王樹海， 劉治國， 王 昕， 張繼芬

(中車大同電力機車有限公司 技術(shù)中心， 山西大同 037038)

HXD2機車是中車大同電力機車有限公司研發(fā)的功率9 600 kW重載貨運交流傳動機車，該機車為雙節(jié)八軸機車。

HXD2機車制動系統(tǒng)采用先進(jìn)的微機網(wǎng)絡(luò)控制制動機，它是按照大功率重載運輸環(huán)境需求和中國鐵道機車車輛制動機特點，滿足中國鐵路運用要求而開發(fā)的機車制動系統(tǒng)。該制動系統(tǒng)國內(nèi)首次實現(xiàn)了雙節(jié)機車互為備用制動，就是機車在正常工況時，通過主控節(jié)機車制動柜控制列車管壓力實現(xiàn)列車的制動與緩解。當(dāng)機車制動系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，機車制動系統(tǒng)能轉(zhuǎn)換到另外一節(jié)機車制動柜控制列車的制動與緩解。兩節(jié)機車制動系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)連接，實現(xiàn)通訊功能。

1 故障描述

HXD2機車在運用過程中，部分制動機顯示屏報出CAN總線通訊故障，導(dǎo)致機車出現(xiàn)小閘自動上閘(主控節(jié)報CAN總線故障時)，或列車管自動減壓施加懲罰制動(主控節(jié)報CAN總線故障時)。通過制動顯示屏查詢故障記錄，發(fā)現(xiàn)在故障時間段內(nèi)會出現(xiàn)報出CAN總線故障，并在幾秒后自動清除，具體故障顯示如圖1所示。

圖1 顯示屏CAN網(wǎng)故障

2 故障調(diào)查及分析

2016年11月技術(shù)人員到現(xiàn)場進(jìn)行故障調(diào)查和數(shù)據(jù)分析，在調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊中各節(jié)點出現(xiàn)跳動不一致的現(xiàn)象。CAN網(wǎng)絡(luò)啟動后，主設(shè)備(CAN板)需要將所有從設(shè)備(CPU板、分配閥EPM、小閘EPM、指令轉(zhuǎn)換器)的跳動率設(shè)定為200 ms的周期，但啟動后小閘EPM和分配閥EPM的跳動率保持160 ms和130 ms。

根據(jù)統(tǒng)計，自2016年10月至2017年3月使用舊版制動軟件時，共計故障17次。

針對上述問題，對小閘和分配閥EPM版本進(jìn)行升級，改進(jìn)跳動率，新版小閘EPM-FD軟件版本為 1.08版，于2017年底驗證合格后陸續(xù)在各機務(wù)段上載，自2017年10月至2018年3月使用新版制動軟件時，共統(tǒng)計發(fā)生故障7次。

通過軟件優(yōu)化完善了CAN網(wǎng)絡(luò)通訊，解決了已識別出的軟件缺點，提高CAN網(wǎng)絡(luò)通訊穩(wěn)定性。通過上述數(shù)據(jù)對比可以看出，在機車完成新版軟件上載工作后，雖然軟件改進(jìn)取得了一定的成效，故障率有所降低，但CAN網(wǎng)故障未從根本上解決。

技術(shù)人員對故障車的EPM進(jìn)行拆解檢查，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電路板和部件存在任何不良。隨后，在試驗室建立了一套制動系統(tǒng)模擬試驗臺，該試驗臺能夠模擬機車上制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步對故障機車EPM、CAN網(wǎng)進(jìn)行高低溫測試、長時間帶電運行試驗，但均未能重現(xiàn)故障，EPM、CAN網(wǎng)工作正常。

為了盡快找到該故障原因，通過CAN網(wǎng)絡(luò)分析儀對該故障進(jìn)行測試調(diào)查，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)過CAN網(wǎng)絡(luò)故障的EPM在裝入制動系統(tǒng)試驗臺使用時，即使在正常工作未報故障的情況下，CAN網(wǎng)絡(luò)通訊中仍會頻繁的出現(xiàn)錯誤幀，如圖2所示。

圖2 錯誤幀

為進(jìn)一步確認(rèn)CAN網(wǎng)絡(luò)中錯誤幀的產(chǎn)生源，將該故障機車小閘EPM內(nèi)部PWS電路板與另一個未出現(xiàn)過CAN網(wǎng)絡(luò)故障，也不存在錯誤幀的正常使用的機車小閘EPM進(jìn)行對調(diào)后檢測。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)故障機車小閘EPM不再出現(xiàn)錯誤幀，而正常機車小閘EPM開始產(chǎn)生錯誤幀。

試驗證明錯誤幀的產(chǎn)生與EPM內(nèi)部PWS電路板上的電子元器件相關(guān)。隨后通過示波器采集的CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸波形顯示干擾較大。如圖3所示，CAN網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過信號差分后(粉線)仍存在較多干擾毛刺。

圖3 EPM采用110 V供電CAN網(wǎng)絡(luò)波形圖

通過對示波器波形的分析，差分后的CAN網(wǎng)絡(luò)信號上存在頻率為72.5 kHz的干擾毛刺，導(dǎo)致CAN網(wǎng)絡(luò)通訊時信號出現(xiàn)錯誤幀。

經(jīng)分析該干擾是由EPM內(nèi)部PWS板上的開關(guān)電源產(chǎn)生的，EPM供電電源設(shè)計支持寬電壓輸入，在直流110 V和24 V供電電壓條件下均能正常使用。該機車設(shè)計時采用110 V直流供電模式，初步推斷為110 V電源干擾造成故障。為驗證該推斷，在機車上進(jìn)行跟車測試110 V電壓試驗，從測試情況來看，機車在運行過程中，給制動機提供110 V電源電壓波動比較大，最高達(dá)到193 V，比110 V電源波動的最高允許值137.5 V還要高出許多。示波器截圖如圖4所示。

圖4 EPM采用110 V供電電源波動圖

通過現(xiàn)場調(diào)整，將EPM供電電壓轉(zhuǎn)換為BCU電源板輸出的24 V電源時，示波器采集的總線傳輸波形干擾基本消失，使用CAN網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包也未再出現(xiàn)錯誤幀，采用24 V供電后，CAN網(wǎng)波形圖如圖5所示。

圖5 EPM采用24 V供電CAN網(wǎng)絡(luò)波形圖

3 改進(jìn)方案

3.1 電源改進(jìn)方案

根據(jù)上述調(diào)查分析和模擬試驗，提出將EPM的供電電源由110 V DC改為24 V DC，以消除EPM內(nèi)部電源板轉(zhuǎn)換電壓產(chǎn)生的干擾。

改進(jìn)前，分配閥EPM和小閘EPM均由外部110 V機車電源直接供電，如圖6所示。

圖6 110 V直流電源供電原理圖

通過電路改造，取消分配閥EPM和小閘EPM的機車110 V供電，將BCU電源板輸出的24 V電源用于分配閥EPM和小閘EPM的供電，如圖7所示。

按照圖7的供電原理圖改造后，制動系統(tǒng)在室溫下進(jìn)行了模擬測試，BCU的24 V供電回路最大電流不超過1 A，滿足設(shè)計的相關(guān)性能要求，用CAN網(wǎng)絡(luò)分析儀

圖7 24 V直流電源供電原理圖

檢測網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包，也未再出現(xiàn)錯誤；改造后的制動系統(tǒng)進(jìn)行了高低溫測試試驗，同樣能夠滿足系統(tǒng)的功耗、性能要求。

3.2 電磁兼容改進(jìn)方案

在現(xiàn)場試驗驗證的過程中發(fā)現(xiàn)，部件的電磁干擾對CAN網(wǎng)絡(luò)信號的穩(wěn)定也有較大影響。通過實驗室比對試驗，對EPM線路板設(shè)計細(xì)節(jié)調(diào)整：以減少受到外界干擾的影響和電路之間產(chǎn)生相互干擾。減小EPM上的電路產(chǎn)生的電磁輻射和對外界干擾的敏感性，減小電路之間的相互影響，提高EPM的電磁兼容性能。

4 結(jié) 論

通過調(diào)整EPM模塊的供電電源和調(diào)整線路板的設(shè)計，基本解決了CAN網(wǎng)故障現(xiàn)象，設(shè)計方案已在HXD2機車上批量考核運用，驗證效果良好。驗證效果證明，對CAN網(wǎng)絡(luò)信號產(chǎn)生的干擾而言，BCU電源板輸出的24 V電源比機車110 V直流電源的電源品質(zhì)有明顯優(yōu)勢，線路板的調(diào)整也提高了電磁兼容性能。

綜上所述，從提高電源品質(zhì)和優(yōu)化電磁兼容兩個方面考慮，可以全面防止HXD2機車CAN網(wǎng)絡(luò)故障，提高機車制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，保障機車的安全運行，對此故障的改進(jìn)經(jīng)驗也為今后其他機車的類似現(xiàn)象提供了安全運行理論和實踐依據(jù)。