浅析造成机车动轮空转的原因及预防措施

李小华

摘 要：当机车起动或满载爬坡使用最大牵引力时，常常发生动轮和钢轨之间粘着破坏而使动轮空转的现象，其根本原因是轮周牵引力瞬间大于轮周粘着力。而空转发生时，机车牵引力急剧下降，轮轨剧烈摩擦，牵引电动机高速旋转，易造成动轮擦伤、刨钢轨、电机损伤、造成LKJ车位错误、坡停、运缓等问题影响列车的运行秩序。因此预防和制止轮对的空转是一名合格的机车司机必备的能力之一。

关键词：防止；机车动轮；空转；措施

中图分类号：U269.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）20-0028-02

1 机车动轮空转问题的提出及原因分析

1.1 机车动轮空转问题

机车牵引车列运行在钢轨上，机车动力装置（牵引电机）发出的扭矩经传动装置传递，在各动轮的轮周上形成切线力，依靠轮、轨间粘着作用产生由钢轨作用于各动轮周上的反作用力，从而使列车产生平移运动。当机车动轮轮周上的切线力大于轮轨间的粘着力时，粘着将被破坏，在轮轨接触点处出现车轮与钢轨间的相对滑动。车轮在驱动力矩的作用下，就会围绕轮轴高速旋转而发生空转。

机车动轮在钢轨上的状态有三种状态：静止、滚动和滑动，因此动轮与钢轨之间的摩擦系数也有三种：静摩擦系数、粘着系数和滑动摩擦系数。

1.1.1 动轮在钢轨上静止

动轮在钢轨上静止时，机车与钢轨的接触和受力情况如图1所示，动轮轴重Pug通过轮轨接触点C作用于钢轨上，刚钢轨有一反向作用力N，通过C点作用于动轮，当牵引电动机通电后，在力矩M的作用下，动轮对钢轨有一切向作用力F1，力F1的作用是要向后推钢轨，由于钢轨是被固定在道床上不动，在F1尚未超过静摩擦力最大值时，动轮与钢轨不会产生滑动，这时，轮轨间的摩擦系数为静摩擦系数，随着牵引电动机电流的增加，动轮作用于钢轨的力F1继续加大，钢轨作用于动轮的切向反力F2也随之加大。

但当力F1和F2达到静摩擦力的最大值时，则动轮与钢轨间的摩擦状态就要遭到破坏而产生相对滑动，即发生所谓“空转”。F2不再是静摩擦力，而是滑动摩擦力，并远远小于F1。

1.1.2 动轮在钢轨上滚动

动轮在钢轨上正常滚动时，轮轨间的摩擦系数称为粘着系数，摩擦力称为粘着力，粘着与静摩擦有着本质的区别。运动中机车动轮有增载和减载的情况，各动轮轴之间牵引力分配不均。同时列车运行中不可避免的要产生各种冲击和振动，车轮在钢轨上滚动的同时还伴随有一定量的纵向和横向的滑动。所以，轮轨间切向反作用力的最大值实际上与运动状态有关，而且比物理中的“最大静摩擦力”小得多。因此，分析轮轨间受力总是不用“静摩擦”这一概念，而以“粘着”来代替，相应地轮轨间切向反作用力的最大值称为“粘着力”。轮周上的切线力大于轮轨间的粘着力时车轮就要发生空转。在机车不发生空转的前提下，所实现的最大轮周牵引力称为粘着牵引力。

1.2 机车动轮空转的原因分析

引起机车动轮空转的原因是多种多样的，有主观、客观的因素，但主要有以下几个方面的因素：

（1）操纵不当。起车时司机控制器的调速手柄提的过猛和位置过高，或加速时手柄一次提的过多，或低速时进级过快，都将使牵引力在短时间内增加过多，打破了轮周牵引力受粘着牵引力的限制条件，而造成动轮空转。大电流起动，固然会使机车在瞬间获得较理想的牵引力，产生大的加速度，使列车起动迅速，但过大的起动电流，不仅会给牵引电动机换向带来困难，而且过大的起动牵引力还会超出机车粘着条件的限制，使动轮空转，而造成机车牵引力的突然降低，产生事与愿违的后果，导致起动失败，因此，起动时起动电流不能过大，要消除空转，只有靠司机谨慎合理的操纵来实现。（2）机车状态不良。如：轴荷重不均、牵引电动机电流分配不均、弹簧复原装置不良、机车轮缘喷油器喷嘴安装位置不当，将油喷到动轮踏面上，这些情况都能引起动轮空转。作为牵引动机装置的直流串励电动机，具有良好的负载分配性能。在设计上，机车上各台牵引电动机承受负载是相同的，但由于制造过程中的误差，使得电机及机车部件均存在一定的误差；机车运行中，各种冲击振动，都会在机车上得到反应，这些不均衡的破坏力，势必会使各轴上的负荷发生不同程度的变化，均能诱发空转的发生。（3）微机防空转系统由电子元件、機械传动部件、电气线路等组成，长期运用中难免产生故障，导致系统发生误判断，即发生通常所说的假空转故障。根据长期运用的经验，造成机车假空转故障的原因主要有以下几方面：1）速度传感器故障。速度传感器转轴与车轴轴头方孔之间属于机械式连接，由于长期转动磨耗，造成运行中全车速度传感器之间反馈的速度频率信号出现不同步故障。2）连接线路故障。速度传感器接线盒、连线插头安装在机车转向架上，完全裸露在机车车体外部，由于机车运行途中的振动、通过曲线时转向架的位移，加剧了线路的破损，出现短路、断路故障，插头也会因安装松动出现虚接故障。速度信号的传输使用的是调制好的频率信号，受到外界干扰很容易产生失真。3）电子插件故障。防空转系统电子元件超出使用寿命期，造成插件程序故障。（4）线路状态不良。动轮踏面与钢轨表面愈平整，机车运行接触点的振动越小，则粘着系数就愈大。路基松软，枕木腐朽处所，以及轨面有油垢都能引起空转。使得轮轨间的粘着状态被破坏，粘着系数下降，机车不能发挥最大的粘着牵引力。（5）天气不良。天气对粘着系数影响很大，潮湿、降雾、霜或小雨天气时，使转轨间粘着下降，也容易发生空转。另外，列车运行在上坡道区段以及通过曲线、道岔等处，都有发生空转的可能。

2 空转造成的危害

机车发生空转后，会产生很多不良影响，甚至造成机车破损事故：

（1）空转时，轮轨之间相对滑动而产生剧烈摩擦，容易造成动轮擦伤及擦伤钢轨。（2）空转时，会使牵引电动机的转速急速增加，使电刷和整流子表面产生强烈火花，严重时会导致环火烧坏电刷和整流子表面，甚至引起飞弧接地。长时间空，还会造成电枢绑线甩断。电机一旦空转，如果不回牵引手柄，空转就会越转越快，以致于发生电机扫膛。同时，因轮对转动不规则，机车产生强烈振动，容易损伤各部休机件。（3）轮对发生空转时，使该轮对上的牵引电机丧失牵引力矩，使其它电机的负载增加，此时会产生连锁反应，引起其它轮对也发生空转，从而降低了运行速度，造成运缓。空转发生在上坡道时，还可能造成坡停事故。（4）影响列车的运行秩序，造成LKJ车位错误，更有甚者给列车追尾冲突埋下隐患。endprint

3 预防空转的措施

近年来随着牵引技术的发展，机车功率不断加大，以及牵引电动机制造水平的日益提高，粘着能力越来越不能满足牵引力正常发挥的要求，尤其是在低速和中速运行时，粘着问题已成为限制牵引力、制动力发挥的关键问题。为此，除了理论上对轮轨间的粘着进行探讨研究外，还要在实际运用中掌握机车动轮空转的规律，采取预防措施，以提高粘着系数，并使粘着质量充分被利用。

3.1 优化设计

在设计新机车时，应合理选择机车牵引电动机的布置方式，降低牵引点的高度，减少簧下重量以减少轴重转移，提高粘着质量的利用率，和谐机车具有准恒速及轴重转移控制功能，机车在发生空转后，机车将会根据列车运行速度、牵引力自动寻找粘着点并逐步增加牵引力。发生空转后机车根据传感器数据，采取主动撒砂抑制动轮空转。

3.2 提高机车走行部质量

使机车经常处于良好的技术状态，尽可能使所有的动轮具有相同的轮径；保持弹簧装置的良好状态，使各动轴具有均衡的荷重。保持机车走行部的清洁，特别是注意调整好轮缘喷油器的喷头角度，以防止将油喷到动轮踏面与钢轨上。机车出段前应认真检查砂质状态，砂量应充足，撒砂装置机能应良好。

3.3 安装空转保护装置（或者防空转系统）

在新型机车上，装有防空转自动检测保护装置和防空转系统，使机车在空转刚刚发生时，就能检测出来，并能自动采取措施消除空轉，以保证机车的正常运转。当防空转系统判断机车产生空转时，将输出空转信号给司机室空转指示灯，提示司机减小牵引电机电流。同时，空转发生时防空转系统在自动削减电机电流的同时，还会输出撒砂信号给机车撒砂系统，通过撒砂增加机车粘着，抑制空转。

3.4 精心操纵列车，防止空转发生

掌握发生空转的规律性，是防止空转的首要条件，司机对易发生空转的地段，一定要做到心中有数，要根据当时所处的具体情况，采取撒砂等相应的措施。

（1）机车乘务员在运行途中要精心操纵列车，做好预想预防。机车乘务员在库内接车时须检查机车撒砂装置作用良好。起车时，应提前适量撒砂，以提高轮轨间粘着条件的限制。挂车前适当撒砂，列车起动前适当压缩车钩。在易发生空转的地点做预防性撒砂，帮助电机恢复正常牵引力。不可盲目退手柄、降低牵引力，造成空转加剧。（2）根据具体的情况，采用不同的撒砂方法。撒砂的目的是为了增加轮轨间的粘着系数，从而提高粘着力，防止空转发生。撒砂的方法有“点式”和“线式”两种，无论采用哪一种方法，都应注意当空转已经发生时，严禁撒砂，以及防转轨间突然增加摩擦阻力而使机械走行部受到损坏和加速钢轨及踏面磨耗，发生空转时，应先降低调速手柄级位，以降低牵引力，待空转停止后，及时撒砂，然后再提高调速手柄的运行级位。遇列车在接近上坡道的车站停车后，要认真检查机车撒砂装置，站内起动列车时要发挥机车最大粘着牵引力，充分利用站内有利地形提高列车运行速度。待全列出站后，再根据需要适当调整调速手柄位置，充分发挥机车最大牵引力，注意撒砂、防止空转，做到起车稳，加速快。

4 结语

本文提出了机车动轮空转问题，对造成机车动轮空转原因进行了深入的研究分析，并对机车动轮空转造成的危害展开了描述，提出了空转预防措施。对于防止运行中机车动轮空转有一定的指导作用。

参考文献

[1]张健，陈勇.HXD3型大功率交流传动货运电力机车特点及故障处理[J].机车电传动，2008，（3）：8-11.

[2]王海峰，郭印.机车制动力防止列车溜逸问题的探讨及措施[J].铁道机车与动车，2015，（9）：34-39.

[3]陈宏.电力机车交流传动系统的研究[D].辽宁科技大学，2012.endprint