神八機車粘著控制存在的問題及改進

薄璞安

（朔黃鐵路公司，河北 肅寧 062350）

前言

神八機車是神華集團與南車株洲電力機車有限公司聯(lián)合設(shè)計開發(fā)的一款適應(yīng)神華鐵路運輸特點的八軸9600kW 交流傳動電力機車。機車采用主輔一體化設(shè)計，多重四象限、軸控技術(shù)。具有大功率密度、高效環(huán)保、高可用性和可維護性的特點。機車牽引制動力能夠滿足神池南至黃驊港(坡道最大4‰)單機牽引10000t 的運用要求。神八機車在朔黃鐵路正式上線運行后，為緩解朔黃鐵路機力緊張、為朔黃鐵路運輸任務(wù)的完成提供了較大的助力。機車到投入運用之后，運行基本正常，但在仍然存在一定問題。其中由于粘著控制系統(tǒng)不良導(dǎo)致的問題最為嚴(yán)重，影響也最大。

一、主要存在的問題

神八機車投入運用后，運用狀態(tài)整體上講表現(xiàn)良好，為朔黃鐵路運輸能力的提高做出了很大貢獻(xiàn)。但是隨著單牽萬噸，運行公里數(shù)增加，一些存在的問題也逐漸暴露出來。

（一）輪對剝離嚴(yán)重

神八機車（7001-7008）投入運行后，陸續(xù)出現(xiàn)輪對剝離的故障，導(dǎo)致輪對大量鏇修。如下表所示，輪對剝離頻率高、鏇修量大，據(jù)估算鏇修頻率高的機車如7005、7008 甚至到運行不足1年就因為不斷鏇輪導(dǎo)致輪對到限。選取其中四臺車的鏇輪數(shù)據(jù)，具體情況如下表：

（二）空轉(zhuǎn)滑行現(xiàn)象頻發(fā)

神八機車上線，牽引單元萬噸之后頻繁出現(xiàn)空轉(zhuǎn)滑行等情況。尤其是雨雪天氣等不良狀態(tài)下小幅度的空轉(zhuǎn)時有發(fā)生，造成蠕滑加劇，牽引力或制動力發(fā)揮不足，而粘著程序?qū)τ诖爽F(xiàn)象的抑制能力有限。這就為乘務(wù)員的操縱帶來了很大困難，影響到列車的正常操縱，嚴(yán)重情況下會直接導(dǎo)致列車不能正常牽引。如7004 機車牽引總重2668 噸列車，在小雪在天氣，機車從時速67km/h，經(jīng)過27分鐘運行下降到4km/h，在此期間機車頻繁空轉(zhuǎn)、減載，造成牽引力無法正常發(fā)揮，而自動撒沙、人為撒沙等措施均不能將粘著狀態(tài)恢復(fù)。出隧道后空轉(zhuǎn)超速，由于粘著條件惡略，以及入隧道前速度不斷下降等現(xiàn)象，直接請求救援。

以上兩個問題是神八機車投入后影響較大的兩個問題，也是較難解決的兩個問題，因為不管輪對剝離或不良天氣下空轉(zhuǎn)滑行頻繁都與粘著控制程序關(guān)系較大，而粘著控制程序是神八機車控制理論的核心之一，是一個系統(tǒng)性問題，因此解決難度較大。

二、原因分析

（一）輪對踏面剝離原因

1.牽引/制動條件的影響

從神華八軸交流機車發(fā)生踏面剝離后鏇輪的記錄來看，剝離深度主要集中在3mm 以內(nèi)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究可以認(rèn)為其形成的原因為輪軌間滾動接觸疲勞。

相對于直流車而言，交流機車的軸重為25t，且為萬噸牽引，造成輪軌間的接觸壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力更大，促使輪對踏面的更容易產(chǎn)生剝離現(xiàn)象。

此外，在西柏坡以西至神池南將近200 公里的路段，長大上坡道（10‰以上）與多彎區(qū)段頗多。所以，輪軌間的剪切應(yīng)力方向無論在上坡牽引還是下坡電制動均沿同一方向，使得踏面變形持續(xù)累積，促使裂紋形成。尤其在機車在電制動時問題更為突出。

2.蠕滑率的影響

表面蠕滑率(或是摩擦力)是決定車輪表面剝離的主要因素,會導(dǎo)致表面裂紋形成與擴展,并最終導(dǎo)致材料表面剝離。因此,降低表面摩擦力可以有效地減輕車輪剝離現(xiàn)象。神華交流機車在大坡道區(qū)段，為滿足牽引/制動需求，需要提供較大的力矩，尤其在下坡道制動的時，情況更加嚴(yán)峻。

3.空轉(zhuǎn)/滑行的影響

根據(jù)文獻(xiàn)研究表明：當(dāng)機車實際力大于粘著力時會出現(xiàn)空轉(zhuǎn)/滑行的現(xiàn)象。該現(xiàn)象的產(chǎn)生極容易引起踏面溫度急劇上升，惡化踏面狀態(tài)。

神池南上行至西柏坡路段，需要長時間利用制動來限制車速。單牽萬噸時，大閘緩解后需要電制動力對速度進行限制，來保證足夠的充風(fēng)時間。然而，萬噸大列的下滑力超過1200kN，電制動力最大為460kN，緩解時極容易引起機車滾滑現(xiàn)象產(chǎn)生。長期處在這種工況下，輪對接觸表面存在類似于擦傷的熱影響區(qū)，易于產(chǎn)生表面熱裂紋。

4.撒砂量的影響

經(jīng)過分析與文獻(xiàn)研究表明，撒砂量對于提高輪軌粘著系數(shù)存在臨界值。即，當(dāng)撒砂量低于臨界值時，粘著系數(shù)隨著撒砂量的提高而提高；當(dāng)撒砂量高于臨界值時，粘著系數(shù)隨著撒砂量的提高不明顯，反而會影響輪對踏面。

5.基礎(chǔ)制動方式的影響

與直流傳動電力機車閘瓦制動不同，神華交流機車的基礎(chǔ)制動方式采用輪盤制動。當(dāng)機車踏面出現(xiàn)小裂紋的時候，踏面制動對其有一定的修復(fù)作用，進一步減少直流傳動機車踏面問題的出現(xiàn)。

6.氣候的影響

氣候方面,我國地處亞熱帶,南方常年潮濕多雨,北方冬季多雪。列車運行時,輪軌間的雨雪使其間粘著力下降,同時降低輪軌間的摩擦系數(shù),使列車的制動力往往比較容易高于輪軌間粘著力,造成車輪在鋼軌上滑行。同時水對裂紋形成和擴展也有促進作用,由于水具有不可壓縮性、良好流動性和滲透性,當(dāng)水進入裂紋后,在輪軌間高接觸應(yīng)力作用下,裂紋內(nèi)部產(chǎn)生高壓,對裂紋的尖端部起到擴大和促進發(fā)展的作用。

（二）空轉(zhuǎn)滑行原因

從大的方面來講，機車出現(xiàn)空轉(zhuǎn)、滑行就是輪對與鋼軌之間原有的力學(xué)平衡被打破，潤滑加劇，進而導(dǎo)致空轉(zhuǎn)滑行現(xiàn)象的產(chǎn)生。而導(dǎo)致此現(xiàn)象出現(xiàn)的影響因素主要有以下幾方面：控制程序、機車撒砂（包括自動撒砂與人工撒砂）、氣候條件。其中天氣條件屬于不可控因素，只能對控制程序及機車撒砂進行調(diào)節(jié)檢測。而自動撒沙與人工撒砂相結(jié)合的這種方式，及時程序設(shè)定存在問題，乘務(wù)員在操作時也會人工撒沙，做出補救措施。因此，撒砂模式對于空轉(zhuǎn)滑行等情況的出現(xiàn)并無太大影響。

1.列車速度的計算

機車的粘著控制程序的基礎(chǔ)是根據(jù)各軸的速度與列車速度進行比較判斷，但是列車速度是按照各軸監(jiān)控速度，增加一部分修正量來進行計算得出。由列車速度與單一軸速度進行比較進而判斷機車是否產(chǎn)生空轉(zhuǎn)、滑行等現(xiàn)象，但是當(dāng)全車均存在不同程度的空轉(zhuǎn)滑行，列車速度計算就會與實際列車速度差異較大，進而導(dǎo)致粘著控制程序選擇的目標(biāo)值失真，難以達(dá)到實際的調(diào)控目的。

2.程序參數(shù)門檻值得選擇

粘著控制程序內(nèi)部參數(shù)門檻值的設(shè)定存在問題，導(dǎo)致采取措施過早、過晚、抑制效果過低，從而不能有效避免空轉(zhuǎn)滑行的出現(xiàn)。

三、試驗驗證

針對此問題，機輛分公司與株洲廠、株洲所聯(lián)合開展試驗、研究工作，以期取得良好的實驗效果。為改善粘著控制，提高粘著力的發(fā)揮，針對控制程序和機車撒砂進行調(diào)整并進行實驗。為下一步改進軟件提供數(shù)據(jù)支持。

（一）被試機車

試驗中選擇神華7006 號機車作為被試機車，該機車：

1.出現(xiàn)過踏面剝離狀況，現(xiàn)機車狀況良好；

2.鏇輪時間為6月26 日，最近一次鏇輪的機車；

（二）試驗條件

1.被試機車A節(jié)1、3軸的撒砂量減小至0.5L/min（通過量杯限時測量）左右，以減弱對踏面的磨耗；

2.被試機車A 節(jié)1、3 軸輪對前方裝設(shè)撒水龍頭，試驗室根據(jù)選定的試驗地點撒水（帶有洗滌液）模擬惡劣天氣狀態(tài)；

3.被試機車A 節(jié)1、3 軸輪對處裝設(shè)視頻監(jiān)控輪對運行狀況、裝設(shè)紅外線測溫設(shè)備實時監(jiān)測輪對踏面溫度信號。

（三）試驗地點

經(jīng)過技術(shù)部、機務(wù)運管中心、株洲廠及株洲所粘著試驗人員討論溝通后，確認(rèn)試驗地點如下，以下試驗點均保證下坡時的坡道在10‰-12‰之間。

試驗共進行6 次，每次粘著參數(shù)調(diào)整項點如下：

（四）試驗情況

1.干燥軌面試驗波形

圖1 干燥軌面電制力數(shù)據(jù)

2.第1 趟灑水試驗

圖2 灑水自動撒沙試驗波形

3.第2 趟灑水試驗

圖3 灑水自動撒沙試驗波形

4.第3 趟灑水試驗

圖4 灑水自動撒沙試驗波形

四、試驗數(shù)據(jù)分析

（一）灑水+人工補沙軌面狀態(tài)下電制力發(fā)揮存在問題

從上面的試驗波形可以看出，在原有機車參數(shù)條件下，軌面條件較好的情況下電制力發(fā)揮基本正常，電機速度與估算機車速度基本吻合，電制給定力與實際力也基本吻合。在灑水軌面人工撒砂的條件下，電制力發(fā)揮還存在一定問題，電制給定力與實際力存在長期、小幅度的波動。說明在干燥軌面條件下，機車基本不存在滑行現(xiàn)象。在雨天，人工撒砂的情況下能基本保證牽引力的發(fā)揮，但是小幅空轉(zhuǎn)滑行仍比較頻繁。

（二）灑水自動撒沙軌面電制力發(fā)揮較差

從試驗數(shù)可以看到在灑水自動撒沙狀態(tài)下，電制力的發(fā)揮較差，也就是說明單純依靠程序去抑制空轉(zhuǎn)滑行，是難以實現(xiàn)的。通過調(diào)小加速度微分值和加速度保護門檻值能夠有效地使機車電制力發(fā)揮更趨向于平穩(wěn)發(fā)揮。

但是當(dāng)門檻值過于低的情況下，雖然可以確保灑水軌面條件下的電制力平穩(wěn)發(fā)揮，但機車的牽引力和電制力即使在干燥軌面條件下，發(fā)揮較小。

機車自動撒沙控制是通過調(diào)整機車實際與給定力間的比值來決定是否撒沙，如果門檻值設(shè)置的過高，則機車稍有卸力就會發(fā)生撒沙，這對于機車正常運行帶來了輪對磨耗增大和機車運行撒沙量增加；但是如果設(shè)置過低，又不能使機車發(fā)生滑行的情況下，又不利于及時抑制滑行。

機車上原有的一組數(shù)據(jù)在加速度微分值和加速度保護門檻值上就存在問題，從實驗上也可以看出，電制力的發(fā)揮不論是在何種狀態(tài)（是否人工撒砂）下發(fā)揮均存在一定問題。

（三）輪對溫度的變化

從實驗數(shù)據(jù)看出，當(dāng)機車運行到部分測試點時，出現(xiàn)小幅度的空轉(zhuǎn)及滑行輪對踏面溫度上升明顯（10 度以上），結(jié)合ERM 與TCU 數(shù)據(jù)分析，機車輪對出現(xiàn)一定程度的滾滑，粘著沒有得到充分利用。

（四）機車蠕滑情況

神華交流機車在大坡道區(qū)段，為滿足牽引/制動需求，需要提供較大的力矩，尤其在下坡道制動的時。試驗時發(fā)現(xiàn)，乘務(wù)員在操縱時電制動力一般需維持在300kN 以上（最大達(dá)到460kN），機車工作強度較大。因此較大的粘著力發(fā)揮而導(dǎo)致的輪對踏面剝離、掉塊是輪對故障的一個重要原因。

（五）空轉(zhuǎn)/滑行的影響

實驗中輪對踏面在空轉(zhuǎn)滑行過程中確實出現(xiàn)了踏面溫度急劇上升的過程。

由于神池南上行至西柏坡路段，需要長時間利用制動來限制車速。電制力不足，根據(jù)試驗時ERM 檢測的數(shù)據(jù)表明緩解時車輪確實有時出現(xiàn)滾滑現(xiàn)象，該現(xiàn)象促使在踏面萌生裂紋。

（六）撒砂量

此次試驗按照理論分析情況將撒砂量下調(diào)，調(diào)整為0.5L/min 左右（原車為1L/min 以上）。通過實驗表明，該下砂量可以保證機車在粘著條件較差的時候，改善粘著系數(shù)。

五、采取的措施

（一）試驗表明，撒砂量為0.5L/min 時可以保證運行時粘著力的發(fā)揮；而降低撒砂量（原來為1L/min 以上）可以減弱撒砂對踏面的影響；因此，將撒砂量下調(diào)到0.5L/min，以保護輪對。

（二）針對機車不同轉(zhuǎn)向架的電機速度存在差異造成的滾滑現(xiàn)象，通過機車網(wǎng)絡(luò)將不同轉(zhuǎn)向架數(shù)據(jù)送至各個TCU 中，實現(xiàn)電機實際速度信號的互通。當(dāng)轉(zhuǎn)向架之間的電機速度不一致時，根據(jù)速度差值進行卸力，進一步降低空轉(zhuǎn)/滑行現(xiàn)象的產(chǎn)生；

（三）由于輪對空轉(zhuǎn)、溫度、氣候等影響容易出現(xiàn)早期裂紋源，單牽萬噸機車提高入庫掉頭頻率，減小踏面形變累計，可以有效減緩裂紋萌生；

（四）調(diào)整粘著控制程序主要參數(shù)，通過參數(shù)調(diào)整選擇驗證選取最優(yōu)參數(shù)方案，在保護輪對的前提下，提高機車粘著力的發(fā)揮。

六、效果

采取5.1及5.3 措施之后輪對剝離問題得到了較大的改觀。最嚴(yán)重時鏇輪間隔在1 萬公里左右，采取以上兩條措施后7001-7008 機車距上次鏇輪平均運行公里數(shù)為42058 公里，效果較為顯著。