HXD3型机车黏着能力不足的问题及对策

韩长虎，刘明杰，韩 飞

（济南铁路局 济南西机务段，山东济南250117）

随着以HXD3为代表的新型大功率交流传动（交—直—交）货运电力机车的广泛运用，提高了我国铁路牵引动力装备技术水平。但由于对交流传动电力机车的黏着性能缺乏研究，导致在实际运用中，尤其是天气不良时HXD3机车牵引的重货列车坡停问题突出，是一个现场亟待研究解决的问题。以HXD3型机车为例对交流传动电力机车的黏着性能，尤其是天气不良时的黏着性能进行探讨，以便制定有针对性的措施。

1 HXD3与SS4型电力机车发生运缓坡停统计对比

以2008年济南西机务段货物列车发生坡停为例，全年共发生坡停39次。其中HXD3型31次，SS4型4次，其他机型4次。坡停发生救援28次，平均每列占用区间时间达64.2min。全年HXD3机车的运用台数同SS4机车相当，两种机型牵引定数都是5 500t。

2 机车牵引特性分析

（1）按能量转换过程的限制关系，对机车牵引力的分类

电力机车分牵引电动机牵引力（受牵引电动机功率限制）和黏着牵引力两类。实际条件下，能够实现的机车牵引力是这两类牵引力中的最小者。

（2）计算黏着系数

计算黏着系数包含了机车轴重和牵引力的分配不均、运行中轴重增减载、牵引力的波动、轮轨间的滑动等不利因素，并且主要与轮轨表面清洁状况和运行速度有关。

《牵规》规定的计算黏着系数公式

［1］推荐的交流传动电力机车的黏着系数公式为：

式中v为运行速度，km／h。

表1 几种机车不同运行速度下的计算黏着系数

从表1中可见，随着运行速度的提高，各种机型的计算黏着系数都有所下降，直流传动机车随着运行速度提高黏着系数降幅较大，交流传动机车降幅较小。交流传动比直流传动机车的黏着系数要大些，在40km／h以下国产电力机车比交流传动电力机车黏着系数平均低12.1%。不同类型机车的区别，主要是因它们的走行部结构不同。

（3）黏着牵引力计算式及HXD3与SS4机车对比分析

轮周上的切向力大于轮轨间的黏着力时动轮就要发生空转。在不发生空转的前提条件下，所能实现的最大轮周牵引力称为黏着牵引力。其计算公式为：

式中Fμ为计算黏着牵引力，kN；Pμ为机车计算黏着质量，t；μj为计算黏着系数；g为重力加速度，g≈9.81m／s2。

以SS4和HXD3型电力机车进行比较，假如两者在相同天气条件、运行速度的情况下计算黏着系数完全相同时，它们之间黏着牵引力之比等于计算黏着质量之比，即184／150≈1.23／1。如果考虑 HXD3型机车计算黏着系数在40km／h以下时比SS4型机车高12.1%，即便如此，在相同条件下，SS4型机车的黏着牵引力也将比HXD3型机车大10.9%。

问题的实质是SS4型为8轴机车，总功率6 400 kW，牵引电机功率800kW，轴重23t，牵引电机功率与轴重比为34.8kW／t，即每吨轴重分担34.8kW的电机功率；而HXD3型为6轴机车，少了两根动轴，总功率却是7 200kW，牵引电机功率1 200kW，其轴重有23t和25t两种，即使按25t计算，牵引电机功率轴重比高达48kW／t，即每吨轴重要承受48kW的电机功率，后者是前者的1.38倍。牵引电机功率轴重比是衡量机车黏着能力富裕度的重要指标，其值越大，黏着能力越不富裕。如果考虑后者的黏着系数比前者大12%左右，后者的黏着能力负担的电机功率仍比前者大26%左右，因此在相同条件下，牵引重货物列车，尤其是在较大上坡道上满功率较低速度运行时，后者比前者容易发生空转甚至坡停就显而易见了。

因此，对货运机车来讲，在不提高轴重和增加轴数，即不增加黏着质量的情况下，大幅度提高机车功率，会使机车黏着能力严重不足。这种机车比较适合于平原地带高速运行，而不太适合在大坡道区段多拉低速运行，因为在低速条件下牵引力受黏着能力限制，再大的电机功率也不能充分发挥。如果将HXD3的机车功率提高到9 600kW，问题可能更为突出。

因HXD3和SS4机车在济南铁路局的牵引定数相同，黏着质量比SS4机车低是HXD3机车坡停高发的一个重要原因。

（4）HXD3与SS4机车最大（外包）牵引力对比分析

最高或满负荷级位的牵引力曲线和黏着限制线的交点速度称为＂临界速度＂（不是持续速度）。

正常情况，在临界速度以下时机车最大牵引力受黏着牵引力限制；在临界速度以上作为电力机车最大牵引力主要受牵引电动机功率限制。

因缺乏HXD3型机车黏着系数资料，表2中HXD3机车的黏着限制牵引力是参照交流传动电力机车的黏着系数公式进行计算的。

表2 正常情况下HXD3（150t）与SS4机车最大（外包）牵引力（kN）对比

3 天气不良时机车黏着牵引力（黏着系数）下降幅度问题

表1为正常天气情况下计算的黏着系数，当遇雨雪霜露天气或钢轨有油污时，黏着系数将大幅下降。但是下雨时，机车最大牵引力究竟下降多少；此时撒沙良好和不撒沙又存在多大差别。这些问题是现场亟待研究解决的问题。

为了研究这一问题，2011年1月济南铁路局在胶济线进行了HXD3机车模拟下雨条件下的重货列车黏着性能试验。

3.1 对试验数据的修正

试验时，对HXD3机车TCMS屏进行录像，并对机车所发挥的实际最大牵引力进行了详细的统计。结合机车黏着特性原理，对各速度间隔试验的汇总数据进行修正，见表3。

另外试验数据表明，下雨等使黏着条件恶化时，机车实际黏着系数可能也会受到坡度的影响，即随着上坡道坡度值的增大，黏着系数可能会有所降低。

表3 下雨时HXD3机车在4.0‰上坡道运行最大牵引力 kN

3.2 下雨时机车黏着系数降幅分析

（1）HXD3机车下雨时黏着牵引力降幅分析

结合表3中所列数据，在0～40km／h范围，对下雨时HXD3机车在平均4.0‰上坡道运行时黏着牵引力降幅进行估算如下：

①最大牵引力比牵引特性曲线外包牵引力（见表2）的平均降幅：撒沙时约37.0%，不撒沙时约65.0%。

②最大牵引力比计算黏着限制牵引力（见表2）的平均降幅：撒沙时约33.0%；不撒沙时约63.0%。

③不撒沙比撒沙时最大牵引力平均降幅约45.0%；

（2）持续下雨时其他机型黏着系数下降幅度问题估算

HXD3机车的黏着性能试验，为分析其他机型的黏着性能提供了方便条件。

因HXD3机车功率强大，大部分机型下雨撒砂时发挥的最大牵引力比本机型牵引特性曲线外包牵引力平均降幅要小于HXD3机车。

又因HXD3机车的计算黏着系数公式取用的是交流传动电力机车，运行速度在40km／h以下时交流传动电力机车的计算黏着系数比国产各型机车约高12.1%。所以国产各型机车撒沙和不撒沙时最大牵引力比计算黏着限制牵引力平均降幅要小于HXD3机车10%以上。

HXD3不撒沙比撒沙时最大牵引力平均降幅应基本适用于各型机车。

因此对于各型机车，持续下雨时的牵引力降幅参考数据为：

①即使撒沙作用良好，机车黏着系数将下降17%以上，这就意味着黏着限制牵引力也将下降17%以上；

②沙管完全堵塞时，黏着系数将下降47%以上。撒沙系统作用不良时黏着系数会有不同程度的下降。

一般情况，下小雨比下大雨黏着系数下降幅度大，更容易空转。这主要是因为下大雨轮轨清洁程度高。下小雨，线路长时间无列车通过，易造成钢轨生锈，浮锈将使黏着系数大幅下降。

4 HXD3型机车黏着性能的优缺点

4.1 HXD3型机车优点

（1）HXD3型机车牵引力有轴重转移补偿控制功能

即运行速度在20km／h以下时，6台牵引电动机所产生的牵引力从前进方向的第一轴开始，牵引力呈梯形分布，第一轴牵引力最小，越往后越大，这种控制方式能充分利用机车的黏着质量，有效解决起动和低速时因轴重转移产生的空转问题。

（2）HXD3型机车功率有单轴控制功能

运行中机车某轴发生空转时，对于机车的功率调节不是整体进行降功，而是单轴进行控制，从而能充分发挥最大功率，解决了空转时的功率有效利用问题。

（3）恒功准恒速牵引特性有效避免了因空转造成的LKJ自停问题

机车空转未得到抑制达到一定时间（济南铁路局目前对LKJ这一参数设置为30s），就会造成速度突升引发自停。而HXD3型机车手柄级位适当，就可有效避免这种情况发生。例如，重货列车在困难车站开车，道岔侧向限速45km／h，LKJ限速为48km／h，列车起动后司机只要将手柄放置不超4.8级的位置，就不会引发自停放风。因为即使放置4.8级，某轴空转时，速度接近约43km／h，恒功准恒速牵引特性会使该轴牵引力迅速下降，速度达到48km／h牵引力下降到0，没有了牵引力，速度就不会突升。

4.2 HXD3型机车缺点

主要是在撒沙系统方面。HXD3机车的撒沙系统结构复杂，对沙质量要求很高。实际运用时下沙量少、沙管易堵塞、疏通难度大。

天气不良等情况下，需要通过撒沙来改善黏着条件。HXD3机车撒沙系统的这一缺陷，使得上述优点大打折扣。

HXD3机车天气不良坡停高发的第二个重要原因就是撒沙系统不畅通的问题（第一个是黏着质量比SS4机车低）。

因此，对HXD3机车的撒沙系统存在的问题必须认真解决。

5 减少HXD3机车运缓、坡停方面的几点做法

（1）下雨时对于HXD3机车，通常能发挥最大牵引力的级位并不是最大负荷级位，当然负荷级位也不能太低，负荷级位适度并保持适当的空转才能发挥比较大的牵引力。

（2）对于多数机型，空转不及时消除，达到一定时间会引起速度突升而引发自停。而HXD3机车恒功准恒速特性一般不会引起自停。由于HXD3机车功率为单轴控制，可充分利用它的牵引特性曲线，提前储备列车动能，以便于顺利过困难分相或爬坡。

（3）HXD3机车发生严重空转时，微机系统存在空转记忆功能，将大幅限制功率输出。出现此种情况，应及时回手柄至零位，解除记忆功能，解除后重新加速。

（4）总结推广了HXD3机车点式、线式撒沙和使用“沙管加热直流”开关的方法；总结推广了困难地段的定速操纵方法。

（5）制定了各区段防止坡停操纵提示卡。根据《关于加强列车运行中信息报告工作的通知》（运装机运［2010］202号）的有关要求，并结合困难地段的特点，形成具体的“向车站、向调度及时汇报的请求措施”，要求机车司机严格执行。

（6）对HXD3机车撒沙系统的检查、整备等工作提出了严格要求，并狠抓落实。自2010年7月开始济南西机务段将HXD3机车的沙室罩改为铸铁的，提高了强度和刚度，大幅减少了树脂材料制作的沙室罩出现的故障，并且进沙截面有所增加，减少了沙路堵塞。针对HXD3机车对沙质要求高的特点，自2010年8月采用了HXD3机车专用沙。通过这些措施，使HXD3机车撒沙系统不畅的状况得到改善。

6 存在问题及措施建议

通过以上分析认识到，受黏着牵引力不足发生的坡停，均为上坡道、均为重车，并且大多伴随雨雪霜露天气、钢轨油污等情况。杜绝或大幅减少坡停是一项系统工程，必须综合治理。

①制定货物列车牵引定数在有较大上坡道的区段应首先考虑黏着牵引力大小，尤其是天气不良时，不应只考虑机车功率。对于非正常情况列车减吨，虽然《技规》、《行规》都有要求，但由于运输压力，铁路局调度一般都不予执行。对于途中下雨或其他特殊情况应减吨而没有减吨的重货列车，建议铁路局调度应重点掌握，尽量组织上述列车在关键站高速通过或采取相应措施。

②结合不良天气机车黏着牵引力大幅下降的实际情况，建议重新确定列车运行图技术资料中限制停车站和禁止机外停车站，并分天气良好和天气不良两种情况分别制定停车时的最大牵引吨数，并严格执行。

③建议从铁路局层面采取措施，大力减少由于工务施工和曲线涂覆装置造成钢轨油污而发生的坡停。

④重货列车在关键站（机外下坡出站上坡）需短时间停车时，建议安排机外停车，再开车时就能消灭坡停，上级需要制定这方面的规定。如京沪5线崮山站。

⑤困难区间等信号容易产生坡停，并且停车后起动困难，尤其是天气不良时。因此从调度指挥上对困难区间重货列车跟踪间隔应做出规定并加强车机联控。

⑥建议京沪五线由崮山延长至张夏，取消关键站崮山站。有条件时对关键车站的侧向道岔进行改造，适当提高其限速。有条件时对分相区设置不合理的地点适当进行更改施工。

⑦SS4机车的黏着牵引力大，应尽量安排在困难区段使用，能发挥它黏着牵引力大的优势；HXD3机车电动机功率限制牵引力大，适合在较为平坦的区段运用，能充分发挥它功率强大的长处。建议上级在配属机车时应考虑这些因素。

⑧天气不良时黏着系数主要依靠撒沙来改善，HXD3机车的撒沙系统存在较多问题，如下沙少、易堵塞。对于HXD3机车撒沙不畅的问题，建议组织攻关并进行必要的技术改造。

⑨现在国内尚缺乏交流传动机车的黏着系数公式，HXD3机车也没有黏着系数参数资料，给有关分析带来不便，建议有关部门或生产厂家解决。另外，引进或设计新型货运机车，机车功率不能盲目求大，否则会使机车黏着能力严重不足。单轴功率过大的机车适合在平坦线路上运用或者适合牵引定数较小速度较高的货运列车。

⑩天气不良黏着系数将大幅下降，现场缺乏这方面的理论指导，建议有关部门进行这方面研究，不应当只进行正常天气下的黏着性能试验。

参考文献

［1］孙中央.列车牵引计算实用教程［M］.北京：中国铁道出版社，2005：1－58.

［2］中国北车集团大连机车车辆有限公司.HXD3型交流传动货运电力机车培训教材［M］.2007：2－9.

［3］黄问盈.铁道轮轨黏着系数［J］.铁道机车车辆，2010，（5）：17－25.

［4］韩长虎，李志伟，王志刚.机车操纵与基础设施优化［J］.中国铁路，2005，（12）：25－28.