機(jī)車整車動(dòng)態(tài)試驗(yàn)檢測(cè)裝置代替機(jī)車線路運(yùn)行試驗(yàn)若干問(wèn)題的探討

黎英豪，謝讓皋，呂安庶，喻貴忠，劉廣丹

（1 北京鐵道工程機(jī)電技術(shù)研究所有限公司，北京100070；2 北京交通大學(xué)，北京100044）

按照我國(guó)現(xiàn)行機(jī)車檢修規(guī)程的規(guī)定，機(jī)務(wù)段和機(jī)車檢修基地的修竣機(jī)車必須經(jīng)過(guò)正線試運(yùn)行方可投入使用。這是機(jī)車驗(yàn)收的依據(jù)，也是機(jī)車安全運(yùn)行的保證。近年來(lái)我國(guó)的鐵路建設(shè)雖然取得了舉世矚目的發(fā)展，但是運(yùn)能與運(yùn)量的矛盾仍十分尖銳，列車運(yùn)行的最短間隔時(shí)間僅為5 min。機(jī)車線路運(yùn)行試驗(yàn)不但安排非常困難，而且對(duì)鐵路運(yùn)輸秩序干擾嚴(yán)重。

機(jī)車整車試驗(yàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置（簡(jiǎn)稱機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)）能夠全面考核機(jī)車的檢修質(zhì)量和可靠性，驗(yàn)證機(jī)車牽引特性和電制動(dòng)特性。機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的基本構(gòu)成是單元測(cè)功機(jī)組（圖1）。它是一種方便、實(shí)用和可靠的大型機(jī)務(wù)設(shè)備，迄今已有130多年歷史，在國(guó)內(nèi)外廣泛使用。

圖1 機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)單元測(cè)功機(jī)組

鐵道部、北京鐵路局和北京鐵道工程機(jī)電技術(shù)研究所（簡(jiǎn)稱北京鐵道所）從1999年就開(kāi)始從事利用機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)代替機(jī)車正線試運(yùn)的研究，并于2003－04－08在石家莊電力機(jī)務(wù)段研制成功“JZD－1型機(jī)車整車試驗(yàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置”，2004－02－18通過(guò)鐵道部鑒定，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)機(jī)務(wù)段采用機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的歷史。

2007－07 鐵道部、北京鐵路局和北京鐵道所又在北京機(jī)務(wù)段創(chuàng)建“ND型機(jī)車整車試驗(yàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置”，它可以兼容3種內(nèi)燃機(jī)車和1種電力機(jī)車試驗(yàn)。2007－08－13鐵道部運(yùn)輸局發(fā)布《關(guān)于在北京鐵路局進(jìn)行使用專用設(shè)備檢測(cè)修竣機(jī)車性能，取消線路試運(yùn)行試點(diǎn)工作的通知》。2008－10－13鐵道部運(yùn)輸局會(huì)同科技司、安監(jiān)司、鑒定中心和北京鐵路局召開(kāi)“利用專用設(shè)備檢測(cè)機(jī)車性能代替線路試運(yùn)行的技術(shù)審查鑒定會(huì)”，對(duì)“ND型機(jī)車整車試驗(yàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置”進(jìn)行鑒定。

目前利用機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)取代修竣機(jī)車的正線試運(yùn)行已成共識(shí)。鐵道部決定在天津、上海、西安、哈爾濱、廣州、武漢、成都等地的大功率機(jī)車檢修基地興建機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)。但是，迄今為止對(duì)機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)代替線路試運(yùn)行的具體要求尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，相關(guān)的試驗(yàn)大綱和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)亦未制定。實(shí)際上機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的功能有一定局限性，例如不能進(jìn)行機(jī)車空氣制動(dòng)試驗(yàn)，檢測(cè)機(jī)車起動(dòng)和低速范圍的牽引力和電制動(dòng)力存在黏著關(guān)系破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

本文旨在根據(jù)TB／T 2381－93《內(nèi)燃機(jī)車線路運(yùn)行試驗(yàn)》、TB／T 2361－93《內(nèi)燃機(jī)車牽引特性試驗(yàn)方法》、TB／T 2510－1995《電力機(jī)車牽引特性試驗(yàn)方法》、TB／T 2515－1995《電力機(jī)車電氣制動(dòng)特性試驗(yàn)方法》、TB／T3184－2007《機(jī)車整車試驗(yàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置技術(shù)條件》和鐵道部有關(guān)機(jī)車段修規(guī)程等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，提出一些意見(jiàn)和建議，使機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)更趨完善和合理，盡快改變目前無(wú)章可循的狀態(tài)。

1 機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的軌道型式和定位方法

機(jī)車進(jìn)入和退出試驗(yàn)臺(tái)有兩種方法，第1種是通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)的軌道機(jī)車自行進(jìn)出，第2種是利用兩臺(tái)橋式起重機(jī)吊運(yùn)機(jī)車上下。機(jī)務(wù)段和機(jī)車檢修基地的試驗(yàn)臺(tái)必須采用前者，以保證機(jī)車試驗(yàn)的快捷性和安全性。機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的軌道型式隨兼容機(jī)車類型多少而異。對(duì)于要求兼容機(jī)車類型眾多且軸距和轉(zhuǎn)向架中心距變化范圍極大的機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)，應(yīng)首選升降式輪緣軌道。輪緣軌道位于踏面軌道的內(nèi)側(cè)，專供機(jī)車輪對(duì)的輪緣走行（圖2），它對(duì)機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的軌道輪位置調(diào)整不受任何限制。圖3為天津機(jī)車檢修基地機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的升降式輪緣軌道。它由一組輪緣軌道和多臺(tái)升降機(jī)組組成。圖4為升降式輪緣軌道的作用原理。輪緣軌道的兩根軌條與具有足夠剛度和強(qiáng)度的鋼架連成整體，并安裝在升降機(jī)組的上楔鐵上。升降式輪緣軌道的軌面初始標(biāo)高為30 mm，機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的地面和固定軌道頂面標(biāo)高為±0.0 mm，兩者之差等于機(jī)車輪緣高度30 mm，保證機(jī)車能平穩(wěn)地由固定軌道過(guò)渡到輪緣軌道。升降機(jī)組采用同步性好和可靠性高的機(jī)械傳動(dòng)。它由電動(dòng)減速器、絲杠、螺母、下楔鐵和上楔鐵等組成。電動(dòng)減速器通過(guò)絲杠和螺母驅(qū)動(dòng)下楔鐵橫向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上楔鐵和輪緣軌道升降，從而完成機(jī)車軸重在輪緣軌道與軌道輪之間的轉(zhuǎn)移。

圖2 輪緣軌道

圖3 升降式輪緣軌道

圖4 升降式輪緣軌道作用原理

機(jī)車在試驗(yàn)臺(tái)上必須采取兩端車鉤定位，以確保機(jī)車試驗(yàn)萬(wàn)無(wú)一失。2003－12－26石家莊電力機(jī)務(wù)段的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行SS8型電力機(jī)車試驗(yàn)，曾因機(jī)車偶然失控而超速達(dá)到230 km／h，機(jī)車出現(xiàn)激烈振動(dòng)和搖晃，正是由于采用兩端車鉤拽拉才避免發(fā)生翻車事故。

2 機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的軌道輪直徑

理論上通常都認(rèn)為加大機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的軌道輪直徑有利于提高黏著系數(shù)。但是有關(guān)的研究表明，當(dāng)軌道輪直徑D與機(jī)車輪直徑D j之比D／Dj≮1時(shí)，增大軌道輪直徑對(duì)黏著系數(shù)提高的影響極小。我國(guó)現(xiàn)有的鐵道車輪直徑動(dòng)車組為Dj＝860～920 mm，內(nèi)燃機(jī)車為Dj＝1 050 mm，電力機(jī)車為Dj＝1 250 mm。若以電力機(jī)車車輪作為試驗(yàn)臺(tái)的軌道輪，則軌道輪直徑D與所有國(guó)產(chǎn)鐵道車輪直徑D j之比為D／Dj＝1 250／860～1 250＝1.45～1.00，均能滿足上述D／Dj≮1的要求。

國(guó)內(nèi)外的機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)以機(jī)車輪作為軌道輪亦不乏先例。例如俄國(guó)莫斯科的世界第一套機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)采用與試驗(yàn)機(jī)車完全相同的轉(zhuǎn)向架總成作為軌道輪。德國(guó)柏林的機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)軌道輪直徑D＝1 250 mm。日本鐵道技術(shù)研究所的機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)軌道輪直徑D＝1 060 mm。我國(guó)山海關(guān)機(jī)務(wù)段的DF4B型機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)軌道輪由SS1型電力機(jī)車輪對(duì)改造而成，其直徑為D＝1 200 mm。

TB／T 3184－2007《機(jī)車整車試驗(yàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置技術(shù)條件》中推薦軌道輪直徑為電力機(jī)車的車輪D＝1 250 mm和蒸汽機(jī)車的輪箍D＝1 370 mm，這是基于當(dāng)時(shí)我國(guó)仍在生產(chǎn)和供應(yīng)蒸汽機(jī)車輪箍。如今蒸汽機(jī)車輪箍已經(jīng)完全停產(chǎn)并銷毀了加工模具。顯然，繼續(xù)以D＝1 370 mm作為軌道輪直徑已不盡合理，這將為軌道輪的制造和旋修帶來(lái)許多麻煩。為此建議以我國(guó)現(xiàn)有電力機(jī)車的車輪直徑Dj＝1 250 mm作為機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的軌道輪直徑D。

3 機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的黏著系數(shù)

機(jī)車在鐵道和試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行，黏著關(guān)系的破壞將導(dǎo)致輪軌擦傷。這個(gè)問(wèn)題對(duì)于機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)尤為嚴(yán)重，原因在于鐵道上機(jī)車司機(jī)尚可采取撒沙、壓縮列車車鉤等方法防止機(jī)車輪對(duì)空轉(zhuǎn)，但是對(duì)機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)這些措施均無(wú)法應(yīng)用。因此機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)在任何工況下，機(jī)車牽引力F和電制動(dòng)力Bd都不能超過(guò)黏著牽引力Fμ和黏著制動(dòng)力Bμ，即

式中P為機(jī)車整備質(zhì)量，t；g為重力加速度，g＝9.81 m／s2；μj為牽引黏著系數(shù)；μb為制動(dòng)黏著系數(shù)。

實(shí)踐表明，牽引黏著系數(shù)遠(yuǎn)大于制動(dòng)黏著系數(shù)，許多國(guó)家采用的制動(dòng)黏著系數(shù)最大為牽引黏著系數(shù)的60%。

實(shí)際上黏著系數(shù)是一個(gè)復(fù)雜的變量，它不但與機(jī)車類型、構(gòu)造和速度有關(guān)，而且還受氣象環(huán)境和輪軌狀態(tài)眾多因素影響。迄今為止黏著系數(shù)尚無(wú)法應(yīng)用理論方法確定，只能根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得簡(jiǎn)統(tǒng)化的經(jīng)驗(yàn)公式，而且由于測(cè)定數(shù)據(jù)的離散性，粘著系數(shù)的變化范圍較大。因此正確合理地確定機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的黏著系數(shù)是一項(xiàng)困難的任務(wù)，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究工作。目前只能根據(jù)有限的資料作如下分析：

（1）前蘇聯(lián)某些機(jī)車牽引特性的黏著牽引力以兩條水平線表示最大值和最小值，在黏著牽引力變化的區(qū)間內(nèi)，存在機(jī)車輪對(duì)空轉(zhuǎn)的可能性。圖5為TΓ102型內(nèi)燃機(jī)車的牽引特性曲線，對(duì)應(yīng)黏著牽引力最大值和最小值的黏著系數(shù)分別為μjmax＝0.3和μjmin＝0.24。

圖5 TΓ102型內(nèi)燃機(jī)車牽引特性曲線

（2）從美國(guó)通用電氣公司引進(jìn)的HXN5型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車牽引特性曲線中明確標(biāo)示：“由于輪軌黏著面力的限制，并不是所有時(shí)間都能獲得整個(gè)牽引力曲線”（圖6）。根據(jù)HXN5型機(jī)車的整備質(zhì)量p＝150 t、低速范圍的最大恒定牽引力F＝620 k N，利用式（1）計(jì)算的牽引黏著系數(shù)為：

圖6 XHN5型內(nèi)燃機(jī)車牽引特性曲線

說(shuō)明HXN5型機(jī)車在起動(dòng)和低速范圍內(nèi)的牽引黏著系數(shù)偏大。

（3）DF9型0002號(hào)內(nèi)燃機(jī)車1991－06—08在大連機(jī)車研究所的機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行牽引試驗(yàn)，1992－03—04在鐵道科學(xué)院的環(huán)行道進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，均未發(fā)生輪對(duì)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。DF9型內(nèi)燃機(jī)車的整備質(zhì)量為p＝138 t，起動(dòng)工況的牽引力為F＝245 k N，由式（1）計(jì)算的牽引黏著系數(shù)為：

計(jì)算表明，DF9型內(nèi)燃機(jī)車具有足夠的黏著牽引力裕度。

（4）據(jù)有關(guān)參試人員介紹，西南交通大學(xué)機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的牽引黏著系數(shù)為μj＝0.25，大連機(jī)車研究所機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的牽引黏著系數(shù)為μj＝0.26，制動(dòng)黏著系數(shù)為μb＝0.15。這些黏著系數(shù)不一定是最大值，但可作為保證輪軌黏著條件的實(shí)用數(shù)據(jù)。

（5）根據(jù)TB／T 1407－1998《列車牽引計(jì)算規(guī)程》制定的制動(dòng)黏著系數(shù)公式，對(duì)于濕軌為：

式（3）的實(shí)用性已經(jīng)實(shí)踐證明。

綜上所述，為確保機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)在任何情況下都不破壞輪軌黏著關(guān)系，建議牽引黏著系數(shù)的最大值為μjmax＝0.25，制動(dòng)黏著系數(shù)的最大值為μbmax＝0.15。推薦黏著系數(shù)的目的在于確定機(jī)車試驗(yàn)檢測(cè)的初始速度v c。下面以HXN5型機(jī)車為例進(jìn)行說(shuō)明。

HXN5型內(nèi)燃機(jī)車的黏著牽引力：

由圖6可得對(duì)應(yīng)的牽引特性曲線初始速度約為v c＝40 km／h。

HXN5型內(nèi)燃機(jī)車的黏著制動(dòng)力：

由圖7可得對(duì)應(yīng)的電阻制動(dòng)特性曲線初始速度約為v c＝70 km／h。

圖7 HX N5型內(nèi)燃機(jī)車電阻制動(dòng)特性曲線

4 機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)要求的建議

機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行機(jī)車試驗(yàn)的實(shí)質(zhì)在于檢驗(yàn)其質(zhì)量和性能，并不能改變定型機(jī)車的結(jié)構(gòu)參數(shù)和原始特性。機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)可歸納為空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)兩類，其他試驗(yàn)包含其中。

（1）機(jī)車空載試驗(yàn)

空載試驗(yàn)的目的在于全面檢查機(jī)車和試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)狀態(tài)?？蛰d試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的所有問(wèn)題必須得到全部解決，并經(jīng)確認(rèn)方可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。機(jī)車空載試驗(yàn)的時(shí)間為30 min，至少應(yīng)進(jìn)行由低速到高速和由高速到低速一次往返運(yùn)轉(zhuǎn)。

機(jī)車空載試驗(yàn)可同時(shí)完成故障模擬試驗(yàn)，以檢驗(yàn)機(jī)車保護(hù)系統(tǒng)和聲光報(bào)警設(shè)施的有效性。還可進(jìn)行機(jī)車低速空氣制動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)方法是利用測(cè)功電機(jī)將機(jī)車輪對(duì)和牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子加速到1／3vmax，然后用機(jī)車小閘進(jìn)行制動(dòng)，以檢驗(yàn)空氣制動(dòng)系統(tǒng)和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的作用。

（2）機(jī)車負(fù)載試驗(yàn)

機(jī)車負(fù)載試驗(yàn)包括牽引半載試驗(yàn)、牽引滿載試驗(yàn)、電制動(dòng)半載試驗(yàn)、電制動(dòng)滿載試驗(yàn)和最大運(yùn)行速度試驗(yàn)（不限負(fù)載）。每項(xiàng)試驗(yàn)的里程為20 km，總里程為100 km。

機(jī)車的半載試驗(yàn)是滿載試驗(yàn)的準(zhǔn)備和預(yù)熱，重點(diǎn)在于牽引滿載試驗(yàn)和電制動(dòng)滿載試驗(yàn)，這是機(jī)車能力和質(zhì)量的綜合檢驗(yàn)。在機(jī)車牽引滿載試驗(yàn)中，可同時(shí)進(jìn)行輪對(duì)和牽引電機(jī)的軸溫檢測(cè)以及牽引電機(jī)電流分配不均勻度檢測(cè)。檢測(cè)工況至少包含從初速度v c到最大速度vmax之間的3個(gè)點(diǎn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告，繪制機(jī)車牽引特性曲線和電制動(dòng)特性曲線，并與機(jī)車原始特性對(duì)照。由于機(jī)車在同一工況下的檢測(cè)數(shù)據(jù)具有一定離散性，所以試驗(yàn)結(jié)果通常都與機(jī)車原始特性有差別。機(jī)車試驗(yàn)的檢測(cè)誤差可按TB／T 2361－93《內(nèi)燃機(jī)車牽引特性試驗(yàn)方法》規(guī)定執(zhí)行，速度誤差為±1 km／h，牽引力和電制動(dòng)力誤差為±1%。

5 結(jié)論與建議

（1）利用機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)代替機(jī)車線路運(yùn)行試驗(yàn)歷經(jīng)十余年的實(shí)踐，已經(jīng)完全證明其可行性，應(yīng)盡快完善現(xiàn)行的機(jī)務(wù)規(guī)章制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)的合理化和規(guī)范化。

（2）機(jī)務(wù)段和機(jī)車檢修基地的機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)為保證機(jī)車試驗(yàn)的安全性和快捷性，應(yīng)選用升降式輪緣軌道和兩端車鉤定位。

（3）根據(jù)我國(guó)鐵道車輪的生產(chǎn)現(xiàn)狀和國(guó)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議采用國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車車輪D＝1 250 mm作為機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的軌道輪直徑，這將為軌道輪的制造和維修帶來(lái)極大好處。

（4）根據(jù)國(guó)內(nèi)外的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，建議機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的最大牽引黏著系數(shù)為μjmax＝0.25，最大制動(dòng)黏著系數(shù)為μbmax＝0.15，并據(jù)此決定機(jī)車試驗(yàn)工況的初始速度v c。

（5）機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)的主要功能是驗(yàn)證機(jī)車檢修質(zhì)量和特性。重點(diǎn)在于校核滿負(fù)載工況下?tīng)恳匦院碗娭苿?dòng)特性與機(jī)車原始特性的誤差。

［1］黎英豪，等，JZD－1型機(jī)車動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2006，（8）：42－46.

［2］黎英豪，等，JZD－2型機(jī)車整車試驗(yàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置［J］.鐵道機(jī)車車輛，2008，（1）：61－64.

［3］TB／T 3184－2007.機(jī)車整車試驗(yàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置技術(shù)條件［S］.

［4］TB／T 1407－1998.列車牽引計(jì)算規(guī)程［S］.

［5］黃問(wèn)盈.鐵道輪軌黏著系數(shù)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2010，（5）：17－33.

［6］И.Φ.СΕΜИЧАСТНОВ，ГИДРАВΛИЧΕСΚ ИΕΠΕΡΕДΑЧИ ТΕΠΛОВОЗОВ.Μосκва1961.