HXD2 新八轴机车低温环境适应性的技术研究

李 杰， 聂 敏

（中车大同电力机车有限公司技术中心， 山西 大同 037038）

引言

2018 年1 月20 日，一股强冷空气席卷北方，给滨州线带来10 年不遇的极寒天气，由于温度骤降至-40 ℃以下，使配属到该地区的电力机车出现极寒天气的适应性问题，对哈局的运输工作造成严重影响。针对此问题，为避免HXD2 型机车一旦配属哈局后存在类似情况导致机车无法正常运行，特开展HXD2 机车低温环境适应性研究。

1 HXD2 机车的概述

HXD2 机车是中国铁路干线货运机车的主力车型之一，自2012 年首台机车下线以来先后配属5 个铁路局7 个机务段。

HXD2 机车在满足-25～+40 ℃环境正常运行的基础上，可通过配置防寒加热设备使机车达到-40～-25 ℃环境下正常运行的要求。其中高压电器、变压器、转向架系统、车体钩缓系统、电机、蓄电池、微机控制系统等部件自身能够满足-40 ℃环境下正常运行的要求，牵引和辅助变流器及其控制单元、升弓系统部件、空气制动系统等通过加热系统，可以满足-40～-25 ℃环境下正常运行的要求[1]。

2 HXD2 机车各系统低温性能的设计

2.1 原材料低温性能的设计

机车车体主要承载部件等金属原材料采用S355J2G4，-40 ℃低温冲击性能良好；转向架构架主体原材料S500MC、车轮原材料ER8/J2、车轴原材料A1N（UIC 811-1）、弹簧原材料51CrV4（一系）、50CrMoV4（二系），在-40 ℃低温冲击性能良好。

2.2 高压电器部件低温性能的设计

高压电器按照-40 ℃低温环境进行了部件低温型式试验，满足机车在-40～-25 ℃低温环境下正常运行的要求。

2.3 高压电器部件低温性能的设计

车外的制动系统用的管路及阀类部件设计时按照-40 ℃进行要求，其中车外管路及阀类关键部件进行了低温型式试验，低温型式试验考核标准为-50 ℃。由此可见机车车外的制动系统用的管路及阀类部件满足极寒气候下（-40～-45 ℃）正常使用的要求。

2.4 转向架部件低温性能的设计

轴箱轴承油脂和齿轮油，工作环境温度范围为-40～+40 ℃，结合油脂的低温性能说明，满足-40℃低温性能要求。橡胶材料按照-40～+40 ℃要求。

2.5 车体部件低温性能的设计

车钩材质按照标准进行了-40 ℃低温冲击试验，性能满足标准要求；缓冲器按照-50 ℃低温环境进行了部件低温型式试验，性能满足标准要求；车体外部橡胶件按照-50 ℃低温环境进行了部件低温型式试验，性能满足标准要求。

2.6 司机室保温防寒的设计

司机室前墙、侧墙、后墙、顶盖、地板内都铺设了保温防寒填料，能够对司机室与外界及机械间起到有效的隔热作用，防止热量散失。

司机室内设计有侧墙暖风机、后墙暖风机、脚炉、膝炉等加热电器，保证在-40 ℃环境条件下司乘人员温暖舒适。按照运机技术函〔2014〕122 文件规定，每端司机室加热设备总功率不小于8 kW。通过计算HXD2 电力机车每端司机室加热设备总功率为10 kW，可以保证在-40 ℃的环境下司乘人员舒适度的要求。

2.7 卫生间的低温性能的设计

在机车正常通电下，当外部温度为-40 ～0℃时,保证排污管内的污物不冻；在机车正常通电下，当机械间温度为-40～0 ℃时, 可保证污物箱内的污物不冻；在机车正常通电下，当机械间温度为-40 ～0 ℃时，保证卫生间内部管路不冻。在环境温度为-45～-40 ℃时，只要机械间温度≥-40 ℃，则不影响卫生间的正常使用。

2.8 电传动系统低温性能的设计

2.8.1 牵引变压器

1）牵引变压器器身材料包括铜、硅钢片、绝缘件和不锈钢紧固件，其材料特性满足-40 ℃低温下运行要求。

2）变压器采用的冷却介质为45 号变压器油，依据GB2536-2011 标准的规定，其倾点≤-40 ℃，即在-40 ℃环境下，变压器油处于粘稠但可以流动的状态。

3）主体结构的材质为Q345E 和不锈钢，能够承受-40 ℃的低温冲击要求。此外只有不到1%的极少数不受力的部件（如放气塞座、放油塞座等）的材质为Q235D，这些部件在牵引变压器正常运行和使用过程中并不受力，不会影响牵引变压器在-40 ℃的环境温度下运行。

4）油泵的设计满足-40 ℃低温要求，其泵体材质为铝，密封垫材料满足-40 ℃低温脆性要求。

5）密封件全部采用HNBR 材料，能够满足牵引变压器在-40 ℃环境温度下正常运行的要求。

6）油流继电器的设计满足-40 ℃低温运行要求。

7）变压器压力释放阀为不锈钢材质满足-40 ℃低温运行要求。

8）储油柜容积满足-40 ℃低温运行要求。

9）布赫继电器满足-40 ℃低温运行要求。

2.8.2 牵引变流器

牵引变流器在低温环境下的适应性说明如表1所示。

表1 牵引变流器低温环境适应性说明

2.8.3 牵引电机

HXD2 机车采用的是YJ90A1 牵引电机采用三相6 极鼠笼式异步电机，强迫通风，电机整体采用-40 ℃的设计。

牵引电机在低温环境下的适应性说明如表2所示。

表2 牵引电机低温环境适应性说明

2.8.4 辅助变流器

辅助变流柜低温环境下的适应性说明如表3所示。

表3 辅助变流柜低温环境适应性说明

3 牵引系统低温环境保护逻辑

目前，HXD2 机车受温度影响的保护逻辑主要有变压器的油流保护、油温保护、布赫继电器保护、压力释放保护，变流器的水压保护、温度保护以及电机的温度保护。

3.1 牵引变压器相关保护逻辑在低温环境下的适应性说明

1）油流保护：油流继电器工作特点为油流流动推动拨片动作并带动触点闭合发出信号，其动作流量设计为20.4 m3/h（变压器正常工作流量为72 m3/h）。因变压器油在低温下流动性变差，存在油流继电器在低温下不动作的现象，八轴车增加了电流继电器监控变压器油泵的电流，与油流继电器信号共同参与逻辑，当温度低于27 ℃时，控制系统不检测油流继电器的信息，通过电流继电器的信号来判断油流，当电流继电器都没有反馈信号时，才报出油流故障，提高了可靠性。

2）压力释放保护：压力释放阀工作特点为当变压器箱体内外压力差达到0.08 MPa 时动作开启，通常压力产生来源于变压器故障时对油的分解气化，其动作不受低温影响。

3）变压器油温保护：目前变压器的油温保护只是针对温度较高，通过控制机车功率来达到保护的效果，并没有针对温度较低时进行的保护。

4）布赫继电器保护：变压器在低温环境下可以正常运行，自身器件与保护逻辑均不受影响。

3.2 主变流器相关保护逻辑在低温环境下的适应性说明

机车在低温环境下，主变流器主要存在的是压力保护和温度保护。目前根据水冷系统在低温环境下，冷却液的黏度增大，导致水冷系统的流速会下降，而水泵在满功率的情况下，导致水冷系统的水压会升高。

根据八轴冷却塔的技术规范要求，额定工况下冷却系统流量为5.4 m3/h（90 L/min）。由计算结果可得，随着温度的降低，冷却液的黏度增大，系统整体的流量明显减小。在-40 ℃时，系统整体流量约为额定工况下的27.3%，；在0 ℃时，系统整体流量约为额定工况下的92.2%。其系统水压均在目前的保护值1.5～3.5 bar 的范围之内。因此，牵引变流柜能够在-40 ℃环境下正常工作。

3.3 牵引电机相关保护逻辑在低温环境下的适应性说明

目前牵引电机只针对温度过高进行保护，并没有设置低温保护。因此，牵引电机不受低温环境的影响，可以正常使用。

3.4 辅助变流器相关保护逻辑在低温环境下的适应性说明

目前，辅助变流柜没有相关的低温保护，在-40 ℃低温环境下可以正常运行。

4 低温预加热的设计

4.1 机车预加热系统简介

HXD2 机车蓄电池充电器、微机控制系统、主辅变流器及其控制单元、升弓系统部件、空气制动系统等在满足-25 ℃～+40 ℃环境下正常运行的前提下，可通过应用加强防寒和预热的可选配置方案达到-40 ℃～-25 ℃环境下正常运用的要求[2-3]。

HXD2 机车采用低温预加热系统技术，防寒加热系统主要由加热设备和加热控制器件组成。

预加热设备由司机室暖风机、脚炉、膝炉；升弓管路及其阀类部件、压缩机防寒加热；主变流柜预加热设备，辅助变流柜预加热设备，微机柜、安全设备柜及无线电台柜预加热设备等组成。

预加热控制器件由预加热温度开关（设置在安全设备柜、主变流柜、辅助变流柜、微机柜），安装在通用柜中的预加热转换开关、预加热定时器及继电器、预加热接触器、预加热断路器等组成。

4.2 预加热系统功能说明

1）司机上车后闭合蓄电池按钮，辅助压缩机可以正常工作（辅助压缩机满足-40 ℃正常工作要求）。如环境温度低于-25 ℃时，安全设备柜、辅助变流柜、微机柜、主变流柜1、主变流柜2 任一温度开关检测温度低于-25 ℃（设定温度可调节-45～15℃），温度开关闭合，通用柜预加热指示灯亮。

2）当辅助压缩机工作至控制风缸压力700 kPa满足升弓、合闸主断要求后停机，机车控制系统（除显示屏）满足-40 ℃使用要求，因此机车可正常升弓、闭合主断路器（需乘务员加强瞭望）。

3）通用柜预加热转换开关置于预加热位置，通用柜时间继电器（设定时间60 min）闭合后预加热接触器闭合，各预加热设备投入工作。

4）当环境温度高于-25 ℃时，安全设备柜、辅助变流柜、微机柜、主变流柜1、主变流柜2 中温度开关检测温度都高于-25 ℃时，温度开关跳开，通用柜预加热指示灯灭，提示司机机车已完成启车预加热步骤。

5）机车预加热系统除采用温度开关控制启动外，另外设置强制加热模式。将通用柜上预加热转换开关置于强制加热位置，此时机车加热系统持续工作，直到手动将预加热转换开关置于0 位。

6）时间继电器设定时间为60 min，即预加热系统工作60 min 后时间继电器自动断开，司机手动复位预加热时间继电器，机车预加热系统可再工作60 min 至下次时间继电器动作，期间司机应关注预加热指示灯，判断温度是否满足启车需要，如不满足重复上述过程，直到满足机车启动条件。

7）机车目前的110 V 断路器均为-25 ℃及以上可靠工作，控制系统（显示屏除外）满足-40 ℃使用要求。为满足机车预加热功能要求，加装预加热设备需将微机柜加热设备断路器、MPU 供电断路器、RIOM供电断路器、TCMS 信号采集断路器、蓄电池供电断路器、受电弓/主断控制断路器更换为满足-40 ℃使用要求的断路器。

5 结论

HXD2 机车通过设计保证和在-40 ℃及以下的极低温环境下增加预加热措施，可使机车在极寒天气下正常运用。