HXD3D型電力機(jī)車冬季寒冷地區(qū)升弓技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

李 哲，李 新，趙 鑫，張 冰，石晶磊

(中國北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連116022)

HXD3D型電力機(jī)車冬季寒冷地區(qū)升弓技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

李 哲，李 新，趙 鑫，張 冰，石晶磊

(中國北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連116022)

為了徹底解決HXD3D型電力機(jī)車冬季在寒冷地區(qū)經(jīng)常發(fā)生受電弓無法升起的問題，對(duì)可能造成受電弓無法升起的所有原因進(jìn)行分析，找出了原因。提出了在電氣控制環(huán)節(jié)和管路環(huán)節(jié)修改的解決方案，徹底地解決了冬季寒冷地區(qū)受電弓無法正常升起的問題。

HXD3D型電力機(jī)車;升弓問題;控制邏輯;升弓管路

HXD3D型機(jī)車是在六軸大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車技術(shù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上衍生出的具有列車供電功能的交流傳動(dòng)快速客運(yùn)電力機(jī)車。目前主要在沈陽、太原、蘭州鐵路局擔(dān)當(dāng)客運(yùn)牽引任務(wù)。HXD3D型電力機(jī)車?yán)^承了HXD3系列電力機(jī)車的技術(shù)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(diǎn)。HXD3D型機(jī)車的升弓系統(tǒng)采用TCMS(機(jī)車控制監(jiān)視系統(tǒng))輸出升弓指令，使升弓電磁閥得電，風(fēng)源通過電磁閥，使受電弓升起的設(shè)計(jì)方案，在運(yùn)用考核中發(fā)現(xiàn)冬季在哈爾濱等寒冷地區(qū)，受電弓存在經(jīng)常無法正常升起的現(xiàn)象，影響了機(jī)車的正常運(yùn)行。

為解決冬季在寒冷地區(qū)受電弓無法正常升起的問題，對(duì)所有可能導(dǎo)致升弓問題的因素進(jìn)行研究分析，查找問題發(fā)生的原因。主要包括兩大方面，第1，電氣控制方面:TCMS發(fā)出升弓指令傳送到升弓電磁閥得電的各個(gè)環(huán)節(jié);第2，硬件方面:風(fēng)源管路至升弓管路的整個(gè)管路環(huán)節(jié)查找問題發(fā)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(huán)節(jié)

(1)升弓電氣原理簡述

機(jī)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(guān)、受電弓壓力開關(guān)和其他相關(guān)信號(hào)開關(guān)的閉合或斷開。當(dāng)符合開關(guān)閉合條件，控制電源供電，符合條件的開關(guān)閉合，否則開關(guān)斷開。當(dāng)升弓指令開關(guān)、受電弓壓力開關(guān)和其他相關(guān)信號(hào)開關(guān)全部閉合，TCMS輸出升弓信號(hào)，升弓電磁閥得電［1］，同時(shí)機(jī)車升弓電氣電路提供控制接地等保護(hù)措施，確保升弓電氣電路的安全。

(2)軟件控制環(huán)節(jié)

機(jī)車升弓控制邏輯簡圖如圖2所示，在司機(jī)操縱端輸入升弓指令后，檢測其他允許條件和保護(hù)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(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)25 s之后進(jìn)行受電弓壓力保護(hù)檢測。若TCMS判斷此時(shí)受電弓出現(xiàn)氣壓下降，則機(jī)車控制監(jiān)視系統(tǒng)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(hù)的設(shè)定，即TCMS輸出升弓指令25 s后進(jìn)行受電弓壓力保護(hù)監(jiān)測，管路中空氣氣壓的大小決定受電弓壓力開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)機(jī)車處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于受電弓原因而出現(xiàn)氣壓降低時(shí)，該保護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速降弓保護(hù)。

正常情況下，受電弓的升起時(shí)間一般不超過25 s，若是受電弓正常升起，管路中的氣壓應(yīng)該會(huì)超過規(guī)定數(shù)值，若是管路中的氣壓沒有超過規(guī)定數(shù)值，則說明升弓管路中出現(xiàn)問題，則停止輸出升弓信號(hào)。所以若是在25 s內(nèi)，受電弓沒有升起，則受電弓無法正常升起。

1.2 空氣管路環(huán)節(jié)

整個(gè)升弓系統(tǒng)的管路主要由風(fēng)源管路和升弓管路兩部分組成。如圖3所示，風(fēng)源管路產(chǎn)生清潔和干燥的空氣，并存儲(chǔ)在升弓風(fēng)缸中，供受電弓升起時(shí)使用，升弓管路為存儲(chǔ)的壓縮空氣到達(dá)受電弓提供通路，同時(shí)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(fēng)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(jī)打風(fēng)、升弓電磁閥得電的情況下，利用壓力表測量管路中每一個(gè)接入點(diǎn)的氣壓，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(dá)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(gè)管線是否存在露點(diǎn)、裂紋情況導(dǎo)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(jié)果均顯示單獨(dú)管路沒有問題，不存在露點(diǎn)、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(duì)濕度［3］，檢測結(jié)果顯示管路中的相對(duì)濕度含量較高，在低溫狀態(tài)下，空氣中的水汽以冰的形態(tài)存在。

管路中有水汽，在低溫狀態(tài)下，管路中的水汽凝結(jié)成了冰，堵塞了壓縮空氣的輸送路徑，導(dǎo)致了沿管路到達(dá)受電弓的方向，氣壓損失逐漸擴(kuò)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(dǎo)致管路中有水汽，在低溫狀態(tài)下，水汽凝結(jié)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(dǎo)致在25 s內(nèi)管路中無法到達(dá)受電弓升起所需的氣壓，此時(shí)進(jìn)行受電弓壓力保護(hù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)受電弓壓力開關(guān)處于閉合位置，TCMS停止輸出升弓信號(hào)，受電弓無法正常升起［6］。

在實(shí)際運(yùn)用考核中，出現(xiàn)了TCMS發(fā)出升弓指令，受電弓無法升起的情況。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)致升弓管路斷路，拆解升弓管路，發(fā)現(xiàn)升弓電磁閥因?yàn)樘鞖夂洌姶砰y內(nèi)部被冰碴堵住，導(dǎo)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(hù)時(shí)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(hù)機(jī)制的25 s改為40 s，以便有足夠的時(shí)間使受電弓管路內(nèi)的氣壓能夠達(dá)到要求，在40 s后進(jìn)行受電弓壓力保護(hù)監(jiān)測，提供受電弓足夠的升起時(shí)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(jī)車冬季在寒冷地區(qū)運(yùn)行途中，管路中水汽不會(huì)因?yàn)闇囟冗^低而凝結(jié)成冰造成管路堵塞，甚至造成機(jī)破，提出了在風(fēng)源管路和升弓管路加貼防寒貼片進(jìn)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(huán)節(jié)，在升弓狀態(tài)下，由輔助變流柜輸出經(jīng)過變壓器的220 V交流電為整個(gè)管路的加熱環(huán)節(jié)供電;在降弓狀態(tài)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(huì)發(fā)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(shí)針對(duì)冬天在低溫狀態(tài)下閥門容易出現(xiàn)故障的情況，提出了調(diào)節(jié)閥門公稱通徑的夏天模式和冬天模式，即在夏天時(shí)，將閥門的公稱通徑調(diào)小，而在冬天時(shí)將閥門的公稱通徑調(diào)大，使得冬天時(shí)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(duì)冬天大雪等極端惡劣的低溫天氣，采用進(jìn)行夜間升弓的解決方案。由輔助變流柜輸出經(jīng)過變壓器的220 V交流電為整個(gè)管路的加熱環(huán)節(jié)供電，為整個(gè)管路環(huán)節(jié)加熱30 min，產(chǎn)生的熱量經(jīng)過防寒貼片包裹，可以長時(shí)間的保持溫度，確保在極端惡劣的情況下，管路不會(huì)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(jī)車在沈大線和京哈線進(jìn)行了長達(dá)13個(gè)月的行車試驗(yàn)，取得了良好的效果，可以實(shí)現(xiàn)冬季寒冷地區(qū)的正常升弓，為后期HXD3D型機(jī)車的批量生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)際基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

針對(duì)冬季寒冷地區(qū)受電弓無法正常升起的情況，大連機(jī)車車輛有限公司從電路通路和管路通路即電和氣兩個(gè)角度考慮可能導(dǎo)致受電弓無法正常升起的原因，再考慮冬季寒冷地區(qū)低溫對(duì)升弓電磁閥、單向閥和減壓閥造成的影響。提出了軟件優(yōu)化提高其防寒水平，以及在整個(gè)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(dòng)車組升弓控制系統(tǒng)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31(5):115-117.

［2］ 王漢東.HXD1B型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及現(xiàn)場維護(hù)工具［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2012，(1):21-24.

［3］ 張利燕，杜黎明，張若飛，等.SF6電力設(shè)備內(nèi)濕度含量檢測結(jié)果的影響因素及應(yīng)對(duì)策略［J］.河北電力技術(shù)，2009，28(1):45-47.

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

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

［6］ 許期英，郭學(xué)飛.SS4改型電力機(jī)車庫內(nèi)升弓作業(yè)要點(diǎn)［J］.鐵道機(jī)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)