HXD1型交流電力機(jī)車高速電磁閥故障原因分析及改進(jìn)措施

摘" 要：由于制動(dòng)系統(tǒng)中的高速電磁閥故障，給重載列車的運(yùn)行安全帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。該文對(duì)HXD1型交流電力機(jī)車高速電磁閥故障的原因進(jìn)行分析，并有針對(duì)性地從提高高速電磁閥潤(rùn)滑油脂的性能、高速電磁閥增加過(guò)濾網(wǎng)、調(diào)整PWM控制周期、新型的截止式高速電磁閥的使用等方面提出改進(jìn)及應(yīng)急處置措施，大大減少高速電磁閥故障帶來(lái)的安全隱患，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，效果顯著，有效確保萬(wàn)噸、兩萬(wàn)噸重載列車的運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：HXD1型交流機(jī)車;高速電磁閥;卡滯;257YV;258YV;PWM板;潤(rùn)滑油脂

中圖分類號(hào)：U264" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）26-0142-04

Abstract： The failure of high-speed solenoid valve in braking system brings serious hidden danger to the operation safety of heavy haul train. This paper analyzes the causes of high-speed solenoid valve failure of HXD1 AC electric locomotive; and aiming at improving the performance of high-speed solenoid valve grease， increasing the filter screens for high-speed solenoid valves， adjusting the PWM control cycle， and using a new cut-off high-speed solenoid valve， this paper puts forward improvement measures and emergency measures， greatly reducing the safety risks caused by the failure of high-speed solenoid valve; and the effect of on-site verification proves remarkable， thereby effectively ensures the operation safety of 10 000-ton and 20 000-ton heavy-haul trains.

Keywords： HXD1 AC locomotive; high-speed solenoid valve; stagnation; 257YV; 258YV; PWM board; lubricating grease

朔黃鐵路作為晉煤東運(yùn)的重要通道，橫穿太行和呂梁山脈，是國(guó)家能源保供的大動(dòng)脈，運(yùn)輸任務(wù)逐年攀升，陸續(xù)開(kāi)行了萬(wàn)噸列車、兩萬(wàn)噸重載列車，三萬(wàn)噸重載列車已經(jīng)成功試驗(yàn)開(kāi)行，單列的牽引總重也越來(lái)越大，這就對(duì)機(jī)車的安全性、可靠性也提出了更高的要求。中鐵十五局集團(tuán)在朔黃鐵路配屬14臺(tái)HXD1型交流電力機(jī)車，參與正線牽引運(yùn)輸，該型電力機(jī)車采用DK-2型制動(dòng)系統(tǒng)，近期由于制動(dòng)系統(tǒng)中的高速電磁閥作用不良，引發(fā)多起均衡風(fēng)缸壓力波動(dòng)、制動(dòng)位不減壓或減壓慢等故障，給重載列車運(yùn)行安全帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患，干擾了正常的運(yùn)輸秩序，因此，必須采取有效措施解決高速電磁閥故障高的問(wèn)題。

1" DK-2型制動(dòng)系統(tǒng)介紹

1.1" 均衡風(fēng)缸控制原理

DK-2型制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)PWM板控制高速電磁閥257YV、258YV的得電與失電，從而控制均衡風(fēng)缸的充風(fēng)與排風(fēng)，實(shí)現(xiàn)列車的制動(dòng)與緩解，具體原理如下。

1）緩解時(shí)，高速電磁閥258YV得電打開(kāi)閥口，總風(fēng)經(jīng)過(guò)55調(diào)壓閥→高速電磁閥258YV→保護(hù)電控閥263YV→轉(zhuǎn)換閥153→均衡風(fēng)缸56。均衡風(fēng)缸56的壓力通過(guò)傳感器205BP采集后反饋到BCU控制單元，BCU控制單元匹配制動(dòng)級(jí)位所對(duì)應(yīng)的均衡目標(biāo)值。BCU控制單元通過(guò)PWM板調(diào)節(jié)高速電磁閥258YV、257YV的得電與失電頻次，控制均衡風(fēng)缸壓力與目標(biāo)值匹配，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。

2）制動(dòng)時(shí)，高速電磁閥257YV得電打開(kāi)閥口，均衡風(fēng)缸56→轉(zhuǎn)換閥153→高速電磁閥257YV→大氣。BCU控制單元通過(guò)傳感器205BP采集均衡壓力后，與當(dāng)前制動(dòng)級(jí)位對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值進(jìn)行匹配，控制257YV得電與失電頻次，從而精準(zhǔn)控制均衡壓力。

1.2" MAC高速電磁閥的介紹

1.2.1" MAC高速電磁閥的結(jié)構(gòu)

考慮到EP控制的流量、高速電磁閥響應(yīng)時(shí)間及機(jī)械壽命等需求，DK-2制動(dòng)系統(tǒng)的高速電磁閥采用進(jìn)口的MAC品牌。該電磁閥為直動(dòng)式柱塞結(jié)構(gòu)，主要由線圈、電磁樞閥桿、可移動(dòng)的磁極塊、渦形彈簧和閥芯等組成。該種電磁閥的密封結(jié)構(gòu)對(duì)壓縮空氣質(zhì)量及油脂潤(rùn)滑需求較高，其閥芯動(dòng)作時(shí)，徑向密封D形圈的摩擦阻力一直存在，閥口密封需要壓緊閥芯密封橡膠兩側(cè)錐面。該高速電磁閥可以用較小的行程實(shí)現(xiàn)大的流量輸出，同時(shí)小的行程使得響應(yīng)時(shí)間短。

1.2.2" MAC高速電磁閥的作用原理

當(dāng)高速電磁閥的線圈失電時(shí)，磁力消失，彈簧力大于摩擦力，提動(dòng)閥芯回到原來(lái)的位置，壓縮空氣從氣缸口（CYLINDER）排到排氣口（EXHAUST）。

當(dāng)高速電磁閥的線圈得電時(shí)，電磁樞及可動(dòng)磁極塊產(chǎn)生磁力，互相吸引。當(dāng)電磁線圈產(chǎn)生的電磁力大于摩擦阻力及回位彈簧的彈力時(shí)，電磁樞推動(dòng)推桿使閥桿往下移，壓縮彈簧，空氣由進(jìn)氣口（INLET）流至氣缸口（CYLINDER）。

2" MAC高速電磁閥故障原因分析

2.1" 高速電磁閥故障現(xiàn)象

通過(guò)對(duì)2023年以來(lái)高速電磁故障時(shí)現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)生均衡風(fēng)缸壓力頻繁跳動(dòng)3件、閘缸無(wú)法緩解2件、均衡風(fēng)缸減壓時(shí)間長(zhǎng)7件、均衡風(fēng)缸壓力上漲緩解1件。

結(jié)合高速電磁閥故障現(xiàn)象及BCU數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)轉(zhuǎn)位時(shí)，高速電磁閥258 YV發(fā)生卡滯故障，均衡風(fēng)缸充風(fēng)至目標(biāo)值（600 kPa±5 kPa）左右，均衡風(fēng)缸壓力頻繁跳動(dòng)。表現(xiàn)為均衡風(fēng)缸壓力控制不穩(wěn)，制動(dòng)柜內(nèi)高速電磁閥頻繁動(dòng)作。緩解時(shí)，高速電磁閥257 YV發(fā)生卡滯故障，閘缸無(wú)法緩解或緩解慢。發(fā)現(xiàn)在制動(dòng)位時(shí)，高速電磁閥258 YV發(fā)生卡滯故障，均衡風(fēng)缸減壓時(shí)間長(zhǎng)或壓力上漲;高速電磁閥257 YV發(fā)生卡滯，均衡風(fēng)缸減壓時(shí)間長(zhǎng)或過(guò)量減壓。典型BCU數(shù)據(jù)分析如圖2和圖3所示。

2.2" MAC高速電磁閥故障原因分析

2.2.1" 電磁閥潤(rùn)滑油脂碳化

對(duì)故障的高速電磁閥257 YV、258 YV進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)故障的高速電磁閥銜鐵處普遍存在黑色脂狀物質(zhì)，部分黑色物質(zhì)已經(jīng)存在閥芯上部。由于高速電磁閥的動(dòng)作頻次高，所以對(duì)潤(rùn)滑油脂的性能要求也高，但是故障高速電磁閥的潤(rùn)滑油脂在高溫的環(huán)境下長(zhǎng)期動(dòng)作，已經(jīng)碳化，造成閥芯在動(dòng)作過(guò)程中阻力變大，行程達(dá)不到規(guī)定位置，造成電磁閥卡滯，閥口無(wú)法完全打開(kāi)或關(guān)閉，從而影響列車的制動(dòng)或緩解。

2.2.2" 機(jī)車風(fēng)源內(nèi)存在雜質(zhì)

高速電磁閥閥口的密封性對(duì)機(jī)車風(fēng)源質(zhì)量要求特別高，將部分高速電磁閥故障的機(jī)車總風(fēng)濾塵器（100）、均衡風(fēng)缸濾塵器（188）、均衡模塊濾塵器（189）、閘缸預(yù)控模塊濾塵器（187）進(jìn)行拆解檢查，發(fā)現(xiàn)總風(fēng)濾塵器（100）有鐵屑狀異物，均衡風(fēng)缸濾塵器（188）進(jìn)氣口有黑色塊狀異物，其他濾塵器未發(fā)現(xiàn)異常情況。

高速電磁閥的閥芯柱塞運(yùn)動(dòng)配合間隙約為0.1～0.15 mm，風(fēng)源內(nèi)的細(xì)小雜質(zhì)進(jìn)入電磁閥內(nèi)部后，可能會(huì)造成其輕微卡滯，若此時(shí)電磁閥進(jìn)氣口壓力較高，則電磁閥調(diào)節(jié)的頻次會(huì)增加，發(fā)生均衡壓力波動(dòng)的現(xiàn)象。同時(shí)，高速電磁閥的閥芯依靠?jī)啥薉型圈進(jìn)行密封，閥芯動(dòng)作時(shí)，D型圈與閥內(nèi)壁摩擦一直存在，當(dāng)風(fēng)源中的細(xì)小雜質(zhì)進(jìn)入配合圓柱面與潤(rùn)滑油脂黏粘在一起，也會(huì)導(dǎo)致高速電磁閥卡滯，影響列車的制動(dòng)與緩解。

2.2.3" PWM控制周期短

1）PWM控制原理。脈沖信號(hào)是電信號(hào)通過(guò)方波傳播的一種形式，通過(guò)高低電平傳播。占空比是指高電平在一個(gè)脈沖周期中所占的比例，即脈沖寬度t1與周期T的占比，占空比越大，表示脈沖寬度越接近周期T，也表示脈沖信號(hào)的平均值越大。

PWM是一種脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)改變單位時(shí)間內(nèi)脈沖占空比，控制高速電磁閥動(dòng)作，當(dāng)PWM脈沖周期越短，單位時(shí)間高速電磁閥調(diào)節(jié)動(dòng)作次數(shù)越多;PWM脈沖周期越長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)高速電磁閥調(diào)節(jié)動(dòng)作次數(shù)越少。

2）PWM控制周期短的影響。朔黃鐵路運(yùn)用的HXD1型交流電力機(jī)車PWM控制周期為20 ms，控制精度為±3 kPa，國(guó)鐵運(yùn)用的HXD1型交流電力機(jī)車PWM控制周期為40 ms，控制精度為±5 kPa，高速電磁閥得、失電響應(yīng)時(shí)間約為20 ms。通過(guò)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同的操作下，朔黃鐵路運(yùn)用的機(jī)車上的高速電磁閥動(dòng)作頻次高，會(huì)導(dǎo)致PWM控制高速電磁閥動(dòng)作的時(shí)間接近甚至小于高速電磁閥本身得、失電的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)發(fā)生連續(xù)控制周期內(nèi)高速電磁閥控制時(shí)間小于電磁閥得、失電響應(yīng)時(shí)間時(shí)，會(huì)造成高速電磁閥的閥芯一直在一位與二位之間動(dòng)作或閥芯一直在二位與三位之間動(dòng)作，導(dǎo)致下一次完全復(fù)位阻力增大，發(fā)生高速電磁閥卡滯故障。

3" 改進(jìn)措施

3.1" 提高高速電磁閥潤(rùn)滑油脂的性能

更換高速電磁閥內(nèi)部的潤(rùn)滑油脂，將原來(lái)采用的道康寧33號(hào)潤(rùn)滑油脂更換為住美泰P2潤(rùn)滑油脂，提高潤(rùn)滑油脂在高溫、高頻運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的使用性能，減少銜鐵（電極樞）的摩擦力，提高抗碳化性能，增強(qiáng)使用壽命。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，道康寧33號(hào)潤(rùn)滑油脂碳化明顯，住美泰P2潤(rùn)滑油脂無(wú)明顯碳化。

3.2" 高速電磁閥增加過(guò)濾網(wǎng)

通過(guò)拆解檢查發(fā)現(xiàn)總風(fēng)濾塵器（100）、均衡風(fēng)缸濾塵器（188）、高速電磁閥閥芯等部件不同程度存在雜質(zhì)，說(shuō)明機(jī)車的壓縮空氣中存在雜質(zhì)，為確保高速電磁閥功能穩(wěn)定可靠，避免電磁閥柱塞卡滯，在高速電磁閥進(jìn)氣口原有密封墊上增加過(guò)濾網(wǎng)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)月的考核驗(yàn)證，增加過(guò)濾網(wǎng)后，能夠提高高速電磁閥抗雜質(zhì)能力，提高電磁閥的可靠性。

3.3" 調(diào)整PWM控制周期

3.3.1" 朔黃鐵路高速電磁閥PWM控制周期

朔黃鐵路HXD1型交流電力高速電磁閥的PWM控制周期為20 ms，此時(shí)均衡控制見(jiàn)表1。

3.3.2" 國(guó)鐵高速電磁閥PWM控制周期

國(guó)鐵HXD1型交流電力高速電磁閥的PWM控制周期為40 ms，此時(shí)均衡控制見(jiàn)表2。

3.3.3" PWM控制周期對(duì)比

通過(guò)上述2種均衡控制模式對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)PWM控制周期為20 ms時(shí)，只有占空比波形控制為100%、0%情況下，能夠保證高速電磁閥動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間（20 ms），其他占空比波形控制，都存在PWM控制高速電磁閥動(dòng)作的時(shí)間小于電磁閥本身動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間的情況，存在卡滯隱患。

PWM控制周期為40 ms時(shí)，任何占空比波形控制都能確保大于等于20 ms，從而使PWM控制高速電磁閥動(dòng)作的時(shí)間大于電磁閥本身動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，可以有效減少高速電磁閥閥芯柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)卡滯的概率。

3.3.4" PWM控制周期調(diào)整

調(diào)研國(guó)鐵DK-2制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用故障情況，發(fā)現(xiàn)PWM控制周期為40 ms時(shí)，高速電磁閥故障率較低，結(jié)合朔黃鐵路實(shí)際情況，在確保DK-2制動(dòng)系統(tǒng)控制精度±3 kPa不變情況下，調(diào)整PWM控制周期為40 ms。目前，PWM控制周期已經(jīng)調(diào)整，運(yùn)用效果良好。

3.4" 試驗(yàn)新型的截止式高速電磁閥

3.4.1" 截止式高速電磁閥的結(jié)構(gòu)

截止式高速電磁閥為直動(dòng)截止式結(jié)構(gòu)，主要由動(dòng)鐵芯、靜鐵芯、閥芯和復(fù)位彈簧等組成，閥芯直接由電磁力驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.4.2" 截止式高速電磁閥的原理及優(yōu)勢(shì)

當(dāng)線圈失電時(shí)，動(dòng)鐵芯依靠長(zhǎng)復(fù)位彈簧的彈力向下推動(dòng)閥芯至閥口密封，此時(shí)進(jìn)氣口被關(guān)閉，出氣口與進(jìn)氣口通路被截?cái)啵咚匐姶砰y處于關(guān)閉狀態(tài)。

當(dāng)線圈得電時(shí)，由于電磁力作用，動(dòng)鐵芯克服長(zhǎng)復(fù)位彈簧的反力向上運(yùn)動(dòng)，復(fù)位彈簧向上推動(dòng)閥芯，閥芯離開(kāi)閥口，此時(shí)進(jìn)氣口與出氣口溝通，高速電磁閥處于打開(kāi)狀態(tài)。

該高速電磁閥動(dòng)作行程大于柱塞式結(jié)構(gòu)，無(wú)需潤(rùn)滑油脂潤(rùn)滑，僅閥口處存在端面密封，并且其閥口結(jié)構(gòu)抗雜質(zhì)能力優(yōu)于MAC的柱塞式滑閥結(jié)構(gòu)，受風(fēng)源影響小。

3.4.3" 運(yùn)用效果

目前，截止式高速電磁閥已經(jīng)裝車考核2個(gè)多月，結(jié)合考核期的實(shí)際效果，將逐步擴(kuò)大裝車范圍。

4" 制定應(yīng)急措施

朔黃鐵路開(kāi)行的萬(wàn)噸、兩萬(wàn)噸重載列車，一旦運(yùn)行中發(fā)生高速電磁閥257 YV、258 YV卡滯故障，造成DK-2制動(dòng)系統(tǒng)失效，后果非常嚴(yán)重，因此制定如下應(yīng)急措施。

①大閘中立位，司控器置最大電制動(dòng)位，將127后備塞門置開(kāi)通位，操作后備手柄實(shí)施減壓停車;②若上述①無(wú)效，關(guān)閉制動(dòng)機(jī)電源“28-F01”和BCU冗余電源開(kāi)關(guān)停車;③若上述①和②無(wú)效，實(shí)施大閘緊急制動(dòng)或按壓緊急按鈕停車。

5" 結(jié)束語(yǔ)

高速電磁閥257 YV、258 YV是DK-2制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，控制著壓縮空氣管路的開(kāi)通與切斷，一旦發(fā)生卡滯故障，將造成均衡風(fēng)缸壓力波動(dòng)、均衡不減壓或緩解慢等故障，嚴(yán)重危害重載列車的運(yùn)行安全。本文對(duì)高速電磁閥從解體檢查、模擬實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行了故障分析，采取了提高潤(rùn)滑油脂性能、加裝過(guò)濾網(wǎng)、調(diào)整PWM控制周期、試驗(yàn)新型高速電磁閥等改進(jìn)措施，有效提高了高速電磁閥的穩(wěn)定性、可靠性，對(duì)確保重載列車運(yùn)行安全發(fā)揮積極作用。

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作者簡(jiǎn)介：史衍可（1986-），男，工程師。研究方向?yàn)殍F路運(yùn)用管理。