚度-框架底面距轨顶面的间隙。

1.2.1腔室 格子构成的筒状腔室(16)格子的横截面为矩形，三个格子由四块竖向的隔板(15)构成，隔板(15)均为平板，长170mm，高约146mm，厚12mm，隔板(15)上与基座(12)连体下与底板(10)连体.由四块隔板(15)隔成的三个格子不等宽，其宽度分别是：左侧170mm，中间60mm，右侧170mm。高度均为：约143mm，长度均为：170mm。

1.2.2底板 底板(10)是格子框架(11)的底壳，也是防滑做功的临界作用构件。基形为平板，局部有凹槽(8)，板厚：16mm，凹槽(8)部位厚5mm，形长：450mm，形宽170mm。

凹槽(8)设在电磁铁腔室(16)，是用于置放电磁铁磁极头(9)的装配构造，。凹槽(8)的宽度：约90mm，深度：10mm，在腔内居中设置。电磁铁安装时磁极头(9)嵌入槽内。

1.2.3凹槽(8)及凹槽上部的两侧，凡与铁芯(6)、磁极头(9)相抵的接触面，也包括铁芯(6)、磁极头(9)自身的相抵面，均要作机加工的光洁面，以实现铁芯(6)及磁极头(9)与底板(10)及底板凹槽(8)紧密吻合。

1.3防滑装置的安装及定位：

1.3.1防滑装置(4)吊装在侧架(1)内侧的弹簧承台(5)之下，采用左中右三组螺栓将基座(12)与弹簧承台(5)固定。

1.3.2防滑装置(4)的长向：与弹簧承台(5)居中并与钢轨(3)平行布置。横向与钢轨(3)居中。

1.3.3防滑装置(4)的底面距轨顶要保持15mm左右的作业气隙。这个气隙要从结构措施方面得到绝对保证，否则会生成防滑装置(4)与钢轨(3)抱死的风险。必要时在底板(10)处设置限位断路器作为再保险措施。

2.电磁铁 电磁铁是产生防滑效果的关键部件。主要涉及铁芯(6)和线圈(7)以及励磁的相关装置及设置。电磁铁以每个防滑装置(4)设两个，构成一个做功电磁组，两个电磁铁为一组的设置模式其目的是：1.是两个磁铁可扩大与钢轨作用的接触面，可使防滑作用效果增值。2.是两个磁铁还有备份的意义，若一组中的两个磁铁其中一个故障停机时，将另一个磁铁调增励磁强度，以1.5或2倍的磁能量维持或保持工作状态。3.是两个间隔设置的磁铁对钢轨的牵拉受力点也为两处，两处较分散的牵拉受力点相对于一处比，对钢轨的负向弯曲的挠度会有一定的减弱。

2.1铁芯 铁芯(6)采用硅钢片(磁化好并有刚度)。铁芯(6)在这里不仅是励磁的作用组件，更是对钢轨(3)施压受力的作用主件。铁芯(6)的主体基形为130 X 130mm截面的短柱体，柱体竖向全长约140mm(顶部端面距基座下皮留有20mm的空间)，柱体以作用区别分为两段，上段最长为励磁段：132mm X 110mm X 130mm(高)。下段最短为磁极头(9)，长度仅10mm高，且横截面有变：110mm X 90mm。其中90mm形宽的是嵌入底板凹槽(8)内的凸出部分。

励磁段的大部分柱体设有缩颈形的凹槽(仅两侧)，此凹槽是线圈(7)的敷线槽，凹槽深度不宜超过10mm，凹槽的宽度由线圈(7)的匝数的体量来确定。

2.1.1顶紧螺旋 顶紧螺旋(14)是固定铁芯(6)的组装配件，也起到给顶部隔磁的作用，采用不锈钢材料。螺旋(14)直径约30mm，抵顶最大升高量约25mm。每个铁芯(6)设一个，抵顶点设在铁芯(6)的中心处。

2.2线圈 线圈(7)的设置要以产生磁吸能量的设计参数为依据。但线径、匝数、电流及相关电路的装置，要有不小于倍数级的冗余考虑。其线路也要采取双路设置(即一个磁组并列设两路回路，每个回路只为一个磁铁供电)。冗余考虑及双回路设置是为了提升防滑作用的有效度，以及运行途中若某个磁铁发生故障时可进行应对补救。

2.2.1一个防滑装置(4)的两个电磁铁(即一个磁组)其共同做功的磁极不相同，一个为“N”极，另一个为“S”极。不同的磁极，无论采用以线圈的旋向差异来实现还是以电流的流向差异来实现均可。

2.2.2线圈(7)的四周在腔室(16)内要保留一定的空间，用于散热，若散热空间不足时应相应扩大腔室(16)的设计或采取专业散热构造。每个磁铁腔室(16)均设有温度传感器(18)，司机可时时了解各磁铁线圈(7)的升温状况，一旦发现线圈(7)升温达到设定临界极限时，可采取间歇启用或降流缓解，以保证线圈(7)不致烧毁。

2.2.3温度监视 每个磁铁腔室(16)内至少装一个温度传感器(18)，传感器的探头应设在散热相对不利的位置。

2.2.4工况状态显示 每个磁铁均设工作状态显示，工作状态以磁铁是否过流为代表。以使司机及时发现磁铁是否有断路故障。

2.3.5腔室封盖 磁铁腔室(16)的两侧敞口处要加设封堵盖(17)，以保持腔室(16)内洁净。腔室封盖(17)采用铝合金材料，盖的外侧面设置以水平状的若干凸出的肋条，有助于腔室(16)散热。

第二部分 电控系统的设置及运用

防滑装置的电路、电控系统为独立设置，除电源外与原车系统不配伍不兼容。电控系统的设置这里主要涉及：电流调整、单控/联控转换开关及各类信号显示。

1.电流调节 电流调节采用双重设置模式：集中调控与分别调控两套装置。

1.1集中调控，具有操纵便捷快速投入的特性，属于常规启用的工作模式。

集中调控即为：一个电流调节装置同时负责四个防滑装置共同工作；当机车运行途中若发现某“一个”电磁铁发生故障时，就停止该运用模式，并当即切换成“分别调控”的模式。以实施应对个别状况的应对处置。

1.2分别调控，具有单控单调的灵活性，属于非正常工况时的应对处置模式。例如：四组电磁铁之中，发现任何一个电磁铁出现停机故障的情况时。

分别调控即为：每一个防滑装置各设一个电流调节装置。这种设置方式可实现对任何一组(或一组仅剩一个时)电磁铁进行增流或减流的调控。

2.单控/联控转换开关，是与电流调节配套的装置，开关采用切换模式，即执行集中调流时则分别调流的装置没电，执行分别调流时则集中调流的装置没电。

2.1单控开关 仅负责一个电磁组的通电与断电，设在分别调控装置的上游，一台机车共设四个。每个单控开关的下口，并列敷设两个回路，每个回路各负责一个电磁铁。

2.2联控开关 是负责机车全部(共四个)电磁组的同时开启、同时关闭。联动开关不属于电源总开关，它设在集中调控装置的之后，开关下口并列敷设四个回路，一个回路负责一个电磁组。

联控开关及单控开关没有混合作用机制，而是各自可转换的独立工作模式，转换模式就是切换模式。

3.信号显示 信号显示分为两类：关键的参数显示及工况的状态显示。

3.1关键参数主要指：入户电压/电流、集中调控后的电流值。

3.2工况的状态显示，是时时呈现各个电磁铁工况的相关信息，主要包括：电磁铁是否已供电/断电，电磁铁是否工作/故障，电磁铁腔内的温度情况以及执行分别调控运行时，各回路的电流显示。

3.3信号显示的方式宜采用视屏窗口模式，其中：关键参数，采用数字时时显示。供/断电和工作/故障，采用点光标显示。腔室(16)温度和各单路电流，采用竖向柱状动态色带(附刻度线及数值)显示。

3.4所有操控开关(或手柄)及信号显示，集合到一个独立的板块区域，设在驾驶操作台的一侧。

Claims (4)

1.一种铁路机车非撒沙防滑装置(4)，其特征是：利用“磁能”感应加压的方式，替代沙粒摩擦的作用，由电磁做功机构与电控(显示)装置两个部分组成，电磁做功机构的组件主要有：机构外壳，电磁铁，电控(显示)装置主要有：对电流大小的调节装置，电磁铁的开关以及对电磁铁工作状态、温度的光标显示和电流流量的数据显示仪表。

2.根据权利要求1所述，一种铁路机车非撒沙防滑装置(4)中的机构外壳，其特征是：是防滑装置(4)的主体部件，由一个安装基座(12)、四个竖向隔板(15)及一个底板(10)构成的格子框架(11)，格子框架(11)吊装在侧架(1)内侧的弹簧承台(5)之下。

3.根据权利要求1所述，一种铁路机车非撒消防滑装置(4)中的电磁铁，其特征是：是用于防滑作功关键部件，由铁芯(6)、线圈(7)及磁极头(9)构成，每个防滑装置(4)设两个电磁铁为一个磁组，安装在机构外壳的格子框架(11)内，两个电磁铁的作功磁极不相同，一个为“N”极，另一个为“S”极。

4.根据权利要求1所述，一种铁路机车非撒沙防滑装置(4)中的电磁铁的开关，其特征是：采用单控/联控转换开关，单控开关仅负责一个电磁组的通电与断电，联控开关是负责机车全部(共四个)电磁组的同开同关。