HXD3型機車黏著能力不足的問題及對策

韓長虎，劉明杰，韓 飛

（濟南鐵路局 濟南西機務(wù)段，山東濟南250117）

隨著以HXD3為代表的新型大功率交流傳動（交—直—交）貨運電力機車的廣泛運用，提高了我國鐵路牽引動力裝備技術(shù)水平。但由于對交流傳動電力機車的黏著性能缺乏研究，導(dǎo)致在實際運用中，尤其是天氣不良時HXD3機車牽引的重貨列車坡停問題突出，是一個現(xiàn)場亟待研究解決的問題。以HXD3型機車為例對交流傳動電力機車的黏著性能，尤其是天氣不良時的黏著性能進(jìn)行探討，以便制定有針對性的措施。

1 HXD3與SS4型電力機車發(fā)生運緩坡停統(tǒng)計對比

以2008年濟南西機務(wù)段貨物列車發(fā)生坡停為例，全年共發(fā)生坡停39次。其中HXD3型31次，SS4型4次，其他機型4次。坡停發(fā)生救援28次，平均每列占用區(qū)間時間達(dá)64.2min。全年HXD3機車的運用臺數(shù)同SS4機車相當(dāng)，兩種機型牽引定數(shù)都是5 500t。

2 機車牽引特性分析

（1）按能量轉(zhuǎn)換過程的限制關(guān)系，對機車牽引力的分類

電力機車分牽引電動機牽引力（受牽引電動機功率限制）和黏著牽引力兩類。實際條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)的機車牽引力是這兩類牽引力中的最小者。

（2）計算黏著系數(shù)

計算黏著系數(shù)包含了機車軸重和牽引力的分配不均、運行中軸重增減載、牽引力的波動、輪軌間的滑動等不利因素，并且主要與輪軌表面清潔狀況和運行速度有關(guān)。

《牽規(guī)》規(guī)定的計算黏著系數(shù)公式

［1］推薦的交流傳動電力機車的黏著系數(shù)公式為：

式中v為運行速度，km／h。

表1 幾種機車不同運行速度下的計算黏著系數(shù)

從表1中可見，隨著運行速度的提高，各種機型的計算黏著系數(shù)都有所下降，直流傳動機車隨著運行速度提高黏著系數(shù)降幅較大，交流傳動機車降幅較小。交流傳動比直流傳動機車的黏著系數(shù)要大些，在40km／h以下國產(chǎn)電力機車比交流傳動電力機車黏著系數(shù)平均低12.1%。不同類型機車的區(qū)別，主要是因它們的走行部結(jié)構(gòu)不同。

（3）黏著牽引力計算式及HXD3與SS4機車對比分析

輪周上的切向力大于輪軌間的黏著力時動輪就要發(fā)生空轉(zhuǎn)。在不發(fā)生空轉(zhuǎn)的前提條件下，所能實現(xiàn)的最大輪周牽引力稱為黏著牽引力。其計算公式為：

式中Fμ為計算黏著牽引力，kN；Pμ為機車計算黏著質(zhì)量，t；μj為計算黏著系數(shù)；g為重力加速度，g≈9.81m／s2。

以SS4和HXD3型電力機車進(jìn)行比較，假如兩者在相同天氣條件、運行速度的情況下計算黏著系數(shù)完全相同時，它們之間黏著牽引力之比等于計算黏著質(zhì)量之比，即184／150≈1.23／1。如果考慮 HXD3型機車計算黏著系數(shù)在40km／h以下時比SS4型機車高12.1%，即便如此，在相同條件下，SS4型機車的黏著牽引力也將比HXD3型機車大10.9%。

問題的實質(zhì)是SS4型為8軸機車，總功率6 400 kW，牽引電機功率800kW，軸重23t，牽引電機功率與軸重比為34.8kW／t，即每噸軸重分擔(dān)34.8kW的電機功率；而HXD3型為6軸機車，少了兩根動軸，總功率卻是7 200kW，牽引電機功率1 200kW，其軸重有23t和25t兩種，即使按25t計算，牽引電機功率軸重比高達(dá)48kW／t，即每噸軸重要承受48kW的電機功率，后者是前者的1.38倍。牽引電機功率軸重比是衡量機車黏著能力富裕度的重要指標(biāo)，其值越大，黏著能力越不富裕。如果考慮后者的黏著系數(shù)比前者大12%左右，后者的黏著能力負(fù)擔(dān)的電機功率仍比前者大26%左右，因此在相同條件下，牽引重貨物列車，尤其是在較大上坡道上滿功率較低速度運行時，后者比前者容易發(fā)生空轉(zhuǎn)甚至坡停就顯而易見了。

因此，對貨運機車來講，在不提高軸重和增加軸數(shù)，即不增加黏著質(zhì)量的情況下，大幅度提高機車功率，會使機車黏著能力嚴(yán)重不足。這種機車比較適合于平原地帶高速運行，而不太適合在大坡道區(qū)段多拉低速運行，因為在低速條件下牽引力受黏著能力限制，再大的電機功率也不能充分發(fā)揮。如果將HXD3的機車功率提高到9 600kW，問題可能更為突出。

因HXD3和SS4機車在濟南鐵路局的牽引定數(shù)相同，黏著質(zhì)量比SS4機車低是HXD3機車坡停高發(fā)的一個重要原因。

（4）HXD3與SS4機車最大（外包）牽引力對比分析

最高或滿負(fù)荷級位的牽引力曲線和黏著限制線的交點速度稱為＂臨界速度＂（不是持續(xù)速度）。

正常情況，在臨界速度以下時機車最大牽引力受黏著牽引力限制；在臨界速度以上作為電力機車最大牽引力主要受牽引電動機功率限制。

因缺乏HXD3型機車黏著系數(shù)資料，表2中HXD3機車的黏著限制牽引力是參照交流傳動電力機車的黏著系數(shù)公式進(jìn)行計算的。

表2 正常情況下HXD3（150t）與SS4機車最大（外包）牽引力（kN）對比

3 天氣不良時機車黏著牽引力（黏著系數(shù)）下降幅度問題

表1為正常天氣情況下計算的黏著系數(shù)，當(dāng)遇雨雪霜露天氣或鋼軌有油污時，黏著系數(shù)將大幅下降。但是下雨時，機車最大牽引力究竟下降多少；此時撒沙良好和不撒沙又存在多大差別。這些問題是現(xiàn)場亟待研究解決的問題。

為了研究這一問題，2011年1月濟南鐵路局在膠濟線進(jìn)行了HXD3機車模擬下雨條件下的重貨列車黏著性能試驗。

3.1 對試驗數(shù)據(jù)的修正

試驗時，對HXD3機車TCMS屏進(jìn)行錄像，并對機車所發(fā)揮的實際最大牽引力進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計。結(jié)合機車黏著特性原理，對各速度間隔試驗的匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，見表3。

另外試驗數(shù)據(jù)表明，下雨等使黏著條件惡化時，機車實際黏著系數(shù)可能也會受到坡度的影響，即隨著上坡道坡度值的增大，黏著系數(shù)可能會有所降低。

表3 下雨時HXD3機車在4.0‰上坡道運行最大牽引力 kN

3.2 下雨時機車黏著系數(shù)降幅分析

（1）HXD3機車下雨時黏著牽引力降幅分析

結(jié)合表3中所列數(shù)據(jù)，在0～40km／h范圍，對下雨時HXD3機車在平均4.0‰上坡道運行時黏著牽引力降幅進(jìn)行估算如下：

①最大牽引力比牽引特性曲線外包牽引力（見表2）的平均降幅：撒沙時約37.0%，不撒沙時約65.0%。

②最大牽引力比計算黏著限制牽引力（見表2）的平均降幅：撒沙時約33.0%；不撒沙時約63.0%。

③不撒沙比撒沙時最大牽引力平均降幅約45.0%；

（2）持續(xù)下雨時其他機型黏著系數(shù)下降幅度問題估算

HXD3機車的黏著性能試驗，為分析其他機型的黏著性能提供了方便條件。

因HXD3機車功率強大，大部分機型下雨撒砂時發(fā)揮的最大牽引力比本機型牽引特性曲線外包牽引力平均降幅要小于HXD3機車。

又因HXD3機車的計算黏著系數(shù)公式取用的是交流傳動電力機車，運行速度在40km／h以下時交流傳動電力機車的計算黏著系數(shù)比國產(chǎn)各型機車約高12.1%。所以國產(chǎn)各型機車撒沙和不撒沙時最大牽引力比計算黏著限制牽引力平均降幅要小于HXD3機車10%以上。

HXD3不撒沙比撒沙時最大牽引力平均降幅應(yīng)基本適用于各型機車。

因此對于各型機車，持續(xù)下雨時的牽引力降幅參考數(shù)據(jù)為：

①即使撒沙作用良好，機車黏著系數(shù)將下降17%以上，這就意味著黏著限制牽引力也將下降17%以上；

②沙管完全堵塞時，黏著系數(shù)將下降47%以上。撒沙系統(tǒng)作用不良時黏著系數(shù)會有不同程度的下降。

一般情況，下小雨比下大雨黏著系數(shù)下降幅度大，更容易空轉(zhuǎn)。這主要是因為下大雨輪軌清潔程度高。下小雨，線路長時間無列車通過，易造成鋼軌生銹，浮銹將使黏著系數(shù)大幅下降。

4 HXD3型機車黏著性能的優(yōu)缺點

4.1 HXD3型機車優(yōu)點

（1）HXD3型機車牽引力有軸重轉(zhuǎn)移補償控制功能

即運行速度在20km／h以下時，6臺牽引電動機所產(chǎn)生的牽引力從前進(jìn)方向的第一軸開始，牽引力呈梯形分布，第一軸牽引力最小，越往后越大，這種控制方式能充分利用機車的黏著質(zhì)量，有效解決起動和低速時因軸重轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)問題。

（2）HXD3型機車功率有單軸控制功能

運行中機車某軸發(fā)生空轉(zhuǎn)時，對于機車的功率調(diào)節(jié)不是整體進(jìn)行降功，而是單軸進(jìn)行控制，從而能充分發(fā)揮最大功率，解決了空轉(zhuǎn)時的功率有效利用問題。

（3）恒功準(zhǔn)恒速牽引特性有效避免了因空轉(zhuǎn)造成的LKJ自停問題

機車空轉(zhuǎn)未得到抑制達(dá)到一定時間（濟南鐵路局目前對LKJ這一參數(shù)設(shè)置為30s），就會造成速度突升引發(fā)自停。而HXD3型機車手柄級位適當(dāng)，就可有效避免這種情況發(fā)生。例如，重貨列車在困難車站開車，道岔側(cè)向限速45km／h，LKJ限速為48km／h，列車起動后司機只要將手柄放置不超4.8級的位置，就不會引發(fā)自停放風(fēng)。因為即使放置4.8級，某軸空轉(zhuǎn)時，速度接近約43km／h，恒功準(zhǔn)恒速牽引特性會使該軸牽引力迅速下降，速度達(dá)到48km／h牽引力下降到0，沒有了牽引力，速度就不會突升。

4.2 HXD3型機車缺點

主要是在撒沙系統(tǒng)方面。HXD3機車的撒沙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對沙質(zhì)量要求很高。實際運用時下沙量少、沙管易堵塞、疏通難度大。

天氣不良等情況下，需要通過撒沙來改善黏著條件。HXD3機車撒沙系統(tǒng)的這一缺陷，使得上述優(yōu)點大打折扣。

HXD3機車天氣不良坡停高發(fā)的第二個重要原因就是撒沙系統(tǒng)不暢通的問題（第一個是黏著質(zhì)量比SS4機車低）。

因此，對HXD3機車的撒沙系統(tǒng)存在的問題必須認(rèn)真解決。

5 減少HXD3機車運緩、坡停方面的幾點做法

（1）下雨時對于HXD3機車，通常能發(fā)揮最大牽引力的級位并不是最大負(fù)荷級位，當(dāng)然負(fù)荷級位也不能太低，負(fù)荷級位適度并保持適當(dāng)?shù)目辙D(zhuǎn)才能發(fā)揮比較大的牽引力。

（2）對于多數(shù)機型，空轉(zhuǎn)不及時消除，達(dá)到一定時間會引起速度突升而引發(fā)自停。而HXD3機車恒功準(zhǔn)恒速特性一般不會引起自停。由于HXD3機車功率為單軸控制，可充分利用它的牽引特性曲線，提前儲備列車動能，以便于順利過困難分相或爬坡。

（3）HXD3機車發(fā)生嚴(yán)重空轉(zhuǎn)時，微機系統(tǒng)存在空轉(zhuǎn)記憶功能，將大幅限制功率輸出。出現(xiàn)此種情況，應(yīng)及時回手柄至零位，解除記憶功能，解除后重新加速。

（4）總結(jié)推廣了HXD3機車點式、線式撒沙和使用“沙管加熱直流”開關(guān)的方法；總結(jié)推廣了困難地段的定速操縱方法。

（5）制定了各區(qū)段防止坡停操縱提示卡。根據(jù)《關(guān)于加強列車運行中信息報告工作的通知》（運裝機運［2010］202號）的有關(guān)要求，并結(jié)合困難地段的特點，形成具體的“向車站、向調(diào)度及時匯報的請求措施”，要求機車司機嚴(yán)格執(zhí)行。

（6）對HXD3機車撒沙系統(tǒng)的檢查、整備等工作提出了嚴(yán)格要求，并狠抓落實。自2010年7月開始濟南西機務(wù)段將HXD3機車的沙室罩改為鑄鐵的，提高了強度和剛度，大幅減少了樹脂材料制作的沙室罩出現(xiàn)的故障，并且進(jìn)沙截面有所增加，減少了沙路堵塞。針對HXD3機車對沙質(zhì)要求高的特點，自2010年8月采用了HXD3機車專用沙。通過這些措施，使HXD3機車撒沙系統(tǒng)不暢的狀況得到改善。

6 存在問題及措施建議

通過以上分析認(rèn)識到，受黏著牽引力不足發(fā)生的坡停，均為上坡道、均為重車，并且大多伴隨雨雪霜露天氣、鋼軌油污等情況。杜絕或大幅減少坡停是一項系統(tǒng)工程，必須綜合治理。

①制定貨物列車牽引定數(shù)在有較大上坡道的區(qū)段應(yīng)首先考慮黏著牽引力大小，尤其是天氣不良時，不應(yīng)只考慮機車功率。對于非正常情況列車減噸，雖然《技規(guī)》、《行規(guī)》都有要求，但由于運輸壓力，鐵路局調(diào)度一般都不予執(zhí)行。對于途中下雨或其他特殊情況應(yīng)減噸而沒有減噸的重貨列車，建議鐵路局調(diào)度應(yīng)重點掌握，盡量組織上述列車在關(guān)鍵站高速通過或采取相應(yīng)措施。

②結(jié)合不良天氣機車黏著牽引力大幅下降的實際情況，建議重新確定列車運行圖技術(shù)資料中限制停車站和禁止機外停車站，并分天氣良好和天氣不良兩種情況分別制定停車時的最大牽引噸數(shù)，并嚴(yán)格執(zhí)行。

③建議從鐵路局層面采取措施，大力減少由于工務(wù)施工和曲線涂覆裝置造成鋼軌油污而發(fā)生的坡停。

④重貨列車在關(guān)鍵站（機外下坡出站上坡）需短時間停車時，建議安排機外停車，再開車時就能消滅坡停，上級需要制定這方面的規(guī)定。如京滬5線崮山站。

⑤困難區(qū)間等信號容易產(chǎn)生坡停，并且停車后起動困難，尤其是天氣不良時。因此從調(diào)度指揮上對困難區(qū)間重貨列車跟蹤間隔應(yīng)做出規(guī)定并加強車機聯(lián)控。

⑥建議京滬五線由崮山延長至張夏，取消關(guān)鍵站崮山站。有條件時對關(guān)鍵車站的側(cè)向道岔進(jìn)行改造，適當(dāng)提高其限速。有條件時對分相區(qū)設(shè)置不合理的地點適當(dāng)進(jìn)行更改施工。

⑦SS4機車的黏著牽引力大，應(yīng)盡量安排在困難區(qū)段使用，能發(fā)揮它黏著牽引力大的優(yōu)勢；HXD3機車電動機功率限制牽引力大，適合在較為平坦的區(qū)段運用，能充分發(fā)揮它功率強大的長處。建議上級在配屬機車時應(yīng)考慮這些因素。

⑧天氣不良時黏著系數(shù)主要依靠撒沙來改善，HXD3機車的撒沙系統(tǒng)存在較多問題，如下沙少、易堵塞。對于HXD3機車撒沙不暢的問題，建議組織攻關(guān)并進(jìn)行必要的技術(shù)改造。

⑨現(xiàn)在國內(nèi)尚缺乏交流傳動機車的黏著系數(shù)公式，HXD3機車也沒有黏著系數(shù)參數(shù)資料，給有關(guān)分析帶來不便，建議有關(guān)部門或生產(chǎn)廠家解決。另外，引進(jìn)或設(shè)計新型貨運機車，機車功率不能盲目求大，否則會使機車黏著能力嚴(yán)重不足。單軸功率過大的機車適合在平坦線路上運用或者適合牽引定數(shù)較小速度較高的貨運列車。

⑩天氣不良黏著系數(shù)將大幅下降，現(xiàn)場缺乏這方面的理論指導(dǎo)，建議有關(guān)部門進(jìn)行這方面研究，不應(yīng)當(dāng)只進(jìn)行正常天氣下的黏著性能試驗。

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