HXD1型機車過分相引起的牽引電機速傳故障分析與總結(jié)

摘" 要：該文旨在對HXD1型機車在過分相過程中牽引電機速度傳感器故障進行深入分析與總結(jié)。通過實際運行數(shù)據(jù)的收集與整理，結(jié)合機車結(jié)構(gòu)特點與工作原理，該文采用故障樹分析、數(shù)理統(tǒng)計和案例分析等多種方法，系統(tǒng)研究故障發(fā)生的原因、影響因素及故障模式。結(jié)果表明，過分相過程中的電氣沖擊、機械振動及傳感器自身質(zhì)量問題是導(dǎo)致牽引電機速度傳感器故障的主要原因，并提出針對性的預(yù)防措施和改進建議，以提高HXD1型機車運行的穩(wěn)定性和可靠性，為維修機車和故障排查提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：HXD1型機車；過分相；牽引電機；速度傳感器；故障分析

中圖分類號：U269" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0168-04

Abstract： The purpose of this paper is to conduct an in-depth analysis and summary of the failure of traction motor speed sensor during the phase transition process of HXD1 locomotive. Through the collection and collation of actual operation data， combined with the structural characteristics and working principles of locomotives， this paper uses various methods such as fault tree analysis， mathematical statistics and case analysis to systematically study the causes， influencing factors and fault modes of faults. The results show that electrical impact， mechanical vibration and sensor quality problems during the phase transition process are the main reasons for the failure of the traction motor speed sensor. Targeted preventive measures and improvement suggestions are put forward to improve the stability and reliability of the operation of the HXD1 locomotive， and provide a useful reference for locomotive maintenance and troubleshooting.

Keywords： HXD1 locomotive; excessive phase; traction motor; speed sensor; fault analysis

HXD1型電力機車作為我國鐵路運輸?shù)闹匾b備之一，其運行的安全性與穩(wěn)定性直接關(guān)系到鐵路運輸?shù)男屎桶踩Ｔ跈C車運行過程中，過分相是一個重要的環(huán)節(jié)，由于此時機車需要經(jīng)歷電壓、電流的突變，因此也是故障發(fā)生的高發(fā)區(qū)[1]。其中，牽引電機速度傳感器故障是過分相過程中較為常見的一種故障，本文將對此進行深入的分析與總結(jié)。

1" 故障現(xiàn)象描述

1.1" 故障現(xiàn)象

近期HXD1型機車頻繁出現(xiàn)過分相時報電機速傳故障，影響機車正常運行，具體案例如下：①2023年9月20日HXD1型1147機車A節(jié)提報“電機3速度傳感器故障”；②2023年9月22日HXD1型1097機車B節(jié)提報“電機2速度傳感器故障”；③2023年9月24日HXD1型1111機車B節(jié)提報“電機1速度傳感器故障”；④2023年9月25日HXD1型1247機車B節(jié)提報“電機2速度傳感器故障”[2]。此時，機車牽引力會突然下降或完全喪失，對機車的正常運行造成嚴(yán)重影響。HXD1型機車牽引電機如圖1所示。

HXD1型機車牽引電機參數(shù)：額定功率為1 224 kW；額定轉(zhuǎn)速為1 720 r/min；額定電流為598 A；額定頻率為58.1 Hz；額定轉(zhuǎn)矩為6 802 Nm；啟動轉(zhuǎn)矩為9 717 Nm；極對數(shù)為2對；絕緣等級為200；冷卻方式為強迫風(fēng)冷。

1.2" 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

1.2.1" HXD1型1147機車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)果

當(dāng)機車過分相時，TCU1/2-MCC進入發(fā)電模式，A節(jié)D3電機轉(zhuǎn)速明顯下降的狀況，A節(jié)報出“電機3速度傳感器故障”。

1.2.2" HXD1型1097機車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)果

在機車在過分相過程中，B節(jié)D2電機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異常波動，隨后B節(jié)提報“電機2速度傳感器故障”。在此情況下，機車的牽引性能受到了明顯的沖擊，必須立刻展開故障排查與修復(fù)工作，以確保機車能夠恢復(fù)正常運行。

如圖2所示，以單相逆變器為例，介紹其逆變模塊的工作原理：主逆變輸出采用的是180°導(dǎo)通的電壓型三相全橋式逆變器結(jié)構(gòu)，6個絕緣柵雙極晶體管（IGBT）按照V1V2V3V4V5V6的順序被觸發(fā)導(dǎo)通，每對IGBT之間的觸發(fā)信號間隔為60°。在任意時刻總有3個IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)，每個IGBT的導(dǎo)通時間為180°。在同一相位中，位于上橋臂和下橋臂的2個IGBT被稱為互補管，例如A相中的V1和V4，各自導(dǎo)通180°，交替進行，避免了電流同時流過V1和V4造成貫穿短路現(xiàn)象，因此，這種180°導(dǎo)通型的三相橋式逆變器電路按照V1V2V3；V2V3V4；V3V4V5；V4V5V6；V5V6V1；V6V1V2 的順序每隔60°進行導(dǎo)通。依據(jù)不同的相位角p，相電流會在3種不同的路徑中流通。

1.2.3" HXD1型1111機車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)果

通過分析HXD1型1111機車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)果，我們觀察到B節(jié)D1電機在過分相時同樣出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的異常波動。具體來說，電機轉(zhuǎn)速在瞬間降低后迅速恢復(fù)，但緊接著便出現(xiàn)了不穩(wěn)定的波動。這種不穩(wěn)定的波動導(dǎo)致機車控制系統(tǒng)誤判，最終B節(jié)提報了“電機1速度傳感器故障”。這種故障現(xiàn)象對機車的牽引性能造成了明顯的影響，需要迅速定位并修復(fù)故障源。

圖3展示了HXD1型機車牽引電機速度傳感器的安裝位置及其與其他部件的關(guān)聯(lián)。速度傳感器作為機車牽引控制系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵組成部分，其性能的優(yōu)劣和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到機車的牽引性能和安全運行。因此，針對速度傳感器故障展開深入細(xì)致的分析，并在此基礎(chǔ)上提出切實有效的預(yù)防措施和具有針對性的改進建議，對于顯著提高HXD1型機車的運行穩(wěn)定性和可靠性而言，具有至關(guān)重要的意義和價值。這不僅能夠減少機車故障的發(fā)生頻率，降低維修成本，還能夠保障鐵路運輸?shù)陌踩c高效。

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，牽引電機速度傳感器故障的主要表現(xiàn)為電機轉(zhuǎn)速的異常波動。這可能是由電氣沖擊、機械振動或傳感器本身質(zhì)量問題等多種因素導(dǎo)致的[3]。為了更準(zhǔn)確地診斷故障原因，需要對故障樹進行進一步的分析，并結(jié)合數(shù)學(xué)統(tǒng)計和案例分析等方法，找出故障的根本原因。

在故障樹分析中，我們可以將牽引電機速度傳感器故障作為頂事件，然后逐層分析可能導(dǎo)致該故障發(fā)生的各種原因和影響因素。通過這種方法，我們可以構(gòu)建一個完整的故障樹，并找出故障的關(guān)鍵路徑和薄弱環(huán)節(jié)。

1.2.4" HXD1型1247機車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)果

HXD1型1247機車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示。

2" 故障原因排查

針對上述故障現(xiàn)象，對機車進行了詳細(xì)的檢查與排查，發(fā)現(xiàn)故障主要集中在牽引電機的速度傳感器上，具體原因分析如下。

2.1" 接地故障檢測機理

通過對上述4臺車后臺網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，目前HXD1型機車在過分相滿足TCU-MCC進入過分相發(fā)電條件的工況下，會不同程度出現(xiàn)個別軸牽引電機轉(zhuǎn)速較其他軸轉(zhuǎn)速偏低的情況，且該軸的實際速度也明顯低于其他正常軸。從機車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)看：轉(zhuǎn)速異常時刻，部分故障在大閘減壓主斷斷開后制動缸上閘時出現(xiàn)，部分故障在制動缸上閘之后一段時間出現(xiàn)，甚至還有在制動缸壓力尚未消除時電機轉(zhuǎn)速已經(jīng)恢復(fù)正常，這充分說明機車轉(zhuǎn)速異常與制動缸上閘并無關(guān)聯(lián)。出現(xiàn)轉(zhuǎn)速異常的共同點是：機車均處于過分相主斷斷開時段，牽引電機處于發(fā)電工況下，個別軸牽引電機轉(zhuǎn)速下降，且該軸實際速度低于其他正常軸。牽引電機轉(zhuǎn)速一旦異常，便會報出相應(yīng)電機速度傳感器故障，進而對機車的正常運行造成嚴(yán)重影響。

2.2" 故障模式分析

通過深入剖析HXD1型動車組牽引變流器接地故障檢測機理及其主電路可知，當(dāng)牽引變壓器二次側(cè)、變流器直流環(huán)節(jié)、變流器輔助逆變環(huán)節(jié)、變流器牽引逆變環(huán)節(jié)或牽引電機等任一位置發(fā)生接地時，都可能引起牽引變流器接地保護故障的發(fā)生[4]。結(jié)合HXD1型機車在日常運用檢修中遇到的變流器接地故障模式，總結(jié)得出其常見的接地故障點如下。①牽引變壓器輸出端插頭（Pfiserer端子）：每個牽引變壓器通過8個輸出端插頭（S1～S8）為所在牽引單元的2個牽引變流器提供電能[5]。當(dāng)牽引變壓器輸出端插頭發(fā)生裂痕或出現(xiàn)內(nèi)部燒損的狀況時，會導(dǎo)致牽引變流器中間直流回路輸入端接地，從而導(dǎo)致機車報出牽引變流器接地保護故障。②電纜及連接器：包括但不限于牽引變流器與牽引電機之間的連接電纜、各種控制電纜等，如果這些電纜或接頭出現(xiàn)磨損、腐蝕或受到外部機械損傷，可能會導(dǎo)致接地故障。其中車間過橋線電纜位于TP03、MH04、MB05和TP06車的2車之間，用于連接TP03、TP06車2個高壓基本單元。若過橋線或連接器出現(xiàn)燒損問題，極其容易觸發(fā)牽引變流器接地保護故障[6]。③IGBT模塊：牽引變流器4QS整流器（CPM1、CPM2）、PWMI逆變器（IPM1、IPM2）和輔助逆變器（APM）共包含5個IGBT模塊，一旦發(fā)生IGBT模塊擊穿、模塊母線排燒損等問題，可能會導(dǎo)致牽引變流器中間直流回路接地。牽引變流器模塊如圖5所示。④牽引電機：牽引變流器通過整流、逆變后驅(qū)動牽引電機工作，當(dāng)發(fā)生牽引電機輸入連接線接地、電機電氣連接插頭進水、相間阻值不平衡或定子繞組對地絕緣不良等故障時，會導(dǎo)致牽引變流器接地故障。⑤接地檢測單元：牽引變流器內(nèi)部的濾波電容如果出現(xiàn)故障，比如電容擊穿或泄漏，牽引變流器內(nèi)部的電壓傳感器VH1、VH2檢測中間直流回路全電壓，VH3通過分壓電阻R5、R6進行中間直流回路半電壓檢測，并將這些信號發(fā)送至TCU進行處理，因此，當(dāng)VH1、VH2、VH3電壓傳感器發(fā)生故障或TCU采集中間接地的板卡出現(xiàn)問題，或分壓電阻R5、R6發(fā)生故障時，可能觸發(fā)牽引變流器接地保護故障[7]。HXD1型機車故障顯示如圖6所示。

3" 解決措施提出

針對上述故障原因，我們提出了以下解決措施。

加強傳感器質(zhì)量監(jiān)控：在速度傳感器選型環(huán)節(jié)，需要將重點置于其質(zhì)量和可靠性，優(yōu)先選擇經(jīng)過嚴(yán)格測試和權(quán)威認(rèn)證的產(chǎn)品為后續(xù)穩(wěn)定運行奠定堅實基礎(chǔ)。同時，還需要周期性地對傳感器進行檢查和維護，全方位確保其始終處于良好的工作狀態(tài)，通過這一系列舉措來提高傳感器的可靠性，從源頭上降低故障發(fā)生的概率[8]。

優(yōu)化傳感器安裝位置與固定方式：對速度傳感器的安裝位置進行合理布局，避免其處于機車振動或沖擊較大的區(qū)域[9]。與此同時，采用合適的固定方式，確保傳感器在機車運行過程中能夠保持穩(wěn)定，最大程度地減少因振動因素引起的故障。

加強電磁屏蔽與抗干擾能力：在速度傳感器的設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮電磁屏蔽和抗干擾能力，采用合適的材料和工藝，確保傳感器在復(fù)雜電磁環(huán)境能夠穩(wěn)定運行，降低外界電磁干擾對傳感器信號的影響。

完善故障診斷與預(yù)警系統(tǒng)：通過進一步完善機車的故障診斷與預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)對速度傳感器故障的實時監(jiān)測和預(yù)警。當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)并發(fā)出警報，提醒機車乘務(wù)員或維修人員進行處理[10]。

4" 結(jié)論與展望

經(jīng)過上述的故障排查、原因分析和解決措施的實施，我們成功地解決了HXD1型機車牽引電機速度傳感器故障的問題。這些措施不僅提高了機車運行的安全性和穩(wěn)定性，還降低了故障率，減少了因故障導(dǎo)致的運營損失。

首先，加強傳感器質(zhì)量監(jiān)控和優(yōu)化安裝位置與固定方式，顯著提高了速度傳感器的可靠性和耐久性。這使得機車在運行時，傳感器能夠更準(zhǔn)確地捕捉電機轉(zhuǎn)速信息，減少了因傳感器故障導(dǎo)致的誤報和漏報。

其次，通過加強電磁屏蔽與抗干擾能力，我們降低了外界電磁干擾對傳感器信號的影響。這確保了傳感器在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，進一步提高了機車運行的可靠性。

最后，完善故障診斷與預(yù)警系統(tǒng)的實施，使得我們能夠?qū)崟r監(jiān)控和預(yù)警速度傳感器的故障。這極大地提高了故障處理的效率，減少了因故障導(dǎo)致的停運時間，保障了機車的正常運行。

展望未來，我們將繼續(xù)關(guān)注機車牽引電機速度傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢，不斷優(yōu)化和完善解決方案。同時，我們也將積極推廣這些成功經(jīng)驗，為其他類型的機車提供有益的借鑒和參考。我們相信，在不斷的努力和探索中，能夠為鐵路運輸事業(yè)的發(fā)展作出更大的貢獻，促進整個行業(yè)的進步和發(fā)展。通過這些針對性的措施，我們不僅解決了當(dāng)前存在的問題，也為未來的持續(xù)改進奠定了堅實的基礎(chǔ)。期待在不久的將來，能夠看到這些改進措施帶來的積極效果，能夠進一步提高機車的運行質(zhì)量和安全性能，為鐵路運輸事業(yè)的發(fā)展作出更大的貢獻。

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