减少HXD1B型电力机车电钥匙故障的研究

林 英 陈旷达 童良锋

(中国铁路上海局集团有限公司杭州机辆段 浙江 杭州 310000)

HXD1B型电力机车是中车株洲电力机车有限公司(以下简称“株机公司”)设计的六轴9 600 kW大功率交流传动货运电力机车，配属中国铁路上海局集团有限公司杭州机务段110台，于2011年8月25日正式投入运用。截止到2019年11月底，机车电钥匙陆续出现了7起司机室占用信号丢失或电务信号不吸码故障，具体如表1所示。

表1 机车电钥匙故障统计

电钥匙作为机车采集乘务员数字量信号的基础电子装置，是机车上至关重要的组成[1]。这些不同的电钥匙故障现象既影响了机车的正常运用，也存在严重的质量隐患。

下文根据电钥匙占用信号的工作原理，结合机车运用现场实际情况及检修工艺要求，对所有能引起电钥匙信号丢失的原因进行分析，并制定应对的措施。

1 电钥匙工作原理

1.1 电路控制原理

每个电钥匙共有3对辅助连锁，2对在用，1对备用。在使用的2对分别负责机车司机室占用信号和电务1、2端占用信号的识别，电路原理如图1所示。

图1 电钥匙电路图

其中机车微机占用信号使用24 V电压，电务占用信号使用110 V电压。

1.2 安装结构

如图2司机控制器总图所示，电钥匙安装在司机控制器中。司机控制器是机车的主令控制电器，用来控制机车的牵引、制动、换向、设定速度，实现机车的启动、制动和调速等工况。而实现上述所有的功能都建立在电钥匙能正常闭合的前提下。

1—牵引制动单元；2—速度设定单元；3—方向转换开关；4—电钥匙。图2 司机控制器总图

图3 电钥匙实物图及分解图

从图3可以看出电钥匙所具有的明显特点：一是电钥匙开关具有“ON”和“OFF”两个位置， 主要分为锁芯、传动机构、辅助连锁三部分，三部分均直线安装，辅助连锁位于锁芯的正下方。电钥匙的传动方式为行程式，其工作原理是在外力作用下，将动物接近静物，通过推杆驱动开关接点实现辅助连锁的分合动作。即传动机构将锁芯的旋转运动转化为辅助连锁行程杆的上下运动来实现辅助连锁触头的闭合与分断，从而实现为机车微机和电务信号主机提供司机室占用的高电平信号。二是核心部件辅助连锁采用的是德国西门子公司生产的3SB3400-0A型行程式连锁，其接线方式为接线端子插入安装座后紧固，整体为拼装式塑料外壳，并通过塑料扣卡接安装在传动机构下方，如图4所示。

图4 行程式连锁正视、侧视图

2 原因分析

电钥匙故障的最直接体现就是辅助连锁开路，导致这个结果的有电路、机械、管理及其他各方面原因。

2.1 辅助连锁发生故障，无法可靠导通

根据辅助连锁构造及故障辅助连锁的分解检查，辅助连锁发生故障的原因基本有3个方面：(1)辅助联锁触头老化，接触电阻超标。目前触头普遍出现了老化的情况，测量其接触电阻远远超出标准值，尤其是通110 V电压给电务提供信号的辅助连锁，其触头磨损及老化情况更为严重，也符合电务信号故障多发的客观情况。(2)结构设计存在缺陷，容易发生动作不到位的情况。由于产品设计中该辅助连锁的运动方式是行程式，整体结构是拼装式，在长期使用中相关运动部件缺乏良好的润滑，出现了异常的磨损，极易产生动作卡滞引起触点闭合不到位的现象。(3)辅助连锁的连接方式导致锁紧性能无法保证。该连锁的接线安装方式为接线端子插入式安装，接线端子处于拼装片的中间，使用中该处所存在着张紧力，在长期使用中容易出现散架情况，导致内部结构件松动后无法导通的隐患。

2.2 电钥匙传动机构设计落后，易产生动作不到位现象

电钥匙模块使用了接触式行程式连锁，在实际使用中发现该结构较松散，传动可靠性低。接触式行程开关存在响应速度低，精度差，容易损坏检测物及寿命短等缺点，一般安装在对位置要求不是特别精确的场合。通过对每个故障的电钥匙模块拆解发现，传动机构均出现了不同程度的磨损，个别严重者已经变形，又加上辅助连锁亦是行程式开关，大大增加了辅助连锁无法可靠闭合的故障概率。

2.3 对电钥匙缺乏系统的寿命管理

该电钥匙自2011年随HXD1B型机车新造至今，在日常检修及C4、C5大中修等修程时均无相关更换等管理要求。日常一直处于连续使用状态，直到故障出现才进行相应的处理。针对如此重要的电气元件，未制定专门的寿命管理要求，不利于质量控制。日常小辅修过程中针对电钥匙模块仅进行外观检查，内部不可视且无法检查到内部传动机构，无法及时发现隐藏的故障隐患。

2.4 相关配件已停产，采购困难

电钥匙由德国西门子公司生产，目前均已停产，采购难度较大，若继续花大代价采购也不符合当前配件国产化的趋势，因此也常常出现机车因缺少配件导致无法修复的情况，对机车供应造成影响。

3 整改措施

综上，研究开发一套稳定可靠且具有适配性的电钥匙模块对提升HXD1B型机车质量具有积极的意义。针对存在的故障原因，有针对性地研究了HXD1B型机车电钥匙的改良方案，改良型电钥匙开关也由锁芯、传动机构和连锁三部分组成。

3.1 辅助连锁优化

辅助连锁更换为业内公认的沙尔特宝公司生产的速动密封式连锁代替行程式连锁，尺寸与原行程式连锁接近。沙尔特宝公司生产的速动密封式连锁采取的簧片速动式动作模式保证了动静触头接触、分离快速可靠，有效抑制连锁通断过程中的拉弧，大大减轻触点的电磨损。密封式结构既保证了连锁内部清洁，也保证了连锁的结构强度，防止连锁因安装接线产生裂纹松动等问题。因此速动密封式连锁具有寿命长、动作可靠、防尘防污等级高等特点，完全适用于24 V～110 V等各类电压强度。对比行程式辅助连锁存在的缺陷，速动式连锁有效解决了电钥匙模块行程式连锁触头老化、结构松散、接线不可靠的问题。

3.2 传动机构优化

传动机构升级为更适宜的凸轮机构，凸轮除保证连锁动作可靠外，还保证了锁芯转动到位后不会因震动而跳回；整个传动机构结构更加紧凑，传动可靠性大大提高，也减少了不必要的磨损和松旷。另外整个传动机构各部件均可通过外观目视进行检查，方便日常修程中检修人员进行检查，提前解决故障隐患，进一步提高了整个模块的可靠性。

3.3 锁芯优化

使用与原厂电钥匙模块锁芯相同的锁簧结构，保证钥匙的适配性，操作方式与原装开关一致并有清晰的位置指示和更好的操作手感，适应乘务员的操作习惯，具体成品实物如图5所示。

3.4 制定寿命管理方案

安装改良型电钥匙模块后，检修人员通过目视检查即可观察各部件状态，确认各连锁安装牢固无裂纹，锁芯及传动机构各部件无异常，接线、接线端子等状态良好；进行简单的动作试验即可确定锁芯灵活，无杂物堵塞，传动机构良好，动作到位；再辅以测量连锁接触电阻等定量检测，即可在日常修程中对电钥匙模块进行有效检修，保证运用过程中状态良好。

图5 锁簧成品实物

另外针对前期类似设备的使用情况，结合相关部件的使用规律，建议对新型电钥匙连锁进行寿命管理，预计寿命8年左右。这样既可以开展电钥匙模块使用情况和故障情况的跟踪观察，结合统计数据情况更加精准地制定电钥匙使用寿命，又可以提前更换相关运动件或辅助连锁等通电部件，确保机车质量稳定。

4 总结

新型电钥匙开发成功后，立即在部分发生过司机室占用信号丢失和电务信号不吸码故障的机车上进行了试装，截止目前质量状态保持稳定。截止到2020年4月底，已陆续对杭州机辆段配属的所有HXD1B型机车进行了更新。安装完毕后本段再未发生过因电钥匙开关不良导致的司机室占用信号丢失和电务信号不吸码故障。