HXD2機(jī)車重載牽引坡啟黏著優(yōu)化研究

傅雪軍

(中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心 ,山西 大同 037038)

HXD2型機(jī)車作為重載貨運(yùn)機(jī)車的典型代表，整車功率為9 600 kW，此機(jī)車已成為我國(guó)貨運(yùn)的主力車型之一.目前機(jī)車主要在安康、蘭州等機(jī)務(wù)段擔(dān)當(dāng)貨運(yùn)牽引任務(wù)，運(yùn)行區(qū)段存在長(zhǎng)大坡道、氣候多變等特點(diǎn).目前HXD2型機(jī)車牽引力普遍超過(guò)4 500 t，在12‰以上坡道運(yùn)行時(shí)至少需要700 kN牽引力，而機(jī)車最大啟動(dòng)牽引力為760 kN，此時(shí)機(jī)車牽引力的余量很小，受惡劣天氣或者司機(jī)操縱方式等影響，極有可能造成黏著系數(shù)的降低，從而導(dǎo)致坡啟失敗，此時(shí)減少牽引力是抑制空轉(zhuǎn)的唯一手段，這樣又造成機(jī)車不能克服阻力啟車或者提速，還有可能造成機(jī)車后溜.針對(duì)該機(jī)車的這種問(wèn)題，本文從現(xiàn)象、空轉(zhuǎn)檢測(cè)和保護(hù)方法等方向進(jìn)行分析，提高機(jī)車的黏著利用率，保證最大牽引力的發(fā)揮，成功實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大坡道啟動(dòng).

1 問(wèn)題概述

圖1為典型的坡道啟動(dòng)失敗的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，HXD2型機(jī)車牽引4 378 t貨車在夏官營(yíng)—新窯坡K66+500 m處停車，進(jìn)行坡道(坡度12.1‰)啟動(dòng).機(jī)車司機(jī)首先緩解小閘，然后推動(dòng)手柄，將給定牽引力設(shè)定為650 kN，試驗(yàn)車開(kāi)始有微小的動(dòng)車現(xiàn)象.待牽引力發(fā)揮穩(wěn)定之后緩解大閘，當(dāng)列車管壓力從353 kPa升到456 kPa時(shí)，機(jī)車有明顯的動(dòng)車趨勢(shì)，但同時(shí)產(chǎn)生輕微的空轉(zhuǎn)，此時(shí)通過(guò)黏著控制算法調(diào)整，對(duì)空轉(zhuǎn)進(jìn)行了抑制.

圖1 坡道啟動(dòng)數(shù)據(jù)

隨著列車的逐漸緩解，當(dāng)列車管壓力升到465 kPa時(shí)，試驗(yàn)機(jī)車受到較為明顯的向后拖拉沖擊，此時(shí)可以看出4個(gè)軸的電機(jī)轉(zhuǎn)速和車速都因沖擊產(chǎn)生了較大的同步?jīng)_擊變化，產(chǎn)生較大加速度.現(xiàn)有黏著控制算法，將此同步?jīng)_擊誤判為空轉(zhuǎn)，并進(jìn)行牽引力卸載，然后開(kāi)始緩慢恢復(fù)，在牽引力恢復(fù)過(guò)程中整個(gè)試驗(yàn)列車由于牽引力發(fā)揮不足，開(kāi)始向后溜車，列車溜車后施加大閘非常規(guī)減壓停車，最終導(dǎo)致坡啟失敗.

2 坡啟失敗原因

牽引電機(jī)發(fā)揮的動(dòng)力通過(guò)黏著現(xiàn)象作用在機(jī)車上，形成有效的牽引力.從圖2可知，在12‰的坡道滿載情況下，盡管牽引力的余量很小，但如果黏著算法能及時(shí)調(diào)整啟動(dòng)時(shí)帶來(lái)的空轉(zhuǎn)問(wèn)題，HXD2機(jī)車牽引4 500 t在12‰的坡道是能夠?qū)崿F(xiàn)啟車的[1-4].

圖2 12‰坡道HXD2牽引4 500 t全速度范圍阻力

黏著控制采用組合黏著控制法，邏輯框圖見(jiàn)圖3.首先根據(jù)各個(gè)軸采集的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波處理，基于輪對(duì)蠕滑速度、加速度及加速度微分等多方法組合對(duì)空轉(zhuǎn)/滑行趨勢(shì)進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)相應(yīng)的變量超過(guò)其預(yù)先設(shè)定的閾值后，判斷為空轉(zhuǎn)/滑行，之后根據(jù)檢測(cè)的速度差、加速度等數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)當(dāng)前工況的最大黏著力，最終按空轉(zhuǎn)滑行程度采用動(dòng)態(tài)兩段式轉(zhuǎn)矩調(diào)整邏輯恢復(fù)轉(zhuǎn)矩.

圖3 黏著算法的邏輯框圖

由于電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集以本軸、兩軸、鄰架兩軸這三軸速度的最小速度為基準(zhǔn)，所以同時(shí)出現(xiàn)多軸空轉(zhuǎn)的情況，會(huì)導(dǎo)致黏著算法基準(zhǔn)軸速度判斷不準(zhǔn).空轉(zhuǎn)誤判，是出現(xiàn)坡啟失敗的原因，因此需對(duì)空轉(zhuǎn)保護(hù)算法進(jìn)行優(yōu)化避免出現(xiàn)坡道啟動(dòng)失敗.

3 算法優(yōu)化

3.1 增加同步?jīng)_動(dòng)識(shí)別策略

優(yōu)化TCU軟件，識(shí)別機(jī)車同步?jīng)_動(dòng)，坡道啟動(dòng)機(jī)車產(chǎn)生同步?jīng)_動(dòng)時(shí)降低牽引力卸載程度.

同步?jīng)_動(dòng)加速度識(shí)別方案見(jiàn)圖4.當(dāng)速度小于4 km/h時(shí)，本軸加速度在0.6～1 m/s2，采用圖4的同步?jīng)_動(dòng)識(shí)別策略；當(dāng)速度小于4 km/h，加速度大于1 m/s2時(shí)，采用正常的黏著控制策略；當(dāng)速度大于等于4 km/h時(shí)，也采用正常的黏著控制策略.通過(guò)采集4個(gè)軸的轉(zhuǎn)速，對(duì)4個(gè)軸的加速度進(jìn)行計(jì)算得到機(jī)車加速度.當(dāng)本軸加速度超出空轉(zhuǎn)判定閾值時(shí)，將與機(jī)車加速度一起進(jìn)行進(jìn)一步判定，此時(shí)判斷其二者的差值是否超出設(shè)定閾值，如超出則進(jìn)行空轉(zhuǎn)判定，進(jìn)行黏著控制空轉(zhuǎn)卸力；否則，認(rèn)為是同步?jīng)_動(dòng)，黏著控制程序不再動(dòng)作.

圖4 同步?jīng)_動(dòng)加速度識(shí)別方案

3.2 轉(zhuǎn)矩調(diào)整策略優(yōu)化

(1)降低空轉(zhuǎn)后牽引力下降斜率，降低相同空轉(zhuǎn)時(shí)間的牽引力下降程度.

黏著控制算法示意圖，見(jiàn)圖5.圖中虛線和實(shí)線分別為優(yōu)化前、后空轉(zhuǎn)后的轉(zhuǎn)矩調(diào)整曲線，從圖中可知空轉(zhuǎn)后的轉(zhuǎn)矩下降斜率降低至優(yōu)化前的0.5倍.此策略已于大同公司試驗(yàn)線路上進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證，其下降斜率與設(shè)計(jì)相一致，有效降低了空轉(zhuǎn)后牽引力的下降速度和程度[5].

(2)縮短空轉(zhuǎn)結(jié)束后等待時(shí)間，加快空轉(zhuǎn)結(jié)束后牽引力的恢復(fù)斜率，以保證空轉(zhuǎn)結(jié)束后牽引力能夠快速恢復(fù).

將階段2設(shè)定為0.2 s，減少了空轉(zhuǎn)結(jié)束后的牽引力恢復(fù)的等待時(shí)間，有助于牽引力的快速恢復(fù).同時(shí)加大階段3的恢復(fù)斜率，使得轉(zhuǎn)矩恢復(fù)速度加快(將階段3的恢復(fù)斜率提高1.5倍)，此斜率與設(shè)計(jì)一致，有效提高了空轉(zhuǎn)后牽引力的恢復(fù)速度.

圖5 黏著控制算法示意圖

3.3 低速區(qū)加速度閾值優(yōu)化

適當(dāng)提高低速區(qū)加速度閾值，降低2 km/h以下的空轉(zhuǎn)判定靈敏度.目前裝車軟件加速度閾值為0.6 m/s2，逐漸提高至0.75 m/s2，降低低速區(qū)空轉(zhuǎn)時(shí)的牽引力卸載程度，提高低速區(qū)空轉(zhuǎn)時(shí)牽引力的發(fā)揮.

4 半實(shí)物仿真驗(yàn)證

4.1 半實(shí)物仿真平臺(tái)

半實(shí)物仿真(圖6)采用恒潤(rùn)HiGale系統(tǒng)平臺(tái)，整個(gè)半實(shí)物仿真平臺(tái)模型包括弓網(wǎng)模型、四象限模型、逆變器模型、電機(jī)模型、動(dòng)力學(xué)模型，模型通過(guò)Matlab軟件建立，然后通過(guò)HiGale系統(tǒng)進(jìn)行模型編譯下載到半實(shí)物仿真平臺(tái)上.采用真實(shí)的機(jī)車TCU控制器，被控對(duì)象比如電機(jī)運(yùn)行環(huán)境部分采用實(shí)時(shí)數(shù)字模型在HiGale仿真機(jī)來(lái)模擬，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的仿真測(cè)試.

圖6 半實(shí)物仿真

4.2 半實(shí)物仿真結(jié)果

機(jī)車動(dòng)力學(xué)方程：

(1)

(2)

式中：M為機(jī)車質(zhì)量；Fad為機(jī)車牽引力；Fd(vt)為機(jī)車運(yùn)行中基本阻力，與機(jī)車速度vt成正比；a、b、c是與機(jī)械阻力相關(guān)的阻力系數(shù)；i為坡道阻力.

為了驗(yàn)證機(jī)車TCU軟件的正確性，改變機(jī)車車體動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)，黏著系數(shù)μ從干燥軌面到潮濕軌面,再恢復(fù)到干燥軌面[6-9].

優(yōu)化內(nèi)容：減小超出加速度閾值較小時(shí)的牽引力下降量；優(yōu)化低速下黏著控制算法第二階段等待時(shí)間，最長(zhǎng)為0.3 s；嚴(yán)重空轉(zhuǎn)時(shí)，增加第三階段空轉(zhuǎn)恢復(fù)速度；識(shí)別機(jī)車同步?jīng)_動(dòng)，當(dāng)機(jī)車坡道起動(dòng)產(chǎn)生同步?jīng)_動(dòng)時(shí)，降低牽引力卸載程度；適當(dāng)提高低速區(qū)加速度閾值.

圖7為以現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的仿真模型波形圖，圖8為黏著算法中加入了優(yōu)化后的仿真模型波形圖.圖8中空轉(zhuǎn)牽引力下降及恢復(fù)時(shí)間明顯好于圖7，可以看出機(jī)車牽引力得到迅速恢復(fù)，從而提高機(jī)車黏著利用率.

圖7 線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真模型波形圖

圖8 優(yōu)化后的仿真模型波形圖

5 坡起試驗(yàn)

本文用優(yōu)化后的軟件對(duì)蘭渝線進(jìn)行了坡起試驗(yàn)，試驗(yàn)使用的HXD2型機(jī)車牽引質(zhì)量為4 400 t，坡啟試驗(yàn)波形圖見(jiàn)圖9.從起動(dòng)工況可以看出，速度上升平緩，牽引力基本沒(méi)有大卸載，速度上的毛刺明顯減少，說(shuō)明軟件優(yōu)化后，保護(hù)超前，避免了空轉(zhuǎn)發(fā)生.從11 600 s到12 100 s，速度上升較快，提速搶道能力明顯提升，因此可以認(rèn)為軟件優(yōu)化的方向是正確的.

圖9 坡啟試驗(yàn)波形圖

6 結(jié)論

在重載和高速貨運(yùn)機(jī)車運(yùn)用過(guò)程中，其黏著利用控制軟件的水平直接決定機(jī)車的牽引性能.本次軟件優(yōu)化針對(duì)坡啟，從多方面提高機(jī)車啟動(dòng)黏著利用率，預(yù)防坡停事故發(fā)生.從理論和半實(shí)物仿真上得到了驗(yàn)證，并在正線上實(shí)施,驗(yàn)證方案的可行性，取得了良好的效果.