HXD2 新八軸機車低溫環境適應性的技術研究

李 杰， 聶 敏

（中車大同電力機車有限公司技術中心， 山西 大同 037038）

引言

2018 年1 月20 日，一股強冷空氣席卷北方，給濱州線帶來10 年不遇的極寒天氣，由于溫度驟降至-40 ℃以下，使配屬到該地區的電力機車出現極寒天氣的適應性問題，對哈局的運輸工作造成嚴重影響。針對此問題，為避免HXD2 型機車一旦配屬哈局后存在類似情況導致機車無法正常運行，特開展HXD2 機車低溫環境適應性研究。

1 HXD2 機車的概述

HXD2 機車是中國鐵路干線貨運機車的主力車型之一，自2012 年首臺機車下線以來先后配屬5 個鐵路局7 個機務段。

HXD2 機車在滿足-25～+40 ℃環境正常運行的基礎上，可通過配置防寒加熱設備使機車達到-40～-25 ℃環境下正常運行的要求。其中高壓電器、變壓器、轉向架系統、車體鉤緩系統、電機、蓄電池、微機控制系統等部件自身能夠滿足-40 ℃環境下正常運行的要求，牽引和輔助變流器及其控制單元、升弓系統部件、空氣制動系統等通過加熱系統，可以滿足-40～-25 ℃環境下正常運行的要求[1]。

2 HXD2 機車各系統低溫性能的設計

2.1 原材料低溫性能的設計

機車車體主要承載部件等金屬原材料采用S355J2G4，-40 ℃低溫沖擊性能良好；轉向架構架主體原材料S500MC、車輪原材料ER8/J2、車軸原材料A1N（UIC 811-1）、彈簧原材料51CrV4（一系）、50CrMoV4（二系），在-40 ℃低溫沖擊性能良好。

2.2 高壓電器部件低溫性能的設計

高壓電器按照-40 ℃低溫環境進行了部件低溫型式試驗，滿足機車在-40～-25 ℃低溫環境下正常運行的要求。

2.3 高壓電器部件低溫性能的設計

車外的制動系統用的管路及閥類部件設計時按照-40 ℃進行要求，其中車外管路及閥類關鍵部件進行了低溫型式試驗，低溫型式試驗考核標準為-50 ℃。由此可見機車車外的制動系統用的管路及閥類部件滿足極寒氣候下（-40～-45 ℃）正常使用的要求。

2.4 轉向架部件低溫性能的設計

軸箱軸承油脂和齒輪油，工作環境溫度范圍為-40～+40 ℃，結合油脂的低溫性能說明，滿足-40℃低溫性能要求。橡膠材料按照-40～+40 ℃要求。

2.5 車體部件低溫性能的設計

車鉤材質按照標準進行了-40 ℃低溫沖擊試驗，性能滿足標準要求；緩沖器按照-50 ℃低溫環境進行了部件低溫型式試驗，性能滿足標準要求；車體外部橡膠件按照-50 ℃低溫環境進行了部件低溫型式試驗，性能滿足標準要求。

2.6 司機室保溫防寒的設計

司機室前墻、側墻、后墻、頂蓋、地板內都鋪設了保溫防寒填料，能夠對司機室與外界及機械間起到有效的隔熱作用，防止熱量散失。

司機室內設計有側墻暖風機、后墻暖風機、腳爐、膝爐等加熱電器，保證在-40 ℃環境條件下司乘人員溫暖舒適。按照運機技術函〔2014〕122 文件規定，每端司機室加熱設備總功率不小于8 kW。通過計算HXD2 電力機車每端司機室加熱設備總功率為10 kW，可以保證在-40 ℃的環境下司乘人員舒適度的要求。

2.7 衛生間的低溫性能的設計

在機車正常通電下，當外部溫度為-40 ～0℃時,保證排污管內的污物不凍；在機車正常通電下，當機械間溫度為-40～0 ℃時, 可保證污物箱內的污物不凍；在機車正常通電下，當機械間溫度為-40 ～0 ℃時，保證衛生間內部管路不凍。在環境溫度為-45～-40 ℃時，只要機械間溫度≥-40 ℃，則不影響衛生間的正常使用。

2.8 電傳動系統低溫性能的設計

2.8.1 牽引變壓器

1）牽引變壓器器身材料包括銅、硅鋼片、絕緣件和不銹鋼緊固件，其材料特性滿足-40 ℃低溫下運行要求。

2）變壓器采用的冷卻介質為45 號變壓器油，依據GB2536-2011 標準的規定，其傾點≤-40 ℃，即在-40 ℃環境下，變壓器油處于粘稠但可以流動的狀態。

3）主體結構的材質為Q345E 和不銹鋼，能夠承受-40 ℃的低溫沖擊要求。此外只有不到1%的極少數不受力的部件（如放氣塞座、放油塞座等）的材質為Q235D，這些部件在牽引變壓器正常運行和使用過程中并不受力，不會影響牽引變壓器在-40 ℃的環境溫度下運行。

4）油泵的設計滿足-40 ℃低溫要求，其泵體材質為鋁，密封墊材料滿足-40 ℃低溫脆性要求。

5）密封件全部采用HNBR 材料，能夠滿足牽引變壓器在-40 ℃環境溫度下正常運行的要求。

6）油流繼電器的設計滿足-40 ℃低溫運行要求。

7）變壓器壓力釋放閥為不銹鋼材質滿足-40 ℃低溫運行要求。

8）儲油柜容積滿足-40 ℃低溫運行要求。

9）布赫繼電器滿足-40 ℃低溫運行要求。

2.8.2 牽引變流器

牽引變流器在低溫環境下的適應性說明如表1所示。

表1 牽引變流器低溫環境適應性說明

2.8.3 牽引電機

HXD2 機車采用的是YJ90A1 牽引電機采用三相6 極鼠籠式異步電機，強迫通風，電機整體采用-40 ℃的設計。

牽引電機在低溫環境下的適應性說明如表2所示。

表2 牽引電機低溫環境適應性說明

2.8.4 輔助變流器

輔助變流柜低溫環境下的適應性說明如表3所示。

表3 輔助變流柜低溫環境適應性說明

3 牽引系統低溫環境保護邏輯

目前，HXD2 機車受溫度影響的保護邏輯主要有變壓器的油流保護、油溫保護、布赫繼電器保護、壓力釋放保護，變流器的水壓保護、溫度保護以及電機的溫度保護。

3.1 牽引變壓器相關保護邏輯在低溫環境下的適應性說明

1）油流保護：油流繼電器工作特點為油流流動推動撥片動作并帶動觸點閉合發出信號，其動作流量設計為20.4 m3/h（變壓器正常工作流量為72 m3/h）。因變壓器油在低溫下流動性變差，存在油流繼電器在低溫下不動作的現象，八軸車增加了電流繼電器監控變壓器油泵的電流，與油流繼電器信號共同參與邏輯，當溫度低于27 ℃時，控制系統不檢測油流繼電器的信息，通過電流繼電器的信號來判斷油流，當電流繼電器都沒有反饋信號時，才報出油流故障，提高了可靠性。

2）壓力釋放保護：壓力釋放閥工作特點為當變壓器箱體內外壓力差達到0.08 MPa 時動作開啟，通常壓力產生來源于變壓器故障時對油的分解氣化，其動作不受低溫影響。

3）變壓器油溫保護：目前變壓器的油溫保護只是針對溫度較高，通過控制機車功率來達到保護的效果，并沒有針對溫度較低時進行的保護。

4）布赫繼電器保護：變壓器在低溫環境下可以正常運行，自身器件與保護邏輯均不受影響。

3.2 主變流器相關保護邏輯在低溫環境下的適應性說明

機車在低溫環境下，主變流器主要存在的是壓力保護和溫度保護。目前根據水冷系統在低溫環境下，冷卻液的黏度增大，導致水冷系統的流速會下降，而水泵在滿功率的情況下，導致水冷系統的水壓會升高。

根據八軸冷卻塔的技術規范要求，額定工況下冷卻系統流量為5.4 m3/h（90 L/min）。由計算結果可得，隨著溫度的降低，冷卻液的黏度增大，系統整體的流量明顯減小。在-40 ℃時，系統整體流量約為額定工況下的27.3%，；在0 ℃時，系統整體流量約為額定工況下的92.2%。其系統水壓均在目前的保護值1.5～3.5 bar 的范圍之內。因此，牽引變流柜能夠在-40 ℃環境下正常工作。

3.3 牽引電機相關保護邏輯在低溫環境下的適應性說明

目前牽引電機只針對溫度過高進行保護，并沒有設置低溫保護。因此，牽引電機不受低溫環境的影響，可以正常使用。

3.4 輔助變流器相關保護邏輯在低溫環境下的適應性說明

目前，輔助變流柜沒有相關的低溫保護，在-40 ℃低溫環境下可以正常運行。

4 低溫預加熱的設計

4.1 機車預加熱系統簡介

HXD2 機車蓄電池充電器、微機控制系統、主輔變流器及其控制單元、升弓系統部件、空氣制動系統等在滿足-25 ℃～+40 ℃環境下正常運行的前提下，可通過應用加強防寒和預熱的可選配置方案達到-40 ℃～-25 ℃環境下正常運用的要求[2-3]。

HXD2 機車采用低溫預加熱系統技術，防寒加熱系統主要由加熱設備和加熱控制器件組成。

預加熱設備由司機室暖風機、腳爐、膝爐；升弓管路及其閥類部件、壓縮機防寒加熱；主變流柜預加熱設備，輔助變流柜預加熱設備，微機柜、安全設備柜及無線電臺柜預加熱設備等組成。

預加熱控制器件由預加熱溫度開關（設置在安全設備柜、主變流柜、輔助變流柜、微機柜），安裝在通用柜中的預加熱轉換開關、預加熱定時器及繼電器、預加熱接觸器、預加熱斷路器等組成。

4.2 預加熱系統功能說明

1）司機上車后閉合蓄電池按鈕，輔助壓縮機可以正常工作（輔助壓縮機滿足-40 ℃正常工作要求）。如環境溫度低于-25 ℃時，安全設備柜、輔助變流柜、微機柜、主變流柜1、主變流柜2 任一溫度開關檢測溫度低于-25 ℃（設定溫度可調節-45～15℃），溫度開關閉合，通用柜預加熱指示燈亮。

2）當輔助壓縮機工作至控制風缸壓力700 kPa滿足升弓、合閘主斷要求后停機，機車控制系統（除顯示屏）滿足-40 ℃使用要求，因此機車可正常升弓、閉合主斷路器（需乘務員加強瞭望）。

3）通用柜預加熱轉換開關置于預加熱位置，通用柜時間繼電器（設定時間60 min）閉合后預加熱接觸器閉合，各預加熱設備投入工作。

4）當環境溫度高于-25 ℃時，安全設備柜、輔助變流柜、微機柜、主變流柜1、主變流柜2 中溫度開關檢測溫度都高于-25 ℃時，溫度開關跳開，通用柜預加熱指示燈滅，提示司機機車已完成啟車預加熱步驟。

5）機車預加熱系統除采用溫度開關控制啟動外，另外設置強制加熱模式。將通用柜上預加熱轉換開關置于強制加熱位置，此時機車加熱系統持續工作，直到手動將預加熱轉換開關置于0 位。

6）時間繼電器設定時間為60 min，即預加熱系統工作60 min 后時間繼電器自動斷開，司機手動復位預加熱時間繼電器，機車預加熱系統可再工作60 min 至下次時間繼電器動作，期間司機應關注預加熱指示燈，判斷溫度是否滿足啟車需要，如不滿足重復上述過程，直到滿足機車啟動條件。

7）機車目前的110 V 斷路器均為-25 ℃及以上可靠工作，控制系統（顯示屏除外）滿足-40 ℃使用要求。為滿足機車預加熱功能要求，加裝預加熱設備需將微機柜加熱設備斷路器、MPU 供電斷路器、RIOM供電斷路器、TCMS 信號采集斷路器、蓄電池供電斷路器、受電弓/主斷控制斷路器更換為滿足-40 ℃使用要求的斷路器。

5 結論

HXD2 機車通過設計保證和在-40 ℃及以下的極低溫環境下增加預加熱措施，可使機車在極寒天氣下正常運用。