重載列車從控機車再生制動力異常分析與對策

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（1．中車株洲電力機車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001；2．大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412001）

0 概述

在2 萬噸重載列車的開行中，牽引力和制動力的平穩(wěn)發(fā)揮是保證列車正常運行的關(guān)鍵之一。而制動力的大小關(guān)系著列車制動能否正常發(fā)揮，同時對列車的縱向沖擊等有著重要的影響[1]，因此，準(zhǔn)確穩(wěn)定的電制動力對于萬噸特別是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)國內(nèi)某機務(wù)段的反饋，某型交流機車在2 萬噸重載牽引運行過程中，在多次循環(huán)緩解后，施加再生制動出現(xiàn)從控機車再生制動力異常波動現(xiàn)象，從控機車再生力下降、列車縱向沖動明顯增大，嚴(yán)重影響了2 萬噸列車的運行安全。據(jù)了解，該型機車的黏著控制軟件近期進行了升級，該版黏著程序（V2.0）在原版黏著程序（V1.0）的基礎(chǔ)上，增加了速度信號波動判斷和處理功能，能有效減少黏著保護誤觸發(fā)概率，同時針對踏面保護等問題進行了優(yōu)化，并且在蘭州、株洲等地完成了單機牽引運行驗證試驗。為了查明縱向沖動明顯增大、再生制動力波動的原因，筆者對異?，F(xiàn)象發(fā)生當(dāng)日的機車運行數(shù)據(jù)進行分析。

2 異常原因分析

2.1 運行數(shù)據(jù)分析

2.1.1 列車沖動與再生制動力卸載的關(guān)系

筆者選取該型機車A 節(jié)和B 節(jié)當(dāng)日第一次故障發(fā)生時刻的運行數(shù)據(jù)進行分析，A 節(jié)機車運行數(shù)據(jù)如圖1 所示，B 節(jié)機車運行數(shù)據(jù)如圖2 所示。

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

根據(jù)B 節(jié)車第一次故障時刻的機車運行數(shù)據(jù)可知，在A 節(jié)車速度跳變的同時，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)車第一次故障時刻運行數(shù)據(jù)

圖2 B 節(jié)車第一次故障時刻運行數(shù)據(jù)

根據(jù)A 節(jié)和B 節(jié)機車運行的數(shù)據(jù)可以看出，2 節(jié)車同時發(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引起的。經(jīng)分析，速度跳變的時間推測為列車緩解后，運行速度開始提高，行駛一段時間后，由于坡度增加或是車鉤重新進入平衡狀態(tài)，造成速度突然降低。

從運行數(shù)據(jù)分析總結(jié)可得出，列車是先發(fā)生速度跳變再出現(xiàn)再生制動力卸載。

2.1.2 黏著保護功能驗證

為進一步分析列車的速度跳變與再生制動力卸載之間存在的具體聯(lián)系，筆者對該型機車在黏著控制功能發(fā)揮的數(shù)據(jù)進行分析，驗證黏著控制功能是否正常，A 節(jié)和B 節(jié)機車在滑行保護下運行的數(shù)據(jù)如圖3、圖4 所示。

圖3 A 節(jié)車滑行保護下運行數(shù)據(jù)

圖4 B 節(jié)車滑行保護下運行數(shù)據(jù)

圖3、圖4 運行數(shù)據(jù)表明，在沖動點發(fā)生了列車速度跳變。在黏著控制功能正常運行的情況下，對制動力進行較大程度的卸載，之后未出現(xiàn)沖動點，說明黏著控制功能發(fā)揮了作用。

通過對以上的機車運行數(shù)據(jù)進行分析，說明機車在運行過程中出現(xiàn)速度跳變、滑行等狀況，車載的黏著保護功能能正常發(fā)揮功能。同時機車的速度突變、再生制動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

輪軌式機車依靠輪軌接觸間的黏著力運動，運行所需的牽引力與制動力與輪、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，通過對電機速度、電機力矩等信息的采集、分析和處理，結(jié)合由司機給出的期望電機力矩指令，向電機控制系統(tǒng)發(fā)出恰當(dāng)?shù)碾姍C力矩指令，使機車能夠在司機手柄要求范圍內(nèi)以當(dāng)前線路的最大黏著力運行。

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

2.2.1 速度差保護

通過比較同一車輛下的動力輪對間最大速度差值，根據(jù)該差值按照一定的關(guān)系調(diào)整電機黏著力矩設(shè)定值，使機車在發(fā)生空轉(zhuǎn)和滑行時能夠迅速恢復(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

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

圖5 速度差保護功能

圖6 加速度保護功能

2.2.3 蠕滑速度保護

通過計算獲得當(dāng)前車輛參考蠕滑速度與當(dāng)前真實蠕滑速度的差值，根據(jù)該差值按照一定的關(guān)系調(diào)整電機黏著力矩的設(shè)定值，使在發(fā)生空轉(zhuǎn)和滑行時能夠迅速恢復(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 蠕滑速度保護功能

2.3 異常波動原因分析

通過對以上機車運行數(shù)據(jù)的分析，可知機車速度跳變、再生制動力卸載與黏著保護之間的聯(lián)系。結(jié)合黏著控制軟件設(shè)計參數(shù)及具體運行數(shù)據(jù)進行綜合分析，選取上述某時刻沖動點速度與再生制動力數(shù)據(jù)進行分析。

選取A 節(jié)車沖動點速度數(shù)據(jù)中的3 個時間點進行分析，見表1。

表1 A 節(jié)車沖動點時速度與再生制動力情況

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

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

列車緩解后產(chǎn)生沖動，機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，進而造成再生制動力減載。至此可說明，制動力減載的卸載是由于黏著保護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 版本進行對比，發(fā)現(xiàn)在3 個方面存在差異。1）對減載恢復(fù)曲線進行優(yōu)化，以減少二次滑行。將卸載后恢復(fù)過程分為3 個階段。第一階段，保持卸載量一定時間。第二階段，在未檢測到新的空轉(zhuǎn)滑行時，以指數(shù)函數(shù)形式恢復(fù)電機轉(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%電機轉(zhuǎn)矩。2）提高了對滑行狀態(tài)判斷的靈敏度，將蠕滑速度保護門檻值調(diào)低。經(jīng)過對比差異分析可知，2 萬噸列車從控機車再生力異常波動的原因：新版黏著控制軟件更新后提高了對滑行狀態(tài)判斷的靈敏度，但未做萬噸牽引列車沖動具體驗證，從而造成速度信號處理參數(shù)在該機務(wù)段運用中有誤保護動作，最終使機車再生制動力發(fā)生波動。3）運用工況差異。從控機車位于列車中部，在長大下坡道，它處于前頂后壓的受力狀態(tài)，容易使機車瞬間處于懸浮的狀態(tài)，與V2.0 版黏著控制程序驗證的工況相差較大。

3 解決措施

針對再生制動力異常波動發(fā)生的原因，提出2 點解決措施。1）針對萬噸牽引、長距離制動運行等具體工況優(yōu)化黏著控制軟件參數(shù)，適當(dāng)提高蠕滑速度保護門檻值，降低對滑行狀態(tài)判斷的靈敏度。2）進行萬噸列車牽引試驗，驗證軟件參數(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務(wù)段進行了2 萬噸列車運行試驗，主控機車和從控機車未發(fā)生再生制動力異常的現(xiàn)象，后續(xù)進行了批量裝車，運用效果良好。

4 結(jié)語

通過對該機務(wù)段機車再生力異?，F(xiàn)象的分析及后續(xù)處理措施的制定，對2 萬噸列車黏著控制有更加深入的認(rèn)識。特別是從控機車運用工況與主控機車、單機牽引列車的工況相差較大，對后續(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數(shù)據(jù)和研究方向。