湯武平
(中國鐵路廣州局集團有限公司 株洲機務(wù)段, 湖南株洲 412004)
株洲機務(wù)段配屬的HXD1C型機車主要擔(dān)當(dāng)京廣線上株洲—江村區(qū)段的貨物列車牽引任務(wù)。自2016年以來,C5修后的HXD1C機車牽引電機6A復(fù)合傳感器安裝孔(測點)位置優(yōu)化后,機車上線運行中電機軸承溫升報警故障增多,通過調(diào)整報警門限值后故障得到了控制。2017年12月份中旬以來,隨著氣溫的下降,該故障呈上升趨勢,而且只要是C5修后的HXD1C機車在承擔(dān)行包快運及臨客牽引任務(wù)時,大多都會出現(xiàn)牽引電機溫升報警現(xiàn)象,由此導(dǎo)致機車故障或D21事故頻發(fā)。隨著2018年春運臨近、擔(dān)當(dāng)臨客牽引任務(wù)量的驟增,為確保春運運輸生產(chǎn)組織正常,消除HXD1C機車牽引電機軸承溫升報警故障刻不容緩。
2016年前,株洲機務(wù)段配屬的HXD1C機車牽引電機6A復(fù)合傳感器安裝孔(測點)是在電機的端蓋上,距離軸承較遠。為加強走行部的安全監(jiān)控,按中國鐵路總公司要求,自2016年開始HXD1C機車C5修時,對牽引電機6A復(fù)合傳感器安裝孔(測點)位置進行優(yōu)化,安裝在離牽引電機軸承外圈僅相距10 mm的位置。優(yōu)化后的測點對軸承溫度的敏感性更高、更準確,幾乎完全接近牽引電機兩端軸承的實際溫度,因此檢測到的電機軸承溫升值比以前升高,導(dǎo)致溫升報警故障增多。
2016—2017年期間,針對HXD1C機車C5修后牽引電機6A復(fù)合傳感器安裝孔(測點)位置改變(如圖1所示)、溫升報警故障多的現(xiàn)象,株洲機務(wù)段聯(lián)合廠方對多臺故障電機跟蹤檢測分析。發(fā)現(xiàn)電機軸承測溫孔位置改變后,新測點溫度相對高24 K,電機的軸承溫升超55 K,但軸承的最高溫度有些還小于75 ℃,且6A在線振動檢測及頂輪檢測合格,軸承狀態(tài)良好。為保障機車運用及牽引電機軸承運行的可靠性,經(jīng)廠方反復(fù)跟蹤驗證,對6A軸溫溫升報警、超溫報警的門限值進行了調(diào)整,由原來的55 K、90 ℃,分別修改為D端80 K、120 ℃,N端75 K、105 ℃,參數(shù)修改后溫升報警現(xiàn)象得到一定控制,但冬季機車牽引運行速度高時,溫升報警故障仍頻繁出現(xiàn)。
圖1 JD160A電機新/老6A測溫孔
HXD1C機車6臺牽引電機分別由6臺牽引風(fēng)機強迫通風(fēng)冷卻,在正常工況下,牽引風(fēng)機由輔助變流器1供電,輔助變流器1的工作模式為變壓變頻(VVVF),輸出電壓、頻率的關(guān)系如圖2所示。其供電頻率根據(jù)通風(fēng)的要求在10~60 Hz之間可調(diào),通風(fēng)的要求由主變流器水循環(huán)溫度、主變壓器油循環(huán)溫度和牽引電機溫度3個因素決定。
圖2 輔助變流器1輸出電壓、頻率的關(guān)系
夏季因氣溫高,牽引電機溫度及冷卻系統(tǒng)循環(huán)的水、油溫度相對較高,輔助變流器1供電頻率和輸出電壓較高,牽引風(fēng)機滿頻運行下,轉(zhuǎn)速高,對牽引電機軸承的冷卻效果較好,溫升報警現(xiàn)象不多。冬季氣溫低于5 ℃ 時,主變流器水循環(huán)溫度、主變壓器油循環(huán)溫度和牽引電機溫度相對較低,由此控制的輔助變流器提供給牽引風(fēng)機的供電頻率、電壓一般在20 Hz、110 V左右,牽引風(fēng)機轉(zhuǎn)速低,對牽引電機軸承的冷卻效果較差,因此相同牽引工況下電機軸承溫升相比夏季要高。同時因環(huán)境溫度低,當(dāng)電機軸承溫度達到75 ℃~80 ℃左右時,即會引發(fā)溫升報警。
株洲機務(wù)段配屬HXD1C型機車在擔(dān)當(dāng)貨物列車牽引任務(wù)時,因列車運行速度不超過80 km/h,軸承溫升報警故障相對較少,一旦機車擔(dān)當(dāng)行包快運及臨客牽引任務(wù)時,列車速度達100~120 km/h,隨著電機轉(zhuǎn)速升高,軸承發(fā)熱量變大。同時自2017年12月中旬以來,湖南省內(nèi)氣溫在0 ℃~3 ℃的情況較多,與2016年同期相比溫度低,輔助變流器的供電電壓和頻率也低,牽引風(fēng)機轉(zhuǎn)速慢、供風(fēng)不足,電機軸承通風(fēng)散熱效果差。由此可知,在環(huán)境溫度低、機車運行速度高時,電機軸承發(fā)熱量大、通風(fēng)冷卻效果差,導(dǎo)致電機軸承溫升報警故障突出。
2018年1月針對HXD1C機車牽引電機軸承溫升報警多、軸承溫度未超過絕對溫度(D端120 ℃及N端105 ℃)、牽引電機軸承狀態(tài)良好的情況,株洲機務(wù)段聯(lián)合廠家采取調(diào)節(jié)牽引風(fēng)機控制方式的辦法,提高對牽引電機軸承散熱冷卻,以降低牽引電機軸承溫升,并在多臺機車上進行試驗驗證。
對HXD1C機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)VCM軟件輔逆(VVVF)設(shè)定頻率輸出優(yōu)化,增加機車運行速度作為輔助變流器輸出頻率設(shè)定的因素。因 HXD1C機車牽引電機溫升報警出現(xiàn)在機車高速運行區(qū)間(70~120 km/h),考慮極限工況,且留有一定安全余量,在機車速度從60~120 km/h時,輔助變流器1輸出頻率60 Hz、牽引風(fēng)機滿頻率運行:在機車速度大于60 km/h時,頻率從當(dāng)前頻率以6 Hz/s斜率上升到60 Hz ;在機車速度從60 km/h 降至50 km/h時,維持牽引風(fēng)機頻率60 Hz,機車速度低于50 km/h時,根據(jù)電機鐵芯溫度計算出所需要的頻率,以6 Hz/s斜率從60 Hz下降至溫度頻率曲線值。
更新HXD1C機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)VCM程序后,在機車速度達到60 km/h以上時牽引風(fēng)機滿頻運行,相同線路和牽引工況下,牽引電機軸承溫度比以前下降了10 ℃~20 ℃,電機軸承溫升均控制在70 K以下。
為防止HXD1C輔變輸出頻率設(shè)定更改后,變流器冷卻水溫度發(fā)生變化,對IGBT壽命造成影響。我們選取了程序修改前后的機車運行數(shù)據(jù)進行對比分析,發(fā)現(xiàn)修改程序后,輔變輸出頻率長期處于60 Hz,這導(dǎo)致冷卻水溫度在未持續(xù)大功率牽引時,比未修改程序前低5 ℃左右;程序修改前最低進水口溫度和最高進水口溫差ΔT為9 ℃,修改后溫差ΔT為14 ℃,根據(jù)進水口溫度推斷出散熱器臺面溫度、IGBT殼溫以及IGBT結(jié)溫,可知對IGBT的結(jié)溫和殼溫的絕對值影響較小,溫度波動相差5 ℃。根據(jù)IGBT結(jié)溫和殼溫的絕對值以及波動量,結(jié)合試驗室IGBT功率循環(huán)和溫度循環(huán)曲線,可以定性評估更改程序后,等效功率循環(huán)和溫度循環(huán)壽命雖略有變化,但基本上不影響變流器模塊的應(yīng)用壽命。
2018年2月初,在經(jīng)過多臺車上線試驗并對方案進行可行性分析論證后,對株洲機務(wù)段配屬的C5修后的HXD1C機車全部更新了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)VCM程序, 近1個月以來使用效果良好,在春運期間擔(dān)當(dāng)臨客牽引任務(wù)時,株洲機務(wù)段配屬的170多臺HXD1C機車消滅了軸承溫升報警故障,確保了春運期間臨客的運輸安全。