淺析HXD3型電力機(jī)車TCMS輪徑失真對(duì)機(jī)車運(yùn)用和維護(hù)的影響

【摘要】通過論述HXD3型電力機(jī)車TCMS輪徑設(shè)置值與牽引、電制動(dòng)特性曲線的函數(shù)關(guān)系，指出了TCMS輪徑失真對(duì)機(jī)車運(yùn)用和維護(hù)的影響，提出了輪徑人工修正和輪徑自動(dòng)修正的兩種可行性解決方案。

【關(guān)鍵詞】TCMS；輪徑失真；人工修正；自動(dòng)修正

1.問題的提出

機(jī)車車軸輪徑為車輪滾動(dòng)圓（與車輪內(nèi)側(cè)面平行并相距70毫米的平面與車輪踏面相交所成的圓）的直徑，簡(jiǎn)稱輪徑。我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車標(biāo)準(zhǔn)輪徑為1050mm，電力機(jī)車標(biāo)準(zhǔn)輪徑1250mm。機(jī)車車輪與鋼軌之間的粘著力產(chǎn)生牽引力或制動(dòng)力，車輪與鋼軌之間的粘著狀態(tài)存在微量蠕動(dòng)，粘著力也稱其為蠕滑力。輪軌之間蠕滑的存在，必然引起機(jī)車車輪的自然磨耗，輪徑隨著機(jī)車走行公里的延長(zhǎng)而逐漸減小。在和諧型機(jī)車運(yùn)用和檢修實(shí)踐中，人們很少關(guān)注機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)中輪徑參數(shù)是否真實(shí)、準(zhǔn)確，甚至機(jī)車進(jìn)入C5等高級(jí)修程時(shí)輪徑參數(shù)還停留在公稱值。究其原因，沒有充分認(rèn)識(shí)到機(jī)車車載微機(jī)輪徑參數(shù)的重要作用及其對(duì)機(jī)車性能乃至運(yùn)用的影響。下面以HXD3型電力機(jī)車為研究對(duì)象舉例分析說明。

2.機(jī)車速度測(cè)量原理

HXD3型電力機(jī)車是由中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛廠生產(chǎn)的六軸大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車，現(xiàn)配屬在北京局、沈陽局、鄭州局、濟(jì)南局、西安局、蘭州等多個(gè)鐵路局擔(dān)當(dāng)旅客和貨物列車牽引任務(wù)。該機(jī)車采用交—直—交、獨(dú)立軸控電傳動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)持續(xù)功率7200kW，最高運(yùn)行速度為120km/h，具有起動(dòng)力矩大、恒功速度寬、黏著性能好、功率因素高等優(yōu)點(diǎn)。

3.輪徑與機(jī)車牽引制動(dòng)特性的關(guān)系

以HXD3機(jī)車25T軸重為例，其牽引、電制動(dòng)特性控制基本原理為：TCMS通過實(shí)時(shí)比較司機(jī)控制器設(shè)定速度和機(jī)車當(dāng)前速度兩者的大小關(guān)系，按照機(jī)車牽引力特性（式3）或電制動(dòng)力特性（式3）計(jì)算出機(jī)車目標(biāo)牽引力或電制動(dòng)力，再生成牽引電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，牽引變流器根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩、當(dāng)前轉(zhuǎn)速、目標(biāo)轉(zhuǎn)矩及目標(biāo)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。同時(shí)TCMS與牽引變流器之間通過RS485通信協(xié)議實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)機(jī)車牽引力、電制動(dòng)力閉環(huán)控制，從而使機(jī)車按照預(yù)先設(shè)定的牽引、電制動(dòng)曲線工作。

4.輪徑失真對(duì)機(jī)車運(yùn)用及維護(hù)的影響

HXD3機(jī)車輪徑D公稱尺寸為1250mm，運(yùn)用中允許磨耗到限尺寸1150mm，即機(jī)車輪徑可變化范圍為（1150～1250）mm。TCMS系統(tǒng)中輪徑參數(shù)初始設(shè)置值為1250mm，超出輪徑可變化范圍系統(tǒng)默認(rèn)為1250mm。假定機(jī)車TCMS輪徑參數(shù)設(shè)定為D，而機(jī)車實(shí)際值輪徑值Dˊ，此時(shí)TCMS微機(jī)屏顯示的機(jī)車速度為V= 60/106×D×π×n輪，而真實(shí)機(jī)車速度為Vˊ=60/106×Dˊ×π×n輪，兩者之間的關(guān)系為V/Vˊ=D/Dˊ。根據(jù)TCMS牽引和電制動(dòng)特性可以推斷此時(shí)TCMS系統(tǒng)傳遞給主變流器的牽引電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩T=F輪·D·i/2=F（V（D））·D·i/2，而實(shí)際輪徑為Dˊ的車輪輪周上產(chǎn)生的真實(shí)牽引或電制動(dòng)力F=2T/Dˊ/i=F（V（D））D/Dˊ。

通過以上理論推導(dǎo)可知：在輪徑設(shè)定值與實(shí)際值不符的情況下，微機(jī)屏顯示的機(jī)車速度及牽引或電制動(dòng)力參數(shù)已失真，這就是輪徑設(shè)置誤差沒有引起足夠重視的客觀原因。為了清晰地顯示出輪徑設(shè)置出現(xiàn)偏差對(duì)機(jī)車牽引和電制動(dòng)性能的影響，以TCMS輪徑設(shè)置值1250mm，實(shí)際輪徑為允許運(yùn)用最小直徑1150mm舉例予以說明。根據(jù)式1～5，繪制出實(shí)際輪徑分別為1250mm、1150mm時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)車牽引、電制動(dòng)特性控制曲線的外輪廓圖（見圖1、2）。

從圖1、2中可以看出TCMS輪徑設(shè)置失真時(shí)，機(jī)車牽引、電制動(dòng)特性曲線發(fā)生了較大的變化：當(dāng)機(jī)車速度在恒功速度點(diǎn)以下區(qū)域時(shí)，機(jī)車牽引、制動(dòng)力隨輪徑值減小而增大；機(jī)車速度在恒功速度點(diǎn)和功率限制速度點(diǎn)區(qū)域內(nèi)時(shí)，雖然機(jī)車功率保持不變，恒功速度和功率限制速度均隨輪徑減小而變??；機(jī)車速度高于功率限制速度點(diǎn)區(qū)域時(shí)，機(jī)車功率隨輪徑減小而減小。在真實(shí)輪徑為1150mm、TCMS輪徑參數(shù)為1250mm時(shí)，真實(shí)最大起動(dòng)牽引力由570kN增大至620kN，真實(shí)最大電制動(dòng)力由標(biāo)準(zhǔn)值400kN增大至435kN。

鑒于HXD3型電力機(jī)車主要承擔(dān)貨運(yùn)牽引任務(wù)，如果TCMS中機(jī)車輪徑設(shè)置失真過大導(dǎo)致的機(jī)車特性改變將會(huì)對(duì)機(jī)車運(yùn)用及維修帶來以下問題：

（1）加劇機(jī)車空轉(zhuǎn)、打滑。HXD3型機(jī)車在設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了異步電動(dòng)機(jī)粘著利用率較高的特性，如果最大起動(dòng)力和電制動(dòng)力再增加的話，會(huì)增加輪對(duì)空轉(zhuǎn)和滑行發(fā)生的概率。特別是在陰雨潮濕的環(huán)境下極易發(fā)生空轉(zhuǎn)、打滑，既增加司機(jī)的操控難度，又容易出現(xiàn)擦傷輪事故。

（2）機(jī)車重聯(lián)不同步。機(jī)車重聯(lián)使用時(shí)，輪徑設(shè)置誤差引起各計(jì)算機(jī)車速度不同步一致，該誤差越大，速度差異就明顯。TCMS計(jì)算機(jī)車速度不一致將出現(xiàn)重聯(lián)機(jī)車工作不同步，牽引力或電制動(dòng)力不均問題，這將導(dǎo)致重聯(lián)機(jī)車間出現(xiàn)沖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起斷鉤脫軌事故，危及行車安全。

（3）縮短大部件使用壽命。最大起動(dòng)力、最大電制動(dòng)力的額外增加會(huì)加速車輪磨耗，極端情況下出現(xiàn)輪對(duì)擦傷，必將縮短輪對(duì)走行公里和使用時(shí)間；重聯(lián)機(jī)車間因輪徑失真引工況不同步協(xié)調(diào)引起的列車沖動(dòng)使?fàn)恳彌_裝置頻繁工作在拉伸、壓縮狀態(tài)，引起車鉤、緩沖器非正常失效，不但增加檢修維護(hù)成本，更存在安全隱患。

5.解決方案

HXD3機(jī)車TCMS輪徑參數(shù)失真應(yīng)該引起足夠重視，盡量保持與真實(shí)輪徑值一致。機(jī)車輪徑參數(shù)值可以通過人工定期修改和增加輪徑自動(dòng)修正兩種方案得到徹底解決。

（1）人工定期改輪徑值。TCMS顯示機(jī)車速度與LKJ顯示機(jī)車速度偏差一般超過2公里/小時(shí)就說明輪徑參數(shù)需要進(jìn)行按實(shí)測(cè)車輪直徑修正調(diào)整。HXD3機(jī)車輪徑修正設(shè)置方法如下：將低壓電器柜（LV柜）上SA75轉(zhuǎn)換切換至“試驗(yàn)”位，在TCMS主機(jī)箱PUZ電路板上把“CAR NO 10”撥至“9”、“MODE SET”撥至“F”進(jìn)入TCMS參數(shù)修改模式，在司機(jī)室TCMS顯示屏進(jìn)入維護(hù)模式界面，輸入維護(hù)密碼后進(jìn)入輪徑設(shè)置畫面，調(diào)整車輪直徑值與實(shí)際值相符。

（2）增加TCMS輪徑自動(dòng)修正功能。HXD3車載監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)（LKJ）具備輪徑自動(dòng)修正功能，修正后的輪徑精度可達(dá)到0.2mm，該輪徑參數(shù)精度完全能夠滿足TCMS對(duì)輪徑的使用要求。在現(xiàn)有機(jī)車技術(shù)裝備條件下，在TAX2箱預(yù)留功能中增加與TCMS的數(shù)據(jù)通信功能卡實(shí)現(xiàn)TCMS與LKJ兩系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信功能，即可用LKJ系統(tǒng)用輪徑值修正TCMS輪徑值，實(shí)現(xiàn)TCMS輪徑自動(dòng)修正功能。建議由主機(jī)廠連車公司牽頭，LKJ設(shè)備商株洲電力機(jī)車研究所、河南思維自動(dòng)化設(shè)備公司及TCMS設(shè)備商大連東芝機(jī)車電氣設(shè)備有限公司共同研究制定LKJ與TCMS互聯(lián)通通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能，保證兩者輪徑值始終保持同步一致。

6.結(jié)語

通過對(duì)HXD3型電力機(jī)車TCMS車輪直徑失真對(duì)其性能的影響分析，探討了輪徑失真對(duì)機(jī)車運(yùn)用和維護(hù)的危害，給出了兩種解決方案。綜合來看，輪徑自動(dòng)修正方案較人工修正方案具有省時(shí)省力、可操作性等優(yōu)點(diǎn)，在硬件改造投入不多的情況下能夠確保TCMS輪徑參數(shù)值與輪徑實(shí)際值保持同步一致，徹底消除由輪徑設(shè)置偏差給機(jī)車運(yùn)用、維修帶來的不良后果，對(duì)降低機(jī)車運(yùn)用和維修成本具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張曙光. HDX3型電力機(jī)車[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介

王如蛟（1980—）男，四川渠縣人，工程師。