HXD1型机车主变流器模块驱动板接线故障原因分析及措施

路景阳

(中国铁路西安局集团有限公司 机务处， 西安 710054)

2017年6～7月安康机务段配属的HXD1型机车连续发生6次变流器模块故障，其中4件四象限模块故障，2件逆变模块故障，对机车正常运用造成了影响。故障情况见表1。

表1 安康机务段HXD1机车模块故障信息

注①回段—回安康机务段。

1 故障分析

1.1 HXD1-1528机车故障分析

(1) 故障信息

如图1所示，1528机车于2017年06月10日04:50:58在IDU屏上报出“TCU1_四象限2_B相上管故障”、“TCU1_四象限2_B相下管故障”。

图1 故障信息

(2) 机车状态

如图2所示，07:49:37机车报“TCU1_四象限2_B相上/下管故障”，TCU保护性分主断，主断断开。之后2轴短接接触器一直在断开状态未闭合，机车维持运行。

图2 故障时机车机车状态

(3) 故障原因

图3所示的是故障时刻LCC所记录的瞬态故障波形。从图中可看出，故障前中间电压在1 800 V左右，网压波形正常，只启动了第一重四象限模块，电流峰值为300 A左右，总体输出功率较小。故障时刻，四象限二模块没有启动，四象限二模块报出故障后，系统封锁四象限一脉冲，未出现中间电压突变、四象限电流过流等现象。分析故障时刻网络数据，机车故障时刻网压为30 kV，速度为66 km/h左右，水压差为140 kPa，进水口温度为25℃，出水口温度为25℃，都在正常范围之内。

图3 故障时刻波形图

(4) 故障品实物分析

故障品返回后，对模块的部件外观、基本参数进行检查和测量，如图4所示。

经检查发现，1528机车故障模块的B相驱动板电源线束脱落，其余线束均正常。用万用表测量各相IGBT的CE极阻值、反并联二极管压降、门极阻值、检测板稳压管、二极管等基本参数，均未发现异常。

1.2 其他故障模块检测情况

后续对其他故障模块进行解体检查，HXD1-1552机车模块故障完全与1528机车情况类似，1529机车也存在驱动板电源线脱落的情况。另3台机车经过检测，IGBT元件自身均完好，分析也存在驱动板电源线虚接的情况。

图4 故障品模块外观

1.3 对机车TCU变流器模块运行环境检测

根据故障现象，段方组织生产商对HXD1型机车TCU整体及模块运行环境进行了检测，结合GB/T 21563-2008[1]标准进行了对比监测，选择了4台机车进行测试，结果见表2。

从测试的结果看：

模块振动：HXD1 2台机车三向加速度均超过标准值，HXD1-1182各向加速度约为标准值的3～4倍左右，低频振动(0～150 Hz)除横向超标外，其余两个方向均满足标准要求。HXD1-1153(因测点位于模块导轨上，加速度大小与其他3台机车不同，数据无对比价值，仅作参考)各向加速度约为标准值的13～20倍左右，低频振动(0～150 Hz)三个方向均满足标准要求； HXD2-1086机车垂向振动满足标准要求，纵向约为标准值的5倍左右，横向约为标准值的1.5倍左右，低频振动(0～150 Hz)三个方向均满足标准要求；HXD2-1157除横向超过标准值外，其余两个方向均满足标准要求，低频振动(0～150 Hz)三个方向均满足标准要求；

表2 TCU整体及模块运行环境检测 m·s-2

TCU振动：HXD1-1182/1153两台机车振动大小相当，垂向均满足标准要求，纵向和横向均超出标准值，纵向约为标准值的2倍左右，横向约为标准值的5倍左右。低频振动(0～150 Hz)，两台机车除横向超标外，其余两个方向均达标；HXD2-1086振动满足标准要求。HXD2-1157垂向振动满足标准要求，纵向和横向振动约为标准的1.5～2倍左右。低频振动(0～150 Hz)，两台机车均达标。

2 故障原因

结合故障模块驱动板联接线断线及对机车TCU模块工作环境检测结果，机车长时间在强振动环境下运行，导致驱动板电源线束和连接器压接处发生脱落，引发模块报故障。

3 整改措施

根据测试及故障原因分析，提出了以下整改措施。

(1)针对HXD1型机车振动问题，经机务段方组织主机工厂检测，发现机车轮对存在多边形特征，是造成机车振动的根源。根据调研，采用在轴箱上下双向定位的新型车床，可彻底消除轮对已形成的多边形特征[2]。安康机务段采购了新型旋床设备， 2017年6月对多边形特征比较明显的HXD1-1183机车测量了新车床旋修前后的轮对踏面圆周非均匀磨耗情况，其中第5轴旋修前后测量数据如图5所示。

图5 HXD1-1183车5轴车轮的测试结果

表3是旋前和旋后各车轮的径跳值，由统计结果可知，旋轮前，5 轴左轮的径跳值最大，为0.269 mm，其他车轮径跳值均不超过0.2 mm。旋轮后，3轴右轮的径跳值最大，为0.061 mm。

表3 径跳值统计

HXD11183机车测量结果表明：旋修前，所测试车轮圆周非均匀磨耗主要表现为16至24 边形，其中18至22 边形尤为明显，第2 轴和第5 轴车轮多边形最为明显，表现为18 边形，各车轮同时还表现出偏心。旋轮后，所测车轮原始多边形均已消除，且偏心现象得到改善。

(2) 机车主变流器模块作为机车主要功率器件，自身在设计上需要能够应对复杂的运行环境。针对接线故障，有学者提出运用DOE方法解决[3]或者设计现场端子接线故障预警装置[4]，本文采用对原驱动板接线插头进行加固的措施，也可减少故障的发生。

①原有插头接线采用剥线后直接压入端子的接线方式，如图6所示。

图6 整改前接线方式示意图

②将原接线退出后重新剥线，改用热缩式管状端子重新压接。将剥除绝缘层的线束插入热缩式管状端子，用压接钳0.5 档位对热缩套管金属部分进行压接一次，压接完后确认热缩套管与线束压接紧固，用剪刀剪去超过热缩套管金属部分多余的线束。用热风枪将管状端子的热缩套管吹缩。吹缩后注意检查热缩管是否有效包裹导线的绝缘层(见图7)。

图7 整改过程图

③将改造好的驱动电源线插头重新插接至驱动板插座上，紧固固定螺栓(见图8)。

图8 整改前接线方式示意图

④恢复插头，用反光镜确认插头插接紧固，用绑扎带对驱动电源线进行绑扎。

⑤恢复后整车试验正常。

4 结束语

安康机务段自2017年6月起，HXD1型机车轮对旋修全部在采用轴箱上下双向定位的新型车床上进行旋修，保证机车轮对多边形消除，降低机车振动。同时根据厂方的整改方案，从2017年7月份开始在安康机务段进行HXD1型机车TCU模块驱动板接线改造，至2017年10月结束，运用至2017年12月份，未发生模块驱动板接线断裂，虚接故障，有效保证了机车运用质量。

机车运行环境复杂多变，机车振动是不可避免的，对异常振动需要综合施策来进行解决，关键的是机车各部件也需要提升自身的防振能力，减少故障的发生。