韓長(zhǎng)虎，劉明杰，韓 飛

（濟(jì)南鐵路局 濟(jì)南西機(jī)務(wù)段，山東濟(jì)南250117）

隨著以HXD3為代表的新型大功率交流傳動(dòng)（交—直—交）貨運(yùn)電力機(jī)車的廣泛運(yùn)用，提高了我國(guó)鐵路牽引動(dòng)力裝備技術(shù)水平。但由于對(duì)交流傳動(dòng)電力機(jī)車的黏著性能缺乏研究，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)用中，尤其是天氣不良時(shí)HXD3機(jī)車牽引的重貨列車坡停問題突出，是一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)亟待研究解決的問題。以HXD3型機(jī)車為例對(duì)交流傳動(dòng)電力機(jī)車的黏著性能，尤其是天氣不良時(shí)的黏著性能進(jìn)行探討，以便制定有針對(duì)性的措施。

1 HXD3與SS4型電力機(jī)車發(fā)生運(yùn)緩坡停統(tǒng)計(jì)對(duì)比

以2008年濟(jì)南西機(jī)務(wù)段貨物列車發(fā)生坡停為例，全年共發(fā)生坡停39次。其中HXD3型31次，SS4型4次，其他機(jī)型4次。坡停發(fā)生救援28次，平均每列占用區(qū)間時(shí)間達(dá)64.2min。全年HXD3機(jī)車的運(yùn)用臺(tái)數(shù)同SS4機(jī)車相當(dāng)，兩種機(jī)型牽引定數(shù)都是5 500t。

2 機(jī)車牽引特性分析

（1）按能量轉(zhuǎn)換過程的限制關(guān)系，對(duì)機(jī)車牽引力的分類

電力機(jī)車分牽引電動(dòng)機(jī)牽引力（受牽引電動(dòng)機(jī)功率限制）和黏著牽引力兩類。實(shí)際條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)的機(jī)車牽引力是這兩類牽引力中的最小者。

（2）計(jì)算黏著系數(shù)

計(jì)算黏著系數(shù)包含了機(jī)車軸重和牽引力的分配不均、運(yùn)行中軸重增減載、牽引力的波動(dòng)、輪軌間的滑動(dòng)等不利因素，并且主要與輪軌表面清潔狀況和運(yùn)行速度有關(guān)。

《牽規(guī)》規(guī)定的計(jì)算黏著系數(shù)公式

［1］推薦的交流傳動(dòng)電力機(jī)車的黏著系數(shù)公式為：

式中v為運(yùn)行速度，km／h。

表1 幾種機(jī)車不同運(yùn)行速度下的計(jì)算黏著系數(shù)

從表1中可見，隨著運(yùn)行速度的提高，各種機(jī)型的計(jì)算黏著系數(shù)都有所下降，直流傳動(dòng)機(jī)車隨著運(yùn)行速度提高黏著系數(shù)降幅較大，交流傳動(dòng)機(jī)車降幅較小。交流傳動(dòng)比直流傳動(dòng)機(jī)車的黏著系數(shù)要大些，在40km／h以下國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車比交流傳動(dòng)電力機(jī)車黏著系數(shù)平均低12.1%。不同類型機(jī)車的區(qū)別，主要是因它們的走行部結(jié)構(gòu)不同。

（3）黏著牽引力計(jì)算式及HXD3與SS4機(jī)車對(duì)比分析

輪周上的切向力大于輪軌間的黏著力時(shí)動(dòng)輪就要發(fā)生空轉(zhuǎn)。在不發(fā)生空轉(zhuǎn)的前提條件下，所能實(shí)現(xiàn)的最大輪周牽引力稱為黏著牽引力。其計(jì)算公式為：

式中Fμ為計(jì)算黏著牽引力，kN；Pμ為機(jī)車計(jì)算黏著質(zhì)量，t；μj為計(jì)算黏著系數(shù)；g為重力加速度，g≈9.81m／s2。

以SS4和HXD3型電力機(jī)車進(jìn)行比較，假如兩者在相同天氣條件、運(yùn)行速度的情況下計(jì)算黏著系數(shù)完全相同時(shí)，它們之間黏著牽引力之比等于計(jì)算黏著質(zhì)量之比，即184／150≈1.23／1。如果考慮 HXD3型機(jī)車計(jì)算黏著系數(shù)在40km／h以下時(shí)比SS4型機(jī)車高12.1%，即便如此，在相同條件下，SS4型機(jī)車的黏著牽引力也將比HXD3型機(jī)車大10.9%。

問題的實(shí)質(zhì)是SS4型為8軸機(jī)車，總功率6 400 kW，牽引電機(jī)功率800kW，軸重23t，牽引電機(jī)功率與軸重比為34.8kW／t，即每噸軸重分擔(dān)34.8kW的電機(jī)功率；而HXD3型為6軸機(jī)車，少了兩根動(dòng)軸，總功率卻是7 200kW，牽引電機(jī)功率1 200kW，其軸重有23t和25t兩種，即使按25t計(jì)算，牽引電機(jī)功率軸重比高達(dá)48kW／t，即每噸軸重要承受48kW的電機(jī)功率，后者是前者的1.38倍。牽引電機(jī)功率軸重比是衡量機(jī)車黏著能力富裕度的重要指標(biāo)，其值越大，黏著能力越不富裕。如果考慮后者的黏著系數(shù)比前者大12%左右，后者的黏著能力負(fù)擔(dān)的電機(jī)功率仍比前者大26%左右，因此在相同條件下，牽引重貨物列車，尤其是在較大上坡道上滿功率較低速度運(yùn)行時(shí)，后者比前者容易發(fā)生空轉(zhuǎn)甚至坡停就顯而易見了。

因此，對(duì)貨運(yùn)機(jī)車來講，在不提高軸重和增加軸數(shù)，即不增加黏著質(zhì)量的情況下，大幅度提高機(jī)車功率，會(huì)使機(jī)車黏著能力嚴(yán)重不足。這種機(jī)車比較適合于平原地帶高速運(yùn)行，而不太適合在大坡道區(qū)段多拉低速運(yùn)行，因?yàn)樵诘退贄l件下牽引力受黏著能力限制，再大的電機(jī)功率也不能充分發(fā)揮。如果將HXD3的機(jī)車功率提高到9 600kW，問題可能更為突出。

因HXD3和SS4機(jī)車在濟(jì)南鐵路局的牽引定數(shù)相同，黏著質(zhì)量比SS4機(jī)車低是HXD3機(jī)車坡停高發(fā)的一個(gè)重要原因。

（4）HXD3與SS4機(jī)車最大（外包）牽引力對(duì)比分析

最高或滿負(fù)荷級(jí)位的牽引力曲線和黏著限制線的交點(diǎn)速度稱為＂臨界速度＂（不是持續(xù)速度）。

正常情況，在臨界速度以下時(shí)機(jī)車最大牽引力受黏著牽引力限制；在臨界速度以上作為電力機(jī)車最大牽引力主要受牽引電動(dòng)機(jī)功率限制。

因缺乏HXD3型機(jī)車黏著系數(shù)資料，表2中HXD3機(jī)車的黏著限制牽引力是參照交流傳動(dòng)電力機(jī)車的黏著系數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算的。

表2 正常情況下HXD3（150t）與SS4機(jī)車最大（外包）牽引力（kN）對(duì)比

3 天氣不良時(shí)機(jī)車黏著牽引力（黏著系數(shù)）下降幅度問題

表1為正常天氣情況下計(jì)算的黏著系數(shù)，當(dāng)遇雨雪霜露天氣或鋼軌有油污時(shí)，黏著系數(shù)將大幅下降。但是下雨時(shí)，機(jī)車最大牽引力究竟下降多少；此時(shí)撒沙良好和不撒沙又存在多大差別。這些問題是現(xiàn)場(chǎng)亟待研究解決的問題。

為了研究這一問題，2011年1月濟(jì)南鐵路局在膠濟(jì)線進(jìn)行了HXD3機(jī)車模擬下雨條件下的重貨列車黏著性能試驗(yàn)。

3.1 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)HXD3機(jī)車TCMS屏進(jìn)行錄像，并對(duì)機(jī)車所發(fā)揮的實(shí)際最大牽引力進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)。結(jié)合機(jī)車黏著特性原理，對(duì)各速度間隔試驗(yàn)的匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，見表3。

另外試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，下雨等使黏著條件惡化時(shí)，機(jī)車實(shí)際黏著系數(shù)可能也會(huì)受到坡度的影響，即隨著上坡道坡度值的增大，黏著系數(shù)可能會(huì)有所降低。

表3 下雨時(shí)HXD3機(jī)車在4.0‰上坡道運(yùn)行最大牽引力 kN

3.2 下雨時(shí)機(jī)車黏著系數(shù)降幅分析

（1）HXD3機(jī)車下雨時(shí)黏著牽引力降幅分析

結(jié)合表3中所列數(shù)據(jù)，在0～40km／h范圍，對(duì)下雨時(shí)HXD3機(jī)車在平均4.0‰上坡道運(yùn)行時(shí)黏著牽引力降幅進(jìn)行估算如下：

①最大牽引力比牽引特性曲線外包牽引力（見表2）的平均降幅：撒沙時(shí)約37.0%，不撒沙時(shí)約65.0%。

②最大牽引力比計(jì)算黏著限制牽引力（見表2）的平均降幅：撒沙時(shí)約33.0%；不撒沙時(shí)約63.0%。

③不撒沙比撒沙時(shí)最大牽引力平均降幅約45.0%；

（2）持續(xù)下雨時(shí)其他機(jī)型黏著系數(shù)下降幅度問題估算

HXD3機(jī)車的黏著性能試驗(yàn)，為分析其他機(jī)型的黏著性能提供了方便條件。

因HXD3機(jī)車功率強(qiáng)大，大部分機(jī)型下雨撒砂時(shí)發(fā)揮的最大牽引力比本機(jī)型牽引特性曲線外包牽引力平均降幅要小于HXD3機(jī)車。

又因HXD3機(jī)車的計(jì)算黏著系數(shù)公式取用的是交流傳動(dòng)電力機(jī)車，運(yùn)行速度在40km／h以下時(shí)交流傳動(dòng)電力機(jī)車的計(jì)算黏著系數(shù)比國(guó)產(chǎn)各型機(jī)車約高12.1%。所以國(guó)產(chǎn)各型機(jī)車撒沙和不撒沙時(shí)最大牽引力比計(jì)算黏著限制牽引力平均降幅要小于HXD3機(jī)車10%以上。

HXD3不撒沙比撒沙時(shí)最大牽引力平均降幅應(yīng)基本適用于各型機(jī)車。

因此對(duì)于各型機(jī)車，持續(xù)下雨時(shí)的牽引力降幅參考數(shù)據(jù)為：

①即使撒沙作用良好，機(jī)車黏著系數(shù)將下降17%以上，這就意味著黏著限制牽引力也將下降17%以上；

②沙管完全堵塞時(shí)，黏著系數(shù)將下降47%以上。撒沙系統(tǒng)作用不良時(shí)黏著系數(shù)會(huì)有不同程度的下降。

一般情況，下小雨比下大雨黏著系數(shù)下降幅度大，更容易空轉(zhuǎn)。這主要是因?yàn)橄麓笥贻嗆壡鍧嵆潭雀?。下小雨，線路長(zhǎng)時(shí)間無列車通過，易造成鋼軌生銹，浮銹將使黏著系數(shù)大幅下降。

4 HXD3型機(jī)車黏著性能的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 HXD3型機(jī)車優(yōu)點(diǎn)

（1）HXD3型機(jī)車牽引力有軸重轉(zhuǎn)移補(bǔ)償控制功能

即運(yùn)行速度在20km／h以下時(shí)，6臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的牽引力從前進(jìn)方向的第一軸開始，牽引力呈梯形分布，第一軸牽引力最小，越往后越大，這種控制方式能充分利用機(jī)車的黏著質(zhì)量，有效解決起動(dòng)和低速時(shí)因軸重轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)問題。

（2）HXD3型機(jī)車功率有單軸控制功能

運(yùn)行中機(jī)車某軸發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于機(jī)車的功率調(diào)節(jié)不是整體進(jìn)行降功，而是單軸進(jìn)行控制，從而能充分發(fā)揮最大功率，解決了空轉(zhuǎn)時(shí)的功率有效利用問題。

（3）恒功準(zhǔn)恒速牽引特性有效避免了因空轉(zhuǎn)造成的LKJ自停問題

機(jī)車空轉(zhuǎn)未得到抑制達(dá)到一定時(shí)間（濟(jì)南鐵路局目前對(duì)LKJ這一參數(shù)設(shè)置為30s），就會(huì)造成速度突升引發(fā)自停。而HXD3型機(jī)車手柄級(jí)位適當(dāng)，就可有效避免這種情況發(fā)生。例如，重貨列車在困難車站開車，道岔側(cè)向限速45km／h，LKJ限速為48km／h，列車起動(dòng)后司機(jī)只要將手柄放置不超4.8級(jí)的位置，就不會(huì)引發(fā)自停放風(fēng)。因?yàn)榧词狗胖?.8級(jí)，某軸空轉(zhuǎn)時(shí)，速度接近約43km／h，恒功準(zhǔn)恒速牽引特性會(huì)使該軸牽引力迅速下降，速度達(dá)到48km／h牽引力下降到0，沒有了牽引力，速度就不會(huì)突升。

4.2 HXD3型機(jī)車缺點(diǎn)

主要是在撒沙系統(tǒng)方面。HXD3機(jī)車的撒沙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)沙質(zhì)量要求很高。實(shí)際運(yùn)用時(shí)下沙量少、沙管易堵塞、疏通難度大。

天氣不良等情況下，需要通過撒沙來改善黏著條件。HXD3機(jī)車撒沙系統(tǒng)的這一缺陷，使得上述優(yōu)點(diǎn)大打折扣。

HXD3機(jī)車天氣不良坡停高發(fā)的第二個(gè)重要原因就是撒沙系統(tǒng)不暢通的問題（第一個(gè)是黏著質(zhì)量比SS4機(jī)車低）。

因此，對(duì)HXD3機(jī)車的撒沙系統(tǒng)存在的問題必須認(rèn)真解決。

5 減少HXD3機(jī)車運(yùn)緩、坡停方面的幾點(diǎn)做法

（1）下雨時(shí)對(duì)于HXD3機(jī)車，通常能發(fā)揮最大牽引力的級(jí)位并不是最大負(fù)荷級(jí)位，當(dāng)然負(fù)荷級(jí)位也不能太低，負(fù)荷級(jí)位適度并保持適當(dāng)?shù)目辙D(zhuǎn)才能發(fā)揮比較大的牽引力。

（2）對(duì)于多數(shù)機(jī)型，空轉(zhuǎn)不及時(shí)消除，達(dá)到一定時(shí)間會(huì)引起速度突升而引發(fā)自停。而HXD3機(jī)車恒功準(zhǔn)恒速特性一般不會(huì)引起自停。由于HXD3機(jī)車功率為單軸控制，可充分利用它的牽引特性曲線，提前儲(chǔ)備列車動(dòng)能，以便于順利過困難分相或爬坡。

（3）HXD3機(jī)車發(fā)生嚴(yán)重空轉(zhuǎn)時(shí)，微機(jī)系統(tǒng)存在空轉(zhuǎn)記憶功能，將大幅限制功率輸出。出現(xiàn)此種情況，應(yīng)及時(shí)回手柄至零位，解除記憶功能，解除后重新加速。

（4）總結(jié)推廣了HXD3機(jī)車點(diǎn)式、線式撒沙和使用“沙管加熱直流”開關(guān)的方法；總結(jié)推廣了困難地段的定速操縱方法。

（5）制定了各區(qū)段防止坡停操縱提示卡。根據(jù)《關(guān)于加強(qiáng)列車運(yùn)行中信息報(bào)告工作的通知》（運(yùn)裝機(jī)運(yùn)［2010］202號(hào)）的有關(guān)要求，并結(jié)合困難地段的特點(diǎn)，形成具體的“向車站、向調(diào)度及時(shí)匯報(bào)的請(qǐng)求措施”，要求機(jī)車司機(jī)嚴(yán)格執(zhí)行。

（6）對(duì)HXD3機(jī)車撒沙系統(tǒng)的檢查、整備等工作提出了嚴(yán)格要求，并狠抓落實(shí)。自2010年7月開始濟(jì)南西機(jī)務(wù)段將HXD3機(jī)車的沙室罩改為鑄鐵的，提高了強(qiáng)度和剛度，大幅減少了樹脂材料制作的沙室罩出現(xiàn)的故障，并且進(jìn)沙截面有所增加，減少了沙路堵塞。針對(duì)HXD3機(jī)車對(duì)沙質(zhì)要求高的特點(diǎn)，自2010年8月采用了HXD3機(jī)車專用沙。通過這些措施，使HXD3機(jī)車撒沙系統(tǒng)不暢的狀況得到改善。

6 存在問題及措施建議

通過以上分析認(rèn)識(shí)到，受黏著牽引力不足發(fā)生的坡停，均為上坡道、均為重車，并且大多伴隨雨雪霜露天氣、鋼軌油污等情況。杜絕或大幅減少坡停是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須綜合治理。

①制定貨物列車牽引定數(shù)在有較大上坡道的區(qū)段應(yīng)首先考慮黏著牽引力大小，尤其是天氣不良時(shí)，不應(yīng)只考慮機(jī)車功率。對(duì)于非正常情況列車減噸，雖然《技規(guī)》、《行規(guī)》都有要求，但由于運(yùn)輸壓力，鐵路局調(diào)度一般都不予執(zhí)行。對(duì)于途中下雨或其他特殊情況應(yīng)減噸而沒有減噸的重貨列車，建議鐵路局調(diào)度應(yīng)重點(diǎn)掌握，盡量組織上述列車在關(guān)鍵站高速通過或采取相應(yīng)措施。

②結(jié)合不良天氣機(jī)車黏著牽引力大幅下降的實(shí)際情況，建議重新確定列車運(yùn)行圖技術(shù)資料中限制停車站和禁止機(jī)外停車站，并分天氣良好和天氣不良兩種情況分別制定停車時(shí)的最大牽引噸數(shù)，并嚴(yán)格執(zhí)行。

③建議從鐵路局層面采取措施，大力減少由于工務(wù)施工和曲線涂覆裝置造成鋼軌油污而發(fā)生的坡停。

④重貨列車在關(guān)鍵站（機(jī)外下坡出站上坡）需短時(shí)間停車時(shí)，建議安排機(jī)外停車，再開車時(shí)就能消滅坡停，上級(jí)需要制定這方面的規(guī)定。如京滬5線崮山站。

⑤困難區(qū)間等信號(hào)容易產(chǎn)生坡停，并且停車后起動(dòng)困難，尤其是天氣不良時(shí)。因此從調(diào)度指揮上對(duì)困難區(qū)間重貨列車跟蹤間隔應(yīng)做出規(guī)定并加強(qiáng)車機(jī)聯(lián)控。

⑥建議京滬五線由崮山延長(zhǎng)至張夏，取消關(guān)鍵站崮山站。有條件時(shí)對(duì)關(guān)鍵車站的側(cè)向道岔進(jìn)行改造，適當(dāng)提高其限速。有條件時(shí)對(duì)分相區(qū)設(shè)置不合理的地點(diǎn)適當(dāng)進(jìn)行更改施工。

⑦SS4機(jī)車的黏著牽引力大，應(yīng)盡量安排在困難區(qū)段使用，能發(fā)揮它黏著牽引力大的優(yōu)勢(shì)；HXD3機(jī)車電動(dòng)機(jī)功率限制牽引力大，適合在較為平坦的區(qū)段運(yùn)用，能充分發(fā)揮它功率強(qiáng)大的長(zhǎng)處。建議上級(jí)在配屬機(jī)車時(shí)應(yīng)考慮這些因素。

⑧天氣不良時(shí)黏著系數(shù)主要依靠撒沙來改善，HXD3機(jī)車的撒沙系統(tǒng)存在較多問題，如下沙少、易堵塞。對(duì)于HXD3機(jī)車撒沙不暢的問題，建議組織攻關(guān)并進(jìn)行必要的技術(shù)改造。

⑨現(xiàn)在國(guó)內(nèi)尚缺乏交流傳動(dòng)機(jī)車的黏著系數(shù)公式，HXD3機(jī)車也沒有黏著系數(shù)參數(shù)資料，給有關(guān)分析帶來不便，建議有關(guān)部門或生產(chǎn)廠家解決。另外，引進(jìn)或設(shè)計(jì)新型貨運(yùn)機(jī)車，機(jī)車功率不能盲目求大，否則會(huì)使機(jī)車黏著能力嚴(yán)重不足。單軸功率過大的機(jī)車適合在平坦線路上運(yùn)用或者適合牽引定數(shù)較小速度較高的貨運(yùn)列車。

⑩天氣不良黏著系數(shù)將大幅下降，現(xiàn)場(chǎng)缺乏這方面的理論指導(dǎo)，建議有關(guān)部門進(jìn)行這方面研究，不應(yīng)當(dāng)只進(jìn)行正常天氣下的黏著性能試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］孫中央.列車牽引計(jì)算實(shí)用教程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2005：1－58.

［2］中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司.HXD3型交流傳動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車培訓(xùn)教材［M］.2007：2－9.

［3］黃問盈.鐵道輪軌黏著系數(shù)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2010，（5）：17－25.

［4］韓長(zhǎng)虎，李志偉，王志剛.機(jī)車操縱與基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化［J］.中國(guó)鐵路，2005，（12）：25－28.