改善轮轨粘着条件的专利技术布局和分析研究
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摘 要：本文通过检索目前国内外关于提高轮轨粘着方法的專利，分析其提高粘着的实用性和有效性，结合地铁运行模拟路况条件下的实验数据，研究对比目前有效提高轮轨粘着系数的具体实用方法、创新热点及发展趋势。
关键词：轮轨粘着 专利技术布局 分析研究
中图分类号：TB12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0253-02
近年来，随着城市的快速扩张，越来越多的城市建设轨道交通来缓解城市交通压力，现在许多新的地铁线路由地底、地面和高架结合，由于城市空气污染（雾霾）的加重和沿海特有的潮湿气候特点，会在不同的季节不同的气候条件下影响着轨道的粘着条件。
1 提高轮轨粘着的国内外专利检索情况
通过对关键词和分类号的逻辑组合成逻辑检索式，对欧专局，美国专利局、世界知识产权组织的专利检索网站进行检索，以B61为主分类号，检索关键词包括粘着系数、制动距离、轮轨条件等;分类号包括B61C 15/00、B61C 15/04、B61C 11/00、B61H等。在有效选择和剔除无关或相关度小的专利数据后，共筛选出与改善轮轨粘着方面的国内相关专利数据178条，国外专利数据34条，数据归纳和分析结果如下。
分布特点：涉及粘着的专利申请的时间和专利申请人布局。
图1可看出从2009年后轮轨粘着的专利申请量呈明显增多趋势。
2 专利数据中改善轮轨粘着条件的各类方法分类布局
我们通过专利数据分析对比发现，在改善轮轨粘着，缩短制动距离等主题相关的专利技术内容中，主要包括以下六种手段和方法。
2.1 直接采取措施作用于轮轨接触面
这种方法的专利数量较多，占60%左右，是目前最为普遍，传统、直观的方法，主要包括以下三类：
第一类：轨面撒沙。因轨面撒沙在轨道车辆行业上是较为成熟的技术，故此类专利大多以对撒沙量的控制为主，以及少量对撒沙装置结构的改进，国内主要申请人为中车集团各公司及下属公司，另一重要申请人是GEN ELECTRIC（美国通用电气）。车辆制造商代表专利“CN201710770839.7”是通过设置可监测所述出砂模块的实际撒沙压力和实际撒砂流量的反馈模块，将反馈信号发送给撒沙控制模块，并与撒沙信号比较调整，以提高车辆的撒沙精度。通用电气在中国申请的发明专利“CN200680005343.0”是在施沙系统中限制沙子使用的方法和计算机程序产品，自动控制沙流以限制施撒器数量，限制施撒到轨道的沙子的数量。
第二类：接触面施加增粘剂。其相关专利一般是通过装置将增粘剂附着在车轮踏面上，以改善轮轨粘着条件。专利申请人主要是车辆部件供应商公司。代表专利“CN201310070856.1”是通过增粘装置与转动车轮表面贴靠的摩擦过程中使增粘材料粘附在车轮踏面上，改善接触点的粘着条件以提高粘着系数，实现抑制和预防空转的发生。
第三类：轨面、踏面清洁。这类专利主要是对轨面、踏面进行清洁、烘干等方式提高粘着系数。专利申请人以车辆制造商为主，以及部分个人申请。代表专利“CN201310279310.7、CN201520478969.X”是通过高压热风烘干轨面、清扫踏面、清理轨面水膜、雨雪等物质。此类专利通过轮轨之间的表面状态的改善，增加轮轨的粘着系数，防止机车动轮发生空转或滑行。
2.2 优化控制牵引力、制动力以及控制轮对速度的方法
此类专利主要是通过控制牵引力、制动力来轮轨速度，实现粘着力的优化及利用，多为一种控制方法与粘着力的对应策略改进。专利申请人以车辆制造商为主，大学院校也有相关研究。例如轨道车辆制造商代表专利：专利号“CN201110451507.5”是一种电力机车粘着控制方法和装置，依据轮径修正系数和粘着控制系数调整牵引电机转矩给定值的修正系数，智能化粘着控制，有效的提高了轮轨之间的粘着利用率。
2.3 优化车辆转向架、底架结构以提高粘着
与粘着性能相关的优化转向架部件的专利仍以中国专利为主，创新点包括构架、轮对、牵引装置、驱动装置、悬挂装置、轴箱等部件上的结构优化，转向架结构中涉及粘着研究的热点是构架，其次是轮对和驱动装置。也有底架上的结构改进，通过降低司机室震动改善粘着条件。
从中国专利申请来看，专利数量都增长较快，研究方向比较集中，解决的技术方案也相近似，大多采用的是构架结构的改进。通过降低构架的高度来达到增加粘着力的方案，例如西南交通大学提出的一种将构架安装在轴箱下方的机车用四轴转向架，由前后两个对称放置的二轴转向架与中间构架组成，W形构架的两端跨接在前后轮对轴箱的下方，降低转向架中间构架的安装高度，结构简化且可获得较高的粘着利用率。另一专利“高粘着重载货运机车C0转向架”，其牵引装置采用低位中央布置双节牵引杆，斜牵引杆的牵引点高度为零，最大程度提高机车粘着力，发挥出电力机车的牵引力。
与之相对应的，国外企业的研究热点与国内略有不同，西门子公司在粘着方面研究的对象不是构架，而是驱动装置，如“EP05450098A，Method of minimizing the wheel wear of a railway vehicle”，“EP08759757A，EP2008056137W”等是通过驱动结构的优化设计提高粘着的利用。国外企业在年度申请量上比较均匀，没有出现明显增长。 2.4 增加风阻以提高减速度，缩短制动距離，如阻力板、阻力伞、翼板、扰流板等
这类专利虽然附加阻力板安装的位置和大小，材质各有不同，但普遍都采用的是通过控制风翼板的开启和闭合，在制动时，风翼板开启，产生运行阻力，从而辅助产生制动作用，以弥补高速制动工况下粘着制动的缺陷，确保高速列车安全可靠制动。代表性的专利如“CN201220009259.9 ”是一种高速列车的风阻制动装置，在列车车顶上的风翼板，通过判断风向，由转动转动连接机构控制风翼板角度的变化。“CN201510910203.9”是在列车底架上安装上平下凸的扰流板，列车高速运行时空气高速流过扰流板的上下表面时受到向下的压力，增加了列车的粘着力，车轮的滑动减少，增加轮轨间的黏着系数。
2.5 轨道安装电磁装置，磁轨制动等在轮轨间增加附加粘着力的方法
这类专利主要采用的是在车辆上和轨道上或者轨道附近增加各种额外附加装置，能产生粘着力，如电磁等装置等，或者改现有的跨座式独轨交通车的粘着驱动为非粘着驱动，车辆制动、加速由直线电机和感应板之间的相互作用力完成，降低走行轮的负担，提高结构稳定性等。代表专利有如车辆制造商的“CN201710668898.3”是一种通过控制磁力装置动作，增加机车粘着质量，改善机车牵引力发挥，降低车轮空转几率。重庆大学的专利“CN201110225556.7”是通过在独轨式轨道梁两侧各设置有一感应板，转向架两侧设置直线电机，直线电机与感应板一一对应且位置相对，通过增加附加力来提高粘着条件，缩短制动距离。
2.6 研磨子方法和装置的应用
涉及研磨子方法这类专利数量不多，主要在轨面喷洒除沙子以外的研磨物质，包括研磨子的改变而新增喷洒装置的改进，以及对研磨子条件下踏面清扫等内容。专利“CN201110202207.3”是一种轮轨瓷沙喷射装置，将气源作为动力源，将瓷沙喷射至轮轨之间，增加轮轨之间的粘着力，保证列车行车安全。
3 实验数据对比
以某型3节编组的地铁车辆进行的防滑测试的实验数据为例，通过低粘着条件、撒沙装置、轨道喷涂增粘剂、列车增加研磨子四种方式进行实验，对实验数据进行对比分析和研究。根据具体的实验结果分析，可以看出：
（1）在低粘着轨道条件下，数据显示撒沙条件中无论是高撒沙量还是低撒沙量，列车的平均减速度都有明显的提升;轮轨之间的粘着明显提高。
（2）增粘剂的应用。（选取加拿大LBFoster公司提供的增粘剂）在轨道添加了增粘剂之后，列车的平均减速度有所提升，轮轨的粘着关系有所改善。
（3）施加研磨子。同增粘剂数据相比，列车的平均减速度和制动距离都相差无几，轮轨粘着关系也有所改善。
（4）撒沙。不管初速度是40还是60，撒沙都是防滑的最有效手段，撒沙情况下，轮轨的粘着条件均得到明显改善。
4 结语
从专利检索的结果分析，在改善轮轨关系、提高粘着系数等技术领域，车辆制造商、部件制造商的技术布局重点仍在物理干预方面，以对撒砂装置的控制为主，对比实验数据，撒沙也是最有效的改善粘着手段，效果明显，易于取材、实施、检测和控制。控制方法方面，国内专利的布局大多以控制牵引或制动力、调整转向架的结构来实现粘着的改善，也有制动控制系统改进，目前这类设计改进都无法准确地在数据上直观的判断轮轨粘着的有效性。从国际研究的热点来看，与轨道相互作用力的夹置、制动器的操作机构、研磨子的应用等仍是研究轮轨关系的强相关课题。
参考文献
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[2] Yvette.高速双层坐席动车组[J].设计，2019（2）.
[3] 杨丰萍，左君成.动车组重量均衡计算系统设计及开发[J].华东交通大学学报，2018，35（6）：35-40.
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