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1、【機(jī)械工業(yè)論文】機(jī)械間通風(fēng)散熱機(jī)車機(jī)破故障模式分析
摘要:介紹了某型國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車機(jī)破故障的一種故障模式，從相關(guān)系統(tǒng)的工作原理、試驗(yàn)過程，到查找原因并制定糾正措施，從而有效地提升了機(jī)車產(chǎn)品質(zhì)量安全的一個(gè)完整的過程。
關(guān)鍵詞:電力機(jī)車;牽引封鎖;通風(fēng)散熱;糾正措施
1概述
機(jī)破類機(jī)車故障對(duì)鐵路系統(tǒng)負(fù)面影響很大，機(jī)車運(yùn)營(yíng)方和生產(chǎn)方有責(zé)任基于具體的故障模式，采取有效措施糾正該故障，以提升機(jī)車可靠性，減低因該類故障模式導(dǎo)致的擊破率。
2故障描述
某型國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車曾發(fā)生多起牽引封鎖而引起的機(jī)車機(jī)破故障，故障排查過程中發(fā)
2、現(xiàn)，故障發(fā)生時(shí)冷卻塔水溫很高，致使主變壓器水溫過高，從而導(dǎo)致機(jī)車牽引封鎖、機(jī)車停車。該型電力機(jī)車批量投入使用2年后，連續(xù)發(fā)生8起同一故障模式的機(jī)破故障。該類故障均發(fā)生于夏季(5－9月)，氣候炎熱，故障發(fā)生時(shí)，機(jī)械間通風(fēng)散熱不良，溫度過高。
3工作原理
3．1機(jī)械間通風(fēng)系統(tǒng)
該型電力機(jī)車的機(jī)械間通風(fēng)系統(tǒng)分2種工況———夏季工況和冬季工況，冬夏季之間的轉(zhuǎn)換裝置主要有3處:輔助濾波柜上風(fēng)道蓋板、壓縮機(jī)下風(fēng)道蓋板、冷卻塔旁風(fēng)口蓋板。冬季工況時(shí)，為了提高因冬季環(huán)境溫度過低時(shí)機(jī)械間的保溫能力，保證機(jī)械間的溫度不至于過低，須將輔助濾波柜上風(fēng)道蓋板打開、壓縮機(jī)下
3、風(fēng)道蓋板通向車外的風(fēng)口關(guān)閉、冷卻塔旁風(fēng)口蓋板關(guān)閉。車外空氣經(jīng)過輔助濾波柜進(jìn)入機(jī)械間，從機(jī)械間出風(fēng)口百葉窗排出車外，其余暖空氣保留在機(jī)械間內(nèi)，確保車內(nèi)溫度不會(huì)迅速下降。冬季機(jī)械間通風(fēng)模式如圖1所示。夏季工況時(shí)，為了提高夏季環(huán)境溫度過高時(shí)機(jī)械間的散熱能力，保證機(jī)械間內(nèi)的溫度不至于過高，須將輔助濾波柜的上風(fēng)道蓋板關(guān)閉、壓縮機(jī)下風(fēng)道蓋板通向機(jī)械間的風(fēng)口關(guān)閉、冷卻塔旁風(fēng)口蓋板打開。車外空氣經(jīng)過輔助濾波柜進(jìn)入機(jī)械間后，從機(jī)械間的出風(fēng)口百葉窗、壓縮機(jī)散熱器和冷卻塔旁風(fēng)口排出車外，形成機(jī)械間內(nèi)空氣循環(huán)，有效降低機(jī)械間車內(nèi)溫度。夏季機(jī)械間通風(fēng)模式如圖2所示。
3．2冷卻塔通風(fēng)冷卻系統(tǒng)
4、
該型車?yán)鋮s塔通風(fēng)支路冷卻空氣的走向?yàn)?環(huán)境空氣→車頂過濾網(wǎng)→主冷風(fēng)機(jī)→散熱器→車底空氣。冷卻塔通過管路分別與主變流器和主變壓器連接，采用復(fù)合散熱器進(jìn)行空氣和冷卻液體的熱量交換，復(fù)合散熱器由2個(gè)隔開的流體支路組成，主變流器回路采用水冷技術(shù)，主變壓器回路采用油冷技術(shù)。主變流器和主變壓器共用一個(gè)復(fù)合散熱器，簡(jiǎn)化了主變流器冷卻系統(tǒng)和主變壓器冷卻系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)主變流器支路的水溫和變壓器支路的油溫，自動(dòng)調(diào)節(jié)其運(yùn)行電壓和頻率，來改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以使風(fēng)量適合于主變流器和主變壓器當(dāng)時(shí)的冷卻需要。復(fù)合散熱器是冷卻塔冷卻系統(tǒng)的專用熱交換設(shè)備，主變流器的冷卻水進(jìn)入散熱器上層，主變壓器油進(jìn)入散熱器下層，主變流
5、器和主變壓器的熱量，在復(fù)合散熱器中與空氣進(jìn)行交換，使水、油冷卻到所需的溫度。被冷卻后的水和油，分別進(jìn)入主變流器和主變壓器，對(duì)主變流器和主變壓器進(jìn)行降溫。冷卻塔冷卻系統(tǒng)如圖3所示。
4溫度試驗(yàn)
生產(chǎn)方在該型車運(yùn)用段進(jìn)行了機(jī)械間及低壓柜內(nèi)部的溫度測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)選取了多個(gè)空氣溫度測(cè)點(diǎn)，并在不同時(shí)間段記錄溫度測(cè)量值，繪制溫度變化曲線。試驗(yàn)結(jié)果顯示，環(huán)境溫度為39．4℃時(shí)，通過機(jī)械間通風(fēng)系統(tǒng)的散熱達(dá)到穩(wěn)定后，機(jī)械間局部空氣最高溫度47℃，相對(duì)環(huán)境空氣溫度，機(jī)械間局部空氣最高溫升8℃，能夠滿足機(jī)械間設(shè)備的散熱要求。低壓柜內(nèi)部的溫度測(cè)試顯示，環(huán)境溫度為37．8℃時(shí)，低壓柜內(nèi)局
6、部空氣最高溫度50．5℃，相對(duì)環(huán)境空氣溫度，低壓柜內(nèi)局部空氣最高溫升12．7℃，能夠滿足低壓柜內(nèi)的設(shè)備散熱要求。
5故障原因
通過機(jī)械間及低壓柜內(nèi)部的溫度試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)車的通風(fēng)設(shè)計(jì)能夠滿足溫度要求，通風(fēng)設(shè)計(jì)并非導(dǎo)致故障發(fā)生的根本原因。對(duì)導(dǎo)致故障發(fā)生的其他可能性進(jìn)行排查后發(fā)現(xiàn)，冷卻塔過濾網(wǎng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可能是導(dǎo)致故障發(fā)生的根本原因。該型車?yán)鋮s塔過濾網(wǎng)采用2種設(shè)計(jì):單層過濾網(wǎng)和雙層過濾網(wǎng)。單層過濾網(wǎng)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是格密度較高，春季能有效地防止楊絮、柳絮等較大物體和部分細(xì)小顆粒透過濾網(wǎng)落到復(fù)合散熱器上面，散熱器的清洗周期長(zhǎng);缺點(diǎn)是會(huì)有較多雜物落在過濾網(wǎng)表面，因此過濾網(wǎng)的清洗周
7、期較短。雙層過濾網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是格密度較低，過濾網(wǎng)本身的網(wǎng)孔較散熱器孔截面小，較大的柳絮、楊絮等會(huì)被過濾網(wǎng)阻隔在散熱器外，但是細(xì)小的灰塵與顆粒通過過濾網(wǎng)落在散熱器表面;缺點(diǎn)是散熱器的清洗周期短，清洗難度高。生產(chǎn)方及使用方對(duì)發(fā)生主變流器水溫保護(hù)故障的機(jī)車?yán)鋮s塔情況進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，冷卻塔散熱器(裝雙層過濾網(wǎng))和單層過濾網(wǎng)存在不同層度的不清潔、堵塞情況。這種情況導(dǎo)致散熱器散熱不良，從而使主變流器冷卻水溫度過高，產(chǎn)生水溫保護(hù)。該型車牽引變流器散熱(特別是IGBT模塊散熱)設(shè)計(jì)的最大冷卻水溫為55℃，即在水溫低于55℃時(shí)，能夠保證模塊在大功率情況下不發(fā)生過熱或損害，主變流器正常工作;當(dāng)水溫高于55℃時(shí)，主變流
8、器啟動(dòng)水溫保護(hù)功能，停止工作，引起機(jī)車主回路牽引封鎖，導(dǎo)致機(jī)車發(fā)生擊破類故障。
6方案分析
該型車?yán)鋮s塔風(fēng)機(jī)工作于輔助回路中的變頻變壓支路，風(fēng)機(jī)的工作頻率不僅取決于主變流器水溫，還與主變壓器油溫、牽引電機(jī)定子溫度有關(guān)。同樣溫度下，該型車靜止時(shí)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率低于機(jī)車運(yùn)行時(shí)的頻率，一定程度上保證司機(jī)操作的舒適性(減少機(jī)車靜止時(shí)的噪聲)，此時(shí)機(jī)車發(fā)揮功率較小，需要散熱功率較小。如果在機(jī)車靜止時(shí)將水溫降低至40℃時(shí)風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷工作，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)車靜止時(shí)司機(jī)室噪聲增加。另外，根據(jù)發(fā)生主變流器水溫保護(hù)導(dǎo)致牽引封鎖的該型車的數(shù)據(jù)來看，故障機(jī)車都是在運(yùn)行途中(運(yùn)行了幾小時(shí)后)發(fā)生水
9、溫保護(hù)，此時(shí)冷卻塔早已滿負(fù)荷工作。因此，提高主變流器水溫保護(hù)值和降低風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷溫度值不能根本解決機(jī)車運(yùn)行途中發(fā)生水溫保護(hù)的問題。
7糾正措施
通過實(shí)際的運(yùn)用考核和試驗(yàn)結(jié)果證明，該型車的機(jī)械間通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿足部件冷卻散熱的要求，而主變流器水溫保護(hù)導(dǎo)致牽引封鎖，主要是由冷卻塔散熱器和過濾網(wǎng)不清潔、堵塞引起。冷卻塔過濾網(wǎng)的拆卸和清洗步驟簡(jiǎn)單、易操作，而散熱器清潔則較難執(zhí)行，一般清潔時(shí)可用高壓水沖洗，但徹底清洗時(shí)須對(duì)其拆卸后方能進(jìn)行?？紤]到使用方維護(hù)的便捷性，提升機(jī)車可用度，生產(chǎn)方將該型機(jī)車?yán)鋮s塔散熱器的雙層過濾網(wǎng)全部換成單層過濾網(wǎng)，并建議使用方定期對(duì)散熱器過濾網(wǎng)進(jìn)行清洗。
8結(jié)語
通過本文對(duì)牽引封鎖而引起的機(jī)車機(jī)破故障分析可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)車設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)須嚴(yán)格結(jié)合機(jī)車的運(yùn)營(yíng)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，高溫氣候須重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備散熱通風(fēng)措施，設(shè)計(jì)時(shí)須考慮當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量，以減少機(jī)車失效概率。
參考文獻(xiàn):
［1］李良巧．可靠性工程師手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)人民大學(xué)出版社，2012．
【機(jī)械工業(yè)論文】機(jī)械間通風(fēng)散熱機(jī)車機(jī)破故障模式分析
