电力机车黏着控制分析

高 翔,张 波

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)

铁路运输中,机车依靠轮轨滚动接触过程中接触面上的黏着力来实现牵引力的传递。黏着是车轮与轨道之间的一种摩擦现象。当传递到车轮上的牵引力超过最大可用黏着力时,车辆就会出现空转现象,影响行车安全。良好的黏着利用有利于提高列车的加速性能,降低轮轨擦伤的发生概率。随着我国重载运输的快速发展,牵引功率不断提高,轮轨间需要传递的载荷日益增大,需要保证高效黏着利用,轮轨间的黏着利用成为了迫切需要深入研究的课题。

1 黏着产生的原因

黏着力表现为轮轨间的一种切向力。图1为黏着牵引力形成示意图,在轮荷重mg的作用下,轮轨接触部位发生弹性变形,形成椭圆形接触区。当车轮在驱动力矩T作用下向前滚动时,轨道对车轮在椭圆形接触面上产生一个向前的切向力F,称为轮轨接触面的黏着力,即轮周牵引力,它使车轮向前滚动。

列车可用的最大黏着力受黏着系数限制,黏着系数通常定义为最大的切向力系数:

影响黏着系数的因素有很多,轨面条件、车轮直径和轴重、列车行驶的速度都会造成黏着系数的改变。其中,轨面状况是决定列车和轨道之间有效黏着的重要因素,由试验显示[1,2],如果轮轨界面有水介质,黏着系数会随着速度的提高而显著下降;而存在油润滑的条件下,黏着系数基本上不随速度变化且非常小。采取撒沙或喷射陶瓷粒子等增黏剂可以改善轮轨状况,提高黏着系数。

在动轮的滚动过程中,动轮在钢轨上的摩擦以滚动摩擦为主,同时也伴随着滑动摩擦。滑动摩擦的存在使得车体的前进速度并不等于车轮的圆周速度,这个速度差称为蠕滑速度。

图1 粘着牵引力形成示意图

切向力系数与蠕滑速度通常有如图2的关系,这种关系称为黏着特性。从图中可以看出在相对滑动速度较小时(OA段),轮轨间的切向力系数迅速增大,此时车辆运行于微滑区;当相对滑动速度达到A点时,切向力系数为最大值,即黏着系数,此时牵引黏着力发挥最好;随后相对滑动速度继续增加进入大滑区(AB段),切向力系数迅速减小,黏着破坏,此时车辆运行于不稳定阶段,也就是车轮发生空转。通常用蠕滑率γ表示蠕滑的大小。

图2 干燥轨面上的黏着特性

式中vw表示轮周速度,vt表示车体速度。

2 粘着控制方式

目前国内机车的黏着控制方式主要采用组合校正法[4]。这种方法结合了加速度控制和蠕滑率控制。在出现轻微空转滑行时,采用蠕滑率控制,将电机转矩控制在最大黏着点,实现高黏着利用;如发生蠕滑率控制不能调节的大型空转滑行,则进行加速度控制,实现轮轨再黏着。组合校正法控制系统如图3所示。

图3 组合校正法控制系统

2.1 加速度控制

加速度控制属于黏着再恢复控制,如图4首先测量机车的各轴速度确定各轴加速度,对加速度进行判断,当加速度超过设定阈值时表示空转或打滑现象比较严重,牵引电机迅速削减动轮驱动转矩,抑制空转的加剧,继续对加速度判断,当加速度降低到释放值则意味着空转被成功抑制,再以缓慢速率增加牵引,以寻找下一个黏着极限点,实现黏着再恢复。

图4 检测到空转时的加速度控制

2.2 蠕滑率控制

如果加速度没有超过设定阈值,则进入蠕滑率控制。如图2所示,切向力系数存在最大值 ηmax。显然,只有在取最大值ηmax时,能够传递的牵引力才将达到最大值。而在列车实际运行中,能利用的黏着总小于最大黏着,蠕滑率控制的目标就是在列车运行过程中,使实际的黏着系数尽量逼近于当时路况的黏着系数最大值,从而获得最大的牵引力[5]。控制系统先比较各轴速度,通过对最小的轴速进行微分、限幅值和积分等流程得到机车基准速度,再由车轮速度和基准速度计算蠕滑率,当蠕滑率超过阈值时,则对电机转矩指令进行调整;反之,判定为正常运行,使轮轨经常运行在高黏着区。

3 试验分析

下面举出两个在中国铁道科学研究院环行铁道试验基地完成的大功率交流传动机车防空转试验测试结果。

试验时天气晴好。试验对象为A、B两种型号的交流机车。其中A型车为6轴机车,牵引驱动方式为轴控;B型车为8轴机车,牵引驱动方式为架控。试验编组都是被试机车+试验车+负载机车。

试验采用在机车运行时向轨面喷洒减摩液的方式制造低黏着条件,造成轮轨间黏着破坏。6轴机车A的洒水位置如图5所示,洒水管路布置在前进方向的第4轴前方。试验时,1～3轴处于正常轨面,牵引力可以认为正常发挥;4～6轴处于洒水轨面,容易发生空转。

图5 6轴机车洒水位置布置示意图

8轴机车B的洒水位置如图6所示,洒水管路布置在前进方向的第3轴前方。试验时,1、2轴处于正常轨面,牵引力可以认为正常发挥;其余各轴进入洒水轨面后,容易发生空转。

图6 8轴机车洒水位置布置示意图

试验中记录机车速度、电机轴速,电机相电流及电机输入功率。

3.1 轴控机车的防空转试验结果

A型机车防空转试验结果见图7。图中给出了机车4～6轴车轮进入喷洒减摩液区域的轴速度、电机输入功率和电机相电流有效值,同时给出了黏着条件较好的2轴作为对比。由于机车速度较慢,4～6轴在不同的时间依次进入低黏着区域并发生不同程度的空转。从图中可以看出,试验中各轴的轮周速度与试验车的最大速度差为7 km/h,4轴车轮在I处开始发生空转,直到洒水结束空转停止;5轴车轮在II处开始发生空转,在III处停止,之后5轴电机一直试图增加牵引力,但都超过了黏着极限点,造成反复空转;6轴仅在IV处出现一次较为明显的空转。试验中车轮发生空转后,相应牵引电机立即卸载,电机电流下降,抑制空转的加剧,其他未发生空转的电机正常运行,不受影响,当黏着恢复后,卸载电机能够及时恢复牵引力。对试验过程中几次空转发生较为明显的时间点,观察发生空转时的瞬时轴加速度、空转从发生到结束的时间、牵引电机电流的下降幅值和最大下降速率,结果如表1。

表1 A型机车防空转性能表

图7 A型机车防空转试验结果

3.2 架控机车的防空转试验结果

防空转试验结果见图8。图中给出了3、4轴车轮进入喷洒减摩液区域的轴速度、电机输入功率和电机相电流有效值,同时给出了黏着条件较好的1轴作为对比。可以看出,试验中3、4轴车轮几乎同时发生空转,各轴的轮周速度与试验车的最大速度差为3.6 km/h,当发生空转后,牵引电机立即卸载,电机电流下降,空转得到抑制,此时1轴牵引电机功率发挥正常,未受影响;抑制空转加剧后,牵引力的恢复都会超过黏着极限点,造成反复空转。对试验过程中发生空转最为剧烈的I处,观察发生空转时的瞬时轴加速度、空转从发生到被抑制的时间、牵引电机电流的下降幅值和下降速率,结果如表2。

表2 B型机车防空转性能表

图8 B型机车防空转试验结果

4 结论和建议

(1)以目前的控制方式,机车在空转时都能起到一定的保护作用,空转得到抑制后,可以尽量快速恢复牵引力。

(2)A型轴控机车的黏着控制不会影响到正常轴牵引力的发挥,而B型机车采用架控方式,当一个轴发生空转,同一转向架的另一轴即使没有发生空转,对应电机也会降功率,造成牵引力损失。

(3)A型机车在低黏着区发生的空转会持续较长时间;B型机车抑制空转后,机车在恢复牵引力、重建黏着状态的过程中,并不能很好地找到黏着极限点,会反复出现空转的现象。

(4)建议对预测型黏着控制方法进行有益的探索,进一步优化黏着控制的性能,以更好地适应重载运输的要求。

[1] 张卫华,周文祥,陈良麒,等.高速轮轨黏着机理试验研究[J].铁道学报.2000,22(2):20-25.

[2] ZHANG Weihua,CHEN Jianzheng,WU Xuejie,JIN Xuesong.Wheel/rail adhesion and analysis by using full scale roller rig,Amsterdam:Elsevier-Wear,2002,253:82-88.

[3] V.Sergeant.影响黏着利用的因素[J].变流技术与电力牵引,2000,(4):11-15.

[4] 王颖超.高速动车组黏着控制算法研究[D].北京:北京交通大学,2009.

[5] 王广凯,李培曙.浅谈制动黏着系数的定义、影响因素及测试方法[J].铁道车辆,2004,42(9):23-25.

[6] 伊藤顺一,等(日).从黏着的角度比较动力分散与动力集中[J].国外铁道车辆,2001,(3):22-26.