動車組牽引系統(tǒng)故障統(tǒng)計分析＊

劉詩佳

（中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西太原030051）

近些年，中國高速鐵路蓬勃發(fā)展，給人們的出行帶來了很大的便利。牽引系統(tǒng)是動車組的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，在保障動車組安全可靠地運行上起著舉足輕重的作用。為了使?fàn)恳到y(tǒng)更好地運用和維修，有必要對其進行故障統(tǒng)計和故障原因分析。

1 牽引系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹及各分系統(tǒng)的功能

牽引系統(tǒng)由數(shù)個相對獨立的高壓設(shè)備和牽引單元組成，它將電能轉(zhuǎn)換成機械能用以提供動車的運行動力，并在動車組再生制動時將機械能轉(zhuǎn)換成電能回饋電網(wǎng)。

將動車組牽引系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次劃分為系統(tǒng)、分系統(tǒng)、裝置、組件4種約定級別，建立牽引系統(tǒng)及各分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。將約定級別定義如下：

（1）系統(tǒng)。由可分開工作的兩套或多套分系統(tǒng)與其所需的裝置、組件、部件及零件所組成，能完成一種或多種使用功能的組合體。如牽引系統(tǒng)。

（2）分系統(tǒng)。由裝置、組件等組成，能夠完成系統(tǒng)內(nèi)某項使用功能并且是系統(tǒng)的一個重要組成部分。如牽引系統(tǒng)中的牽引傳動分系統(tǒng)。

（3）裝置。由一個或多個單元體和所需的組件、部件以及零件連接而成或聯(lián)合使用，能夠完成某項使用功能。如牽引電機。

（4）組件。由多個零件或多個部件或它們之間的任意組合組成的，能夠完成某一特定功能，并能拆裝的組合體。如牽引電機的測量組件。

牽引系統(tǒng)由高壓電器分系統(tǒng)、牽引傳動分系統(tǒng)和輔助電源及機組分系統(tǒng)3部分構(gòu)成。

圖1為高壓電器分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。通過這些裝置，高壓電器分系統(tǒng)可以將接觸網(wǎng)電能傳輸?shù)杰囕v的電氣系統(tǒng)，并濾掉網(wǎng)側(cè)電流中的有害成分。出現(xiàn)緊急情況時斷開主斷路器，所有負載將從高壓供電系統(tǒng)上切斷。

圖1 高壓電器分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

動車組的牽引傳動采用交—直—交傳動技術(shù)，圖2為牽引傳動分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。主要裝置包括主變壓器、牽引變流器（含牽引控制單元）和牽引電機。牽引傳動分系統(tǒng)根據(jù)車輛運行指令，生成牽引變流器控制信號，牽引時將接觸網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化為機械能傳遞到輪軸，再生制動時將機械能轉(zhuǎn)化為電能回送電網(wǎng)。

圖2 牽引傳動分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

輔助電源及機組分系統(tǒng)由輔助變流器（含輔助控制單元）、電池充電機、蓄電池及其他輔助用電設(shè)備構(gòu)成，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹如圖3所示。其他輔助用電設(shè)備包括HVAC（采暖、通風(fēng)、空調(diào)）系統(tǒng)、空壓機及照明等裝置。輔助電源連接在各車廂之間，能夠提供三相四線制50 Hz、400V交流電源和110V直流電源，供列車輔助交流和直流設(shè)備使用。

圖3 輔助電源及機組分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

2 牽引系統(tǒng)故障的主次及因果分析

根據(jù)牽引系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，將牽引系統(tǒng)故障模式進行分類匯總，繪制故障的主次圖。各分系統(tǒng)或裝置的故障比例按從大到小的順序顯示出來，同時用累積百分比表示故障的累積作用，其中累積百分比在80%～90%之間的因素為故障的主要因素，在90%～100%范圍內(nèi)的因素為故障的次要因素。

牽引系統(tǒng)包含大量部件，故障種類繁多，故障原因錯綜復(fù)雜，分析起來比較困難，因此本文以牽引分系統(tǒng)或裝置的故障作為結(jié)果，以導(dǎo)致其發(fā)生故障的各種因素作為原因，采用因果圖的方法進行故障分析。從因果圖中可以清楚看到設(shè)備的故障情況，從而對故障原因有一個整體把握，同時也方便找出主要原因，促進故障的解決。

（1）高壓電器分系統(tǒng)故障的主次及因果分析

圖4為高壓電器分系統(tǒng)故障主次圖，從圖中可以看出，受電弓故障占高壓電器故障的67.64%，遠高于其他高壓電器裝置，其次是主斷路器故障占14.55%。受電弓和主斷路器故障是高壓電器故障的主要因素，其累積故障百分比達到82.19%。車頂高壓電纜、高壓互感器、高壓隔離開關(guān)、避雷器、電流互感器、網(wǎng)側(cè)濾波器及接地開關(guān)故障所占比例較小，它們是高壓電器故障的次要因素。

圖4 高壓電器故障主次圖

從高壓電器故障的因果圖5中可以看出導(dǎo)致受電弓和主斷路器的故障原因最多，結(jié)合主次圖分析，由于高壓電器安裝在車頂，工作環(huán)境惡劣，會受到風(fēng)、雨、雪、日曬等天氣影響，同時車頂設(shè)備還會遭到異物撞擊，受電弓和主斷路器發(fā)生這種意外故障的比例很大。其中受電弓還要與高壓電網(wǎng)接觸取電，其上臂出現(xiàn)裂紋、風(fēng)管破損十分常見，因此受電弓故障發(fā)生的頻率最高。還有車頂?shù)慕佑|網(wǎng)線也會比牽引系統(tǒng)其他線路更易磨損、絕緣等級降低。因此，整個高壓電器是牽引系統(tǒng)故障最多的分系統(tǒng)，受電弓和主斷路器又是高壓電器最為薄弱的部分，需要重點維護。

圖5 高壓電器故障因果圖

（2）牽引傳動分系統(tǒng)故障的主次及因果分析

由于牽引傳動分系統(tǒng)包含的裝置和組件較多，以該裝置為對象進行作圖分析，以便詳細了解的故障信息。圖6為主變壓器故障的主次圖，從中可以看出冷卻單元故障最多，占主變壓器總故障的一半多，其次是保護電器故障占13.04%，冷卻單元、保護電器、連接組件、箱體及繞組故障是主變壓器故障的主要因素，其累積故障百分比達到81.87%。測量組件、油路組件和其他故障是主變壓器故障的次要因素。

圖6 主變壓器故障主次圖

以導(dǎo)致主變壓器無法正常工作的主要故障畫成主干，繪制因果圖，如圖7所示，這7種故障模式的產(chǎn)生主要是由冷卻單元及變壓器硬件故障引起的，在完成主變壓器功能時，它們相互影響、關(guān)聯(lián)。連接組件主要是插頭故障和線路松動，可以通過選擇高質(zhì)量的配件及線路加固來降低故障發(fā)生幾率。主變壓器繞組浸在油中，采用油冷方式進行冷卻，其冷卻單元是保證變壓器正常工作的關(guān)鍵，應(yīng)經(jīng)常清理濾網(wǎng)、檢查風(fēng)機和熱交換器狀態(tài)，從而發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

牽引變流器故障主次圖如圖8所示，與主變壓器故障相似的是冷卻單元故障所占總故障的比例最大，為33.59%。牽引控制單元TCU及四象限整流器故障比例接近，分別為23.33%和21.54%。冷卻單元、牽引控制單元TCU、四象限整流器和PWMI逆變器故障是導(dǎo)致變流器故障的主要因素，其累積故障百分比為92.05%，預(yù)充電電路、中間電路和其他故障是變流器故障的次要因素。

以牽引變流器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹為分類依據(jù)，對變流器各組件故障進行篩選匯總，得到變流器故障因果圖，如圖9所示，IGBT不同功率模塊的損壞會分別導(dǎo)致四象限整流器、中間電路、PWMI逆變器故障。牽引控制單元TCU故障主要是由于其組成板卡及網(wǎng)絡(luò)故障所導(dǎo)致的。變流器的冷卻方式為水冷和風(fēng)冷，冷卻液通過水泵強制循環(huán)，外部風(fēng)扇和內(nèi)部風(fēng)扇加強散熱效果，其故障發(fā)生較頻繁，故障原因也較多。

牽引電機故障的主次圖如圖10所示，速度傳感器故障最多，所占電機總故障的39.42%，是電機軸承故障百分比19.13%的兩倍多。速度傳感器、電機軸承、電機溫度傳感器、定子轉(zhuǎn)子故障的累積故障百分比為83.18%，是牽引電機故障的主要因素。與牽引變壓器、變流器不同的是冷卻單元故障成為裝置故障的次要因素，同為電機故障次要因素的還有連接組件故障和其他故障。

圖7 主變壓器故障因果圖

圖8 牽引變流器故障主次圖

電機的溫度傳感器較多，定子溫度傳感器、軸承溫度傳感器和電機溫度傳感器，其損壞會導(dǎo)致不同組件故障，如圖11牽引電機故障因果圖所示。電機定子轉(zhuǎn)子故障的主要原因還有繞組絕緣性能變差，軸承故障的主要原因還有漏油。由于牽引電機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，會用到速度傳感器對其進行測量，又因牽引

圖9 牽引變流器故障因果圖

圖10 牽引電機故障主次圖

電機數(shù)量多，因此速度傳感器故障所占電機故障的比例較大。通過提高速度傳感器和溫度傳感器的質(zhì)量可以減少牽引電機很多故障。

（3）輔助電源及機組分系統(tǒng)故障的主次及因果分析

輔助電源及機組故障主次圖如圖12所示，其中輔助變流器故障最多，占輔助電源及機組總故障的66.41%，其次是電池充電機占20.70%。輔助變流器與電池充電機故障是輔助電源及機組故障的主要因素，其累積故障百分比達到87.11%，蓄電池故障很少發(fā)生，它和其他輔助用電設(shè)備故障構(gòu)成輔助電源及機組故障的次要因素。

圖11 牽引電機故障因果圖

圖12 輔助電源及機組故障主次圖

為作圖方便，將輔助變流器的故障原因分為輸入／輸出故障和輔助變流器其他故障，如圖13所示。輔助變流器構(gòu)成組件多，故障原因多種多樣，除逆變模塊故障、連接組件故障、保護電器故障、冷卻單元故障外還有濾波電容損壞和軟件故障等。電池充電機的故障原因也很多，輸出電流、電壓傳感器經(jīng)常失效。蓄電池故障原因相對較少。結(jié)合輔助電源及機組故障主次圖，可以看出輔助電源及機組故障主要存在于輔助變流器，應(yīng)對輔助變流器的故障多加重視。

圖13 輔助電源及機組故障因果圖

3 結(jié)束語

本文根據(jù)牽引系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，分類統(tǒng)計了動車組在運行過程中牽引系統(tǒng)發(fā)生的各種故障。通過繪制故障主次圖，得到了分系統(tǒng)及裝置故障的主要、次要因素；繪制因果圖分析了導(dǎo)致其故障的原因。該統(tǒng)計分析結(jié)果可供動車組庫檢和維修時參考，指導(dǎo)牽引系統(tǒng)有重點地檢修，對加強牽引系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的關(guān)注和技術(shù)改造，提高其運用可靠性及整車的安全服役性有著重要意義。

［1］張曙光.CRH1型動車組［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［2］趙 宇.可靠性數(shù)據(jù)分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

［3］董錫明.軌道列車——可靠性、可用性、維修性和安全性［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.