动车组牵引系统故障统计分析＊

刘诗佳

（中北大学 机电工程学院，山西太原030051）

近些年，中国高速铁路蓬勃发展，给人们的出行带来了很大的便利。牵引系统是动车组的关键系统之一，在保障动车组安全可靠地运行上起着举足轻重的作用。为了使牵引系统更好地运用和维修，有必要对其进行故障统计和故障原因分析。

1 牵引系统的产品结构树及各分系统的功能

牵引系统由数个相对独立的高压设备和牵引单元组成，它将电能转换成机械能用以提供动车的运行动力，并在动车组再生制动时将机械能转换成电能回馈电网。

将动车组牵引系统产品结构层次划分为系统、分系统、装置、组件4种约定级别，建立牵引系统及各分系统的产品结构树。将约定级别定义如下：

（1）系统。由可分开工作的两套或多套分系统与其所需的装置、组件、部件及零件所组成，能完成一种或多种使用功能的组合体。如牵引系统。

（2）分系统。由装置、组件等组成，能够完成系统内某项使用功能并且是系统的一个重要组成部分。如牵引系统中的牵引传动分系统。

（3）装置。由一个或多个单元体和所需的组件、部件以及零件连接而成或联合使用，能够完成某项使用功能。如牵引电机。

（4）组件。由多个零件或多个部件或它们之间的任意组合组成的，能够完成某一特定功能，并能拆装的组合体。如牵引电机的测量组件。

牵引系统由高压电器分系统、牵引传动分系统和辅助电源及机组分系统3部分构成。

图1为高压电器分系统的产品结构树。通过这些装置，高压电器分系统可以将接触网电能传输到车辆的电气系统，并滤掉网侧电流中的有害成分。出现紧急情况时断开主断路器，所有负载将从高压供电系统上切断。

图1 高压电器分系统的产品结构树

动车组的牵引传动采用交—直—交传动技术，图2为牵引传动分系统的产品结构树。主要装置包括主变压器、牵引变流器（含牵引控制单元）和牵引电机。牵引传动分系统根据车辆运行指令，生成牵引变流器控制信号，牵引时将接触网电能转化为机械能传递到轮轴，再生制动时将机械能转化为电能回送电网。

图2 牵引传动分系统的产品结构树

辅助电源及机组分系统由辅助变流器（含辅助控制单元）、电池充电机、蓄电池及其他辅助用电设备构成，其产品结构树如图3所示。其他辅助用电设备包括HVAC（采暖、通风、空调）系统、空压机及照明等装置。辅助电源连接在各车厢之间，能够提供三相四线制50 Hz、400V交流电源和110V直流电源，供列车辅助交流和直流设备使用。

图3 辅助电源及机组分系统的产品结构树

2 牵引系统故障的主次及因果分析

根据牵引系统产品结构树，将牵引系统故障模式进行分类汇总，绘制故障的主次图。各分系统或装置的故障比例按从大到小的顺序显示出来，同时用累积百分比表示故障的累积作用，其中累积百分比在80%～90%之间的因素为故障的主要因素，在90%～100%范围内的因素为故障的次要因素。

牵引系统包含大量部件，故障种类繁多，故障原因错综复杂，分析起来比较困难，因此本文以牵引分系统或装置的故障作为结果，以导致其发生故障的各种因素作为原因，采用因果图的方法进行故障分析。从因果图中可以清楚看到设备的故障情况，从而对故障原因有一个整体把握，同时也方便找出主要原因，促进故障的解决。

（1）高压电器分系统故障的主次及因果分析

图4为高压电器分系统故障主次图，从图中可以看出，受电弓故障占高压电器故障的67.64%，远高于其他高压电器装置，其次是主断路器故障占14.55%。受电弓和主断路器故障是高压电器故障的主要因素，其累积故障百分比达到82.19%。车顶高压电缆、高压互感器、高压隔离开关、避雷器、电流互感器、网侧滤波器及接地开关故障所占比例较小，它们是高压电器故障的次要因素。

图4 高压电器故障主次图

从高压电器故障的因果图5中可以看出导致受电弓和主断路器的故障原因最多，结合主次图分析，由于高压电器安装在车顶，工作环境恶劣，会受到风、雨、雪、日晒等天气影响，同时车顶设备还会遭到异物撞击，受电弓和主断路器发生这种意外故障的比例很大。其中受电弓还要与高压电网接触取电，其上臂出现裂纹、风管破损十分常见，因此受电弓故障发生的频率最高。还有车顶的接触网线也会比牵引系统其他线路更易磨损、绝缘等级降低。因此，整个高压电器是牵引系统故障最多的分系统，受电弓和主断路器又是高压电器最为薄弱的部分，需要重点维护。

图5 高压电器故障因果图

（2）牵引传动分系统故障的主次及因果分析

由于牵引传动分系统包含的装置和组件较多，以该装置为对象进行作图分析，以便详细了解的故障信息。图6为主变压器故障的主次图，从中可以看出冷却单元故障最多，占主变压器总故障的一半多，其次是保护电器故障占13.04%，冷却单元、保护电器、连接组件、箱体及绕组故障是主变压器故障的主要因素，其累积故障百分比达到81.87%。测量组件、油路组件和其他故障是主变压器故障的次要因素。

图6 主变压器故障主次图

以导致主变压器无法正常工作的主要故障画成主干，绘制因果图，如图7所示，这7种故障模式的产生主要是由冷却单元及变压器硬件故障引起的，在完成主变压器功能时，它们相互影响、关联。连接组件主要是插头故障和线路松动，可以通过选择高质量的配件及线路加固来降低故障发生几率。主变压器绕组浸在油中，采用油冷方式进行冷却，其冷却单元是保证变压器正常工作的关键，应经常清理滤网、检查风机和热交换器状态，从而发现异常及时处理。

牵引变流器故障主次图如图8所示，与主变压器故障相似的是冷却单元故障所占总故障的比例最大，为33.59%。牵引控制单元TCU及四象限整流器故障比例接近，分别为23.33%和21.54%。冷却单元、牵引控制单元TCU、四象限整流器和PWMI逆变器故障是导致变流器故障的主要因素，其累积故障百分比为92.05%，预充电电路、中间电路和其他故障是变流器故障的次要因素。

以牵引变流器产品结构树为分类依据，对变流器各组件故障进行筛选汇总，得到变流器故障因果图，如图9所示，IGBT不同功率模块的损坏会分别导致四象限整流器、中间电路、PWMI逆变器故障。牵引控制单元TCU故障主要是由于其组成板卡及网络故障所导致的。变流器的冷却方式为水冷和风冷，冷却液通过水泵强制循环，外部风扇和内部风扇加强散热效果，其故障发生较频繁，故障原因也较多。

牵引电机故障的主次图如图10所示，速度传感器故障最多，所占电机总故障的39.42%，是电机轴承故障百分比19.13%的两倍多。速度传感器、电机轴承、电机温度传感器、定子转子故障的累积故障百分比为83.18%，是牵引电机故障的主要因素。与牵引变压器、变流器不同的是冷却单元故障成为装置故障的次要因素，同为电机故障次要因素的还有连接组件故障和其他故障。

图7 主变压器故障因果图

图8 牵引变流器故障主次图

电机的温度传感器较多，定子温度传感器、轴承温度传感器和电机温度传感器，其损坏会导致不同组件故障，如图11牵引电机故障因果图所示。电机定子转子故障的主要原因还有绕组绝缘性能变差，轴承故障的主要原因还有漏油。由于牵引电机是将电能转化为机械能的装置，会用到速度传感器对其进行测量，又因牵引

图9 牵引变流器故障因果图

图10 牵引电机故障主次图

电机数量多，因此速度传感器故障所占电机故障的比例较大。通过提高速度传感器和温度传感器的质量可以减少牵引电机很多故障。

（3）辅助电源及机组分系统故障的主次及因果分析

辅助电源及机组故障主次图如图12所示，其中辅助变流器故障最多，占辅助电源及机组总故障的66.41%，其次是电池充电机占20.70%。辅助变流器与电池充电机故障是辅助电源及机组故障的主要因素，其累积故障百分比达到87.11%，蓄电池故障很少发生，它和其他辅助用电设备故障构成辅助电源及机组故障的次要因素。

图11 牵引电机故障因果图

图12 辅助电源及机组故障主次图

为作图方便，将辅助变流器的故障原因分为输入／输出故障和辅助变流器其他故障，如图13所示。辅助变流器构成组件多，故障原因多种多样，除逆变模块故障、连接组件故障、保护电器故障、冷却单元故障外还有滤波电容损坏和软件故障等。电池充电机的故障原因也很多，输出电流、电压传感器经常失效。蓄电池故障原因相对较少。结合辅助电源及机组故障主次图，可以看出辅助电源及机组故障主要存在于辅助变流器，应对辅助变流器的故障多加重视。

图13 辅助电源及机组故障因果图

3 结束语

本文根据牵引系统的结构特点建立产品结构树，分类统计了动车组在运行过程中牵引系统发生的各种故障。通过绘制故障主次图，得到了分系统及装置故障的主要、次要因素；绘制因果图分析了导致其故障的原因。该统计分析结果可供动车组库检和维修时参考，指导牵引系统有重点地检修，对加强牵引系统薄弱环节的关注和技术改造，提高其运用可靠性及整车的安全服役性有着重要意义。

［1］张曙光.CRH1型动车组［M］.北京：中国铁道出版社，2008.

［2］赵 宇.可靠性数据分析［M］.北京：国防工业出版社，2011.

［3］董锡明.轨道列车——可靠性、可用性、维修性和安全性［M］.北京：中国铁道出版社，2009.