動車組牽引系統故障統計分析＊

劉詩佳

（中北大學 機電工程學院，山西太原030051）

近些年，中國高速鐵路蓬勃發展，給人們的出行帶來了很大的便利。牽引系統是動車組的關鍵系統之一，在保障動車組安全可靠地運行上起著舉足輕重的作用。為了使牽引系統更好地運用和維修，有必要對其進行故障統計和故障原因分析。

1 牽引系統的產品結構樹及各分系統的功能

牽引系統由數個相對獨立的高壓設備和牽引單元組成，它將電能轉換成機械能用以提供動車的運行動力，并在動車組再生制動時將機械能轉換成電能回饋電網。

將動車組牽引系統產品結構層次劃分為系統、分系統、裝置、組件4種約定級別，建立牽引系統及各分系統的產品結構樹。將約定級別定義如下：

（1）系統。由可分開工作的兩套或多套分系統與其所需的裝置、組件、部件及零件所組成，能完成一種或多種使用功能的組合體。如牽引系統。

（2）分系統。由裝置、組件等組成，能夠完成系統內某項使用功能并且是系統的一個重要組成部分。如牽引系統中的牽引傳動分系統。

（3）裝置。由一個或多個單元體和所需的組件、部件以及零件連接而成或聯合使用，能夠完成某項使用功能。如牽引電機。

（4）組件。由多個零件或多個部件或它們之間的任意組合組成的，能夠完成某一特定功能，并能拆裝的組合體。如牽引電機的測量組件。

牽引系統由高壓電器分系統、牽引傳動分系統和輔助電源及機組分系統3部分構成。

圖1為高壓電器分系統的產品結構樹。通過這些裝置，高壓電器分系統可以將接觸網電能傳輸到車輛的電氣系統，并濾掉網側電流中的有害成分。出現緊急情況時斷開主斷路器，所有負載將從高壓供電系統上切斷。

圖1 高壓電器分系統的產品結構樹

動車組的牽引傳動采用交—直—交傳動技術，圖2為牽引傳動分系統的產品結構樹。主要裝置包括主變壓器、牽引變流器（含牽引控制單元）和牽引電機。牽引傳動分系統根據車輛運行指令，生成牽引變流器控制信號，牽引時將接觸網電能轉化為機械能傳遞到輪軸，再生制動時將機械能轉化為電能回送電網。

圖2 牽引傳動分系統的產品結構樹

輔助電源及機組分系統由輔助變流器（含輔助控制單元）、電池充電機、蓄電池及其他輔助用電設備構成，其產品結構樹如圖3所示。其他輔助用電設備包括HVAC（采暖、通風、空調）系統、空壓機及照明等裝置。輔助電源連接在各車廂之間，能夠提供三相四線制50 Hz、400V交流電源和110V直流電源，供列車輔助交流和直流設備使用。

圖3 輔助電源及機組分系統的產品結構樹

2 牽引系統故障的主次及因果分析

根據牽引系統產品結構樹，將牽引系統故障模式進行分類匯總，繪制故障的主次圖。各分系統或裝置的故障比例按從大到小的順序顯示出來，同時用累積百分比表示故障的累積作用，其中累積百分比在80%～90%之間的因素為故障的主要因素，在90%～100%范圍內的因素為故障的次要因素。

牽引系統包含大量部件，故障種類繁多，故障原因錯綜復雜，分析起來比較困難，因此本文以牽引分系統或裝置的故障作為結果，以導致其發生故障的各種因素作為原因，采用因果圖的方法進行故障分析。從因果圖中可以清楚看到設備的故障情況，從而對故障原因有一個整體把握，同時也方便找出主要原因，促進故障的解決。

（1）高壓電器分系統故障的主次及因果分析

圖4為高壓電器分系統故障主次圖，從圖中可以看出，受電弓故障占高壓電器故障的67.64%，遠高于其他高壓電器裝置，其次是主斷路器故障占14.55%。受電弓和主斷路器故障是高壓電器故障的主要因素，其累積故障百分比達到82.19%。車頂高壓電纜、高壓互感器、高壓隔離開關、避雷器、電流互感器、網側濾波器及接地開關故障所占比例較小，它們是高壓電器故障的次要因素。

圖4 高壓電器故障主次圖

從高壓電器故障的因果圖5中可以看出導致受電弓和主斷路器的故障原因最多，結合主次圖分析，由于高壓電器安裝在車頂，工作環境惡劣，會受到風、雨、雪、日曬等天氣影響，同時車頂設備還會遭到異物撞擊，受電弓和主斷路器發生這種意外故障的比例很大。其中受電弓還要與高壓電網接觸取電，其上臂出現裂紋、風管破損十分常見，因此受電弓故障發生的頻率最高。還有車頂的接觸網線也會比牽引系統其他線路更易磨損、絕緣等級降低。因此，整個高壓電器是牽引系統故障最多的分系統，受電弓和主斷路器又是高壓電器最為薄弱的部分，需要重點維護。

圖5 高壓電器故障因果圖

（2）牽引傳動分系統故障的主次及因果分析

由于牽引傳動分系統包含的裝置和組件較多，以該裝置為對象進行作圖分析，以便詳細了解的故障信息。圖6為主變壓器故障的主次圖，從中可以看出冷卻單元故障最多，占主變壓器總故障的一半多，其次是保護電器故障占13.04%，冷卻單元、保護電器、連接組件、箱體及繞組故障是主變壓器故障的主要因素，其累積故障百分比達到81.87%。測量組件、油路組件和其他故障是主變壓器故障的次要因素。

圖6 主變壓器故障主次圖

以導致主變壓器無法正常工作的主要故障畫成主干，繪制因果圖，如圖7所示，這7種故障模式的產生主要是由冷卻單元及變壓器硬件故障引起的，在完成主變壓器功能時，它們相互影響、關聯。連接組件主要是插頭故障和線路松動，可以通過選擇高質量的配件及線路加固來降低故障發生幾率。主變壓器繞組浸在油中，采用油冷方式進行冷卻，其冷卻單元是保證變壓器正常工作的關鍵，應經常清理濾網、檢查風機和熱交換器狀態，從而發現異常及時處理。

牽引變流器故障主次圖如圖8所示，與主變壓器故障相似的是冷卻單元故障所占總故障的比例最大，為33.59%。牽引控制單元TCU及四象限整流器故障比例接近，分別為23.33%和21.54%。冷卻單元、牽引控制單元TCU、四象限整流器和PWMI逆變器故障是導致變流器故障的主要因素，其累積故障百分比為92.05%，預充電電路、中間電路和其他故障是變流器故障的次要因素。

以牽引變流器產品結構樹為分類依據，對變流器各組件故障進行篩選匯總，得到變流器故障因果圖，如圖9所示，IGBT不同功率模塊的損壞會分別導致四象限整流器、中間電路、PWMI逆變器故障。牽引控制單元TCU故障主要是由于其組成板卡及網絡故障所導致的。變流器的冷卻方式為水冷和風冷，冷卻液通過水泵強制循環，外部風扇和內部風扇加強散熱效果，其故障發生較頻繁，故障原因也較多。

牽引電機故障的主次圖如圖10所示，速度傳感器故障最多，所占電機總故障的39.42%，是電機軸承故障百分比19.13%的兩倍多。速度傳感器、電機軸承、電機溫度傳感器、定子轉子故障的累積故障百分比為83.18%，是牽引電機故障的主要因素。與牽引變壓器、變流器不同的是冷卻單元故障成為裝置故障的次要因素，同為電機故障次要因素的還有連接組件故障和其他故障。

圖7 主變壓器故障因果圖

圖8 牽引變流器故障主次圖

電機的溫度傳感器較多，定子溫度傳感器、軸承溫度傳感器和電機溫度傳感器，其損壞會導致不同組件故障，如圖11牽引電機故障因果圖所示。電機定子轉子故障的主要原因還有繞組絕緣性能變差，軸承故障的主要原因還有漏油。由于牽引電機是將電能轉化為機械能的裝置，會用到速度傳感器對其進行測量，又因牽引

圖9 牽引變流器故障因果圖

圖10 牽引電機故障主次圖

電機數量多，因此速度傳感器故障所占電機故障的比例較大。通過提高速度傳感器和溫度傳感器的質量可以減少牽引電機很多故障。

（3）輔助電源及機組分系統故障的主次及因果分析

輔助電源及機組故障主次圖如圖12所示，其中輔助變流器故障最多，占輔助電源及機組總故障的66.41%，其次是電池充電機占20.70%。輔助變流器與電池充電機故障是輔助電源及機組故障的主要因素，其累積故障百分比達到87.11%，蓄電池故障很少發生，它和其他輔助用電設備故障構成輔助電源及機組故障的次要因素。

圖11 牽引電機故障因果圖

圖12 輔助電源及機組故障主次圖

為作圖方便，將輔助變流器的故障原因分為輸入／輸出故障和輔助變流器其他故障，如圖13所示。輔助變流器構成組件多，故障原因多種多樣，除逆變模塊故障、連接組件故障、保護電器故障、冷卻單元故障外還有濾波電容損壞和軟件故障等。電池充電機的故障原因也很多，輸出電流、電壓傳感器經常失效。蓄電池故障原因相對較少。結合輔助電源及機組故障主次圖，可以看出輔助電源及機組故障主要存在于輔助變流器，應對輔助變流器的故障多加重視。

圖13 輔助電源及機組故障因果圖

3 結束語

本文根據牽引系統的結構特點建立產品結構樹，分類統計了動車組在運行過程中牽引系統發生的各種故障。通過繪制故障主次圖，得到了分系統及裝置故障的主要、次要因素；繪制因果圖分析了導致其故障的原因。該統計分析結果可供動車組庫檢和維修時參考，指導牽引系統有重點地檢修，對加強牽引系統薄弱環節的關注和技術改造，提高其運用可靠性及整車的安全服役性有著重要意義。

［1］張曙光.CRH1型動車組［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［2］趙 宇.可靠性數據分析［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［3］董錫明.軌道列車——可靠性、可用性、維修性和安全性［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.