HXD3D型电力机车换端功能的研究与实现

宋夕政, 李　哲, 李　新, 周庆强, 张　冰

(1　大连东软信息学院　电子工程系， 辽宁大连 116023;2　中国北车集团　大连机车车辆有限公司， 辽宁大连 116022)



HXD3D型电力机车换端功能的研究与实现

宋夕政1, 李哲2, 李新2, 周庆强2, 张冰2

(1大连东软信息学院电子工程系， 辽宁大连 116023;2中国北车集团大连机车车辆有限公司， 辽宁大连 116022)

为了解决HXD3D型电力机车换端所需时间长的问题，同时简化司机换端操作步骤，降低司机整体劳动强度，提出了在HXD3D型电力机车上增加换端功能，从而有效的解决了换端时间长的问题。首先对换端功能的操作方法做了整体介绍，然后对换端功能的控制实现进行了逻辑分析，之后对换端功能的逻辑保护进行了说明，最后，通过长达13个月的行车试验给出试验结论。

HXD3D型电力机车； 换端功能； 控制逻辑； 升弓管路

HXD3D型机车是六轴大功率交流传动客运电力机车，机车的最高运行速度为160 km/h，其具有牵引功率大、运行平稳、性能稳定等特点[1]。目前主要在北京、沈阳等铁路局担当客运牵引任务。

在运用考核中发现机车执行换端操作时，受电弓再次升起需要的时间长，造成了机车晚点运行，甚至导致旅客投诉；同时，整个换端操作过程繁琐，严重的增加了司机的劳动强度。

1　换端新旧操作方法的对比

当机车从始发地到达目的地时，机车通常会进行转线或入库操作。这两种操作全部需要进行换端。

在没有换端功能的情况下，司机通常会先在操作端停止空压机、断开主断路器，并且降下受电弓，拔出机车电钥匙，然后到达机车另一操作端，插入机车电钥匙，升起受电弓、闭合主断路器，最后开启空压机。

整个过程冗余、拖沓、繁琐，严重的增加了司机的整体劳动强度，而且在有的情况下，司机到另一操作端升弓时，升弓判定条件繁琐且辅助空压机提供风源较慢，使得整个升弓过程可能需要等待较长时间，甚至会造成机车晚点，以致旅客投诉。

在增加换端功能的情况下，司机只需要先在操作端按下换端按键，然后到达机车另一操作端，再按下换端按键，就可以完成整个换端操作。整个换端过程简单、方便、快捷，并且通过改进风源提供方式、增加换端工况，避免了出现等待受电弓升起的情况，确保了机车的正点运行。

整个换端过程由TCMS全程自动监视控制，判断是否符合进入换端工况的判定条件和机车的控制保护条件。同时在换端过程中，由空气压缩机为升弓管路提供风源，高效、快捷地提供清洁并且干燥的空气，确保受电弓不会因为风源不足而降下。当司机第1次按下换端按键的时候，机车升双受电弓，第2次按下换端按键的时候，机车升单受电弓，自动完成整个换端。

2　换端功能的控制实现

首先对机车的升弓控制原理进行研究分析，为机车新增换端功能的升级改造提供基础论证，然后，将有无换端功能进行对比研究，以确保在不打破原机车控制保护的同时，又能增加换端功能，达到简化司机操作的目的。分析主要针对两大方面：电气控制方面：TCMS发出升弓指令传送到升弓电磁阀得电的各个环节；风源方面：风源的来源方式和风源流经的管路环节。

2.1电气控制环节

(1)升弓电气原理简述

机车升弓电气原理简图如图1所示，控制电源控制升弓指令开关、受电弓压力开关、辅压机状态开关和受电弓其他保护条件开关的闭合或断开。当符合开关闭合条件时，控制电源供电，符合条件的开关闭合，否则开关断开。同时TCMS采集控制接地等受电弓保护条件信号，确保升弓电气电路的安全。当所有控制升弓条件的开关全部闭合并且符合受电弓保护条件时，TCMS输出升弓信号，升弓电磁阀得电，机车受电弓升起[2]。

(2)软件控制环节

机车升弓控制逻辑简图如图2所示，在司机操纵端输入升弓指令后，TCMS判断受电弓压力开关状态和辅助空气压缩机工作状态，同时检测其他升弓保护条件，如满足所有升弓条件，则TCMS输出升弓指令，升弓电磁阀得电。

图1　升弓电气示意图

图2　升弓控制逻辑简图

当检测到的升弓风缸中的气压低于480 kPa时，受电弓压力开关自动断开，机车受电弓压力开关状态不满足升弓条件。此时辅助空气压缩机开始工作，为升弓风缸提供清洁并且干燥的风源，当升弓风缸中的值到达指定值后，辅助空气压缩机停止工作，此时满足受电弓的升起条件[3]。

当辅助空气压缩机开始工作，则只有当升弓风缸压力高于735 kPa时，辅助空气压缩机才会停止工作。但是由于辅助空气压缩机提供给升弓风缸气压的增值较大，而且辅助空气压缩机的转速慢、排风量低，导致辅助空气压缩机向升弓风缸提供风源的过程耗时较长，所以在这种情况下，会导致机车换端需要等待的时间长。

升弓风缸中的气压过低不符合升弓的逻辑判断条件。当机车处于换端工况时，司机在操作端输入升弓指令。若TCMS检测到升弓风缸气压高于480 kPa，则此时受电弓压力开关符合升弓条件，并且辅助空气压缩机停止工作，在其他升弓条件满足的情况下，升弓电磁阀得电；若检测到升弓风缸气压低于480 kPa，则此时受电弓压力开关不符合升弓条件，并且辅助空气压缩机开始工作为升弓风缸补充风源[4]。

(3)升双弓控制逻辑

在没有换端工况的情况下，当司机给出受电弓升起指令时，在升弓条件满足的情况下，机车升后弓(即非操作端的受电弓)，所以，当机车进行换端操作时，需要先将原升起的受电弓降下，然后升起另一端受电弓。根据机车的保护控制逻辑，当机车的两端受电弓全部降下时，TCMS会发出断主断路器的命令。

在主断路器闭合的情况下，由空气压缩机提供风源，因为空气压缩机转速快、排风量高，所以在正常情况下，升弓风缸中的压力值始终高于480 kPa，满足升弓条件。空气压缩机的工作条件要求主断路器闭合，并且主断路器闭合条件要求两个受电弓不可以同时降下。

因此提出增加换端工况确保主断路器闭合的解决方案。当司机在操作端按下换端按键，机车操作端和非操作端的两个受电弓同时升起，并且整个过程主断路器保持闭合状态，以便由空气压缩机为升弓风缸提供风源，使得升弓风缸中始终保持足够的气压以确保受电弓保持升起的状态。同时修改机车控制保护逻辑，在进入换端工况时，可以拔出机车电钥匙，受电弓不会降下[5]。

修改换端工况的受电弓气压保护条件。只有当升弓风缸中的气压低于480 kPa时，受电弓才会降下，所以在换端工况的情况下，当机车的升弓风缸气压低于480 kPa以致无法保证受电弓保持升起状态时，两个受电弓全部降下。

2.2风源管路环节

(1)升弓风源

整个升弓系统的管路主要由风源管路和升弓管路两部分组成。如图3所示，风源管路中升弓风缸的压缩空气主要有2个来源，第1个来源是辅助空气压缩机，其在受电弓升起之前工作，负责提供清洁和干燥的空气，并存储在升弓风缸中，供受电弓升起时使用；第2个来源是空气压缩机，其在受电弓升起之后工作，空气压缩机为总风缸提供清洁和干燥的空气，并且当总风缸中压力高于升弓风缸的气压时，总风缸中的压缩空气可以单向流向升弓风缸，并存储在升弓风缸中，供受电弓在升起的情况下保持受电弓升起状态时使用。

图3　升弓管路示意图

空气压缩机和辅助空气压缩机比较，前者转速快而且排风量高，能够快速为升弓风缸提供清洁和干燥的空气。当总风缸里的气压高于升弓风缸的气压时，空气压缩机会通过总风缸向升弓风缸提供清洁并且干燥的空气。所以空气压缩机比辅助空气压缩机能更快的为升弓风缸提供风源。

因为总风缸会向列车管、总风管等管路设备提供风源，所以总风缸中压缩空气会有损耗。当总风缸的压力低于750 kPa时，一台空气压缩机向总风缸提供风源；当总风缸的压力低于680 kPa时，两台空气压缩机同时向总风缸提供风源，所以在空气压缩机正常工作的情况下，总风缸可以快速为升高风缸提供风源，确保升弓风缸中的气压始终高于480 kPa。

(2)常规换端风源消耗原因

在受电弓升起的情况下，升弓风缸为确保受电弓保持升起状态会产生气压损耗，而且风源管路和升弓管路的连接处有存在细微漏风的现象，所以升弓风缸中的气压会缓慢降低。当机车在行驶过程中，当升弓风缸中的气压降低时，空气压缩机开始工作，确保迅速产生清洁并且干燥的空气，补充升弓风缸损失的气压。但是当机车进行换端时，空气压缩机会停止工作，升弓风缸中损失的压缩空气不能得到迅速的补充。

司机进行换端操作时，司机首先将自动制动手柄置于紧急制动位，列车管向外排风，机车进入制动工况，机车停车，然后将自动制动手柄置于运行位，缓解惩罚制动，最后拔出电钥匙准备换端。在换端过程中，因为总风缸会向列车管、制动缸等提供风源，所以总风缸的气压会下降，并且因为换端操作时，空气压缩机停止工作，所以此时，总风缸没有足够的气压向升弓风缸提供风源。

(3)换端功能风源补充

换端功能也存在升弓风缸中压缩空气会有损耗的情况，但是因为空气压缩机转速快而且排风量高，能够快速为升弓风缸提供清洁和干燥的空气，可以迅速补充损耗的压缩空气。所以整个换端过程采用空气压缩机提供风源，确保升弓风缸中的气压始终高于480 kPa，整个换端过程中，受电弓不会因为升弓风缸中的气压值低导致降弓。

同时将空气压缩机的工作判定条件进行修改，在换端的工况下，两端全部拔出电钥匙，在其他判定条件满足的情况下，空气压缩机仍然可以继续工作，由空气压缩机在换端过程中提供持续风源。

3　换端功能的新增逻辑控制保护

在软件保护方面，首先为确保司机不会因为误操作情况而进入换端工况，加入了只有当机车在停车状态下才能进入换端工况的判定条件，使得机车在正常运行过程中，不会因为误操作而进入换端工况，避免造成机车击破。

然后考虑到因为误操作进入换端工况后需要退出换端工况的情况，加入了连续按两次换端按键会退出换端工况的判断逻辑，此时由升双弓变为升单弓，同时保持主断路器闭合，恢复到机车的原始状态。

最后考虑到机车不可以长时间停留在换端工况，加入了进入换端工况最长停留时间的条件，将最长停留时间设置为5 min，若是在5 min之内司机没有到另一操作端完成整个换端操作，则默认为退出换端工况，此时主断路器自动断开，同时两端受电弓全部降下。

在硬件管路方面，为确保在机车长期运行后，管路中连接处不会因为机车长时间运行使得螺母松动，造成管路缓慢漏风，甚至造成机车击破。所以提出了需定期检查连接处是否松动，如发现松动需及时处理。当机车出厂时，管路连接处用红色防松线标记螺栓和螺母的相对位置，在螺栓和螺母连接松动时，红色防松线会发生错位的现象。所以定期检查管路连接处，当发现红色防松线标记错位时，应及时用力矩钳将螺母拧紧[6]。

4　结束语

针对换端操作受电弓升起时间长的情况，从电路和气路两个角度考虑可能导致受电弓升起时间长的原因，并考虑机车的长时间运行对管路造成的影响。提出了TCMS控制软件增加换端工况和硬件换端按键、优化了管路问题自检方案、简化整个换端操作，从而实现了机车的迅速换端。

2012～2013年，HXD3D型电力机车在沈大线(沈阳—大连)和京哈线(北京—哈尔滨)进行了长达13个月的行车试验，取得了良好的效果，换端功能可以实现机车迅速换端，为后期HXD3D型机车的批量生产和HXD3C型机车的批量升级改造提供了坚实的理论和实践基础。

[1]李哲, 李新, 赵鑫, 等. HXD3D型电力机车冬季寒冷地区升弓技术的研究与实现[J]. 铁道机车车辆，2015, 35(2)：87-89.

[2]王伟群, 杨伟君, 王鹏飞. 动车组升弓控制系统[J]. 铁道机车车辆，2011, 31(5)：115-117.

[3]谢春华. 对韶山系电力机车操纵控制电路的改进建议[J]. 铁道机车车辆，2010, 30(2)：88-89.

[4]李新, 谢陈刚. HXD3C型电力机车辅助变流器水冷却技术的研究与实现[J]. 铁道机车车辆，2012, 32(3)：57-59.

[5]于万聚. 高速电气化铁路接触网 [M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2003.

[6]杜建波. HXD3C型机车受电弓故障的查找和原因分析[J]. 铁道机车车辆，2013, 33(4)：113-116.

Research and Realization of Changing Cab Technology On HXD3D Type Electric Locomotive

SONG Xizheng1, LI Zhe2, LI Xin2, ZHOU Qingqiang2, ZHANG Bing2

(1Department of Electronic Engineering, Dalian Neusoft University of Information, Dalian 116023 Liaoning, China;2CRRC Dalian Locomotive and Rolling Stock Co., Ltd., Dalian 116022 Liaoning, China)

In order to solve the problem that HXD3D type electric locomotive spends much time to change cab, and to decrease operation steps and working strength, adding the function of changing cab on HXD3D type electric locomotive was proposed. In this paper, at first the operation of this function is introduced. After that, the control and realization are analyzed. Finally the logic protection of this function is explained. In the end, the test result is obtained by 13 months running experiment.

HXD3D type electric locomotive; changing cab technology; controlling logic; pantograph pipeline

1008-7842 (2016) 01-0017-03

��)男，高级工程师(

2015-09-15)

U264.3+4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.04