CRH3型動車組牽引變流器冷卻系統RAMS分析

趙培連

摘 要：文章闡述了CRH3型動車組項目牽引變流器冷卻系統的系統安全性與系統可靠性、可用性以及可維修性（RAMS）的要求，目的是確保冷卻系統的系統保證工作能夠與車輛廠保持同步開展，以保證列車的正常運行。

關鍵詞：CRH3型動車組；牽引變流器冷卻系統；RAMS；可靠性框圖（RBD）

前言

CRH3電動車組在運行過程中，牽引變流器會產生大量的熱損耗，而牽引變流器冷卻系統的作用就是能夠及時將這些熱量帶走，足見其地位的重要性，因此對其安全性、可靠性、可用性以及可維修性的分析驗證，也就變得尤為關鍵。

1 系統概述

電網提供25kv單相工頻高壓電、高壓電經網側高壓電氣設備傳遞給牽引變壓器，牽引變壓器將高壓電降壓后的單相工頻電流輸出給牽引變流器，牽引變流器將輸入電流進行整流、濾波和逆變，輸出可調頻、調壓的三相交流電，驅動三相交流異步牽引電機轉動，帶動車輪轉動、列車運行。在這個能量轉化和動力傳遞過程中，牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機的電氣元件在工作中會產生熱損耗，引起電氣元件溫度上升，如果溫度超出元件所能承受的范圍，變壓器、變流器和電機等將不能正常工作，甚至可能會使電氣元件產生絕緣失效、著火等危險。因此，必須采用合適的冷卻系統將變壓器、變流器和電機工作時產生的熱量帶走，這樣才能保證牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機正常工作，從而保證機車安全運行。

以16節車廂的動車組長編組為例，牽引變流器冷卻系統共8個，分別懸掛在動力車廂EC01、VC03、IC06、IC08、BC09、IC11、IC14、EC16的車底。如圖1所示。

圖1 牽引變流器冷卻系統在列車上的分布

牽引變流器冷卻系統構成及原理：CRH3高速電動車組牽引變流器冷卻系統為水冷卻系統。由以下主要部件構成：水冷基板、冷卻裝置、膨脹水箱、水泵、過濾器、傳感器、各種控制閥門及管路等，其中冷卻裝置由空氣過濾器、散熱器、風機組、安裝箱體等部件組成。典型牽引變流器冷卻系統工作原理見圖2。

圖2 動車組牽引變流器冷卻系統的原理示意圖

1-截止閥；2-波紋管；3-散熱器；4-風機組；5-水泵；6-膨脹箱；

7-膨脹箱視窗；8-水冷基板；9-功率模塊

2 RAMS分析展開

2.1 適用范圍

本次RAMS分析的范疇包括變流器冷卻系統的主要部件，而不是所有部件，如空氣過濾器、散熱器、風機組、安裝箱體、膨脹水箱、水泵、過濾器、傳感器、各種控制閥門及管路等。

2.2 術語和縮寫詞

FMECA：故障模式、影響及危害性分析

MTBF：平均故障間隔時間

MTTR：平均修復時間

RAMS：可靠性、可用性、可維修性與安全性

RBD：可靠性框圖

FTA：故障樹分析

λ：反應故障發生的次數（x）與發生故障部件的數量（n）和運行時間（t）的關系

2.3 RAMS目標

可靠性目標：

可用性目標：

可維修性：

■必須保證冷卻系統使用正規工廠的設備和工具，特殊工具的使用盡量少；

■避免不必要的螺釘連接，使用插接式部件防止錯插；

■清洗時，能夠在僅打開側裙板，拆開過濾網和過濾器的情況下進行，并確保排水順暢；

■能夠在不使用任何特殊保護措施的情況下用自動刷洗設備清洗車輛外部。運行中水的飛濺不會引起故障、失靈和限制，壓力傳感器、溫度傳感器等電器件插頭防護等級應達到IP67；

■帶冷卻液運行時，不得有泄漏現象，出現故障能夠單獨更換冷卻器或閥門；

■各部件不得有裂紋、斷裂、松動現象，出現故障能單獨更換故障件。

安全性：

■不允許配件出現裂紋、斷裂、松動現象。

2.4 RAMS建模與設計

2.4.1 假設

一般情況下，外來因素引起的事故，如外來電力中斷、水淹或員工錯誤等，不列為故障。以下非責任故障不會影響產品的RAMS運行考核結果：（1）超過壽命期的損耗件；（2）連帶故障（由前級故障導致的故障）；（3）修復前相同故障的重復出現；（4）碰撞、事故、故意破壞；（5）操作或維修人員的疏忽或不遵守操作規程；（6）不按本公司提供的操作或維護作業指導書要求操作和維護；（6）由于預防性維護工作失誤導致的故障（如忘記加冷卻液等）。

2.4.2 建立RAMS可靠性框圖（RBD）

當變流器在工作時，因熱損耗產生的熱量首先傳到水冷基板上，水冷基板再將熱量傳導到內腔的冷卻水中，系統通過水泵將水冷基板內腔中的水強制循環到散熱器中，高溫水在散熱器中通過外部風機強制通風散熱，完成熱交換后的冷卻水再流回水冷基板內腔重復上述冷卻過程。

冷卻系統中安裝膨脹箱，其作用是補償溫度變化引起的冷卻液體積的變化；調節水泵進口的壓力，若膨脹箱內部的空氣壓力大于某一規定值時，可以通過膨脹箱上的螺桿閥自動排氣。膨脹箱上安裝的可視液位儀可以方便地監視系統液位的變化。

由此可知，該系統中的任一部件的失效都可能導致整個系統的故障，根據串聯系統的可靠性框圖形式，最終得出牽引變流器冷卻系統的串聯可靠性框圖（見圖3）.

圖3 變流器冷卻系統可靠性框圖

2.5 RAMS分析過程

2.5.1 RAMS性能的預計

牽引變流器冷卻單元成功借鑒CRH3動車組前身德國ICE動車組進行可靠性的預計，并結合CRH3動車組上線以來的故障記錄及實際運營期間所得的故障數據更新了預計，以準確把握RAMS性能與客戶要求的相符性。

同時通過以下幾方面的設計優化大大降低了冷卻系統的故障率：（1）散熱器外部涂層的優化，提升了防腐蝕性能；（2）風箱及底板的加強方案，避免了裂紋的發生；（3）浮標開關限位更改為焊接形式，確保了其定位的準確性和牢固性；（4）為適應運行環境，提高溫度、壓力傳感器的防水等級。

2.5.2 RAMS目標值的測試和驗證

以冷卻能力為例，規范中要求的200Pa車輛負壓下的初始冷卻能力為67KW，而驗證的結果為74.6KW，即使在負壓值達到700Pa時，冷卻能力雖有下降，但仍可滿足67KW的總體要求。如圖4所示。

除型式試驗以外，牽引變流器冷卻系統的各類例行試驗，如接地測試、絕緣測試、耐壓測試、以及電機的功能測試，測試結果正常。

同時，通過對各類故障數據積累、FTA故障樹分析、FMECA分析、維修信息的把握，最終得出結論：牽引變流器冷卻系統的可靠性、可用性、可維修性以及安全性完全能夠滿足技術規范的要求。

3 結束語

RAMS工作是一個長期的系統不斷積累不斷改進的過程，還需要專業技術人員不斷的堅持不懈的更新和維護，以期能夠最大限度的保證產品的正常運行和使用。

參考文獻

[1]牽引變流器冷卻系統技術規范，2009[S].

[2]CRH3項目FMECA分析，2010[S].

[3]鐵路應用.可靠型，可用性，可維修性和安全性（RAMS）的演示和規范-EN50126-1：1999[S].

[4]可靠性分析技術.可靠性方框圖法-IEC61078：2006[S].

[5]系統可靠性分析技術-故障模式與效果分析程序（FMEA）IEC6081

2：1985[S].endprint

摘 要：文章闡述了CRH3型動車組項目牽引變流器冷卻系統的系統安全性與系統可靠性、可用性以及可維修性（RAMS）的要求，目的是確保冷卻系統的系統保證工作能夠與車輛廠保持同步開展，以保證列車的正常運行。

關鍵詞：CRH3型動車組；牽引變流器冷卻系統；RAMS；可靠性框圖（RBD）

前言

CRH3電動車組在運行過程中，牽引變流器會產生大量的熱損耗，而牽引變流器冷卻系統的作用就是能夠及時將這些熱量帶走，足見其地位的重要性，因此對其安全性、可靠性、可用性以及可維修性的分析驗證，也就變得尤為關鍵。

1 系統概述

電網提供25kv單相工頻高壓電、高壓電經網側高壓電氣設備傳遞給牽引變壓器，牽引變壓器將高壓電降壓后的單相工頻電流輸出給牽引變流器，牽引變流器將輸入電流進行整流、濾波和逆變，輸出可調頻、調壓的三相交流電，驅動三相交流異步牽引電機轉動，帶動車輪轉動、列車運行。在這個能量轉化和動力傳遞過程中，牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機的電氣元件在工作中會產生熱損耗，引起電氣元件溫度上升，如果溫度超出元件所能承受的范圍，變壓器、變流器和電機等將不能正常工作，甚至可能會使電氣元件產生絕緣失效、著火等危險。因此，必須采用合適的冷卻系統將變壓器、變流器和電機工作時產生的熱量帶走，這樣才能保證牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機正常工作，從而保證機車安全運行。

以16節車廂的動車組長編組為例，牽引變流器冷卻系統共8個，分別懸掛在動力車廂EC01、VC03、IC06、IC08、BC09、IC11、IC14、EC16的車底。如圖1所示。

圖1 牽引變流器冷卻系統在列車上的分布

牽引變流器冷卻系統構成及原理：CRH3高速電動車組牽引變流器冷卻系統為水冷卻系統。由以下主要部件構成：水冷基板、冷卻裝置、膨脹水箱、水泵、過濾器、傳感器、各種控制閥門及管路等，其中冷卻裝置由空氣過濾器、散熱器、風機組、安裝箱體等部件組成。典型牽引變流器冷卻系統工作原理見圖2。

圖2 動車組牽引變流器冷卻系統的原理示意圖

1-截止閥；2-波紋管；3-散熱器；4-風機組；5-水泵；6-膨脹箱；

7-膨脹箱視窗；8-水冷基板；9-功率模塊

2 RAMS分析展開

2.1 適用范圍

本次RAMS分析的范疇包括變流器冷卻系統的主要部件，而不是所有部件，如空氣過濾器、散熱器、風機組、安裝箱體、膨脹水箱、水泵、過濾器、傳感器、各種控制閥門及管路等。

2.2 術語和縮寫詞

FMECA：故障模式、影響及危害性分析

MTBF：平均故障間隔時間

MTTR：平均修復時間

RAMS：可靠性、可用性、可維修性與安全性

RBD：可靠性框圖

FTA：故障樹分析

λ：反應故障發生的次數（x）與發生故障部件的數量（n）和運行時間（t）的關系

2.3 RAMS目標

可靠性目標：

可用性目標：

可維修性：

■必須保證冷卻系統使用正規工廠的設備和工具，特殊工具的使用盡量少；

■避免不必要的螺釘連接，使用插接式部件防止錯插；

■清洗時，能夠在僅打開側裙板，拆開過濾網和過濾器的情況下進行，并確保排水順暢；

■能夠在不使用任何特殊保護措施的情況下用自動刷洗設備清洗車輛外部。運行中水的飛濺不會引起故障、失靈和限制，壓力傳感器、溫度傳感器等電器件插頭防護等級應達到IP67；

■帶冷卻液運行時，不得有泄漏現象，出現故障能夠單獨更換冷卻器或閥門；

■各部件不得有裂紋、斷裂、松動現象，出現故障能單獨更換故障件。

安全性：

■不允許配件出現裂紋、斷裂、松動現象。

2.4 RAMS建模與設計

2.4.1 假設

一般情況下，外來因素引起的事故，如外來電力中斷、水淹或員工錯誤等，不列為故障。以下非責任故障不會影響產品的RAMS運行考核結果：（1）超過壽命期的損耗件；（2）連帶故障（由前級故障導致的故障）；（3）修復前相同故障的重復出現；（4）碰撞、事故、故意破壞；（5）操作或維修人員的疏忽或不遵守操作規程；（6）不按本公司提供的操作或維護作業指導書要求操作和維護；（6）由于預防性維護工作失誤導致的故障（如忘記加冷卻液等）。

2.4.2 建立RAMS可靠性框圖（RBD）

當變流器在工作時，因熱損耗產生的熱量首先傳到水冷基板上，水冷基板再將熱量傳導到內腔的冷卻水中，系統通過水泵將水冷基板內腔中的水強制循環到散熱器中，高溫水在散熱器中通過外部風機強制通風散熱，完成熱交換后的冷卻水再流回水冷基板內腔重復上述冷卻過程。

冷卻系統中安裝膨脹箱，其作用是補償溫度變化引起的冷卻液體積的變化；調節水泵進口的壓力，若膨脹箱內部的空氣壓力大于某一規定值時，可以通過膨脹箱上的螺桿閥自動排氣。膨脹箱上安裝的可視液位儀可以方便地監視系統液位的變化。

由此可知，該系統中的任一部件的失效都可能導致整個系統的故障，根據串聯系統的可靠性框圖形式，最終得出牽引變流器冷卻系統的串聯可靠性框圖（見圖3）.

圖3 變流器冷卻系統可靠性框圖

2.5 RAMS分析過程

2.5.1 RAMS性能的預計

牽引變流器冷卻單元成功借鑒CRH3動車組前身德國ICE動車組進行可靠性的預計，并結合CRH3動車組上線以來的故障記錄及實際運營期間所得的故障數據更新了預計，以準確把握RAMS性能與客戶要求的相符性。

同時通過以下幾方面的設計優化大大降低了冷卻系統的故障率：（1）散熱器外部涂層的優化，提升了防腐蝕性能；（2）風箱及底板的加強方案，避免了裂紋的發生；（3）浮標開關限位更改為焊接形式，確保了其定位的準確性和牢固性；（4）為適應運行環境，提高溫度、壓力傳感器的防水等級。

2.5.2 RAMS目標值的測試和驗證

以冷卻能力為例，規范中要求的200Pa車輛負壓下的初始冷卻能力為67KW，而驗證的結果為74.6KW，即使在負壓值達到700Pa時，冷卻能力雖有下降，但仍可滿足67KW的總體要求。如圖4所示。

除型式試驗以外，牽引變流器冷卻系統的各類例行試驗，如接地測試、絕緣測試、耐壓測試、以及電機的功能測試，測試結果正常。

同時，通過對各類故障數據積累、FTA故障樹分析、FMECA分析、維修信息的把握，最終得出結論：牽引變流器冷卻系統的可靠性、可用性、可維修性以及安全性完全能夠滿足技術規范的要求。

3 結束語

RAMS工作是一個長期的系統不斷積累不斷改進的過程，還需要專業技術人員不斷的堅持不懈的更新和維護，以期能夠最大限度的保證產品的正常運行和使用。

參考文獻

[1]牽引變流器冷卻系統技術規范，2009[S].

[2]CRH3項目FMECA分析，2010[S].

[3]鐵路應用.可靠型，可用性，可維修性和安全性（RAMS）的演示和規范-EN50126-1：1999[S].

[4]可靠性分析技術.可靠性方框圖法-IEC61078：2006[S].

[5]系統可靠性分析技術-故障模式與效果分析程序（FMEA）IEC6081

2：1985[S].endprint

摘 要：文章闡述了CRH3型動車組項目牽引變流器冷卻系統的系統安全性與系統可靠性、可用性以及可維修性（RAMS）的要求，目的是確保冷卻系統的系統保證工作能夠與車輛廠保持同步開展，以保證列車的正常運行。

關鍵詞：CRH3型動車組；牽引變流器冷卻系統；RAMS；可靠性框圖（RBD）

前言

CRH3電動車組在運行過程中，牽引變流器會產生大量的熱損耗，而牽引變流器冷卻系統的作用就是能夠及時將這些熱量帶走，足見其地位的重要性，因此對其安全性、可靠性、可用性以及可維修性的分析驗證，也就變得尤為關鍵。

1 系統概述

電網提供25kv單相工頻高壓電、高壓電經網側高壓電氣設備傳遞給牽引變壓器，牽引變壓器將高壓電降壓后的單相工頻電流輸出給牽引變流器，牽引變流器將輸入電流進行整流、濾波和逆變，輸出可調頻、調壓的三相交流電，驅動三相交流異步牽引電機轉動，帶動車輪轉動、列車運行。在這個能量轉化和動力傳遞過程中，牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機的電氣元件在工作中會產生熱損耗，引起電氣元件溫度上升，如果溫度超出元件所能承受的范圍，變壓器、變流器和電機等將不能正常工作，甚至可能會使電氣元件產生絕緣失效、著火等危險。因此，必須采用合適的冷卻系統將變壓器、變流器和電機工作時產生的熱量帶走，這樣才能保證牽引變壓器、牽引變流器和牽引電機正常工作，從而保證機車安全運行。

以16節車廂的動車組長編組為例，牽引變流器冷卻系統共8個，分別懸掛在動力車廂EC01、VC03、IC06、IC08、BC09、IC11、IC14、EC16的車底。如圖1所示。

圖1 牽引變流器冷卻系統在列車上的分布

牽引變流器冷卻系統構成及原理：CRH3高速電動車組牽引變流器冷卻系統為水冷卻系統。由以下主要部件構成：水冷基板、冷卻裝置、膨脹水箱、水泵、過濾器、傳感器、各種控制閥門及管路等，其中冷卻裝置由空氣過濾器、散熱器、風機組、安裝箱體等部件組成。典型牽引變流器冷卻系統工作原理見圖2。

圖2 動車組牽引變流器冷卻系統的原理示意圖

1-截止閥；2-波紋管；3-散熱器；4-風機組；5-水泵；6-膨脹箱；

7-膨脹箱視窗；8-水冷基板；9-功率模塊

2 RAMS分析展開

2.1 適用范圍

本次RAMS分析的范疇包括變流器冷卻系統的主要部件，而不是所有部件，如空氣過濾器、散熱器、風機組、安裝箱體、膨脹水箱、水泵、過濾器、傳感器、各種控制閥門及管路等。

2.2 術語和縮寫詞

FMECA：故障模式、影響及危害性分析

MTBF：平均故障間隔時間

MTTR：平均修復時間

RAMS：可靠性、可用性、可維修性與安全性

RBD：可靠性框圖

FTA：故障樹分析

λ：反應故障發生的次數（x）與發生故障部件的數量（n）和運行時間（t）的關系

2.3 RAMS目標

可靠性目標：

可用性目標：

可維修性：

■必須保證冷卻系統使用正規工廠的設備和工具，特殊工具的使用盡量少；

■避免不必要的螺釘連接，使用插接式部件防止錯插；

■清洗時，能夠在僅打開側裙板，拆開過濾網和過濾器的情況下進行，并確保排水順暢；

■能夠在不使用任何特殊保護措施的情況下用自動刷洗設備清洗車輛外部。運行中水的飛濺不會引起故障、失靈和限制，壓力傳感器、溫度傳感器等電器件插頭防護等級應達到IP67；

■帶冷卻液運行時，不得有泄漏現象，出現故障能夠單獨更換冷卻器或閥門；

■各部件不得有裂紋、斷裂、松動現象，出現故障能單獨更換故障件。

安全性：

■不允許配件出現裂紋、斷裂、松動現象。

2.4 RAMS建模與設計

2.4.1 假設

一般情況下，外來因素引起的事故，如外來電力中斷、水淹或員工錯誤等，不列為故障。以下非責任故障不會影響產品的RAMS運行考核結果：（1）超過壽命期的損耗件；（2）連帶故障（由前級故障導致的故障）；（3）修復前相同故障的重復出現；（4）碰撞、事故、故意破壞；（5）操作或維修人員的疏忽或不遵守操作規程；（6）不按本公司提供的操作或維護作業指導書要求操作和維護；（6）由于預防性維護工作失誤導致的故障（如忘記加冷卻液等）。

2.4.2 建立RAMS可靠性框圖（RBD）

當變流器在工作時，因熱損耗產生的熱量首先傳到水冷基板上，水冷基板再將熱量傳導到內腔的冷卻水中，系統通過水泵將水冷基板內腔中的水強制循環到散熱器中，高溫水在散熱器中通過外部風機強制通風散熱，完成熱交換后的冷卻水再流回水冷基板內腔重復上述冷卻過程。

冷卻系統中安裝膨脹箱，其作用是補償溫度變化引起的冷卻液體積的變化；調節水泵進口的壓力，若膨脹箱內部的空氣壓力大于某一規定值時，可以通過膨脹箱上的螺桿閥自動排氣。膨脹箱上安裝的可視液位儀可以方便地監視系統液位的變化。

由此可知，該系統中的任一部件的失效都可能導致整個系統的故障，根據串聯系統的可靠性框圖形式，最終得出牽引變流器冷卻系統的串聯可靠性框圖（見圖3）.

圖3 變流器冷卻系統可靠性框圖

2.5 RAMS分析過程

2.5.1 RAMS性能的預計

牽引變流器冷卻單元成功借鑒CRH3動車組前身德國ICE動車組進行可靠性的預計，并結合CRH3動車組上線以來的故障記錄及實際運營期間所得的故障數據更新了預計，以準確把握RAMS性能與客戶要求的相符性。

同時通過以下幾方面的設計優化大大降低了冷卻系統的故障率：（1）散熱器外部涂層的優化，提升了防腐蝕性能；（2）風箱及底板的加強方案，避免了裂紋的發生；（3）浮標開關限位更改為焊接形式，確保了其定位的準確性和牢固性；（4）為適應運行環境，提高溫度、壓力傳感器的防水等級。

2.5.2 RAMS目標值的測試和驗證

以冷卻能力為例，規范中要求的200Pa車輛負壓下的初始冷卻能力為67KW，而驗證的結果為74.6KW，即使在負壓值達到700Pa時，冷卻能力雖有下降，但仍可滿足67KW的總體要求。如圖4所示。

除型式試驗以外，牽引變流器冷卻系統的各類例行試驗，如接地測試、絕緣測試、耐壓測試、以及電機的功能測試，測試結果正常。

同時，通過對各類故障數據積累、FTA故障樹分析、FMECA分析、維修信息的把握，最終得出結論：牽引變流器冷卻系統的可靠性、可用性、可維修性以及安全性完全能夠滿足技術規范的要求。

3 結束語

RAMS工作是一個長期的系統不斷積累不斷改進的過程，還需要專業技術人員不斷的堅持不懈的更新和維護，以期能夠最大限度的保證產品的正常運行和使用。

參考文獻

[1]牽引變流器冷卻系統技術規范，2009[S].

[2]CRH3項目FMECA分析，2010[S].

[3]鐵路應用.可靠型，可用性，可維修性和安全性（RAMS）的演示和規范-EN50126-1：1999[S].

[4]可靠性分析技術.可靠性方框圖法-IEC61078：2006[S].

[5]系統可靠性分析技術-故障模式與效果分析程序（FMEA）IEC6081

2：1985[S].endprint