李 杰， 聶 敏

（中車大同電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心， 山西 大同 037038）

引言

2018 年1 月20 日，一股強(qiáng)冷空氣席卷北方，給濱州線帶來(lái)10 年不遇的極寒天氣，由于溫度驟降至-40 ℃以下，使配屬到該地區(qū)的電力機(jī)車出現(xiàn)極寒天氣的適應(yīng)性問(wèn)題，對(duì)哈局的運(yùn)輸工作造成嚴(yán)重影響。針對(duì)此問(wèn)題，為避免HXD2 型機(jī)車一旦配屬哈局后存在類似情況導(dǎo)致機(jī)車無(wú)法正常運(yùn)行，特開(kāi)展HXD2 機(jī)車低溫環(huán)境適應(yīng)性研究。

1 HXD2 機(jī)車的概述

HXD2 機(jī)車是中國(guó)鐵路干線貨運(yùn)機(jī)車的主力車型之一，自2012 年首臺(tái)機(jī)車下線以來(lái)先后配屬5 個(gè)鐵路局7 個(gè)機(jī)務(wù)段。

HXD2 機(jī)車在滿足-25～+40 ℃環(huán)境正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可通過(guò)配置防寒加熱設(shè)備使機(jī)車達(dá)到-40～-25 ℃環(huán)境下正常運(yùn)行的要求。其中高壓電器、變壓器、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)、車體鉤緩系統(tǒng)、電機(jī)、蓄電池、微機(jī)控制系統(tǒng)等部件自身能夠滿足-40 ℃環(huán)境下正常運(yùn)行的要求，牽引和輔助變流器及其控制單元、升弓系統(tǒng)部件、空氣制動(dòng)系統(tǒng)等通過(guò)加熱系統(tǒng)，可以滿足-40～-25 ℃環(huán)境下正常運(yùn)行的要求[1]。

2 HXD2 機(jī)車各系統(tǒng)低溫性能的設(shè)計(jì)

2.1 原材料低溫性能的設(shè)計(jì)

機(jī)車車體主要承載部件等金屬原材料采用S355J2G4，-40 ℃低溫沖擊性能良好；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主體原材料S500MC、車輪原材料ER8/J2、車軸原材料A1N（UIC 811-1）、彈簧原材料51CrV4（一系）、50CrMoV4（二系），在-40 ℃低溫沖擊性能良好。

2.2 高壓電器部件低溫性能的設(shè)計(jì)

高壓電器按照-40 ℃低溫環(huán)境進(jìn)行了部件低溫型式試驗(yàn)，滿足機(jī)車在-40～-25 ℃低溫環(huán)境下正常運(yùn)行的要求。

2.3 高壓電器部件低溫性能的設(shè)計(jì)

車外的制動(dòng)系統(tǒng)用的管路及閥類部件設(shè)計(jì)時(shí)按照-40 ℃進(jìn)行要求，其中車外管路及閥類關(guān)鍵部件進(jìn)行了低溫型式試驗(yàn)，低溫型式試驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)為-50 ℃。由此可見(jiàn)機(jī)車車外的制動(dòng)系統(tǒng)用的管路及閥類部件滿足極寒氣候下（-40～-45 ℃）正常使用的要求。

2.4 轉(zhuǎn)向架部件低溫性能的設(shè)計(jì)

軸箱軸承油脂和齒輪油，工作環(huán)境溫度范圍為-40～+40 ℃，結(jié)合油脂的低溫性能說(shuō)明，滿足-40℃低溫性能要求。橡膠材料按照-40～+40 ℃要求。

2.5 車體部件低溫性能的設(shè)計(jì)

車鉤材質(zhì)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了-40 ℃低溫沖擊試驗(yàn)，性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；緩沖器按照-50 ℃低溫環(huán)境進(jìn)行了部件低溫型式試驗(yàn)，性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；車體外部橡膠件按照-50 ℃低溫環(huán)境進(jìn)行了部件低溫型式試驗(yàn)，性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.6 司機(jī)室保溫防寒的設(shè)計(jì)

司機(jī)室前墻、側(cè)墻、后墻、頂蓋、地板內(nèi)都鋪設(shè)了保溫防寒填料，能夠?qū)λ緳C(jī)室與外界及機(jī)械間起到有效的隔熱作用，防止熱量散失。

司機(jī)室內(nèi)設(shè)計(jì)有側(cè)墻暖風(fēng)機(jī)、后墻暖風(fēng)機(jī)、腳爐、膝爐等加熱電器，保證在-40 ℃環(huán)境條件下司乘人員溫暖舒適。按照運(yùn)機(jī)技術(shù)函〔2014〕122 文件規(guī)定，每端司機(jī)室加熱設(shè)備總功率不小于8 kW。通過(guò)計(jì)算HXD2 電力機(jī)車每端司機(jī)室加熱設(shè)備總功率為10 kW，可以保證在-40 ℃的環(huán)境下司乘人員舒適度的要求。

2.7 衛(wèi)生間的低溫性能的設(shè)計(jì)

在機(jī)車正常通電下，當(dāng)外部溫度為-40 ～0℃時(shí),保證排污管內(nèi)的污物不凍；在機(jī)車正常通電下，當(dāng)機(jī)械間溫度為-40～0 ℃時(shí), 可保證污物箱內(nèi)的污物不凍；在機(jī)車正常通電下，當(dāng)機(jī)械間溫度為-40 ～0 ℃時(shí)，保證衛(wèi)生間內(nèi)部管路不凍。在環(huán)境溫度為-45～-40 ℃時(shí)，只要機(jī)械間溫度≥-40 ℃，則不影響衛(wèi)生間的正常使用。

2.8 電傳動(dòng)系統(tǒng)低溫性能的設(shè)計(jì)

2.8.1 牽引變壓器

1）牽引變壓器器身材料包括銅、硅鋼片、絕緣件和不銹鋼緊固件，其材料特性滿足-40 ℃低溫下運(yùn)行要求。

2）變壓器采用的冷卻介質(zhì)為45 號(hào)變壓器油，依據(jù)GB2536-2011 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其傾點(diǎn)≤-40 ℃，即在-40 ℃環(huán)境下，變壓器油處于粘稠但可以流動(dòng)的狀態(tài)。

3）主體結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為Q345E 和不銹鋼，能夠承受-40 ℃的低溫沖擊要求。此外只有不到1%的極少數(shù)不受力的部件（如放氣塞座、放油塞座等）的材質(zhì)為Q235D，這些部件在牽引變壓器正常運(yùn)行和使用過(guò)程中并不受力，不會(huì)影響牽引變壓器在-40 ℃的環(huán)境溫度下運(yùn)行。

4）油泵的設(shè)計(jì)滿足-40 ℃低溫要求，其泵體材質(zhì)為鋁，密封墊材料滿足-40 ℃低溫脆性要求。

5）密封件全部采用HNBR 材料，能夠滿足牽引變壓器在-40 ℃環(huán)境溫度下正常運(yùn)行的要求。

6）油流繼電器的設(shè)計(jì)滿足-40 ℃低溫運(yùn)行要求。

7）變壓器壓力釋放閥為不銹鋼材質(zhì)滿足-40 ℃低溫運(yùn)行要求。

8）儲(chǔ)油柜容積滿足-40 ℃低溫運(yùn)行要求。

9）布赫繼電器滿足-40 ℃低溫運(yùn)行要求。

2.8.2 牽引變流器

牽引變流器在低溫環(huán)境下的適應(yīng)性說(shuō)明如表1所示。

表1 牽引變流器低溫環(huán)境適應(yīng)性說(shuō)明

2.8.3 牽引電機(jī)

HXD2 機(jī)車采用的是YJ90A1 牽引電機(jī)采用三相6 極鼠籠式異步電機(jī)，強(qiáng)迫通風(fēng)，電機(jī)整體采用-40 ℃的設(shè)計(jì)。

牽引電機(jī)在低溫環(huán)境下的適應(yīng)性說(shuō)明如表2所示。

表2 牽引電機(jī)低溫環(huán)境適應(yīng)性說(shuō)明

2.8.4 輔助變流器

輔助變流柜低溫環(huán)境下的適應(yīng)性說(shuō)明如表3所示。

表3 輔助變流柜低溫環(huán)境適應(yīng)性說(shuō)明

3 牽引系統(tǒng)低溫環(huán)境保護(hù)邏輯

目前，HXD2 機(jī)車受溫度影響的保護(hù)邏輯主要有變壓器的油流保護(hù)、油溫保護(hù)、布赫繼電器保護(hù)、壓力釋放保護(hù)，變流器的水壓保護(hù)、溫度保護(hù)以及電機(jī)的溫度保護(hù)。

3.1 牽引變壓器相關(guān)保護(hù)邏輯在低溫環(huán)境下的適應(yīng)性說(shuō)明

1）油流保護(hù)：油流繼電器工作特點(diǎn)為油流流動(dòng)推動(dòng)撥片動(dòng)作并帶動(dòng)觸點(diǎn)閉合發(fā)出信號(hào)，其動(dòng)作流量設(shè)計(jì)為20.4 m3/h（變壓器正常工作流量為72 m3/h）。因變壓器油在低溫下流動(dòng)性變差，存在油流繼電器在低溫下不動(dòng)作的現(xiàn)象，八軸車增加了電流繼電器監(jiān)控變壓器油泵的電流，與油流繼電器信號(hào)共同參與邏輯，當(dāng)溫度低于27 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)不檢測(cè)油流繼電器的信息，通過(guò)電流繼電器的信號(hào)來(lái)判斷油流，當(dāng)電流繼電器都沒(méi)有反饋信號(hào)時(shí)，才報(bào)出油流故障，提高了可靠性。

2）壓力釋放保護(hù)：壓力釋放閥工作特點(diǎn)為當(dāng)變壓器箱體內(nèi)外壓力差達(dá)到0.08 MPa 時(shí)動(dòng)作開(kāi)啟，通常壓力產(chǎn)生來(lái)源于變壓器故障時(shí)對(duì)油的分解氣化，其動(dòng)作不受低溫影響。

3）變壓器油溫保護(hù)：目前變壓器的油溫保護(hù)只是針對(duì)溫度較高，通過(guò)控制機(jī)車功率來(lái)達(dá)到保護(hù)的效果，并沒(méi)有針對(duì)溫度較低時(shí)進(jìn)行的保護(hù)。

4）布赫繼電器保護(hù)：變壓器在低溫環(huán)境下可以正常運(yùn)行，自身器件與保護(hù)邏輯均不受影響。

3.2 主變流器相關(guān)保護(hù)邏輯在低溫環(huán)境下的適應(yīng)性說(shuō)明

機(jī)車在低溫環(huán)境下，主變流器主要存在的是壓力保護(hù)和溫度保護(hù)。目前根據(jù)水冷系統(tǒng)在低溫環(huán)境下，冷卻液的黏度增大，導(dǎo)致水冷系統(tǒng)的流速會(huì)下降，而水泵在滿功率的情況下，導(dǎo)致水冷系統(tǒng)的水壓會(huì)升高。

根據(jù)八軸冷卻塔的技術(shù)規(guī)范要求，額定工況下冷卻系統(tǒng)流量為5.4 m3/h（90 L/min）。由計(jì)算結(jié)果可得，隨著溫度的降低，冷卻液的黏度增大，系統(tǒng)整體的流量明顯減小。在-40 ℃時(shí)，系統(tǒng)整體流量約為額定工況下的27.3%，；在0 ℃時(shí)，系統(tǒng)整體流量約為額定工況下的92.2%。其系統(tǒng)水壓均在目前的保護(hù)值1.5～3.5 bar 的范圍之內(nèi)。因此，牽引變流柜能夠在-40 ℃環(huán)境下正常工作。

3.3 牽引電機(jī)相關(guān)保護(hù)邏輯在低溫環(huán)境下的適應(yīng)性說(shuō)明

目前牽引電機(jī)只針對(duì)溫度過(guò)高進(jìn)行保護(hù)，并沒(méi)有設(shè)置低溫保護(hù)。因此，牽引電機(jī)不受低溫環(huán)境的影響，可以正常使用。

3.4 輔助變流器相關(guān)保護(hù)邏輯在低溫環(huán)境下的適應(yīng)性說(shuō)明

目前，輔助變流柜沒(méi)有相關(guān)的低溫保護(hù)，在-40 ℃低溫環(huán)境下可以正常運(yùn)行。

4 低溫預(yù)加熱的設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)車預(yù)加熱系統(tǒng)簡(jiǎn)介

HXD2 機(jī)車蓄電池充電器、微機(jī)控制系統(tǒng)、主輔變流器及其控制單元、升弓系統(tǒng)部件、空氣制動(dòng)系統(tǒng)等在滿足-25 ℃～+40 ℃環(huán)境下正常運(yùn)行的前提下，可通過(guò)應(yīng)用加強(qiáng)防寒和預(yù)熱的可選配置方案達(dá)到-40 ℃～-25 ℃環(huán)境下正常運(yùn)用的要求[2-3]。

HXD2 機(jī)車采用低溫預(yù)加熱系統(tǒng)技術(shù)，防寒加熱系統(tǒng)主要由加熱設(shè)備和加熱控制器件組成。

預(yù)加熱設(shè)備由司機(jī)室暖風(fēng)機(jī)、腳爐、膝爐；升弓管路及其閥類部件、壓縮機(jī)防寒加熱；主變流柜預(yù)加熱設(shè)備，輔助變流柜預(yù)加熱設(shè)備，微機(jī)柜、安全設(shè)備柜及無(wú)線電臺(tái)柜預(yù)加熱設(shè)備等組成。

預(yù)加熱控制器件由預(yù)加熱溫度開(kāi)關(guān)（設(shè)置在安全設(shè)備柜、主變流柜、輔助變流柜、微機(jī)柜），安裝在通用柜中的預(yù)加熱轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、預(yù)加熱定時(shí)器及繼電器、預(yù)加熱接觸器、預(yù)加熱斷路器等組成。

4.2 預(yù)加熱系統(tǒng)功能說(shuō)明

1）司機(jī)上車后閉合蓄電池按鈕，輔助壓縮機(jī)可以正常工作（輔助壓縮機(jī)滿足-40 ℃正常工作要求）。如環(huán)境溫度低于-25 ℃時(shí)，安全設(shè)備柜、輔助變流柜、微機(jī)柜、主變流柜1、主變流柜2 任一溫度開(kāi)關(guān)檢測(cè)溫度低于-25 ℃（設(shè)定溫度可調(diào)節(jié)-45～15℃），溫度開(kāi)關(guān)閉合，通用柜預(yù)加熱指示燈亮。

2）當(dāng)輔助壓縮機(jī)工作至控制風(fēng)缸壓力700 kPa滿足升弓、合閘主斷要求后停機(jī)，機(jī)車控制系統(tǒng)（除顯示屏）滿足-40 ℃使用要求，因此機(jī)車可正常升弓、閉合主斷路器（需乘務(wù)員加強(qiáng)瞭望）。

3）通用柜預(yù)加熱轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于預(yù)加熱位置，通用柜時(shí)間繼電器（設(shè)定時(shí)間60 min）閉合后預(yù)加熱接觸器閉合，各預(yù)加熱設(shè)備投入工作。

4）當(dāng)環(huán)境溫度高于-25 ℃時(shí)，安全設(shè)備柜、輔助變流柜、微機(jī)柜、主變流柜1、主變流柜2 中溫度開(kāi)關(guān)檢測(cè)溫度都高于-25 ℃時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，通用柜預(yù)加熱指示燈滅，提示司機(jī)機(jī)車已完成啟車預(yù)加熱步驟。

5）機(jī)車預(yù)加熱系統(tǒng)除采用溫度開(kāi)關(guān)控制啟動(dòng)外，另外設(shè)置強(qiáng)制加熱模式。將通用柜上預(yù)加熱轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于強(qiáng)制加熱位置，此時(shí)機(jī)車加熱系統(tǒng)持續(xù)工作，直到手動(dòng)將預(yù)加熱轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于0 位。

6）時(shí)間繼電器設(shè)定時(shí)間為60 min，即預(yù)加熱系統(tǒng)工作60 min 后時(shí)間繼電器自動(dòng)斷開(kāi)，司機(jī)手動(dòng)復(fù)位預(yù)加熱時(shí)間繼電器，機(jī)車預(yù)加熱系統(tǒng)可再工作60 min 至下次時(shí)間繼電器動(dòng)作，期間司機(jī)應(yīng)關(guān)注預(yù)加熱指示燈，判斷溫度是否滿足啟車需要，如不滿足重復(fù)上述過(guò)程，直到滿足機(jī)車啟動(dòng)條件。

7）機(jī)車目前的110 V 斷路器均為-25 ℃及以上可靠工作，控制系統(tǒng)（顯示屏除外）滿足-40 ℃使用要求。為滿足機(jī)車預(yù)加熱功能要求，加裝預(yù)加熱設(shè)備需將微機(jī)柜加熱設(shè)備斷路器、MPU 供電斷路器、RIOM供電斷路器、TCMS 信號(hào)采集斷路器、蓄電池供電斷路器、受電弓/主斷控制斷路器更換為滿足-40 ℃使用要求的斷路器。

5 結(jié)論

HXD2 機(jī)車通過(guò)設(shè)計(jì)保證和在-40 ℃及以下的極低溫環(huán)境下增加預(yù)加熱措施，可使機(jī)車在極寒天氣下正常運(yùn)用。