贺春阳

（兰州铁道设计院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

高原环境较为特殊，加大了交流传动电力机车的作业难度。从目前的机车作业状况来看，功率难以达到正常作业标准，各个电器设备的绝缘性能有所下降，材料使用寿命明显缩短。其中，线路接触器、充电接触器在作业期间发生故障较为频繁。目前，这些故障分析与检修维护成了重点研究内容，已经取得的研究成果主要体现在机车高压电器故障发生频次相关信息统计分析、机车作业环境影响因素分析两个方面，但缺少具体的设备故障分析及检修维护策略的研究。为了进一步探究该问题，该文以HXD1C型机车为例，进行了高原环境下交流传动电力机车的检修维护研究。

1 高原环境下交流传动电力机车运用概况

1.1 高压电器故障频次统计分析

青藏铁路作为世界首条高原电气化铁路，其项目建设及投入应用状况备受人们关注。其中，海拔最高点位于关角隧道内，最大坡度为16‰。自2011年起，投入HXD1C型机车共计68台，供西宁机务段使用。关于HXD1C型机车的设计，在选型方面是按照最高海拔高度2500m标准进行的。而机车在高原环境作业期间存在海拔高度超过2500m的情况。从目前统计的信息来看，机车运行海拔高度超出标高后，会出现设备故障问题，并且此问题的表现比较显著。机车高压电器28个月连续作业故障数据统计结果如图1所示。

在图1中，与其他低海拔相比，西宁机务组高压电器作业故障发生频次更高一些。当牵引电机绕组发生故障时，其他多种故障也会埋下伏笔，导致产生主流电路接地问题，或者线路中出现过流、三相电流不平衡问题。

图1 机车高压电器28个月连续作业故障数据统计结果

1.2 机车运行故障分析

为了深入探究交流传动电力机车运行故障问题，该文以目前故障发生问题比较显著的机车接触器物料故障问题为例，通过统计质量信息，挖掘接触器故障的重点分析对象。

表1中的统计结果显示，不同型号接触器材料在机车作业期间发生故障的概率存在一定差异，所以在分析故障问题时需要具有一定侧重点。

表1 机车接触器物料现场质量信息统计

另外，还需要对充电接触器、线路接触器的故障情况进行统计。从统计结果来看，卡分/卡合故障发生频率最高。因此，该文将重点对卡分/卡合故障进行探究。

2 交流传动电力机车故障试验分析

2.1 针对线路接触器的故障试验

该研究进行了线路接触器故障试验，以型号为LTHS800/2P的主变流器线路接触器作为试验测试对象。本次测试设置6项内容。1） 以机车线路接触器分闸时间、合闸时间、蓄电池电压作为测试指标，进行故障测试。2） 设置不同温度环境，统计线路接触器合闸、分闸时间相关数据。其中，温度环境设置为5组，分别是+75℃、+45℃、常温、-25℃、-40℃。另外，对设备作业电压进行控制，限定条件为DC137.5V、DC110V、DC77V。3） 设置温度环境保持不变（常温），以电压作为变量，通过控制返修故障接触器电压，得到不同试验组的合闸、分闸时间。其中，电压环境设置3组，分别为 DC137.5V、DC110V、DC77V。4） 磨合动作试验，试验次数为2000次。5） 设置温度环境保持不变（常温），以释放电压最小值、吸合电压最小值作为测试指标，进行测试分析。6） 对辅助触头盒加以解剖分析。

该研究通过上述故障试验，挖掘出LTHS800/2P线路接触器在作业期间存在一定问题，主要体现在以下几个方面。第一，16台接线接触器中，存在释放时间大于1s的设备有2台。第二，2台接触器辅助触头顶杆螺母发生松动，在此情况下闭合操作无法顶到位，辅助触点动作失败。第三，辅助触头压缩弹簧反力较小，导致作业期间出现扭曲。第四，高温环境会引起接触器故障，DC77V电压条件下，存在1台接触器动作不稳定，未能达到合闸标准，很有可能会发生卡分故障。另外，该研究对线圈烧损故障进行了试验分析，以线圈作业温度变化特点开展研究。当机电开启作业模式后，线圈表面温度达到了58℃，测量其内部温度，得到温度最高为94℃，均值为82℃。

2.2 针对充电接触器的故障试验

该试验以型号为LTHH40/1P主变流器充电接触器为例，讨论卡分/卡合故障，试验内容设计如下。1） 常温条件下，以电压作为变量设置3个试验组，测试接触器分闸/合闸时间，同时采集接触电阻数据。其中，各组电压参数分别为DC137.5V、DC110V、DC77V。2）设置不同温度环境，统计充电接触器合闸、分闸时间相关数据。其中，温度环境设置为5组，分别是+75℃、+45℃、常温、-25℃、-40℃。另外，对设备作业电压进行控制，限定条件为DC137.5V、DC110V、DC77V。3） 设置温度环境保持不变（常温），以释放电压最小值、吸合电压最小值作为测试指标，进行测试分析。4） 测试轴心偏转大小，同时对电磁铁吸力的变化规律进行统计分析。5） 进行机械动作试验，动作次数20万，测试充电接触器状态。6） 以反力弹簧弹力、电磁铁吸力作为测试指标进行测试分析。

该研究按照上述内容进行故障试验测试分析，从中发现充电接触器存在以下问题。第一，少量接触电阻测量数值超出标准，实际测量结果约为正常值的30倍，并且触头盒接线端处发生了氧化。收集试验信息，整理测试结果，得到如表2所示的辅助触头接触电阻实测结果。从表2中统计的数据来看，辅助接触头盒接线端子已经受因素影响出现了氧化问题，导致部分端子出现了阻超标情况。正常情况下的阻值在100mΩ以内，而实测结果中很多端子阻值高于100mΩ。第二，轴套松动，部分区域磨损，导致中心偏离，引发了卡滞问题，以卡分/卡合问题展现出来。第三，动作试验后，电机多个连接位置磨损很严重。第四，装置长期作业，各个连接部位相互摩擦，造成局部严重磨损问题。例如主框架和推杆、轴套与推杆、转架与推杆。第五，反力弹片产生的弹力、电磁线圈产生的吸力均低于限定值，导致装置作业期间产生的机构动力较小，未能达到最低标准。在此情况下，电磁线圈作业阻力稍微大一些，很有可能会出现卡分/卡合故障。如果装置处于正常作业状态，则产生的反力弹片弹力参数数值在2.3N以上。本次试验测试得到的结果为弹力数值变化在1.8N～2.1N，该范围数据皆小于2.3N。

表2 辅助触头接触电阻实测结果

3 交流传动电力机车故障的检修维护

3.1 针对线路接触器故障的检修维护

线路接触器故障问题比较多，该文以高温环境下线路接触器吸合电压最小值偏高、辅助触头顶杆螺母松动、触头压缩弹簧反力较小、接触器释放时间超出1s等问题进行重点探究。1） 吸合电压最小值偏高问题的产生原因：从导线电阻率特点入手，分析正温度系数特点，得到反力弹簧与电磁力之间的配合关系对接触器作业的影响，如果配合不当，将导致接触器无法吸合。2） 辅助触头顶杆螺母松动问题的产生原因：结构设计存在问题，与其他结构不协调，作业期间容易松动。3） 触头压缩弹簧反力较小问题的产生原因：在型号选取和设计方面存在不合理之处，主要体现在3个方面。第一，采用直动式结构进行运动，降低了分断速度，不利于辅助触点的分断拉弧。第二，弹簧力分散性能容易受弹簧扭曲的影响，出现性能指标超出规范值问题。第三，触点接触稳定性与压缩弹簧反力大小密切相关，两者之间为正相关关系，当前反力较小，导致接触稳定性下降。4） 接触器释放时间超出1s问题的产生原因：反力弹簧、电动力与卡滞之间需要协助配合作业，但是作业期间配合不到位。同时，辅助触头作业动作未达到标准，对辅助顶杆的调整也不到位。通过DCU控制逻辑分析，发出分闸和合闸操控命令后，辅助触点发出的反馈信号未能在1s内传递回控制中心，则出现了卡合或者卡分故障。

该方案如下。1） 针对吸合电压最小值偏高的检修维护方案：从线圈结构入手重新设计，或者以减小弹簧反力为检修工作要点，控制反力释放风险。经过多番验证，常温条件下，即环境温度达到约20℃时，调整最低吸合电压，参数为DC65V。此参数维护方案的设计能够保证环境温度达到75℃时，吸合电压最小值小于或者等于DC77V。2） 针对辅助触头顶杆螺母松动的检修维护方案：优化辅助触头顶杆固定方式，应用于接下来的机电作业设施配置，对已经配置好的接触器，则是在顶杆螺母位置涂螺纹胶，从而避免设备作业期间发生松动。定期检查顶杆螺母松动情况，适当增加螺纹胶涂量。3） 针对触头压缩弹簧反力较小的检修维护方案：在速动开关选取上进行机电维护，检测开关的反力、结构强度，皆达到标准才可以投入使用。或者使用期间检测性能未达到标准，则按照维修方法加以处理。4） 接触器释放时间超出1s的检修维护方案：定期检查接触器常开/常闭触点动作时间，如果超出1s，则认为接触器质量不合格，需要更换这些不合格的接触器。

3.2 针对充电接触器故障的检修维护

该研究以端子氧化及接触电阻参数数值过大问题、轴套松动引发卡滞问题、接触器卡滞问题、长期作业各个连接部位相互摩擦问题、接触器作业卡分/卡合故障问题作为重点研究内容，分析故障产生原因。1） 端子氧化及接触电阻参数数值过大问题产生原因：触点表面受环境因素的影响，形成非金属薄膜。闭合期间产生的电压超出了承受能力范围，导致薄膜被击穿。如果氧化问题过于严重，很有可能引发接触不良，导致电阻过大，无法正常传输信号。2） 轴套松动引发卡滞问题产生原因：板轴套位置测得的同轴度未能达到标准。3） 轴套与转架之间产生的摩擦阻力导致接触器卡滞，该问题产生的主要原因：当前选取的材料自身的润滑性能较差，未能达到长期正常作业标准。4） 长期作业各个连接部位相互摩擦，造成局部严重磨损问题的主要原因：目前使用材料耐磨性能较差，并且自润滑性能也很差。5） 接触器作业卡分/卡合故障问题的主要原因：吸合过程卡滞产生的原因是电磁铁吸力低于标准，释放过程卡滞产生的原因是反力弹簧弹力低于标准。另外，设计、加工方案都会对接触器反力弹片作业性能造成影响。电磁线圈影响因素与之不同，容易受设计方案和吸力的影响。

该方案如下。1） 针对端子氧化及接触电阻参数数值过大的检修维护方案：选取镀金触点材料作为辅助触头。另外，以线环螺栓连接方式取代插片连接方式。2） 针对轴套松动引发卡滞的检修维护方案：根据作业参数指标限定同轴度范围，为其配备轴套，并加以固定。3） 从材料选取角度出发，根据装置作业需求，以自润滑性能作为考核标准，分别对多种类型的轴套、转架材料进行合理选取。或者采取外力干预的方式，向装置结构中添加润滑垫片，安装在轴套和转架之间。4） 长期作业各个连接部位相互摩擦致磨损问题的检修维护方案：从材料选取入手，以耐磨性、自润滑性作为考核指标，合理选取材料。5） 接触器作业卡分/卡合故障的检修维护方案：从设计方案、材料加工工艺出发，分别对接触器性能进行改善，尽可能降低反力弹片发生变形问题的频率，控制变形幅度。另外，调节装置参数标准，例如电磁线圈吸力，适当增加该参数数值。为了有效把控接触器质量，在出厂前对此装置进行一次磨合筛选试验，如果常闭触点、常开触点在作业期间动作时间未超出0.5s，则认为该产品不合格，应从产品中淘汰不再投入使用。

4 结语

该文围绕交流传动电力机车在高原环境下的作业故障进行试验测试分析，以线路接触器故障、充电接触器故障为例，设计试验内容，整理试验数据，总结接触器故障问题。通过分析这些问题产生的原因，结合多年检修维护工作经验，提出了一些检修维护处理建议。对一些性能不达标的装置自身问题，直接更换新的装置，如果装置仍然具有利用价值，则采取调节、维修等方式进行维护。