浅谈重载列车轮轨黏着力操控研究

文/王敬

随着重载货运铁路的快速发展，使得重载铁路轮轨间的黏着问题研究有了更高的要求，尤其是速度的不断提高，让轮轨黏着问题变得更加复杂。为减少重载列车在运行中空转、滑行的发生，本文通过对不同状态的轮轨间黏着力状态进行分析，同时结合现场操纵，阐述在重载列车在不同条件下的操控方法，从而预防列车发生空转滑行，确保列车安全平稳运行。

1.概述

随着货物列车重载化的发展，铁路重载运输货物列车成为我国铁路高速发展的引擎，所谓重载铁路是指（1）轴重达到27吨及以上；（2）牵引重量不低于8000吨；（3）在线路长度不少于150公里的区段上，年运量不少于4000万吨，以上三个条件需要满足其中两项方可称为重载铁路，我国目前重载列车最大轴重为25t，而国外重载列车的轴重普遍达到30t以上，因此《中国制造2025》技术路线图将研制30t轴重的重载电力机车列为6个重点的其中之一，并将研制适用30t轴重重载需求的机车牵引控制系统列为重点突破的核心技术[1]。重载机车输出有效牵引力的大小是由轮轨间的黏着力大小来决定，而黏着力大小与天气状态、轮轨间的接触情况、列车运行速度等都有较大的关系。因此，本文根据重载列车运行在不同运行条件下粘着情况，对乘务员操控方法进行探究，保证列车安全平稳运行。

2.问题分析

重载列车在运行过程中，机车动轮和钢轨之间的黏着力是驱动机车运行的动力来源，轮轨间产生的最大黏着力受天气、钢轨等条件限制，列车轮轨间实际的黏着力取决于黏着利用率，良好的利用率直接关乎机车的动力的发挥，对整列车的起动、调速、停车以及运行的平稳有积极的改善作用。当列车在不同工况下运行时，粘着被破坏，可能出现空转、滑行，导致擦伤动轮、钢轨、轮毂弛缓等事件，威胁着列车上运行安全。

2.1 牵引状态。机车牵引力是由机车动力装置产生，并在各动轮的轮周上形成切线力，依靠轮轨间粘着作用使机车发生平移运动的反作用力。当黏着被破坏时，轮轨间能够利用的最大黏着力瞬间小于轮对产生的轮周牵引力，作用在机车动轮上的反作用力随之消失，导致车轮在原地做高速转动。这就导致空转，空转现象将造成车轮与钢轨产生剧烈摩擦，形成车轮踏面和钢轨的非正常磨耗，这将使车轮发热严重，对于采用过盈配合的车轮，出现轮心与轮毂的相对运动，这将导致轮箍弛缓。同时空转导致车轮停止做平行运动，使列车速度降低，容易造成坡停或者运缓，甚至损坏电机。

2.2 制动状态。列车在制动工况运行时，当制动力大于轮轨间提供的最大黏着力时，将会出现车轮抱死，车轮在钢轨上出现滑行现象。滑行使列车由原来的滚动状态变为滑动状态，车轮在钢轨上滑动，极易造成车轮踏面擦伤，车轮擦伤后继续运行时，将对轨面产生锤击作用，速度越高，锤击作用越大，不但增加了机车、车辆振动，缩短机车部件使用寿命，而且会损伤钢轨和线路[4]。轮轨间黏着状态被破坏，使列车制动力下降，延长了制动距离。同时，滑行会导致列车监控数据的车位滞后，导致列车出现监控超速、卸载、常用、紧急甚至有冒进信号的安全隐患，尤其是在长大下坡道运行时，滑行容易引起较大的行车隐患，危及列车的运行安全。

3.轮轨黏着力操控研究

目前我国重载铁路采用的机车有重载交流传动机车，如采用HXD1、HXD2等机车，功率达到9600KW，其中HXD2型机车采用2（B0-B0）轴列式，轴重25t，整车重量可达184t。满足重载列车的牵引需要。也有采用重载直流机车SS系列，SS4B机车主电路采用三段半控桥整流、相控调压，微机控制系统，具有恒流、准恒速空转滑行保护、功率因数补偿等特点[3]。因此，无论采用交流还是直流牵引重载列车，在列车运行过程中，外部环境变化或者黏着的有效利用率降低，将出现空转或者滑行，如何避免出现空转或者滑行是司乘人员研究的重点课题。本文从现场出发，探究机车乘务人员驾驶重载列车对轮轨间黏着力的操控研究，从而减小列车的冲击振动与制动距离，确保重载列车的运行安全。

3.1 准备工作。目前，机车乘务员改善轮轨间黏着力是普遍方式是向钢轨表面进行喷洒细沙，从而改善轮回间黏着条件。因此机车砂箱应贮备足够的砂子，满足重载列车用砂需求。机车用砂为石英砂，粒度适宜，没有粘土及块状杂物，经烘烤干燥后具有良好流动性，优质砂要求含石英90%以上，黏土成分不超过1%，原砂经过筛后方可使用，砂子粒度最好在0.5～1mm左右，最细不小于0.2mm，最粗不大于2mm，潮湿的砂子应烘烤或摊开自然晾晒，直至干透后再用，以防堵塞砂管喷嘴口，加砂时，将砂箱顶部砂箱盖打开加入砂子，装砂后应注意将砂箱盖严，防止雨水漏入，使砂子受潮失去流动性能[4]。因此，重载列车在发车前，应确保机车砂质砂量符合要求。

3.2 起车操作。重载列车在连挂时，可适当压缩车钩，为起车作准备，在列车连挂过程中，应向钢轨持续撒砂，注意撒砂量不要太大，以机车过后只留白色砂痕为好，确保轮轨间的黏着力不受外界气候影响。起车时，司机缓慢增大电流，随时注意电流表以及电机声音都变化，发现异常，应立即降低牵引电流，严禁再次撒砂，确保列车平稳起动，司机通过控制轮轨间轮轨黏着力确保列车能顺利起动。同时需要注意，撒砂有两种，一种是自动撒砂，当机车检测到轮轨发生空转时，砂阀动作，会自动撒砂，另一种是手动撒砂，是根据机车乘务员根据经验去判断是否应该撒砂，那么在重载列车起车时，司机已经手动撒砂改善了粘着条件，此时若机车再次自动撒砂无疑会增大重载列车的起动阻力，导致起动失败，给第二次起车造成困难，因此在起车时，应关闭砂阀，阻止自动撒砂。

3.3 上坡道操作。重载列车在上坡道运行时，应根据气候条件、钢轨状况、机车性能以及特定地段分别采用不同的手段合理控制控制轮轨间轮轨黏着力，遇天气不良，司机应预防性撒砂，确保轮轨间正常的黏着力，防止出现空转，出现空转时，严禁撒砂，应立即降低牵引电流，恢复黏着系数。运行在施工地段的列车应特别注意，由于施工地段有工务人员进行换轨、探伤等工作，导致钢轨上有油污，当列车运行到此地段时，特别容易出行空转或者滑行，从而导致事故隐患，因此在此地段司机应合理控制列车牵制力，配合撒砂装置，确保列车顺利通过此地段。

3.4 长大下坡道操作。列车在长大下坡道运行时，由于重载列车下坡道运行操纵难度大，危险系数高，司机操纵中还需要想到轮轨间的黏着特性受到多种因素影响，包括轮轨表面状态、线路条件、机车振动、蛇形运动、列车速度、司机操纵等[2]。运行中，轮轨表面状态受到气候条件、施工等因素制约，当司机运行在此路段时，应该以空气制动为主，电制动为辅，投入空气制动后，降低电制动力，延长制动距离，防止粘着力被破坏导致列车超速或者轮对擦伤等情况的发生；同时线路曲线、列车的蛇形运动都会导致黏着系数降低，导致列车空转滑行，因此在操纵过程中，还因及时撒砂，改善轮轨间的黏着特性，提高粘着利用率，改善列车的运行状态，因此在长大下坡的操作应精细、全面、综合考虑，防止破坏钢轨或者轮对。

3.5 停车操作。重载列车进站停车主要利用电制动，而电制动在操作过程中，极其容易破坏粘着，产生滑行，而滑行产生后会直接影响机车监控数据滞后，引发列车的紧急制动，出现断钩的安全隐患。因此，停车过程中司机对黏着的操控特别重要。为避免调速过程中，制动力过大破坏粘着，需要采用空电联合制动控速，司机在操作过程中，应先投入电制动，待压缩车钩后，后投入空气制动，降低车辆的撞击，同时，投入电制动时机应尽量选择在上坡地段，有利于列车的平稳。进站时需要根据天气条件、钢轨状况合理地进行撒砂，改善运行条件，同时不能随意增大或减小制动力，确保列车平稳降速，防止打破轮轨间的黏着系数。停车时，应将列车速度控制在合适范围，若停车速度控制过高，则有冒进信号的危险，速度太低，则会造成列车晚点，影响行车秩序。因此在进站停车操作时应考虑周到，既要防止滑行，也要为下次起车作准备，因此制动力应控制在200KN左右，经过经验总结，此制动力既能压缩车钩，也可以较好地防止滑行，同时配合撒砂，能改变钢轨黏着状态，确保列车安全停稳。通过对重载列车的粘着操控研究之后发现，机车乘务员对轮轨间黏着力的控制普遍使用的方法：1是通过撒砂来改善钢轨面的粗糙度，从而改变轮轨间的黏着系数，确保能控制轮轨间粘着力；2是通过降低牵引或者制动力，使作用在轮对上的轮周力和着力平衡，从而控制轮轨间粘着力。现在和谐型大功率电力机车已经逐步将传统直流韶山系列机车替换，而和谐型大功率电力机车有模块化、智能化、网络化控制等特点。在实际运用过程中，和谐电力机车的牵引力设定之后，系统检测到空转后会通过TCU降低牵引力，但是空转消除后TCU会立即恢复设定值，从而再次导致控制或滑行等逻辑缺陷。因此仅仅利用机车自身程序来控制黏着力，难以满足重载列车运营安全。

4.展望未来

重载列车是未来货运铁路的发展主题，而列车运行的平稳与安全受轮轨间黏着力的制约，而轮轨运行条件的复杂性，使得目前是依赖机车乘务员根据影响轮轨黏着力的因素对列车进行控制的主要手段，机车乘务员受心理素质、专业技能、职业道德的制约，存在极多不可控制的因素，从而使重载列车在运行中存在一定的安全隐患，在科技保障安全的今天，机车乘务员应作为科技的一种备用手段，实现重载货运列车的安全、高效、快捷运行。

5.结语

铁路运输行业的高速发展对列车的智能运维、故障辨识、安全与可靠有更高的要求，重载列车的安全高效运行是建立在稳定的粘着的基础上，因此如何提高轮轨的黏着利用是急需解决的问题。本文通过粘着操控研究出发，通过分析空转滑行的危害，阐述粘着破坏的严重性，从列车的起动、上坡道运行、循环制动以及停车等不同情况时司机粘着控制的技巧与方法，确保重载列车的运行安全。