重載列車從控機車再生制動力異常分析與對策

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（1．中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412001；2．大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412001）

0 概述

在2 萬噸重載列車的開行中，牽引力和制動力的平穩發揮是保證列車正常運行的關鍵之一。而制動力的大小關系著列車制動能否正常發揮，同時對列車的縱向沖擊等有著重要的影響[1]，因此，準確穩定的電制動力對于萬噸特別是2 萬噸重載列車的開行起著至關重要的作用。

1 背景

根據國內某機務段的反饋，某型交流機車在2 萬噸重載牽引運行過程中，在多次循環緩解后，施加再生制動出現從控機車再生制動力異常波動現象，從控機車再生力下降、列車縱向沖動明顯增大，嚴重影響了2 萬噸列車的運行安全。據了解，該型機車的黏著控制軟件近期進行了升級，該版黏著程序（V2.0）在原版黏著程序（V1.0）的基礎上，增加了速度信號波動判斷和處理功能，能有效減少黏著保護誤觸發概率，同時針對踏面保護等問題進行了優化，并且在蘭州、株洲等地完成了單機牽引運行驗證試驗。為了查明縱向沖動明顯增大、再生制動力波動的原因，筆者對異常現象發生當日的機車運行數據進行分析。

2 異常原因分析

2.1 運行數據分析

2.1.1 列車沖動與再生制動力卸載的關系

筆者選取該型機車A 節和B 節當日第一次故障發生時刻的運行數據進行分析，A 節機車運行數據如圖1 所示，B 節機車運行數據如圖2 所示。

根據A 節車第一次故障時刻機車運行數據可知，在列車緩解后1 min 左右，機車速度發生跳變，跳變速度幅度大約為1 km/h。然后，機車制動力開始減載。

根據B 節車第一次故障時刻的機車運行數據可知，在A 節車速度跳變的同時，B 節車也發生了速度跳變，且速度幅度也為1 km/h。

圖1 A 節車第一次故障時刻運行數據

圖2 B 節車第一次故障時刻運行數據

根據A 節和B 節機車運行的數據可以看出，2 節車同時發生了速度跳變，說明該速度跳變的發生是整列車縱向沖動引起的。經分析，速度跳變的時間推測為列車緩解后，運行速度開始提高，行駛一段時間后，由于坡度增加或是車鉤重新進入平衡狀態，造成速度突然降低。

從運行數據分析總結可得出，列車是先發生速度跳變再出現再生制動力卸載。

2.1.2 黏著保護功能驗證

為進一步分析列車的速度跳變與再生制動力卸載之間存在的具體聯系，筆者對該型機車在黏著控制功能發揮的數據進行分析，驗證黏著控制功能是否正常，A 節和B 節機車在滑行保護下運行的數據如圖3、圖4 所示。

圖3 A 節車滑行保護下運行數據

圖4 B 節車滑行保護下運行數據

圖3、圖4 運行數據表明，在沖動點發生了列車速度跳變。在黏著控制功能正常運行的情況下，對制動力進行較大程度的卸載，之后未出現沖動點，說明黏著控制功能發揮了作用。

通過對以上的機車運行數據進行分析，說明機車在運行過程中出現速度跳變、滑行等狀況，車載的黏著保護功能能正常發揮功能。同時機車的速度突變、再生制動力卸載及黏著控制軟件三者之間存在一定的聯系。

2.2 黏著利用控制原理

輪軌式機車依靠輪軌接觸間的黏著力運動，運行所需的牽引力與制動力與輪、軌之間的黏著力有著密切的關系，不同的軌道狀況、天氣情況、踏面環境下對應的輪軌間的黏著力也不盡相同。為了提高黏著力的利用率，通常使用黏著控制軟件來調節電機的輸出力矩。黏著利用控制功能是輪軌式車輛的必備功能，該功能通過黏著控制軟件來實現輪、軌之間黏著力的最佳利用，能增加黏著力的利用率，有效地避免空轉與滑行現象[2]。

黏著利用控制是指在路況條件變化不定的情況下，通過對電機速度、電機力矩等信息的采集、分析和處理，結合由司機給出的期望電機力矩指令，向電機控制系統發出恰當的電機力矩指令，使機車能夠在司機手柄要求范圍內以當前線路的最大黏著力運行。

當機車檢測到加速度或速度差等指標超過閾值時，會啟動黏著保護功能，使電機轉矩快速減小，直至空轉滑行現象得到抑制并消除。電機轉矩會保持當前大小直至相應指標穩定。待到保持時間后，如果未檢測到指標超標問題，電機轉矩將逐步恢復，直至恢復到減載前的電機轉矩[3-4]。典型的保護策略有以下3 種。

2.2.1 速度差保護

通過比較同一車輛下的動力輪對間最大速度差值，根據該差值按照一定的關系調整電機黏著力矩設定值，使機車在發生空轉和滑行時能夠迅速恢復輪軌間正常的黏著狀態，如圖5 所示。

2.2.2 加/減速度保護

加速度保護控制是通過檢測輪對的加/減速度是否超出設定閾值，并在輪對加速度超出設定的閾值時，根據加速度的大小降低電機黏著力矩設定值以抑制空轉和滑行現象，如圖6 所示。

圖5 速度差保護功能

圖6 加速度保護功能

2.2.3 蠕滑速度保護

通過計算獲得當前車輛參考蠕滑速度與當前真實蠕滑速度的差值，根據該差值按照一定的關系調整電機黏著力矩的設定值，使在發生空轉和滑行時能夠迅速恢復輪軌間正常黏著狀態，如圖7 所示。該保護功能具有防同步空轉或同步滑行功能[5]。

圖7 蠕滑速度保護功能

2.3 異常波動原因分析

通過對以上機車運行數據的分析，可知機車速度跳變、再生制動力卸載與黏著保護之間的聯系。結合黏著控制軟件設計參數及具體運行數據進行綜合分析，選取上述某時刻沖動點速度與再生制動力數據進行分析。

選取A 節車沖動點速度數據中的3 個時間點進行分析，見表1。

表1 A 節車沖動點時速度與再生制動力情況

從表1 中可以看出，機車速度從最初時間點23 160 開始上升，再從時間點23 173 開始逐步下降，速度跳變經歷時間約5 s，變動幅度約為1 km/h。在沖動點速度下降階段，再生制動力從200 kN 降至60 kN，隨后逐步緩慢恢復。

在再生制動力卸載后，其值基本保持穩定。由此可知，在速度跳變期間的制動力卸載并不是造成列車沖動的原因。

列車緩解后產生沖動，機車的速度跳變是承受車輛的沖擊而造成的。在速度跳變的恢復階段，觸發黏著保護，進而造成再生制動力減載。至此可說明，制動力減載的卸載是由于黏著保護功能的判斷失誤而造成的，其誤判原因與黏著控制軟件的版本有關。

通過將V2.0 版黏著控制軟件與V1.0 版本進行對比，發現在3 個方面存在差異。1）對減載恢復曲線進行優化，以減少二次滑行。將卸載后恢復過程分為3 個階段。第一階段，保持卸載量一定時間。第二階段，在未檢測到新的空轉滑行時，以指數函數形式恢復電機轉矩至卸載前的85%。第三階段，以非常緩慢的直線斜率方式繼續恢復剩余的15%電機轉矩。2）提高了對滑行狀態判斷的靈敏度，將蠕滑速度保護門檻值調低。經過對比差異分析可知，2 萬噸列車從控機車再生力異常波動的原因：新版黏著控制軟件更新后提高了對滑行狀態判斷的靈敏度，但未做萬噸牽引列車沖動具體驗證，從而造成速度信號處理參數在該機務段運用中有誤保護動作，最終使機車再生制動力發生波動。3）運用工況差異。從控機車位于列車中部，在長大下坡道，它處于前頂后壓的受力狀態，容易使機車瞬間處于懸浮的狀態，與V2.0 版黏著控制程序驗證的工況相差較大。

3 解決措施

針對再生制動力異常波動發生的原因，提出2 點解決措施。1）針對萬噸牽引、長距離制動運行等具體工況優化黏著控制軟件參數，適當提高蠕滑速度保護門檻值，降低對滑行狀態判斷的靈敏度。2）進行萬噸列車牽引試驗，驗證軟件參數的合理性。經過再次優化的V2.1 版黏著控制軟件在該機務段進行了2 萬噸列車運行試驗，主控機車和從控機車未發生再生制動力異常的現象，后續進行了批量裝車，運用效果良好。

4 結語

通過對該機務段機車再生力異常現象的分析及后續處理措施的制定，對2 萬噸列車黏著控制有更加深入的認識。特別是從控機車運用工況與主控機車、單機牽引列車的工況相差較大，對后續2 萬噸重載列車黏著控制及列車縱向沖擊力地減輕提供了試驗數據和研究方向。