預(yù)布線技術(shù)在和諧型電力機車中的應(yīng)用

史 軍,張 中,楊俊杰

(中國北車集團(tuán) 大同電力機車有限責(zé)任公司 技術(shù)中心,山西大同037038)

機車預(yù)布線技術(shù)是機車整體設(shè)計理念和先進(jìn)工業(yè)化施工工藝設(shè)計技術(shù)互相結(jié)合的一種技術(shù)。此技術(shù)已在汽車工業(yè)和航空工業(yè)領(lǐng)域里大量應(yīng)用,在鐵路行業(yè)里,隨著國際先進(jìn)的設(shè)計和制造平臺的引入已在新型機車上得到應(yīng)用。HXD2型系列電力機車是我國鐵路新一代主型大功率交流傳動貨運電力機車。該系列機車在電氣線路設(shè)計中采用了先進(jìn)的預(yù)布線設(shè)計理念和工藝方法,實現(xiàn)了以功能體系為基礎(chǔ)的模塊化設(shè)計制造體系及以維修為導(dǎo)向的全壽命周期設(shè)計體系,具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和國際競爭力。

1 機車預(yù)布線概念

在傳統(tǒng)機車制造中,機車線纜的敷設(shè)、加工以現(xiàn)場施工為主,存在線纜加工質(zhì)量低、質(zhì)量特性不一致、施工周期長、錯線、漏敷、損線問題時有發(fā)生,是機車上線運行中“小而廣”問題的主要原因,給機車運行安全帶來巨大隱患。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機車上的應(yīng)用對機車線纜敷設(shè)提出了更高的電磁兼容要求,激烈競爭的市場對產(chǎn)品的質(zhì)量保證能力和交付能力的苛刻要求對線纜加工和敷設(shè)技術(shù)也提出了更高的要求。

功能與結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用為預(yù)布線技術(shù)的發(fā)展提供了可能。CATIA等三維工具軟件的推廣應(yīng)用促進(jìn)了預(yù)布線技術(shù)的發(fā)展。

在機車的設(shè)計中,首先必須實現(xiàn)預(yù)布線設(shè)計,設(shè)計部門對產(chǎn)品進(jìn)行布線分析,采用預(yù)布線設(shè)計理念,按照“模塊化、簡統(tǒng)化”的原則,設(shè)計出可以實現(xiàn)的預(yù)布線圖紙。布線設(shè)計應(yīng)遵循一個從頂向下、模塊化設(shè)計原則,綜合考慮EMC,在前期的方案設(shè)計中應(yīng)先將布線按功能分區(qū),各功能區(qū)及布線接口按模塊設(shè)計,然后確定整個機車布線的走向。其次,工藝部門設(shè)計預(yù)布線工裝,完成預(yù)布線操作。

2 預(yù)布線設(shè)計技術(shù)

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

HXD2型機車的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用模塊化設(shè)計原則,采用中間走廊的布置方式,布線設(shè)計遵循預(yù)布線設(shè)計原則。電子控制單元、網(wǎng)絡(luò)控制單元電氣接口全部在設(shè)備上部,輔助和主電路電氣接口全部在設(shè)備的下部(見圖1)。

圖1 HXD2型機車設(shè)備布置

2.2 預(yù)布線工程設(shè)計

2.2.1 EMC設(shè)計原則

預(yù)布線設(shè)計總體上應(yīng)綜合考慮電磁兼容性(EMC)。電磁干擾(EMI)是嚴(yán)重影響電子設(shè)備安全運行的因素之一。近幾年來,車載設(shè)備硬件技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)導(dǎo)致高頻電磁兼容性(10 kHz—1 GHz)問題的增加。這些問題包括帶數(shù)字功能的電子硬件設(shè)備增加、越來越多的設(shè)備互相聯(lián)絡(luò)、功率半導(dǎo)體器件的di/dt和dv/dt增大等。另一方面,全部車輛、車載設(shè)備、信號設(shè)備需要滿足EN 50121系列標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)發(fā)信號、通訊系統(tǒng)以及用通訊線路干擾的不同網(wǎng)絡(luò)的特殊規(guī)范。對于機載設(shè)備,參考標(biāo)準(zhǔn)是EN 50121-3-2,此標(biāo)準(zhǔn)描述了對設(shè)備進(jìn)行的各種抗擾度試驗和發(fā)射試驗。電氣設(shè)計者要將以下EMC規(guī)則應(yīng)用到原理圖和布線圖中。

(1)將電路按靈敏度功能分類(見表1)。

(2)電路應(yīng)該被分成6類,前5類是按靈敏度減少和干擾特性增加排列,第6類是一特別的類別。

(3)移去潛在受害的確定源。

(4)移去潛在受害的已鑒定源。減少電纜的長度。

(5)合適的距離將減少寄生電容、產(chǎn)生耦合。實際上,電纜之間分開的距離由它們的類別決定(見表2)。

表1 電路靈敏度分類表

表2 不同類別電纜最小間隔 mm

2.2.2 預(yù)布線方案

根據(jù)整車電氣布線中的EMC設(shè)計原則,將不同電壓等級和敏感等級的線路進(jìn)行分類整理,再根據(jù)整車設(shè)備布置的不同,從模塊化、功能化和可維護(hù)性方面綜合考慮。整車預(yù)布線可分為屏柜布線、高處布線(低壓)、中央預(yù)布線(高壓)、車下布線、司機室布線及后端墻布線、司機室頂棚布線等幾個部分。布線采用預(yù)布線模板在車下預(yù)布好線后吊裝上車。

(1)控制用導(dǎo)線、行車安全設(shè)備線和電臺線采用預(yù)布線型式,導(dǎo)線位于車體兩側(cè)頂上的布線槽內(nèi),布線槽采用鋁制線槽,各線槽間用編織線互連,線槽就近多點接地;在車下預(yù)布好后吊裝上車即可,美觀且便于安裝和維護(hù)。

(2)牽引電機線和輔助電路導(dǎo)線等驅(qū)動系統(tǒng)的動力線位于中間走廊地板下方,使動力電纜與控制及信號線有效地分離,以保證控制系統(tǒng)的可靠性。也采用預(yù)布線型式,車下預(yù)布好后吊裝上車即可。輔助電路導(dǎo)線與牽引電機線重合時,盡量遠(yuǎn)離牽引電機線,并且采用金屬保護(hù)管進(jìn)行電場屏蔽防護(hù)(見圖2)。

圖2 機車中央布線示意圖

(3)各設(shè)備(包括電氣屏柜、機車頂蓋、各風(fēng)機外殼、各插座外殼)的金屬外殼就近接地,所有的金屬外殼都要通過編織線就近接地,接地線安裝時一定要涂上電接觸油脂,保證良好接地,并且接地線盡可能短。

(4)燈線與控制線分開布置,位于頂蓋下方。

(5)進(jìn)入司機室的控制線走預(yù)布線,從車體左側(cè)頂上進(jìn)入司機室。進(jìn)入司機室的輔助電路線從中間走廊地板下方進(jìn)入司機室。

在HXD2型機車的實際布線中,嚴(yán)格按照以上原則執(zhí)行,不同電壓等級的線在線槽中按規(guī)定分開布置,隔開一定的距離,需要的地方加金屬保護(hù)管防護(hù)。同一線束的幾個屏蔽線通過橋接方式連接,再接到插頭、插座的相同點位,使屏蔽連續(xù),并在過渡端子排處將其屏蔽層通過接地端子接到大面積的安裝底板上,插座外殼就近通過安裝處的接地座連到車體。整個預(yù)布線設(shè)計效果好,功能分隔清晰,接地布局合理,EMC設(shè)計效果非常好。

3 預(yù)布線工藝設(shè)計

預(yù)布線工藝設(shè)計是一項系統(tǒng)性施工控制技術(shù),內(nèi)容涵蓋了線纜的定長下線、定長剝線、端子壓接、線纜運輸、線纜模板預(yù)布、線束綁扎與防護(hù)、線間檢測、預(yù)布線束吊裝、整體耐壓試驗等環(huán)節(jié)。采用了工序單元化(工序內(nèi)容專業(yè)化,每個工序只進(jìn)行如下線或壓接等一項工作內(nèi)容)、作業(yè)流水化(工序間無縫銜接)模式,專業(yè)化程度高、工序順暢。導(dǎo)線加工、敷設(shè)質(zhì)量通過工序內(nèi)專業(yè)保證,工序間自然互檢(前道工序的錯誤可造成后工序無法繼續(xù)施工)、機車整體預(yù)布線質(zhì)量得到有效控制,綜合工藝技術(shù)水平達(dá)到國際同行業(yè)先進(jìn)水平。

3.1 預(yù)布線模板設(shè)計及布線過程設(shè)計

預(yù)布線模板設(shè)計是預(yù)布線工藝設(shè)計技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)原理圖、布線圖要求以及每根導(dǎo)線在車體上的走線位置,利用CATIA等三維設(shè)計工具模擬機車設(shè)備安裝模型及確定布線路徑,并按設(shè)計要求確定導(dǎo)線固定器以固定線束的位置。進(jìn)而確定每根導(dǎo)線的下線長度。然后,將立體式布線轉(zhuǎn)化為平面式布線,根據(jù)平面布線模擬圖制作布線模板。

操作者直接在模板上進(jìn)行布線,布線完成之后將線束用扎帶捆扎好,整體安裝到機車車體或屏柜柜體上(如圖3)。這樣,一方面單獨布線可以減少錯誤,合理布置線束,定長下線還可以節(jié)約導(dǎo)線,控制成本。另一方面,將布線與組裝分開進(jìn)行,還可以合理安排工序以節(jié)約生產(chǎn)時間。操作者作業(yè)車下作業(yè)空間大,易控制操作效果,能夠控制產(chǎn)品質(zhì)量。

圖3 布線模板應(yīng)用實例

3.2 下線

在布線設(shè)計中明確了導(dǎo)線的型號規(guī)格、通過三維軟件模擬裝配初步確定線纜的長度,為實現(xiàn)自動微機定長下線、自動剝線,有效控制了導(dǎo)線的長度和剝線的質(zhì)量,為端子壓接質(zhì)量的控制打好了基礎(chǔ)。

3.3 壓接

根據(jù)圖紙和布線原理圖、布線表等分析導(dǎo)線的種類及所用的壓接連接器,再結(jié)合工序生產(chǎn)能力,對導(dǎo)線加工制定全套工具配備方案。低壓布線用的有壓插針的專用壓接鉗及配套定位器;壓端子的專用壓接鉗以及插頭專用壓接鉗等,對加工量比較大的插針或端子可采用專業(yè)自動化壓接設(shè)備、高壓布線用的便攜式氣動壓線鉗、液壓壓線鉗等。

工具檢測方面,為保證集中下線產(chǎn)品質(zhì)量,必須使工具始終處于良好的工作狀態(tài),為此,對壓接工具除按常規(guī)鐵標(biāo)、歐標(biāo)要求做拉力及結(jié)合強度試驗外,插針壓接類工具還要按特定要求作止通規(guī)檢測試驗(如圖4)。以上檢測都通過后,該壓接工具才能正式投入生產(chǎn)。

圖4 導(dǎo)線插針壓接工具的通止規(guī)檢測

3.4 布線

現(xiàn)場布線時盡量將產(chǎn)品線槽與工裝相結(jié)合,減少導(dǎo)線因穿拉及多次移動造成的不必要的損傷。一般情況下,在車下預(yù)布線槽組裝后,根據(jù)操作指導(dǎo)書、預(yù)布線布線表等文件要求分別對電磁兼容1級導(dǎo)線、2級導(dǎo)線等進(jìn)行分類布線、綁扎。在布線之前應(yīng)先在線槽出線口鑲嵌保護(hù)條,線槽連接處粘接普通橡膠板。線綁扎完后,連接器制作者便根據(jù)相關(guān)操作指導(dǎo)書制作連接器及端子排。連接器制作完成,將各連接器固定在安裝板上(如圖5)。

圖5 預(yù)布線效果實例圖

HXD2系列電力機車的高壓線纜布置在中間走廊地板下方線槽內(nèi)。線槽由中央骨架線槽和端部走線槽組成,連接好線槽后,要鑲嵌保護(hù)條、鋪設(shè)自黏性保護(hù)板、接地銷等,然后作為一個整體零件放置在高壓預(yù)布線模板工裝上,之后根據(jù)布線卡片布線。不同等級的導(dǎo)線盡量隔開,例如輔助電路導(dǎo)線與牽引電機線重合時,盡量遠(yuǎn)離牽引電機線并且采用金屬保護(hù)管進(jìn)行電場屏蔽防護(hù)。

3.5 線纜零件的發(fā)運

線纜經(jīng)過加工,形成一個獨立的線纜零件。線纜零件在存放發(fā)運過程中最容易出現(xiàn)損傷線纜的絕緣層、導(dǎo)線管理混亂或丟失線號套管等問題,因此必須用專用電纜電線發(fā)送架分類放置好以后發(fā)送,以滿足用戶布線的方便性,發(fā)送時低壓布線和高壓模板布線等分開,大線、小線分開,每個導(dǎo)線架要有供料清單及相應(yīng)的圖號。

3.6 線間檢測

預(yù)布線完成后裝車前,要對整個線束的布線正確性、絕緣性能進(jìn)行系統(tǒng)檢測。由于一般機車預(yù)布線線纜都比較多、模板尺寸大,人工檢測費時費工,為滿足質(zhì)量和生產(chǎn)能力要求現(xiàn)基本全部采用微機化自動檢測技術(shù)。該檢測技術(shù)是根據(jù)每根導(dǎo)線的線號唯一,且其兩端的線號相同,各端在電連接器中的點位是固定的特點,對每根導(dǎo)線進(jìn)行導(dǎo)通試驗和線間絕緣試驗,通過試驗檢測其布線過程中可能出現(xiàn)的錯接、漏接、接地、交叉短路等故障,準(zhǔn)確、全面地對導(dǎo)線進(jìn)行檢測,從而保證布線質(zhì)量。現(xiàn)代新型的線間檢測設(shè)備大多采用先進(jìn)的微機控制、分布網(wǎng)絡(luò)式測試、模塊化測試單元等技術(shù),具有檢測速度快、測試點數(shù)多、被測點數(shù)的可擴展性強、測試結(jié)果準(zhǔn)確率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。檢測原理如圖6所示。

圖6 線間檢測示意圖

3.7 耐壓試驗

整車布線的耐壓試驗設(shè)置在機車組裝工序中,在電器設(shè)備安裝后、接線前進(jìn)行,只針對整車布線進(jìn)行耐壓試驗,而各屏柜內(nèi)的電器件不再參與試驗。完全改變了國內(nèi)傳統(tǒng)電力機車布線檢測技術(shù)模式。

4 結(jié)束語

電力機車預(yù)布線技術(shù)實施的關(guān)鍵是將設(shè)計與工藝相結(jié)合,系統(tǒng)考慮基于功能的模塊化設(shè)計和電磁兼容原則,并在下線、壓接、安裝、運送、線間檢測和耐壓試驗等過程中通過一定的工裝和技巧控制布線質(zhì)量。HXD2系列機車在這方面提供了成功的案例。預(yù)布線技術(shù)是電力機車產(chǎn)品全生命周期管理的支撐性基礎(chǔ)技術(shù),是軌道交通領(lǐng)域搭建先進(jìn)電力機車設(shè)計和制造平臺中不可缺少的一部分,對于減少制造誤差、提高產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性、可用性、可維修型和安全性指標(biāo)至關(guān)重要,值得推廣應(yīng)用。

[1]張曙光.HXD2型電力機車[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[2]張曙光.HXD1型電力機車[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[3]劉鵬程,邱揚.電磁兼容原理與設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,1993.

[4]EN 50343—2003.鐵路應(yīng)用—機車車輛—電纜布線的安裝規(guī)則[S].

[5]EN 50121—3—1:2000.鐵路應(yīng)用—電磁兼容性—車輛—列車和整車[S].

[6]TB/T 1507—1993.機車電氣設(shè)備布線規(guī)則[S].

[7]TT R-DJ4-D EMC01 HXD2機車電氣技術(shù)條件[S].

[8]李華祥.電磁兼容在電力機車布線中的設(shè)計[J].鐵道機車車輛,2008,28(1):9-11.