HXD1C型大功率交流貨運(yùn)機(jī)車(chē)粘著利用控制的研究與應(yīng)用

趙國(guó)德

(中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司重慶機(jī)務(wù)段，重慶 400000)

0 引言

HXD1C型大功率交流傳動(dòng)貨運(yùn)機(jī)車(chē)自投入運(yùn)營(yíng)后，在我國(guó)西南、華南、華中地區(qū)擔(dān)負(fù)了重要的運(yùn)輸職責(zé)，HXD1C型大功率交流傳動(dòng)貨運(yùn)機(jī)車(chē)一般主要用在貨運(yùn)牽引任務(wù)中，日夜奔馳于主干線，運(yùn)載了大批的貨物，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。

1 HXD1C型機(jī)車(chē)的概述

1.1 HXD1C型機(jī)車(chē)一般系數(shù)

HXD1C型機(jī)車(chē)是六軸大功率交流傳動(dòng)貨運(yùn)機(jī)車(chē)，其單軸功率可達(dá)1 200 kW，整車(chē)功率可達(dá)7 200 kW，最大啟動(dòng)牽引力能達(dá)到570 kN。23 t重的軸承啟動(dòng)時(shí)，需要粘著的系數(shù)為0.42，25 t軸承啟動(dòng)時(shí)所需粘著系數(shù)約為0.39。HXD1C型機(jī)車(chē)具有非常強(qiáng)大的牽引性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輪轂潮濕時(shí)的物理粘著系數(shù)，因此該機(jī)車(chē)要裝備性能優(yōu)越的粘著利用控制系統(tǒng)，大大提升拉動(dòng)速度和功率，以保證機(jī)車(chē)在軌道面積不同的狀況之下，也可以利用軌道的粘著系數(shù)實(shí)現(xiàn)多拉快跑的運(yùn)營(yíng)目標(biāo)[1]。

1.2 HXD1C型機(jī)車(chē)的應(yīng)用概述

HXD1C型機(jī)車(chē)自從上線使用之后，為該路段區(qū)段的提速和重載提供了可靠的動(dòng)力保證，，由于大部分機(jī)車(chē)上線的路段均以山區(qū)高坡或者特殊地形為主，因此有可能在某種程度上會(huì)影響牽引力的發(fā)揮。分析HXD1C型機(jī)車(chē)牽引力粘著力的情況，考慮其在潮濕的軌面上運(yùn)行時(shí)，是否會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)空轉(zhuǎn)而影響粘著力，是很多研究人員研究的重要內(nèi)容。有關(guān)人員和部門(mén)致力于提高機(jī)車(chē)的粘著利用率，通過(guò)牽引計(jì)算和實(shí)用性原則，從技術(shù)角度系統(tǒng)分析如何修正粘著控制方案，在既有路線條件之下提升重量，增加能效，達(dá)到更科學(xué)、更安全和更可行的目的[2-3]。

2 HXD1C型機(jī)車(chē)粘著牽引力利用基礎(chǔ)知識(shí)

2.1 粘著牽引力

機(jī)車(chē)所提供的牽引力大于輪軌之間的粘著力，使動(dòng)輪發(fā)生空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。而在輪軌間不發(fā)生空轉(zhuǎn)的情況之下，所能實(shí)現(xiàn)的最大輪周牽引力就被稱(chēng)之為粘著牽引力。粘著牽引力在實(shí)際的運(yùn)輸實(shí)踐中發(fā)揮著非常重要的作用，能夠幫助計(jì)算機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度和實(shí)際承載，重力加速度等。幾個(gè)主要的計(jì)算參數(shù)如下：

Fμ：計(jì)算粘著牽引力，kN。

Pμ：機(jī)車(chē)粘著質(zhì)量，t。

g：重力加速度，一般約等于9.81 m/s2。

μj：計(jì)算粘著系數(shù)。

2.2 粘著牽引力的計(jì)算公式

通過(guò)計(jì)算粘著系數(shù)，可以系統(tǒng)地分析機(jī)車(chē)的軸重力和牽引力在面臨其分配不均的情況時(shí)，機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中軸重力的增減載情況。計(jì)算粘著系數(shù)時(shí)要考慮到隔離條件的影響，其約束條件可能不可控，使用理論方法計(jì)算，建立起準(zhǔn)確的計(jì)算模型。計(jì)算公式可采用鏡像轉(zhuǎn)向的方法提高曲線運(yùn)行時(shí)的粘著系數(shù)，也可以采用防空轉(zhuǎn)設(shè)備的方法提高粘著系數(shù)的有效利用程度。粘著系數(shù)在不同機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)會(huì)有一定的差別，但實(shí)驗(yàn)表明，列車(chē)運(yùn)行速度提高時(shí)，粘著系數(shù)會(huì)有所下降[4]。

其計(jì)算公式如下表示：

Fμ=Pμ*g*μj

(1)

3 HXD1C型機(jī)車(chē)粘著利用控制方案

3.1 HXD1C型機(jī)車(chē)一般控制方案

針對(duì)機(jī)車(chē)輪軌的粘著特性要考慮機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)的自然條件，如雨雪環(huán)境、氣溫環(huán)境以及周邊其他環(huán)境的非線性時(shí)變特點(diǎn)，還要考慮到不同機(jī)車(chē)類(lèi)型的走線情況。HXD1C型機(jī)車(chē)的粘著特性，需要研究人員采取實(shí)時(shí)辨識(shí)的方法，迅速檢測(cè)當(dāng)下的輪軌條件，并計(jì)算其粘著系數(shù)的變化率。只有精確了解粘著系數(shù)的變化率，才能通過(guò)調(diào)節(jié)牽引電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，最終得出機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程，粘著牽引力的利用數(shù)據(jù)和模型，從而實(shí)現(xiàn)在不同條件之下理論粘著牽引力的最大利用。之所以要這樣做，是為了能夠本著機(jī)車(chē)控制的實(shí)施方案，基于相位法判斷粘著牽引力的利用率，找到其控制原理，并最終根據(jù)粘著變化率給定變化器和最小電機(jī)的轉(zhuǎn)距，參照正弦信號(hào)的產(chǎn)生，利用不同模塊模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.2 HXD1C型機(jī)車(chē)粘著牽引力的辨識(shí)和觀察

研究人員為了便于觀察和分析，常常會(huì)以1 000 s為步長(zhǎng)，制作不同的分解圖，得到不同時(shí)間段粘著利用率、控制參數(shù)波形等具體數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)圖的模擬，很快找到粘著是牽引力的辨識(shí)和變化率，從而通過(guò)不同的參數(shù)反饋輪軌粘著變化率。這樣做的用意是為了根據(jù)線性系統(tǒng)理論分析機(jī)車(chē)牽引系數(shù)的輸出變化及電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，從而能夠考量機(jī)車(chē)牽引傳動(dòng)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)速信號(hào)被送往通濾波器之后所得出的系數(shù)。研究者可以分析向位移反饋系數(shù)，并在輸入端與給定線位進(jìn)行比較，以此構(gòu)成最完整的閉環(huán)粘著利用控制系統(tǒng)，這一控制系統(tǒng)的變化剛好是粘著牽引力曲線變化的規(guī)律，根據(jù)這一規(guī)律圖能夠反饋出HXD1C型機(jī)車(chē)粘著牽引力在不同環(huán)境和不同情境之下的變化規(guī)律，從而能夠給機(jī)車(chē)操作者以更好的參考。

3.3 HXD1C型機(jī)車(chē)粘著利用控制應(yīng)用

HXD1C型機(jī)車(chē)粘著控制系統(tǒng)的參數(shù)被計(jì)算出來(lái)之后，應(yīng)經(jīng)過(guò)反復(fù)的驗(yàn)證，只有得到最準(zhǔn)確的應(yīng)用數(shù)據(jù)和模型，才能夠?qū)⑵鋺?yīng)用效果作為規(guī)律投入使用。HXD1C型機(jī)車(chē)自投入運(yùn)營(yíng)之后，雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但是技術(shù)人員已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，積累了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在不同的環(huán)境和場(chǎng)景下對(duì)機(jī)車(chē)的粘著控制進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，采集到了不同天氣條件之下HXD1C型機(jī)車(chē)粘著控制數(shù)據(jù)并且加以分析，了解了該機(jī)車(chē)粘著利用控制的實(shí)際效果。這些珍貴的數(shù)據(jù)為以后的機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)以及新汽車(chē)模型的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。在機(jī)車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中，為了更好地了解機(jī)車(chē)的粘著運(yùn)行規(guī)律并找到更好的應(yīng)用效果，技術(shù)人員常常會(huì)采集離機(jī)車(chē)操作端最近的，同時(shí)也是輪軌粘著條件最差的第一軸位電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)還會(huì)分析其設(shè)定牽引力和實(shí)際牽引力之間的差異，通過(guò)電腦模擬得出全程采集數(shù)據(jù)的比對(duì)圖。HXD1C型機(jī)車(chē)粘著控制的模型曲線，其上半段對(duì)應(yīng)的是機(jī)車(chē)輪對(duì)線速度，下半段對(duì)應(yīng)的是牽引力曲線，后續(xù)圖的規(guī)律同樣如此，以此來(lái)判斷不同時(shí)間段粘著利用控制參數(shù)的波形變化，從而能夠通過(guò)仔細(xì)觀察，找到轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)期、持續(xù)波動(dòng)期、急劇變化期不同的粘著控制參數(shù)。

分析這3個(gè)不同時(shí)期HXD1C型機(jī)車(chē)粘著控制的階段性變化，規(guī)律如下：

3.3.1 轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化期

根據(jù)參數(shù)模擬，HXD1C型機(jī)車(chē)在t值為2 400～2 800 s時(shí)，機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，粘著控制數(shù)據(jù)顯示電機(jī)的實(shí)際牽引力和設(shè)定牽引力是相等的或大約相等，此時(shí)的汽車(chē)運(yùn)行處于粘著條件最好期間，所需的粘著牽引力往往低于輪軌可提供的最大粘著牽引力。

3.3.2 轉(zhuǎn)速持續(xù)波動(dòng)期

根據(jù)參數(shù)模擬，HXD1C型機(jī)車(chē)在t值為4 600～4 900 s時(shí)，機(jī)車(chē)的粘著利用控制系數(shù)發(fā)生了一定的變化，機(jī)車(chē)雖然實(shí)際牽引力跟隨設(shè)定牽引力，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，但是在位于露天軌道時(shí)，電機(jī)的實(shí)際牽引力略小于設(shè)定牽引力，電機(jī)轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，而當(dāng)機(jī)車(chē)由露天返回隧道時(shí)，粘著條件有所改善，實(shí)際牽引力幾乎跟隨設(shè)定牽引力的實(shí)際數(shù)值。這一結(jié)論是根據(jù)一定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，也就是說(shuō)，根據(jù)室內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，粘著利用控制，雖然無(wú)法使實(shí)際牽引力僅僅跟隨設(shè)定牽引力，但是卻可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的輪軌粘著情況，在不引起嚴(yán)重空轉(zhuǎn)的情況之下，對(duì)實(shí)際牽引力進(jìn)行持續(xù)平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，盡可能發(fā)揮其粘著牽引力的最大效能。

(3)轉(zhuǎn)速急劇變化期。

根據(jù)參數(shù)模擬，HXD1C型機(jī)車(chē)在t值為1 950 s時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)比較大的變化，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速極速上升，使得電機(jī)的實(shí)際牽引力也隨之卸載，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降之后，隧道外的粘著條件低于隧道內(nèi)的粘著條件。機(jī)車(chē)之所以在此時(shí)出現(xiàn)了急劇的轉(zhuǎn)速變化，并不是巧合，此時(shí)的粘著卸載呈現(xiàn)出最大值，局部粘著也被利用，粘著利用控制數(shù)據(jù)波形發(fā)揮作用，有效抑制了空轉(zhuǎn)，保障了機(jī)車(chē)的運(yùn)行安全和平穩(wěn)，并且在機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過(guò)程中快速恢復(fù)輪軌粘著度，實(shí)現(xiàn)粘著利用的最大化，這正是本實(shí)驗(yàn)所想要達(dá)到的效果，也是HXD1C型機(jī)車(chē)實(shí)現(xiàn)粘著條件改善、粘著利用控制的有效體現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，HXD1C型機(jī)車(chē)對(duì)輪軌要求比較高，在詳盡分析鐵軌粘著特性及粘著環(huán)境之后，基于車(chē)型特點(diǎn)進(jìn)行了具體分析。其研究的目的主要是為了能夠在粘著的條件下改善實(shí)際牽引力，使其迅速跟隨設(shè)定牽引力，從而能夠在全季節(jié)氣候情況之下，改善粘著利用控制功能，并充分保障HXD1C型機(jī)車(chē)的運(yùn)行安全。