地鐵列車內部風機失效原因分析及應對

摘 要：針對東莞軌道交通2號線車輛發生的多起內部風機失效故障，從風機設計選型、性能參數檢測、散熱環境等方面進行了分析，并提出了解決方案。運行數據表明，內部風機故障率高的問題已得到有效控制，有力保障了運營質量，同時降低了維護成本。

關鍵詞：地鐵車輛;內部風機;失效

中圖分類號：U270.38" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）04-0059-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.015

0" " 引言

東莞市軌道交通2號線地鐵車輛采用120 km/h速度等級B型車，4動2拖6節編組，列車牽引、輔助系統采用模塊化設計，各功能模塊集成于三類箱體，即牽引高壓箱（PH箱）、牽引輔助箱（PA箱）、輔助充電箱（AB箱）。箱體散熱為內、外風機配合模式，整體采用外部風機進行強迫風冷。箱內由于DCU、GDU、IGBT等逆變器核心元件對工作環境要求極高，為防水防塵，前箱封閉，沒有外部空氣進口，箱內氣流完全依靠內部風機驅動，實現逆變器核心元件通風散熱[1]，具體原理為前箱內熱空氣向上流動，經頂板上預留的冷卻孔進入風道，從左右兩側經頂板、側板、底板型材內的風道冷卻后，進入內部風機，內部風機把冷卻空氣吹向模塊，直接冷卻DCU、GDU，同時形成負壓，將熱空氣吸入冷卻風道，形成內部循環氣流（圖1）。因此，內部風機的作用至關重要，可以減少部件熱阻效應[2]，一旦失效將導致箱內空氣循環受阻，牽引輔助逆變控制部件工作溫度升高，內部元器件熱失效概率大大增加[3]，影響其使用壽命。

2019年東莞2號線車輛內部風機裝車運用，初期狀態良好，2021年以來內部風機失效數量大幅升高（圖2），呈批量失效態勢，風扇使用2～3年時間即故障，嚴重影響正線運營服務質量，因此需要對內部風機失效原因進行深入調查并予以解決。

1" " 內部風機工作原理

東莞軌道交通2號線內部風機采用德國依必安派特RG160-28/18NU型離心式風機，其工作原理是利用離心力的作用，將氣體加速并排出。風機內部轉子是一個旋轉的葉輪，定子則是將氣體引導到葉輪并改變氣流方向的部件，當風扇啟動時，電機驅動葉輪旋轉，葉片將空氣吸入，并通過離心力的作用對其加速，加速后的氣體從出口排出，形成一股強大氣流，起到散熱的作用。

內部風機供電來自逆變器上的PSU電源模塊，與牽引、輔助系統的控制單元DCU、門極控制單元GDU共用。列車110 V直流電送到逆變器的PSU電源模塊，經過轉換后，輸出電壓等級為48 V的直流電供給內部風機使用（圖3）。當內部風機供電異常或故障時，DCU會發出報警。

2" " 內部風機失效分析

2.1" " 內部風機失效數據統計

對2021年故障的內部風機數據進行統計分析（表1），風機失效故障在車號分布上比較分散，在不同車輛不同箱體均有發生;從時間分布方面，內部風機失效故障集中在5月—9月，根據東莞氣象數據，每年的5月—9月為一年中最為炎熱的天氣，也是牽引輔助系統負荷最大的時期，初步判斷內部風機失效與工作溫度及散熱存在一定關系。

2.2" " 內部風機失效原因排查

東莞軌道交通2號線地鐵車輛使用的內部風機品牌為德國依必安派特（EBM/PSPST），為國外知名品牌，該型號內部風機在國內多個城市地鐵項目均有應用。結合故障統計數據及失效情況，從使用環境、風機設計選型、風機部件質量等方面進行分析。

2.2.1" " 使用環境分析

根據內部風機廠商提供的技術資料，內部風機的使用壽命與使用環境的溫度息息相關，遵循風機性能壽命曲線，在40 ℃溫度條件下，風機使用壽命為70 000 h，在最大允許溫度70 ℃條件下，使用壽命僅為35 000 h。為排除在地鐵列車運用工況下，箱體內部溫度過高對內部風機壽命的影響，選取曾多次發生內部風機故障的3列車牽引高壓箱（PH箱）、牽引輔助箱（PA箱）、輔助充電箱（AB箱）各一個箱體使用溫度傳感器及溫度試紙進行溫度監測，得到數據如表2所示。監測數據表明，箱體內部的環境溫度基本處于42～50 ℃之間，內部風機使用環境溫度正常，排除環境溫度對風機壽命的影響。

2.2.2" " 內部風機設計選型分析

為進一步調查內部風機控制元件批量故障原因，對內部風機的設計選型進行分析。根據廠家提供的技術資料，內部風機為離心式風機，其主要技術參數如表3所示。風機性能曲線如圖4所示，在靜壓為200 Pa時，風量約為120 m3/h，滿足箱體內部空氣循環風量要求。內部風機的使用溫度上限值為70 ℃，即使在最大使用溫度上限條件下，風機的使用理論壽命仍達到35 000 h，按照東莞2號線的實際情況，內部風機平均每天處于工作狀態的時間約為22 h，風機的理論使用壽命接近5年，因此可以排除內部風機選型不當導致故障率大幅上升的原因。

2.2.3" " 內部風機部件質量分析

對故障內部風機進行外觀檢查正常，扇框無破損、斷裂，手動轉動風扇無卡滯，分解后檢查風機軸承、轉子無異常，如圖5、圖6所示。由于風機控制電路集成在定子部分，被絕緣硅膠封成一體，為進一步檢查內部風機故障的原因，對風機定子進行了破拆檢查，定子線圈繞組無明顯異常，對故障風機上電測試，發現電路電壓一處異常，正常為12 V的電壓只有1.54 V，如圖7、圖8所示，確定為風機控制電路板故障導致風機失效，進一步清除風機控制電路板上覆蓋的絕緣硅膠，發現控制電路板有明顯的過流痕跡，部分元器件擊穿燒損，具體如圖9所示。

為進一步查找內部風機控制電路板元器件擊穿燒損的原因，使用示波器對內部風機外部供電回路進行測量、記錄、分析，發現列車在升降弓瞬間，PSU電源模塊提供給內部風機的直流電存在電流浪涌，如圖10、圖11所示，輸入電流從0.76 A瞬間上升到2.72 A，這種情況會造成風機過載，長時間過載沖擊將導致內部風機控制電路板元器件擊穿燒損。

3" " 應對措施

根據以上分析，內部風機失效的原因為外部輸入電源波動對風機造成沖擊，導致風機控制板元器件燒損，為此采取以下針對性措施進行改善。

3.1" " 內部風機單獨供電

為解決外部輸入電流波動及共用電源互相干擾問題，考慮為內部風機獨立設置電源盒單獨供電，并在電源盒輸出電路前端設置濾波環節進行濾波處理。對獨立電源盒及風機進行現場測試，經過電源盒濾波后電源質量得到較大提升，風機啟動電壓峰值為52.2 V，穩態時為48.1 V;啟動電流峰值為1.1 A，穩態時為0.4 A。內部風機的實際供電電壓滿足28～60 V的要求，內部風機的啟動電流值也滿足1.5 A的技術要求。

3.2" " 內部風機換型

由于當前使用的軸流式內部風機控制電路板集成在風機定子內部且被絕緣硅膠覆蓋，因此無法對控制電路板的元器件進行升級改造，以滿足當前工況的使用需要。但可以考慮將離心風機換型為整體性能更優越的軸流風機。如圖12、圖13所示，經風量重新計算及風道重新設計，新風機風量提升為原風機的3倍，功率從19 W提高至41 W，設計使用壽命從35 000 h提高到70 000 h。為進一步驗證新型風機的散熱性能，參照變流器箱型式試驗方案，全面記錄運營時段箱內各部件位置溫度，試驗結果顯示，箱內各點位溫度均滿足要求，且對于DCU等關鍵控制部件散熱效果更優。

4" " 結束語

內部風機換型并開展新增電源盒單獨供電整改后，內部風機供電質量得到了有效改善，箱體內散熱效果進一步提升，內部風機使用壽命延長。換型至今，內部風機運用狀態良好，設備故障率上升趨勢得到了有效控制，有力保障了運營的安全。

[參考文獻]

[1] 張耀安.小型風機的空氣動力特性分析[J].微特電機，2001（3）：36-38.

[2] 郭云.淺談電力電子裝置強制風冷散熱方式的研究[J].電子世界，2021（21）：67-68.

[3] 吳本南.風冷散熱系統風機安裝方式研究[J].低溫與超導，2019，47（10）：87-90.

收稿日期：2023-10-23

作者簡介：王局（1985—），男，廣東梅州人，機車車輛工程師，研究方向：城市軌道交通車輛設備維修與技術管理。