HXD3型電力機(jī)車ATP懲罰制動(dòng)故障分析及改進(jìn)措施

黃玉賢,杜明忠,高 原

(中國北車集團(tuán) 北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司 技術(shù)中心,北京100072)

以保證運(yùn)行安全為目的,以監(jiān)測運(yùn)行速度為手段對列車進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)(簡稱ATP)。列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置簡稱監(jiān)控裝置,是保證列車運(yùn)行安全為主要目的的列車速度控制裝置,采用計(jì)算機(jī)智能處理對列車運(yùn)行速度進(jìn)行安全監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)ATP功能。就HXD3型機(jī)車ATP懲罰制動(dòng)電路的構(gòu)成和工作原理進(jìn)行簡單介紹,對運(yùn)行中出現(xiàn)的典型故障進(jìn)行分析說明并提出改進(jìn)措施。

1 問題的提出

西安鐵路局安康機(jī)務(wù)段配屬的HXD3 0741號電力機(jī)車在運(yùn)用過程中多次無故出現(xiàn)列車管減壓,制動(dòng)系統(tǒng)顯示屏(LCDM)報(bào)ATP懲罰制動(dòng),即LKJ2000型監(jiān)控記錄裝置沒有記錄發(fā)出懲罰制動(dòng)指令,而機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的微處理器(IPM)卻顯示收到信號從而發(fā)出相應(yīng)控制指令,致使機(jī)車實(shí)施懲罰制動(dòng),嚴(yán)重影響了機(jī)車的正常使用。

2 ATP懲罰制動(dòng)電路構(gòu)成及工作原理

2.1 AT P懲罰制動(dòng)電路構(gòu)成

HXD3型機(jī)車 ATP懲罰制動(dòng)電路構(gòu)成如圖1所示。主要由3部分構(gòu)成:①監(jiān)控裝置。監(jiān)控裝置工作的主要過程包括采集列車和線路狀態(tài)參數(shù),獲取運(yùn)行指令并確定指令目標(biāo)處的速度控制值,對照指令目標(biāo)處的速度值計(jì)算出列車運(yùn)行當(dāng)前必須限定的速度值(限速值),將采集的實(shí)際運(yùn)行速度與限速值進(jìn)行比較判斷,對實(shí)際運(yùn)行速度達(dá)到限速值的情況進(jìn)行報(bào)警,切除牽引或制動(dòng)等控制指令進(jìn)行速度控制。在實(shí)現(xiàn)安全速度控制的同時(shí),采集并記錄與列車安全運(yùn)行有關(guān)的各種機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)信息。電路中對應(yīng)發(fā)出懲罰制動(dòng)指令的為LKJ2000型監(jiān)控主機(jī);②電纜傳輸線。電路主要由監(jiān)控輸出線J152和機(jī)車配線840構(gòu)成;③制動(dòng)系統(tǒng)。主要包括繼電器接口模塊(RIM)、(IPM)、制動(dòng)顯示屏(LCDM)、電空控制單元(EPCU);RIM是微處理器IPM與機(jī)車控制系統(tǒng)和安全裝置(ATP)之間通信的繼電器接口;IPM主要處理機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的各種任務(wù),并通過LCDM進(jìn)行故障記錄和狀態(tài)顯示,通過LON網(wǎng)絡(luò)傳送制動(dòng)指令給EPCU以執(zhí)行制動(dòng)命令;EPCU主要由電空閥和空氣閥組成,它是制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行部件。

圖1 ATP懲罰制動(dòng)電路圖

2.2 ATP懲罰制動(dòng)監(jiān)控裝置電路工作原理

監(jiān)控裝置內(nèi)部對應(yīng)的懲罰制動(dòng)輸出電路圖如圖2所示。HXD3型電力機(jī)車上的懲罰制動(dòng)信號為監(jiān)控主機(jī)常用制動(dòng)輸出繼電器的常開觸點(diǎn)控制;正常狀態(tài)下,監(jiān)控裝置在列車運(yùn)行速度超過允許的限制速度時(shí)輸出卸載指令,而當(dāng)卸載不能使列車減速,此時(shí)由監(jiān)控裝置發(fā)出制動(dòng)指令使列車實(shí)施常用制動(dòng),迫使列車減速。即在滿足監(jiān)控裝置輸出制動(dòng)指令的條件下,監(jiān)控主機(jī)會發(fā)出懲罰制動(dòng)的指令GF'(關(guān)風(fēng)),使對應(yīng)的繼電器RL4得電動(dòng)作,RL4繼電器常開觸點(diǎn)閉合,從而使J152(GFO)輸出110 V的高電平信號,信號通過840傳輸給制動(dòng)系統(tǒng),同時(shí)在監(jiān)控記錄上會記錄發(fā)生懲罰制動(dòng)指令時(shí)機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài);制動(dòng)系統(tǒng)IPM在接收到該信號后通過LON網(wǎng)絡(luò)傳送指令給EPCU執(zhí)行相應(yīng)命令來控制機(jī)車空氣管路的壓力,實(shí)施懲罰制動(dòng),并且在制動(dòng)系統(tǒng)對應(yīng)的顯示屏LCDM上記錄下該故障信息為“ATP懲罰制動(dòng)”。

圖2 監(jiān)控裝置輸出電路

3 影響ATP懲罰制動(dòng)故障的因素

根據(jù)ATP懲罰制動(dòng)電路的工作原理可知產(chǎn)生該誤動(dòng)作的信號并不是由監(jiān)控裝置正常發(fā)出的,故結(jié)合機(jī)車懲罰制動(dòng)的電路組成進(jìn)行故障分析,可知能夠造成ATP懲罰制動(dòng)誤動(dòng)作故障主要有3種情況:(1)監(jiān)控主機(jī)硬件故障;(2)制動(dòng)系統(tǒng)故障;(3)監(jiān)控主機(jī)到制動(dòng)系統(tǒng)的信號傳輸通道故障。

3.1 監(jiān)控主機(jī)硬件故障

監(jiān)控主機(jī)本身硬件故障即監(jiān)控主機(jī)內(nèi)部對應(yīng)的懲罰制動(dòng)輸出繼電器 RL4線圈串電,造成繼電器得電動(dòng)作或者是繼電器RL4的常開觸點(diǎn)部分由于干擾受大電流擊穿而閉合,造成懲罰制動(dòng)指令的輸出,制動(dòng)系統(tǒng)得到懲罰制動(dòng)的信號后,執(zhí)行機(jī)車懲罰制動(dòng)動(dòng)作。即誤動(dòng)作的狀態(tài)是由于沒有經(jīng)過監(jiān)控裝置的條件控制,直接因硬件故障而造成的,所以在監(jiān)控裝置上既無文件記錄也無任何提示。

3.2 制動(dòng)系統(tǒng)存在問題

制動(dòng)系統(tǒng)本身存在問題一種是IPM設(shè)備所允許的門檻電壓值偏低;IPM設(shè)備對應(yīng)的懲罰制動(dòng)輸入電壓的門檻值正常為32 V,如果故障機(jī)車的IPM設(shè)備所允許的門檻電壓值偏低,當(dāng)干擾來臨時(shí),超過了設(shè)備所允許的門檻電壓值,從而引起裝置誤動(dòng)作。另一種是IPM上電源和地線處理的不好,110 V電源和地線的干擾進(jìn)入裝置而使裝置誤動(dòng)作造成的故障。另外制動(dòng)系統(tǒng)的IPM設(shè)備輸入端口的抗干擾能力弱,不能有效濾除線路中的干擾信號,則設(shè)備也會受到外部干擾,從而影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行,造成裝置誤動(dòng)作。

3.3 監(jiān)控主機(jī)輸出到IPM的信號通道上存在問題

此通道上存在問題有兩種可能,一種是機(jī)車上的該輸出線路存在串電;監(jiān)控到制動(dòng)系統(tǒng)的配線主要包括監(jiān)控裝置的J152和機(jī)車外部配線840號線,此線路存在串電,即此線路與其他線路之間絕緣存在問題,使得機(jī)車在運(yùn)行過程中,與其他線路接觸,引起誤動(dòng)作;另一種則是監(jiān)控裝置的輸出接口與IPM的輸入接口設(shè)計(jì)的不完善,使得該線路易受到機(jī)車上110 V以上強(qiáng)電信號的干擾,使IPM誤判有懲罰制動(dòng)信號而輸出相應(yīng)的指令給EPCU,從而實(shí)施懲罰制動(dòng)。

通過對監(jiān)控主機(jī)與制動(dòng)系統(tǒng)的信號通道進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),現(xiàn)車采用電纜直接連通LKJ2000懲罰輸出信號到IPM,而且LKJ2000的監(jiān)控主機(jī)為繼電器常開觸點(diǎn)輸出控制,在無輸出時(shí)此線為懸空狀態(tài);由于機(jī)車上使用的大功率設(shè)備比較多,特別是一些大的感性負(fù)載啟停時(shí)會給機(jī)車電氣系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染,使得機(jī)車電壓有較大幅度的漲落。而在信號線840無輸出時(shí),常開觸點(diǎn)控制的信號線相當(dāng)于一個(gè)具有天線功能的元件,而且該信號線的走向是經(jīng)微機(jī)柜連接器后沿側(cè)墻走線盒到制動(dòng)控制柜,走線路徑比較長,期間在走線盒中與一些接觸器的配線相鄰;當(dāng)機(jī)車通過分相區(qū)時(shí),一些感性負(fù)載的啟停,很容易使干擾信號耦合到線路上,引起大的干擾。當(dāng)干擾來臨時(shí)可能會出現(xiàn)一個(gè)高于IPM門檻值的電壓,從而引起機(jī)車懲罰制動(dòng)。

4 解決ATP懲罰制動(dòng)故障的措施與效果

分析以上可知針對監(jiān)控裝置本身硬件故障和制動(dòng)系統(tǒng)IPM門檻電壓低的故障,通過更換監(jiān)控主機(jī)和更換出現(xiàn)問題的IPM和RIM進(jìn)行解決;對IPM整機(jī)的電源和地線處理不當(dāng)引起的誤動(dòng)作,通過重新布置電源線和地線進(jìn)行故障處理;如果外部線路存在串電的情況,通過絕緣檢查,以排除840與其他線路存在串電的可能。

結(jié)合HXD3 0741機(jī)車在線運(yùn)用過程中發(fā)生ATP懲罰制動(dòng)故障處理的具體情況,認(rèn)為導(dǎo)致ATP懲罰制動(dòng)誤動(dòng)作的主要原因是監(jiān)控裝置輸出到IPM的輸入通道接口設(shè)計(jì)不完善和制動(dòng)系統(tǒng)輸入端口抗干擾能力弱造成的。具體解決措施可從以下兩方面考慮:

(1)提高制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備的抗干擾能力

由于機(jī)車上的110 V上有眾多的大電感負(fù)載,如接觸器線圈、繼電器線圈等,電路接通和斷開電感負(fù)載時(shí),產(chǎn)生瞬間干擾往往嚴(yán)重妨礙系統(tǒng)的正常工作,干擾信號也會通過多個(gè)途徑耦合到用電設(shè)備中,為此在設(shè)備的電源部分要有電涌吸收電路,能夠吸收電涌電壓以保證設(shè)備的正常工作。而在設(shè)備的信號輸入電路部分,建議在IPM設(shè)備的信號輸入端口上合理的采取濾波措施;濾波是為了抑制噪聲干擾,所以合理使用濾波器,可以削弱或抑制干擾,從而保護(hù)后級電路。

(2)在信號傳輸通道上加裝下拉電阻

由于此信號采用的是監(jiān)控裝置的繼電器常開觸點(diǎn)控制,懲罰制動(dòng)無輸出時(shí)為懸空狀態(tài),為高阻態(tài);為減小導(dǎo)線的輸入阻抗,減少干擾,在懲罰制動(dòng)輸出信號線上,靠近IPM一側(cè)增加一個(gè)1.5 kΩ/25 W的下拉電阻R,增加下拉電阻后電路圖如圖3所示。增加電阻后,懲罰制動(dòng)無輸出時(shí),此信號線不再為懸空狀態(tài),確保懲罰制動(dòng)信號線對蓄電池負(fù)極電壓為0,當(dāng)信號線受到外界干擾時(shí),通過此下拉電阻提供一個(gè)連續(xù)到地的電流通路,來吸收導(dǎo)線上傳播的能量,即將干擾信號通過該電阻引入地,為干擾信號提供一個(gè)釋放通道,從而有效消除原懲罰制動(dòng)信號線對IPM輸入端的外部干擾。

圖3 加裝下拉電阻后ATP懲罰制動(dòng)電路

LKJ2000內(nèi)部輸出繼電器的負(fù)載能力約300 mA的電流,在懲罰輸出信號線上增加的電阻吸收電流約74 mA,IPM在懲罰制動(dòng)信號輸入有效時(shí)所需電流不足10 mA,故增加的電阻不會對LKJ2000的負(fù)載輸出造成影響,而且由于電阻是并聯(lián)在IPM的輸入上的,因此對IPM的有效輸入電壓也不存在影響。故增加該下拉電阻不會對整個(gè)線路造成不良影響。缺點(diǎn)就是在電阻上消耗功率,存在電阻發(fā)熱耗能。鑒于現(xiàn)車改造方便,目前在HXD3 0741號機(jī)車上就是采取加裝下拉電阻方案。

5 結(jié)束語

自2010年4月在HXD3 0741號機(jī)車上增加下拉電阻以來,該車運(yùn)用效果良好,未再出現(xiàn)由于線路干擾造成的ATP懲罰制動(dòng)故障。通過加裝該下拉電阻可以有效地減少由于線路干擾造成的制動(dòng)系統(tǒng)誤動(dòng)作,同時(shí)也對制動(dòng)系統(tǒng)IPM輸入端口的干擾起到一定的抑制作用。

在通過 HXD3 0741號機(jī)車驗(yàn)證加裝效果后,我們對配屬西安鐵路局安康機(jī)務(wù)段的30臺HXD3型電力機(jī)車全部加裝了下拉電阻,目前運(yùn)行情況很好。

[1] 張曙光.HXD3型電力機(jī)車[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[2] 楊志剛.LKJ2000型列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[3] 齊富彬,錢 京,黃國超.7GDF型機(jī)車電氣系統(tǒng)的電磁干擾問題研究[J].機(jī)車電傳動(dòng),2006,(3):23-27.