高原環(huán)境下交流傳動電力機車的檢修維護研究

賀春陽

（蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

高原環(huán)境較為特殊，加大了交流傳動電力機車的作業(yè)難度。從目前的機車作業(yè)狀況來看，功率難以達(dá)到正常作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各個電器設(shè)備的絕緣性能有所下降，材料使用壽命明顯縮短。其中，線路接觸器、充電接觸器在作業(yè)期間發(fā)生故障較為頻繁。目前，這些故障分析與檢修維護成了重點研究內(nèi)容，已經(jīng)取得的研究成果主要體現(xiàn)在機車高壓電器故障發(fā)生頻次相關(guān)信息統(tǒng)計分析、機車作業(yè)環(huán)境影響因素分析兩個方面，但缺少具體的設(shè)備故障分析及檢修維護策略的研究。為了進一步探究該問題，該文以HXD1C型機車為例，進行了高原環(huán)境下交流傳動電力機車的檢修維護研究。

1 高原環(huán)境下交流傳動電力機車運用概況

1.1 高壓電器故障頻次統(tǒng)計分析

青藏鐵路作為世界首條高原電氣化鐵路，其項目建設(shè)及投入應(yīng)用狀況備受人們關(guān)注。其中，海拔最高點位于關(guān)角隧道內(nèi)，最大坡度為16‰。自2011年起，投入HXD1C型機車共計68臺，供西寧機務(wù)段使用。關(guān)于HXD1C型機車的設(shè)計，在選型方面是按照最高海拔高度2500m標(biāo)準(zhǔn)進行的。而機車在高原環(huán)境作業(yè)期間存在海拔高度超過2500m的情況。從目前統(tǒng)計的信息來看，機車運行海拔高度超出標(biāo)高后，會出現(xiàn)設(shè)備故障問題，并且此問題的表現(xiàn)比較顯著。機車高壓電器28個月連續(xù)作業(yè)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示。

在圖1中，與其他低海拔相比，西寧機務(wù)組高壓電器作業(yè)故障發(fā)生頻次更高一些。當(dāng)牽引電機繞組發(fā)生故障時，其他多種故障也會埋下伏筆，導(dǎo)致產(chǎn)生主流電路接地問題，或者線路中出現(xiàn)過流、三相電流不平衡問題。

圖1 機車高壓電器28個月連續(xù)作業(yè)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

1.2 機車運行故障分析

為了深入探究交流傳動電力機車運行故障問題，該文以目前故障發(fā)生問題比較顯著的機車接觸器物料故障問題為例，通過統(tǒng)計質(zhì)量信息，挖掘接觸器故障的重點分析對象。

表1中的統(tǒng)計結(jié)果顯示，不同型號接觸器材料在機車作業(yè)期間發(fā)生故障的概率存在一定差異，所以在分析故障問題時需要具有一定側(cè)重點。

表1 機車接觸器物料現(xiàn)場質(zhì)量信息統(tǒng)計

另外，還需要對充電接觸器、線路接觸器的故障情況進行統(tǒng)計。從統(tǒng)計結(jié)果來看，卡分/卡合故障發(fā)生頻率最高。因此，該文將重點對卡分/卡合故障進行探究。

2 交流傳動電力機車故障試驗分析

2.1 針對線路接觸器的故障試驗

該研究進行了線路接觸器故障試驗，以型號為LTHS800/2P的主變流器線路接觸器作為試驗測試對象。本次測試設(shè)置6項內(nèi)容。1） 以機車線路接觸器分閘時間、合閘時間、蓄電池電壓作為測試指標(biāo)，進行故障測試。2） 設(shè)置不同溫度環(huán)境，統(tǒng)計線路接觸器合閘、分閘時間相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，溫度環(huán)境設(shè)置為5組，分別是+75℃、+45℃、常溫、-25℃、-40℃。另外，對設(shè)備作業(yè)電壓進行控制，限定條件為DC137.5V、DC110V、DC77V。3） 設(shè)置溫度環(huán)境保持不變（常溫），以電壓作為變量，通過控制返修故障接觸器電壓，得到不同試驗組的合閘、分閘時間。其中，電壓環(huán)境設(shè)置3組，分別為 DC137.5V、DC110V、DC77V。4） 磨合動作試驗，試驗次數(shù)為2000次。5） 設(shè)置溫度環(huán)境保持不變（常溫），以釋放電壓最小值、吸合電壓最小值作為測試指標(biāo)，進行測試分析。6） 對輔助觸頭盒加以解剖分析。

該研究通過上述故障試驗，挖掘出LTHS800/2P線路接觸器在作業(yè)期間存在一定問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。第一，16臺接線接觸器中，存在釋放時間大于1s的設(shè)備有2臺。第二，2臺接觸器輔助觸頭頂桿螺母發(fā)生松動，在此情況下閉合操作無法頂?shù)轿唬o助觸點動作失敗。第三，輔助觸頭壓縮彈簧反力較小，導(dǎo)致作業(yè)期間出現(xiàn)扭曲。第四，高溫環(huán)境會引起接觸器故障，DC77V電壓條件下，存在1臺接觸器動作不穩(wěn)定，未能達(dá)到合閘標(biāo)準(zhǔn)，很有可能會發(fā)生卡分故障。另外，該研究對線圈燒損故障進行了試驗分析，以線圈作業(yè)溫度變化特點開展研究。當(dāng)機電開啟作業(yè)模式后，線圈表面溫度達(dá)到了58℃，測量其內(nèi)部溫度，得到溫度最高為94℃，均值為82℃。

2.2 針對充電接觸器的故障試驗

該試驗以型號為LTHH40/1P主變流器充電接觸器為例，討論卡分/卡合故障，試驗內(nèi)容設(shè)計如下。1） 常溫條件下，以電壓作為變量設(shè)置3個試驗組，測試接觸器分閘/合閘時間，同時采集接觸電阻數(shù)據(jù)。其中，各組電壓參數(shù)分別為DC137.5V、DC110V、DC77V。2）設(shè)置不同溫度環(huán)境，統(tǒng)計充電接觸器合閘、分閘時間相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，溫度環(huán)境設(shè)置為5組，分別是+75℃、+45℃、常溫、-25℃、-40℃。另外，對設(shè)備作業(yè)電壓進行控制，限定條件為DC137.5V、DC110V、DC77V。3） 設(shè)置溫度環(huán)境保持不變（常溫），以釋放電壓最小值、吸合電壓最小值作為測試指標(biāo)，進行測試分析。4） 測試軸心偏轉(zhuǎn)大小，同時對電磁鐵吸力的變化規(guī)律進行統(tǒng)計分析。5） 進行機械動作試驗，動作次數(shù)20萬，測試充電接觸器狀態(tài)。6） 以反力彈簧彈力、電磁鐵吸力作為測試指標(biāo)進行測試分析。

該研究按照上述內(nèi)容進行故障試驗測試分析，從中發(fā)現(xiàn)充電接觸器存在以下問題。第一，少量接觸電阻測量數(shù)值超出標(biāo)準(zhǔn)，實際測量結(jié)果約為正常值的30倍，并且觸頭盒接線端處發(fā)生了氧化。收集試驗信息，整理測試結(jié)果，得到如表2所示的輔助觸頭接觸電阻實測結(jié)果。從表2中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看，輔助接觸頭盒接線端子已經(jīng)受因素影響出現(xiàn)了氧化問題，導(dǎo)致部分端子出現(xiàn)了阻超標(biāo)情況。正常情況下的阻值在100mΩ以內(nèi)，而實測結(jié)果中很多端子阻值高于100mΩ。第二，軸套松動，部分區(qū)域磨損，導(dǎo)致中心偏離，引發(fā)了卡滯問題，以卡分/卡合問題展現(xiàn)出來。第三，動作試驗后，電機多個連接位置磨損很嚴(yán)重。第四，裝置長期作業(yè)，各個連接部位相互摩擦，造成局部嚴(yán)重磨損問題。例如主框架和推桿、軸套與推桿、轉(zhuǎn)架與推桿。第五，反力彈片產(chǎn)生的彈力、電磁線圈產(chǎn)生的吸力均低于限定值，導(dǎo)致裝置作業(yè)期間產(chǎn)生的機構(gòu)動力較小，未能達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)。在此情況下，電磁線圈作業(yè)阻力稍微大一些，很有可能會出現(xiàn)卡分/卡合故障。如果裝置處于正常作業(yè)狀態(tài)，則產(chǎn)生的反力彈片彈力參數(shù)數(shù)值在2.3N以上。本次試驗測試得到的結(jié)果為彈力數(shù)值變化在1.8N～2.1N，該范圍數(shù)據(jù)皆小于2.3N。

表2 輔助觸頭接觸電阻實測結(jié)果

3 交流傳動電力機車故障的檢修維護

3.1 針對線路接觸器故障的檢修維護

線路接觸器故障問題比較多，該文以高溫環(huán)境下線路接觸器吸合電壓最小值偏高、輔助觸頭頂桿螺母松動、觸頭壓縮彈簧反力較小、接觸器釋放時間超出1s等問題進行重點探究。1） 吸合電壓最小值偏高問題的產(chǎn)生原因：從導(dǎo)線電阻率特點入手，分析正溫度系數(shù)特點，得到反力彈簧與電磁力之間的配合關(guān)系對接觸器作業(yè)的影響，如果配合不當(dāng)，將導(dǎo)致接觸器無法吸合。2） 輔助觸頭頂桿螺母松動問題的產(chǎn)生原因：結(jié)構(gòu)設(shè)計存在問題，與其他結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)，作業(yè)期間容易松動。3） 觸頭壓縮彈簧反力較小問題的產(chǎn)生原因：在型號選取和設(shè)計方面存在不合理之處，主要體現(xiàn)在3個方面。第一，采用直動式結(jié)構(gòu)進行運動，降低了分?jǐn)嗨俣龋焕谳o助觸點的分?jǐn)嗬?。第二，彈簧力分散性能容易受彈簧扭曲的影響，出現(xiàn)性能指標(biāo)超出規(guī)范值問題。第三，觸點接觸穩(wěn)定性與壓縮彈簧反力大小密切相關(guān)，兩者之間為正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)前反力較小，導(dǎo)致接觸穩(wěn)定性下降。4） 接觸器釋放時間超出1s問題的產(chǎn)生原因：反力彈簧、電動力與卡滯之間需要協(xié)助配合作業(yè)，但是作業(yè)期間配合不到位。同時，輔助觸頭作業(yè)動作未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，對輔助頂桿的調(diào)整也不到位。通過DCU控制邏輯分析，發(fā)出分閘和合閘操控命令后，輔助觸點發(fā)出的反饋信號未能在1s內(nèi)傳遞回控制中心，則出現(xiàn)了卡合或者卡分故障。

該方案如下。1） 針對吸合電壓最小值偏高的檢修維護方案：從線圈結(jié)構(gòu)入手重新設(shè)計，或者以減小彈簧反力為檢修工作要點，控制反力釋放風(fēng)險。經(jīng)過多番驗證，常溫條件下，即環(huán)境溫度達(dá)到約20℃時，調(diào)整最低吸合電壓，參數(shù)為DC65V。此參數(shù)維護方案的設(shè)計能夠保證環(huán)境溫度達(dá)到75℃時，吸合電壓最小值小于或者等于DC77V。2） 針對輔助觸頭頂桿螺母松動的檢修維護方案：優(yōu)化輔助觸頭頂桿固定方式，應(yīng)用于接下來的機電作業(yè)設(shè)施配置，對已經(jīng)配置好的接觸器，則是在頂桿螺母位置涂螺紋膠，從而避免設(shè)備作業(yè)期間發(fā)生松動。定期檢查頂桿螺母松動情況，適當(dāng)增加螺紋膠涂量。3） 針對觸頭壓縮彈簧反力較小的檢修維護方案：在速動開關(guān)選取上進行機電維護，檢測開關(guān)的反力、結(jié)構(gòu)強度，皆達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才可以投入使用?；蛘呤褂闷陂g檢測性能未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則按照維修方法加以處理。4） 接觸器釋放時間超出1s的檢修維護方案：定期檢查接觸器常開/常閉觸點動作時間，如果超出1s，則認(rèn)為接觸器質(zhì)量不合格，需要更換這些不合格的接觸器。

3.2 針對充電接觸器故障的檢修維護

該研究以端子氧化及接觸電阻參數(shù)數(shù)值過大問題、軸套松動引發(fā)卡滯問題、接觸器卡滯問題、長期作業(yè)各個連接部位相互摩擦問題、接觸器作業(yè)卡分/卡合故障問題作為重點研究內(nèi)容，分析故障產(chǎn)生原因。1） 端子氧化及接觸電阻參數(shù)數(shù)值過大問題產(chǎn)生原因：觸點表面受環(huán)境因素的影響，形成非金屬薄膜。閉合期間產(chǎn)生的電壓超出了承受能力范圍，導(dǎo)致薄膜被擊穿。如果氧化問題過于嚴(yán)重，很有可能引發(fā)接觸不良，導(dǎo)致電阻過大，無法正常傳輸信號。2） 軸套松動引發(fā)卡滯問題產(chǎn)生原因：板軸套位置測得的同軸度未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。3） 軸套與轉(zhuǎn)架之間產(chǎn)生的摩擦阻力導(dǎo)致接觸器卡滯，該問題產(chǎn)生的主要原因：當(dāng)前選取的材料自身的潤滑性能較差，未能達(dá)到長期正常作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。4） 長期作業(yè)各個連接部位相互摩擦，造成局部嚴(yán)重磨損問題的主要原因：目前使用材料耐磨性能較差，并且自潤滑性能也很差。5） 接觸器作業(yè)卡分/卡合故障問題的主要原因：吸合過程卡滯產(chǎn)生的原因是電磁鐵吸力低于標(biāo)準(zhǔn)，釋放過程卡滯產(chǎn)生的原因是反力彈簧彈力低于標(biāo)準(zhǔn)。另外，設(shè)計、加工方案都會對接觸器反力彈片作業(yè)性能造成影響。電磁線圈影響因素與之不同，容易受設(shè)計方案和吸力的影響。

該方案如下。1） 針對端子氧化及接觸電阻參數(shù)數(shù)值過大的檢修維護方案：選取鍍金觸點材料作為輔助觸頭。另外，以線環(huán)螺栓連接方式取代插片連接方式。2） 針對軸套松動引發(fā)卡滯的檢修維護方案：根據(jù)作業(yè)參數(shù)指標(biāo)限定同軸度范圍，為其配備軸套，并加以固定。3） 從材料選取角度出發(fā)，根據(jù)裝置作業(yè)需求，以自潤滑性能作為考核標(biāo)準(zhǔn)，分別對多種類型的軸套、轉(zhuǎn)架材料進行合理選取?；蛘卟扇⊥饬Ω深A(yù)的方式，向裝置結(jié)構(gòu)中添加潤滑墊片，安裝在軸套和轉(zhuǎn)架之間。4） 長期作業(yè)各個連接部位相互摩擦致磨損問題的檢修維護方案：從材料選取入手，以耐磨性、自潤滑性作為考核指標(biāo)，合理選取材料。5） 接觸器作業(yè)卡分/卡合故障的檢修維護方案：從設(shè)計方案、材料加工工藝出發(fā)，分別對接觸器性能進行改善，盡可能降低反力彈片發(fā)生變形問題的頻率，控制變形幅度。另外，調(diào)節(jié)裝置參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，例如電磁線圈吸力，適當(dāng)增加該參數(shù)數(shù)值。為了有效把控接觸器質(zhì)量，在出廠前對此裝置進行一次磨合篩選試驗，如果常閉觸點、常開觸點在作業(yè)期間動作時間未超出0.5s，則認(rèn)為該產(chǎn)品不合格，應(yīng)從產(chǎn)品中淘汰不再投入使用。

4 結(jié)語

該文圍繞交流傳動電力機車在高原環(huán)境下的作業(yè)故障進行試驗測試分析，以線路接觸器故障、充電接觸器故障為例，設(shè)計試驗內(nèi)容，整理試驗數(shù)據(jù)，總結(jié)接觸器故障問題。通過分析這些問題產(chǎn)生的原因，結(jié)合多年檢修維護工作經(jīng)驗，提出了一些檢修維護處理建議。對一些性能不達(dá)標(biāo)的裝置自身問題，直接更換新的裝置，如果裝置仍然具有利用價值，則采取調(diào)節(jié)、維修等方式進行維護。