劉詩佳
(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院,山西太原030051)
近些年,中國高速鐵路蓬勃發(fā)展,給人們的出行帶來了很大的便利。牽引系統(tǒng)是動車組的關(guān)鍵系統(tǒng)之一,在保障動車組安全可靠地運行上起著舉足輕重的作用。為了使?fàn)恳到y(tǒng)更好地運用和維修,有必要對其進行故障統(tǒng)計和故障原因分析。
牽引系統(tǒng)由數(shù)個相對獨立的高壓設(shè)備和牽引單元組成,它將電能轉(zhuǎn)換成機械能用以提供動車的運行動力,并在動車組再生制動時將機械能轉(zhuǎn)換成電能回饋電網(wǎng)。
將動車組牽引系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次劃分為系統(tǒng)、分系統(tǒng)、裝置、組件4種約定級別,建立牽引系統(tǒng)及各分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。將約定級別定義如下:
(1)系統(tǒng)。由可分開工作的兩套或多套分系統(tǒng)與其所需的裝置、組件、部件及零件所組成,能完成一種或多種使用功能的組合體。如牽引系統(tǒng)。
(2)分系統(tǒng)。由裝置、組件等組成,能夠完成系統(tǒng)內(nèi)某項使用功能并且是系統(tǒng)的一個重要組成部分。如牽引系統(tǒng)中的牽引傳動分系統(tǒng)。
(3)裝置。由一個或多個單元體和所需的組件、部件以及零件連接而成或聯(lián)合使用,能夠完成某項使用功能。如牽引電機。
(4)組件。由多個零件或多個部件或它們之間的任意組合組成的,能夠完成某一特定功能,并能拆裝的組合體。如牽引電機的測量組件。
牽引系統(tǒng)由高壓電器分系統(tǒng)、牽引傳動分系統(tǒng)和輔助電源及機組分系統(tǒng)3部分構(gòu)成。
圖1為高壓電器分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。通過這些裝置,高壓電器分系統(tǒng)可以將接觸網(wǎng)電能傳輸?shù)杰囕v的電氣系統(tǒng),并濾掉網(wǎng)側(cè)電流中的有害成分。出現(xiàn)緊急情況時斷開主斷路器,所有負載將從高壓供電系統(tǒng)上切斷。
圖1 高壓電器分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹
動車組的牽引傳動采用交—直—交傳動技術(shù),圖2為牽引傳動分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。主要裝置包括主變壓器、牽引變流器(含牽引控制單元)和牽引電機。牽引傳動分系統(tǒng)根據(jù)車輛運行指令,生成牽引變流器控制信號,牽引時將接觸網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化為機械能傳遞到輪軸,再生制動時將機械能轉(zhuǎn)化為電能回送電網(wǎng)。
圖2 牽引傳動分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹
輔助電源及機組分系統(tǒng)由輔助變流器(含輔助控制單元)、電池充電機、蓄電池及其他輔助用電設(shè)備構(gòu)成,其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹如圖3所示。其他輔助用電設(shè)備包括HVAC(采暖、通風(fēng)、空調(diào))系統(tǒng)、空壓機及照明等裝置。輔助電源連接在各車廂之間,能夠提供三相四線制50 Hz、400V交流電源和110V直流電源,供列車輔助交流和直流設(shè)備使用。
圖3 輔助電源及機組分系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹
根據(jù)牽引系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹,將牽引系統(tǒng)故障模式進行分類匯總,繪制故障的主次圖。各分系統(tǒng)或裝置的故障比例按從大到小的順序顯示出來,同時用累積百分比表示故障的累積作用,其中累積百分比在80%~90%之間的因素為故障的主要因素,在90%~100%范圍內(nèi)的因素為故障的次要因素。
牽引系統(tǒng)包含大量部件,故障種類繁多,故障原因錯綜復(fù)雜,分析起來比較困難,因此本文以牽引分系統(tǒng)或裝置的故障作為結(jié)果,以導(dǎo)致其發(fā)生故障的各種因素作為原因,采用因果圖的方法進行故障分析。從因果圖中可以清楚看到設(shè)備的故障情況,從而對故障原因有一個整體把握,同時也方便找出主要原因,促進故障的解決。
(1)高壓電器分系統(tǒng)故障的主次及因果分析
圖4為高壓電器分系統(tǒng)故障主次圖,從圖中可以看出,受電弓故障占高壓電器故障的67.64%,遠高于其他高壓電器裝置,其次是主斷路器故障占14.55%。受電弓和主斷路器故障是高壓電器故障的主要因素,其累積故障百分比達到82.19%。車頂高壓電纜、高壓互感器、高壓隔離開關(guān)、避雷器、電流互感器、網(wǎng)側(cè)濾波器及接地開關(guān)故障所占比例較小,它們是高壓電器故障的次要因素。
圖4 高壓電器故障主次圖
從高壓電器故障的因果圖5中可以看出導(dǎo)致受電弓和主斷路器的故障原因最多,結(jié)合主次圖分析,由于高壓電器安裝在車頂,工作環(huán)境惡劣,會受到風(fēng)、雨、雪、日曬等天氣影響,同時車頂設(shè)備還會遭到異物撞擊,受電弓和主斷路器發(fā)生這種意外故障的比例很大。其中受電弓還要與高壓電網(wǎng)接觸取電,其上臂出現(xiàn)裂紋、風(fēng)管破損十分常見,因此受電弓故障發(fā)生的頻率最高。還有車頂?shù)慕佑|網(wǎng)線也會比牽引系統(tǒng)其他線路更易磨損、絕緣等級降低。因此,整個高壓電器是牽引系統(tǒng)故障最多的分系統(tǒng),受電弓和主斷路器又是高壓電器最為薄弱的部分,需要重點維護。
圖5 高壓電器故障因果圖
(2)牽引傳動分系統(tǒng)故障的主次及因果分析
由于牽引傳動分系統(tǒng)包含的裝置和組件較多,以該裝置為對象進行作圖分析,以便詳細了解的故障信息。圖6為主變壓器故障的主次圖,從中可以看出冷卻單元故障最多,占主變壓器總故障的一半多,其次是保護電器故障占13.04%,冷卻單元、保護電器、連接組件、箱體及繞組故障是主變壓器故障的主要因素,其累積故障百分比達到81.87%。測量組件、油路組件和其他故障是主變壓器故障的次要因素。
圖6 主變壓器故障主次圖
以導(dǎo)致主變壓器無法正常工作的主要故障畫成主干,繪制因果圖,如圖7所示,這7種故障模式的產(chǎn)生主要是由冷卻單元及變壓器硬件故障引起的,在完成主變壓器功能時,它們相互影響、關(guān)聯(lián)。連接組件主要是插頭故障和線路松動,可以通過選擇高質(zhì)量的配件及線路加固來降低故障發(fā)生幾率。主變壓器繞組浸在油中,采用油冷方式進行冷卻,其冷卻單元是保證變壓器正常工作的關(guān)鍵,應(yīng)經(jīng)常清理濾網(wǎng)、檢查風(fēng)機和熱交換器狀態(tài),從而發(fā)現(xiàn)異常及時處理。
牽引變流器故障主次圖如圖8所示,與主變壓器故障相似的是冷卻單元故障所占總故障的比例最大,為33.59%。牽引控制單元TCU及四象限整流器故障比例接近,分別為23.33%和21.54%。冷卻單元、牽引控制單元TCU、四象限整流器和PWMI逆變器故障是導(dǎo)致變流器故障的主要因素,其累積故障百分比為92.05%,預(yù)充電電路、中間電路和其他故障是變流器故障的次要因素。
以牽引變流器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹為分類依據(jù),對變流器各組件故障進行篩選匯總,得到變流器故障因果圖,如圖9所示,IGBT不同功率模塊的損壞會分別導(dǎo)致四象限整流器、中間電路、PWMI逆變器故障。牽引控制單元TCU故障主要是由于其組成板卡及網(wǎng)絡(luò)故障所導(dǎo)致的。變流器的冷卻方式為水冷和風(fēng)冷,冷卻液通過水泵強制循環(huán),外部風(fēng)扇和內(nèi)部風(fēng)扇加強散熱效果,其故障發(fā)生較頻繁,故障原因也較多。
牽引電機故障的主次圖如圖10所示,速度傳感器故障最多,所占電機總故障的39.42%,是電機軸承故障百分比19.13%的兩倍多。速度傳感器、電機軸承、電機溫度傳感器、定子轉(zhuǎn)子故障的累積故障百分比為83.18%,是牽引電機故障的主要因素。與牽引變壓器、變流器不同的是冷卻單元故障成為裝置故障的次要因素,同為電機故障次要因素的還有連接組件故障和其他故障。
圖7 主變壓器故障因果圖
圖8 牽引變流器故障主次圖
電機的溫度傳感器較多,定子溫度傳感器、軸承溫度傳感器和電機溫度傳感器,其損壞會導(dǎo)致不同組件故障,如圖11牽引電機故障因果圖所示。電機定子轉(zhuǎn)子故障的主要原因還有繞組絕緣性能變差,軸承故障的主要原因還有漏油。由于牽引電機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置,會用到速度傳感器對其進行測量,又因牽引
圖9 牽引變流器故障因果圖
圖10 牽引電機故障主次圖
電機數(shù)量多,因此速度傳感器故障所占電機故障的比例較大。通過提高速度傳感器和溫度傳感器的質(zhì)量可以減少牽引電機很多故障。
(3)輔助電源及機組分系統(tǒng)故障的主次及因果分析
輔助電源及機組故障主次圖如圖12所示,其中輔助變流器故障最多,占輔助電源及機組總故障的66.41%,其次是電池充電機占20.70%。輔助變流器與電池充電機故障是輔助電源及機組故障的主要因素,其累積故障百分比達到87.11%,蓄電池故障很少發(fā)生,它和其他輔助用電設(shè)備故障構(gòu)成輔助電源及機組故障的次要因素。
圖11 牽引電機故障因果圖
圖12 輔助電源及機組故障主次圖
為作圖方便,將輔助變流器的故障原因分為輸入/輸出故障和輔助變流器其他故障,如圖13所示。輔助變流器構(gòu)成組件多,故障原因多種多樣,除逆變模塊故障、連接組件故障、保護電器故障、冷卻單元故障外還有濾波電容損壞和軟件故障等。電池充電機的故障原因也很多,輸出電流、電壓傳感器經(jīng)常失效。蓄電池故障原因相對較少。結(jié)合輔助電源及機組故障主次圖,可以看出輔助電源及機組故障主要存在于輔助變流器,應(yīng)對輔助變流器的故障多加重視。
圖13 輔助電源及機組故障因果圖
本文根據(jù)牽引系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹,分類統(tǒng)計了動車組在運行過程中牽引系統(tǒng)發(fā)生的各種故障。通過繪制故障主次圖,得到了分系統(tǒng)及裝置故障的主要、次要因素;繪制因果圖分析了導(dǎo)致其故障的原因。該統(tǒng)計分析結(jié)果可供動車組庫檢和維修時參考,指導(dǎo)牽引系統(tǒng)有重點地檢修,對加強牽引系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的關(guān)注和技術(shù)改造,提高其運用可靠性及整車的安全服役性有著重要意義。
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