摘" 要：由于制動系統(tǒng)中的高速電磁閥故障，給重載列車的運(yùn)行安全帶來嚴(yán)重安全隱患。該文對HXD1型交流電力機(jī)車高速電磁閥故障的原因進(jìn)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(wǎng)、調(diào)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(jìn)及應(yīng)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(xiàn)場驗證，效果顯著，有效確保萬噸、兩萬噸重載列車的運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：HXD1型交流機(jī)車;高速電磁閥;卡滯;257YV;258YV;PWM板;潤滑油脂

中圖分類號：U264" " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)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(yùn)輸任務(wù)逐年攀升，陸續(xù)開行了萬噸列車、兩萬噸重載列車，三萬噸重載列車已經(jīng)成功試驗開行，單列的牽引總重也越來越大，這就對機(jī)車的安全性、可靠性也提出了更高的要求。中鐵十五局集團(tuán)在朔黃鐵路配屬14臺HXD1型交流電力機(jī)車，參與正線牽引運(yùn)輸，該型電力機(jī)車采用DK-2型制動系統(tǒng)，近期由于制動系統(tǒng)中的高速電磁閥作用不良，引發(fā)多起均衡風(fēng)缸壓力波動、制動位不減壓或減壓慢等故障，給重載列車運(yùn)行安全帶來嚴(yán)重安全隱患，干擾了正常的運(yùn)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(tǒng)介紹

1.1" 均衡風(fēng)缸控制原理

DK-2型制動系統(tǒng)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(fēng)缸的充風(fēng)與排風(fēng)，實(shí)現(xiàn)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(fēng)經(jīng)過55調(diào)壓閥→高速電磁閥258YV→保護(hù)電控閥263YV→轉(zhuǎn)換閥153→均衡風(fēng)缸56。均衡風(fēng)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(yīng)的均衡目標(biāo)值。BCU控制單元通過PWM板調(diào)節(jié)高速電磁閥258YV、257YV的得電與失電頻次，控制均衡風(fēng)缸壓力與目標(biāo)值匹配，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。

2）制動時，高速電磁閥257YV得電打開閥口，均衡風(fēng)缸56→轉(zhuǎn)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(dāng)前制動級位對應(yīng)的目標(biāo)值進(jìn)行匹配，控制257YV得電與失電頻次，從而精準(zhǔn)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(jié)構(gòu)

考慮到EP控制的流量、高速電磁閥響應(yīng)時間及機(jī)械壽命等需求，DK-2制動系統(tǒng)的高速電磁閥采用進(jìn)口的MAC品牌。該電磁閥為直動式柱塞結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)對壓縮空氣質(zhì)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(cè)錐面。該高速電磁閥可以用較小的行程實(shí)現(xiàn)大的流量輸出，同時小的行程使得響應(yīng)時間短。

1.2.2" MAC高速電磁閥的作用原理

當(dāng)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(dāng)高速電磁閥的線圈得電時，電磁樞及可動磁極塊產(chǎn)生磁力，互相吸引。當(dāng)電磁線圈產(chǎn)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(jìn)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(xiàn)象

通過對2023年以來高速電磁故障時現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)生均衡風(fēng)缸壓力頻繁跳動3件、閘缸無法緩解2件、均衡風(fēng)缸減壓時間長7件、均衡風(fēng)缸壓力上漲緩解1件。

結(jié)合高速電磁閥故障現(xiàn)象及BCU數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)轉(zhuǎn)位時，高速電磁閥258 YV發(fā)生卡滯故障，均衡風(fēng)缸充風(fēng)至目標(biāo)值（600 kPa±5 kPa）左右，均衡風(fēng)缸壓力頻繁跳動。表現(xiàn)為均衡風(fēng)缸壓力控制不穩(wěn)，制動柜內(nèi)高速電磁閥頻繁動作。緩解時，高速電磁閥257 YV發(fā)生卡滯故障，閘缸無法緩解或緩解慢。發(fā)現(xiàn)在制動位時，高速電磁閥258 YV發(fā)生卡滯故障，均衡風(fēng)缸減壓時間長或壓力上漲;高速電磁閥257 YV發(fā)生卡滯，均衡風(fēng)缸減壓時間長或過量減壓。典型BCU數(shù)據(jù)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(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)故障的高速電磁閥銜鐵處普遍存在黑色脂狀物質(zhì)，部分黑色物質(zhì)已經(jīng)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(huán)境下長期動作，已經(jīng)碳化，造成閥芯在動作過程中阻力變大，行程達(dá)不到規(guī)定位置，造成電磁閥卡滯，閥口無法完全打開或關(guān)閉，從而影響列車的制動或緩解。

2.2.2" 機(jī)車風(fēng)源內(nèi)存在雜質(zhì)

高速電磁閥閥口的密封性對機(jī)車風(fēng)源質(zhì)量要求特別高，將部分高速電磁閥故障的機(jī)車總風(fēng)濾塵器（100）、均衡風(fēng)缸濾塵器（188）、均衡模塊濾塵器（189）、閘缸預(yù)控模塊濾塵器（187）進(jìn)行拆解檢查，發(fā)現(xiàn)總風(fēng)濾塵器（100）有鐵屑狀異物，均衡風(fēng)缸濾塵器（188）進(jìn)氣口有黑色塊狀異物，其他濾塵器未發(fā)現(xiàn)異常情況。

高速電磁閥的閥芯柱塞運(yùn)動配合間隙約為0.1～0.15 mm，風(fēng)源內(nèi)的細(xì)小雜質(zhì)進(jìn)入電磁閥內(nèi)部后，可能會造成其輕微卡滯，若此時電磁閥進(jìn)氣口壓力較高，則電磁閥調(diào)節(jié)的頻次會增加，發(fā)生均衡壓力波動的現(xiàn)象。同時，高速電磁閥的閥芯依靠兩端D型圈進(jìn)行密封，閥芯動作時，D型圈與閥內(nèi)壁摩擦一直存在，當(dāng)風(fēng)源中的細(xì)小雜質(zhì)進(jìn)入配合圓柱面與潤滑油脂黏粘在一起，也會導(dǎo)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(diào)制技術(shù)，通過改變單位時間內(nèi)脈沖占空比，控制高速電磁閥動作，當(dāng)PWM脈沖周期越短，單位時間高速電磁閥調(diào)節(jié)動作次數(shù)越多;PWM脈沖周期越長，單位時間內(nèi)高速電磁閥調(diào)節(jié)動作次數(shù)越少。

2）PWM控制周期短的影響。朔黃鐵路運(yùn)用的HXD1型交流電力機(jī)車PWM控制周期為20 ms，控制精度為±3 kPa，國鐵運(yùn)用的HXD1型交流電力機(jī)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(yīng)時間約為20 ms。通過模擬試驗發(fā)現(xiàn)，在相同的操作下，朔黃鐵路運(yùn)用的機(jī)車上的高速電磁閥動作頻次高，會導(dǎo)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(yīng)時間。當(dāng)發(fā)生連續(xù)控制周期內(nèi)高速電磁閥控制時間小于電磁閥得、失電響應(yīng)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(dǎo)致下一次完全復(fù)位阻力增大，發(fā)生高速電磁閥卡滯故障。

3" 改進(jìn)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(nèi)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(yùn)動環(huán)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(qiáng)使用壽命。經(jīng)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(wǎng)

通過拆解檢查發(fā)現(xiàn)總風(fēng)濾塵器（100）、均衡風(fēng)缸濾塵器（188）、高速電磁閥閥芯等部件不同程度存在雜質(zhì)，說明機(jī)車的壓縮空氣中存在雜質(zhì)，為確保高速電磁閥功能穩(wěn)定可靠，避免電磁閥柱塞卡滯，在高速電磁閥進(jìn)氣口原有密封墊上增加過濾網(wǎng)。經(jīng)過現(xiàn)場3個月的考核驗證，增加過濾網(wǎng)后，能夠提高高速電磁閥抗雜質(zhì)能力，提高電磁閥的可靠性。

3.3" 調(diào)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(fā)現(xiàn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)時間，可以有效減少高速電磁閥閥芯柱塞往復(fù)運(yùn)動時卡滯的概率。

3.3.4" PWM控制周期調(diào)整

調(diào)研國鐵DK-2制動系統(tǒng)運(yùn)用故障情況，發(fā)現(xiàn)PWM控制周期為40 ms時，高速電磁閥故障率較低，結(jié)合朔黃鐵路實(shí)際情況，在確保DK-2制動系統(tǒng)控制精度±3 kPa不變情況下，調(diào)整PWM控制周期為40 ms。目前，PWM控制周期已經(jīng)調(diào)整，運(yùn)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(jié)構(gòu)

截止式高速電磁閥為直動截止式結(jié)構(gòu)，主要由動鐵芯、靜鐵芯、閥芯和復(fù)位彈簧等組成，閥芯直接由電磁力驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.4.2" 截止式高速電磁閥的原理及優(yōu)勢

當(dāng)線圈失電時，動鐵芯依靠長復(fù)位彈簧的彈力向下推動閥芯至閥口密封，此時進(jìn)氣口被關(guān)閉，出氣口與進(jìn)氣口通路被截斷，高速電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

當(dāng)線圈得電時，由于電磁力作用，動鐵芯克服長復(fù)位彈簧的反力向上運(yùn)動，復(fù)位彈簧向上推動閥芯，閥芯離開閥口，此時進(jìn)氣口與出氣口溝通，高速電磁閥處于打開狀態(tài)。

該高速電磁閥動作行程大于柱塞式結(jié)構(gòu)，無需潤滑油脂潤滑，僅閥口處存在端面密封，并且其閥口結(jié)構(gòu)抗雜質(zhì)能力優(yōu)于MAC的柱塞式滑閥結(jié)構(gòu)，受風(fēng)源影響小。

3.4.3" 運(yùn)用效果

目前，截止式高速電磁閥已經(jīng)裝車考核2個多月，結(jié)合考核期的實(shí)際效果，將逐步擴(kuò)大裝車范圍。

4" 制定應(yīng)急措施

朔黃鐵路開行的萬噸、兩萬噸重載列車，一旦運(yùn)行中發(fā)生高速電磁閥257 YV、258 YV卡滯故障，造成DK-2制動系統(tǒng)失效，后果非常嚴(yán)重，因此制定如下應(yīng)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(shí)施減壓停車;②若上述①無效，關(guān)閉制動機(jī)電源“28-F01”和BCU冗余電源開關(guān)停車;③若上述①和②無效，實(shí)施大閘緊急制動或按壓緊急按鈕停車。

5" 結(jié)束語

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

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作者簡介：史衍可（1986-），男，工程師。研究方向為鐵路運(yùn)用管理。