HXD1C型大功率交流货运机车粘着利用控制的研究与应用

赵国德

(中国铁路成都局集团有限公司重庆机务段，重庆 400000)

0 引言

HXD1C型大功率交流传动货运机车自投入运营后，在我国西南、华南、华中地区担负了重要的运输职责，HXD1C型大功率交流传动货运机车一般主要用在货运牵引任务中，日夜奔驰于主干线，运载了大批的货物，为经济发展做出了积极贡献。

1 HXD1C型机车的概述

1.1 HXD1C型机车一般系数

HXD1C型机车是六轴大功率交流传动货运机车，其单轴功率可达1 200 kW，整车功率可达7 200 kW，最大启动牵引力能达到570 kN。23 t重的轴承启动时，需要粘着的系数为0.42，25 t轴承启动时所需粘着系数约为0.39。HXD1C型机车具有非常强大的牵引性能，远远高于轮毂潮湿时的物理粘着系数，因此该机车要装备性能优越的粘着利用控制系统，大大提升拉动速度和功率，以保证机车在轨道面积不同的状况之下，也可以利用轨道的粘着系数实现多拉快跑的运营目标[1]。

1.2 HXD1C型机车的应用概述

HXD1C型机车自从上线使用之后，为该路段区段的提速和重载提供了可靠的动力保证，，由于大部分机车上线的路段均以山区高坡或者特殊地形为主，因此有可能在某种程度上会影响牵引力的发挥。分析HXD1C型机车牵引力粘着力的情况，考虑其在潮湿的轨面上运行时，是否会因为出现空转而影响粘着力，是很多研究人员研究的重要内容。有关人员和部门致力于提高机车的粘着利用率，通过牵引计算和实用性原则，从技术角度系统分析如何修正粘着控制方案，在既有路线条件之下提升重量，增加能效，达到更科学、更安全和更可行的目的[2-3]。

2 HXD1C型机车粘着牵引力利用基础知识

2.1 粘着牵引力

机车所提供的牵引力大于轮轨之间的粘着力，使动轮发生空转现象。而在轮轨间不发生空转的情况之下，所能实现的最大轮周牵引力就被称之为粘着牵引力。粘着牵引力在实际的运输实践中发挥着非常重要的作用，能够帮助计算机车的运行速度和实际承载，重力加速度等。几个主要的计算参数如下：

Fμ：计算粘着牵引力，kN。

Pμ：机车粘着质量，t。

g：重力加速度，一般约等于9.81 m/s2。

μj：计算粘着系数。

2.2 粘着牵引力的计算公式

通过计算粘着系数，可以系统地分析机车的轴重力和牵引力在面临其分配不均的情况时，机车运行过程中轴重力的增减载情况。计算粘着系数时要考虑到隔离条件的影响，其约束条件可能不可控，使用理论方法计算，建立起准确的计算模型。计算公式可采用镜像转向的方法提高曲线运行时的粘着系数，也可以采用防空转设备的方法提高粘着系数的有效利用程度。粘着系数在不同机车运行时会有一定的差别，但实验表明，列车运行速度提高时，粘着系数会有所下降[4]。

其计算公式如下表示：

Fμ=Pμ*g*μj

(1)

3 HXD1C型机车粘着利用控制方案

3.1 HXD1C型机车一般控制方案

针对机车轮轨的粘着特性要考虑机车运行时的自然条件，如雨雪环境、气温环境以及周边其他环境的非线性时变特点，还要考虑到不同机车类型的走线情况。HXD1C型机车的粘着特性，需要研究人员采取实时辨识的方法，迅速检测当下的轮轨条件，并计算其粘着系数的变化率。只有精确了解粘着系数的变化率，才能通过调节牵引电机的输出转矩，最终得出机车运行过程，粘着牵引力的利用数据和模型，从而实现在不同条件之下理论粘着牵引力的最大利用。之所以要这样做，是为了能够本着机车控制的实施方案，基于相位法判断粘着牵引力的利用率，找到其控制原理，并最终根据粘着变化率给定变化器和最小电机的转距，参照正弦信号的产生，利用不同模块模拟闭环控制系统。

3.2 HXD1C型机车粘着牵引力的辨识和观察

研究人员为了便于观察和分析，常常会以1 000 s为步长，制作不同的分解图，得到不同时间段粘着利用率、控制参数波形等具体数据。根据这些数据图的模拟，很快找到粘着是牵引力的辨识和变化率，从而通过不同的参数反馈轮轨粘着变化率。这样做的用意是为了根据线性系统理论分析机车牵引系数的输出变化及电机转速信号，从而能够考量机车牵引传动传输的转速信号被送往通滤波器之后所得出的系数。研究者可以分析向位移反馈系数，并在输入端与给定线位进行比较，以此构成最完整的闭环粘着利用控制系统，这一控制系统的变化刚好是粘着牵引力曲线变化的规律，根据这一规律图能够反馈出HXD1C型机车粘着牵引力在不同环境和不同情境之下的变化规律，从而能够给机车操作者以更好的参考。

3.3 HXD1C型机车粘着利用控制应用

HXD1C型机车粘着控制系统的参数被计算出来之后，应经过反复的验证，只有得到最准确的应用数据和模型，才能够将其应用效果作为规律投入使用。HXD1C型机车自投入运营之后，虽然时间不长，但是技术人员已经进行了大量的实验，积累了丰富的实验数据，在不同的环境和场景下对机车的粘着控制进行了现场跟踪，采集到了不同天气条件之下HXD1C型机车粘着控制数据并且加以分析，了解了该机车粘着利用控制的实际效果。这些珍贵的数据为以后的机车运营以及新汽车模型的开发奠定了基础。在机车运行的过程中，为了更好地了解机车的粘着运行规律并找到更好的应用效果，技术人员常常会采集离机车操作端最近的，同时也是轮轨粘着条件最差的第一轴位电机的转速，同时还会分析其设定牵引力和实际牵引力之间的差异，通过电脑模拟得出全程采集数据的比对图。HXD1C型机车粘着控制的模型曲线，其上半段对应的是机车轮对线速度，下半段对应的是牵引力曲线，后续图的规律同样如此，以此来判断不同时间段粘着利用控制参数的波形变化，从而能够通过仔细观察，找到转速的平稳期、持续波动期、急剧变化期不同的粘着控制参数。

分析这3个不同时期HXD1C型机车粘着控制的阶段性变化，规律如下：

3.3.1 转速平稳变化期

根据参数模拟，HXD1C型机车在t值为2 400～2 800 s时，机车转速平稳变化，粘着控制数据显示电机的实际牵引力和设定牵引力是相等的或大约相等，此时的汽车运行处于粘着条件最好期间，所需的粘着牵引力往往低于轮轨可提供的最大粘着牵引力。

3.3.2 转速持续波动期

根据参数模拟，HXD1C型机车在t值为4 600～4 900 s时，机车的粘着利用控制系数发生了一定的变化，机车虽然实际牵引力跟随设定牵引力，转速平稳，但是在位于露天轨道时，电机的实际牵引力略小于设定牵引力，电机转速也出现了一定的波动，而当机车由露天返回隧道时，粘着条件有所改善，实际牵引力几乎跟随设定牵引力的实际数值。这一结论是根据一定的实验数据得出，也就是说，根据室内外的实验数据可以发现，粘着利用控制，虽然无法使实际牵引力仅仅跟随设定牵引力，但是却可以根据当时的轮轨粘着情况，在不引起严重空转的情况之下，对实际牵引力进行持续平稳的调节，尽可能发挥其粘着牵引力的最大效能。

(3)转速急剧变化期。

根据参数模拟，HXD1C型机车在t值为1 950 s时，出现了一个比较大的变化，由于电机的转速极速上升，使得电机的实际牵引力也随之卸载，电机转速下降之后，隧道外的粘着条件低于隧道内的粘着条件。机车之所以在此时出现了急剧的转速变化，并不是巧合，此时的粘着卸载呈现出最大值，局部粘着也被利用，粘着利用控制数据波形发挥作用，有效抑制了空转，保障了机车的运行安全和平稳，并且在机车转速调节的过程中快速恢复轮轨粘着度，实现粘着利用的最大化，这正是本实验所想要达到的效果，也是HXD1C型机车实现粘着条件改善、粘着利用控制的有效体现。

4 结语

综上所述，HXD1C型机车对轮轨要求比较高，在详尽分析铁轨粘着特性及粘着环境之后，基于车型特点进行了具体分析。其研究的目的主要是为了能够在粘着的条件下改善实际牵引力，使其迅速跟随设定牵引力，从而能够在全季节气候情况之下，改善粘着利用控制功能，并充分保障HXD1C型机车的运行安全。