機械間通風散熱故障致機車機破的故障模式分析

李柔萱，王大平，仇洪波

(1.中車株洲電力機車有限公司海外市場營銷中心，湖南 株洲 412000；2.中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412000)

1 概述

機破類機車故障對鐵路系統負面影響很大，機車運營方和生產方有責任基于具體的故障模式，采取有效措施糾正該故障，以提升機車可靠性，減低因該類故障模式導致的擊破率。

2 故障描述

某型國產電力機車曾發生多起牽引封鎖而引起的機車機破故障，故障排查過程中發現，故障發生時冷卻塔水溫很高，致使主變壓器水溫過高，從而導致機車牽引封鎖、機車停車。該型電力機車批量投入使用2年后，連續發生8起同一故障模式的機破故障。該類故障均發生于夏季(5-9月)，氣候炎熱，故障發生時，機械間通風散熱不良，溫度過高。

3 工作原理

3.1 機械間通風系統

該型電力機車的機械間通風系統分2種工況——夏季工況和冬季工況，冬夏季之間的轉換裝置主要有3處：輔助濾波柜上風道蓋板、壓縮機下風道蓋板、冷卻塔旁風口蓋板。

冬季工況時，為了提高因冬季環境溫度過低時機械間的保溫能力，保證機械間的溫度不至于過低，須將輔助濾波柜上風道蓋板打開、壓縮機下風道蓋板通向車外的風口關閉、冷卻塔旁風口蓋板關閉。車外空氣經過輔助濾波柜進入機械間，從機械間出風口百葉窗排出車外，其余暖空氣保留在機械間內，確保車內溫度不會迅速下降。冬季機械間通風模式如圖1所示。

圖1 機械間通風系統示意圖(冬季工況)

夏季工況時，為了提高夏季環境溫度過高時機械間的散熱能力，保證機械間內的溫度不至于過高，須將輔助濾波柜的上風道蓋板關閉、壓縮機下風道蓋板通向機械間的風口關閉、冷卻塔旁風口蓋板打開。車外空氣經過輔助濾波柜進入機械間后，從機械間的出風口百葉窗、壓縮機散熱器和冷卻塔旁風口排出車外，形成機械間內空氣循環，有效降低機械間車內溫度。夏季機械間通風模式如圖2所示。

圖2 機械間通風系統示意圖(夏季工況)

3.2 冷卻塔通風冷卻系統

該型車冷卻塔通風支路冷卻空氣的走向為：環境空氣→車頂過濾網→主冷風機→散熱器→車底空氣。冷卻塔通過管路分別與主變流器和主變壓器連接，采用復合散熱器進行空氣和冷卻液體的熱量交換，復合散熱器由2個隔開的流體支路組成，主變流器回路采用水冷技術，主變壓器回路采用油冷技術。主變流器和主變壓器共用一個復合散熱器，簡化了主變流器冷卻系統和主變壓器冷卻系統。控制系統根據主變流器支路的水溫和變壓器支路的油溫，自動調節其運行電壓和頻率，來改變風機的轉速，以使風量適合于主變流器和主變壓器當時的冷卻需要。復合散熱器是冷卻塔冷卻系統的專用熱交換設備，主變流器的冷卻水進入散熱器上層，主變壓器油進入散熱器下層，主變流器和主變壓器的熱量，在復合散熱器中與空氣進行交換，使水、油冷卻到所需的溫度。被冷卻后的水和油，分別進入主變流器和主變壓器，對主變流器和主變壓器進行降溫。冷卻塔冷卻系統如圖3所示。

圖3 冷卻塔冷卻系統示意圖

4 溫度試驗

生產方在該型車運用段進行了機械間及低壓柜內部的溫度測試試驗，試驗選取了多個空氣溫度測點，并在不同時間段記錄溫度測量值，繪制溫度變化曲線。試驗結果顯示，環境溫度為39.4℃時，通過機械間通風系統的散熱達到穩定后，機械間局部空氣最高溫度47℃，相對環境空氣溫度，機械間局部空氣最高溫升8℃，能夠滿足機械間設備的散熱要求。低壓柜內部的溫度測試顯示，環境溫度為37.8℃時，低壓柜內局部空氣最高溫度50.5℃，相對環境空氣溫度，低壓柜內局部空氣最高溫升12.7℃，能夠滿足低壓柜內的設備散熱要求。

5 故障原因

通過機械間及低壓柜內部的溫度試驗可以發現，機車的通風設計能夠滿足溫度要求，通風設計并非導致故障發生的根本原因。對導致故障發生的其他可能性進行排查后發現，冷卻塔過濾網的機械結構可能是導致故障發生的根本原因。

該型車冷卻塔過濾網采用2種設計：單層過濾網和雙層過濾網。單層過濾網網的優點是格密度較高，春季能有效地防止楊絮、柳絮等較大物體和部分細小顆粒透過濾網落到復合散熱器上面，散熱器的清洗周期長；缺點是會有較多雜物落在過濾網表面，因此過濾網的清洗周期較短。雙層過濾網的優點是格密度較低，過濾網本身的網孔較散熱器孔截面小，較大的柳絮、楊絮等會被過濾網阻隔在散熱器外，但是細小的灰塵與顆粒通過過濾網落在散熱器表面；缺點是散熱器的清洗周期短，清洗難度高。

生產方及使用方對發生主變流器水溫保護故障的機車冷卻塔情況進行檢查時發現，冷卻塔散熱器(裝雙層過濾網)和單層過濾網存在不同層度的不清潔、堵塞情況。這種情況導致散熱器散熱不良，從而使主變流器冷卻水溫度過高，產生水溫保護。

該型車牽引變流器散熱(特別是IGBT模塊散熱)設計的最大冷卻水溫為55℃，即在水溫低于55℃時，能夠保證模塊在大功率情況下不發生過熱或損害，主變流器正常工作；當水溫高于55℃時，主變流器啟動水溫保護功能，停止工作，引起機車主回路牽引封鎖，導致機車發生擊破類故障。

6 方案分析

該型車冷卻塔風機工作于輔助回路中的變頻變壓支路，風機的工作頻率不僅取決于主變流器水溫，還與主變壓器油溫、牽引電機定子溫度有關。同樣溫度下，該型車靜止時風機的運行頻率低于機車運行時的頻率，一定程度上保證司機操作的舒適性(減少機車靜止時的噪聲)，此時機車發揮功率較小，需要散熱功率較小。如果在機車靜止時將水溫降低至40℃時風機滿負荷工作，將會導致機車靜止時司機室噪聲增加。另外，根據發生主變流器水溫保護導致牽引封鎖的該型車的數據來看，故障機車都是在運行途中(運行了幾小時后)發生水溫保護，此時冷卻塔早已滿負荷工作。因此，提高主變流器水溫保護值和降低風機滿負荷溫度值不能根本解決機車運行途中發生水溫保護的問題。

7 糾正措施

通過實際的運用考核和試驗結果證明，該型車的機械間通風系統能夠滿足部件冷卻散熱的要求，而主變流器水溫保護導致牽引封鎖，主要是由冷卻塔散熱器和過濾網不清潔、堵塞引起。冷卻塔過濾網的拆卸和清洗步驟簡單、易操作，而散熱器清潔則較難執行，一般清潔時可用高壓水沖洗，但徹底清洗時須對其拆卸后方能進行。考慮到使用方維護的便捷性，提升機車可用度，生產方將該型機車冷卻塔散熱器的雙層過濾網全部換成單層過濾網，并建議使用方定期對散熱器過濾網進行清洗。

8 結語

通過本文對牽引封鎖而引起的機車機破故障分析可以發現，機車設計細節須嚴格結合機車的運營環境進行設計，高溫氣候須重點關注設備散熱通風措施，設計時須考慮當地的空氣質量，以減少機車失效概率。