HXD3D型電力機(jī)車(chē)換端功能的研究與實(shí)現(xiàn)

宋夕政, 李　哲, 李　新, 周慶強(qiáng), 張　冰

(1　大連東軟信息學(xué)院　電子工程系， 遼寧大連 116023;2　中國(guó)北車(chē)集團(tuán)　大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司， 遼寧大連 116022)

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HXD3D型電力機(jī)車(chē)換端功能的研究與實(shí)現(xiàn)

宋夕政1, 李哲2, 李新2, 周慶強(qiáng)2, 張冰2

(1大連東軟信息學(xué)院電子工程系， 遼寧大連 116023;2中國(guó)北車(chē)集團(tuán)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司， 遼寧大連 116022)

為了解決HXD3D型電力機(jī)車(chē)換端所需時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，同時(shí)簡(jiǎn)化司機(jī)換端操作步驟，降低司機(jī)整體勞動(dòng)強(qiáng)度，提出了在HXD3D型電力機(jī)車(chē)上增加換端功能，從而有效的解決了換端時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。首先對(duì)換端功能的操作方法做了整體介紹，然后對(duì)換端功能的控制實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了邏輯分析，之后對(duì)換端功能的邏輯保護(hù)進(jìn)行了說(shuō)明，最后，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)13個(gè)月的行車(chē)試驗(yàn)給出試驗(yàn)結(jié)論。

HXD3D型電力機(jī)車(chē)； 換端功能； 控制邏輯； 升弓管路

HXD3D型機(jī)車(chē)是六軸大功率交流傳動(dòng)客運(yùn)電力機(jī)車(chē)，機(jī)車(chē)的最高運(yùn)行速度為160 km/h，其具有牽引功率大、運(yùn)行平穩(wěn)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[1]。目前主要在北京、沈陽(yáng)等鐵路局擔(dān)當(dāng)客運(yùn)牽引任務(wù)。

在運(yùn)用考核中發(fā)現(xiàn)機(jī)車(chē)執(zhí)行換端操作時(shí)，受電弓再次升起需要的時(shí)間長(zhǎng)，造成了機(jī)車(chē)晚點(diǎn)運(yùn)行，甚至導(dǎo)致旅客投訴；同時(shí)，整個(gè)換端操作過(guò)程繁瑣，嚴(yán)重的增加了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1　換端新舊操作方法的對(duì)比

當(dāng)機(jī)車(chē)從始發(fā)地到達(dá)目的地時(shí)，機(jī)車(chē)通常會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)線或入庫(kù)操作。這兩種操作全部需要進(jìn)行換端。

在沒(méi)有換端功能的情況下，司機(jī)通常會(huì)先在操作端停止空壓機(jī)、斷開(kāi)主斷路器，并且降下受電弓，拔出機(jī)車(chē)電鑰匙，然后到達(dá)機(jī)車(chē)另一操作端，插入機(jī)車(chē)電鑰匙，升起受電弓、閉合主斷路器，最后開(kāi)啟空壓機(jī)。

整個(gè)過(guò)程冗余、拖沓、繁瑣，嚴(yán)重的增加了司機(jī)的整體勞動(dòng)強(qiáng)度，而且在有的情況下，司機(jī)到另一操作端升弓時(shí)，升弓判定條件繁瑣且輔助空壓機(jī)提供風(fēng)源較慢，使得整個(gè)升弓過(guò)程可能需要等待較長(zhǎng)時(shí)間，甚至?xí)斐蓹C(jī)車(chē)晚點(diǎn)，以致旅客投訴。

在增加換端功能的情況下，司機(jī)只需要先在操作端按下?lián)Q端按鍵，然后到達(dá)機(jī)車(chē)另一操作端，再按下?lián)Q端按鍵，就可以完成整個(gè)換端操作。整個(gè)換端過(guò)程簡(jiǎn)單、方便、快捷，并且通過(guò)改進(jìn)風(fēng)源提供方式、增加換端工況，避免了出現(xiàn)等待受電弓升起的情況，確保了機(jī)車(chē)的正點(diǎn)運(yùn)行。

整個(gè)換端過(guò)程由TCMS全程自動(dòng)監(jiān)視控制，判斷是否符合進(jìn)入換端工況的判定條件和機(jī)車(chē)的控制保護(hù)條件。同時(shí)在換端過(guò)程中，由空氣壓縮機(jī)為升弓管路提供風(fēng)源，高效、快捷地提供清潔并且干燥的空氣，確保受電弓不會(huì)因?yàn)轱L(fēng)源不足而降下。當(dāng)司機(jī)第1次按下?lián)Q端按鍵的時(shí)候，機(jī)車(chē)升雙受電弓，第2次按下?lián)Q端按鍵的時(shí)候，機(jī)車(chē)升單受電弓，自動(dòng)完成整個(gè)換端。

2　換端功能的控制實(shí)現(xiàn)

首先對(duì)機(jī)車(chē)的升弓控制原理進(jìn)行研究分析，為機(jī)車(chē)新增換端功能的升級(jí)改造提供基礎(chǔ)論證，然后，將有無(wú)換端功能進(jìn)行對(duì)比研究，以確保在不打破原機(jī)車(chē)控制保護(hù)的同時(shí)，又能增加換端功能，達(dá)到簡(jiǎn)化司機(jī)操作的目的。分析主要針對(duì)兩大方面：電氣控制方面：TCMS發(fā)出升弓指令傳送到升弓電磁閥得電的各個(gè)環(huán)節(jié)；風(fēng)源方面：風(fēng)源的來(lái)源方式和風(fēng)源流經(jīng)的管路環(huán)節(jié)。

2.1電氣控制環(huán)節(jié)

(1)升弓電氣原理簡(jiǎn)述

機(jī)車(chē)升弓電氣原理簡(jiǎn)圖如圖1所示，控制電源控制升弓指令開(kāi)關(guān)、受電弓壓力開(kāi)關(guān)、輔壓機(jī)狀態(tài)開(kāi)關(guān)和受電弓其他保護(hù)條件開(kāi)關(guān)的閉合或斷開(kāi)。當(dāng)符合開(kāi)關(guān)閉合條件時(shí)，控制電源供電，符合條件的開(kāi)關(guān)閉合，否則開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。同時(shí)TCMS采集控制接地等受電弓保護(hù)條件信號(hào)，確保升弓電氣電路的安全。當(dāng)所有控制升弓條件的開(kāi)關(guān)全部閉合并且符合受電弓保護(hù)條件時(shí)，TCMS輸出升弓信號(hào)，升弓電磁閥得電，機(jī)車(chē)受電弓升起[2]。

(2)軟件控制環(huán)節(jié)

機(jī)車(chē)升弓控制邏輯簡(jiǎn)圖如圖2所示，在司機(jī)操縱端輸入升弓指令后，TCMS判斷受電弓壓力開(kāi)關(guān)狀態(tài)和輔助空氣壓縮機(jī)工作狀態(tài)，同時(shí)檢測(cè)其他升弓保護(hù)條件，如滿足所有升弓條件，則TCMS輸出升弓指令，升弓電磁閥得電。

圖1　升弓電氣示意圖

圖2　升弓控制邏輯簡(jiǎn)圖

當(dāng)檢測(cè)到的升弓風(fēng)缸中的氣壓低于480 kPa時(shí)，受電弓壓力開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，機(jī)車(chē)受電弓壓力開(kāi)關(guān)狀態(tài)不滿足升弓條件。此時(shí)輔助空氣壓縮機(jī)開(kāi)始工作，為升弓風(fēng)缸提供清潔并且干燥的風(fēng)源，當(dāng)升弓風(fēng)缸中的值到達(dá)指定值后，輔助空氣壓縮機(jī)停止工作，此時(shí)滿足受電弓的升起條件[3]。

當(dāng)輔助空氣壓縮機(jī)開(kāi)始工作，則只有當(dāng)升弓風(fēng)缸壓力高于735 kPa時(shí)，輔助空氣壓縮機(jī)才會(huì)停止工作。但是由于輔助空氣壓縮機(jī)提供給升弓風(fēng)缸氣壓的增值較大，而且輔助空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速慢、排風(fēng)量低，導(dǎo)致輔助空氣壓縮機(jī)向升弓風(fēng)缸提供風(fēng)源的過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，所以在這種情況下，會(huì)導(dǎo)致機(jī)車(chē)換端需要等待的時(shí)間長(zhǎng)。

升弓風(fēng)缸中的氣壓過(guò)低不符合升弓的邏輯判斷條件。當(dāng)機(jī)車(chē)處于換端工況時(shí)，司機(jī)在操作端輸入升弓指令。若TCMS檢測(cè)到升弓風(fēng)缸氣壓高于480 kPa，則此時(shí)受電弓壓力開(kāi)關(guān)符合升弓條件，并且輔助空氣壓縮機(jī)停止工作，在其他升弓條件滿足的情況下，升弓電磁閥得電；若檢測(cè)到升弓風(fēng)缸氣壓低于480 kPa，則此時(shí)受電弓壓力開(kāi)關(guān)不符合升弓條件，并且輔助空氣壓縮機(jī)開(kāi)始工作為升弓風(fēng)缸補(bǔ)充風(fēng)源[4]。

(3)升雙弓控制邏輯

在沒(méi)有換端工況的情況下，當(dāng)司機(jī)給出受電弓升起指令時(shí)，在升弓條件滿足的情況下，機(jī)車(chē)升后弓(即非操作端的受電弓)，所以，當(dāng)機(jī)車(chē)進(jìn)行換端操作時(shí)，需要先將原升起的受電弓降下，然后升起另一端受電弓。根據(jù)機(jī)車(chē)的保護(hù)控制邏輯，當(dāng)機(jī)車(chē)的兩端受電弓全部降下時(shí)，TCMS會(huì)發(fā)出斷主斷路器的命令。

在主斷路器閉合的情況下，由空氣壓縮機(jī)提供風(fēng)源，因?yàn)榭諝鈮嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速快、排風(fēng)量高，所以在正常情況下，升弓風(fēng)缸中的壓力值始終高于480 kPa，滿足升弓條件?？諝鈮嚎s機(jī)的工作條件要求主斷路器閉合，并且主斷路器閉合條件要求兩個(gè)受電弓不可以同時(shí)降下。

因此提出增加換端工況確保主斷路器閉合的解決方案。當(dāng)司機(jī)在操作端按下?lián)Q端按鍵，機(jī)車(chē)操作端和非操作端的兩個(gè)受電弓同時(shí)升起，并且整個(gè)過(guò)程主斷路器保持閉合狀態(tài)，以便由空氣壓縮機(jī)為升弓風(fēng)缸提供風(fēng)源，使得升弓風(fēng)缸中始終保持足夠的氣壓以確保受電弓保持升起的狀態(tài)。同時(shí)修改機(jī)車(chē)控制保護(hù)邏輯，在進(jìn)入換端工況時(shí)，可以拔出機(jī)車(chē)電鑰匙，受電弓不會(huì)降下[5]。

修改換端工況的受電弓氣壓保護(hù)條件。只有當(dāng)升弓風(fēng)缸中的氣壓低于480 kPa時(shí)，受電弓才會(huì)降下，所以在換端工況的情況下，當(dāng)機(jī)車(chē)的升弓風(fēng)缸氣壓低于480 kPa以致無(wú)法保證受電弓保持升起狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)受電弓全部降下。

2.2風(fēng)源管路環(huán)節(jié)

(1)升弓風(fēng)源

整個(gè)升弓系統(tǒng)的管路主要由風(fēng)源管路和升弓管路兩部分組成。如圖3所示，風(fēng)源管路中升弓風(fēng)缸的壓縮空氣主要有2個(gè)來(lái)源，第1個(gè)來(lái)源是輔助空氣壓縮機(jī)，其在受電弓升起之前工作，負(fù)責(zé)提供清潔和干燥的空氣，并存儲(chǔ)在升弓風(fēng)缸中，供受電弓升起時(shí)使用；第2個(gè)來(lái)源是空氣壓縮機(jī)，其在受電弓升起之后工作，空氣壓縮機(jī)為總風(fēng)缸提供清潔和干燥的空氣，并且當(dāng)總風(fēng)缸中壓力高于升弓風(fēng)缸的氣壓時(shí)，總風(fēng)缸中的壓縮空氣可以單向流向升弓風(fēng)缸，并存儲(chǔ)在升弓風(fēng)缸中，供受電弓在升起的情況下保持受電弓升起狀態(tài)時(shí)使用。

圖3　升弓管路示意圖

空氣壓縮機(jī)和輔助空氣壓縮機(jī)比較，前者轉(zhuǎn)速快而且排風(fēng)量高，能夠快速為升弓風(fēng)缸提供清潔和干燥的空氣。當(dāng)總風(fēng)缸里的氣壓高于升弓風(fēng)缸的氣壓時(shí)，空氣壓縮機(jī)會(huì)通過(guò)總風(fēng)缸向升弓風(fēng)缸提供清潔并且干燥的空氣。所以空氣壓縮機(jī)比輔助空氣壓縮機(jī)能更快的為升弓風(fēng)缸提供風(fēng)源。

因?yàn)榭傦L(fēng)缸會(huì)向列車(chē)管、總風(fēng)管等管路設(shè)備提供風(fēng)源，所以總風(fēng)缸中壓縮空氣會(huì)有損耗。當(dāng)總風(fēng)缸的壓力低于750 kPa時(shí)，一臺(tái)空氣壓縮機(jī)向總風(fēng)缸提供風(fēng)源；當(dāng)總風(fēng)缸的壓力低于680 kPa時(shí)，兩臺(tái)空氣壓縮機(jī)同時(shí)向總風(fēng)缸提供風(fēng)源，所以在空氣壓縮機(jī)正常工作的情況下，總風(fēng)缸可以快速為升高風(fēng)缸提供風(fēng)源，確保升弓風(fēng)缸中的氣壓始終高于480 kPa。

(2)常規(guī)換端風(fēng)源消耗原因

在受電弓升起的情況下，升弓風(fēng)缸為確保受電弓保持升起狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生氣壓損耗，而且風(fēng)源管路和升弓管路的連接處有存在細(xì)微漏風(fēng)的現(xiàn)象，所以升弓風(fēng)缸中的氣壓會(huì)緩慢降低。當(dāng)機(jī)車(chē)在行駛過(guò)程中，當(dāng)升弓風(fēng)缸中的氣壓降低時(shí)，空氣壓縮機(jī)開(kāi)始工作，確保迅速產(chǎn)生清潔并且干燥的空氣，補(bǔ)充升弓風(fēng)缸損失的氣壓。但是當(dāng)機(jī)車(chē)進(jìn)行換端時(shí)，空氣壓縮機(jī)會(huì)停止工作，升弓風(fēng)缸中損失的壓縮空氣不能得到迅速的補(bǔ)充。

司機(jī)進(jìn)行換端操作時(shí)，司機(jī)首先將自動(dòng)制動(dòng)手柄置于緊急制動(dòng)位，列車(chē)管向外排風(fēng)，機(jī)車(chē)進(jìn)入制動(dòng)工況，機(jī)車(chē)停車(chē)，然后將自動(dòng)制動(dòng)手柄置于運(yùn)行位，緩解懲罰制動(dòng)，最后拔出電鑰匙準(zhǔn)備換端。在換端過(guò)程中，因?yàn)榭傦L(fēng)缸會(huì)向列車(chē)管、制動(dòng)缸等提供風(fēng)源，所以總風(fēng)缸的氣壓會(huì)下降，并且因?yàn)閾Q端操作時(shí)，空氣壓縮機(jī)停止工作，所以此時(shí)，總風(fēng)缸沒(méi)有足夠的氣壓向升弓風(fēng)缸提供風(fēng)源。

(3)換端功能風(fēng)源補(bǔ)充

換端功能也存在升弓風(fēng)缸中壓縮空氣會(huì)有損耗的情況，但是因?yàn)榭諝鈮嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速快而且排風(fēng)量高，能夠快速為升弓風(fēng)缸提供清潔和干燥的空氣，可以迅速補(bǔ)充損耗的壓縮空氣。所以整個(gè)換端過(guò)程采用空氣壓縮機(jī)提供風(fēng)源，確保升弓風(fēng)缸中的氣壓始終高于480 kPa，整個(gè)換端過(guò)程中，受電弓不會(huì)因?yàn)樯L(fēng)缸中的氣壓值低導(dǎo)致降弓。

同時(shí)將空氣壓縮機(jī)的工作判定條件進(jìn)行修改，在換端的工況下，兩端全部拔出電鑰匙，在其他判定條件滿足的情況下，空氣壓縮機(jī)仍然可以繼續(xù)工作，由空氣壓縮機(jī)在換端過(guò)程中提供持續(xù)風(fēng)源。

3　換端功能的新增邏輯控制保護(hù)

在軟件保護(hù)方面，首先為確保司機(jī)不會(huì)因?yàn)檎`操作情況而進(jìn)入換端工況，加入了只有當(dāng)機(jī)車(chē)在停車(chē)狀態(tài)下才能進(jìn)入換端工況的判定條件，使得機(jī)車(chē)在正常運(yùn)行過(guò)程中，不會(huì)因?yàn)檎`操作而進(jìn)入換端工況，避免造成機(jī)車(chē)擊破。

然后考慮到因?yàn)檎`操作進(jìn)入換端工況后需要退出換端工況的情況，加入了連續(xù)按兩次換端按鍵會(huì)退出換端工況的判斷邏輯，此時(shí)由升雙弓變?yōu)樯龁喂瑫r(shí)保持主斷路器閉合，恢復(fù)到機(jī)車(chē)的原始狀態(tài)。

最后考慮到機(jī)車(chē)不可以長(zhǎng)時(shí)間停留在換端工況，加入了進(jìn)入換端工況最長(zhǎng)停留時(shí)間的條件，將最長(zhǎng)停留時(shí)間設(shè)置為5 min，若是在5 min之內(nèi)司機(jī)沒(méi)有到另一操作端完成整個(gè)換端操作，則默認(rèn)為退出換端工況，此時(shí)主斷路器自動(dòng)斷開(kāi)，同時(shí)兩端受電弓全部降下。

在硬件管路方面，為確保在機(jī)車(chē)長(zhǎng)期運(yùn)行后，管路中連接處不會(huì)因?yàn)闄C(jī)車(chē)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行使得螺母松動(dòng)，造成管路緩慢漏風(fēng)，甚至造成機(jī)車(chē)擊破。所以提出了需定期檢查連接處是否松動(dòng)，如發(fā)現(xiàn)松動(dòng)需及時(shí)處理。當(dāng)機(jī)車(chē)出廠時(shí)，管路連接處用紅色防松線標(biāo)記螺栓和螺母的相對(duì)位置，在螺栓和螺母連接松動(dòng)時(shí)，紅色防松線會(huì)發(fā)生錯(cuò)位的現(xiàn)象。所以定期檢查管路連接處，當(dāng)發(fā)現(xiàn)紅色防松線標(biāo)記錯(cuò)位時(shí)，應(yīng)及時(shí)用力矩鉗將螺母擰緊[6]。

4　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)換端操作受電弓升起時(shí)間長(zhǎng)的情況，從電路和氣路兩個(gè)角度考慮可能導(dǎo)致受電弓升起時(shí)間長(zhǎng)的原因，并考慮機(jī)車(chē)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)管路造成的影響。提出了TCMS控制軟件增加換端工況和硬件換端按鍵、優(yōu)化了管路問(wèn)題自檢方案、簡(jiǎn)化整個(gè)換端操作，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)車(chē)的迅速換端。

2012～2013年，HXD3D型電力機(jī)車(chē)在沈大線(沈陽(yáng)—大連)和京哈線(北京—哈爾濱)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)13個(gè)月的行車(chē)試驗(yàn)，取得了良好的效果，換端功能可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)迅速換端，為后期HXD3D型機(jī)車(chē)的批量生產(chǎn)和HXD3C型機(jī)車(chē)的批量升級(jí)改造提供了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

[1]李哲, 李新, 趙鑫, 等. HXD3D型電力機(jī)車(chē)冬季寒冷地區(qū)升弓技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2015, 35(2)：87-89.

[2]王偉群, 楊偉君, 王鵬飛. 動(dòng)車(chē)組升弓控制系統(tǒng)[J]. 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2011, 31(5)：115-117.

[3]謝春華. 對(duì)韶山系電力機(jī)車(chē)操縱控制電路的改進(jìn)建議[J]. 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2010, 30(2)：88-89.

[4]李新, 謝陳剛. HXD3C型電力機(jī)車(chē)輔助變流器水冷卻技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2012, 32(3)：57-59.

[5]于萬(wàn)聚. 高速電氣化鐵路接觸網(wǎng) [M]. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 2003.

[6]杜建波. HXD3C型機(jī)車(chē)受電弓故障的查找和原因分析[J]. 鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2013, 33(4)：113-116.

Research and Realization of Changing Cab Technology On HXD3D Type Electric Locomotive

SONG Xizheng1, LI Zhe2, LI Xin2, ZHOU Qingqiang2, ZHANG Bing2

(1Department of Electronic Engineering, Dalian Neusoft University of Information, Dalian 116023 Liaoning, China;2CRRC Dalian Locomotive and Rolling Stock Co., Ltd., Dalian 116022 Liaoning, China)

In order to solve the problem that HXD3D type electric locomotive spends much time to change cab, and to decrease operation steps and working strength, adding the function of changing cab on HXD3D type electric locomotive was proposed. In this paper, at first the operation of this function is introduced. After that, the control and realization are analyzed. Finally the logic protection of this function is explained. In the end, the test result is obtained by 13 months running experiment.

HXD3D type electric locomotive; changing cab technology; controlling logic; pantograph pipeline

1008-7842 (2016) 01-0017-03

??)男，高級(jí)工程師(

2015-09-15)

U264.3+4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.04