HXN5型内燃机车撒砂系统优化研究
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摘 要 撒砂系统可以直接影响机车轮轨间粘着利用系数，优良的撒砂系统性能配合控制系统可以有效抑制轮对的空转和滑行，特别是在恶劣的轮轨条件下不仅可以改善机车的粘着牵引力性能，还能够提高机车的紧急制动性能，从而保障运输能力和行车安全。本文阐述了hxn5型内燃机车撒砂系统的组成和优化方案，并通过对优化方案的试验验证，找出了提高该型机车在恶劣气候条件下轮轨粘着系数的方法。试验结果证实了优化方案的效果，进一步提高了撒砂系统性能。
关键词 HXN5；内燃机车；撒砂系统；撒砂量；优化
中图分类号U262 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）90-0027-02
0引言
随着HXN5型内燃机车的不断投入使用，其卓越的牵引性能和先进的轴控模式得到了各配属铁路局和机务段的普遍赞誉。
但随着机车运用里程的不断增长和运用区域的不断扩大，该型机车逐步暴露出了一些与运用需求和运用条件不相适应的问题，如雨、雪天气条件下牵引力发挥不足、轮对磨损异常等问题。
因此，如何进一步挖掘该型机车的牵引性能，减少轮对异常磨损，确保全天候的牵引力发挥成为了各用户单位的迫切需求。
机车牵引力发挥与轮轨间粘着利用系数有着最紧密的关系，而粘着系数又与其它的很多因素有关，例如轨面状态、踏面状态、运行线路条件、运行组织方式等因素。
但是面对用户急待解决的实际问题，在运行条件和组织方式不易改变的条件下，通过优化机车的撒砂系统性能来改善和提高轮轨间的粘着系数成为了最直接和最有可能实现的方式。本文针对HXN5型机车的实际运用问题，提出了优化撒砂系统的改进方案，并设计和开展了详实的试验验证工作。
在机车撒砂系统的优化方案中，充分考虑了不同撒砂量、不同撒砂口位置对机车粘着利用系数的影响和变化，通过多方案比选和匹配，找出了最合理的撒砂量和出砂口位置，实现了本课题的研究目标，基本解决了用户的实际运用问题。
2 撒砂系统的构成
撒砂系统由撒砂控制阀、撒砂控制器、砂箱及撒砂口等组成。
3撒砂系统的优化方案
在不改变HXN5型机车的粘着控制策略和配置的条件下，撒砂系统的优化工作主要就是从调整和控制撒砂量和出砂口位置这两个指标入手进行系统优化。
1）撒砂控制器改进后的撒砂控制器具有的特点
（1）撒砂量的调节范围为0.2L/min～1.0L/min；
（2）且应具有调节四个位置的功能： 0.3L/min±0.1L/min、0.5L/min±0.1/Lmin、0.7L/min±0.1L/min、0.9L/min±0.1L/min。
2） 出砂口位置
撒砂口位置共设置3个位置：
1）原车位置；
2）出砂口距轨面15mm～18mm、距车轮踏面15mm～18mm（撒砂口分为鸭嘴扁口、斜口朝上和朝下三种情况）；
3）出砂口距轨面28mm～30mm、距车轮踏面28mm～30mm（撒砂口分为鸭嘴扁口、斜口朝上和朝下3种情况）。
3 撒砂系统的试验方案
1） 试验条件
（1）试验的组织：由中国铁道科学研究院机车车辆研究所负责试验验证，南车戚墅堰公司负责方案设计和试验配合；
（2）线路：北京环行线和正线；
（3）主要设备：均衡风缸、列车管、制动缸空气压力传感器、牵引电机电压和电流传感器；
（4）用砂：20～40目的石英砂；
（5）试验工况：撒砂试验工况见表1。
2）试验方法
（1）在牵引制动试验时，确认撒砂量是否调整到规定的范围之内。同时为了增加列车起动阻力，采用货物列车施加部分制动（减压50kPa）以增加列车的启动阻力，使机车尽可能满功率发挥；
（2）坡道起动性能时，列车在选定试验区段停车后在被试机车前进方向的轨面上连续喷撒水（模拟粘着恶化），同时撒砂。机车满级牵引列车起动，观察试验机车抑制动轮空转及列车起动的情况。
5撒砂系统试验结果
5.1机车牵引性能试验
5.1.1干、湿轨面轮周牵引力比较
试验首先对机车在干轨和湿轨上不撒砂以及干轨上撒砂的工况进行试验。每个加速区间的轮周牵引力平均值如图1所示。
5.1.2 相同撒砂量、不同出砂口位置时的轮周牵引力比较
对撒砂量为0.3、0.5、0.7、0.9L/min下不同撒砂口位置下的轮周牵引力进行测量，表2中列出了在各撒砂量下最大的轮周牵引力。
加速区域（km/h）
5.1.3相同出砂口位置、不同撒砂量时的轮周牵引力比较
相同出砂口位置、不同撒砂量时的轮周牵引力进行测量，从测量的结果来看，出砂口斜口向下情况时牵引力最大，表3中列车了各位置时最大轮周牵引力。
加速区域（km/h）
5.2 优化后坡道起动性能试验
试验编组：HXN50147+ SY997745+DF41164+HXN50260+52辆货车
牵引重量：4665t；换长72.5m。
撒砂停止速度为：15km/h～80km/h。
5.2.1 试验结果
1）工况3下列车坡道起动试验
在潮湿轨面条件下的进行坡起试验，机车可以起动，但机车进入曲线段后牵引粘着恶化，牵引力下降（牵引手柄退回6位仍空转，牵引手柄置8位后牵引力无明显变化），试验曲线为图2。
2）工况8列车坡道起动试验
在潮湿轨面条件下的进行坡起试验，起车时机车牵引手柄逐级提至6位，速度达到 5km/h后牵引手柄提至8位，试验曲线的趋势与工况3基本一致。
3）工况10列车坡道起动试验
在潮湿轨面条件下的进行坡起试验，起车时机车牵引手柄逐级提至6位，速度达到 5km/h后牵引手柄提至8位，试验曲线的趋势与工况3基本一致。
6结论
1） 对比各工况下机车牵引性能，可以得到以下结论：
（1）干、湿轨面轮周牵引力比较
①总体来说，湿轨不撒砂时，机车牵引力损失较大。这是由于在湿轨条件下，轮轨间粘着状况较差，电机发挥的转矩无法有效传递到车轮，并且空转现象明显增多，机车的防空转功能发挥了作用，限制机车牵引力发挥。
②撒砂之后，机车轮周牵引力明显优于湿轨不撒砂工况，在干燥轨面撒砂情况下比湿润轨面不撒砂情况下牵引力平均提高了17%左右，说明撒砂能够改善机车轮轨间的粘着状态。
（2）相同撒砂量、不同出砂口位置时的轮周牵引力比较
①总体来说，出砂口朝下时的轮周牵引力比出砂口朝上要略大，但两者差异不大，均比鸭嘴扁口时的轮周牵引力略大。
②工况3、9、12和13时出砂口朝下比其它位置时的轮周牵引力大。
（3）相同出砂口位置、不同撒砂量时的轮周牵引力比较
工况3、8和13时出砂口朝下工况比其它工况下的轮周牵引力大。
2）对比各工况下列车坡道启动的试验曲线，可以得到以下结论：
（1）湿轨状态下，全功率牵引时机车空转比较严重，通过撒砂能够有所抑制空转，但机车牵引力恢复不到牵引特性要求值；
（2）相比直线，HXN5机车在曲线上空转更严重，粘着牵引力有所下降；
（3）总体上说，各工况下机车发挥的粘着牵引力差异不明显。
3） 撒砂量为0.3L/min～0.7L/min且撒砂口位置距离轨面25mm～30mm、距踏面距离为15km/h～30km/h时的牵引力改善牵引力效果较好。
参考文献
[1]郝金伟.HXN5型大功率交流机车.机车电传动，2009（2）.
[2]HXN5型机车的试验报告.中国铁道科学研究院机车车辆研究所，2012，JL字第040号.
[3]李垒.铁路车辆新型撒砂系统.国外内燃机车，2010（1）.