HXD1型交流電力機車高速電磁閥故障原因分析及改進措施

摘" 要：由于制動系統中的高速電磁閥故障，給重載列車的運行安全帶來嚴重安全隱患。該文對HXD1型交流電力機車高速電磁閥故障的原因進行分析，并有針對性地從提高高速電磁閥潤滑油脂的性能、高速電磁閥增加過濾網、調整PWM控制周期、新型的截止式高速電磁閥的使用等方面提出改進及應急處置措施，大大減少高速電磁閥故障帶來的安全隱患，通過現場驗證，效果顯著，有效確保萬噸、兩萬噸重載列車的運行安全。

關鍵詞：HXD1型交流機車;高速電磁閥;卡滯;257YV;258YV;PWM板;潤滑油脂

中圖分類號：U264" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）26-0142-04

Abstract： The failure of high-speed solenoid valve in braking system brings serious hidden danger to the operation safety of heavy haul train. This paper analyzes the causes of high-speed solenoid valve failure of HXD1 AC electric locomotive; and aiming at improving the performance of high-speed solenoid valve grease， increasing the filter screens for high-speed solenoid valves， adjusting the PWM control cycle， and using a new cut-off high-speed solenoid valve， this paper puts forward improvement measures and emergency measures， greatly reducing the safety risks caused by the failure of high-speed solenoid valve; and the effect of on-site verification proves remarkable， thereby effectively ensures the operation safety of 10 000-ton and 20 000-ton heavy-haul trains.

Keywords： HXD1 AC locomotive; high-speed solenoid valve; stagnation; 257YV; 258YV; PWM board; lubricating grease

朔黃鐵路作為晉煤東運的重要通道，橫穿太行和呂梁山脈，是國家能源保供的大動脈，運輸任務逐年攀升，陸續開行了萬噸列車、兩萬噸重載列車，三萬噸重載列車已經成功試驗開行，單列的牽引總重也越來越大，這就對機車的安全性、可靠性也提出了更高的要求。中鐵十五局集團在朔黃鐵路配屬14臺HXD1型交流電力機車，參與正線牽引運輸，該型電力機車采用DK-2型制動系統，近期由于制動系統中的高速電磁閥作用不良，引發多起均衡風缸壓力波動、制動位不減壓或減壓慢等故障，給重載列車運行安全帶來嚴重安全隱患，干擾了正常的運輸秩序，因此，必須采取有效措施解決高速電磁閥故障高的問題。

1" DK-2型制動系統介紹

1.1" 均衡風缸控制原理

DK-2型制動系統通過PWM板控制高速電磁閥257YV、258YV的得電與失電，從而控制均衡風缸的充風與排風，實現列車的制動與緩解，具體原理如下。

1）緩解時，高速電磁閥258YV得電打開閥口，總風經過55調壓閥→高速電磁閥258YV→保護電控閥263YV→轉換閥153→均衡風缸56。均衡風缸56的壓力通過傳感器205BP采集后反饋到BCU控制單元，BCU控制單元匹配制動級位所對應的均衡目標值。BCU控制單元通過PWM板調節高速電磁閥258YV、257YV的得電與失電頻次，控制均衡風缸壓力與目標值匹配，從而達到精準控制的目的。

2）制動時，高速電磁閥257YV得電打開閥口，均衡風缸56→轉換閥153→高速電磁閥257YV→大氣。BCU控制單元通過傳感器205BP采集均衡壓力后，與當前制動級位對應的目標值進行匹配，控制257YV得電與失電頻次，從而精準控制均衡壓力。

1.2" MAC高速電磁閥的介紹

1.2.1" MAC高速電磁閥的結構

考慮到EP控制的流量、高速電磁閥響應時間及機械壽命等需求，DK-2制動系統的高速電磁閥采用進口的MAC品牌。該電磁閥為直動式柱塞結構，主要由線圈、電磁樞閥桿、可移動的磁極塊、渦形彈簧和閥芯等組成。該種電磁閥的密封結構對壓縮空氣質量及油脂潤滑需求較高，其閥芯動作時，徑向密封D形圈的摩擦阻力一直存在，閥口密封需要壓緊閥芯密封橡膠兩側錐面。該高速電磁閥可以用較小的行程實現大的流量輸出，同時小的行程使得響應時間短。

1.2.2" MAC高速電磁閥的作用原理

當高速電磁閥的線圈失電時，磁力消失，彈簧力大于摩擦力，提動閥芯回到原來的位置，壓縮空氣從氣缸口（CYLINDER）排到排氣口（EXHAUST）。

當高速電磁閥的線圈得電時，電磁樞及可動磁極塊產生磁力，互相吸引。當電磁線圈產生的電磁力大于摩擦阻力及回位彈簧的彈力時，電磁樞推動推桿使閥桿往下移，壓縮彈簧，空氣由進氣口（INLET）流至氣缸口（CYLINDER）。

2" MAC高速電磁閥故障原因分析

2.1" 高速電磁閥故障現象

通過對2023年以來高速電磁故障時現象進行統計，發生均衡風缸壓力頻繁跳動3件、閘缸無法緩解2件、均衡風缸減壓時間長7件、均衡風缸壓力上漲緩解1件。

結合高速電磁閥故障現象及BCU數據進一步進行分析，發現在運轉位時，高速電磁閥258 YV發生卡滯故障，均衡風缸充風至目標值（600 kPa±5 kPa）左右，均衡風缸壓力頻繁跳動。表現為均衡風缸壓力控制不穩，制動柜內高速電磁閥頻繁動作。緩解時，高速電磁閥257 YV發生卡滯故障，閘缸無法緩解或緩解慢。發現在制動位時，高速電磁閥258 YV發生卡滯故障，均衡風缸減壓時間長或壓力上漲;高速電磁閥257 YV發生卡滯，均衡風缸減壓時間長或過量減壓。典型BCU數據分析如圖2和圖3所示。

2.2" MAC高速電磁閥故障原因分析

2.2.1" 電磁閥潤滑油脂碳化

對故障的高速電磁閥257 YV、258 YV進行解體檢查，發現故障的高速電磁閥銜鐵處普遍存在黑色脂狀物質，部分黑色物質已經存在閥芯上部。由于高速電磁閥的動作頻次高，所以對潤滑油脂的性能要求也高，但是故障高速電磁閥的潤滑油脂在高溫的環境下長期動作，已經碳化，造成閥芯在動作過程中阻力變大，行程達不到規定位置，造成電磁閥卡滯，閥口無法完全打開或關閉，從而影響列車的制動或緩解。

2.2.2" 機車風源內存在雜質

高速電磁閥閥口的密封性對機車風源質量要求特別高，將部分高速電磁閥故障的機車總風濾塵器（100）、均衡風缸濾塵器（188）、均衡模塊濾塵器（189）、閘缸預控模塊濾塵器（187）進行拆解檢查，發現總風濾塵器（100）有鐵屑狀異物，均衡風缸濾塵器（188）進氣口有黑色塊狀異物，其他濾塵器未發現異常情況。

高速電磁閥的閥芯柱塞運動配合間隙約為0.1～0.15 mm，風源內的細小雜質進入電磁閥內部后，可能會造成其輕微卡滯，若此時電磁閥進氣口壓力較高，則電磁閥調節的頻次會增加，發生均衡壓力波動的現象。同時，高速電磁閥的閥芯依靠兩端D型圈進行密封，閥芯動作時，D型圈與閥內壁摩擦一直存在，當風源中的細小雜質進入配合圓柱面與潤滑油脂黏粘在一起，也會導致高速電磁閥卡滯，影響列車的制動與緩解。

2.2.3" PWM控制周期短

1）PWM控制原理。脈沖信號是電信號通過方波傳播的一種形式，通過高低電平傳播。占空比是指高電平在一個脈沖周期中所占的比例，即脈沖寬度t1與周期T的占比，占空比越大，表示脈沖寬度越接近周期T，也表示脈沖信號的平均值越大。

PWM是一種脈沖寬度調制技術，通過改變單位時間內脈沖占空比，控制高速電磁閥動作，當PWM脈沖周期越短，單位時間高速電磁閥調節動作次數越多;PWM脈沖周期越長，單位時間內高速電磁閥調節動作次數越少。

2）PWM控制周期短的影響。朔黃鐵路運用的HXD1型交流電力機車PWM控制周期為20 ms，控制精度為±3 kPa，國鐵運用的HXD1型交流電力機車PWM控制周期為40 ms，控制精度為±5 kPa，高速電磁閥得、失電響應時間約為20 ms。通過模擬試驗發現，在相同的操作下，朔黃鐵路運用的機車上的高速電磁閥動作頻次高，會導致PWM控制高速電磁閥動作的時間接近甚至小于高速電磁閥本身得、失電的響應時間。當發生連續控制周期內高速電磁閥控制時間小于電磁閥得、失電響應時間時，會造成高速電磁閥的閥芯一直在一位與二位之間動作或閥芯一直在二位與三位之間動作，導致下一次完全復位阻力增大，發生高速電磁閥卡滯故障。

3" 改進措施

3.1" 提高高速電磁閥潤滑油脂的性能

更換高速電磁閥內部的潤滑油脂，將原來采用的道康寧33號潤滑油脂更換為住美泰P2潤滑油脂，提高潤滑油脂在高溫、高頻運動環境下的使用性能，減少銜鐵（電極樞）的摩擦力，提高抗碳化性能，增強使用壽命。經過長時間疲勞試驗驗證，道康寧33號潤滑油脂碳化明顯，住美泰P2潤滑油脂無明顯碳化。

3.2" 高速電磁閥增加過濾網

通過拆解檢查發現總風濾塵器（100）、均衡風缸濾塵器（188）、高速電磁閥閥芯等部件不同程度存在雜質，說明機車的壓縮空氣中存在雜質，為確保高速電磁閥功能穩定可靠，避免電磁閥柱塞卡滯，在高速電磁閥進氣口原有密封墊上增加過濾網。經過現場3個月的考核驗證，增加過濾網后，能夠提高高速電磁閥抗雜質能力，提高電磁閥的可靠性。

3.3" 調整PWM控制周期

3.3.1" 朔黃鐵路高速電磁閥PWM控制周期

朔黃鐵路HXD1型交流電力高速電磁閥的PWM控制周期為20 ms，此時均衡控制見表1。

3.3.2" 國鐵高速電磁閥PWM控制周期

國鐵HXD1型交流電力高速電磁閥的PWM控制周期為40 ms，此時均衡控制見表2。

3.3.3" PWM控制周期對比

通過上述2種均衡控制模式對比，可以發現PWM控制周期為20 ms時，只有占空比波形控制為100%、0%情況下，能夠保證高速電磁閥動作響應時間（20 ms），其他占空比波形控制，都存在PWM控制高速電磁閥動作的時間小于電磁閥本身動作響應時間的情況，存在卡滯隱患。

PWM控制周期為40 ms時，任何占空比波形控制都能確保大于等于20 ms，從而使PWM控制高速電磁閥動作的時間大于電磁閥本身動作響應時間，可以有效減少高速電磁閥閥芯柱塞往復運動時卡滯的概率。

3.3.4" PWM控制周期調整

調研國鐵DK-2制動系統運用故障情況，發現PWM控制周期為40 ms時，高速電磁閥故障率較低，結合朔黃鐵路實際情況，在確保DK-2制動系統控制精度±3 kPa不變情況下，調整PWM控制周期為40 ms。目前，PWM控制周期已經調整，運用效果良好。

3.4" 試驗新型的截止式高速電磁閥

3.4.1" 截止式高速電磁閥的結構

截止式高速電磁閥為直動截止式結構，主要由動鐵芯、靜鐵芯、閥芯和復位彈簧等組成，閥芯直接由電磁力驅動，其結構如圖4所示。

3.4.2" 截止式高速電磁閥的原理及優勢

當線圈失電時，動鐵芯依靠長復位彈簧的彈力向下推動閥芯至閥口密封，此時進氣口被關閉，出氣口與進氣口通路被截斷，高速電磁閥處于關閉狀態。

當線圈得電時，由于電磁力作用，動鐵芯克服長復位彈簧的反力向上運動，復位彈簧向上推動閥芯，閥芯離開閥口，此時進氣口與出氣口溝通，高速電磁閥處于打開狀態。

該高速電磁閥動作行程大于柱塞式結構，無需潤滑油脂潤滑，僅閥口處存在端面密封，并且其閥口結構抗雜質能力優于MAC的柱塞式滑閥結構，受風源影響小。

3.4.3" 運用效果

目前，截止式高速電磁閥已經裝車考核2個多月，結合考核期的實際效果，將逐步擴大裝車范圍。

4" 制定應急措施

朔黃鐵路開行的萬噸、兩萬噸重載列車，一旦運行中發生高速電磁閥257 YV、258 YV卡滯故障，造成DK-2制動系統失效，后果非常嚴重，因此制定如下應急措施。

①大閘中立位，司控器置最大電制動位，將127后備塞門置開通位，操作后備手柄實施減壓停車;②若上述①無效，關閉制動機電源“28-F01”和BCU冗余電源開關停車;③若上述①和②無效，實施大閘緊急制動或按壓緊急按鈕停車。

5" 結束語

高速電磁閥257 YV、258 YV是DK-2制動系統中的關鍵部件，控制著壓縮空氣管路的開通與切斷，一旦發生卡滯故障，將造成均衡風缸壓力波動、均衡不減壓或緩解慢等故障，嚴重危害重載列車的運行安全。本文對高速電磁閥從解體檢查、模擬實驗等方面進行了故障分析，采取了提高潤滑油脂性能、加裝過濾網、調整PWM控制周期、試驗新型高速電磁閥等改進措施，有效提高了高速電磁閥的穩定性、可靠性，對確保重載列車運行安全發揮積極作用。

參考文獻：

[1] 張毅力.機車重聯控制系統的發展[J].機械管理開發，2009，24（1）：9-10，12.

[2] 方長征，劉泉，毛金虎.DK-2型機車電空制動系統[M].北京：中國鐵道出版社，2021.

[3] 王連森.交流電力機車檢修基礎[M].成都：西南交通大學出版社，2014.

[4] 榮林.神華八軸交流電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

[5] 張江.機車檢修[M].北京：北京交通大學出版社，2021.

作者簡介：史衍可（1986-），男，工程師。研究方向為鐵路運用管理。