铁路机车运行品质分析

来源:用户上传      作者: 张玉琳

　　摘要：随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们对铁路机车的要求越来越高，不仅要求其能更好的满足基本出行需求，同时也要求其在速度、载重上有所提升。文章主要从轮轨粘着性、轮轨粘着利用控制、线路状况、牵引吨位等方面，对铁路机车运行品质进行了相应分析。
　　关键词：铁路机车；轮轨粘着性；运行品质；线路状况；牵引吨位
　　中图分类号：U260 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）07-0082-03
　　随着铁路运输速度的大幅度提升，高速列车的不断投入使用，人们对影响铁路机车运输品质越来越关注，对影响机车正常运行的因素也越来越重视。毕竟现在的机车运行速度、承重程度，越来越高，而影响机车正常运行的因素的确比较多，其中一些因素是客观存在的，不以人的意识为转移的，即使一些因素能凭借人的力量得到相应的解决，但仍不能保证机车运行品质。如何解决影响机车运行品质问题，已经成为铁路发展的重点。
　　一、轮轨粘着性对机车运行品质的影响
　　机车粘着性就是作用在机车上，能使其前进的牵引力。但是在这种牵引力，只有在机车车轮和轨道相接触并呈现相对运动的时候，才能真正的发挥其牵引力作用。机车车轮和轨道的接触面形成车轮相对车体的切向运动的时候，机车才会产生向前的牵引力，这种牵引力会随着相对运动的加快而加快，其产生的引力也会随之增大，而当其达到一定数值之后，其牵引力就不会加大，甚至会急剧的减少，在一定程度上会影响机车的正常运行。这种能够产生的牵引力和车轮与车体的切向运动之间的关系就是粘着性，在轮轨接触面上的车轮与车体的切向运动就是蠕滑速度。要知道粘着特性一定程度上反映在粘着控制系统中，这里的粘着控制系统的是机车传动控制系统的一部分，其主要作用就是在线路状况条件不好的情况下，通过机车的速度、点击转矩等进行相应的信息采集、分析、处理，同时也能与机车司机指令相结合，及时向电制控制系统发出转矩指令，以保证机车能在最大粘着因数下顺利运行，进而使其最大粘着利用率得以发挥。但是值得注意的是随着运行线路的改变，其粘着性也会随着变化。从根本上来说粘着特性就是轮轨之间的自然粘着的特性，是制约机车最大性能发挥的关键性因素，也是影响机车品质的关键性因素。因此，要想使粘着行更好的发挥其作用，还要对最基本的粘着现象进行相应的分析。如从图中可以看出不同线路下的粘着性曲线也是不同的，对然路线不同，但粘着因数都会出现最大数值。路线不同，其蠕动速度也会出现峰值点，但是峰值点出现的前提是粘着因数必须有最大值，只有这样粘着的牵引力，才可以达到最大值。毕竟粘着特性是为了更好的实现粘着控制，只有当实际粘着系数达到路况最大因数的时候，其牵引力才会达到最大，才能保证机车正常运行。由此可见，轮轨粘着性对机车品质影响之大。
　　二、轮轨粘着利用控制对机车运行品质的影响
　　从粘着条件相关数据可以看出，粘着控制对机车品质运行也是有一定的影响的。虽然从上面粘着条件可以知道只要找到和粘着峰值点相一致的机车实际粘着点就可以保证机车正常运行。但是在机车实际运行中，其工作状况是十分复杂的，轨轮的粘着状态也是随着时间和空间的变化而变化的。再加上粘着性具有一定的复杂性、分散性，粘着因数和如滑速度没有固定的对应的关系，其峰值随时可以变化等，使得轮轨粘着利用控制成为一项比较艰难的工作。在这种情况下，要想使粘着控制更好的满足机车运行需求，就应该对粘着控制进行相应的分析。可以通过对粘着控制的发展状况进行分析，并在此基础上找出解决轮轨粘着利用控制不理因素的有效办法。粘着利用控制最早采用的方法主要是在空转或是滑行发生后，用削减电机转矩来发挥其作用。这种最早的方法是根据轮对间速度差之间产生的加速度变化率来检测空转或滑发生状况的。在此基础上才能用电机削减的转矩的方法进行相应的控制，同时在控制的时候，必须保证削减电机在维持在一定时间范围内有一定的常数规律，才能进行。当条件不具备的时候，就需要循环进行相应环节，这样不仅麻烦、浪费时间，还会使粘着工作点与粘着峰值点存在一定距离，使的粘着利用率出现较低现象。在这种情况下，为了更好的发挥粘着利用控制作用，就应该发挥出现新的粘着控制方法。
　　新的粘着控制方法是在传统的粘着控制方法的基础上进行研究的。新的粘着方法根据传统粘着控制法不能自动搜寻峰值点这一环节，进行了相应的分析研究，研究出了一种能自动搜寻粘着峰值点并保证粘着工作点和粘着峰值点的距离更近一些。新的粘着控制方法主要有两种，一种是蠕滑速度法，另一种是斜率法。这里主要对蠕滑法进行研究。对于粘着控制来说是比较直观的方法，其根据粘着性曲线，对相应的蠕滑速度进行调节，并对其进行反复的增加或是降低，就能自动的对粘着峰值点进行搜寻。在使用蠕滑法的时候，可以采用直接对相应的粘接进行控制，也可以间接的对粘接进行控制。直接蠕滑法就是根据实际蠕滑速度图中的蠕滑速度和粘着因素之间的站着性，就能实现粘着峰值点的搜寻，更好的实现最佳粘着控制。从蠕滑速度图中可以看出，蠕滑速度增加，粘着因数也会随之增加，并达到最大值，这时牵引力也会向最大值方向移动。即使减慢蠕滑速度，牵引力也会达到最大值，但牵引力达到最大值之后，蠕滑速度也会随之增加。经过多次对蠕滑速度进行调节，时间粘着点的峰值就会在其附近变化。虽然这时的蠕滑速度法不能获得更大的牵引力，但是其粘着点实际的距离会变小，平均牵引力就会变大。因这种蠕滑方法能够循序渐进的增加或是减少，只要是粘着特性是动态变化的，那么这种方法就能自动的搜寻峰值点。然而现实生活中，机车运行过程中，要想对蠕滑速度进行相应的测量并不是一件容易的事，虽然现在可以通过多轮或是多普勒雷达进行车体速度测试，但是在机车实际运行中必然会遇到雨雪等天气，如果在这种天气状况下对机车速度进行测量的话，难免会出现测量的偏差，在一定程度上，这种直接蠕动法只是一个理想的方法，其应用范围并不广。间接法相对于直接法而言，其实际应用效果比较好。在使用这种方法的时候，先要确定正确的蠕滑速度和调节方向，并对蠕滑速度进行适当的调节。也就是说，在用这种方法的时候，蠕滑速度本身并不是重要的。在使用这种方法的时候机车司机可以用手柄设定转矩和电机输出转矩，在这一环节中，当输出转矩大于已定转矩的时候，就要用限制器进行计算并限制调节加速度适配器的输出及转速调节器的输出。但必须注意的是只有在输出转矩大于已定转矩前提下，进行限制器调节才能起作用。在实际应用过程中，加速适配器的主要功能是用来计算机车车体速度的。将机车车体加速度能和加速度中的增量给定单元输出加起来，能算出加速度定值。在此基础上可以通过对给定单元输出的极性对车轮的加速度进行相应调节，加速度定值通过一定的积分后，就会形成转速给定值。再通过转速调节器进行相应的误差计算就会形成三相额定转矩。因三相额定转矩形成过程中收实际转矩的影响比较大，其动态性较高，其在运行的过程中，也可以将其作为实际输出转矩。三相转矩在实际转换过程中，不仅能改变加速度增量预定的单元输出，同时能进行逻辑搜寻。因此，通过改变加速度的大小，可以对蠕滑速度进行相应的调节。此外，也可以用粘着斜率法也能对粘着峰值点进行判断。但是这种方法不同于蠕滑速度法。粘着斜率法是通过粘着曲线率对粘着峰值点进行相应判断的。但在研究这种方法之前，必须对粘着曲线的斜率线进行相应的分析。相关结果表明，在干燥情况下，粘着系数是随着蠕滑速度的变化而变化的。当斜率为零时，就会处在稳定区，斜率大于零或是小于零，其粘着峰值点就会出现不稳定的状况。因此，在机车运行过程中，如果能及时获得曲线斜率，并使粘着斜率处在零处，那么就能使粘着利用控制发挥最大作用。但是在实际机车运行过程中，其粘着斜率是无法直接计算出来的。在这种状况下，就应该采用相位移法对其相应的测量、计算，并间接的获取粘着特性曲线斜率，以便更好的实现粘着峰值点的搜寻。

　　三、线路状况对铁路运行机车的影响
　　这里所谓的线路就是机车运行过程中经过的有电网电压、线路坡道等地方。这些地方会对机车有一些限制，使机车无法正常运行。当机车经过有电网、电压的地方时，电压并不能一直处于稳定状态，总会出现过高或过低现象，在这种情况下，机车在经过这些地方的时候会根据相应的功率曲线降低功率运行，功率与机车的牵引力是有关系的，其功率降低，牵引力就会下降。在牵引力低的情况下，再遇到机车在大坡道上运行，就会因牵引力较低，而使机车速度下降，甚至出现坡停现象。如，当机车电网电压小于22.5kV，大于30kV的情况下，因机车的电网的功率低，机车的功率也会随之降低，会出现机车速度下降现象，当机车电网电压小于17.5kV或大于31kV的时候，机车速度不仅会下降，甚至会出现坡停现象。从上面的例子可以看出，机车电网电压过高、过低的长大坡道上行驶的时候，常会因为电网电压问题，而使机车功率下降，使机车不能正常运行，甚至会出现坡停现象。这一切都说明了路线状况对机车运行的影响是十分大的，必须重视线路状况问题。只有重视线路状况问题，才能降低因牵引力问题而使机车正常运行。
　　四、牵引吨位对铁路运行机车的影响
　　牵引吨位在机车运行过程中有着重要的作用，牵引吨位如何直接影响着机车正常运行牵引性能。在轮轨条件差、线路坡度较长、较高的情况下，会使电网压出现过高或过低现象，无论出现那种现象，都会影响机车的运行品质。如果牵引吨位对牵引性能要求比下降后的牵引性能要求高，那么就会使机车发生击破。以HXD1C型电力机车为例，牵引吨位和机车牵引力之间关系进行分析。这种电力机车是新型的机车，其最大的牵引力可达570kN，其在开始运营的时候，就曾经多次进行坡停实验。实验是以机车和货车为主进行的，试验中选取了株洲-怀化这段直道旅程。这次坡停实验的机车重150吨，坡道度为12.7，启动阻力为641kN，粘着系数为0.436，其结果为失败；货车重3990吨，坡道度为11%，启动阻力为574kN，粘着系数为0.391，其结果是成功的。正常情况下，这种新电机列车的牵引计算规程是TB/T1407-1998，机车启动基本阻力和货车启动基本阻力分别是5N/kN和3.5 N/kN。而从实验中可以看出，机车的牵引吨位已经超出了轮轨粘着及线路条件能满足的机车牵引力，在这种情况下，机车是无法正常运行的。
　　五、结语
　　目前的铁路机车的运行速度、承重量都有了大幅度的提高，在一定程度上满足了人们的需要。然而影响铁路机车正常运行的品质问题却没有得到更好的解决，在这些影响因素尚未解决之前，即使运行速度、承重量有所提高，在相关因素的影响下，也不能更好的满足现代化发展的需要。只有解决影响铁路机车运行品质因素，才能使铁路运输更好的发展，才能使铁路运输更好的满足现代化发展需要。
　　
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　　 作者简介：张玉琳（1964-），男，内蒙古人，神华集团包神铁路有限责任公司工程师，研究生，研究方向：铁路运输。
　　
　　（责任编辑：赵秀娟）

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