HXN5B型機(jī)車小閘制動力偏弱問題整治

侯春濤

（蘭州鐵路局機(jī)務(wù)處，甘肅 蘭州 730000）

HXN5B型機(jī)車小閘制動力偏弱問題整治

侯春濤

（蘭州鐵路局機(jī)務(wù)處，甘肅 蘭州 730000）

針對HXN5B型機(jī)車擔(dān)當(dāng)編組場推峰等作業(yè)中暴露出的制動力偏弱問題，以線路條件最為典型的武威南編組場為例進(jìn)行理論分析、現(xiàn)場論證，確定了提升HXN5B型機(jī)車制動缸最大壓力、使用摩擦系數(shù)更大閘瓦的方案，來解決制動力弱可能導(dǎo)致冒進(jìn)、溜逸等安全隱患。

機(jī)車；制動力；偏弱；整治

1 問題提出

HXN5B型機(jī)車是一種為適應(yīng)中國鐵路現(xiàn)代化、重載化、一體化、系列化而設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的交流傳動調(diào)車用內(nèi)燃機(jī)車。它主要用于大中規(guī)模的站線編組作業(yè)，也可以用于應(yīng)急的干線客貨運(yùn)需求。蘭州鐵路局HXN5B型機(jī)車陸續(xù)投入使用后，陸續(xù)收到現(xiàn)場乘務(wù)員反映擔(dān)當(dāng)編組場整列不接列車管調(diào)車作業(yè)時HXN5B型機(jī)車制動力較原DF7G型機(jī)車弱的現(xiàn)象?，F(xiàn)以最為典型的蘭新線武威南編組場作業(yè)情況為例，具體表現(xiàn)如下：

1)在推峰作業(yè)過程中，若調(diào)車機(jī)車讓過D102、D104號信號機(jī)（距推峰主體信號約10輛車），遇“等距離、下峰連接”等原因，需要停車再啟動的情況，因HXN5B型機(jī)車制動力偏弱，可能會出現(xiàn)“車列停不穩(wěn)，向到達(dá)場回溜，會越過關(guān)閉的調(diào)車信號機(jī)，發(fā)生闖信號、擠道岔、側(cè)沖”等隱患，進(jìn)而釀成事故。

2)調(diào)車機(jī)經(jīng)由迂回線向編組場1道、20道推送車輛時，武威南站《站細(xì)》規(guī)定10輛以下不接風(fēng)，但HXN5B型機(jī)車因制動力偏弱，帶車7-10輛推送時在停留車前存在不能及時停穩(wěn)的情況，可能造成撞壞車輛等安全問題發(fā)生。

2 問題解決前確保武南HXN5B型機(jī)車推峰作業(yè)安全卡控措施

1）機(jī)車推峰越過D102、D104信號機(jī)停車時，乘務(wù)員采取機(jī)車手柄加載情況下制動機(jī)單閥制動方式停車，列車停妥、速度為零時自閥實(shí)施最大減壓量（機(jī)車制動缸壓力達(dá)到420KPa），確保就地停穩(wěn)的要求。

2）帶車經(jīng)迂回線去編組場1道或20道，10輛以下車輛不接風(fēng)時，列車進(jìn)入迂回線后采用電阻制動控速，可在100m內(nèi)將列車速度控制在2km/h以下，再使用單閥制動可隨時停車。

3）經(jīng)與武南站協(xié)商，由編組場向駝峰牽出時，不論牽車幾輛，車站開放D102或D104信號機(jī)并執(zhí)行車機(jī)聯(lián)控后，方可執(zhí)行牽出作業(yè)。

3 原因分析及攻關(guān)方向

武威南車站編組場原使用DF7G型內(nèi)燃調(diào)車機(jī)，2016年7月份開始陸續(xù)使用HXN5B型交流傳動內(nèi)燃機(jī)車，乘務(wù)員反饋相對于既有的DF7系列調(diào)車機(jī)，HXN5B型機(jī)車的制動力“偏弱”。赴段調(diào)研發(fā)現(xiàn)HXN5B型機(jī)車在低速（20km/h以下）、線路短、而且在推峰作業(yè)時不連接列車管實(shí)施列車制動時問題明顯。

3.1 原因分析

對比分析DF7G、HXN5B型機(jī)車的設(shè)計(jì)方案后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致HXN5B型機(jī)車“制動力偏弱”的原因有如下幾點(diǎn)：

1）礎(chǔ)制動形式：DF7G型機(jī)車采用“杠桿”式基礎(chǔ)制動形式，HXN5B型機(jī)車采用單元制動的基礎(chǔ)制動形式。

2）閘瓦材質(zhì)：DF7G型機(jī)車設(shè)計(jì)為鑄鐵閘瓦，HXN5B型機(jī)車設(shè)計(jì)采用合成閘瓦。

3）軸重：DF7G型機(jī)車軸重為23t，HXN5B型機(jī)車為25t。

3.2 解決HXN5B型機(jī)車制動力弱問題的方案

一是增大閘瓦摩擦系數(shù)；二是增大閘瓦面積；三是增大制動缸壓力。

3.3 實(shí)施效果

3.3.1 增大閘瓦摩擦系數(shù)

HXN5B型機(jī)車上裝車試用了增大閘瓦摩擦系數(shù)的高磨新型推峰閘瓦 （平均摩擦系數(shù)由0.3提高到0.36），初步試驗(yàn)結(jié)果為：機(jī)車在平直道上，制動初速為30km/h，實(shí)施小閘全制動，設(shè)計(jì)采用的閘瓦制動距離為75～80m，新型閘瓦制動距離為 65～70m，制動效果略有改善。

3.3.2 增大閘瓦面積

由于受制于HXN5B型機(jī)車基礎(chǔ)制動單元的閘瓦托面積，增大閘瓦面積的方案可行性不高。如增加過大有可能導(dǎo)致閘瓦受力不均、掉塊等情況發(fā)生。3.3.3 增大制動缸壓力

對DK-2型制動機(jī)軟件進(jìn)行更改，增加小閘全制位制動缸壓力：由原來的300kPa提高至450kPa。增大小閘壓力后計(jì)算得HXN5B型機(jī)車的小閘制動力達(dá)到150kN，已遠(yuǎn)大于DF系列調(diào)機(jī)的小閘制動力（134kN左右），并能滿足大部分推峰工況的要求（4500t車輛下滑力143kN左右）。

4 增加小閘全制位制動壓力可行性計(jì)算

現(xiàn)就HXN5B型機(jī)車與傳統(tǒng)的典型調(diào)機(jī) （以DF7G型機(jī)車為例）制動距離計(jì)算作一個對比分析，闡述兩種調(diào)機(jī)在制動距離方面的差異性。

4.1 武南編組場駝峰縱斷面圖（如圖1所示）

圖1 駝峰縱斷面

4.2 機(jī)車制動距離對比計(jì)算

HXN5B型機(jī)車設(shè)計(jì)采用是合成閘瓦，而DF7G型機(jī)車選用則是鑄鐵閘瓦，兩種材質(zhì)不同的閘瓦在不同速度下的瞬時摩擦系數(shù)有很大的區(qū)別，如圖2所示。

圖2 閘瓦瞬時摩擦系數(shù)特性曲線

機(jī)車在高速工況下運(yùn)行時，DF7G型機(jī)車鑄鐵閘瓦瞬時摩擦系數(shù)約0.1左右，而HXN5B型機(jī)車合成閘瓦的瞬時摩擦系數(shù)在0.3左右，為保證機(jī)車緊急制動距離滿足鐵標(biāo)要求，DF7G型機(jī)車閘瓦力需比HXN5B型機(jī)車的閘瓦力大很多。而當(dāng)機(jī)車在低速工況下運(yùn)行時，DF7G型機(jī)車鑄鐵閘瓦的瞬時摩擦系數(shù)會逐步升高，甚至超過HXN5B型機(jī)車的合成閘瓦摩擦系數(shù)。而兩種調(diào)機(jī)的閘瓦力不隨機(jī)車速度變化，故機(jī)車低速運(yùn)行時，DF7G型機(jī)車的制動力要大于HXN5B型機(jī)車側(cè)制動力。

以下為兩種調(diào)機(jī)在100km/h、60km/h、40km/h和20km/h四種速度下的制動計(jì)算，詳細(xì)說明以上問題。

4.2.1 DF7G型機(jī)車制動距離計(jì)算

1)基本參數(shù)。

機(jī)車最高運(yùn)行速度：v＝100km/h

機(jī)車軸數(shù)：n＝6

軸重：G=23t

閘瓦材質(zhì)：鑄鐵

制動缸壓力：pb=340kPa

2）一臺機(jī)車總閘瓦壓力：K=827.03kN

3）制動率

ν=K/(Mvg)=827.032/(138×9.80665)=0.611

4）制動距離

當(dāng)速度是100km/h，取平均摩擦系數(shù)為0.10時，機(jī)車的制動距離為694.1m。

當(dāng)速度是60km/h，取平均摩擦系數(shù)為0.13時，機(jī)車的制動距離為217.2m。

當(dāng)速度是40km/h，取平均摩擦系數(shù)為0.16時，機(jī)車的制動距離為89.57m。

當(dāng)速度是20km/h，取平均摩擦系數(shù)為0.18時，機(jī)車的制動距離為26.2m。

4.2.2 HXN5B型機(jī)車制動距離計(jì)算

1）基本參數(shù)

最高運(yùn)行速度：v=100km/h

機(jī)車軸數(shù)：n=6

軸重：G=25t

單元制動器個數(shù)：12

制動缸直徑：db=17.8cm

內(nèi)部制動倍率：rb1=3.45

外部制動倍率：rb2=1

制動缸彈簧返力：rfp=250N

回行彈簧返力：rrp=650N

旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)：mf=0.1

內(nèi)部傳動效率：ηb1=0.95

外部傳動效率：ηb2=1

常用全制動時制動缸空氣壓力：pb=340kPa

2）閘瓦壓力

常用全制動時制動缸活塞力

Fp=πdb2pb/40-rfp=3.14×17.822×340/40-250= 8206.5N

閘瓦力

Ks=Fprb1ηb1-rrp=8206.5×3.45×0.95-650= 26246(N)

常用全制動時一臺機(jī)車總閘瓦力

K=12Ks/1000=12×26246/1000=314.96(kN)

3）制動距離

當(dāng)速度是100km/h，取平均摩擦系數(shù)為0.30時，機(jī)車的制動距離為615.8m。

當(dāng)速度是60km/h，取平均摩擦系數(shù)為0.31時，機(jī)車的制動距離為234.47m。

當(dāng)速度是40km/h，取平均摩擦系數(shù)為0.32時，機(jī)車的制動距離為109.6m。

當(dāng)速度是20km/h，取平均摩擦系數(shù)為0.350時，機(jī)車的制動距離為31.29m。

對比結(jié)論：

1）當(dāng)機(jī)車處于高速工況下，HXN5B型機(jī)車制動距離優(yōu)于DF7G型機(jī)車。

2）當(dāng)機(jī)車處于低速工況下，DF7G型機(jī)車制動距離優(yōu)于HXN5B型機(jī)車。

4.3 以武南編組場為例，推峰作業(yè)的單機(jī)制動力需求估算

結(jié)合HXN5B型機(jī)車運(yùn)用中出現(xiàn)問題的情況進(jìn)行計(jì)算分析，假設(shè)擔(dān)當(dāng)武威南站4500噸車組推峰作業(yè)。推送坡道坡度為15‰，長度為170m，坡上停留約8節(jié)車輛，其它車輛停留在坡度為1.5‰左右的坡道上（根據(jù)武南到達(dá)場坡道）。坡道下滑力計(jì)算如圖3所示：

圖3 坡道下滑力計(jì)算示意圖

由上圖公式可得，4500t車輛的坡道下滑力F為：

F=hQ1g/（10002＋h2）1/2＋h（nG+Q2）g/（10002＋h2）1/2

式中：

15‰坡道上車輛質(zhì)量：Q1=8×70=560t；

2‰坡道上車輛質(zhì)量：Q2=3940t；

坡道坡度:h=15，1.5；

機(jī)車軸重：G=25t；

機(jī)車軸數(shù)：n=6。

代入上述公式計(jì)算結(jié)果如下：

F=15×560×9.8/（10002＋152）1/2＋1.5×（6×25+ 3940）×9.8/（10002＋1.52）1/2

=82.31+60.12=142.4（kN）

結(jié)論：4500t車輛在武南站推峰坡道上理論下滑力為143kN左右。

按照廠家提供的技術(shù)文件，小閘壓力為300Kpa時DF7G型機(jī)車 （高磷鑄鐵閘瓦）制動力約為134KN、HXN5B型機(jī)車（高磨合成閘瓦）約為100KN；當(dāng)HXN5B型機(jī)車小閘推至全制位，同時將大閘推至全制位，此時制動缸壓力上升至420Kpa，制動力約為139KPA，均無法滿足4500t要求。

4.4 HXN5B型機(jī)車使用鑄鐵閘瓦的分析

HXN5B型機(jī)車（4400馬力交流傳動內(nèi)燃機(jī)車）更換鑄鐵閘瓦后的制動力對比如圖4所示。

圖4 4400馬力調(diào)機(jī)用鑄鐵閘瓦制動對比

由上圖可知，HXN5B型機(jī)車（4400馬力交流傳動內(nèi)燃機(jī)車）速度在0-5km/h范圍內(nèi)使用鑄鐵閘瓦制動力優(yōu)于使用高磨合成閘瓦制動力；但當(dāng)速度大于5km/h時，HXN5B型機(jī)車制動力會大幅下降，有行車安全問題。

結(jié)論：HXN5B型機(jī)車使用鑄鐵閘瓦的方案不可行。

4.5 HXN5B型機(jī)車提高制動力方案研究

4.5.1 方案一：只提高小閘壓力

小閘壓力提高至 450kPa后制動力曲線與HXN5B型機(jī)車緊急制動力曲線相同，參見圖4中“4400-高磨合成”制動力曲線。由圖4可知，機(jī)車在近0速時HXN5B單機(jī)制動力為150kN（>143KN）左右，可抵消4500t車輛的下滑力。

4.5.2 方案二：同時提高小閘壓力和閘瓦摩擦系數(shù)

更改后的HXN5B型機(jī)車小閘壓力提高至450kPa，同時閘瓦采用高磨新型推峰閘瓦（其平均摩擦系數(shù)由原來的0.3提高至0.36），具體制動曲線見圖5。

圖5 HXN5B型機(jī)車制動力提高方案二

由圖5可知，同時提高小閘壓力 （提高至450kPa）和閘瓦摩擦系數(shù)，HXN5B型機(jī)車制動力顯著提升：在速度接近0km/h時單機(jī)制動力達(dá)到188KN（>143KN）左右，既可抵消4500噸車輛的下滑力而且能滿足濕軌粘著要求。

通過上述計(jì)算分析，為提升HXN5B型機(jī)車單機(jī)制動力，可行性方案：將小閘閘缸壓力提高至450kPa，確保小閘制動力（150kN左右）遠(yuǎn)大于DF系列調(diào)機(jī)的小閘制動力（134kN），并能滿足大部分推峰工況的要求（4500t車輛下滑力143kN左右）。

5 具體解決方案

1）實(shí)施HXN5B型機(jī)車DK-2型制動機(jī)增加調(diào)車模式的改造，在調(diào)車模式下實(shí)現(xiàn)小閘閘缸壓力提高至450kPa，滿足編組場推峰等不連接列車管作業(yè)時單機(jī)制動需要。

2）協(xié)調(diào)武威南車務(wù)段：⑴調(diào)車機(jī)從編組場帶車上峰，必須得開放D102、D104信號機(jī)（《站細(xì)》規(guī)定5輛以內(nèi)不開放），以免發(fā)生闖信號、擠道岔、側(cè)沖等問題發(fā)生。⑵峰頂作業(yè)人員加強(qiáng)盯控，發(fā)現(xiàn)列車回溜無法由機(jī)車控制時果斷采取人工手?jǐn)Q車輛制動機(jī)等措施實(shí)施制動。

6 現(xiàn)場驗(yàn)證

1）HXN5B型機(jī)車小閘全制位采用 300kPa、450kPa減壓量時單機(jī)制動距離試驗(yàn)。8月18日武南整備線安排HXN5B型0171機(jī)車進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 現(xiàn)場驗(yàn)證數(shù)據(jù)

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上看，HXN5B型機(jī)車制動壓力改變后，小閘閘缸壓力在450kPa時較300kPa停車距離縮短幅度較為明顯，但因小雨軌面濕滑、輪軌粘著系數(shù)下降造成在小閘閘缸壓力450kPa試驗(yàn)時出現(xiàn)了機(jī)車輪對滑行現(xiàn)象。

2）武南編組場駝峰推送坡HXN5B型機(jī)車小閘全制位采用450kPa列車停車試驗(yàn)。推送24輛滿裝棚車，分別在剩余10輛、8輛時要求乘務(wù)員使用小閘全制動位（減壓量450kPa）坡道停車，均能停穩(wěn)。經(jīng)當(dāng)班乘務(wù)員確認(rèn)，較HXN5B型機(jī)車小閘時全制位采用300kPa停車控速有明顯的改善。

7 下一步工作方向

1）繼續(xù)與相關(guān)廠家共同做好小閘閘缸壓力450kPa時各階段減壓速率研究，避免因制動力過強(qiáng)造成低速情況下輪對滑行導(dǎo)致的擦輪問題發(fā)生。

2）優(yōu)化小閘閘缸壓力提升至450kPa后的HXN5B型機(jī)車操縱辦法。同時做好運(yùn)用信息收集，為下一步優(yōu)化軟件控制打好基礎(chǔ)。

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