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【摘要】通过论述HXD3型电力机车TCMS轮径设置值与牵引、电制动特性曲线的函数关系，指出了TCMS轮径失真对机车运用和维护的影响，提出了轮径人工修正和轮径自动修正的两种可行性解决方案。
【关键词】TCMS；轮径失真；人工修正；自动修正
1.问题的提出
机车车轴轮径为车轮滚动圆（与车轮内侧面平行并相距70毫米的平面与车轮踏面相交所成的圆）的直径，简称轮径。我国内燃机车标准轮径为1050mm，电力机车标准轮径1250mm。机车车轮与钢轨之间的粘着力产生牵引力或制动力，车轮与钢轨之间的粘着状态存在微量蠕动，粘着力也称其为蠕滑力。轮轨之间蠕滑的存在，必然引起机车车轮的自然磨耗，轮径随着机车走行公里的延长而逐渐减小。在和谐型机车运用和检修实践中，人们很少关注机车微机控制系统中轮径参数是否真实、准确，甚至机车进入C5等高级修程时轮径参数还停留在公称值。究其原因，没有充分认识到机车车载微机轮径参数的重要作用及其对机车性能乃至运用的影响。下面以HXD3型电力机车为研究对象举例分析说明。
2.机车速度测量原理
HXD3型电力機车是由中国北车集团大连机车车辆厂生产的六轴大功率交流传动电力机车，现配属在北京局、沈阳局、郑州局、济南局、西安局、兰州等多个铁路局担当旅客和货物列车牵引任务。该机车采用交—直—交、独立轴控电传动技术，设计持续功率7200kW，最高运行速度为120km/h，具有起动力矩大、恒功速度宽、黏着性能好、功率因素高等优点。
3.轮径与机车牵引制动特性的关系
以HXD3机车25T轴重为例，其牵引、电制动特性控制基本原理为：TCMS通过实时比较司机控制器设定速度和机车当前速度两者的大小关系，按照机车牵引力特性（式3）或电制动力特性（式3）计算出机车目标牵引力或电制动力，再生成牵引电机目标转矩值和目标转速，牵引变流器根据当前转矩、当前转速、目标转矩及目标转速实现闭环控制。同时TCMS与牵引变流器之间通过RS485通信协议实时进行数据交换，实现机车牵引力、电制动力闭环控制，从而使机车按照预先设定的牵引、电制动曲线工作。
4.轮径失真对机车运用及维护的影响
HXD3机车轮径D公称尺寸为1250mm，运用中允许磨耗到限尺寸1150mm，即机车轮径可变化范围为（1150～1250）mm。TCMS系统中轮径参数初始设置值为1250mm，超出轮径可变化范围系统默认为1250mm。假定机车TCMS轮径参数设定为D，而机车实际值轮径值Dˊ，此时TCMS微机屏显示的机车速度为V= 60/106×D×π×n轮，而真实机车速度为Vˊ=60/106×Dˊ×π×n轮，两者之间的关系为V/Vˊ=D/Dˊ。根据TCMS牵引和电制动特性可以推断此时TCMS系统传递给主变流器的牵引电机目标转矩T=F轮·D·i/2=F（V（D））·D·i/2，而实际轮径为Dˊ的车轮轮周上产生的真实牵引或电制动力F=2T/Dˊ/i=F（V（D））D/Dˊ。
通过以上理论推导可知：在轮径设定值与实际值不符的情况下，微机屏显示的机车速度及牵引或电制动力参数已失真，这就是轮径设置误差没有引起足够重视的客观原因。为了清晰地显示出轮径设置出现偏差对机车牵引和电制动性能的影响，以TCMS轮径设置值1250mm，实际轮径为允许运用最小直径1150mm举例予以说明。根据式1～5，绘制出实际轮径分别为1250mm、1150mm时对应的机车牵引、电制动特性控制曲线的外轮廓图（见图1、2）。
从图1、2中可以看出TCMS轮径设置失真时，机车牵引、电制动特性曲线发生了较大的变化：当机车速度在恒功速度点以下区域时，机车牵引、制动力随轮径值减小而增大；机车速度在恒功速度点和功率限制速度点区域内时，虽然机车功率保持不变，恒功速度和功率限制速度均随轮径减小而变小；机车速度高于功率限制速度点区域时，机车功率随轮径减小而减小。在真实轮径为1150mm、TCMS轮径参数为1250mm时，真实最大起动牵引力由570kN增大至620kN，真实最大电制动力由标准值400kN增大至435kN。
鉴于HXD3型电力机车主要承担货运牵引任务，如果TCMS中机车轮径设置失真过大导致的机车特性改变将会对机车运用及维修带来以下问题：
（1）加剧机车空转、打滑。HXD3型机车在设计时充分利用了异步电动机粘着利用率较高的特性，如果最大起动力和电制动力再增加的话，会增加轮对空转和滑行发生的概率。特别是在阴雨潮湿的环境下极易发生空转、打滑，既增加司机的操控难度，又容易出现擦伤轮事故。
（2）机车重联不同步。机车重联使用时，轮径设置误差引起各计算机车速度不同步一致，该误差越大，速度差异就明显。TCMS计算机车速度不一致将出现重联机车工作不同步，牵引力或电制动力不均问题，这将导致重联机车间出现冲动，严重时会引起断钩脱轨事故，危及行车安全。
（3）缩短大部件使用寿命。最大起动力、最大电制动力的额外增加会加速车轮磨耗，极端情况下出现轮对擦伤，必将缩短轮对走行公里和使用时间；重联机车间因轮径失真引工况不同步协调引起的列车冲动使牵引缓冲装置频繁工作在拉伸、压缩状态，引起车钩、缓冲器非正常失效，不但增加检修维护成本，更存在安全隐患。
5.解决方案
HXD3机车TCMS轮径参数失真应该引起足够重视，尽量保持与真实轮径值一致。机车轮径参数值可以通过人工定期修改和增加轮径自动修正两种方案得到彻底解决。
（1）人工定期改轮径值。TCMS显示机车速度与LKJ显示机车速度偏差一般超过2公里/小时就说明轮径参数需要进行按实测车轮直径修正调整。HXD3机车轮径修正设置方法如下：将低压电器柜（LV柜）上SA75转换切换至“试验”位，在TCMS主机箱PUZ电路板上把“CAR NO 10”拨至“9”、“MODE SET”拨至“F”进入TCMS参数修改模式，在司机室TCMS显示屏进入维护模式界面，输入维护密码后进入轮径设置画面，调整车轮直径值与实际值相符。
（2）增加TCMS轮径自动修正功能。HXD3车载监控系统系统（LKJ）具备轮径自动修正功能，修正后的轮径精度可达到0.2mm，该轮径参数精度完全能够满足TCMS对轮径的使用要求。在现有机车技术装备条件下，在TAX2箱预留功能中增加与TCMS的数据通信功能卡实现TCMS与LKJ两系统间的数据实时通信功能，即可用LKJ系统用轮径值修正TCMS轮径值，实现TCMS轮径自动修正功能。建议由主机厂连车公司牵头，LKJ设备商株洲电力机车研究所、河南思维自动化设备公司及TCMS设备商大连东芝机车电气设备有限公司共同研究制定LKJ与TCMS互联通通，实现数据交换功能，保证两者轮径值始终保持同步一致。
6.结语
通过对HXD3型电力机车TCMS车轮直径失真对其性能的影响分析，探讨了轮径失真对机车运用和维护的危害，给出了两种解决方案。综合来看，轮径自动修正方案较人工修正方案具有省时省力、可操作性等优点，在硬件改造投入不多的情况下能够确保TCMS轮径参数值与轮径实际值保持同步一致，彻底消除由轮径设置偏差给机车运用、维修带来的不良后果，对降低机车运用和维修成本具有重要意义。
参考文献
[1]张曙光. HDX3型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，2010.
作者简介
王如蛟（1980—）男，四川渠县人，工程师。
【关键词】TCMS；轮径失真；人工修正；自动修正
1.问题的提出
机车车轴轮径为车轮滚动圆（与车轮内侧面平行并相距70毫米的平面与车轮踏面相交所成的圆）的直径，简称轮径。我国内燃机车标准轮径为1050mm，电力机车标准轮径1250mm。机车车轮与钢轨之间的粘着力产生牵引力或制动力，车轮与钢轨之间的粘着状态存在微量蠕动，粘着力也称其为蠕滑力。轮轨之间蠕滑的存在，必然引起机车车轮的自然磨耗，轮径随着机车走行公里的延长而逐渐减小。在和谐型机车运用和检修实践中，人们很少关注机车微机控制系统中轮径参数是否真实、准确，甚至机车进入C5等高级修程时轮径参数还停留在公称值。究其原因，没有充分认识到机车车载微机轮径参数的重要作用及其对机车性能乃至运用的影响。下面以HXD3型电力机车为研究对象举例分析说明。
2.机车速度测量原理
HXD3型电力機车是由中国北车集团大连机车车辆厂生产的六轴大功率交流传动电力机车，现配属在北京局、沈阳局、郑州局、济南局、西安局、兰州等多个铁路局担当旅客和货物列车牵引任务。该机车采用交—直—交、独立轴控电传动技术，设计持续功率7200kW，最高运行速度为120km/h，具有起动力矩大、恒功速度宽、黏着性能好、功率因素高等优点。
3.轮径与机车牵引制动特性的关系
以HXD3机车25T轴重为例，其牵引、电制动特性控制基本原理为：TCMS通过实时比较司机控制器设定速度和机车当前速度两者的大小关系，按照机车牵引力特性（式3）或电制动力特性（式3）计算出机车目标牵引力或电制动力，再生成牵引电机目标转矩值和目标转速，牵引变流器根据当前转矩、当前转速、目标转矩及目标转速实现闭环控制。同时TCMS与牵引变流器之间通过RS485通信协议实时进行数据交换，实现机车牵引力、电制动力闭环控制，从而使机车按照预先设定的牵引、电制动曲线工作。
4.轮径失真对机车运用及维护的影响
HXD3机车轮径D公称尺寸为1250mm，运用中允许磨耗到限尺寸1150mm，即机车轮径可变化范围为（1150～1250）mm。TCMS系统中轮径参数初始设置值为1250mm，超出轮径可变化范围系统默认为1250mm。假定机车TCMS轮径参数设定为D，而机车实际值轮径值Dˊ，此时TCMS微机屏显示的机车速度为V= 60/106×D×π×n轮，而真实机车速度为Vˊ=60/106×Dˊ×π×n轮，两者之间的关系为V/Vˊ=D/Dˊ。根据TCMS牵引和电制动特性可以推断此时TCMS系统传递给主变流器的牵引电机目标转矩T=F轮·D·i/2=F（V（D））·D·i/2，而实际轮径为Dˊ的车轮轮周上产生的真实牵引或电制动力F=2T/Dˊ/i=F（V（D））D/Dˊ。
通过以上理论推导可知：在轮径设定值与实际值不符的情况下，微机屏显示的机车速度及牵引或电制动力参数已失真，这就是轮径设置误差没有引起足够重视的客观原因。为了清晰地显示出轮径设置出现偏差对机车牵引和电制动性能的影响，以TCMS轮径设置值1250mm，实际轮径为允许运用最小直径1150mm举例予以说明。根据式1～5，绘制出实际轮径分别为1250mm、1150mm时对应的机车牵引、电制动特性控制曲线的外轮廓图（见图1、2）。
从图1、2中可以看出TCMS轮径设置失真时，机车牵引、电制动特性曲线发生了较大的变化：当机车速度在恒功速度点以下区域时，机车牵引、制动力随轮径值减小而增大；机车速度在恒功速度点和功率限制速度点区域内时，虽然机车功率保持不变，恒功速度和功率限制速度均随轮径减小而变小；机车速度高于功率限制速度点区域时，机车功率随轮径减小而减小。在真实轮径为1150mm、TCMS轮径参数为1250mm时，真实最大起动牵引力由570kN增大至620kN，真实最大电制动力由标准值400kN增大至435kN。
鉴于HXD3型电力机车主要承担货运牵引任务，如果TCMS中机车轮径设置失真过大导致的机车特性改变将会对机车运用及维修带来以下问题：
（1）加剧机车空转、打滑。HXD3型机车在设计时充分利用了异步电动机粘着利用率较高的特性，如果最大起动力和电制动力再增加的话，会增加轮对空转和滑行发生的概率。特别是在阴雨潮湿的环境下极易发生空转、打滑，既增加司机的操控难度，又容易出现擦伤轮事故。
（2）机车重联不同步。机车重联使用时，轮径设置误差引起各计算机车速度不同步一致，该误差越大，速度差异就明显。TCMS计算机车速度不一致将出现重联机车工作不同步，牵引力或电制动力不均问题，这将导致重联机车间出现冲动，严重时会引起断钩脱轨事故，危及行车安全。
（3）缩短大部件使用寿命。最大起动力、最大电制动力的额外增加会加速车轮磨耗，极端情况下出现轮对擦伤，必将缩短轮对走行公里和使用时间；重联机车间因轮径失真引工况不同步协调引起的列车冲动使牵引缓冲装置频繁工作在拉伸、压缩状态，引起车钩、缓冲器非正常失效，不但增加检修维护成本，更存在安全隐患。
5.解决方案
HXD3机车TCMS轮径参数失真应该引起足够重视，尽量保持与真实轮径值一致。机车轮径参数值可以通过人工定期修改和增加轮径自动修正两种方案得到彻底解决。
（1）人工定期改轮径值。TCMS显示机车速度与LKJ显示机车速度偏差一般超过2公里/小时就说明轮径参数需要进行按实测车轮直径修正调整。HXD3机车轮径修正设置方法如下：将低压电器柜（LV柜）上SA75转换切换至“试验”位，在TCMS主机箱PUZ电路板上把“CAR NO 10”拨至“9”、“MODE SET”拨至“F”进入TCMS参数修改模式，在司机室TCMS显示屏进入维护模式界面，输入维护密码后进入轮径设置画面，调整车轮直径值与实际值相符。
（2）增加TCMS轮径自动修正功能。HXD3车载监控系统系统（LKJ）具备轮径自动修正功能，修正后的轮径精度可达到0.2mm，该轮径参数精度完全能够满足TCMS对轮径的使用要求。在现有机车技术装备条件下，在TAX2箱预留功能中增加与TCMS的数据通信功能卡实现TCMS与LKJ两系统间的数据实时通信功能，即可用LKJ系统用轮径值修正TCMS轮径值，实现TCMS轮径自动修正功能。建议由主机厂连车公司牵头，LKJ设备商株洲电力机车研究所、河南思维自动化设备公司及TCMS设备商大连东芝机车电气设备有限公司共同研究制定LKJ与TCMS互联通通，实现数据交换功能，保证两者轮径值始终保持同步一致。
6.结语
通过对HXD3型电力机车TCMS车轮直径失真对其性能的影响分析，探讨了轮径失真对机车运用和维护的危害，给出了两种解决方案。综合来看，轮径自动修正方案较人工修正方案具有省时省力、可操作性等优点，在硬件改造投入不多的情况下能够确保TCMS轮径参数值与轮径实际值保持同步一致，彻底消除由轮径设置偏差给机车运用、维修带来的不良后果，对降低机车运用和维修成本具有重要意义。
参考文献
[1]张曙光. HDX3型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，2010.
作者简介
王如蛟（1980—）男，四川渠县人，工程师。