HXD3D型電力機車冬季寒冷地區升弓技術的研究與實現

李 哲，李 新，趙 鑫，張 冰，石晶磊

(中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧大連116022)

HXD3D型電力機車冬季寒冷地區升弓技術的研究與實現

李 哲，李 新，趙 鑫，張 冰，石晶磊

(中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧大連116022)

為了徹底解決HXD3D型電力機車冬季在寒冷地區經常發生受電弓無法升起的問題，對可能造成受電弓無法升起的所有原因進行分析，找出了原因。提出了在電氣控制環節和管路環節修改的解決方案，徹底地解決了冬季寒冷地區受電弓無法正常升起的問題。

HXD3D型電力機車;升弓問題;控制邏輯;升弓管路

HXD3D型機車是在六軸大功率交流傳動電力機車技術平臺的基礎上衍生出的具有列車供電功能的交流傳動快速客運電力機車。目前主要在沈陽、太原、蘭州鐵路局擔當客運牽引任務。HXD3D型電力機車繼承了HXD3系列電力機車的技術體系，具有牽引力大、黏著性能好、恒定功率速度范圍寬、效率高等特點。HXD3D型機車的升弓系統采用TCMS(機車控制監視系統)輸出升弓指令，使升弓電磁閥得電，風源通過電磁閥，使受電弓升起的設計方案，在運用考核中發現冬季在哈爾濱等寒冷地區，受電弓存在經常無法正常升起的現象，影響了機車的正常運行。

為解決冬季在寒冷地區受電弓無法正常升起的問題，對所有可能導致升弓問題的因素進行研究分析，查找問題發生的原因。主要包括兩大方面，第1，電氣控制方面:TCMS發出升弓指令傳送到升弓電磁閥得電的各個環節;第2，硬件方面:風源管路至升弓管路的整個管路環節查找問題發生的原因。

1 無法升弓問題原因的研究分析

1.1 電氣控制環節

(1)升弓電氣原理簡述

機車升弓電氣原理簡圖如圖1所示，控制電源控制升弓指令開關、受電弓壓力開關和其他相關信號開關的閉合或斷開。當符合開關閉合條件，控制電源供電，符合條件的開關閉合，否則開關斷開。當升弓指令開關、受電弓壓力開關和其他相關信號開關全部閉合，TCMS輸出升弓信號，升弓電磁閥得電［1］，同時機車升弓電氣電路提供控制接地等保護措施，確保升弓電氣電路的安全。

(2)軟件控制環節

機車升弓控制邏輯簡圖如圖2所示，在司機操縱端輸入升弓指令后，檢測其他允許條件和保護條件，如滿足升弓條件，TCMS輸出升弓指令，升弓電磁閥得電。TCMS在輸出升弓指令后，計時器開始計時，計時25 s之后進行受電弓壓力保護檢測。若TCMS判斷此時受電弓出現氣壓下降，則機車控制監視系統停止輸出升弓指令，使升弓電磁閥不得電，停止升弓［2］。

圖1 升弓電氣原理簡圖

圖2 升弓控制邏輯簡圖

受電弓升起的控制邏輯條件中有25 s升弓保護的設定，即TCMS輸出升弓指令25 s后進行受電弓壓力保護監測，管路中空氣氣壓的大小決定受電弓壓力開關的狀態。當機車處于運行狀態時，由于受電弓原因而出現氣壓降低時，該保護能夠實現快速降弓保護。

正常情況下，受電弓的升起時間一般不超過25 s，若是受電弓正常升起，管路中的氣壓應該會超過規定數值，若是管路中的氣壓沒有超過規定數值，則說明升弓管路中出現問題，則停止輸出升弓信號。所以若是在25 s內，受電弓沒有升起，則受電弓無法正常升起。

1.2 空氣管路環節

整個升弓系統的管路主要由風源管路和升弓管路兩部分組成。如圖3所示，風源管路產生清潔和干燥的空氣，并存儲在升弓風缸中，供受電弓升起時使用，升弓管路為存儲的壓縮空氣到達受電弓提供通路，同時確保了受電弓升起所需要的安全氣壓。

圖3 升弓管路圖

為測試風源管路和升弓管路中各處的氣壓，在管路中接入壓力表，在輔助空壓機打風、升弓電磁閥得電的情況下，利用壓力表測量管路中每一個接入點的氣壓，結果發現，沿著管路中到受電弓的方向，管路中的氣壓逐漸遞減，最后到達受電弓的氣壓小于受電弓升起的最小值，受電無法正常升起。

通過逐條測量每條管線氣壓，測量每個管線是否存在露點、裂紋情況導致空氣氣壓下降，如圖4所示，將檢測儀器換成壓力表，測量管路空氣氣壓，無論帶壓測量或常壓測量，兩種情況下的測量結果均顯示單獨管路沒有問題，不存在露點、裂紋情況。

如圖4將檢測儀器換成管道壓縮空氣溫濕度檢測儀，檢測管路中的相對濕度［3］，檢測結果顯示管路中的相對濕度含量較高，在低溫狀態下，空氣中的水汽以冰的形態存在。

管路中有水汽，在低溫狀態下，管路中的水汽凝結成了冰，堵塞了壓縮空氣的輸送路徑，導致了沿管路到達受電弓的方向，氣壓損失逐漸擴大［4］。

圖4 管路檢測圖

2 故障原因分析

升弓管路中空氣干燥的不徹底導致管路中有水汽，在低溫狀態下，水汽凝結成冰碴堵塞管路，使得升弓管路中氣體流通不暢，受電弓無法獲得升弓需要的最低氣壓，影響了受電弓的正常升起［5］。管路堵塞導致在25 s內管路中無法到達受電弓升起所需的氣壓，此時進行受電弓壓力保護監測，發現受電弓壓力開關處于閉合位置，TCMS停止輸出升弓信號，受電弓無法正常升起［6］。

在實際運用考核中，出現了TCMS發出升弓指令，受電弓無法升起的情況。經過測量發現，在升弓電磁閥之前的管路中有氣壓，升弓電磁閥之后的管路中沒有氣壓，即電磁閥導致升弓管路斷路，拆解升弓管路，發現升弓電磁閥因為天氣寒冷，升弓電磁閥內部被冰碴堵住，導致升弓氣路不通。

3 解決措施

在軟件控制方面，為解決受電弓升弓保護時間過短的問題，提出了修改TCMS的軟件控制程序，將受電弓保護機制的25 s改為40 s，以便有足夠的時間使受電弓管路內的氣壓能夠達到要求，在40 s后進行受電弓壓力保護監測，提供受電弓足夠的升起時間保證受電弓正常升起的解決方案。

在硬件管路方面，為確保在機車冬季在寒冷地區運行途中，管路中水汽不會因為溫度過低而凝結成冰造成管路堵塞，甚至造成機破，提出了在風源管路和升弓管路加貼防寒貼片進行加熱的解決方案。用防寒貼片將管路包裹住，在防寒貼片和管路之間增加加熱環節，在升弓狀態下，由輔助變流柜輸出經過變壓器的220 V交流電為整個管路的加熱環節供電;在降弓狀態下，防寒貼片可以起到保溫減緩管路熱量流失的作用。

在硬件閥門方面，為確保不會發生升弓電磁閥、單向閥和減壓閥在低溫情況下被凍住甚至凍壞的情況，采用提高升弓電磁閥、單向閥和減壓閥低溫狀況下的抗低溫特性的措施。同時針對冬天在低溫狀態下閥門容易出現故障的情況，提出了調節閥門公稱通徑的夏天模式和冬天模式，即在夏天時，將閥門的公稱通徑調小，而在冬天時將閥門的公稱通徑調大，使得冬天時氣流更容易通過閥門，在同樣的冰碴大小的情況下，冬天模式更不容易造成堵塞，從而確保受電弓的正常升起。

針對冬天大雪等極端惡劣的低溫天氣，采用進行夜間升弓的解決方案。由輔助變流柜輸出經過變壓器的220 V交流電為整個管路的加熱環節供電，為整個管路環節加熱30 min，產生的熱量經過防寒貼片包裹，可以長時間的保持溫度，確保在極端惡劣的情況下，管路不會因低溫被冰碴堵住而影響受電弓的正常升起。

2012～2013年，HXD3D型電力機車在沈大線和京哈線進行了長達13個月的行車試驗，取得了良好的效果，可以實現冬季寒冷地區的正常升弓，為后期HXD3D型機車的批量生產提供了堅實的理論和實際基礎。

4 結束語

針對冬季寒冷地區受電弓無法正常升起的情況，大連機車車輛有限公司從電路通路和管路通路即電和氣兩個角度考慮可能導致受電弓無法正常升起的原因，再考慮冬季寒冷地區低溫對升弓電磁閥、單向閥和減壓閥造成的影響。提出了軟件優化提高其防寒水平，以及在整個管路加貼防寒貼片的總體解決思路。

［1］ 王群偉，楊偉君，王鵬飛.動車組升弓控制系統［J］.鐵道機車車輛，2011，31(5):115-117.

［2］ 王漢東.HXD1B型電力機車網絡控制系統及現場維護工具［J］.機車電傳動，2012，(1):21-24.

［3］ 張利燕，杜黎明，張若飛，等.SF6電力設備內濕度含量檢測結果的影響因素及應對策略［J］.河北電力技術，2009，28(1):45-47.

［4］ 劉豫湘，高殿柱，毛金虎，等.防治機車管路系統凍結的研究［J］.機車電傳動，2004，(1):11-14.

［5］ 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網［M］.成都:西南交通大學出版社，2003.

［6］ 許期英，郭學飛.SS4改型電力機車庫內升弓作業要點［J］.鐵道機車車輛，2011，31(3):80-83.

Research and Realization of Pantograph Technology for HXD3D Type Electric Locomotive in Winter of Cold Area

LI Zhe，LI Xin，ZHAO Xin，ZHANG Bing，SHI Jinglei
(Dalian Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，CNR Group，Dalian 116022 Liaoning，China)

In order to solve the problem that HXD3D type electric locomotive sometimes cannot raise its pantograph in cold winter.Analyzing all reasons why the pantograph cannot rise，at last，it comes to a conclusion:the air is not dry thoroughly in the pipeline，which causes the existing of water vapor.The water vapor condenses to ice at low temperature，which blocks the pipeline，and finally causes that the pantograph can not rise.It needs to propose improvement program in the link of electric control and pipeline.This bill solves the problem thoroughly.

HXD3D type electric locomotive;pantograph program;control logic;pantograph pipeline

U264.3+4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.21

1008－7842(2015)02－0087－03

)男，工程師(

2014－08－28)