，2

（1．中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001；2．大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412001）

0 概述

在2 萬噸重載列車的開行中，牽引力和制動(dòng)力的平穩(wěn)發(fā)揮是保證列車正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一。而制動(dòng)力的大小關(guān)系著列車制動(dòng)能否正常發(fā)揮，同時(shí)對(duì)列車的縱向沖擊等有著重要的影響[1]，因此，準(zhǔn)確穩(wěn)定的電制動(dòng)力對(duì)于萬噸特別是2 萬噸重載列車的開行起著至關(guān)重要的作用。

1 背景

根據(jù)國(guó)內(nèi)某機(jī)務(wù)段的反饋，某型交流機(jī)車在2 萬噸重載牽引運(yùn)行過程中，在多次循環(huán)緩解后，施加再生制動(dòng)出現(xiàn)從控機(jī)車再生制動(dòng)力異常波動(dòng)現(xiàn)象，從控機(jī)車再生力下降、列車縱向沖動(dòng)明顯增大，嚴(yán)重影響了2 萬噸列車的運(yùn)行安全。據(jù)了解，該型機(jī)車的黏著控制軟件近期進(jìn)行了升級(jí)，該版黏著程序（V2.0）在原版黏著程序（V1.0）的基礎(chǔ)上，增加了速度信號(hào)波動(dòng)判斷和處理功能，能有效減少黏著保護(hù)誤觸發(fā)概率，同時(shí)針對(duì)踏面保護(hù)等問題進(jìn)行了優(yōu)化，并且在蘭州、株洲等地完成了單機(jī)牽引運(yùn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。為了查明縱向沖動(dòng)明顯增大、再生制動(dòng)力波動(dòng)的原因，筆者對(duì)異常現(xiàn)象發(fā)生當(dāng)日的機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 異常原因分析

2.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

2.1.1 列車沖動(dòng)與再生制動(dòng)力卸載的關(guān)系

筆者選取該型機(jī)車A 節(jié)和B 節(jié)當(dāng)日第一次故障發(fā)生時(shí)刻的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，A 節(jié)機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖1 所示，B 節(jié)機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖2 所示。

根據(jù)A 節(jié)車第一次故障時(shí)刻機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，在列車緩解后1 min 左右，機(jī)車速度發(fā)生跳變，跳變速度幅度大約為1 km/h。然后，機(jī)車制動(dòng)力開始減載。

根據(jù)B 節(jié)車第一次故障時(shí)刻的機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，在A 節(jié)車速度跳變的同時(shí)，B 節(jié)車也發(fā)生了速度跳變，且速度幅度也為1 km/h。

圖1 A 節(jié)車第一次故障時(shí)刻運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖2 B 節(jié)車第一次故障時(shí)刻運(yùn)行數(shù)據(jù)

根據(jù)A 節(jié)和B 節(jié)機(jī)車運(yùn)行的數(shù)據(jù)可以看出，2 節(jié)車同時(shí)發(fā)生了速度跳變，說明該速度跳變的發(fā)生是整列車縱向沖動(dòng)引起的。經(jīng)分析，速度跳變的時(shí)間推測(cè)為列車緩解后，運(yùn)行速度開始提高，行駛一段時(shí)間后，由于坡度增加或是車鉤重新進(jìn)入平衡狀態(tài)，造成速度突然降低。

從運(yùn)行數(shù)據(jù)分析總結(jié)可得出，列車是先發(fā)生速度跳變?cè)俪霈F(xiàn)再生制動(dòng)力卸載。

2.1.2 黏著保護(hù)功能驗(yàn)證

為進(jìn)一步分析列車的速度跳變與再生制動(dòng)力卸載之間存在的具體聯(lián)系，筆者對(duì)該型機(jī)車在黏著控制功能發(fā)揮的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證黏著控制功能是否正常，A 節(jié)和B 節(jié)機(jī)車在滑行保護(hù)下運(yùn)行的數(shù)據(jù)如圖3、圖4 所示。

圖3 A 節(jié)車滑行保護(hù)下運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖4 B 節(jié)車滑行保護(hù)下運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖3、圖4 運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在沖動(dòng)點(diǎn)發(fā)生了列車速度跳變。在黏著控制功能正常運(yùn)行的情況下，對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行較大程度的卸載，之后未出現(xiàn)沖動(dòng)點(diǎn)，說明黏著控制功能發(fā)揮了作用。

通過對(duì)以上的機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，說明機(jī)車在運(yùn)行過程中出現(xiàn)速度跳變、滑行等狀況，車載的黏著保護(hù)功能能正常發(fā)揮功能。同時(shí)機(jī)車的速度突變、再生制動(dòng)力卸載及黏著控制軟件三者之間存在一定的聯(lián)系。

2.2 黏著利用控制原理

輪軌式機(jī)車依靠輪軌接觸間的黏著力運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行所需的牽引力與制動(dòng)力與輪、軌之間的黏著力有著密切的關(guān)系，不同的軌道狀況、天氣情況、踏面環(huán)境下對(duì)應(yīng)的輪軌間的黏著力也不盡相同。為了提高黏著力的利用率，通常使用黏著控制軟件來調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出力矩。黏著利用控制功能是輪軌式車輛的必備功能，該功能通過黏著控制軟件來實(shí)現(xiàn)輪、軌之間黏著力的最佳利用，能增加黏著力的利用率，有效地避免空轉(zhuǎn)與滑行現(xiàn)象[2]。

黏著利用控制是指在路況條件變化不定的情況下，通過對(duì)電機(jī)速度、電機(jī)力矩等信息的采集、分析和處理，結(jié)合由司機(jī)給出的期望電機(jī)力矩指令，向電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出恰當(dāng)?shù)碾姍C(jī)力矩指令，使機(jī)車能夠在司機(jī)手柄要求范圍內(nèi)以當(dāng)前線路的最大黏著力運(yùn)行。

當(dāng)機(jī)車檢測(cè)到加速度或速度差等指標(biāo)超過閾值時(shí)，會(huì)啟動(dòng)黏著保護(hù)功能，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩快速減小，直至空轉(zhuǎn)滑行現(xiàn)象得到抑制并消除。電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)保持當(dāng)前大小直至相應(yīng)指標(biāo)穩(wěn)定。待到保持時(shí)間后，如果未檢測(cè)到指標(biāo)超標(biāo)問題，電機(jī)轉(zhuǎn)矩將逐步恢復(fù)，直至恢復(fù)到減載前的電機(jī)轉(zhuǎn)矩[3-4]。典型的保護(hù)策略有以下3 種。

2.2.1 速度差保護(hù)

通過比較同一車輛下的動(dòng)力輪對(duì)間最大速度差值，根據(jù)該差值按照一定的關(guān)系調(diào)整電機(jī)黏著力矩設(shè)定值，使機(jī)車在發(fā)生空轉(zhuǎn)和滑行時(shí)能夠迅速恢復(fù)輪軌間正常的黏著狀態(tài)，如圖5 所示。

2.2.2 加/減速度保護(hù)

加速度保護(hù)控制是通過檢測(cè)輪對(duì)的加/減速度是否超出設(shè)定閾值，并在輪對(duì)加速度超出設(shè)定的閾值時(shí)，根據(jù)加速度的大小降低電機(jī)黏著力矩設(shè)定值以抑制空轉(zhuǎn)和滑行現(xiàn)象，如圖6 所示。

圖5 速度差保護(hù)功能

圖6 加速度保護(hù)功能

2.2.3 蠕滑速度保護(hù)

通過計(jì)算獲得當(dāng)前車輛參考蠕滑速度與當(dāng)前真實(shí)蠕滑速度的差值，根據(jù)該差值按照一定的關(guān)系調(diào)整電機(jī)黏著力矩的設(shè)定值，使在發(fā)生空轉(zhuǎn)和滑行時(shí)能夠迅速恢復(fù)輪軌間正常黏著狀態(tài)，如圖7 所示。該保護(hù)功能具有防同步空轉(zhuǎn)或同步滑行功能[5]。

圖7 蠕滑速度保護(hù)功能

2.3 異常波動(dòng)原因分析

通過對(duì)以上機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，可知機(jī)車速度跳變、再生制動(dòng)力卸載與黏著保護(hù)之間的聯(lián)系。結(jié)合黏著控制軟件設(shè)計(jì)參數(shù)及具體運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，選取上述某時(shí)刻沖動(dòng)點(diǎn)速度與再生制動(dòng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

選取A 節(jié)車沖動(dòng)點(diǎn)速度數(shù)據(jù)中的3 個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行分析，見表1。

表1 A 節(jié)車沖動(dòng)點(diǎn)時(shí)速度與再生制動(dòng)力情況

從表1 中可以看出，機(jī)車速度從最初時(shí)間點(diǎn)23 160 開始上升，再從時(shí)間點(diǎn)23 173 開始逐步下降，速度跳變經(jīng)歷時(shí)間約5 s，變動(dòng)幅度約為1 km/h。在沖動(dòng)點(diǎn)速度下降階段，再生制動(dòng)力從200 kN 降至60 kN，隨后逐步緩慢恢復(fù)。

在再生制動(dòng)力卸載后，其值基本保持穩(wěn)定。由此可知，在速度跳變期間的制動(dòng)力卸載并不是造成列車沖動(dòng)的原因。

列車緩解后產(chǎn)生沖動(dòng)，機(jī)車的速度跳變是承受車輛的沖擊而造成的。在速度跳變的恢復(fù)階段，觸發(fā)黏著保護(hù)，進(jìn)而造成再生制動(dòng)力減載。至此可說明，制動(dòng)力減載的卸載是由于黏著保護(hù)功能的判斷失誤而造成的，其誤判原因與黏著控制軟件的版本有關(guān)。

通過將V2.0 版黏著控制軟件與V1.0 版本進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在3 個(gè)方面存在差異。1）對(duì)減載恢復(fù)曲線進(jìn)行優(yōu)化，以減少二次滑行。將卸載后恢復(fù)過程分為3 個(gè)階段。第一階段，保持卸載量一定時(shí)間。第二階段，在未檢測(cè)到新的空轉(zhuǎn)滑行時(shí)，以指數(shù)函數(shù)形式恢復(fù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩至卸載前的85%。第三階段，以非常緩慢的直線斜率方式繼續(xù)恢復(fù)剩余的15%電機(jī)轉(zhuǎn)矩。2）提高了對(duì)滑行狀態(tài)判斷的靈敏度，將蠕滑速度保護(hù)門檻值調(diào)低。經(jīng)過對(duì)比差異分析可知，2 萬噸列車從控機(jī)車再生力異常波動(dòng)的原因：新版黏著控制軟件更新后提高了對(duì)滑行狀態(tài)判斷的靈敏度，但未做萬噸牽引列車沖動(dòng)具體驗(yàn)證，從而造成速度信號(hào)處理參數(shù)在該機(jī)務(wù)段運(yùn)用中有誤保護(hù)動(dòng)作，最終使機(jī)車再生制動(dòng)力發(fā)生波動(dòng)。3）運(yùn)用工況差異。從控機(jī)車位于列車中部，在長(zhǎng)大下坡道，它處于前頂后壓的受力狀態(tài)，容易使機(jī)車瞬間處于懸浮的狀態(tài)，與V2.0 版黏著控制程序驗(yàn)證的工況相差較大。

3 解決措施

針對(duì)再生制動(dòng)力異常波動(dòng)發(fā)生的原因，提出2 點(diǎn)解決措施。1）針對(duì)萬噸牽引、長(zhǎng)距離制動(dòng)運(yùn)行等具體工況優(yōu)化黏著控制軟件參數(shù)，適當(dāng)提高蠕滑速度保護(hù)門檻值，降低對(duì)滑行狀態(tài)判斷的靈敏度。2）進(jìn)行萬噸列車牽引試驗(yàn)，驗(yàn)證軟件參數(shù)的合理性。經(jīng)過再次優(yōu)化的V2.1 版黏著控制軟件在該機(jī)務(wù)段進(jìn)行了2 萬噸列車運(yùn)行試驗(yàn)，主控機(jī)車和從控機(jī)車未發(fā)生再生制動(dòng)力異常的現(xiàn)象，后續(xù)進(jìn)行了批量裝車，運(yùn)用效果良好。

4 結(jié)語

通過對(duì)該機(jī)務(wù)段機(jī)車再生力異常現(xiàn)象的分析及后續(xù)處理措施的制定，對(duì)2 萬噸列車黏著控制有更加深入的認(rèn)識(shí)。特別是從控機(jī)車運(yùn)用工況與主控機(jī)車、單機(jī)牽引列車的工況相差較大，對(duì)后續(xù)2 萬噸重載列車黏著控制及列車縱向沖擊力地減輕提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究方向。