HXD1C型大功率交流貨運機車粘著利用控制的研究與應用

趙國德

(中國鐵路成都局集團有限公司重慶機務段，重慶 400000)

0 引言

HXD1C型大功率交流傳動貨運機車自投入運營后，在我國西南、華南、華中地區擔負了重要的運輸職責，HXD1C型大功率交流傳動貨運機車一般主要用在貨運牽引任務中，日夜奔馳于主干線，運載了大批的貨物，為經濟發展做出了積極貢獻。

1 HXD1C型機車的概述

1.1 HXD1C型機車一般系數

HXD1C型機車是六軸大功率交流傳動貨運機車，其單軸功率可達1 200 kW，整車功率可達7 200 kW，最大啟動牽引力能達到570 kN。23 t重的軸承啟動時，需要粘著的系數為0.42，25 t軸承啟動時所需粘著系數約為0.39。HXD1C型機車具有非常強大的牽引性能，遠遠高于輪轂潮濕時的物理粘著系數，因此該機車要裝備性能優越的粘著利用控制系統，大大提升拉動速度和功率，以保證機車在軌道面積不同的狀況之下，也可以利用軌道的粘著系數實現多拉快跑的運營目標[1]。

1.2 HXD1C型機車的應用概述

HXD1C型機車自從上線使用之后，為該路段區段的提速和重載提供了可靠的動力保證，，由于大部分機車上線的路段均以山區高坡或者特殊地形為主，因此有可能在某種程度上會影響牽引力的發揮。分析HXD1C型機車牽引力粘著力的情況，考慮其在潮濕的軌面上運行時，是否會因為出現空轉而影響粘著力，是很多研究人員研究的重要內容。有關人員和部門致力于提高機車的粘著利用率，通過牽引計算和實用性原則，從技術角度系統分析如何修正粘著控制方案，在既有路線條件之下提升重量，增加能效，達到更科學、更安全和更可行的目的[2-3]。

2 HXD1C型機車粘著牽引力利用基礎知識

2.1 粘著牽引力

機車所提供的牽引力大于輪軌之間的粘著力，使動輪發生空轉現象。而在輪軌間不發生空轉的情況之下，所能實現的最大輪周牽引力就被稱之為粘著牽引力。粘著牽引力在實際的運輸實踐中發揮著非常重要的作用，能夠幫助計算機車的運行速度和實際承載，重力加速度等。幾個主要的計算參數如下：

Fμ：計算粘著牽引力，kN。

Pμ：機車粘著質量，t。

g：重力加速度，一般約等于9.81 m/s2。

μj：計算粘著系數。

2.2 粘著牽引力的計算公式

通過計算粘著系數，可以系統地分析機車的軸重力和牽引力在面臨其分配不均的情況時，機車運行過程中軸重力的增減載情況。計算粘著系數時要考慮到隔離條件的影響，其約束條件可能不可控，使用理論方法計算，建立起準確的計算模型。計算公式可采用鏡像轉向的方法提高曲線運行時的粘著系數，也可以采用防空轉設備的方法提高粘著系數的有效利用程度。粘著系數在不同機車運行時會有一定的差別，但實驗表明，列車運行速度提高時，粘著系數會有所下降[4]。

其計算公式如下表示：

Fμ=Pμ*g*μj

(1)

3 HXD1C型機車粘著利用控制方案

3.1 HXD1C型機車一般控制方案

針對機車輪軌的粘著特性要考慮機車運行時的自然條件，如雨雪環境、氣溫環境以及周邊其他環境的非線性時變特點，還要考慮到不同機車類型的走線情況。HXD1C型機車的粘著特性，需要研究人員采取實時辨識的方法，迅速檢測當下的輪軌條件，并計算其粘著系數的變化率。只有精確了解粘著系數的變化率，才能通過調節牽引電機的輸出轉矩，最終得出機車運行過程，粘著牽引力的利用數據和模型，從而實現在不同條件之下理論粘著牽引力的最大利用。之所以要這樣做，是為了能夠本著機車控制的實施方案，基于相位法判斷粘著牽引力的利用率，找到其控制原理，并最終根據粘著變化率給定變化器和最小電機的轉距，參照正弦信號的產生，利用不同模塊模擬閉環控制系統。

3.2 HXD1C型機車粘著牽引力的辨識和觀察

研究人員為了便于觀察和分析，常常會以1 000 s為步長，制作不同的分解圖，得到不同時間段粘著利用率、控制參數波形等具體數據。根據這些數據圖的模擬，很快找到粘著是牽引力的辨識和變化率，從而通過不同的參數反饋輪軌粘著變化率。這樣做的用意是為了根據線性系統理論分析機車牽引系數的輸出變化及電機轉速信號，從而能夠考量機車牽引傳動傳輸的轉速信號被送往通濾波器之后所得出的系數。研究者可以分析向位移反饋系數，并在輸入端與給定線位進行比較，以此構成最完整的閉環粘著利用控制系統，這一控制系統的變化剛好是粘著牽引力曲線變化的規律，根據這一規律圖能夠反饋出HXD1C型機車粘著牽引力在不同環境和不同情境之下的變化規律，從而能夠給機車操作者以更好的參考。

3.3 HXD1C型機車粘著利用控制應用

HXD1C型機車粘著控制系統的參數被計算出來之后，應經過反復的驗證，只有得到最準確的應用數據和模型，才能夠將其應用效果作為規律投入使用。HXD1C型機車自投入運營之后，雖然時間不長，但是技術人員已經進行了大量的實驗，積累了豐富的實驗數據，在不同的環境和場景下對機車的粘著控制進行了現場跟蹤，采集到了不同天氣條件之下HXD1C型機車粘著控制數據并且加以分析，了解了該機車粘著利用控制的實際效果。這些珍貴的數據為以后的機車運營以及新汽車模型的開發奠定了基礎。在機車運行的過程中，為了更好地了解機車的粘著運行規律并找到更好的應用效果，技術人員常常會采集離機車操作端最近的，同時也是輪軌粘著條件最差的第一軸位電機的轉速，同時還會分析其設定牽引力和實際牽引力之間的差異，通過電腦模擬得出全程采集數據的比對圖。HXD1C型機車粘著控制的模型曲線，其上半段對應的是機車輪對線速度，下半段對應的是牽引力曲線，后續圖的規律同樣如此，以此來判斷不同時間段粘著利用控制參數的波形變化，從而能夠通過仔細觀察，找到轉速的平穩期、持續波動期、急劇變化期不同的粘著控制參數。

分析這3個不同時期HXD1C型機車粘著控制的階段性變化，規律如下：

3.3.1 轉速平穩變化期

根據參數模擬，HXD1C型機車在t值為2 400～2 800 s時，機車轉速平穩變化，粘著控制數據顯示電機的實際牽引力和設定牽引力是相等的或大約相等，此時的汽車運行處于粘著條件最好期間，所需的粘著牽引力往往低于輪軌可提供的最大粘著牽引力。

3.3.2 轉速持續波動期

根據參數模擬，HXD1C型機車在t值為4 600～4 900 s時，機車的粘著利用控制系數發生了一定的變化，機車雖然實際牽引力跟隨設定牽引力，轉速平穩，但是在位于露天軌道時，電機的實際牽引力略小于設定牽引力，電機轉速也出現了一定的波動，而當機車由露天返回隧道時，粘著條件有所改善，實際牽引力幾乎跟隨設定牽引力的實際數值。這一結論是根據一定的實驗數據得出，也就是說，根據室內外的實驗數據可以發現，粘著利用控制，雖然無法使實際牽引力僅僅跟隨設定牽引力，但是卻可以根據當時的輪軌粘著情況，在不引起嚴重空轉的情況之下，對實際牽引力進行持續平穩的調節，盡可能發揮其粘著牽引力的最大效能。

(3)轉速急劇變化期。

根據參數模擬，HXD1C型機車在t值為1 950 s時，出現了一個比較大的變化，由于電機的轉速極速上升，使得電機的實際牽引力也隨之卸載，電機轉速下降之后，隧道外的粘著條件低于隧道內的粘著條件。機車之所以在此時出現了急劇的轉速變化，并不是巧合，此時的粘著卸載呈現出最大值，局部粘著也被利用，粘著利用控制數據波形發揮作用，有效抑制了空轉，保障了機車的運行安全和平穩，并且在機車轉速調節的過程中快速恢復輪軌粘著度，實現粘著利用的最大化，這正是本實驗所想要達到的效果，也是HXD1C型機車實現粘著條件改善、粘著利用控制的有效體現。

4 結語

綜上所述，HXD1C型機車對輪軌要求比較高，在詳盡分析鐵軌粘著特性及粘著環境之后，基于車型特點進行了具體分析。其研究的目的主要是為了能夠在粘著的條件下改善實際牽引力，使其迅速跟隨設定牽引力，從而能夠在全季節氣候情況之下，改善粘著利用控制功能，并充分保障HXD1C型機車的運行安全。