HXD2機車重載牽引坡啟黏著優化研究

傅雪軍

(中車大同電力機車有限公司 技術中心 ,山西 大同 037038)

HXD2型機車作為重載貨運機車的典型代表，整車功率為9 600 kW，此機車已成為我國貨運的主力車型之一.目前機車主要在安康、蘭州等機務段擔當貨運牽引任務，運行區段存在長大坡道、氣候多變等特點.目前HXD2型機車牽引力普遍超過4 500 t，在12‰以上坡道運行時至少需要700 kN牽引力，而機車最大啟動牽引力為760 kN，此時機車牽引力的余量很小，受惡劣天氣或者司機操縱方式等影響，極有可能造成黏著系數的降低，從而導致坡啟失敗，此時減少牽引力是抑制空轉的唯一手段，這樣又造成機車不能克服阻力啟車或者提速，還有可能造成機車后溜.針對該機車的這種問題，本文從現象、空轉檢測和保護方法等方向進行分析，提高機車的黏著利用率，保證最大牽引力的發揮，成功實現長大坡道啟動.

1 問題概述

圖1為典型的坡道啟動失敗的試驗數據，HXD2型機車牽引4 378 t貨車在夏官營—新窯坡K66+500 m處停車，進行坡道(坡度12.1‰)啟動.機車司機首先緩解小閘，然后推動手柄，將給定牽引力設定為650 kN，試驗車開始有微小的動車現象.待牽引力發揮穩定之后緩解大閘，當列車管壓力從353 kPa升到456 kPa時，機車有明顯的動車趨勢，但同時產生輕微的空轉，此時通過黏著控制算法調整，對空轉進行了抑制.

圖1 坡道啟動數據

隨著列車的逐漸緩解，當列車管壓力升到465 kPa時，試驗機車受到較為明顯的向后拖拉沖擊，此時可以看出4個軸的電機轉速和車速都因沖擊產生了較大的同步沖擊變化，產生較大加速度.現有黏著控制算法，將此同步沖擊誤判為空轉，并進行牽引力卸載，然后開始緩慢恢復，在牽引力恢復過程中整個試驗列車由于牽引力發揮不足，開始向后溜車，列車溜車后施加大閘非常規減壓停車，最終導致坡啟失敗.

2 坡啟失敗原因

牽引電機發揮的動力通過黏著現象作用在機車上，形成有效的牽引力.從圖2可知，在12‰的坡道滿載情況下，盡管牽引力的余量很小，但如果黏著算法能及時調整啟動時帶來的空轉問題，HXD2機車牽引4 500 t在12‰的坡道是能夠實現啟車的[1-4].

圖2 12‰坡道HXD2牽引4 500 t全速度范圍阻力

黏著控制采用組合黏著控制法，邏輯框圖見圖3.首先根據各個軸采集的電機轉速和電機電流信號，經過濾波處理，基于輪對蠕滑速度、加速度及加速度微分等多方法組合對空轉/滑行趨勢進行識別，當相應的變量超過其預先設定的閾值后，判斷為空轉/滑行，之后根據檢測的速度差、加速度等數據預測當前工況的最大黏著力，最終按空轉滑行程度采用動態兩段式轉矩調整邏輯恢復轉矩.

圖3 黏著算法的邏輯框圖

由于電機轉速的采集以本軸、兩軸、鄰架兩軸這三軸速度的最小速度為基準，所以同時出現多軸空轉的情況，會導致黏著算法基準軸速度判斷不準.空轉誤判，是出現坡啟失敗的原因，因此需對空轉保護算法進行優化避免出現坡道啟動失敗.

3 算法優化

3.1 增加同步沖動識別策略

優化TCU軟件，識別機車同步沖動，坡道啟動機車產生同步沖動時降低牽引力卸載程度.

同步沖動加速度識別方案見圖4.當速度小于4 km/h時，本軸加速度在0.6～1 m/s2，采用圖4的同步沖動識別策略；當速度小于4 km/h，加速度大于1 m/s2時，采用正常的黏著控制策略；當速度大于等于4 km/h時，也采用正常的黏著控制策略.通過采集4個軸的轉速，對4個軸的加速度進行計算得到機車加速度.當本軸加速度超出空轉判定閾值時，將與機車加速度一起進行進一步判定，此時判斷其二者的差值是否超出設定閾值，如超出則進行空轉判定，進行黏著控制空轉卸力；否則，認為是同步沖動，黏著控制程序不再動作.

圖4 同步沖動加速度識別方案

3.2 轉矩調整策略優化

(1)降低空轉后牽引力下降斜率，降低相同空轉時間的牽引力下降程度.

黏著控制算法示意圖，見圖5.圖中虛線和實線分別為優化前、后空轉后的轉矩調整曲線，從圖中可知空轉后的轉矩下降斜率降低至優化前的0.5倍.此策略已于大同公司試驗線路上進行過驗證，其下降斜率與設計相一致，有效降低了空轉后牽引力的下降速度和程度[5].

(2)縮短空轉結束后等待時間，加快空轉結束后牽引力的恢復斜率，以保證空轉結束后牽引力能夠快速恢復.

將階段2設定為0.2 s，減少了空轉結束后的牽引力恢復的等待時間，有助于牽引力的快速恢復.同時加大階段3的恢復斜率，使得轉矩恢復速度加快(將階段3的恢復斜率提高1.5倍)，此斜率與設計一致，有效提高了空轉后牽引力的恢復速度.

圖5 黏著控制算法示意圖

3.3 低速區加速度閾值優化

適當提高低速區加速度閾值，降低2 km/h以下的空轉判定靈敏度.目前裝車軟件加速度閾值為0.6 m/s2，逐漸提高至0.75 m/s2，降低低速區空轉時的牽引力卸載程度，提高低速區空轉時牽引力的發揮.

4 半實物仿真驗證

4.1 半實物仿真平臺

半實物仿真(圖6)采用恒潤HiGale系統平臺，整個半實物仿真平臺模型包括弓網模型、四象限模型、逆變器模型、電機模型、動力學模型，模型通過Matlab軟件建立，然后通過HiGale系統進行模型編譯下載到半實物仿真平臺上.采用真實的機車TCU控制器，被控對象比如電機運行環境部分采用實時數字模型在HiGale仿真機來模擬，進行整個系統的仿真測試.

圖6 半實物仿真

4.2 半實物仿真結果

機車動力學方程：

(1)

(2)

式中：M為機車質量；Fad為機車牽引力；Fd(vt)為機車運行中基本阻力，與機車速度vt成正比；a、b、c是與機械阻力相關的阻力系數；i為坡道阻力.

為了驗證機車TCU軟件的正確性，改變機車車體動力學模型相關參數，黏著系數μ從干燥軌面到潮濕軌面,再恢復到干燥軌面[6-9].

優化內容：減小超出加速度閾值較小時的牽引力下降量；優化低速下黏著控制算法第二階段等待時間，最長為0.3 s；嚴重空轉時，增加第三階段空轉恢復速度；識別機車同步沖動，當機車坡道起動產生同步沖動時，降低牽引力卸載程度；適當提高低速區加速度閾值.

圖7為以現場數據為基礎建立的仿真模型波形圖，圖8為黏著算法中加入了優化后的仿真模型波形圖.圖8中空轉牽引力下降及恢復時間明顯好于圖7，可以看出機車牽引力得到迅速恢復，從而提高機車黏著利用率.

圖7 線路試驗數據仿真模型波形圖

圖8 優化后的仿真模型波形圖

5 坡起試驗

本文用優化后的軟件對蘭渝線進行了坡起試驗，試驗使用的HXD2型機車牽引質量為4 400 t，坡啟試驗波形圖見圖9.從起動工況可以看出，速度上升平緩，牽引力基本沒有大卸載，速度上的毛刺明顯減少，說明軟件優化后，保護超前，避免了空轉發生.從11 600 s到12 100 s，速度上升較快，提速搶道能力明顯提升，因此可以認為軟件優化的方向是正確的.

圖9 坡啟試驗波形圖

6 結論

在重載和高速貨運機車運用過程中，其黏著利用控制軟件的水平直接決定機車的牽引性能.本次軟件優化針對坡啟，從多方面提高機車啟動黏著利用率，預防坡停事故發生.從理論和半實物仿真上得到了驗證，并在正線上實施,驗證方案的可行性，取得了良好的效果.