淺談重載列車輪軌黏著力操控研究

文/王敬

隨著重載貨運鐵路的快速發(fā)展，使得重載鐵路輪軌間的黏著問題研究有了更高的要求，尤其是速度的不斷提高，讓輪軌黏著問題變得更加復(fù)雜。為減少重載列車在運行中空轉(zhuǎn)、滑行的發(fā)生，本文通過對不同狀態(tài)的輪軌間黏著力狀態(tài)進(jìn)行分析，同時結(jié)合現(xiàn)場操縱，闡述在重載列車在不同條件下的操控方法，從而預(yù)防列車發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行，確保列車安全平穩(wěn)運行。

1.概述

隨著貨物列車重載化的發(fā)展，鐵路重載運輸貨物列車成為我國鐵路高速發(fā)展的引擎，所謂重載鐵路是指（1）軸重達(dá)到27噸及以上；（2）牽引重量不低于8000噸；（3）在線路長度不少于150公里的區(qū)段上，年運量不少于4000萬噸，以上三個條件需要滿足其中兩項方可稱為重載鐵路，我國目前重載列車最大軸重為25t，而國外重載列車的軸重普遍達(dá)到30t以上，因此《中國制造2025》技術(shù)路線圖將研制30t軸重的重載電力機(jī)車列為6個重點的其中之一，并將研制適用30t軸重重載需求的機(jī)車牽引控制系統(tǒng)列為重點突破的核心技術(shù)[1]。重載機(jī)車輸出有效牽引力的大小是由輪軌間的黏著力大小來決定，而黏著力大小與天氣狀態(tài)、輪軌間的接觸情況、列車運行速度等都有較大的關(guān)系。因此，本文根據(jù)重載列車運行在不同運行條件下粘著情況，對乘務(wù)員操控方法進(jìn)行探究，保證列車安全平穩(wěn)運行。

2.問題分析

重載列車在運行過程中，機(jī)車動輪和鋼軌之間的黏著力是驅(qū)動機(jī)車運行的動力來源，輪軌間產(chǎn)生的最大黏著力受天氣、鋼軌等條件限制，列車輪軌間實際的黏著力取決于黏著利用率，良好的利用率直接關(guān)乎機(jī)車的動力的發(fā)揮，對整列車的起動、調(diào)速、停車以及運行的平穩(wěn)有積極的改善作用。當(dāng)列車在不同工況下運行時，粘著被破壞，可能出現(xiàn)空轉(zhuǎn)、滑行，導(dǎo)致擦傷動輪、鋼軌、輪轂弛緩等事件，威脅著列車上運行安全。

2.1 牽引狀態(tài)。機(jī)車牽引力是由機(jī)車動力裝置產(chǎn)生，并在各動輪的輪周上形成切線力，依靠輪軌間粘著作用使機(jī)車發(fā)生平移運動的反作用力。當(dāng)黏著被破壞時，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，作用在機(jī)車動輪上的反作用力隨之消失，導(dǎo)致車輪在原地做高速轉(zhuǎn)動。這就導(dǎo)致空轉(zhuǎn)，空轉(zhuǎn)現(xiàn)象將造成車輪與鋼軌產(chǎn)生劇烈摩擦，形成車輪踏面和鋼軌的非正常磨耗，這將使車輪發(fā)熱嚴(yán)重，對于采用過盈配合的車輪，出現(xiàn)輪心與輪轂的相對運動，這將導(dǎo)致輪箍弛緩。同時空轉(zhuǎn)導(dǎo)致車輪停止做平行運動，使列車速度降低，容易造成坡停或者運緩，甚至損壞電機(jī)。

2.2 制動狀態(tài)。列車在制動工況運行時，當(dāng)制動力大于輪軌間提供的最大黏著力時，將會出現(xiàn)車輪抱死，車輪在鋼軌上出現(xiàn)滑行現(xiàn)象。滑行使列車由原來的滾動狀態(tài)變?yōu)榛瑒訝顟B(tài)，車輪在鋼軌上滑動，極易造成車輪踏面擦傷，車輪擦傷后繼續(xù)運行時，將對軌面產(chǎn)生錘擊作用，速度越高，錘擊作用越大，不但增加了機(jī)車、車輛振動，縮短機(jī)車部件使用壽命，而且會損傷鋼軌和線路[4]。輪軌間黏著狀態(tài)被破壞，使列車制動力下降，延長了制動距離。同時，滑行會導(dǎo)致列車監(jiān)控數(shù)據(jù)的車位滯后，導(dǎo)致列車出現(xiàn)監(jiān)控超速、卸載、常用、緊急甚至有冒進(jìn)信號的安全隱患，尤其是在長大下坡道運行時，滑行容易引起較大的行車隱患，危及列車的運行安全。

3.輪軌黏著力操控研究

目前我國重載鐵路采用的機(jī)車有重載交流傳動機(jī)車，如采用HXD1、HXD2等機(jī)車，功率達(dá)到9600KW，其中HXD2型機(jī)車采用2（B0-B0）軸列式，軸重25t，整車重量可達(dá)184t。滿足重載列車的牽引需要。也有采用重載直流機(jī)車SS系列，SS4B機(jī)車主電路采用三段半控橋整流、相控調(diào)壓，微機(jī)控制系統(tǒng)，具有恒流、準(zhǔn)恒速空轉(zhuǎn)滑行保護(hù)、功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)忍攸c[3]。因此，無論采用交流還是直流牽引重載列車，在列車運行過程中，外部環(huán)境變化或者黏著的有效利用率降低，將出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或者滑行，如何避免出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或者滑行是司乘人員研究的重點課題。本文從現(xiàn)場出發(fā)，探究機(jī)車乘務(wù)人員駕駛重載列車對輪軌間黏著力的操控研究，從而減小列車的沖擊振動與制動距離，確保重載列車的運行安全。

3.1 準(zhǔn)備工作。目前，機(jī)車乘務(wù)員改善輪軌間黏著力是普遍方式是向鋼軌表面進(jìn)行噴灑細(xì)沙，從而改善輪回間黏著條件。因此機(jī)車砂箱應(yīng)貯備足夠的砂子，滿足重載列車用砂需求。機(jī)車用砂為石英砂，粒度適宜，沒有粘土及塊狀雜物，經(jīng)烘烤干燥后具有良好流動性，優(yōu)質(zhì)砂要求含石英90%以上，黏土成分不超過1%，原砂經(jīng)過篩后方可使用，砂子粒度最好在0.5～1mm左右，最細(xì)不小于0.2mm，最粗不大于2mm，潮濕的砂子應(yīng)烘烤或攤開自然晾曬，直至干透后再用，以防堵塞砂管噴嘴口，加砂時，將砂箱頂部砂箱蓋打開加入砂子，裝砂后應(yīng)注意將砂箱蓋嚴(yán)，防止雨水漏入，使砂子受潮失去流動性能[4]。因此，重載列車在發(fā)車前，應(yīng)確保機(jī)車砂質(zhì)砂量符合要求。

3.2 起車操作。重載列車在連掛時，可適當(dāng)壓縮車鉤，為起車作準(zhǔn)備，在列車連掛過程中，應(yīng)向鋼軌持續(xù)撒砂，注意撒砂量不要太大，以機(jī)車過后只留白色砂痕為好，確保輪軌間的黏著力不受外界氣候影響。起車時，司機(jī)緩慢增大電流，隨時注意電流表以及電機(jī)聲音都變化，發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即降低牽引電流，嚴(yán)禁再次撒砂，確保列車平穩(wěn)起動，司機(jī)通過控制輪軌間輪軌黏著力確保列車能順利起動。同時需要注意，撒砂有兩種，一種是自動撒砂，當(dāng)機(jī)車檢測到輪軌發(fā)生空轉(zhuǎn)時，砂閥動作，會自動撒砂，另一種是手動撒砂，是根據(jù)機(jī)車乘務(wù)員根據(jù)經(jīng)驗去判斷是否應(yīng)該撒砂，那么在重載列車起車時，司機(jī)已經(jīng)手動撒砂改善了粘著條件，此時若機(jī)車再次自動撒砂無疑會增大重載列車的起動阻力，導(dǎo)致起動失敗，給第二次起車造成困難，因此在起車時，應(yīng)關(guān)閉砂閥，阻止自動撒砂。

3.3 上坡道操作。重載列車在上坡道運行時，應(yīng)根據(jù)氣候條件、鋼軌狀況、機(jī)車性能以及特定地段分別采用不同的手段合理控制控制輪軌間輪軌黏著力，遇天氣不良，司機(jī)應(yīng)預(yù)防性撒砂，確保輪軌間正常的黏著力，防止出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時，嚴(yán)禁撒砂，應(yīng)立即降低牽引電流，恢復(fù)黏著系數(shù)。運行在施工地段的列車應(yīng)特別注意，由于施工地段有工務(wù)人員進(jìn)行換軌、探傷等工作，導(dǎo)致鋼軌上有油污，當(dāng)列車運行到此地段時，特別容易出行空轉(zhuǎn)或者滑行，從而導(dǎo)致事故隱患，因此在此地段司機(jī)應(yīng)合理控制列車牽制力，配合撒砂裝置，確保列車順利通過此地段。

3.4 長大下坡道操作。列車在長大下坡道運行時，由于重載列車下坡道運行操縱難度大，危險系數(shù)高，司機(jī)操縱中還需要想到輪軌間的黏著特性受到多種因素影響，包括輪軌表面狀態(tài)、線路條件、機(jī)車振動、蛇形運動、列車速度、司機(jī)操縱等[2]。運行中，輪軌表面狀態(tài)受到氣候條件、施工等因素制約，當(dāng)司機(jī)運行在此路段時，應(yīng)該以空氣制動為主，電制動為輔，投入空氣制動后，降低電制動力，延長制動距離，防止粘著力被破壞導(dǎo)致列車超速或者輪對擦傷等情況的發(fā)生；同時線路曲線、列車的蛇形運動都會導(dǎo)致黏著系數(shù)降低，導(dǎo)致列車空轉(zhuǎn)滑行，因此在操縱過程中，還因及時撒砂，改善輪軌間的黏著特性，提高粘著利用率，改善列車的運行狀態(tài)，因此在長大下坡的操作應(yīng)精細(xì)、全面、綜合考慮，防止破壞鋼軌或者輪對。

3.5 停車操作。重載列車進(jìn)站停車主要利用電制動，而電制動在操作過程中，極其容易破壞粘著，產(chǎn)生滑行，而滑行產(chǎn)生后會直接影響機(jī)車監(jiān)控數(shù)據(jù)滯后，引發(fā)列車的緊急制動，出現(xiàn)斷鉤的安全隱患。因此，停車過程中司機(jī)對黏著的操控特別重要。為避免調(diào)速過程中，制動力過大破壞粘著，需要采用空電聯(lián)合制動控速，司機(jī)在操作過程中，應(yīng)先投入電制動，待壓縮車鉤后，后投入空氣制動，降低車輛的撞擊，同時，投入電制動時機(jī)應(yīng)盡量選擇在上坡地段，有利于列車的平穩(wěn)。進(jìn)站時需要根據(jù)天氣條件、鋼軌狀況合理地進(jìn)行撒砂，改善運行條件，同時不能隨意增大或減小制動力，確保列車平穩(wěn)降速，防止打破輪軌間的黏著系數(shù)。停車時，應(yīng)將列車速度控制在合適范圍，若停車速度控制過高，則有冒進(jìn)信號的危險，速度太低，則會造成列車晚點，影響行車秩序。因此在進(jìn)站停車操作時應(yīng)考慮周到，既要防止滑行，也要為下次起車作準(zhǔn)備，因此制動力應(yīng)控制在200KN左右，經(jīng)過經(jīng)驗總結(jié)，此制動力既能壓縮車鉤，也可以較好地防止滑行，同時配合撒砂，能改變鋼軌黏著狀態(tài)，確保列車安全停穩(wěn)。通過對重載列車的粘著操控研究之后發(fā)現(xiàn)，機(jī)車乘務(wù)員對輪軌間黏著力的控制普遍使用的方法：1是通過撒砂來改善鋼軌面的粗糙度，從而改變輪軌間的黏著系數(shù)，確保能控制輪軌間粘著力；2是通過降低牽引或者制動力，使作用在輪對上的輪周力和著力平衡，從而控制輪軌間粘著力。現(xiàn)在和諧型大功率電力機(jī)車已經(jīng)逐步將傳統(tǒng)直流韶山系列機(jī)車替換，而和諧型大功率電力機(jī)車有模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制等特點。在實際運用過程中，和諧電力機(jī)車的牽引力設(shè)定之后，系統(tǒng)檢測到空轉(zhuǎn)后會通過TCU降低牽引力，但是空轉(zhuǎn)消除后TCU會立即恢復(fù)設(shè)定值，從而再次導(dǎo)致控制或滑行等邏輯缺陷。因此僅僅利用機(jī)車自身程序來控制黏著力，難以滿足重載列車運營安全。

4.展望未來

重載列車是未來貨運鐵路的發(fā)展主題，而列車運行的平穩(wěn)與安全受輪軌間黏著力的制約，而輪軌運行條件的復(fù)雜性，使得目前是依賴機(jī)車乘務(wù)員根據(jù)影響輪軌黏著力的因素對列車進(jìn)行控制的主要手段，機(jī)車乘務(wù)員受心理素質(zhì)、專業(yè)技能、職業(yè)道德的制約，存在極多不可控制的因素，從而使重載列車在運行中存在一定的安全隱患，在科技保障安全的今天，機(jī)車乘務(wù)員應(yīng)作為科技的一種備用手段，實現(xiàn)重載貨運列車的安全、高效、快捷運行。

5.結(jié)語

鐵路運輸行業(yè)的高速發(fā)展對列車的智能運維、故障辨識、安全與可靠有更高的要求，重載列車的安全高效運行是建立在穩(wěn)定的粘著的基礎(chǔ)上，因此如何提高輪軌的黏著利用是急需解決的問題。本文通過粘著操控研究出發(fā)，通過分析空轉(zhuǎn)滑行的危害，闡述粘著破壞的嚴(yán)重性，從列車的起動、上坡道運行、循環(huán)制動以及停車等不同情況時司機(jī)粘著控制的技巧與方法，確保重載列車的運行安全。