高速動(dòng)車組牽引電機(jī)溫度繼電器故障分析和改進(jìn)措施

趙志春

(濟(jì)南鐵路局　設(shè)備監(jiān)造處， 山東濟(jì)南 250001)

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高速動(dòng)車組牽引電機(jī)溫度繼電器故障分析和改進(jìn)措施

趙志春

(濟(jì)南鐵路局設(shè)備監(jiān)造處， 山東濟(jì)南 250001)

介紹了高速動(dòng)車組牽引電機(jī)溫度繼電器的工作機(jī)理，對(duì)其在運(yùn)用過(guò)程中自身問(wèn)題引發(fā)的誤報(bào)警情況進(jìn)行了原因分析，并提出了有效的改進(jìn)措施。

溫度繼電器； 牽引電機(jī)； 高速動(dòng)車組； 誤報(bào)警； 改進(jìn)措施

高速動(dòng)車組牽引電機(jī)為實(shí)現(xiàn)定子鐵芯溫度監(jiān)視和異常報(bào)警，提高動(dòng)車組安全監(jiān)控能力，普遍加裝了溫度檢測(cè)繼電器，當(dāng)檢測(cè)到溫度超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，提示司機(jī)立即停車檢查，從而提高牽引電機(jī)和動(dòng)車組高速運(yùn)行過(guò)程中的安全性能。

高速動(dòng)車組牽引電機(jī)加裝溫度繼電器投入運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，由于溫度繼電器自身問(wèn)題，導(dǎo)致在動(dòng)車組運(yùn)用過(guò)程中多次發(fā)生了牽引電機(jī)溫度高故障誤報(bào)警情況，對(duì)高速動(dòng)車組正常運(yùn)營(yíng)造成了不良影響。

本文通過(guò)對(duì)高速動(dòng)車組牽引電機(jī)溫度繼電器工作機(jī)理的分析，對(duì)繼電器故障進(jìn)行了深入的調(diào)查、研究和分析，制定了有效的改進(jìn)措施，經(jīng)過(guò)現(xiàn)車驗(yàn)證，確認(rèn)了改進(jìn)措施的有效性。

1　溫度繼電器工作機(jī)理

1.1牽引電機(jī)溫度高報(bào)警檢測(cè)電路原理

牽引電機(jī)溫度高報(bào)警檢測(cè)電路如圖1所示，每節(jié)動(dòng)車組4個(gè)牽引電機(jī)溫度繼電器串聯(lián)，共同控制一個(gè)外部繼電器。電機(jī)溫度正常時(shí)，牽引電機(jī)溫度繼電器均處于閉合狀態(tài)，當(dāng)一臺(tái)及一臺(tái)以上牽引電機(jī)溫度高時(shí)，其溫度繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，外部繼電器失電，其輔助觸點(diǎn)斷開(kāi)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到該輔助觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)即報(bào)牽引電機(jī)溫度高故障。

圖1　牽引電機(jī)溫度高報(bào)警檢測(cè)電路

1.2溫度繼電器結(jié)構(gòu)及機(jī)理

溫度繼電器是由溫控器、殼體、電纜線、填充材料等部件組成的一種熱保護(hù)元件，它將雙金屬片密封在殼體中形成溫控器，如圖2所示。

溫控器由觸點(diǎn)和雙金屬片組成，雙金屬片由兩種熱膨脹系數(shù)不同的金屬組成，在正常工作狀態(tài)下，觸點(diǎn)和雙金屬片接通，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定溫度(動(dòng)作溫度)，雙金屬片受熱發(fā)生形變，觸點(diǎn)斷開(kāi)，此時(shí)電路斷開(kāi)，當(dāng)溫度下降到一定溫度時(shí)(回復(fù)溫度)雙金屬片形狀恢復(fù)正常狀態(tài)，觸點(diǎn)閉合，此時(shí)電路閉合。利用溫控器這一特性來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度繼電器的功能。圖3為溫控器結(jié)構(gòu)圖，圖4為溫控器動(dòng)作前后狀態(tài)。

1-導(dǎo)熱絕緣填充物；2-溫控器；3-絕緣套管；4-殼體；5-頂蓋；6-固線接頭；7-線纜。

圖2溫度繼電器結(jié)構(gòu)圖

1-陶瓷塞塊；2-動(dòng)觸片(雙金屬片)；3-觸點(diǎn)；4-外殼；5-靜觸片；6-環(huán)氧樹(shù)脂；7-引線

圖3溫控器結(jié)構(gòu)圖

圖4　溫控器動(dòng)作前后狀態(tài)

1.3溫度繼電器主要參數(shù)

溫度繼電器參數(shù)如表1所示：

表1　溫度繼電器參數(shù)表

2　原因分析和故障定位

2.1故障排查分析

2.1.1試驗(yàn)檢測(cè)

對(duì)發(fā)生牽引電機(jī)溫度高報(bào)警車廂的4個(gè)溫度繼電器進(jìn)行例行試驗(yàn)檢查、高溫振動(dòng)試驗(yàn)、浸水試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)檢測(cè)。試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目及檢測(cè)結(jié)果如表2和表3所示。

表2　試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目

表3　試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

2.1.2拆解檢查

將4個(gè)溫控器分別從溫度繼電器中拆解出來(lái)，發(fā)現(xiàn)1軸溫度繼電器溫控器內(nèi)雙金屬片觸點(diǎn)有輕微發(fā)黑現(xiàn)象，說(shuō)明繼電器確實(shí)發(fā)生過(guò)動(dòng)作。其余溫度繼電器正常，如圖5所示。

2.1.3故障件歷史數(shù)據(jù)追溯

對(duì)故障溫度繼電器從元器件入廠，至繼電器裝車共計(jì)7個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)(溫控器入廠篩選→溫控器老化試驗(yàn)后篩選→組裝半成品后篩選→封裝后成品篩選→成品打標(biāo)后篩選→入廠檢測(cè)→溫度繼電器裝車)進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)問(wèn)題：

(1)故障溫度繼電器性能穩(wěn)定性差：老化前后的動(dòng)作溫度值雖符合設(shè)計(jì)要求(185±5)℃，但波動(dòng)比較大，相差達(dá)7.7 ℃。

(2)成品繼電器存放時(shí)間長(zhǎng)，裝車前檢查確認(rèn)措施不全，裝車前只做了阻值測(cè)量，沒(méi)有進(jìn)行溫度動(dòng)作值確認(rèn)和絕緣性能測(cè)試。

2.2系統(tǒng)排查

從以下幾方面進(jìn)行排查及分析：

(1)結(jié)合高速動(dòng)車組三、四級(jí)修，對(duì)溫度繼電器的接觸電阻進(jìn)行測(cè)量對(duì)比分析，并按照接觸電阻≤50 MΩ的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管控；

(2)利用從高級(jí)修篩選出來(lái)疑似不良品進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試及分析；

(3)梳理繼電器的歷史數(shù)據(jù)，查找規(guī)律。

通過(guò)三四級(jí)修溫度繼電器接觸電阻對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)約有20.5%的溫度繼電器出現(xiàn)阻值漂移，表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。高級(jí)修過(guò)程中共剔除出59個(gè)疑似不良品(占比為15%)，從絕緣性能、動(dòng)作溫度、回復(fù)溫度等方面對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)60萬(wàn)km運(yùn)行后，溫度繼電器動(dòng)作溫度較新造普遍降低，個(gè)別已存在隱患。為進(jìn)一步查明溫度繼電器性能下降的趨勢(shì)，對(duì)59個(gè)溫控器原始篩選數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯對(duì)比，如圖6和圖7所示。老化前后動(dòng)作溫度波動(dòng)較大(大于5℃)或者回復(fù)溫度高于動(dòng)作溫度的產(chǎn)品，其動(dòng)作溫度有漂移到175℃以下、溫度閃斷或高溫振動(dòng)條件下動(dòng)作溫度降低的趨勢(shì)。

2.3分析結(jié)論

通過(guò)對(duì)故障件試驗(yàn)檢測(cè)、拆解檢查、歷史追溯，以及對(duì)高級(jí)修溫度繼電器進(jìn)行統(tǒng)排查分析，得出如下分析結(jié)論：

(1)溫控器老化前后動(dòng)作溫度試驗(yàn)中，僅規(guī)定了門檻值，而沒(méi)有規(guī)定波動(dòng)值，未能全部篩選出不穩(wěn)定器件。

(2)成品繼電器存放時(shí)間長(zhǎng)(存放6個(gè)月)，裝車前檢查確認(rèn)措施不全，未進(jìn)行動(dòng)作溫度檢測(cè)，導(dǎo)致不良品上線運(yùn)用。

(3)部分溫度繼電器絕緣性能下降，制造工藝需進(jìn)行優(yōu)化。

(4)彈片式溫控器是溫度敏感及振動(dòng)敏感型器件。由于牽引電機(jī)高溫及振動(dòng)的影響，振動(dòng)敏感特性成為產(chǎn)品失效的誘因并導(dǎo)致產(chǎn)品壽命耗損。

圖6　老化篩選時(shí)動(dòng)作溫度波動(dòng)>5 ℃的樣本數(shù)據(jù)分析

圖7　老化篩選時(shí)回復(fù)溫度高于動(dòng)作溫度的樣本數(shù)據(jù)分析

(5)根據(jù)目前研究的樣本(如圖8所示)，可看出部分繼電器動(dòng)作溫度與出廠時(shí)初始值已有偏離，同時(shí)動(dòng)作溫度呈下降趨勢(shì)。

圖8　溫度繼電器動(dòng)作溫度下滑趨勢(shì)

3　改進(jìn)和處理措施

3.1 新制產(chǎn)品優(yōu)化

3.1.1優(yōu)化溫度繼電器制造工藝

細(xì)化設(shè)計(jì)圖紙和工藝文件，明確溫度繼電器內(nèi)部絕緣處理要求，加強(qiáng)質(zhì)量控制。產(chǎn)品出廠前進(jìn)行100%浸水試驗(yàn)。

3.1.2完善溫度繼電器出廠試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)

控制老化前后溫控器動(dòng)作溫度波動(dòng)閾值：優(yōu)化器件篩選方案，對(duì)比溫控器老化篩選前后數(shù)據(jù)，對(duì)新造產(chǎn)品加嚴(yán)控制在2 ℃以內(nèi)。

增加高溫振動(dòng)下動(dòng)作、回復(fù)溫度檢測(cè)：對(duì)成品進(jìn)行100%高溫振動(dòng)試驗(yàn)(GB/T21563：1類A級(jí)耐久性試驗(yàn)，橫向和垂向各10 min，溫度范圍130～160 ℃ )。

3.2針對(duì)運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組的繼電器處置

對(duì)在線運(yùn)行的高速動(dòng)車組溫度繼電器進(jìn)行普查(接觸電阻≤50 mΩ)。

梳理已裝車溫度繼電器的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)老化前后動(dòng)作溫度波動(dòng)超過(guò)4 ℃的進(jìn)行及時(shí)更換。

結(jié)合高級(jí)修對(duì)所有牽引電機(jī)溫度繼電器更換為增加檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)的新品。

3.3加強(qiáng)備品管理

制定詳細(xì)的繼電器倉(cāng)儲(chǔ)管理細(xì)則，明確存儲(chǔ)時(shí)間及超出時(shí)間后的處置方案。

3.4加強(qiáng)過(guò)程管控

對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)審核，從制造工藝、工裝設(shè)備、篩選方案、檢驗(yàn)手段等方面提出整改要求，加強(qiáng)對(duì)過(guò)程的質(zhì)量管控，提高產(chǎn)品可靠性。

3.5溫度繼電器可靠性及壽命提升

采用并聯(lián)式冗余設(shè)計(jì)的溫度繼電器方式(兩個(gè)常閉溫控器并聯(lián))，降低溫度繼電器的故障率，提高溫度繼電器的可靠性。同時(shí)進(jìn)行工藝優(yōu)化，由原來(lái)的隨機(jī)裝配方式(無(wú)法控制安裝方向和安裝位置)變更為分段組件裝配，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品造成的損害，提高產(chǎn)品的可靠性。結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1-絕緣膠紙；2-密封膠；3-絕緣管；4-殼體；5-頂蓋；6-金屬焊接；7-管型端子；8-云母片；9-固線接頭；10-電纜；11-電子線；12-溫控器;13-電流焊接。

圖9冗余式溫度繼電器結(jié)構(gòu)圖

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)牽引電機(jī)溫度繼電器存在問(wèn)題的深入剖析，找到了高速動(dòng)車組牽引電機(jī)溫度高故障誤報(bào)警的根本原因，并對(duì)牽引電機(jī)溫度繼電器設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)提出了有效措施。

截止目前，優(yōu)化制造工藝并完善檢查項(xiàng)點(diǎn)的新制溫度繼電器已投入實(shí)際運(yùn)用，未再由此引發(fā)牽引電機(jī)溫度高誤報(bào)警情況，改進(jìn)效果明顯，同時(shí)，并聯(lián)式冗余設(shè)計(jì)的溫度繼電器已經(jīng)投入運(yùn)用考核，考核結(jié)束后將實(shí)施批量更換，進(jìn)一步提高溫度繼電器的工作可靠性，避免因溫度繼電器引發(fā)牽引電機(jī)溫度高誤報(bào)警情況。

[1]動(dòng)車組供電牽引系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2012.

[2]劉志明，史紅梅. 動(dòng)車組裝備[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[3]何為. 電磁兼容原理和應(yīng)用[M]北京：清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2008.

The Failure Analysis and Improvement Measures of High-speed EMU Traction Motor Temperature Relay

ZHAO Zhichun

(Equipment Supervision Office, Jinan Railway Bureau, Jinan 250001 Shandong, China)

The working mechanism of High-speed EMU traction motor temperature relay was introduced, the reason of false alarm in operation, which caused by relay's own problems, was analyzed and the improvement measures were proposed.

temperature relay; traction motor; high-speed EMU; false alarm; improvement measures

1008-7842 (2016) 01-0093-04

??)男，高級(jí)工程師(

2015-08-18)

U266.2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.24