減少HXD1B型電力機(jī)車電鑰匙故障的研究

林 英 陳曠達(dá) 童良鋒

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州機(jī)輛段 浙江 杭州 310000)

HXD1B型電力機(jī)車是中車株洲電力機(jī)車有限公司(以下簡稱“株機(jī)公司”)設(shè)計(jì)的六軸9 600 kW大功率交流傳動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車，配屬中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州機(jī)務(wù)段110臺，于2011年8月25日正式投入運(yùn)用。截止到2019年11月底，機(jī)車電鑰匙陸續(xù)出現(xiàn)了7起司機(jī)室占用信號丟失或電務(wù)信號不吸碼故障，具體如表1所示。

表1 機(jī)車電鑰匙故障統(tǒng)計(jì)

電鑰匙作為機(jī)車采集乘務(wù)員數(shù)字量信號的基礎(chǔ)電子裝置，是機(jī)車上至關(guān)重要的組成[1]。這些不同的電鑰匙故障現(xiàn)象既影響了機(jī)車的正常運(yùn)用，也存在嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。

下文根據(jù)電鑰匙占用信號的工作原理，結(jié)合機(jī)車運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)際情況及檢修工藝要求，對所有能引起電鑰匙信號丟失的原因進(jìn)行分析，并制定應(yīng)對的措施。

1 電鑰匙工作原理

1.1 電路控制原理

每個(gè)電鑰匙共有3對輔助連鎖，2對在用，1對備用。在使用的2對分別負(fù)責(zé)機(jī)車司機(jī)室占用信號和電務(wù)1、2端占用信號的識別，電路原理如圖1所示。

圖1 電鑰匙電路圖

其中機(jī)車微機(jī)占用信號使用24 V電壓，電務(wù)占用信號使用110 V電壓。

1.2 安裝結(jié)構(gòu)

如圖2司機(jī)控制器總圖所示，電鑰匙安裝在司機(jī)控制器中。司機(jī)控制器是機(jī)車的主令控制電器，用來控制機(jī)車的牽引、制動(dòng)、換向、設(shè)定速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速等工況。而實(shí)現(xiàn)上述所有的功能都建立在電鑰匙能正常閉合的前提下。

1—牽引制動(dòng)單元；2—速度設(shè)定單元；3—方向轉(zhuǎn)換開關(guān)；4—電鑰匙。圖2 司機(jī)控制器總圖

圖3 電鑰匙實(shí)物圖及分解圖

從圖3可以看出電鑰匙所具有的明顯特點(diǎn)：一是電鑰匙開關(guān)具有“ON”和“OFF”兩個(gè)位置， 主要分為鎖芯、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、輔助連鎖三部分，三部分均直線安裝，輔助連鎖位于鎖芯的正下方。電鑰匙的傳動(dòng)方式為行程式，其工作原理是在外力作用下，將動(dòng)物接近靜物，通過推桿驅(qū)動(dòng)開關(guān)接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)輔助連鎖的分合動(dòng)作。即傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將鎖芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為輔助連鎖行程桿的上下運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)輔助連鎖觸頭的閉合與分?jǐn)啵瑥亩鴮?shí)現(xiàn)為機(jī)車微機(jī)和電務(wù)信號主機(jī)提供司機(jī)室占用的高電平信號。二是核心部件輔助連鎖采用的是德國西門子公司生產(chǎn)的3SB3400-0A型行程式連鎖，其接線方式為接線端子插入安裝座后緊固，整體為拼裝式塑料外殼，并通過塑料扣卡接安裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)下方，如圖4所示。

圖4 行程式連鎖正視、側(cè)視圖

2 原因分析

電鑰匙故障的最直接體現(xiàn)就是輔助連鎖開路，導(dǎo)致這個(gè)結(jié)果的有電路、機(jī)械、管理及其他各方面原因。

2.1 輔助連鎖發(fā)生故障，無法可靠導(dǎo)通

根據(jù)輔助連鎖構(gòu)造及故障輔助連鎖的分解檢查，輔助連鎖發(fā)生故障的原因基本有3個(gè)方面：(1)輔助聯(lián)鎖觸頭老化，接觸電阻超標(biāo)。目前觸頭普遍出現(xiàn)了老化的情況，測量其接觸電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)值，尤其是通110 V電壓給電務(wù)提供信號的輔助連鎖，其觸頭磨損及老化情況更為嚴(yán)重，也符合電務(wù)信號故障多發(fā)的客觀情況。(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，容易發(fā)生動(dòng)作不到位的情況。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中該輔助連鎖的運(yùn)動(dòng)方式是行程式，整體結(jié)構(gòu)是拼裝式，在長期使用中相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件缺乏良好的潤滑，出現(xiàn)了異常的磨損，極易產(chǎn)生動(dòng)作卡滯引起觸點(diǎn)閉合不到位的現(xiàn)象。(3)輔助連鎖的連接方式導(dǎo)致鎖緊性能無法保證。該連鎖的接線安裝方式為接線端子插入式安裝，接線端子處于拼裝片的中間，使用中該處所存在著張緊力，在長期使用中容易出現(xiàn)散架情況，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)件松動(dòng)后無法導(dǎo)通的隱患。

2.2 電鑰匙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)落后，易產(chǎn)生動(dòng)作不到位現(xiàn)象

電鑰匙模塊使用了接觸式行程式連鎖，在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)較松散，傳動(dòng)可靠性低。接觸式行程開關(guān)存在響應(yīng)速度低，精度差，容易損壞檢測物及壽命短等缺點(diǎn)，一般安裝在對位置要求不是特別精確的場合。通過對每個(gè)故障的電鑰匙模塊拆解發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均出現(xiàn)了不同程度的磨損，個(gè)別嚴(yán)重者已經(jīng)變形，又加上輔助連鎖亦是行程式開關(guān)，大大增加了輔助連鎖無法可靠閉合的故障概率。

2.3 對電鑰匙缺乏系統(tǒng)的壽命管理

該電鑰匙自2011年隨HXD1B型機(jī)車新造至今，在日常檢修及C4、C5大中修等修程時(shí)均無相關(guān)更換等管理要求。日常一直處于連續(xù)使用狀態(tài)，直到故障出現(xiàn)才進(jìn)行相應(yīng)的處理。針對如此重要的電氣元件，未制定專門的壽命管理要求，不利于質(zhì)量控制。日常小輔修過程中針對電鑰匙模塊僅進(jìn)行外觀檢查，內(nèi)部不可視且無法檢查到內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱藏的故障隱患。

2.4 相關(guān)配件已停產(chǎn)，采購困難

電鑰匙由德國西門子公司生產(chǎn)，目前均已停產(chǎn)，采購難度較大，若繼續(xù)花大代價(jià)采購也不符合當(dāng)前配件國產(chǎn)化的趨勢，因此也常常出現(xiàn)機(jī)車因缺少配件導(dǎo)致無法修復(fù)的情況，對機(jī)車供應(yīng)造成影響。

3 整改措施

綜上，研究開發(fā)一套穩(wěn)定可靠且具有適配性的電鑰匙模塊對提升HXD1B型機(jī)車質(zhì)量具有積極的意義。針對存在的故障原因，有針對性地研究了HXD1B型機(jī)車電鑰匙的改良方案，改良型電鑰匙開關(guān)也由鎖芯、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和連鎖三部分組成。

3.1 輔助連鎖優(yōu)化

輔助連鎖更換為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的沙爾特寶公司生產(chǎn)的速動(dòng)密封式連鎖代替行程式連鎖，尺寸與原行程式連鎖接近。沙爾特寶公司生產(chǎn)的速動(dòng)密封式連鎖采取的簧片速動(dòng)式動(dòng)作模式保證了動(dòng)靜觸頭接觸、分離快速可靠，有效抑制連鎖通斷過程中的拉弧，大大減輕觸點(diǎn)的電磨損。密封式結(jié)構(gòu)既保證了連鎖內(nèi)部清潔，也保證了連鎖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止連鎖因安裝接線產(chǎn)生裂紋松動(dòng)等問題。因此速動(dòng)密封式連鎖具有壽命長、動(dòng)作可靠、防塵防污等級高等特點(diǎn)，完全適用于24 V～110 V等各類電壓強(qiáng)度。對比行程式輔助連鎖存在的缺陷，速動(dòng)式連鎖有效解決了電鑰匙模塊行程式連鎖觸頭老化、結(jié)構(gòu)松散、接線不可靠的問題。

3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)升級為更適宜的凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪除保證連鎖動(dòng)作可靠外，還保證了鎖芯轉(zhuǎn)動(dòng)到位后不會因震動(dòng)而跳回；整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳動(dòng)可靠性大大提高，也減少了不必要的磨損和松曠。另外整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各部件均可通過外觀目視進(jìn)行檢查，方便日常修程中檢修人員進(jìn)行檢查，提前解決故障隱患，進(jìn)一步提高了整個(gè)模塊的可靠性。

3.3 鎖芯優(yōu)化

使用與原廠電鑰匙模塊鎖芯相同的鎖簧結(jié)構(gòu)，保證鑰匙的適配性，操作方式與原裝開關(guān)一致并有清晰的位置指示和更好的操作手感，適應(yīng)乘務(wù)員的操作習(xí)慣，具體成品實(shí)物如圖5所示。

3.4 制定壽命管理方案

安裝改良型電鑰匙模塊后，檢修人員通過目視檢查即可觀察各部件狀態(tài)，確認(rèn)各連鎖安裝牢固無裂紋，鎖芯及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各部件無異常，接線、接線端子等狀態(tài)良好；進(jìn)行簡單的動(dòng)作試驗(yàn)即可確定鎖芯靈活，無雜物堵塞，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)良好，動(dòng)作到位；再輔以測量連鎖接觸電阻等定量檢測，即可在日常修程中對電鑰匙模塊進(jìn)行有效檢修，保證運(yùn)用過程中狀態(tài)良好。

圖5 鎖簧成品實(shí)物

另外針對前期類似設(shè)備的使用情況，結(jié)合相關(guān)部件的使用規(guī)律，建議對新型電鑰匙連鎖進(jìn)行壽命管理，預(yù)計(jì)壽命8年左右。這樣既可以開展電鑰匙模塊使用情況和故障情況的跟蹤觀察，結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)情況更加精準(zhǔn)地制定電鑰匙使用壽命，又可以提前更換相關(guān)運(yùn)動(dòng)件或輔助連鎖等通電部件，確保機(jī)車質(zhì)量穩(wěn)定。

4 總結(jié)

新型電鑰匙開發(fā)成功后，立即在部分發(fā)生過司機(jī)室占用信號丟失和電務(wù)信號不吸碼故障的機(jī)車上進(jìn)行了試裝，截止目前質(zhì)量狀態(tài)保持穩(wěn)定。截止到2020年4月底，已陸續(xù)對杭州機(jī)輛段配屬的所有HXD1B型機(jī)車進(jìn)行了更新。安裝完畢后本段再未發(fā)生過因電鑰匙開關(guān)不良導(dǎo)致的司機(jī)室占用信號丟失和電務(wù)信號不吸碼故障。