HXD1型機(jī)車主變流器模塊驅(qū)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(tuán)有限公司 機(jī)務(wù)處， 西安 710054)

2017年6～7月安康機(jī)務(wù)段配屬的HXD1型機(jī)車連續(xù)發(fā)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(jī)車正常運用造成了影響。故障情況見表1。

表1 安康機(jī)務(wù)段HXD1機(jī)車模塊故障信息

注①回段—回安康機(jī)務(wù)段。

1 故障分析

1.1 HXD1-1528機(jī)車故障分析

(1) 故障信息

如圖1所示，1528機(jī)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(jī)車狀態(tài)

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

圖2 故障時機(jī)車機(jī)車狀態(tài)

(3) 故障原因

圖3所示的是故障時刻LCC所記錄的瞬態(tài)故障波形。從圖中可看出，故障前中間電壓在1 800 V左右，網(wǎng)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(tǒng)封鎖四象限一脈沖，未出現(xiàn)中間電壓突變、四象限電流過流等現(xiàn)象。分析故障時刻網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，機(jī)車故障時刻網(wǎng)壓為30 kV，速度為66 km/h左右，水壓差為140 kPa，進(jìn)水口溫度為25℃，出水口溫度為25℃，都在正常范圍之內(nèi)。

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(shù)進(jìn)行檢查和測量，如圖4所示。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，1528機(jī)車故障模塊的B相驅(qū)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(lián)二極管壓降、門極阻值、檢測板穩(wěn)壓管、二極管等基本參數(shù)，均未發(fā)現(xiàn)異常。

1.2 其他故障模塊檢測情況

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

圖4 故障品模塊外觀

1.3 對機(jī)車TCU變流器模塊運行環(huán)境檢測

根據(jù)故障現(xiàn)象，段方組織生產(chǎn)商對HXD1型機(jī)車TCU整體及模塊運行環(huán)境進(jìn)行了檢測，結(jié)合GB/T 21563-2008[1]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比監(jiān)測，選擇了4臺機(jī)車進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。

從測試的結(jié)果看：

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

表2 TCU整體及模塊運行環(huán)境檢測 m·s-2

TCU振動：HXD1-1182/1153兩臺機(jī)車振動大小相當(dāng)，垂向均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，縱向和橫向均超出標(biāo)準(zhǔn)值，縱向約為標(biāo)準(zhǔn)值的2倍左右，橫向約為標(biāo)準(zhǔn)值的5倍左右。低頻振動(0～150 Hz)，兩臺機(jī)車除橫向超標(biāo)外，其余兩個方向均達(dá)標(biāo)；HXD2-1086振動滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。HXD2-1157垂向振動滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，縱向和橫向振動約為標(biāo)準(zhǔn)的1.5～2倍左右。低頻振動(0～150 Hz)，兩臺機(jī)車均達(dá)標(biāo)。

2 故障原因

結(jié)合故障模塊驅(qū)動板聯(lián)接線斷線及對機(jī)車TCU模塊工作環(huán)境檢測結(jié)果，機(jī)車長時間在強(qiáng)振動環(huán)境下運行，導(dǎo)致驅(qū)動板電源線束和連接器壓接處發(fā)生脫落，引發(fā)模塊報故障。

3 整改措施

根據(jù)測試及故障原因分析，提出了以下整改措施。

(1)針對HXD1型機(jī)車振動問題，經(jīng)機(jī)務(wù)段方組織主機(jī)工廠檢測，發(fā)現(xiàn)機(jī)車輪對存在多邊形特征，是造成機(jī)車振動的根源。根據(jù)調(diào)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(jī)務(wù)段采購了新型旋床設(shè)備， 2017年6月對多邊形特征比較明顯的HXD1-1183機(jī)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(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 HXD1-1183車5軸車輪的測試結(jié)果

表3是旋前和旋后各車輪的徑跳值，由統(tǒng)計結(jié)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(tǒng)計

HXD11183機(jī)車測量結(jié)果表明：旋修前，所測試車輪圓周非均勻磨耗主要表現(xiàn)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(xiàn)為18 邊形，各車輪同時還表現(xiàn)出偏心。旋輪后，所測車輪原始多邊形均已消除，且偏心現(xiàn)象得到改善。

(2) 機(jī)車主變流器模塊作為機(jī)車主要功率器件，自身在設(shè)計上需要能夠應(yīng)對復(fù)雜的運行環(huán)境。針對接線故障，有學(xué)者提出運用DOE方法解決[3]或者設(shè)計現(xiàn)場端子接線故障預(yù)警裝置[4]，本文采用對原驅(qū)動板接線插頭進(jìn)行加固的措施，也可減少故障的發(fā)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(jìn)行壓接一次，壓接完后確認(rèn)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(fēng)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(dǎo)線的絕緣層(見圖7)。

圖7 整改過程圖

③將改造好的驅(qū)動電源線插頭重新插接至驅(qū)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(fù)插頭，用反光鏡確認(rèn)插頭插接緊固，用綁扎帶對驅(qū)動電源線進(jìn)行綁扎。

⑤恢復(fù)后整車試驗正常。

4 結(jié)束語

安康機(jī)務(wù)段自2017年6月起，HXD1型機(jī)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(jìn)行旋修，保證機(jī)車輪對多邊形消除，降低機(jī)車振動。同時根據(jù)廠方的整改方案，從2017年7月份開始在安康機(jī)務(wù)段進(jìn)行HXD1型機(jī)車TCU模塊驅(qū)動板接線改造，至2017年10月結(jié)束，運用至2017年12月份，未發(fā)生模塊驅(qū)動板接線斷裂，虛接故障，有效保證了機(jī)車運用質(zhì)量。

機(jī)車運行環(huán)境復(fù)雜多變，機(jī)車振動是不可避免的，對異常振動需要綜合施策來進(jìn)行解決，關(guān)鍵的是機(jī)車各部件也需要提升自身的防振能力，減少故障的發(fā)生。