HXD3型電力機車主斷路器可靠性分析

石謹瑞

摘要：HXD3型大功率交流傳動電力機車是我國重載鐵路運輸系統(tǒng)中的主力型機車。作為HXD3型大功率電力機車高壓電器的重要組成部件，主斷路器用于接通牽引傳動電路，同時對機車進行過載以及短路保護，其可靠性直接影響機車的安全運行。因此，本文針對HXD3型電力機車主斷路器可靠性進行分析研究，并提出改善主斷路器可靠度的措施。

關(guān)鍵詞：HXD3型電力機車;主斷路器;可靠性

0 ?引言

2014年4月，在大秦鐵路上，我國成功進行了牽引重量為3萬噸的重載列車試驗，這標志著我國鐵路重載技術(shù)邁入世界領(lǐng)先水平，被視為我國重載鐵路發(fā)展的里程碑。隨著"一帶一路"戰(zhàn)略的實施，我國與沿線國家的聯(lián)系日趨緊密，商品貨物運輸量急劇增加，重載鐵路將迎來發(fā)展的黃金時期。根據(jù)規(guī)劃，我國將新建專用重載鐵路，同時對既有客貨混運鐵路進行改造，逐步升級為重載鐵路。2019年9月，全長1813.5公里的浩吉鐵路建成通車。浩吉鐵路是世界上一次建成、里程最長的重載鐵路，是新時代中國重載鐵路的標桿工程。目前，在重載鐵路上承擔(dān)運輸任務(wù)的主力機車為和諧型大功率電力機車，相對于傳統(tǒng)的直流電力機車，和諧型大功率電力機車具有功率大、黏著性能好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，其使用的交流傳動技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力機車發(fā)展的趨勢。

HXD3型大功率交流傳動電力機車由中車大連機車車輛有限公司研發(fā)制造，軸式為Co-Co，機車軸輸出功率7200kW，最高運行速度120km/h。機車滿足環(huán)境溫度在-40°C～40°C，海拔高度在2500m以下的條件，可以3組機車重聯(lián)控制運行[1]。

電力機車的主斷路器具有多個組成部分，每一部分的運行情況對于整體的運行都有著至關(guān)重要的影響，因此可將HXD3型大功率交流傳動電力機車的主斷路器視為一個串聯(lián)系統(tǒng)。楊云聰、王蘊等[2-4]以串、并聯(lián)系統(tǒng)為對象，對其進行了可靠性研究分析。王華勝等[5]將可靠性劃分了不同的等級，采用綜合評分法對動車組整車可靠性指標分配。文獻[6-8]以可靠性為基礎(chǔ)進行了建模，考慮了預(yù)防性維修的方式，以可靠度閾值為約束條件，當(dāng)部件可靠度衰減到標準閾值時進行部件的維護，保證了系統(tǒng)的正常運行。

1 ?HXD3型電力機車主斷路器的優(yōu)點和工作原理

1.1 HXD3型電力機車主斷路器的優(yōu)點

HXD3型電力機車主斷路器在牽引電路的網(wǎng)側(cè)電路中，使用BVACN99型真空斷路器，具有工作狀態(tài)穩(wěn)定、絕緣性好、開斷容器大、使用壽命長、便于維修等優(yōu)點。（圖1）

1.2 HXD3型電力機車主斷路器工作原理

當(dāng)主斷路器的控制電源得電時，電磁閥打開，儲風(fēng)缸中的壓縮空氣通過電磁閥進入傳動風(fēng)缸，推動活塞運動，連接活塞的高壓主觸頭也隨之發(fā)生位移。當(dāng)活塞運動到末端時，保持線圈通電，高壓主觸頭閉合，傳動風(fēng)缸排出壓縮空氣，主斷路器閉合。當(dāng)主斷路器的控制電源失電時，保持線圈失電，恢復(fù)彈簧推動活塞復(fù)位運動，高壓主觸頭斷開，真空開關(guān)管滅弧。當(dāng)活塞復(fù)位時，電磁閥關(guān)閉，分閘操作結(jié)束。

2 ?主斷路器可靠性模型

2.1 可靠性框圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

從可靠性框圖可以看出，電磁閥、儲風(fēng)缸，傳動風(fēng)缸、恢復(fù)彈簧、高壓主觸頭、保持線圈如果任一元件發(fā)生故障，主斷路器系統(tǒng)就無法工作，故主斷路器系統(tǒng)可視為串聯(lián)模型，其所對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為：

為提高系統(tǒng)可靠度，可盡可能減少串聯(lián)單元數(shù);提高單元可靠性，降低其故障率λi（t）;縮短工作時間t[9]。

3 ?主斷路器可靠性預(yù)計與再分配

經(jīng)過可靠度再分配后，系統(tǒng)滿足了規(guī)定的可靠度指標。

綜上所述，為了提高該主斷路器的可靠度，可采取以下措施：①采用剛度和強度較大的恢復(fù)彈簧;②對保持線圈進行必要的技術(shù)的改進，提高其運行可靠性;③加強對主斷路器工作狀態(tài)的檢測，同時，增加各個原部件的保養(yǎng)次數(shù)。

主斷路器故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)是開展可靠性分析的基礎(chǔ)，尤其是主斷路器在不同環(huán)境中運用階段收集的數(shù)據(jù)，反映的問題更為典型，因此需要鐵路各部門協(xié)調(diào)配合，分析研究出故障機理。同時，基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以通過極大似然估計法等方法對主斷路器壽命可靠性進行分析研究，結(jié)合部件維護模型，制定出高效、安全、綠色、經(jīng)濟的預(yù)防性維護策略，從而保證機車運行的安全性。

對于某一串聯(lián)系統(tǒng)而言，由于其集成度較高，任一單元發(fā)生故障都會引起系統(tǒng)的無法正常運行。本文建立了主斷路器串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型，對于不同單元的可靠度進行了計算，將系統(tǒng)可靠性與可靠性指標進行對比，當(dāng)?shù)陀诖酥禃r，對可靠度較低的單元進行可靠度調(diào)整。運用此種方法，結(jié)合主斷路器工作實際情況，能夠有效的提高系統(tǒng)其可靠度，降低故障發(fā)生的可能性，保障機車運行的安全性。

參考文獻：

[1]張健，陳勇.HXD3型大功率交流傳動貨運電力機車特點及故障處理[J].機車電傳動，2008，3：8-11.

[2]楊云聰.兩部件串聯(lián)系統(tǒng)的計劃型與機會型預(yù)防維修策略研究[D].西南交通大學(xué)，2013.

[3]王蘊，王乃超，馬麟，李鐵，鄧浩然.考慮備件約束的多部件串聯(lián)系統(tǒng)使用可用度計算方法[J].航空學(xué)報，2015，36（04）：1195-1201.

[4]夏唐斌，奚立峰，周曉軍，潘爾順.串并聯(lián)衰退系統(tǒng)的多目標預(yù)防性維護優(yōu)化建模[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2010，16（04）：783-788.

[5]王華勝，王憶巖，謝川川，胡曉依.CRH2型動車組可靠性建模與分配[J].鐵道學(xué)報，2009，31（05）：108-112.

[6]王靈芝，徐宇工，張家棟.基于設(shè)備有效度和可靠度的預(yù)防修經(jīng)濟優(yōu)化模型[J].機械工程學(xué)報，2010，46（04）：163-168.

[7]金玉蘭，蔣祖華，侯文瑞.以可靠性為中心的多部件設(shè)備預(yù)防性維修策略的優(yōu)化[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2006（12）：2051-2056.

[8]周曉軍，奚立峰，李杰.一種基于可靠性的設(shè)備順序預(yù)防性維護模型[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2005（12）：2044-2047.

[9]曾聲奎，趙廷弟，等.系統(tǒng)可靠性設(shè)計分析教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[10]馬世驍，王鈺，石飛，等.高壓斷路器壽命可靠性判斷法[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2006，（25）11：170-172.