HXD3D型電力機車換端功能的研究與實現

宋夕政, 李　哲, 李　新, 周慶強, 張　冰

(1　大連東軟信息學院　電子工程系， 遼寧大連 116023;2　中國北車集團　大連機車車輛有限公司， 遼寧大連 116022)

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HXD3D型電力機車換端功能的研究與實現

宋夕政1, 李哲2, 李新2, 周慶強2, 張冰2

(1大連東軟信息學院電子工程系， 遼寧大連 116023;2中國北車集團大連機車車輛有限公司， 遼寧大連 116022)

為了解決HXD3D型電力機車換端所需時間長的問題，同時簡化司機換端操作步驟，降低司機整體勞動強度，提出了在HXD3D型電力機車上增加換端功能，從而有效的解決了換端時間長的問題。首先對換端功能的操作方法做了整體介紹，然后對換端功能的控制實現進行了邏輯分析，之后對換端功能的邏輯保護進行了說明，最后，通過長達13個月的行車試驗給出試驗結論。

HXD3D型電力機車； 換端功能； 控制邏輯； 升弓管路

HXD3D型機車是六軸大功率交流傳動客運電力機車，機車的最高運行速度為160 km/h，其具有牽引功率大、運行平穩、性能穩定等特點[1]。目前主要在北京、沈陽等鐵路局擔當客運牽引任務。

在運用考核中發現機車執行換端操作時，受電弓再次升起需要的時間長，造成了機車晚點運行，甚至導致旅客投訴；同時，整個換端操作過程繁瑣，嚴重的增加了司機的勞動強度。

1　換端新舊操作方法的對比

當機車從始發地到達目的地時，機車通常會進行轉線或入庫操作。這兩種操作全部需要進行換端。

在沒有換端功能的情況下，司機通常會先在操作端停止空壓機、斷開主斷路器，并且降下受電弓，拔出機車電鑰匙，然后到達機車另一操作端，插入機車電鑰匙，升起受電弓、閉合主斷路器，最后開啟空壓機。

整個過程冗余、拖沓、繁瑣，嚴重的增加了司機的整體勞動強度，而且在有的情況下，司機到另一操作端升弓時，升弓判定條件繁瑣且輔助空壓機提供風源較慢，使得整個升弓過程可能需要等待較長時間，甚至會造成機車晚點，以致旅客投訴。

在增加換端功能的情況下，司機只需要先在操作端按下換端按鍵，然后到達機車另一操作端，再按下換端按鍵，就可以完成整個換端操作。整個換端過程簡單、方便、快捷，并且通過改進風源提供方式、增加換端工況，避免了出現等待受電弓升起的情況，確保了機車的正點運行。

整個換端過程由TCMS全程自動監視控制，判斷是否符合進入換端工況的判定條件和機車的控制保護條件。同時在換端過程中，由空氣壓縮機為升弓管路提供風源，高效、快捷地提供清潔并且干燥的空氣，確保受電弓不會因為風源不足而降下。當司機第1次按下換端按鍵的時候，機車升雙受電弓，第2次按下換端按鍵的時候，機車升單受電弓，自動完成整個換端。

2　換端功能的控制實現

首先對機車的升弓控制原理進行研究分析，為機車新增換端功能的升級改造提供基礎論證，然后，將有無換端功能進行對比研究，以確保在不打破原機車控制保護的同時，又能增加換端功能，達到簡化司機操作的目的。分析主要針對兩大方面：電氣控制方面：TCMS發出升弓指令傳送到升弓電磁閥得電的各個環節；風源方面：風源的來源方式和風源流經的管路環節。

2.1電氣控制環節

(1)升弓電氣原理簡述

機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、受電弓壓力開關、輔壓機狀態開關和受電弓其他保護條件開關的閉合或斷開。當符合開關閉合條件時，控制電源供電，符合條件的開關閉合，否則開關斷開。同時TCMS采集控制接地等受電弓保護條件信號，確保升弓電氣電路的安全。當所有控制升弓條件的開關全部閉合并且符合受電弓保護條件時，TCMS輸出升弓信號，升弓電磁閥得電，機車受電弓升起[2]。

(2)軟件控制環節

機車升弓控制邏輯簡圖如圖2所示，在司機操縱端輸入升弓指令后，TCMS判斷受電弓壓力開關狀態和輔助空氣壓縮機工作狀態，同時檢測其他升弓保護條件，如滿足所有升弓條件，則TCMS輸出升弓指令，升弓電磁閥得電。

圖1　升弓電氣示意圖

圖2　升弓控制邏輯簡圖

當檢測到的升弓風缸中的氣壓低于480 kPa時，受電弓壓力開關自動斷開，機車受電弓壓力開關狀態不滿足升弓條件。此時輔助空氣壓縮機開始工作，為升弓風缸提供清潔并且干燥的風源，當升弓風缸中的值到達指定值后，輔助空氣壓縮機停止工作，此時滿足受電弓的升起條件[3]。

當輔助空氣壓縮機開始工作，則只有當升弓風缸壓力高于735 kPa時，輔助空氣壓縮機才會停止工作。但是由于輔助空氣壓縮機提供給升弓風缸氣壓的增值較大，而且輔助空氣壓縮機的轉速慢、排風量低，導致輔助空氣壓縮機向升弓風缸提供風源的過程耗時較長，所以在這種情況下，會導致機車換端需要等待的時間長。

升弓風缸中的氣壓過低不符合升弓的邏輯判斷條件。當機車處于換端工況時，司機在操作端輸入升弓指令。若TCMS檢測到升弓風缸氣壓高于480 kPa，則此時受電弓壓力開關符合升弓條件，并且輔助空氣壓縮機停止工作，在其他升弓條件滿足的情況下，升弓電磁閥得電；若檢測到升弓風缸氣壓低于480 kPa，則此時受電弓壓力開關不符合升弓條件，并且輔助空氣壓縮機開始工作為升弓風缸補充風源[4]。

(3)升雙弓控制邏輯

在沒有換端工況的情況下，當司機給出受電弓升起指令時，在升弓條件滿足的情況下，機車升后弓(即非操作端的受電弓)，所以，當機車進行換端操作時，需要先將原升起的受電弓降下，然后升起另一端受電弓。根據機車的保護控制邏輯，當機車的兩端受電弓全部降下時，TCMS會發出斷主斷路器的命令。

在主斷路器閉合的情況下，由空氣壓縮機提供風源，因為空氣壓縮機轉速快、排風量高，所以在正常情況下，升弓風缸中的壓力值始終高于480 kPa，滿足升弓條件。空氣壓縮機的工作條件要求主斷路器閉合，并且主斷路器閉合條件要求兩個受電弓不可以同時降下。

因此提出增加換端工況確保主斷路器閉合的解決方案。當司機在操作端按下換端按鍵，機車操作端和非操作端的兩個受電弓同時升起，并且整個過程主斷路器保持閉合狀態，以便由空氣壓縮機為升弓風缸提供風源，使得升弓風缸中始終保持足夠的氣壓以確保受電弓保持升起的狀態。同時修改機車控制保護邏輯，在進入換端工況時，可以拔出機車電鑰匙，受電弓不會降下[5]。

修改換端工況的受電弓氣壓保護條件。只有當升弓風缸中的氣壓低于480 kPa時，受電弓才會降下，所以在換端工況的情況下，當機車的升弓風缸氣壓低于480 kPa以致無法保證受電弓保持升起狀態時，兩個受電弓全部降下。

2.2風源管路環節

(1)升弓風源

整個升弓系統的管路主要由風源管路和升弓管路兩部分組成。如圖3所示，風源管路中升弓風缸的壓縮空氣主要有2個來源，第1個來源是輔助空氣壓縮機，其在受電弓升起之前工作，負責提供清潔和干燥的空氣，并存儲在升弓風缸中，供受電弓升起時使用；第2個來源是空氣壓縮機，其在受電弓升起之后工作，空氣壓縮機為總風缸提供清潔和干燥的空氣，并且當總風缸中壓力高于升弓風缸的氣壓時，總風缸中的壓縮空氣可以單向流向升弓風缸，并存儲在升弓風缸中，供受電弓在升起的情況下保持受電弓升起狀態時使用。

圖3　升弓管路示意圖

空氣壓縮機和輔助空氣壓縮機比較，前者轉速快而且排風量高，能夠快速為升弓風缸提供清潔和干燥的空氣。當總風缸里的氣壓高于升弓風缸的氣壓時，空氣壓縮機會通過總風缸向升弓風缸提供清潔并且干燥的空氣。所以空氣壓縮機比輔助空氣壓縮機能更快的為升弓風缸提供風源。

因為總風缸會向列車管、總風管等管路設備提供風源，所以總風缸中壓縮空氣會有損耗。當總風缸的壓力低于750 kPa時，一臺空氣壓縮機向總風缸提供風源；當總風缸的壓力低于680 kPa時，兩臺空氣壓縮機同時向總風缸提供風源，所以在空氣壓縮機正常工作的情況下，總風缸可以快速為升高風缸提供風源，確保升弓風缸中的氣壓始終高于480 kPa。

(2)常規換端風源消耗原因

在受電弓升起的情況下，升弓風缸為確保受電弓保持升起狀態會產生氣壓損耗，而且風源管路和升弓管路的連接處有存在細微漏風的現象，所以升弓風缸中的氣壓會緩慢降低。當機車在行駛過程中，當升弓風缸中的氣壓降低時，空氣壓縮機開始工作，確保迅速產生清潔并且干燥的空氣，補充升弓風缸損失的氣壓。但是當機車進行換端時，空氣壓縮機會停止工作，升弓風缸中損失的壓縮空氣不能得到迅速的補充。

司機進行換端操作時，司機首先將自動制動手柄置于緊急制動位，列車管向外排風，機車進入制動工況，機車停車，然后將自動制動手柄置于運行位，緩解懲罰制動，最后拔出電鑰匙準備換端。在換端過程中，因為總風缸會向列車管、制動缸等提供風源，所以總風缸的氣壓會下降，并且因為換端操作時，空氣壓縮機停止工作，所以此時，總風缸沒有足夠的氣壓向升弓風缸提供風源。

(3)換端功能風源補充

換端功能也存在升弓風缸中壓縮空氣會有損耗的情況，但是因為空氣壓縮機轉速快而且排風量高，能夠快速為升弓風缸提供清潔和干燥的空氣，可以迅速補充損耗的壓縮空氣。所以整個換端過程采用空氣壓縮機提供風源，確保升弓風缸中的氣壓始終高于480 kPa，整個換端過程中，受電弓不會因為升弓風缸中的氣壓值低導致降弓。

同時將空氣壓縮機的工作判定條件進行修改，在換端的工況下，兩端全部拔出電鑰匙，在其他判定條件滿足的情況下，空氣壓縮機仍然可以繼續工作，由空氣壓縮機在換端過程中提供持續風源。

3　換端功能的新增邏輯控制保護

在軟件保護方面，首先為確保司機不會因為誤操作情況而進入換端工況，加入了只有當機車在停車狀態下才能進入換端工況的判定條件，使得機車在正常運行過程中，不會因為誤操作而進入換端工況，避免造成機車擊破。

然后考慮到因為誤操作進入換端工況后需要退出換端工況的情況，加入了連續按兩次換端按鍵會退出換端工況的判斷邏輯，此時由升雙弓變為升單弓，同時保持主斷路器閉合，恢復到機車的原始狀態。

最后考慮到機車不可以長時間停留在換端工況，加入了進入換端工況最長停留時間的條件，將最長停留時間設置為5 min，若是在5 min之內司機沒有到另一操作端完成整個換端操作，則默認為退出換端工況，此時主斷路器自動斷開，同時兩端受電弓全部降下。

在硬件管路方面，為確保在機車長期運行后，管路中連接處不會因為機車長時間運行使得螺母松動，造成管路緩慢漏風，甚至造成機車擊破。所以提出了需定期檢查連接處是否松動，如發現松動需及時處理。當機車出廠時，管路連接處用紅色防松線標記螺栓和螺母的相對位置，在螺栓和螺母連接松動時，紅色防松線會發生錯位的現象。所以定期檢查管路連接處，當發現紅色防松線標記錯位時，應及時用力矩鉗將螺母擰緊[6]。

4　結束語

針對換端操作受電弓升起時間長的情況，從電路和氣路兩個角度考慮可能導致受電弓升起時間長的原因，并考慮機車的長時間運行對管路造成的影響。提出了TCMS控制軟件增加換端工況和硬件換端按鍵、優化了管路問題自檢方案、簡化整個換端操作，從而實現了機車的迅速換端。

2012～2013年，HXD3D型電力機車在沈大線(沈陽—大連)和京哈線(北京—哈爾濱)進行了長達13個月的行車試驗，取得了良好的效果，換端功能可以實現機車迅速換端，為后期HXD3D型機車的批量生產和HXD3C型機車的批量升級改造提供了堅實的理論和實踐基礎。

[1]李哲, 李新, 趙鑫, 等. HXD3D型電力機車冬季寒冷地區升弓技術的研究與實現[J]. 鐵道機車車輛，2015, 35(2)：87-89.

[2]王偉群, 楊偉君, 王鵬飛. 動車組升弓控制系統[J]. 鐵道機車車輛，2011, 31(5)：115-117.

[3]謝春華. 對韶山系電力機車操縱控制電路的改進建議[J]. 鐵道機車車輛，2010, 30(2)：88-89.

[4]李新, 謝陳剛. HXD3C型電力機車輔助變流器水冷卻技術的研究與實現[J]. 鐵道機車車輛，2012, 32(3)：57-59.

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

[6]杜建波. HXD3C型機車受電弓故障的查找和原因分析[J]. 鐵道機車車輛，2013, 33(4)：113-116.

Research and Realization of Changing Cab Technology On HXD3D Type Electric Locomotive

SONG Xizheng1, LI Zhe2, LI Xin2, ZHOU Qingqiang2, ZHANG Bing2

(1Department of Electronic Engineering, Dalian Neusoft University of Information, Dalian 116023 Liaoning, China;2CRRC Dalian Locomotive and Rolling Stock Co., Ltd., Dalian 116022 Liaoning, China)

In order to solve the problem that HXD3D type electric locomotive spends much time to change cab, and to decrease operation steps and working strength, adding the function of changing cab on HXD3D type electric locomotive was proposed. In this paper, at first the operation of this function is introduced. After that, the control and realization are analyzed. Finally the logic protection of this function is explained. In the end, the test result is obtained by 13 months running experiment.

HXD3D type electric locomotive; changing cab technology; controlling logic; pantograph pipeline

1008-7842 (2016) 01-0017-03

??)男，高級工程師(

2015-09-15)

U264.3+4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.04