浅析朔黄线神华号电力机车坡起问题

黄建民

【摘 要】神华号大功率传动电力机车是中国神华与中国南车株洲电力机车厂共同研究开发的八轴货运电力机车，是我国目前自主化程度最高的电力机车，国产化率高达90%以上，是在HXD1型机车的基础上由株洲电力机车厂制造的适应神华铁路使用环境的交流传动八轴9600kW货运电力机车，自2013年1月份在朔黄线投入运用以来多次发生大坡道坡停，影响了运输秩序。本文从神华号机车设计原理、粘着控制系统及运用操纵等方面出发，深入分析了造成大坡道坡停的原因，提出了解决措施和方案，通过实施取得了良好效果。

【关键词】神华号机车;坡停;原因;分析;措施

中图分类号： U264.22 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）12-0054-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.025

0 引言

神华号大功率传动电力机车是中国神华集团与中国南车集团株洲电力机车厂为适应神华铁路运输需求共同研究开发的八轴9600KW货运电力机车，是我国目前自主化程度最高的电力机车，国产化率高达90%以上，具有极优的性价比，是朔黄铁路目前及未来的主型电力机车。该机车在HXD1型机车的基础上进一步优化机车的总体性能参数、设备布置、车体、通风系统及转向架等部件，机车主传动系统采用先进的水冷IGBT（3300V/1200A）国产变流器，主传动系统辅机电源为3AC440V 60Hz供电，通风、冷却辅机为变频控制;采用了国产微机控制技术，同时机车具有先进的智能化诊断功能和导向安全功能，机车制动系统采用国产DK-2制动机。自2013年1月份在朔黄线投入运用后担当朔黄铁路万吨列车牵引任务以来，频繁发生坡停，已成为影响朔黄线运输秩序的一个主要问题。

1 问题的提出

1.1 坡停情况统计

神华号大功率交流传动机车在朔黄线牵引万吨列车大坡道坡停主要停车区间主要集中在神池南至原平南，南湾至西柏坡间两个长大坡道区段，该区段长度分别为84km和102km，该区段地理环境较差，属山区地段，隧道较多。上行重车最大上坡道为4‰，下行空车最大上坡道为12‰，最小曲线半径6OOm。神华号机车从2013年5月份投担当朔黄铁路单牵万吨列车任务以来，频繁发生坡停， 至2018年12月份，共发生坡停57件，其中上行重车停车的31件，停车后正常再次记车成功的13件，请求救援的18件，下行空车停车的26件，停车后正常再次记车成功的18件，请求救援的8件。

机车发生坡停后容易造成两方面的影响：一是区间故障后救援时间较长，从神华号机车发生的坡停数据分析：在发生区间救援的共26件中，影响时间最长为2小时03分，最短1小时15分，平均每列影响91分钟。二是救援后存在安全隐患大，在长大坡道发生救援后存在联控及信息反馈困难、停车距分相距离较近过分相困难和救援车列启动容易发生断钩、打伤钢轨等一系列问题，一旦出现问题将会对运输安全造成极大的影响。

1.2 统计情况分析

（1）神华号新车上线之初，乘务员对机车性能不熟，操纵不当。

（2）机车在长大坡道长时间低速大电流牵引，导致机车变流逆变装置、牵引电机等部件故障或保护性牵引封鎖，导致部分牵引力丧失，大坡道时持续牵引力不足造成坡道停车。

（3）坡道起车对乘务员操纵水平要求较高，多次发生因操纵不当导致机车坡道起车不成功。

（4）钢轨湿滑、雨大或撒砂不良等导致机车粘着不良、机车空转及牵引力不足等，造成坡道停车。

2 原因分析

2.1 神华号大功率交流传动电力机车牵引特性原理

2.1.1 牵引力与机车运行速度的关系如图1.

图1 神华号机车的牵引特性曲线

从图1可以看出，牵引力与机车运行速度的关系如下表1：

如当手柄给定的目标速度为100km/h，速度为0～10km/h时，机车将发挥最大功率760kN;当机车速度为60km/h时机车只能发挥532kN的功率。

结论：牵引手柄位置一定时，随着速度的增加，能发挥的最大牵引力将逐渐减小。

2.1.2手柄级位与速度、牵引力的关系如图2

从图2可以看出，运行速度一定的情况下，手柄目标速度的选择决定着机车功率的发挥。

如：当速度为0时，手柄给的目标速度为15km/h时，机车牵引力发挥为14%，即760×14%=106.4kN;将手柄给定的目标速度提至120km/h时，机车牵引力发挥为100% ，即760×100%=760kN。

结论：速度一定时，手柄给定目标速度越高，牵引力发挥越大。

2.2 机车牵引力不能满足大吨位大坡道起车牵引需要

朔黄线神华号万吨列车编组方式为为116辆C70或108辆C80，列车总重分另为10788或10800吨，根据运行情况，对坡道启动所需牵引力进行了计算，具体如下： 以公式F=G/100x（i+3.5）进行计算，得出神华号机车在坡道上启动所需要的牵引力如表2：

从表2可以看出，坡道、牵引吨位越大，则需要的启动牵引力越大，如在朔黄线下行，神华号大功率机车牵引编组132辆的C64空车车体，总重3236吨，列车运行在12‰的坡道上被迫停车再起车时需要超过501.58kN的启动牵引力。而在上行，神华号大功率机车牵引编组116辆的C80重车车体，总重11800吨，整列列车运行在4‰的坡道上被迫停车再起车时需要超过885kN的启动牵引力。神华号机车的最大启动牵引力为760kN，在大坡道实际仅能发挥600kN左右，所以神华号机车牵引万吨列车在超过4‰长大上坡道区段被迫停车后，无法满足区停后再起车的要求，造成区间救援。

2.3 粘着不良导致空转坡停

轮轨间的可用粘着系数——最大粘着力和静荷重之比，决定了机车所能发挥的最大牵引力。轮轨间的可用粘着是由轮轨接触的物理状态所决定的，它随钢轨表而状态（干燥、湿润）、直道或曲线、轴重转移等因素的变化而改变。朔黄线西柏坡至神池南属山区线路，具有阴雨大气多、桥梁多、隧道多、弯道多等特点，尤其是在凌晨，轨而容易结露，粘着状态较差，易发生空转导致机车牵引力发挥不足。

当机车的粘着利用控制通过加速度或速度差检测到发生空转/滑行后，必须立刻快速削减牵引力/制动力，防止空转/滑行的恶化，避免轮轨的擦伤。由于空转/滑行被抑制，牵引电机因而避免了超速/堵转，牵引变流器也避免了过流。

（1）当轮轨间粘着状况突变导致车轮加速度急剧增加，并超过保护门槛值时，控制系统将认定为发生空转，同时进行防空转保护。

（2）当控制系统认定发生空转时，控制系统将迅速降低牵引力以抑制空转发生，然后按照粘着系数斜率的变化重新寻找新的粘着点。

（3）当空转发生之后，控制系统将会按照新的最大粘着点发挥牵引力。能否恢复到空转前的手柄设计牵引值，需视当前轮轨粘着系数而定。在轮轨粘着条件欠佳时，如果手柄设定目标值很大，实际力将低于设定力。

综上所述，列车在进入长大坡道爬坡及坡道起车过程中，应根据大气、线路状况、牵引定数等具体情况，及时采取应对措施，提高粘着系数，避免机车空转。因撒砂不及时、机车发生空转后盲目降低牵引力或提高牵引力以及信号变化、过分相控速不当等问题，易导致机车空转不能及时抑制或牵引力下降过快造成坡道停车。

2.4 坡道起车操纵失误导致起车失败

起车过车中容易发生操纵失误的原因：

（1）起车前未建立较高的总风风压，致使列车缓解时间过长或由于未及时缓解机车造成机车牵引封锁。

（2）缓解时机与提调速手柄时机配合不当（缓解后，提手柄太晚，造成列车后溜）;单元万吨尾部开缓时间表，如表3

（3）停车前未为起车做好压钩准备，致使全列车车钩在伸张状态;

（4）坡道起车时机车功率未达到起车所需要的功率;

（5）牵引手柄在牵引位停留时间不足，在机车未发挥最大功率时退回牵引手柄。

2.5 机车故障导致牵引力不足或坡道停车

神华号机车自运用以来，陆续发生主断路器卡合，TCU、BCU故障，网络干扰引起自动降弓及门极驱动板、牵引电机接地等导致机车丧失部分牵引力而坡道停车，停车后因牵引力不足无法起车造成救援。

3 改进措施及建议

3.1 优化机车粘着控制程序

为使神华号大功率交流电力机车粘着发挥至最优，进一步减少空转、滑行现象，研究粘着控制对踏面剥离的影响，朔黄铁路公司、株机公司以及株洲研究所共同成立粘着优化专题攻关小组，2013年10月至2015年12月份先后开展了9次粘着试验，试验采用单机牵引万吨列车的模式，在神池南至肃宁北站间12‰下坡道进行，洒水模拟雨天制动试验。通过多次试验，重点对新版粘着程序中的以下参数进行了修改，如表4.

通过修改相关参数，新版粘着程序在机车牵引力、电制动力提升取得了一定的效果，通过试验运行，改进后的神华号机车粘着程序能满足朔黄线单机牵引万吨列车的运用需求。

3.2 优化坡道起车办法，提高起车成功率

3.2.1 停车为起车做准备

（1）如遇前方信号变化，要求乘务员提前控制好速度，避免机车停于困难区段。

（2）如遇机车发生故障无法维持运行，必须停车处理时，停车地点应尽量选择在相对平直的线路上停车。

（3）尽量使用常用减压方式停车，停车前，除特殊情况外，减压速度不得低于10km/h，适量撒砂并适当增加机车制动力，使列车车钩在压缩状态下停车，停车后应立即将列车管追加到100KPa，为起车做好准备。

3.2.2 坡道起车前准备

上坡道起车前，应根据天气、线路坡道、曲线、列车编组、机车状况等因素综合考虑，做好思想准备，切忌慌乱、忙中出错，造成起车失败。

（1）起车前，使用强泵建立较高的总风风压（900KPa以上），以确保向列车管快速充风;

（2）将换向手柄置前位，确认各辅助机组启动正常;

（3）提前做好预想，根据减压量的大小，判断全列车缓解所需要的时间（按每秒钟缓解5辆计算，确定给定调速手柄时机;

（4）应将司机室IDU画而调至牵引数据画面，以便观察各牵引电机功率发挥情况。

3.2.3 坡道起车

起车时先缓解机车制动，将机车牵引力发挥至60kN～90kN左右，将机车与车辆的车钩拉开，然后再缓解列车制动，在缓解列车制动的同时迅速提高手柄位置，将牵引力给至列车启动所需要的牵引力，使机车保持不发生空转的最大牵引力等待，利用后部车辆制动逐步缓解的瞬间起动列车。机车移动后应迅速提高机车牵引力，并根据实际情况进行少量撒砂（天气良好避免撒沙），防止机车空转，造成起车失败。若牵引吨数及车辆数较多，用上述方法起不动时，可对列车进行压钩（不超过1/2），同时进行点式撒砂，使列车车钩在压缩状态停车，停车后再重新起动。

坡道起車时，乘务员必须正确判断后部车辆的缓解状态和缓解时间.掌握好提手柄时机.避免因操纵不当而造成空转或断钩及列车分离事故。列车压钩后再起车时，应注意手柄位置，防止因手柄位置不正确造成起车失败。如列车起不动时应迅速退回牵引手柄防止打伤钢轨，并立即采取制动措施，防止列车溜逸。

3.3 合理操纵，抑制空转

（1）列车接近上坡道以前，应提前进行预防性线式撒砂，充分发挥机车黏着牵引力，利用有利地形（线路直缓地段）尽量提高列车速度，储足动能，做先闯后爬，闯爬结合。爬坡时要注意观察各仪表的显示，并将IDU画面调置牵引数据画而，观察各轴牵引力的发挥情况。

（2）因神华号机车具有空转保护及轴重转移控制功能，机车在小幅空转后，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，此时乘务员切不可操之过急，盲目降低牵引力，防止空转进一步加剧。

4 结束语

通过对神华号机车大坡道坡停问题的深入分析，找出了机车质量、线路状况及乘务员操纵方面存在的问题，经过株洲研究所对粘着控制软件优化升级，优化坡道起车操纵方法、对C80车体缩编以及对员工的现场教育等措施的落实，神华号机车在朔黄线机车大坡道坡起问题已基本得到解决，确保了神华号大功率交流电力机车在神华铁路运输中的重要作用。

【参考文献】

[1]神华八轴大功率交流传动电力机车使用保养说明书.南车株洲电力机车有限公司.2012年4月.

[2]神华八轴大功率交流传动电力机车检修手册.南车株洲电力机车有限公司.2012年4月.

[3]吴新红，高首聪，等.HXD1C和HXD1型电力机车的黏着控制的再思考.机车电传动.2014年02期.

[4]王国建，刘红灿.重载列车发生坡停的原因及对策.铁道运输与经济.2008年01期.

[5]黄洪兰.防止同区铁路列车坡停的研究与对策.中国铁路.2007年12期.