预布线技术在和谐型电力机车中的应用

史 军,张 中,杨俊杰

(中国北车集团 大同电力机车有限责任公司 技术中心,山西大同037038)

机车预布线技术是机车整体设计理念和先进工业化施工工艺设计技术互相结合的一种技术。此技术已在汽车工业和航空工业领域里大量应用,在铁路行业里,随着国际先进的设计和制造平台的引入已在新型机车上得到应用。HXD2型系列电力机车是我国铁路新一代主型大功率交流传动货运电力机车。该系列机车在电气线路设计中采用了先进的预布线设计理念和工艺方法,实现了以功能体系为基础的模块化设计制造体系及以维修为导向的全寿命周期设计体系,具有明显的技术优势和国际竞争力。

1 机车预布线概念

在传统机车制造中,机车线缆的敷设、加工以现场施工为主,存在线缆加工质量低、质量特性不一致、施工周期长、错线、漏敷、损线问题时有发生,是机车上线运行中“小而广”问题的主要原因,给机车运行安全带来巨大隐患。网络技术在机车上的应用对机车线缆敷设提出了更高的电磁兼容要求,激烈竞争的市场对产品的质量保证能力和交付能力的苛刻要求对线缆加工和敷设技术也提出了更高的要求。

功能与结构的模块化设计技术的应用为预布线技术的发展提供了可能。CATIA等三维工具软件的推广应用促进了预布线技术的发展。

在机车的设计中,首先必须实现预布线设计,设计部门对产品进行布线分析,采用预布线设计理念,按照“模块化、简统化”的原则,设计出可以实现的预布线图纸。布线设计应遵循一个从顶向下、模块化设计原则,综合考虑EMC,在前期的方案设计中应先将布线按功能分区,各功能区及布线接口按模块设计,然后确定整个机车布线的走向。其次,工艺部门设计预布线工装,完成预布线操作。

2 预布线设计技术

2.1 产品结构分析

HXD2型机车的结构设计采用模块化设计原则,采用中间走廊的布置方式,布线设计遵循预布线设计原则。电子控制单元、网络控制单元电气接口全部在设备上部,辅助和主电路电气接口全部在设备的下部(见图1)。

图1 HXD2型机车设备布置

2.2 预布线工程设计

2.2.1 EMC设计原则

预布线设计总体上应综合考虑电磁兼容性(EMC)。电磁干扰(EMI)是严重影响电子设备安全运行的因素之一。近几年来,车载设备硬件技术的发展已经导致高频电磁兼容性(10 kHz—1 GHz)问题的增加。这些问题包括带数字功能的电子硬件设备增加、越来越多的设备互相联络、功率半导体器件的di/dt和dv/dt增大等。另一方面,全部车辆、车载设备、信号设备需要满足EN 50121系列标准和有关发信号、通讯系统以及用通讯线路干扰的不同网络的特殊规范。对于机载设备,参考标准是EN 50121-3-2,此标准描述了对设备进行的各种抗扰度试验和发射试验。电气设计者要将以下EMC规则应用到原理图和布线图中。

(1)将电路按灵敏度功能分类(见表1)。

(2)电路应该被分成6类,前5类是按灵敏度减少和干扰特性增加排列,第6类是一特别的类别。

(3)移去潜在受害的确定源。

(4)移去潜在受害的已鉴定源。减少电缆的长度。

(5)合适的距离将减少寄生电容、产生耦合。实际上,电缆之间分开的距离由它们的类别决定(见表2)。

表1 电路灵敏度分类表

表2 不同类别电缆最小间隔 mm

2.2.2 预布线方案

根据整车电气布线中的EMC设计原则,将不同电压等级和敏感等级的线路进行分类整理,再根据整车设备布置的不同,从模块化、功能化和可维护性方面综合考虑。整车预布线可分为屏柜布线、高处布线(低压)、中央预布线(高压)、车下布线、司机室布线及后端墙布线、司机室顶棚布线等几个部分。布线采用预布线模板在车下预布好线后吊装上车。

(1)控制用导线、行车安全设备线和电台线采用预布线型式,导线位于车体两侧顶上的布线槽内,布线槽采用铝制线槽,各线槽间用编织线互连,线槽就近多点接地;在车下预布好后吊装上车即可,美观且便于安装和维护。

(2)牵引电机线和辅助电路导线等驱动系统的动力线位于中间走廊地板下方,使动力电缆与控制及信号线有效地分离,以保证控制系统的可靠性。也采用预布线型式,车下预布好后吊装上车即可。辅助电路导线与牵引电机线重合时,尽量远离牵引电机线,并且采用金属保护管进行电场屏蔽防护(见图2)。

图2 机车中央布线示意图

(3)各设备(包括电气屏柜、机车顶盖、各风机外壳、各插座外壳)的金属外壳就近接地,所有的金属外壳都要通过编织线就近接地,接地线安装时一定要涂上电接触油脂,保证良好接地,并且接地线尽可能短。

(4)灯线与控制线分开布置,位于顶盖下方。

(5)进入司机室的控制线走预布线,从车体左侧顶上进入司机室。进入司机室的辅助电路线从中间走廊地板下方进入司机室。

在HXD2型机车的实际布线中,严格按照以上原则执行,不同电压等级的线在线槽中按规定分开布置,隔开一定的距离,需要的地方加金属保护管防护。同一线束的几个屏蔽线通过桥接方式连接,再接到插头、插座的相同点位,使屏蔽连续,并在过渡端子排处将其屏蔽层通过接地端子接到大面积的安装底板上,插座外壳就近通过安装处的接地座连到车体。整个预布线设计效果好,功能分隔清晰,接地布局合理,EMC设计效果非常好。

3 预布线工艺设计

预布线工艺设计是一项系统性施工控制技术,内容涵盖了线缆的定长下线、定长剥线、端子压接、线缆运输、线缆模板预布、线束绑扎与防护、线间检测、预布线束吊装、整体耐压试验等环节。采用了工序单元化(工序内容专业化,每个工序只进行如下线或压接等一项工作内容)、作业流水化(工序间无缝衔接)模式,专业化程度高、工序顺畅。导线加工、敷设质量通过工序内专业保证,工序间自然互检(前道工序的错误可造成后工序无法继续施工)、机车整体预布线质量得到有效控制,综合工艺技术水平达到国际同行业先进水平。

3.1 预布线模板设计及布线过程设计

预布线模板设计是预布线工艺设计技术的重要环节。根据原理图、布线图要求以及每根导线在车体上的走线位置,利用CATIA等三维设计工具模拟机车设备安装模型及确定布线路径,并按设计要求确定导线固定器以固定线束的位置。进而确定每根导线的下线长度。然后,将立体式布线转化为平面式布线,根据平面布线模拟图制作布线模板。

操作者直接在模板上进行布线,布线完成之后将线束用扎带捆扎好,整体安装到机车车体或屏柜柜体上(如图3)。这样,一方面单独布线可以减少错误,合理布置线束,定长下线还可以节约导线,控制成本。另一方面,将布线与组装分开进行,还可以合理安排工序以节约生产时间。操作者作业车下作业空间大,易控制操作效果,能够控制产品质量。

图3 布线模板应用实例

3.2 下线

在布线设计中明确了导线的型号规格、通过三维软件模拟装配初步确定线缆的长度,为实现自动微机定长下线、自动剥线,有效控制了导线的长度和剥线的质量,为端子压接质量的控制打好了基础。

3.3 压接

根据图纸和布线原理图、布线表等分析导线的种类及所用的压接连接器,再结合工序生产能力,对导线加工制定全套工具配备方案。低压布线用的有压插针的专用压接钳及配套定位器;压端子的专用压接钳以及插头专用压接钳等,对加工量比较大的插针或端子可采用专业自动化压接设备、高压布线用的便携式气动压线钳、液压压线钳等。

工具检测方面,为保证集中下线产品质量,必须使工具始终处于良好的工作状态,为此,对压接工具除按常规铁标、欧标要求做拉力及结合强度试验外,插针压接类工具还要按特定要求作止通规检测试验(如图4)。以上检测都通过后,该压接工具才能正式投入生产。

图4 导线插针压接工具的通止规检测

3.4 布线

现场布线时尽量将产品线槽与工装相结合,减少导线因穿拉及多次移动造成的不必要的损伤。一般情况下,在车下预布线槽组装后,根据操作指导书、预布线布线表等文件要求分别对电磁兼容1级导线、2级导线等进行分类布线、绑扎。在布线之前应先在线槽出线口镶嵌保护条,线槽连接处粘接普通橡胶板。线绑扎完后,连接器制作者便根据相关操作指导书制作连接器及端子排。连接器制作完成,将各连接器固定在安装板上(如图5)。

图5 预布线效果实例图

HXD2系列电力机车的高压线缆布置在中间走廊地板下方线槽内。线槽由中央骨架线槽和端部走线槽组成,连接好线槽后,要镶嵌保护条、铺设自黏性保护板、接地销等,然后作为一个整体零件放置在高压预布线模板工装上,之后根据布线卡片布线。不同等级的导线尽量隔开,例如辅助电路导线与牵引电机线重合时,尽量远离牵引电机线并且采用金属保护管进行电场屏蔽防护。

3.5 线缆零件的发运

线缆经过加工,形成一个独立的线缆零件。线缆零件在存放发运过程中最容易出现损伤线缆的绝缘层、导线管理混乱或丢失线号套管等问题,因此必须用专用电缆电线发送架分类放置好以后发送,以满足用户布线的方便性,发送时低压布线和高压模板布线等分开,大线、小线分开,每个导线架要有供料清单及相应的图号。

3.6 线间检测

预布线完成后装车前,要对整个线束的布线正确性、绝缘性能进行系统检测。由于一般机车预布线线缆都比较多、模板尺寸大,人工检测费时费工,为满足质量和生产能力要求现基本全部采用微机化自动检测技术。该检测技术是根据每根导线的线号唯一,且其两端的线号相同,各端在电连接器中的点位是固定的特点,对每根导线进行导通试验和线间绝缘试验,通过试验检测其布线过程中可能出现的错接、漏接、接地、交叉短路等故障,准确、全面地对导线进行检测,从而保证布线质量。现代新型的线间检测设备大多采用先进的微机控制、分布网络式测试、模块化测试单元等技术,具有检测速度快、测试点数多、被测点数的可扩展性强、测试结果准确率高、生产效率高等优点。检测原理如图6所示。

图6 线间检测示意图

3.7 耐压试验

整车布线的耐压试验设置在机车组装工序中,在电器设备安装后、接线前进行,只针对整车布线进行耐压试验,而各屏柜内的电器件不再参与试验。完全改变了国内传统电力机车布线检测技术模式。

4 结束语

电力机车预布线技术实施的关键是将设计与工艺相结合,系统考虑基于功能的模块化设计和电磁兼容原则,并在下线、压接、安装、运送、线间检测和耐压试验等过程中通过一定的工装和技巧控制布线质量。HXD2系列机车在这方面提供了成功的案例。预布线技术是电力机车产品全生命周期管理的支撑性基础技术,是轨道交通领域搭建先进电力机车设计和制造平台中不可缺少的一部分,对于减少制造误差、提高产品质量、实现产品的可靠性、可用性、可维修型和安全性指标至关重要,值得推广应用。

[1]张曙光.HXD2型电力机车[M].北京:中国铁道出版社,2009.

[2]张曙光.HXD1型电力机车[M].北京:中国铁道出版社,2009.

[3]刘鹏程,邱扬.电磁兼容原理与设计[M].北京:高等教育出版社,1993.

[4]EN 50343—2003.铁路应用—机车车辆—电缆布线的安装规则[S].

[5]EN 50121—3—1:2000.铁路应用—电磁兼容性—车辆—列车和整车[S].

[6]TB/T 1507—1993.机车电气设备布线规则[S].

[7]TT R-DJ4-D EMC01 HXD2机车电气技术条件[S].

[8]李华祥.电磁兼容在电力机车布线中的设计[J].铁道机车车辆,2008,28(1):9-11.