太中線HXD1型電力機車空轉(zhuǎn)原因分析及對策

趙寶峰

（中國鐵路太原局集團有限公司安全監(jiān)察室，山西 太原 030000）

1 問題的提出

HXD1型深度國產(chǎn)化機車（鐵八軸）為中車株洲電力機車公司生產(chǎn)的一款大功率干線重載貨運交流傳動電力機車，具有模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制等特點，自2013 年配屬太原機務(wù)段以來，基本滿足了太中線13‰長大上坡道單機牽引4500t 重車運輸任務(wù)，但近期以來，頻發(fā)發(fā)生10‰以上爬坡區(qū)段重車空轉(zhuǎn)途停故障，被迫請求救援，嚴重影響了太中銀線運輸秩序。因此，確定空轉(zhuǎn)故障根本原因，提出有效解決措施已成為刻不容緩的課題。

2 空轉(zhuǎn)影響因素

2.1 機車空轉(zhuǎn)形成機理

輪軌黏著力指機車不發(fā)生空轉(zhuǎn)或滑行的靜摩擦力，其制約機車牽引力的發(fā)揮。當(dāng)黏著力不足（輪周驅(qū)動力矩大于當(dāng)前輪軌黏著力矩）時，機車將發(fā)生空轉(zhuǎn)。輪軌黏著力公式如下：

Fμ=(Pμ·g)·μj

式中：Pμ為機車動輪承載質(zhì)量；g 為重力加速度；μj為輪軌間靜摩擦系數(shù)。

2.2 機車空轉(zhuǎn)影響因素

從輪軌黏著力公式可知：機車輪軌黏著特性受到多種因素的影響，包括輪軌表面狀態(tài)、機車振動、輪對蛇形運動、司機操縱等，具體如下：一是輪軌表面狀態(tài)。當(dāng)軌面干燥清潔時，黏著系數(shù)μj一般可以達到0.25～0.4。一旦輪軌表面濕滑（下雨、凍雨或露珠等）、有油污等情況時，黏著系數(shù)將會發(fā)生急劇下降，條件惡劣時甚至不到0.15。二是列車速度。隨著列車速度的增加，機車橫向及垂向振動加劇，破壞了輪軌黏著狀態(tài)，也會降低黏著系數(shù)。三是線路條件。線路高低不平、彎道造成蛇形運動等都會影響輪軌間黏著特性。四是司機操縱。司機急速提升司控器手柄時，牽引電機的轉(zhuǎn)矩急劇增加，相應(yīng)的輪對輪周牽引力超出輪軌之間最大靜摩擦力，從而產(chǎn)生空轉(zhuǎn)。

由于列車速度、線路條件屬于客觀影響因素，因此我們主要從輪軌表面狀態(tài)、司機操縱牽引力輸出兩個方面分析機車空轉(zhuǎn)成因。

2.3 現(xiàn)場情況及機車數(shù)據(jù)分析

（1）現(xiàn)場概況。通過對太中銀線3、4月份HXD1型機車空轉(zhuǎn)途停案例分析，可以看出，故障時間段內(nèi)，均具有“長大上坡道、重車、線路濕滑、撒砂系統(tǒng)作用不良”等特點，具體如表1。

（2）機車數(shù)據(jù)分析。通過圖1、2 HXD1-a 號機車運行數(shù)據(jù)及曲線圖分析，可以看出，機車特性及乘務(wù)員操縱具有如下特征：①機車起動后牽引力快速上升，A 節(jié)牽引力達到300kN 后產(chǎn)生了短時空轉(zhuǎn)，恢復(fù)后再次產(chǎn)生連續(xù)空轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致實際牽引力維持200～250kN 波動。②機車TCU 模塊連續(xù)發(fā)出自動撒砂指令，人工撒砂指令也連續(xù)發(fā)出。③在機車持續(xù)空轉(zhuǎn)過程中，機車牽引手柄始終保持在最大級位（T=12 級）。④通過分相區(qū)時，牽引級位快速降零與快速回升至最大。

通過查閱技術(shù)資料可知，HXD1型機車TCU 模塊防空轉(zhuǎn)保護門限值VLim≥3km/h，即，TCU 模塊通過速度信號、轉(zhuǎn)矩指令信號判斷輪對的空轉(zhuǎn)/滑行狀態(tài)，當(dāng)空轉(zhuǎn)速度大于3km/h 時，TCU 模塊以軸控方式對每個動力輪對進行控制，調(diào)節(jié)牽引電機電流下降，在空轉(zhuǎn)消除后，牽引力再恢復(fù)至牽引級位設(shè)定值。

但通過該機車牽引力曲線可以看出，該機車牽引力級位回升速度過快，并導(dǎo)致了機車再次空轉(zhuǎn)。也就是說，機車軟件邏輯控制存在缺陷：牽引力試圖恢復(fù)至牽引級位目標(biāo)值過程中，輪對驅(qū)動力超出了輪軌黏著力，再次誘發(fā)了空轉(zhuǎn)，TCU 空轉(zhuǎn)保護后，輪對驅(qū)動力下降，空轉(zhuǎn)消失，輪對驅(qū)動力再次急劇上升，并再次誘發(fā)了空轉(zhuǎn)，往復(fù)發(fā)生形成惡性循環(huán)。

（3）撒砂分析。通過檢查HXD1-a、b、c 號三臺機車撒砂系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，部分砂管撒砂不暢，下砂量小于0.3L/min（標(biāo)準：0.5～0.7L/min）。例如：3 月7 日HXD1-b 號機車腳踏踩砂測試，整臺車16 個砂管僅3 個撒砂正常。通過捅砂管等措施后，部分短時恢復(fù)正常后，再次發(fā)生下砂量不足的問題。進一步放砂檢查發(fā)現(xiàn)：砂箱內(nèi)存在板結(jié)現(xiàn)象（如圖3），且砂質(zhì)不符合和諧型機車砂閥用砂要求（如圖4）。

表1 太中銀線空轉(zhuǎn)途停故障統(tǒng)計表

圖1 3月7日HXD1 型a號機車A節(jié)數(shù)據(jù)

圖2 3月7日HXD1 型a號機車B節(jié)數(shù)據(jù)

圖3 機車砂子有板結(jié)現(xiàn)象

圖4 砂子質(zhì)量不達標(biāo)

3 原因分析

通過上文分析可知，太中線機車發(fā)生持續(xù)空轉(zhuǎn)的主要原因：HXD1型機車在長大上坡道上滿負荷運行時，雨水等因素導(dǎo)致路面濕滑，輪軌之間摩擦系數(shù)下降，而乘務(wù)員操縱司控器級位為最大值（T12），牽引電機驅(qū)動力目標(biāo)值約600kN（機車運行曲線圖1、2），當(dāng)輪周驅(qū)動力大于輪軌間靜摩擦力時，機車產(chǎn)生空轉(zhuǎn)。由于機車撒砂系統(tǒng)作用不良、機車牽引力快速上升以及TCU 模塊防空轉(zhuǎn)作用等三方面因素導(dǎo)致了整臺機車牽引力維持于400～450kN 之間波動，機車持續(xù)空轉(zhuǎn)。具體原因如下。

3.1 撒砂不良

HXD1型機車CCU 判定機車發(fā)生較嚴重空轉(zhuǎn)/滑行時，會自動開啟5s+2s 的撒砂模式（即撒砂5s，暫停2s），然后再次進行空轉(zhuǎn)/滑行判斷并進行撒砂。因此，當(dāng)機車即將駛?cè)腽ぶ鴹l件較差路段時(如坡道、濕軌、油軌等)，司機應(yīng)采取預(yù)防性腳踏撒砂干預(yù)，改善輪軌黏著條件。而實際上，通過現(xiàn)場檢查可知，撒砂系統(tǒng)存在堵塞、下砂量不足的問題。因此，HXD1型機車撒砂系統(tǒng)并未起到抑制空轉(zhuǎn)的作用。

3.2 操縱漏洞

通過對運行數(shù)據(jù)和撒砂測試結(jié)果分析：運行中當(dāng)機車發(fā)生空轉(zhuǎn)時，乘務(wù)員采取手柄始終保持在滿級運行（T12 級）。由于機車牽引控制設(shè)計的原因（見下文分析），牽引電機輸出轉(zhuǎn)矩快速提升至目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)輪周牽引力大于輪軌間黏著力時，機車發(fā)生空轉(zhuǎn)。

當(dāng)嚴重空轉(zhuǎn)時，乘務(wù)員操縱牽引手柄回零，待空轉(zhuǎn)消失時，司機又快速提升手柄（設(shè)定牽引力回零后快速上升到600kN 以上），機車給定牽引力上升到560kN 左右時，再次發(fā)生空轉(zhuǎn)，整車牽引力發(fā)揮與回手柄前接近。由于空轉(zhuǎn)的原因，機車速度持續(xù)下降，低于40km/h 后，司機判斷無法通過分相區(qū)，及時停車請求救援，如圖5 所示。

圖5 4 月23 日HXD1 型c 號機車B 節(jié)數(shù)據(jù)

3.3 機車防空轉(zhuǎn)牽引控制設(shè)計缺陷

理論上，當(dāng)機車行駛在輪軌黏著條件惡劣的區(qū)段，輪軌間能夠利用的最大黏著力瞬間小于輪對產(chǎn)生的輪周牽引力時，輪對就會快速地空轉(zhuǎn)起來。這時機車控制系統(tǒng)通過輪對加速度、蠕滑速度等信號識別出空轉(zhuǎn)趨勢，并快速地調(diào)節(jié)電機電流指令，迅速降低空轉(zhuǎn)軸的牽引電流，抑制輪對空轉(zhuǎn)趨勢。尋找當(dāng)前黏著極限，并最終將牽引力控制在最大黏著力附近。當(dāng)輪軌黏著條件能夠滿足手柄給定值需求時，控制軟件會將牽引電機電流及時恢復(fù)至手柄給定值。

但通過上文分析可知，在空轉(zhuǎn)消除后，牽引電機電流未實施分段恢復(fù)，未實施越接近減載點（黏著點），恢復(fù)速度越慢的恢復(fù)方式。通過動態(tài)調(diào)節(jié)電機牽引電流只能抑制空轉(zhuǎn)惡化趨勢，發(fā)揮當(dāng)前輪軌條件下最大黏著力，并不能從根本上發(fā)揮牽引電機牽引力上限。

4 解決措施

HXD1型電力機車抑制輪對空轉(zhuǎn)的措施主要有兩種：一是采取有效撒砂。在輪軌間噴撒石英砂可以改善輪軌摩擦條件，提升輪軌黏著力抑制空轉(zhuǎn)；二是合理給定牽引電機牽引力。通過動態(tài)調(diào)節(jié)牽引電機電流，以發(fā)揮當(dāng)前輪軌黏著條件允許的最大黏著力。隨著外部環(huán)境的不斷變化，運行中需要上述兩種措施配合使用，才能使機車發(fā)揮最大牽引力。具體措施如下。

4.1 整治撒砂系統(tǒng)

（1）機車整備作業(yè)時，加強對撒砂系統(tǒng)的檢查，按規(guī)定使用石英砂，保證砂子質(zhì)量，并對下砂量普查測量，確保機車砂管下砂量符合0.5～0.7L/min 的要求。

（2）調(diào)整撒砂軟管距軌面高度、距輪對踏面距離以及角度。調(diào)整軟管距軌面高度25～30mm，軟管距輪對踏面距離15～25mm。同時要求砂管切口面朝上，并指向輪軌接觸點。

4.2 優(yōu)化操縱

（1）進一步優(yōu)化列車操縱，針對困難區(qū)段制定具體的操縱辦法，對乘務(wù)員進行重點培訓(xùn)、傳達，使乘務(wù)員熟知坡道情況、分相位置、特殊分相最低通過速度等關(guān)鍵要素，操縱列車實行闖爬結(jié)合。

（2）當(dāng)機車牽引重載列車，乘務(wù)員可以在即將進入惡劣區(qū)段前點踩腳踏撒砂進行預(yù)防性撒砂，提升輪軌黏著條件，提高牽引力發(fā)揮。遇下雨天氣等惡劣條件時，列車牽引重量在4200t 以上，司機應(yīng)主動向列車調(diào)度員提出站內(nèi)停車加補或減軸的請求。

（3）運行中發(fā)生空轉(zhuǎn)或牽引電流波動，機車牽引力無法滿足需求時，不可盲目持續(xù)提高或降低牽引力。應(yīng)將牽引手柄級位給定的牽引力緩慢退至比實際牽引力稍高的位置，并采取間歇式腳踏撒砂方式提高黏著力。待機車牽引力穩(wěn)定后，緩慢提高牽引手柄級位，確保實際牽引力能夠跟隨給定牽引力。

5 結(jié)語

通過對近期接連發(fā)生的四起機車空轉(zhuǎn)坡停分析，積極進行現(xiàn)場調(diào)研，深入查找坡停原因，提出了有效的解決方法，減少了機車空轉(zhuǎn)導(dǎo)致坡停問題的發(fā)生，為集團公司客車安全正點、貨運增量提供了有力保障。