太中線HXD1型電力機車空轉原因分析及對策

趙寶峰

（中國鐵路太原局集團有限公司安全監察室，山西 太原 030000）

1 問題的提出

HXD1型深度國產化機車（鐵八軸）為中車株洲電力機車公司生產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、網絡化控制等特點，自2013 年配屬太原機務段以來，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，但近期以來，頻發發生10‰以上爬坡區段重車空轉途停故障，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 空轉影響因素

2.1 機車空轉形成機理

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

Fμ=(Pμ·g)·μj

式中：Pμ為機車動輪承載質量；g 為重力加速度；μj為輪軌間靜摩擦系數。

2.2 機車空轉影響因素

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、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。當軌面干燥清潔時，黏著系數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，黏著系數將會發生急劇下降，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，也會降低黏著系數。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，牽引電機的轉矩急劇增加，相應的輪對輪周牽引力超出輪軌之間最大靜摩擦力，從而產生空轉。

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、司機操縱牽引力輸出兩個方面分析機車空轉成因。

2.3 現場情況及機車數據分析

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

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

通過查閱技術資料可知，HXD1型機車TCU 模塊防空轉保護門限值VLim≥3km/h，即，TCU 模塊通過速度信號、轉矩指令信號判斷輪對的空轉/滑行狀態，當空轉速度大于3km/h 時，TCU 模塊以軸控方式對每個動力輪對進行控制，調節牽引電機電流下降，在空轉消除后，牽引力再恢復至牽引級位設定值。

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，并導致了機車再次空轉。也就是說，機車軟件邏輯控制存在缺陷：牽引力試圖恢復至牽引級位目標值過程中，輪對驅動力超出了輪軌黏著力，再次誘發了空轉，TCU 空轉保護后，輪對驅動力下降，空轉消失，輪對驅動力再次急劇上升，并再次誘發了空轉，往復發生形成惡性循環。

（3）撒砂分析。通過檢查HXD1-a、b、c 號三臺機車撒砂系統發現，部分砂管撒砂不暢，下砂量小于0.3L/min（標準：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，部分短時恢復正常后，再次發生下砂量不足的問題。進一步放砂檢查發現：砂箱內存在板結現象（如圖3），且砂質不符合和諧型機車砂閥用砂要求（如圖4）。

表1 太中銀線空轉途停故障統計表

圖1 3月7日HXD1 型a號機車A節數據

圖2 3月7日HXD1 型a號機車B節數據

圖3 機車砂子有板結現象

圖4 砂子質量不達標

3 原因分析

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

3.1 撒砂不良

HXD1型機車CCU 判定機車發生較嚴重空轉/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/滑行判斷并進行撒砂。因此，當機車即將駛入黏著條件較差路段時(如坡道、濕軌、油軌等)，司機應采取預防性腳踏撒砂干預，改善輪軌黏著條件。而實際上，通過現場檢查可知，撒砂系統存在堵塞、下砂量不足的問題。因此，HXD1型機車撒砂系統并未起到抑制空轉的作用。

3.2 操縱漏洞

通過對運行數據和撒砂測試結果分析：運行中當機車發生空轉時，乘務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計的原因（見下文分析），牽引電機輸出轉矩快速提升至目標轉矩，當輪周牽引力大于輪軌間黏著力時，機車發生空轉。

當嚴重空轉時，乘務員操縱牽引手柄回零，待空轉消失時，司機又快速提升手柄（設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，再次發生空轉，整車牽引力發揮與回手柄前接近。由于空轉的原因，機車速度持續下降，低于40km/h 后，司機判斷無法通過分相區，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 節數據

3.3 機車防空轉牽引控制設計缺陷

理論上，當機車行駛在輪軌黏著條件惡劣的區段，輪軌間能夠利用的最大黏著力瞬間小于輪對產生的輪周牽引力時，輪對就會快速地空轉起來。這時機車控制系統通過輪對加速度、蠕滑速度等信號識別出空轉趨勢，并快速地調節電機電流指令，迅速降低空轉軸的牽引電流，抑制輪對空轉趨勢。尋找當前黏著極限，并最終將牽引力控制在最大黏著力附近。當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至手柄給定值。

但通過上文分析可知，在空轉消除后，牽引電機電流未實施分段恢復，未實施越接近減載點（黏著點），恢復速度越慢的恢復方式。通過動態調節電機牽引電流只能抑制空轉惡化趨勢，發揮當前輪軌條件下最大黏著力，并不能從根本上發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；二是合理給定牽引電機牽引力。通過動態調節牽引電機電流，以發揮當前輪軌黏著條件允許的最大黏著力。隨著外部環境的不斷變化，運行中需要上述兩種措施配合使用，才能使機車發揮最大牽引力。具體措施如下。

4.1 整治撒砂系統

（1）機車整備作業時，加強對撒砂系統的檢查，按規定使用石英砂，保證砂子質量，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）調整撒砂軟管距軌面高度、距輪對踏面距離以及角度。調整軟管距軌面高度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 優化操縱

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

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

（3）運行中發生空轉或牽引電流波動，機車牽引力無法滿足需求時，不可盲目持續提高或降低牽引力。應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 結語

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