電機驅動轉換開關在直流傳動機車上應用的探索

張東坡

（中國北車集團大連機車車輛有限公司 遼寧 大連 116022）

引言：

鐵道部在2004年啟動和諧機車項目，包括在電力及內燃機車在內的所有和諧型機車都不一而同的都采用交流傳動系統，但是直流傳動機車因其現階段保有量大，且全國各個機務段、地方鐵路等運用單位都擁有豐富的運用經驗、具備相應的檢修設備，直流傳動機車還是占據著一定的市場份額。但是直流傳動機車故障也是比較多的，其中影響機車正常運用的故障里，轉換開關故障所占的比例不小，如何減少因轉換開關故障造成的機破成為困擾機車維護人員和供應商的難題。

1.轉換開關介紹：

1.1 轉換開關的作用

轉換開關的作用是轉換接通電路，一是通過改變機車牽引電機電樞繞組的電流方向從而改變牽引電機的轉向，實現機車運行方向的轉換。二是通過將牽引電機的電樞繞組與主整流柜和電阻制動回路間切換，實現機車牽引工況和電阻制動工況的轉換。對于采用直流傳動的機車來說，轉換開關是機車不可或缺的一部分。

1.2 電機驅動轉換開關

圖1 驅動模塊

由電機驅動的轉換開關有兩部分組成：驅動模塊和開關模塊，其中驅動模塊如圖1所示，包含了一個轉動方向可以改變的74V直流有刷電動機，通過齒輪減速裝置驅動水平的輸出軸，處在兩個不同方向上的機械止動件會限制該連接軸的旋轉，在電機旋轉到機械限位時模塊內的離合器動作，電機仍然會繼續動作，直到觸發通過與輸出軸相連關接的凸輪軸控制連鎖裝置，切除電機電源。連鎖裝置的端部有一個指針，用來指示當前轉換開關的位置。驅動模塊端部有一個突出的方軸，可以通過手動旋轉這個方軸把轉換開關轉到中立位，以便于每個模塊的拆解和安裝。

圖2 開關模塊

如圖2所示的開關模塊額定電流是1200A，模塊頂部安裝有透明防護罩，方便維護人員檢查觸頭狀態。開關模塊具有滅弧功能，應以在主控接觸器發生故障時保護觸頭。其中靜觸頭有三個小觸頭組成，可以形成多個通路，用來減少觸點間的壓降，另外開關模塊具有牽引電動機切除的功能，當某一牽引電機發生故障時，可以通過一個控制加載彈簧的繼電器，來實現某一電機的切除。轉換開關模組可以根據牽引電動機的數量可以由1個驅動模塊和2~6個開關模塊組成，這些模塊通過自身的分段軸連接，形成轉換開關模組。驅動模塊內的電機驅動輸出軸，帶動模組中所有模塊同時轉動，所有的模塊一旦轉到指定位置，開關模塊內的觸頭不會因為失電等原因而分離。

2.電動轉換開關相對于氣動轉換開關的優點

2.1 能夠更好的保護觸頭。對于氣動轉換開關來講，轉換開關的動作指令由司控器直接發出，驅動轉換開關的電空閥動作，工況轉換隨著司控器的動作即刻完成；與傳統的轉換開關不同，由電動轉換開關在指令發出后需要3~7s的轉換時間，相當于把牽引和制動工況轉換的過程延長，避免因快速將司控器手柄從牽引區拉到制動區造成轉換開關帶電轉換，消除了轉換開關觸頭拉弧放電造成觸頭燒損的隱患。

2.2 可靠性高。氣動轉換開關通過電空閥接通風缸和轉換開關的氣缸，通過壓力為375kPa~600kPa的壓縮空氣驅動轉軸實現轉換開關動作，需要輔助低壓風缸對轉換開關供風，還要安裝相應的空氣管路，另外電空閥橡膠密封件的壽命也短，容易發生因漏風串風等故障，另外電空閥排風口的堵塞也會造成轉換開關無法完全動作，動靜觸頭間壓力不足，造成觸頭間拉弧放電燒損轉換開關觸頭，造成機車線路運行時機破。采用電機驅動的轉換開關轉換的過程是通過電機模塊內的電機通過減速齒輪帶動處在同一連接軸下的6個開關模塊轉動實現電機的換向或工況轉換功能。

2.3 減少維護保養工作量，提升可維護性。氣動轉換開關需要定期檢查風缸壓力、測量觸頭壓力值、觸頭燒蝕情況，確保轉換開關動作后動靜觸頭間緊密貼合，保證轉換開關的電流導通能力。而電動轉換開關則只需要對觸頭進行檢查。

2.4 安裝所需空間小。以大連廠出口新西蘭機車為例，其采用的氣動轉換開關的型號為TKH6-820/770，每臺機車需要四組轉換開關，兩組用來換向、另外兩組用來轉換工況，且需要輔助低壓風缸以及相應的空氣管路、壓力表等，結構復雜占用空間較大。采用電機驅動的轉換開關，只需要兩組轉換開關，不需要其他輔助設備。另外由于電機驅動的轉換開關擁有切除單個牽引電機功能，并不需要主控接觸器就能夠實現故障牽引電機的切除，因此主控接觸器可以減少到2個用于在主牽引回路發生故障時切斷負載。可以為其他電氣部件的安裝節省出部分空間，便于電器柜內電氣部件的排布，也方便工作人員對電氣柜內部件的維護。

2.5 電動轉換開關同氣動轉換開關的對比。

如表1所示。

3.電機驅動的轉換開關應用的可行性

3.1 采用電機驅動轉換開關的機車運用狀況。

電機驅動的轉換開關在大連機車車輛廠生產的HXN3、HXN3B等型號的交流傳動機車上得到廣泛的應用，運行良好，并未出現重大故障。新西蘭國家鐵路公司KiwiRail有部分直流傳動機車采用電機驅動的轉換開關，極少有轉換開關觸頭燒損等相關故障，與之相比在相同條件下運行的部分采用氣動轉換開關的機車，雖然增加了延時繼電器用以保護觸頭，但是仍沒有很好解決轉換開關觸頭燒損的問題。

3.2 采用電機驅動轉換開關的機車電路設計難度。

因為具有相同的工作原理，由傳統氣動的轉換開關更換為電機驅動的轉換開關，機車主傳動電路可以不做任何的修改，只需更改部分主回路線纜在電器柜內的布置方式，另外相對于采用氣動轉換開關的機車，控制電路部分也有很大的簡化。

4.結論

對于傳統壓縮空氣驅動轉換開關來說，電機驅動的轉換開關所具備的優點是其無法比擬的，電動轉換開關在提高直流主傳動機車的可靠運用及可維護性的程度上是顯而易見的，在機車電路設計上也不需要太大的改動，國內廠礦及地方鐵路用戶對于目前在價格和維護成本上具備一定優勢直流傳動機車比較認同，隨著國內鐵路機車車輛企業積極拓展海外市場，出口機車的份額也會進一步增加，綜上所述采用電機驅動的轉換開關在直流主傳動機車上應用的前景十分廣闊。

［1］張曙光。DF（4B）型機車反響轉換開關零位時自動轉換的處理建議［J］,機車電傳動 2001年05期。

［2］魏金星，袁國海，吳山虎，DF（8B）型機車轉換開關犯卡的原因分析及防止措施［J］，內燃機車，2003年04期。

［3］俞明昌，電力機車兩位置轉換開關燒損原因分析［J］，機車電傳動，1988年03期。