和諧型電力機車微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)自主檢修研究方案探討

摘 要 和諧型電力機車微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)是機車的關(guān)鍵部件，因核心技術(shù)不掌握，檢修受制于部件制造廠家，是影響機車檢修的難題。為了落實國鐵集團、集團公司對和諧型機車檢修“提質(zhì)降本增效”的要求，迫切需要在微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)自主檢修方面進行研究和突破創(chuàng)新。文章對北京局集團公司配屬的和諧型電力機車微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行了分析，提出了自主檢修遵循的原則、技術(shù)路線、實施步驟、需要突破的關(guān)鍵技術(shù)難點和深入研究的問題，形成了研究方案。

關(guān)鍵詞 和諧型電力機車;微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng);自主檢修;研究;方案

1 概述

截至2019年，北京局集團公司配屬機車共計1655臺，其中和諧型交流傳動機車配屬944臺，占比57%，已成為集團公司配屬機車的主流。和諧型機車中內(nèi)燃機車121臺、電力機車823臺，電力機車占比87.2%，且承擔干線貨運及客運牽引任務(wù)，是和諧型機車中的主力。近年來，國鐵集團、集團公司持續(xù)推進以“提質(zhì)降本增效”為目標的和諧型機車修程修制改革，對和諧型機車部件、關(guān)鍵部件自主檢修提出了更高的要求。因此，實現(xiàn)和諧型電力機車微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)的自主檢修并有所突破創(chuàng)新顯得尤為必要[1]。

2 問題的提出

北京局集團公司配屬和諧型電力機車的機型主要是HXD2系列和HXD3系列。HXD2系列有HXD2、HXD2B兩種機型：HXD2B型機車采用阿爾斯通牽引控制系統(tǒng)，檢修已經(jīng)授權(quán)國內(nèi)企業(yè);HXD2型機車大多數(shù)為國產(chǎn)八軸車，牽引控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)國內(nèi)自主檢修。HXD3系列機車有HXD3、HXD3B、HXD3C、HXD3D四種機型，其中HXD3、HXD3C、HXD3D三種車型的微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)采用東芝的控制系統(tǒng)，目前仍有新造機車在生產(chǎn)，硬件支持及軟件升級仍在持續(xù)。而HXD3B型機車是龐巴迪的控制系統(tǒng)，到目前為止只生產(chǎn)了500臺，后續(xù)沒有進一步的新造計劃，且2019年起陸續(xù)進入C6修，選擇該車型的微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流裝置自主檢修作為起步研究較為適合。下面以HXD3B型機車為例，梳理微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)運用檢修中存在的突出問題，提出自主檢修的研究方案。

3 研究方案

3.1 現(xiàn)狀分析

HXD3B型機車自2009年陸續(xù)配屬北京局集團公司，已運用10年，電氣電子器件、連接器、易損件等的老化問題已日益嚴重。此外，由于技術(shù)封鎖等原因，進口產(chǎn)品的牽引逆變器核心部件相關(guān)的交付技術(shù)資料不夠詳細，機車檢修單位不掌握系統(tǒng)軟件更新處置、模塊試驗檢修、綜合調(diào)整等核心技術(shù)，網(wǎng)控系統(tǒng)中的電子裝置和變流裝置等核心部件的檢修主要依賴于變流器廠家。另一方面，通過檢修后網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仍存在通訊丟失、牽引封鎖，變流裝置IGBT故障等慣性問題，廠家整改效果也不明顯。

3.2 遵循原則

通過對HXD3B型機車運用檢修經(jīng)驗的積累，微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)是機車的關(guān)鍵系統(tǒng)，自主檢修的研究要深入研究、反復(fù)論證、周密安排、審慎推進，發(fā)生問題將直接影響機車運用質(zhì)量安全，后果嚴重。因此，自主檢修應(yīng)遵循以下原則：

（1）遵守國鐵集團、集團公司機車檢修技術(shù)政策及相關(guān)要求。

（2）符合國家知識產(chǎn)權(quán)保護相關(guān)法規(guī)要求。

（3）落實國鐵集團、集團公司的檢修技術(shù)規(guī)程和檢修范圍及標準。

（4）以問題為導(dǎo)向，以解決機車運用檢修中的存在的問題為目的。

（5）從小部件到大部件、從一般部件到核心部件，循序漸進開展自主檢修的研究和實踐，在確保機車運用安全的前提下穩(wěn)妥推進。

（6）選取國內(nèi)一流的鐵道科研院所、高?；驒C車及相關(guān)部件設(shè)計制造單位作為合作伙伴，發(fā)揮各自優(yōu)勢，通過共同研究、實踐驗證、成果推廣，由合作檢修逐漸向自主檢修過渡，形成自主檢修能力[2]。

3.3 技術(shù)路線

（1）技術(shù)路線的選擇

HXD3B型電力機車微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)自主修目前有兩種檢修思路：一是保持原車系統(tǒng)不變，對原車系統(tǒng)進行正常檢修維護，對故障件進行專項維修，同時開展必要的國產(chǎn)化替代研究和替代，以保障機車正常運用。二是將系統(tǒng)進行國產(chǎn)化整體改造替代，改造使用國內(nèi)自主化控制及變流系統(tǒng)，自主化產(chǎn)品具有完全自主生產(chǎn)及檢修能力。

（2）對比

技術(shù)方面：思路一可保證系統(tǒng)總體不發(fā)生改變，主要側(cè)重于維修和部分器件的替代，需對設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)及軟件控制進行技術(shù)研究，實現(xiàn)部分國產(chǎn)化替代方案，技術(shù)難度相對較小，實現(xiàn)周期較短。思路二需對整個系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)、通訊數(shù)據(jù)流、硬件結(jié)構(gòu)和軟件控制進行重新設(shè)計，開發(fā)周期長，技術(shù)難度相對較大，實現(xiàn)周期較長。

3.4 實施步驟

（1）研究HXD3B型機車微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)檢修技術(shù)規(guī)程，明確規(guī)程要求的檢修范圍及技術(shù)標準，研究制定檢修范圍及工藝、作業(yè)指導(dǎo)書，研究相關(guān)的檢修、檢測設(shè)備和互換配件配置方案。實現(xiàn)按檢修技術(shù)規(guī)程、檢修范圍及標準檢修。

（2）梳理微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)慣性故障，摸底質(zhì)量現(xiàn)狀，以問題為導(dǎo)向。經(jīng)過多年運用檢修經(jīng)驗的積累，梳理出HXD3B型機車微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)慣性故障主要集中在：VCU、GW網(wǎng)關(guān)報故障通信丟失，DCU或功率模塊故障，DCU檢測網(wǎng)壓錯誤，VCU數(shù)據(jù)不完整、丟失等幾方面問題。針對故障的處理方法基本上是重刷程序或更換配件，更換下來的配件外觀無異常，無法判定是否故障或故障原因。

（3）從解決機車質(zhì)量問題入手，開展已知故障部件的試修。故障部件分兩類：一類是被動型不具備軟件程序控制的部件，另一類是主動型具有芯片需要核心控制算法或可編程邏輯軟件的部件。被動型的部件著重電氣電子硬件器件的檢測、修復(fù)和更換。主動型具有芯片的部件修復(fù)工作較為復(fù)雜，首先要進行電氣電子硬件器件的檢測及修復(fù)更換，然后還要對芯片的控制算法及邏輯進行專業(yè)測試分析和研究，最后進行軟件、硬件聯(lián)合檢測調(diào)試。結(jié)合以上梳理出的HXD3B型機車微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)存在的慣性故障，可選取GW網(wǎng)關(guān)、VCU、DCU等部件開展試修。

（4）合作單位修復(fù)試修故障部件后，按照國鐵集團、集團公司的相關(guān)要求對修復(fù)件進行地面試驗驗證、運用考核、效果評價，確保質(zhì)量可靠。

（5）在驗證合格的前提下，擴大試修部件的檢修數(shù)量。同時按照國鐵集團、集團公司的相關(guān)要求進一步擴展試修部件的范圍，按要求完成試修、驗證、評審、推廣等程序。

（6）與合作單位組建維修團隊，開展按檢修技術(shù)規(guī)程、檢修范圍及標準對系統(tǒng)和對驗證合格試修配件的合作檢修。在合作中培養(yǎng)集團公司機務(wù)檢修系統(tǒng)自己的技術(shù)人員和作業(yè)人員，從合作檢修逐漸向自主檢修推進，形成自主檢修能力。

（7）隨著檢修技術(shù)的掌握，進一步擴展其他和諧型機車微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流裝置的合作檢修和自主檢修[3]。

4 關(guān)鍵技術(shù)難點

4.1 核心部件

機車牽引逆變器如圖1所示，主要涉及接觸器、支撐電容、IGBT牽引逆變器功率模塊、牽引逆變器驅(qū)動單元、TCU控制單元（HXD3B為DCU）。其中牽引逆變器功率模塊和TCU控制單元為核心部分，也是牽引逆變器檢修的重點。針對進口牽引逆變器的功率模塊和TCU控制單元需要自行研究相關(guān)技術(shù)。

4.2 功率模塊檢修

進口部件中牽引逆變器功率模塊檢修主要集中在IGBT的處理以及驅(qū)動板的檢修。在能采購到IGBT的情況下，對IGBT進行正常測試，參數(shù)符合該型號的要求即可裝車測試;因IGBT停產(chǎn)或其他原因采購不到，需要通過IGBT的替代來進行維修，需對IGBT參數(shù)進行測定，增加中間適配IGBT的中間驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路，以適應(yīng)原車的驅(qū)動控制。

4.3 微機網(wǎng)絡(luò)控制單元及TCU控制單元

由于微機網(wǎng)絡(luò)控制單元及TCU控制單元為牽引系統(tǒng)的核心技術(shù)，進口部件的技術(shù)資料非常少，需要搭建模擬整車環(huán)境的測試平臺來進行測試，設(shè)備投入及檢修難度較大。

4.4 自主檢修及國產(chǎn)化替代工藝

為了進一步固化自主檢修及國產(chǎn)化替代技術(shù)，需要建立完善微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流系統(tǒng)部件自主檢修及國產(chǎn)化替代的技術(shù)標準，形成相應(yīng)的檢修工藝及作業(yè)指導(dǎo)書，結(jié)合檢修作業(yè)人員的業(yè)務(wù)水平不斷實踐和修訂，推進自主檢修工作[4]。

5 需進一步研究的問題

（1）研究評估研發(fā)投入及自主檢修成本較委外檢修成本是否具有優(yōu)勢。研發(fā)需要投入一定的試驗、檢測、檢修設(shè)備和元器件，組織研發(fā)團隊，后續(xù)開展自主檢修將產(chǎn)生一定的人工、材料、管理等成本。委外檢修經(jīng)過近幾年來的逐步規(guī)范，已形成了較為統(tǒng)一的價格。兩者相比較，除成本對比外，還要從提高機務(wù)系統(tǒng)勞產(chǎn)率、提高職工收入、提升檢修職工技術(shù)水平、鍛煉檢修職工隊伍等多方面綜合考量。

（2）領(lǐng)會研究國鐵集團對微機網(wǎng)絡(luò)控制及變流裝置檢修的進一步政策規(guī)劃，及時調(diào)整研究方向。按照和諧型機車修程修制改革的要求，對關(guān)鍵系統(tǒng)的檢修有進一步的規(guī)劃，涉及檢修關(guān)鍵技術(shù)的平移、關(guān)鍵部件的維修資質(zhì)管理、檢修技術(shù)規(guī)程的變化等，都會影響檢修成本、生產(chǎn)力布局等方面，需要進一步跟進研究。

6 結(jié)束語

在機車微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及變流系統(tǒng)自主檢修方面，機務(wù)檢修系統(tǒng)目前存在專業(yè)技術(shù)人員不足、技術(shù)水平不高、檢修職工基礎(chǔ)知識匱乏、基本技能差、相應(yīng)的技術(shù)資料圖紙不完整齊備等問題，給開展和諧型機車關(guān)鍵部件自主檢修帶來了很大難度。通過以上的研究分析，提出遵循原則、技術(shù)路線選擇、實施步驟、關(guān)鍵技術(shù)難點，需要進一步深入研究自主檢修成本和國鐵集團的政策規(guī)劃，爭取逐步實現(xiàn)微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及變流系統(tǒng)自主檢修能力。

參考文獻

[1] 北車集團大連機車車輛有限公司.HXD3B型電力機車培訓(xùn)教材[M].大連：北車集團大連機車車輛有限公司，2009：1-43.

[2] 佚名.Ministry of Railway Transportation Maintenance Department.HXD3B electric locomotive[M].China Railway Press，2013：51.

[3] 楊守君，劉會巖.HXD3型交流傳動電力機車[J].電力機車與城軌車輛，2007，30（4）：9-13.

[4] Letor R，Candeloro Aniceto G. Short circuit behavior of IGBTs correlated to the intrinsic device structure and on the application circuit[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，1995，31（2）：234-239.

作者簡介

狄毅瑩（1977-），男，河北省石家莊市人;畢業(yè)院校：西南交通大學(xué)，專業(yè)：熱能動力機械與裝置，學(xué)歷：大學(xué)本科，高級工程師，現(xiàn)就職單位：中國鐵路北京局集團有限公司機務(wù)部。