机械间通风散热故障致机车机破的故障模式分析

李柔萱，王大平，仇洪波

(1.中车株洲电力机车有限公司海外市场营销中心，湖南 株洲 412000；2.中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412000)

1 概述

机破类机车故障对铁路系统负面影响很大，机车运营方和生产方有责任基于具体的故障模式，采取有效措施纠正该故障，以提升机车可靠性，减低因该类故障模式导致的击破率。

2 故障描述

某型国产电力机车曾发生多起牵引封锁而引起的机车机破故障，故障排查过程中发现，故障发生时冷却塔水温很高，致使主变压器水温过高，从而导致机车牵引封锁、机车停车。该型电力机车批量投入使用2年后，连续发生8起同一故障模式的机破故障。该类故障均发生于夏季(5-9月)，气候炎热，故障发生时，机械间通风散热不良，温度过高。

3 工作原理

3.1 机械间通风系统

该型电力机车的机械间通风系统分2种工况——夏季工况和冬季工况，冬夏季之间的转换装置主要有3处：辅助滤波柜上风道盖板、压缩机下风道盖板、冷却塔旁风口盖板。

冬季工况时，为了提高因冬季环境温度过低时机械间的保温能力，保证机械间的温度不至于过低，须将辅助滤波柜上风道盖板打开、压缩机下风道盖板通向车外的风口关闭、冷却塔旁风口盖板关闭。车外空气经过辅助滤波柜进入机械间，从机械间出风口百叶窗排出车外，其余暖空气保留在机械间内，确保车内温度不会迅速下降。冬季机械间通风模式如图1所示。

图1 机械间通风系统示意图(冬季工况)

夏季工况时，为了提高夏季环境温度过高时机械间的散热能力，保证机械间内的温度不至于过高，须将辅助滤波柜的上风道盖板关闭、压缩机下风道盖板通向机械间的风口关闭、冷却塔旁风口盖板打开。车外空气经过辅助滤波柜进入机械间后，从机械间的出风口百叶窗、压缩机散热器和冷却塔旁风口排出车外，形成机械间内空气循环，有效降低机械间车内温度。夏季机械间通风模式如图2所示。

图2 机械间通风系统示意图(夏季工况)

3.2 冷却塔通风冷却系统

该型车冷却塔通风支路冷却空气的走向为：环境空气→车顶过滤网→主冷风机→散热器→车底空气。冷却塔通过管路分别与主变流器和主变压器连接，采用复合散热器进行空气和冷却液体的热量交换，复合散热器由2个隔开的流体支路组成，主变流器回路采用水冷技术，主变压器回路采用油冷技术。主变流器和主变压器共用一个复合散热器，简化了主变流器冷却系统和主变压器冷却系统。控制系统根据主变流器支路的水温和变压器支路的油温，自动调节其运行电压和频率，来改变风机的转速，以使风量适合于主变流器和主变压器当时的冷却需要。复合散热器是冷却塔冷却系统的专用热交换设备，主变流器的冷却水进入散热器上层，主变压器油进入散热器下层，主变流器和主变压器的热量，在复合散热器中与空气进行交换，使水、油冷却到所需的温度。被冷却后的水和油，分别进入主变流器和主变压器，对主变流器和主变压器进行降温。冷却塔冷却系统如图3所示。

图3 冷却塔冷却系统示意图

4 温度试验

生产方在该型车运用段进行了机械间及低压柜内部的温度测试试验，试验选取了多个空气温度测点，并在不同时间段记录温度测量值，绘制温度变化曲线。试验结果显示，环境温度为39.4℃时，通过机械间通风系统的散热达到稳定后，机械间局部空气最高温度47℃，相对环境空气温度，机械间局部空气最高温升8℃，能够满足机械间设备的散热要求。低压柜内部的温度测试显示，环境温度为37.8℃时，低压柜内局部空气最高温度50.5℃，相对环境空气温度，低压柜内局部空气最高温升12.7℃，能够满足低压柜内的设备散热要求。

5 故障原因

通过机械间及低压柜内部的温度试验可以发现，机车的通风设计能够满足温度要求，通风设计并非导致故障发生的根本原因。对导致故障发生的其他可能性进行排查后发现，冷却塔过滤网的机械结构可能是导致故障发生的根本原因。

该型车冷却塔过滤网采用2种设计：单层过滤网和双层过滤网。单层过滤网网的优点是格密度较高，春季能有效地防止杨絮、柳絮等较大物体和部分细小颗粒透过滤网落到复合散热器上面，散热器的清洗周期长；缺点是会有较多杂物落在过滤网表面，因此过滤网的清洗周期较短。双层过滤网的优点是格密度较低，过滤网本身的网孔较散热器孔截面小，较大的柳絮、杨絮等会被过滤网阻隔在散热器外，但是细小的灰尘与颗粒通过过滤网落在散热器表面；缺点是散热器的清洗周期短，清洗难度高。

生产方及使用方对发生主变流器水温保护故障的机车冷却塔情况进行检查时发现，冷却塔散热器(装双层过滤网)和单层过滤网存在不同层度的不清洁、堵塞情况。这种情况导致散热器散热不良，从而使主变流器冷却水温度过高，产生水温保护。

该型车牵引变流器散热(特别是IGBT模块散热)设计的最大冷却水温为55℃，即在水温低于55℃时，能够保证模块在大功率情况下不发生过热或损害，主变流器正常工作；当水温高于55℃时，主变流器启动水温保护功能，停止工作，引起机车主回路牵引封锁，导致机车发生击破类故障。

6 方案分析

该型车冷却塔风机工作于辅助回路中的变频变压支路，风机的工作频率不仅取决于主变流器水温，还与主变压器油温、牵引电机定子温度有关。同样温度下，该型车静止时风机的运行频率低于机车运行时的频率，一定程度上保证司机操作的舒适性(减少机车静止时的噪声)，此时机车发挥功率较小，需要散热功率较小。如果在机车静止时将水温降低至40℃时风机满负荷工作，将会导致机车静止时司机室噪声增加。另外，根据发生主变流器水温保护导致牵引封锁的该型车的数据来看，故障机车都是在运行途中(运行了几小时后)发生水温保护，此时冷却塔早已满负荷工作。因此，提高主变流器水温保护值和降低风机满负荷温度值不能根本解决机车运行途中发生水温保护的问题。

7 纠正措施

通过实际的运用考核和试验结果证明，该型车的机械间通风系统能够满足部件冷却散热的要求，而主变流器水温保护导致牵引封锁，主要是由冷却塔散热器和过滤网不清洁、堵塞引起。冷却塔过滤网的拆卸和清洗步骤简单、易操作，而散热器清洁则较难执行，一般清洁时可用高压水冲洗，但彻底清洗时须对其拆卸后方能进行。考虑到使用方维护的便捷性，提升机车可用度，生产方将该型机车冷却塔散热器的双层过滤网全部换成单层过滤网，并建议使用方定期对散热器过滤网进行清洗。

8 结语

通过本文对牵引封锁而引起的机车机破故障分析可以发现，机车设计细节须严格结合机车的运营环境进行设计，高温气候须重点关注设备散热通风措施，设计时须考虑当地的空气质量，以减少机车失效概率。