HXD1型機車主變流器模塊驅動板接線故障原因分析及措施

路景陽

(中國鐵路西安局集團有限公司 機務處， 西安 710054)

2017年6～7月安康機務段配屬的HXD1型機車連續發生6次變流器模塊故障，其中4件四象限模塊故障，2件逆變模塊故障，對機車正常運用造成了影響。故障情況見表1。

表1 安康機務段HXD1機車模塊故障信息

注①回段—回安康機務段。

1 故障分析

1.1 HXD1-1528機車故障分析

(1) 故障信息

如圖1所示，1528機車于2017年06月10日04:50:58在IDU屏上報出“TCU1_四象限2_B相上管故障”、“TCU1_四象限2_B相下管故障”。

圖1 故障信息

(2) 機車狀態

如圖2所示，07:49:37機車報“TCU1_四象限2_B相上/下管故障”，TCU保護性分主斷，主斷斷開。之后2軸短接接觸器一直在斷開狀態未閉合，機車維持運行。

圖2 故障時機車機車狀態

(3) 故障原因

圖3所示的是故障時刻LCC所記錄的瞬態故障波形。從圖中可看出，故障前中間電壓在1 800 V左右，網壓波形正常，只啟動了第一重四象限模塊，電流峰值為300 A左右，總體輸出功率較小。故障時刻，四象限二模塊沒有啟動，四象限二模塊報出故障后，系統封鎖四象限一脈沖，未出現中間電壓突變、四象限電流過流等現象。分析故障時刻網絡數據，機車故障時刻網壓為30 kV，速度為66 km/h左右，水壓差為140 kPa，進水口溫度為25℃，出水口溫度為25℃，都在正常范圍之內。

圖3 故障時刻波形圖

(4) 故障品實物分析

故障品返回后，對模塊的部件外觀、基本參數進行檢查和測量，如圖4所示。

經檢查發現，1528機車故障模塊的B相驅動板電源線束脫落，其余線束均正常。用萬用表測量各相IGBT的CE極阻值、反并聯二極管壓降、門極阻值、檢測板穩壓管、二極管等基本參數，均未發現異常。

1.2 其他故障模塊檢測情況

后續對其他故障模塊進行解體檢查，HXD1-1552機車模塊故障完全與1528機車情況類似，1529機車也存在驅動板電源線脫落的情況。另3臺機車經過檢測，IGBT元件自身均完好，分析也存在驅動板電源線虛接的情況。

圖4 故障品模塊外觀

1.3 對機車TCU變流器模塊運行環境檢測

根據故障現象，段方組織生產商對HXD1型機車TCU整體及模塊運行環境進行了檢測，結合GB/T 21563-2008[1]標準進行了對比監測，選擇了4臺機車進行測試，結果見表2。

從測試的結果看：

模塊振動：HXD1 2臺機車三向加速度均超過標準值，HXD1-1182各向加速度約為標準值的3～4倍左右，低頻振動(0～150 Hz)除橫向超標外，其余兩個方向均滿足標準要求。HXD1-1153(因測點位于模塊導軌上，加速度大小與其他3臺機車不同，數據無對比價值，僅作參考)各向加速度約為標準值的13～20倍左右，低頻振動(0～150 Hz)三個方向均滿足標準要求； HXD2-1086機車垂向振動滿足標準要求，縱向約為標準值的5倍左右，橫向約為標準值的1.5倍左右，低頻振動(0～150 Hz)三個方向均滿足標準要求；HXD2-1157除橫向超過標準值外，其余兩個方向均滿足標準要求，低頻振動(0～150 Hz)三個方向均滿足標準要求；

表2 TCU整體及模塊運行環境檢測 m·s-2

TCU振動：HXD1-1182/1153兩臺機車振動大小相當，垂向均滿足標準要求，縱向和橫向均超出標準值，縱向約為標準值的2倍左右，橫向約為標準值的5倍左右。低頻振動(0～150 Hz)，兩臺機車除橫向超標外，其余兩個方向均達標；HXD2-1086振動滿足標準要求。HXD2-1157垂向振動滿足標準要求，縱向和橫向振動約為標準的1.5～2倍左右。低頻振動(0～150 Hz)，兩臺機車均達標。

2 故障原因

結合故障模塊驅動板聯接線斷線及對機車TCU模塊工作環境檢測結果，機車長時間在強振動環境下運行，導致驅動板電源線束和連接器壓接處發生脫落，引發模塊報故障。

3 整改措施

根據測試及故障原因分析，提出了以下整改措施。

(1)針對HXD1型機車振動問題，經機務段方組織主機工廠檢測，發現機車輪對存在多邊形特征，是造成機車振動的根源。根據調研，采用在軸箱上下雙向定位的新型車床，可徹底消除輪對已形成的多邊形特征[2]。安康機務段采購了新型旋床設備， 2017年6月對多邊形特征比較明顯的HXD1-1183機車測量了新車床旋修前后的輪對踏面圓周非均勻磨耗情況，其中第5軸旋修前后測量數據如圖5所示。

圖5 HXD1-1183車5軸車輪的測試結果

表3是旋前和旋后各車輪的徑跳值，由統計結果可知，旋輪前，5 軸左輪的徑跳值最大，為0.269 mm，其他車輪徑跳值均不超過0.2 mm。旋輪后，3軸右輪的徑跳值最大，為0.061 mm。

表3 徑跳值統計

HXD11183機車測量結果表明：旋修前，所測試車輪圓周非均勻磨耗主要表現為16至24 邊形，其中18至22 邊形尤為明顯，第2 軸和第5 軸車輪多邊形最為明顯，表現為18 邊形，各車輪同時還表現出偏心。旋輪后，所測車輪原始多邊形均已消除，且偏心現象得到改善。

(2) 機車主變流器模塊作為機車主要功率器件，自身在設計上需要能夠應對復雜的運行環境。針對接線故障，有學者提出運用DOE方法解決[3]或者設計現場端子接線故障預警裝置[4]，本文采用對原驅動板接線插頭進行加固的措施，也可減少故障的發生。

①原有插頭接線采用剝線后直接壓入端子的接線方式，如圖6所示。

圖6 整改前接線方式示意圖

②將原接線退出后重新剝線，改用熱縮式管狀端子重新壓接。將剝除絕緣層的線束插入熱縮式管狀端子，用壓接鉗0.5 檔位對熱縮套管金屬部分進行壓接一次，壓接完后確認熱縮套管與線束壓接緊固，用剪刀剪去超過熱縮套管金屬部分多余的線束。用熱風槍將管狀端子的熱縮套管吹縮。吹縮后注意檢查熱縮管是否有效包裹導線的絕緣層(見圖7)。

圖7 整改過程圖

③將改造好的驅動電源線插頭重新插接至驅動板插座上，緊固固定螺栓(見圖8)。

圖8 整改前接線方式示意圖

④恢復插頭，用反光鏡確認插頭插接緊固，用綁扎帶對驅動電源線進行綁扎。

⑤恢復后整車試驗正常。

4 結束語

安康機務段自2017年6月起，HXD1型機車輪對旋修全部在采用軸箱上下雙向定位的新型車床上進行旋修，保證機車輪對多邊形消除，降低機車振動。同時根據廠方的整改方案，從2017年7月份開始在安康機務段進行HXD1型機車TCU模塊驅動板接線改造，至2017年10月結束，運用至2017年12月份，未發生模塊驅動板接線斷裂，虛接故障，有效保證了機車運用質量。

機車運行環境復雜多變，機車振動是不可避免的，對異常振動需要綜合施策來進行解決，關鍵的是機車各部件也需要提升自身的防振能力，減少故障的發生。