淺談重載列車(chē)輪軌黏著力操控研究

文/王敬

隨著重載貨運(yùn)鐵路的快速發(fā)展，使得重載鐵路輪軌間的黏著問(wèn)題研究有了更高的要求，尤其是速度的不斷提高，讓輪軌黏著問(wèn)題變得更加復(fù)雜。為減少重載列車(chē)在運(yùn)行中空轉(zhuǎn)、滑行的發(fā)生，本文通過(guò)對(duì)不同狀態(tài)的輪軌間黏著力狀態(tài)進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操縱，闡述在重載列車(chē)在不同條件下的操控方法，從而預(yù)防列車(chē)發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行，確保列車(chē)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1.概述

隨著貨物列車(chē)重載化的發(fā)展，鐵路重載運(yùn)輸貨物列車(chē)成為我國(guó)鐵路高速發(fā)展的引擎，所謂重載鐵路是指（1）軸重達(dá)到27噸及以上；（2）牽引重量不低于8000噸；（3）在線(xiàn)路長(zhǎng)度不少于150公里的區(qū)段上，年運(yùn)量不少于4000萬(wàn)噸，以上三個(gè)條件需要滿(mǎn)足其中兩項(xiàng)方可稱(chēng)為重載鐵路，我國(guó)目前重載列車(chē)最大軸重為25t，而國(guó)外重載列車(chē)的軸重普遍達(dá)到30t以上，因此《中國(guó)制造2025》技術(shù)路線(xiàn)圖將研制30t軸重的重載電力機(jī)車(chē)列為6個(gè)重點(diǎn)的其中之一，并將研制適用30t軸重重載需求的機(jī)車(chē)牽引控制系統(tǒng)列為重點(diǎn)突破的核心技術(shù)[1]。重載機(jī)車(chē)輸出有效牽引力的大小是由輪軌間的黏著力大小來(lái)決定，而黏著力大小與天氣狀態(tài)、輪軌間的接觸情況、列車(chē)運(yùn)行速度等都有較大的關(guān)系。因此，本文根據(jù)重載列車(chē)運(yùn)行在不同運(yùn)行條件下粘著情況，對(duì)乘務(wù)員操控方法進(jìn)行探究，保證列車(chē)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2.問(wèn)題分析

重載列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)車(chē)動(dòng)輪和鋼軌之間的黏著力是驅(qū)動(dòng)機(jī)車(chē)運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)源，輪軌間產(chǎn)生的最大黏著力受天氣、鋼軌等條件限制，列車(chē)輪軌間實(shí)際的黏著力取決于黏著利用率，良好的利用率直接關(guān)乎機(jī)車(chē)的動(dòng)力的發(fā)揮，對(duì)整列車(chē)的起動(dòng)、調(diào)速、停車(chē)以及運(yùn)行的平穩(wěn)有積極的改善作用。當(dāng)列車(chē)在不同工況下運(yùn)行時(shí)，粘著被破壞，可能出現(xiàn)空轉(zhuǎn)、滑行，導(dǎo)致擦傷動(dòng)輪、鋼軌、輪轂弛緩等事件，威脅著列車(chē)上運(yùn)行安全。

2.1 牽引狀態(tài)。機(jī)車(chē)牽引力是由機(jī)車(chē)動(dòng)力裝置產(chǎn)生，并在各動(dòng)輪的輪周上形成切線(xiàn)力，依靠輪軌間粘著作用使機(jī)車(chē)發(fā)生平移運(yùn)動(dòng)的反作用力。當(dāng)黏著被破壞時(shí)，輪軌間能夠利用的最大黏著力瞬間小于輪對(duì)產(chǎn)生的輪周牽引力，作用在機(jī)車(chē)動(dòng)輪上的反作用力隨之消失，導(dǎo)致車(chē)輪在原地做高速轉(zhuǎn)動(dòng)。這就導(dǎo)致空轉(zhuǎn)，空轉(zhuǎn)現(xiàn)象將造成車(chē)輪與鋼軌產(chǎn)生劇烈摩擦，形成車(chē)輪踏面和鋼軌的非正常磨耗，這將使車(chē)輪發(fā)熱嚴(yán)重，對(duì)于采用過(guò)盈配合的車(chē)輪，出現(xiàn)輪心與輪轂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這將導(dǎo)致輪箍弛緩。同時(shí)空轉(zhuǎn)導(dǎo)致車(chē)輪停止做平行運(yùn)動(dòng)，使列車(chē)速度降低，容易造成坡停或者運(yùn)緩，甚至損壞電機(jī)。

2.2 制動(dòng)狀態(tài)。列車(chē)在制動(dòng)工況運(yùn)行時(shí)，當(dāng)制動(dòng)力大于輪軌間提供的最大黏著力時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)車(chē)輪抱死，車(chē)輪在鋼軌上出現(xiàn)滑行現(xiàn)象?；惺沽熊?chē)由原來(lái)的滾動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榛瑒?dòng)狀態(tài)，車(chē)輪在鋼軌上滑動(dòng)，極易造成車(chē)輪踏面擦傷，車(chē)輪擦傷后繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，將對(duì)軌面產(chǎn)生錘擊作用，速度越高，錘擊作用越大，不但增加了機(jī)車(chē)、車(chē)輛振動(dòng)，縮短機(jī)車(chē)部件使用壽命，而且會(huì)損傷鋼軌和線(xiàn)路[4]。輪軌間黏著狀態(tài)被破壞，使列車(chē)制動(dòng)力下降，延長(zhǎng)了制動(dòng)距離。同時(shí)，滑行會(huì)導(dǎo)致列車(chē)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的車(chē)位滯后，導(dǎo)致列車(chē)出現(xiàn)監(jiān)控超速、卸載、常用、緊急甚至有冒進(jìn)信號(hào)的安全隱患，尤其是在長(zhǎng)大下坡道運(yùn)行時(shí)，滑行容易引起較大的行車(chē)隱患，危及列車(chē)的運(yùn)行安全。

3.輪軌黏著力操控研究

目前我國(guó)重載鐵路采用的機(jī)車(chē)有重載交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)，如采用HXD1、HXD2等機(jī)車(chē)，功率達(dá)到9600KW，其中HXD2型機(jī)車(chē)采用2（B0-B0）軸列式，軸重25t，整車(chē)重量可達(dá)184t。滿(mǎn)足重載列車(chē)的牽引需要。也有采用重載直流機(jī)車(chē)SS系列，SS4B機(jī)車(chē)主電路采用三段半控橋整流、相控調(diào)壓，微機(jī)控制系統(tǒng)，具有恒流、準(zhǔn)恒速空轉(zhuǎn)滑行保護(hù)、功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)[3]。因此，無(wú)論采用交流還是直流牽引重載列車(chē)，在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，外部環(huán)境變化或者黏著的有效利用率降低，將出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或者滑行，如何避免出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或者滑行是司乘人員研究的重點(diǎn)課題。本文從現(xiàn)場(chǎng)出發(fā)，探究機(jī)車(chē)乘務(wù)人員駕駛重載列車(chē)對(duì)輪軌間黏著力的操控研究，從而減小列車(chē)的沖擊振動(dòng)與制動(dòng)距離，確保重載列車(chē)的運(yùn)行安全。

3.1 準(zhǔn)備工作。目前，機(jī)車(chē)乘務(wù)員改善輪軌間黏著力是普遍方式是向鋼軌表面進(jìn)行噴灑細(xì)沙，從而改善輪回間黏著條件。因此機(jī)車(chē)砂箱應(yīng)貯備足夠的砂子，滿(mǎn)足重載列車(chē)用砂需求。機(jī)車(chē)用砂為石英砂，粒度適宜，沒(méi)有粘土及塊狀雜物，經(jīng)烘烤干燥后具有良好流動(dòng)性，優(yōu)質(zhì)砂要求含石英90%以上，黏土成分不超過(guò)1%，原砂經(jīng)過(guò)篩后方可使用，砂子粒度最好在0.5～1mm左右，最細(xì)不小于0.2mm，最粗不大于2mm，潮濕的砂子應(yīng)烘烤或攤開(kāi)自然晾曬，直至干透后再用，以防堵塞砂管?chē)娮炜冢由皶r(shí)，將砂箱頂部砂箱蓋打開(kāi)加入砂子，裝砂后應(yīng)注意將砂箱蓋嚴(yán)，防止雨水漏入，使砂子受潮失去流動(dòng)性能[4]。因此，重載列車(chē)在發(fā)車(chē)前，應(yīng)確保機(jī)車(chē)砂質(zhì)砂量符合要求。

3.2 起車(chē)操作。重載列車(chē)在連掛時(shí)，可適當(dāng)壓縮車(chē)鉤，為起車(chē)作準(zhǔn)備，在列車(chē)連掛過(guò)程中，應(yīng)向鋼軌持續(xù)撒砂，注意撒砂量不要太大，以機(jī)車(chē)過(guò)后只留白色砂痕為好，確保輪軌間的黏著力不受外界氣候影響。起車(chē)時(shí)，司機(jī)緩慢增大電流，隨時(shí)注意電流表以及電機(jī)聲音都變化，發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即降低牽引電流，嚴(yán)禁再次撒砂，確保列車(chē)平穩(wěn)起動(dòng)，司機(jī)通過(guò)控制輪軌間輪軌黏著力確保列車(chē)能順利起動(dòng)。同時(shí)需要注意，撒砂有兩種，一種是自動(dòng)撒砂，當(dāng)機(jī)車(chē)檢測(cè)到輪軌發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，砂閥動(dòng)作，會(huì)自動(dòng)撒砂，另一種是手動(dòng)撒砂，是根據(jù)機(jī)車(chē)乘務(wù)員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去判斷是否應(yīng)該撒砂，那么在重載列車(chē)起車(chē)時(shí)，司機(jī)已經(jīng)手動(dòng)撒砂改善了粘著條件，此時(shí)若機(jī)車(chē)再次自動(dòng)撒砂無(wú)疑會(huì)增大重載列車(chē)的起動(dòng)阻力，導(dǎo)致起動(dòng)失敗，給第二次起車(chē)造成困難，因此在起車(chē)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉砂閥，阻止自動(dòng)撒砂。

3.3 上坡道操作。重載列車(chē)在上坡道運(yùn)行時(shí)，應(yīng)根據(jù)氣候條件、鋼軌狀況、機(jī)車(chē)性能以及特定地段分別采用不同的手段合理控制控制輪軌間輪軌黏著力，遇天氣不良，司機(jī)應(yīng)預(yù)防性撒砂，確保輪軌間正常的黏著力，防止出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時(shí)，嚴(yán)禁撒砂，應(yīng)立即降低牽引電流，恢復(fù)黏著系數(shù)。運(yùn)行在施工地段的列車(chē)應(yīng)特別注意，由于施工地段有工務(wù)人員進(jìn)行換軌、探傷等工作，導(dǎo)致鋼軌上有油污，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行到此地段時(shí)，特別容易出行空轉(zhuǎn)或者滑行，從而導(dǎo)致事故隱患，因此在此地段司機(jī)應(yīng)合理控制列車(chē)牽制力，配合撒砂裝置，確保列車(chē)順利通過(guò)此地段。

3.4 長(zhǎng)大下坡道操作。列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道運(yùn)行時(shí)，由于重載列車(chē)下坡道運(yùn)行操縱難度大，危險(xiǎn)系數(shù)高，司機(jī)操縱中還需要想到輪軌間的黏著特性受到多種因素影響，包括輪軌表面狀態(tài)、線(xiàn)路條件、機(jī)車(chē)振動(dòng)、蛇形運(yùn)動(dòng)、列車(chē)速度、司機(jī)操縱等[2]。運(yùn)行中，輪軌表面狀態(tài)受到氣候條件、施工等因素制約，當(dāng)司機(jī)運(yùn)行在此路段時(shí)，應(yīng)該以空氣制動(dòng)為主，電制動(dòng)為輔，投入空氣制動(dòng)后，降低電制動(dòng)力，延長(zhǎng)制動(dòng)距離，防止粘著力被破壞導(dǎo)致列車(chē)超速或者輪對(duì)擦傷等情況的發(fā)生；同時(shí)線(xiàn)路曲線(xiàn)、列車(chē)的蛇形運(yùn)動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致黏著系數(shù)降低，導(dǎo)致列車(chē)空轉(zhuǎn)滑行，因此在操縱過(guò)程中，還因及時(shí)撒砂，改善輪軌間的黏著特性，提高粘著利用率，改善列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，因此在長(zhǎng)大下坡的操作應(yīng)精細(xì)、全面、綜合考慮，防止破壞鋼軌或者輪對(duì)。

3.5 停車(chē)操作。重載列車(chē)進(jìn)站停車(chē)主要利用電制動(dòng)，而電制動(dòng)在操作過(guò)程中，極其容易破壞粘著，產(chǎn)生滑行，而滑行產(chǎn)生后會(huì)直接影響機(jī)車(chē)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)滯后，引發(fā)列車(chē)的緊急制動(dòng)，出現(xiàn)斷鉤的安全隱患。因此，停車(chē)過(guò)程中司機(jī)對(duì)黏著的操控特別重要。為避免調(diào)速過(guò)程中，制動(dòng)力過(guò)大破壞粘著，需要采用空電聯(lián)合制動(dòng)控速，司機(jī)在操作過(guò)程中，應(yīng)先投入電制動(dòng)，待壓縮車(chē)鉤后，后投入空氣制動(dòng)，降低車(chē)輛的撞擊，同時(shí)，投入電制動(dòng)時(shí)機(jī)應(yīng)盡量選擇在上坡地段，有利于列車(chē)的平穩(wěn)。進(jìn)站時(shí)需要根據(jù)天氣條件、鋼軌狀況合理地進(jìn)行撒砂，改善運(yùn)行條件，同時(shí)不能隨意增大或減小制動(dòng)力，確保列車(chē)平穩(wěn)降速，防止打破輪軌間的黏著系數(shù)。停車(chē)時(shí)，應(yīng)將列車(chē)速度控制在合適范圍，若停車(chē)速度控制過(guò)高，則有冒進(jìn)信號(hào)的危險(xiǎn)，速度太低，則會(huì)造成列車(chē)晚點(diǎn)，影響行車(chē)秩序。因此在進(jìn)站停車(chē)操作時(shí)應(yīng)考慮周到，既要防止滑行，也要為下次起車(chē)作準(zhǔn)備，因此制動(dòng)力應(yīng)控制在200KN左右，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，此制動(dòng)力既能壓縮車(chē)鉤，也可以較好地防止滑行，同時(shí)配合撒砂，能改變鋼軌黏著狀態(tài)，確保列車(chē)安全停穩(wěn)。通過(guò)對(duì)重載列車(chē)的粘著操控研究之后發(fā)現(xiàn)，機(jī)車(chē)乘務(wù)員對(duì)輪軌間黏著力的控制普遍使用的方法：1是通過(guò)撒砂來(lái)改善鋼軌面的粗糙度，從而改變輪軌間的黏著系數(shù)，確保能控制輪軌間粘著力；2是通過(guò)降低牽引或者制動(dòng)力，使作用在輪對(duì)上的輪周力和著力平衡，從而控制輪軌間粘著力?，F(xiàn)在和諧型大功率電力機(jī)車(chē)已經(jīng)逐步將傳統(tǒng)直流韶山系列機(jī)車(chē)替換，而和諧型大功率電力機(jī)車(chē)有模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制等特點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，和諧電力機(jī)車(chē)的牽引力設(shè)定之后，系統(tǒng)檢測(cè)到空轉(zhuǎn)后會(huì)通過(guò)TCU降低牽引力，但是空轉(zhuǎn)消除后TCU會(huì)立即恢復(fù)設(shè)定值，從而再次導(dǎo)致控制或滑行等邏輯缺陷。因此僅僅利用機(jī)車(chē)自身程序來(lái)控制黏著力，難以滿(mǎn)足重載列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全。

4.展望未來(lái)

重載列車(chē)是未來(lái)貨運(yùn)鐵路的發(fā)展主題，而列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)與安全受輪軌間黏著力的制約，而輪軌運(yùn)行條件的復(fù)雜性，使得目前是依賴(lài)機(jī)車(chē)乘務(wù)員根據(jù)影響輪軌黏著力的因素對(duì)列車(chē)進(jìn)行控制的主要手段，機(jī)車(chē)乘務(wù)員受心理素質(zhì)、專(zhuān)業(yè)技能、職業(yè)道德的制約，存在極多不可控制的因素，從而使重載列車(chē)在運(yùn)行中存在一定的安全隱患，在科技保障安全的今天，機(jī)車(chē)乘務(wù)員應(yīng)作為科技的一種備用手段，實(shí)現(xiàn)重載貨運(yùn)列車(chē)的安全、高效、快捷運(yùn)行。

5.結(jié)語(yǔ)

鐵路運(yùn)輸行業(yè)的高速發(fā)展對(duì)列車(chē)的智能運(yùn)維、故障辨識(shí)、安全與可靠有更高的要求，重載列車(chē)的安全高效運(yùn)行是建立在穩(wěn)定的粘著的基礎(chǔ)上，因此如何提高輪軌的黏著利用是急需解決的問(wèn)題。本文通過(guò)粘著操控研究出發(fā)，通過(guò)分析空轉(zhuǎn)滑行的危害，闡述粘著破壞的嚴(yán)重性，從列車(chē)的起動(dòng)、上坡道運(yùn)行、循環(huán)制動(dòng)以及停車(chē)等不同情況時(shí)司機(jī)粘著控制的技巧與方法，確保重載列車(chē)的運(yùn)行安全。