電力機(jī)車黏著控制分析

高 翔,張 波

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所,北京100081)

鐵路運(yùn)輸中,機(jī)車依靠輪軌滾動接觸過程中接觸面上的黏著力來實(shí)現(xiàn)牽引力的傳遞。黏著是車輪與軌道之間的一種摩擦現(xiàn)象。當(dāng)傳遞到車輪上的牽引力超過最大可用黏著力時(shí),車輛就會出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象,影響行車安全。良好的黏著利用有利于提高列車的加速性能,降低輪軌擦傷的發(fā)生概率。隨著我國重載運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展,牽引功率不斷提高,輪軌間需要傳遞的載荷日益增大,需要保證高效黏著利用,輪軌間的黏著利用成為了迫切需要深入研究的課題。

1 黏著產(chǎn)生的原因

黏著力表現(xiàn)為輪軌間的一種切向力。圖1為黏著牽引力形成示意圖,在輪荷重mg的作用下,輪軌接觸部位發(fā)生彈性變形,形成橢圓形接觸區(qū)。當(dāng)車輪在驅(qū)動力矩T作用下向前滾動時(shí),軌道對車輪在橢圓形接觸面上產(chǎn)生一個(gè)向前的切向力F,稱為輪軌接觸面的黏著力,即輪周牽引力,它使車輪向前滾動。

列車可用的最大黏著力受黏著系數(shù)限制,黏著系數(shù)通常定義為最大的切向力系數(shù):

影響?zhàn)ぶ禂?shù)的因素有很多,軌面條件、車輪直徑和軸重、列車行駛的速度都會造成黏著系數(shù)的改變。其中,軌面狀況是決定列車和軌道之間有效黏著的重要因素,由試驗(yàn)顯示[1,2],如果輪軌界面有水介質(zhì),黏著系數(shù)會隨著速度的提高而顯著下降;而存在油潤滑的條件下,黏著系數(shù)基本上不隨速度變化且非常小。采取撒沙或噴射陶瓷粒子等增黏劑可以改善輪軌狀況,提高黏著系數(shù)。

在動輪的滾動過程中,動輪在鋼軌上的摩擦以滾動摩擦為主,同時(shí)也伴隨著滑動摩擦。滑動摩擦的存在使得車體的前進(jìn)速度并不等于車輪的圓周速度,這個(gè)速度差稱為蠕滑速度。

圖1 粘著牽引力形成示意圖

切向力系數(shù)與蠕滑速度通常有如圖2的關(guān)系,這種關(guān)系稱為黏著特性。從圖中可以看出在相對滑動速度較小時(shí)(OA段),輪軌間的切向力系數(shù)迅速增大,此時(shí)車輛運(yùn)行于微滑區(qū);當(dāng)相對滑動速度達(dá)到A點(diǎn)時(shí),切向力系數(shù)為最大值,即黏著系數(shù),此時(shí)牽引黏著力發(fā)揮最好;隨后相對滑動速度繼續(xù)增加進(jìn)入大滑區(qū)(AB段),切向力系數(shù)迅速減小,黏著破壞,此時(shí)車輛運(yùn)行于不穩(wěn)定階段,也就是車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)。通常用蠕滑率γ表示蠕滑的大小。

圖2 干燥軌面上的黏著特性

式中vw表示輪周速度,vt表示車體速度。

2 粘著控制方式

目前國內(nèi)機(jī)車的黏著控制方式主要采用組合校正法[4]。這種方法結(jié)合了加速度控制和蠕滑率控制。在出現(xiàn)輕微空轉(zhuǎn)滑行時(shí),采用蠕滑率控制,將電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制在最大黏著點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高黏著利用;如發(fā)生蠕滑率控制不能調(diào)節(jié)的大型空轉(zhuǎn)滑行,則進(jìn)行加速度控制,實(shí)現(xiàn)輪軌再黏著。組合校正法控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 組合校正法控制系統(tǒng)

2.1 加速度控制

加速度控制屬于黏著再恢復(fù)控制,如圖4首先測量機(jī)車的各軸速度確定各軸加速度,對加速度進(jìn)行判斷,當(dāng)加速度超過設(shè)定閾值時(shí)表示空轉(zhuǎn)或打滑現(xiàn)象比較嚴(yán)重,牽引電機(jī)迅速削減動輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,抑制空轉(zhuǎn)的加劇,繼續(xù)對加速度判斷,當(dāng)加速度降低到釋放值則意味著空轉(zhuǎn)被成功抑制,再以緩慢速率增加牽引,以尋找下一個(gè)黏著極限點(diǎn),實(shí)現(xiàn)黏著再恢復(fù)。

圖4 檢測到空轉(zhuǎn)時(shí)的加速度控制

2.2 蠕滑率控制

如果加速度沒有超過設(shè)定閾值,則進(jìn)入蠕滑率控制。如圖2所示,切向力系數(shù)存在最大值 ηmax。顯然,只有在取最大值ηmax時(shí),能夠傳遞的牽引力才將達(dá)到最大值。而在列車實(shí)際運(yùn)行中,能利用的黏著總小于最大黏著,蠕滑率控制的目標(biāo)就是在列車運(yùn)行過程中,使實(shí)際的黏著系數(shù)盡量逼近于當(dāng)時(shí)路況的黏著系數(shù)最大值,從而獲得最大的牽引力[5]?？刂葡到y(tǒng)先比較各軸速度,通過對最小的軸速進(jìn)行微分、限幅值和積分等流程得到機(jī)車基準(zhǔn)速度,再由車輪速度和基準(zhǔn)速度計(jì)算蠕滑率,當(dāng)蠕滑率超過閾值時(shí),則對電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令進(jìn)行調(diào)整;反之,判定為正常運(yùn)行,使輪軌經(jīng)常運(yùn)行在高黏著區(qū)。

3 試驗(yàn)分析

下面舉出兩個(gè)在中國鐵道科學(xué)研究院環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地完成的大功率交流傳動機(jī)車防空轉(zhuǎn)試驗(yàn)測試結(jié)果。

試驗(yàn)時(shí)天氣晴好。試驗(yàn)對象為A、B兩種型號的交流機(jī)車。其中A型車為6軸機(jī)車,牽引驅(qū)動方式為軸控;B型車為8軸機(jī)車,牽引驅(qū)動方式為架控。試驗(yàn)編組都是被試機(jī)車+試驗(yàn)車+負(fù)載機(jī)車。

試驗(yàn)采用在機(jī)車運(yùn)行時(shí)向軌面噴灑減摩液的方式制造低黏著條件,造成輪軌間黏著破壞。6軸機(jī)車A的灑水位置如圖5所示,灑水管路布置在前進(jìn)方向的第4軸前方。試驗(yàn)時(shí),1～3軸處于正常軌面,牽引力可以認(rèn)為正常發(fā)揮;4～6軸處于灑水軌面,容易發(fā)生空轉(zhuǎn)。

圖5 6軸機(jī)車灑水位置布置示意圖

8軸機(jī)車B的灑水位置如圖6所示,灑水管路布置在前進(jìn)方向的第3軸前方。試驗(yàn)時(shí),1、2軸處于正常軌面,牽引力可以認(rèn)為正常發(fā)揮;其余各軸進(jìn)入灑水軌面后,容易發(fā)生空轉(zhuǎn)。

圖6 8軸機(jī)車灑水位置布置示意圖

試驗(yàn)中記錄機(jī)車速度、電機(jī)軸速,電機(jī)相電流及電機(jī)輸入功率。

3.1 軸控機(jī)車的防空轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

A型機(jī)車防空轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果見圖7。圖中給出了機(jī)車4～6軸車輪進(jìn)入噴灑減摩液區(qū)域的軸速度、電機(jī)輸入功率和電機(jī)相電流有效值,同時(shí)給出了黏著條件較好的2軸作為對比。由于機(jī)車速度較慢,4～6軸在不同的時(shí)間依次進(jìn)入低黏著區(qū)域并發(fā)生不同程度的空轉(zhuǎn)。從圖中可以看出,試驗(yàn)中各軸的輪周速度與試驗(yàn)車的最大速度差為7 km/h,4軸車輪在I處開始發(fā)生空轉(zhuǎn),直到灑水結(jié)束空轉(zhuǎn)停止;5軸車輪在II處開始發(fā)生空轉(zhuǎn),在III處停止,之后5軸電機(jī)一直試圖增加牽引力,但都超過了黏著極限點(diǎn),造成反復(fù)空轉(zhuǎn);6軸僅在IV處出現(xiàn)一次較為明顯的空轉(zhuǎn)。試驗(yàn)中車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)后,相應(yīng)牽引電機(jī)立即卸載,電機(jī)電流下降,抑制空轉(zhuǎn)的加劇,其他未發(fā)生空轉(zhuǎn)的電機(jī)正常運(yùn)行,不受影響,當(dāng)黏著恢復(fù)后,卸載電機(jī)能夠及時(shí)恢復(fù)牽引力。對試驗(yàn)過程中幾次空轉(zhuǎn)發(fā)生較為明顯的時(shí)間點(diǎn),觀察發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)的瞬時(shí)軸加速度、空轉(zhuǎn)從發(fā)生到結(jié)束的時(shí)間、牽引電機(jī)電流的下降幅值和最大下降速率,結(jié)果如表1。

表1 A型機(jī)車防空轉(zhuǎn)性能表

圖7 A型機(jī)車防空轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 架控機(jī)車的防空轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

防空轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果見圖8。圖中給出了3、4軸車輪進(jìn)入噴灑減摩液區(qū)域的軸速度、電機(jī)輸入功率和電機(jī)相電流有效值,同時(shí)給出了黏著條件較好的1軸作為對比?？梢钥闯?試驗(yàn)中3、4軸車輪幾乎同時(shí)發(fā)生空轉(zhuǎn),各軸的輪周速度與試驗(yàn)車的最大速度差為3.6 km/h,當(dāng)發(fā)生空轉(zhuǎn)后,牽引電機(jī)立即卸載,電機(jī)電流下降,空轉(zhuǎn)得到抑制,此時(shí)1軸牽引電機(jī)功率發(fā)揮正常,未受影響;抑制空轉(zhuǎn)加劇后,牽引力的恢復(fù)都會超過黏著極限點(diǎn),造成反復(fù)空轉(zhuǎn)。對試驗(yàn)過程中發(fā)生空轉(zhuǎn)最為劇烈的I處,觀察發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)的瞬時(shí)軸加速度、空轉(zhuǎn)從發(fā)生到被抑制的時(shí)間、牽引電機(jī)電流的下降幅值和下降速率,結(jié)果如表2。

表2 B型機(jī)車防空轉(zhuǎn)性能表

圖8 B型機(jī)車防空轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論和建議

(1)以目前的控制方式,機(jī)車在空轉(zhuǎn)時(shí)都能起到一定的保護(hù)作用,空轉(zhuǎn)得到抑制后,可以盡量快速恢復(fù)牽引力。

(2)A型軸控機(jī)車的黏著控制不會影響到正常軸牽引力的發(fā)揮,而B型機(jī)車采用架控方式,當(dāng)一個(gè)軸發(fā)生空轉(zhuǎn),同一轉(zhuǎn)向架的另一軸即使沒有發(fā)生空轉(zhuǎn),對應(yīng)電機(jī)也會降功率,造成牽引力損失。

(3)A型機(jī)車在低黏著區(qū)發(fā)生的空轉(zhuǎn)會持續(xù)較長時(shí)間;B型機(jī)車抑制空轉(zhuǎn)后,機(jī)車在恢復(fù)牽引力、重建黏著狀態(tài)的過程中,并不能很好地找到黏著極限點(diǎn),會反復(fù)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

(4)建議對預(yù)測型黏著控制方法進(jìn)行有益的探索,進(jìn)一步優(yōu)化黏著控制的性能,以更好地適應(yīng)重載運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

[1] 張衛(wèi)華,周文祥,陳良麒,等.高速輪軌黏著機(jī)理試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào).2000,22(2):20-25.

[2] ZHANG Weihua,CHEN Jianzheng,WU Xuejie,JIN Xuesong.Wheel/rail adhesion and analysis by using full scale roller rig,Amsterdam:Elsevier-Wear,2002,253:82-88.

[3] V.Sergeant.影響?zhàn)ぶ玫囊蛩豙J].變流技術(shù)與電力牽引,2000,(4):11-15.

[4] 王穎超.高速動車組黏著控制算法研究[D].北京:北京交通大學(xué),2009.

[5] 王廣凱,李培曙.淺談制動黏著系數(shù)的定義、影響因素及測試方法[J].鐵道車輛,2004,42(9):23-25.

[6] 伊藤順一,等(日).從黏著的角度比較動力分散與動力集中[J].國外鐵道車輛,2001,(3):22-26.