楊維才
(國(guó)能新朔鐵路有限責(zé)任公司機(jī)務(wù)分公司,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300)
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,各地之間交流日益頻繁,鐵路作為各城市之間的連接的橋梁經(jīng)過(guò)幾十年時(shí)間發(fā)展,鐵路運(yùn)輸所使用電力機(jī)車(chē)類(lèi)型也逐漸增多。SS4B 電力機(jī)車(chē)為能夠與新形勢(shì)發(fā)展需求相匹配,便需加大對(duì)其主斷路器關(guān)注力度,從而促使SS4B 電力機(jī)車(chē)自身能效得到充分發(fā)揮,同時(shí)延長(zhǎng)主斷控制使用壽命。
SS4B 型電力機(jī)車(chē)屬于第三代控制型電力機(jī)車(chē)。該機(jī)車(chē)由我國(guó)自主設(shè)計(jì)研制,在現(xiàn)有機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行繼承和自主創(chuàng)新,不斷推動(dòng)電力機(jī)車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展。SS4B 型電力機(jī)車(chē)的設(shè)計(jì)方案符合傳統(tǒng)電力機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)方案的標(biāo)準(zhǔn)[1],設(shè)計(jì)方案嚴(yán)格管理,確保標(biāo)準(zhǔn)化、專(zhuān)業(yè)化、通用化,科學(xué)規(guī)范的設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)有科技進(jìn)步基本融合,其各個(gè)層面的性能均滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸?shù)囊?,尤其是在極端的工作環(huán)境中。SS4B 型電力機(jī)車(chē)的主斷路器是其中的關(guān)鍵部件,確保所有電力機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行。如果出現(xiàn)問(wèn)題,將對(duì)鐵路貨運(yùn)造成重大損失,其維修和保養(yǎng)的消耗大量的人力、物力和資金,并且維修要求較高。且維修工作需要花費(fèi)大量時(shí)間,大大降低了鐵路貨運(yùn)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)力。
SS4B 型電力機(jī)車(chē)雖然由兩節(jié)4 軸電力機(jī)車(chē)組成,但由于設(shè)計(jì)方案具有外重聯(lián)控制效果,可在一個(gè)駕駛室內(nèi)同時(shí)運(yùn)行兩臺(tái)4 軸電力機(jī)車(chē)。這使SS4B 基本上變成了一個(gè)16 軸的電力機(jī)車(chē)。每輛車(chē)有兩個(gè)島式轉(zhuǎn)向架[2]。SS4B 型電力機(jī)車(chē)的驅(qū)動(dòng)力傳遞采用底部斜撐桿推拉回路牽引帶設(shè)備。該類(lèi)設(shè)備動(dòng)態(tài)模型可靠性好,附著力使用率高。因?yàn)镾S4B 機(jī)車(chē)的主電路采用兩種不同的供電系統(tǒng)方式,具有良好的功率因數(shù),可使SS4B 型機(jī)車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中完成相控元件級(jí)電壓變換。
主斷路器作為電力機(jī)車(chē)工作全過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備,電流流過(guò)時(shí),由于變壓器動(dòng)作電位的作用極易發(fā)生變化,使其運(yùn)行狀態(tài)受到一定的壓抑和嚴(yán)重傷害。此外,斷路器主體工作中的“兩瓷罐”也會(huì)因所用原料性能差而被壓碎,冷延性強(qiáng),易受外界危害;相應(yīng)的外部相互作用力極強(qiáng),外部惡劣的環(huán)境也會(huì)促使瓷罐的沖擊韌性降低,與金屬連接時(shí)極易被過(guò)大的地應(yīng)力作用壓碎[3]。
從常見(jiàn)故障的分析來(lái)看,SS4B 型電力機(jī)車(chē)使主斷路器脫扣的電路有很多。主斷路器分?jǐn)嗟臄?shù)據(jù)信號(hào)最終并聯(lián)到兩臺(tái)機(jī)車(chē)重新接通。如果不能準(zhǔn)確指示主要斷點(diǎn),就很難對(duì)常見(jiàn)故障進(jìn)行應(yīng)急處理。首先,由于SS4B 型電力機(jī)車(chē)原設(shè)計(jì)中主斷路器的信號(hào)和指示信號(hào)不是數(shù)據(jù)信號(hào),就會(huì)造成主斷路器要跳閘信號(hào)一切正常。例如,機(jī)車(chē)的主接地裝置存在故障,主斷路器跳閘數(shù)據(jù)信號(hào)接在輔助觸點(diǎn)上“零電壓”故障。
3.1.1 機(jī)械及電氣接口與原LCU 一致
為了讓SS4B 電力機(jī)車(chē)順利工作,需要對(duì)電器觸點(diǎn)之間的距離進(jìn)行操控。這是因?yàn)镾S4B 型電力機(jī)車(chē)的主斷路器在運(yùn)行時(shí),其運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自電機(jī),而電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量大,所以故障概率較高[4]。這時(shí)就需要依靠電力機(jī)車(chē)維修水平提高主斷路器的性能。SS4B 型電力機(jī)車(chē)主斷路器與電器觸點(diǎn)距離的有效操縱和調(diào)整將進(jìn)一步提高。因?yàn)殡娏C(jī)車(chē)在長(zhǎng)期工作的過(guò)程中由于滾動(dòng)軸承之間的間隙過(guò)大而堆積灰塵、增加滑動(dòng)摩擦,非常不利于機(jī)車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行。
3.1.2 重新設(shè)計(jì)輸出通道電路
對(duì)于SS4B 型電力機(jī)車(chē),其主斷路器相對(duì)于其他類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備性能有所提高,因環(huán)境因素的損壞減少。因此,有必要區(qū)分突發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)情況。但必須注意,從主斷路器到逐步預(yù)防工作需要一定的時(shí)間。在此期間,SS4B 型電力機(jī)車(chē)的主斷路器將始終運(yùn)行工作,高運(yùn)轉(zhuǎn)、低排熱、高功率的情況不容忽視,在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)造成大量熱量。這需要控制主斷路器的排氣系統(tǒng)速率,改善電磁感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行,使主斷路器必須處于穩(wěn)定的閉合狀態(tài),以保證所有正常供電、消耗和實(shí)際操作特征。
3.1.3 采用ARM 主控芯片替代原51 單片機(jī)
傳統(tǒng)的51 單片機(jī)是8 位CPU,而ARM 芯片是32 位系統(tǒng)CPU。簡(jiǎn)單的說(shuō),51 單片機(jī)就是早期使用的“賽揚(yáng)”型電腦,ARM芯片就是現(xiàn)在的“雙核處理器”。雖然兩者差別不大,可以作為硬件開(kāi)發(fā)服務(wù)平臺(tái)來(lái)完成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),但是ARM 芯片由于自身的特點(diǎn)(響應(yīng)速度、工作能力和存儲(chǔ)容量等)。在技術(shù)開(kāi)發(fā)層面也比51 單片機(jī)得心應(yīng)手,方便后期升級(jí)、擴(kuò)容、更新、改造。
3.1.4 控制板通用化設(shè)計(jì)
電源通信板由兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)組成,兩個(gè)系統(tǒng)的硬件和軟件開(kāi)發(fā)是一樣的,唯一的區(qū)別是連接了兩套不同的I/O 板,每個(gè)系統(tǒng)包括4 部分:電源轉(zhuǎn)換模塊、中央處理模塊、串口通信模塊和CAN 通信模塊。電力機(jī)車(chē)采用直流110 V 供電系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源為本系統(tǒng)中各I/O 板及電源轉(zhuǎn)換模塊供電系統(tǒng),電源轉(zhuǎn)換模塊輸出5 V 電壓為系統(tǒng)內(nèi)部供電。電源通信板除了為工作中的LCU 提供電源外,還根據(jù)CAN 總線(xiàn)獲取各I/O 板的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息內(nèi)容,解出后由RS-485 總線(xiàn)送至機(jī)車(chē)彩顯,控制電路的故障檢測(cè)提供信息。
3.1.5 重新選型電子器件、電路集成化設(shè)計(jì)
在SS4B 電力機(jī)車(chē)在線(xiàn)診斷系統(tǒng)軟件中,服務(wù)器電路板采用4 層電路板設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的合理布局、圖形邊界、安全間隔、電磁兼容測(cè)試等主要參數(shù)符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)要求。本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方案如下:①數(shù)據(jù)板電路主要由最小CPU 系統(tǒng)、18 個(gè)110 V開(kāi)關(guān)量采集安全通道、RS-485 模塊應(yīng)用和CAN 模塊應(yīng)用組成;②仿真板涉及的子模塊比較多,主要包括STM32F407 最小系統(tǒng)、5 個(gè)交流電流采樣電路、5 個(gè)直流電流采樣電路、3 個(gè)電流檢測(cè)電路、波形檢測(cè)電路和110 V PWM 檢測(cè)電路,配合根據(jù)各個(gè)子模塊的相互協(xié)調(diào),對(duì)機(jī)車(chē)模擬輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集。
真空主斷路器控制單元板主要功能是控制真空主斷路器的動(dòng)作邏輯順序,并對(duì)斷路器的動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行記錄,為真空主斷路器的保養(yǎng)提供依據(jù)。真空主斷路器控制單元板在運(yùn)行中時(shí)常發(fā)生故障,將導(dǎo)致機(jī)車(chē)無(wú)法正常運(yùn)行。真空主斷路器在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí),必須切除該主斷路器,及時(shí)更換。
改造項(xiàng)目將原有真空主斷路器控制單元板更換為雙備份型控制單元板,從而有效保障真空主斷路器繼續(xù)工作,確保機(jī)車(chē)的正常運(yùn)行。改造后的真空主斷路器雙備份型控制單元板,具有兩套控制電路,平時(shí)工作在主控制單元,當(dāng)主控制單元發(fā)生故障時(shí),可按下切換開(kāi)關(guān),使真空主斷路器控制單元板切換到備用控制單元,從而有效保障真空主斷路器繼續(xù)工作,確保機(jī)車(chē)的正常運(yùn)行。舊式的110 V 控制單元9700 元/個(gè),新式的110 V 控制單元8500 元/個(gè)。經(jīng)過(guò)改造之后,按2015 年的統(tǒng)計(jì),全年共發(fā)生真空主斷路器肘節(jié)機(jī)構(gòu)故障12 臺(tái)次,直接節(jié)約成本14 400 元。SS4B 型電力機(jī)車(chē)真空主斷路器110 V 控制單元改進(jìn)前后的對(duì)比如圖1、圖2 所示,改造之后真空主斷路器控制單元板在SS4B 機(jī)車(chē)已經(jīng)試運(yùn)行超過(guò)3 個(gè)月,運(yùn)行效果良好。
圖1 改造前的主斷路器110 V控制單元
圖2 改造后的主斷路器110 V控制單元
肘節(jié)機(jī)構(gòu)在真空主斷路器控制電路中的作用至關(guān)重要,在改造之前,肘節(jié)結(jié)構(gòu)包括連接螺栓、彈簧銷(xiāo)以及側(cè)板等結(jié)構(gòu),SS4B 型電力機(jī)車(chē)真空主斷路器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生肘節(jié)斷裂的故障,導(dǎo)致斷裂故障發(fā)生的原因是肘節(jié)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的側(cè)板出現(xiàn)裂縫或者連接螺栓出現(xiàn)裂縫,給SS4B 型電力機(jī)車(chē)真空主斷路器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行埋下了嚴(yán)重的安全隱患。因此,需要對(duì)肘節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造,采用整體式腰孔肘節(jié)代替原來(lái)的分體式肘節(jié)機(jī)構(gòu),能夠有效避免上述原因?qū)е聰嗔压收稀?/p>
肘節(jié)機(jī)構(gòu)有原來(lái)的分體式結(jié)構(gòu)改進(jìn)為整體式腰形孔肘節(jié)機(jī)構(gòu),即將原肘節(jié)機(jī)構(gòu)的連接板和側(cè)板融合為一個(gè)整體連接板,去除了原設(shè)計(jì)中連接板和側(cè)板的連接緊固螺栓和彈簧銷(xiāo),成為整體式的肘節(jié)機(jī)構(gòu),改造后的肘節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定。分體式肘節(jié)機(jī)構(gòu)2600 元/個(gè),整體式的肘節(jié)機(jī)構(gòu)1900 元/個(gè),經(jīng)過(guò)改造之后,按照2015 年統(tǒng)計(jì),全年共發(fā)生真空主斷路器肘節(jié)機(jī)構(gòu)故障11 臺(tái)次,直接節(jié)約成本7700元。SS4B 型電力機(jī)車(chē)真空主斷路器肘節(jié)機(jī)構(gòu)改造前后的對(duì)比見(jiàn)圖3,改造之后真空主斷路器肘節(jié)機(jī)構(gòu)改造在SS4B 上已經(jīng)試運(yùn)行超過(guò)3 個(gè)月,運(yùn)行效果良好。
圖3 主斷路器肘節(jié)機(jī)構(gòu)
對(duì)于任何電力機(jī)車(chē)而言,主斷路器都是其總保護(hù)開(kāi)關(guān),是控制電路的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在保證電力機(jī)車(chē)安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[5]。但是SS4B 型電力機(jī)車(chē)的主斷路器控制電路和其他設(shè)備相比更容易受到外界環(huán)境的影響,當(dāng)遇到突發(fā)狀況時(shí)將導(dǎo)致出現(xiàn)主斷路器無(wú)法正常運(yùn)行的情況。因此,需要做好控制電路的改進(jìn)工作。在進(jìn)行控制電路改進(jìn)時(shí)需要選擇可出的機(jī)械器件、電氣元件,嚴(yán)格控制電路的電壓,為主斷路器控制回路的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠、穩(wěn)定的環(huán)境。通過(guò)做好控制電路改進(jìn),還能夠有效控制主斷路器的排風(fēng)速度,為主斷路器提供安全的運(yùn)行環(huán)境,充分激發(fā)SS4B 型電力機(jī)車(chē)主斷路器的性能,在不閉合的狀態(tài)下安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。
對(duì)SS4B 型電力機(jī)車(chē)主斷路器常見(jiàn)故障原因及檢修進(jìn)行探討,確立SS4B 型電力機(jī)車(chē)檢修維護(hù)的重要因素和關(guān)鍵對(duì)策,對(duì)SS4B 機(jī)車(chē)二代LCU 邏輯控制單元、110 V 控制單元改進(jìn)、肘節(jié)機(jī)構(gòu)及控制電路開(kāi)展改進(jìn)工作,保證SS4B 型電力機(jī)車(chē)主斷路器安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。斷路器的使用壽命和電力機(jī)車(chē)質(zhì)量的提高,對(duì)進(jìn)一步提高鐵路貨運(yùn)能力意義重大。