HXD3型電力機車制動機故障分析及處理研究摘要制動技術(shù)作為影響列車運行安全的關(guān)鍵因素，對鐵路運輸?shù)目焖侔l(fā)展起著決定性的作用。目前，河河電力機車的制動機基本上采用微機控制、電氣指令信號傳輸?shù)碾娍罩苿訖C。在機車制動過程中，如何更準確地控制機車和列車管的壓力，直接影響機車和車輛的制動緩解性能。列車管壓力的有效控制可以降低列車的縱向沖動，保證列車的行車安全。以HXD3型電力機車制動機為研究對象，結(jié)合國內(nèi)外制動機的研究現(xiàn)狀，詳細分析了制動機的總體組成，并簡要介紹了各部件的工作原理。然后，研究分析了制動器單制動功能、常用制動功能、緊急制動功能和駐車制動功能的氣路控制原理。最后，對HXD3型電力機車制動機的常見故障進行了介紹和分析，并提出了相應的對策性的故障處理建議。希望能給我國電力機車的制動故障處理提供可行性的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞HXD3型電力機車制動機故障處理目錄TOC\o"1-3"\h\u59621緒論 3313221.1選題背景 3148791.2選題意義 3161031.3國內(nèi)外制動機發(fā)展歷程 3101061.3.1國外自動機的發(fā)展歷程 3326221.3.2國內(nèi)制動機的發(fā)展歷程 479892HXD3型電力機車CCBⅡ制動機結(jié)構(gòu)與功能概述 4294192.1HXD3型電力機車制動機結(jié)構(gòu)分析 484082.1.1自動制動控制器 554602.1.2司機制動閥 643002.1.3制動控制單元 8226692.1.4分配閥模塊 8174032.1.5轉(zhuǎn)向架中繼閥模塊 997442.2HXD3型電力機車制動機功能 1034272.2.1單獨制動功能 10324172.2.2常用制動功能 1113972.2.3緊急制動功能 12124812.2.4停放制動功能 13166902.3空氣流動特性 1391652.3.1空氣在列車管中的流動特性 1380352.3.2空氣通過節(jié)流孔時的流動特性 14258233HXD3型電力機車CCBⅡ制動機故障分析及處理 14175053.1HXD3型電力機車制動機故障分類 14194373.1.1控制電路故障 14248993.1.2氣動部件故障 147053.1.3管路及其連接部分故障 1424233.1.4因操作不當造成的故障 15175893.2HXD3型電力機車制動機故障處理 15128063.2.1主控機車中的故障處理 1595703.2.2從控機車中的故障處理 154117結(jié)論 1730822參考文獻 191緒論1.1選題背景能源是整個國家生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是關(guān)系國家經(jīng)濟發(fā)展和國家根本利益的重大戰(zhàn)略問題。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和科技的不斷創(chuàng)新，我國的能源供應能力進一步提高，能源消費也迅速增長。煤炭占中國能源結(jié)構(gòu)的2/3以上。中國煤炭資源主要集中在北部和西部，而煤炭消費主要集中在東部。能源生產(chǎn)和消費的分布決定了北碳南運和西碳東運的基本格局。隨著煤炭需求的不斷增長，鐵路貨運量日益增加，列車編組也在增加。因此，對列車的制動和緩解性能提出了更高的要求。1.2選題意義HXD3型電力機車空氣制動器包括EP模塊、空檔模塊、中繼閥、分配閥等許多部件。這些關(guān)鍵模塊的機械結(jié)構(gòu)直接影響列車管和制動缸壓力的精確控制。研究關(guān)鍵模塊的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，可以更穩(wěn)定、準確、高效地合理控制列車管和制動缸的壓力，確保列車安全運行。目前，我國正處于新制動技術(shù)逐步國產(chǎn)化的過程中，這對我國鐵路運輸?shù)目缭绞桨l(fā)展有著非常重要的影響。因此，對HXD3型機車空氣制動機的研究具有重要意義。1.3國內(nèi)外制動機發(fā)展歷程1.3.1國外自動機的發(fā)展歷程國外對電氣控制技術(shù)的研究很早。它在20世紀40年代已應用于蒸汽機。20世紀50年代末，國外創(chuàng)新了制動技術(shù)，采用電控電磁閥控制機車的制動過程。20世紀80年代，微機電子技術(shù)在制造業(yè)中得到了廣泛的發(fā)展和應用。20世紀80年代，電子技術(shù)和微機控制技術(shù)發(fā)展迅速，廣泛應用于制造業(yè)。國外機車制動機開始以微機控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對原有的機車制動機進行技術(shù)改造，使其更加適應現(xiàn)代鐵路運輸發(fā)展的需要。目前，這兩種微機控制的電空制動機分別是模擬式電空制動機和數(shù)字式電空制動機，已在國外高速列車和機車上得到應用。例如，歐洲普遍使用符合UIC相關(guān)標準的模擬電空制動機，而日本則廣泛使用數(shù)字電空制動機。兩種類型的制動器均采用微機控制高速切換電磁閥的開啟和關(guān)閉，從而實現(xiàn)EP閥的精確控制，然后優(yōu)化空氣管路的壓力變化，使控制快速準確，從而縮短制動和緩解的響應時間，減少車與車之間的縱向沖擊，提高車鉤的使用壽命。1.3.2國內(nèi)制動機的發(fā)展歷程制動機是列車安全運行的保障，而制動機是整個制動機的主導。我國對鐵路機車制動機的研究己經(jīng)經(jīng)歷了很長一段時期，主要經(jīng)歷了以下三個階段:從1940年到1970年，中國先后研制了et-6制動器和el-14制動器。這兩種制動器是我國鐵路機車的第一代制動器。Et-6制動器曾主要用于蒸汽機車。可實現(xiàn)機車的獨立制動和緩解，適用于不同直徑的機車制動缸。它產(chǎn)生的制動力不會隨著制動時間的增加而衰減。20世紀60年代初，中國逐步開始優(yōu)化和改進et-6制動器的機械結(jié)構(gòu)，使其成為一種兩端可同時操作的空氣制動器，最終定名為el-14空氣制動器。當時制造的el-14制動器主要用于蒸汽機車和內(nèi)燃機車，這大大改善了中國鐵路的整體運輸外觀。20世紀70年代末，JZ-7型空氣制動機和DK-1型電動空氣制動機在我國相繼研制并投入使用，這是我國第二代機車制動機。JZ-7型制動器是四方機車車輛研究所通過對JZ-6型空氣真空兩用制動器進行結(jié)構(gòu)改造而研制的。主要由自動制動閥、繼動閥、分配閥、動作閥和雙機重聯(lián)閥組成。當時，它成為我國鐵路內(nèi)燃機車的主制動器。DK-1電空制動機通過電磁閥控制空氣管路。制動器的結(jié)構(gòu)部件與JZ-7制動器大致相似。這是我國機車制動機發(fā)展史上首次采用電空制動機的控制方式。2HXD3型電力機車CCBⅡ制動機結(jié)構(gòu)與功能概述2.1HXD3型電力機車制動機結(jié)構(gòu)分析圖1制動控制柜示意圖從圖1制動控制柜示意圖可以看出，制動控制柜上裝有很多關(guān)鍵閥類部件，其中不僅有司機制動閥EUROTROL和分配閥，還有轉(zhuǎn)向架中繼閥和直通制動中繼閥等，這些閥類部件所使用的安裝方式都使用板前安裝，這樣既能簡化布管，也能使組裝和檢修變得簡單。2.1.1自動制動控制器自動制動控制器安裝在司機室內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過垂直手柄操作，垂直手柄可分別置于釋放位置、快速釋放位置、操作位置、常用制動位置和緊急制動位置。操作位置和緊急制動位置是手柄可以停止的位置；如果手柄不能停在釋放、快速釋放或常用制動位置，則一旦松開手，手柄將自動返回運行位置。當手柄置于空檔位置時，列車管內(nèi)的壓力保持不變；當手柄置于緊急制動位置時，列車管內(nèi)壓力迅速降至零，實現(xiàn)列車緊急制動；當手柄置于常用制動位置或釋放位置時，列車管的減壓或增壓與手柄的停留時間成正比。因此，列車管的壓力可以分段降低或升高，即階段制動或階段釋放的功能。圖2自動制動控制器自動制動控制器的“電控”模式控制原理如圖3所示:在一般情況時列車制動作用是通過制動控制單元BCU進行控制；當BCU發(fā)生故障時，則通過備用制動模塊進行控制。圖3自動制動控制器“電控”模式控制原理BCU控制將操縱手柄置于不同位置，并向制動控制單元BCU發(fā)送制動或釋放的電氣指令。BCU根據(jù)接收到的指令進行相關(guān)計算，并發(fā)送相應的電信號，以打開或關(guān)閉電空制動控制模塊中的每個電磁閥，從而改變中繼閥的預控制壓力，即平衡氣缸內(nèi)的氣壓，從而控制列車管內(nèi)的氣壓，實現(xiàn)對整列車制動或緩解的控制。備用制動控制是在BCU發(fā)生故障時進行動作，自動制動控制器通過備用制動模塊直接改變中繼閥的預控壓力，實現(xiàn)全列車制動或緩解的控制。2.1.2司機制動閥司機制動閥接收來自BCU的制動信號或緩解信號，然后根據(jù)接收到的信號調(diào)整列車管內(nèi)的壓力，以控制列車實施制動或緩解。駕駛員制動閥主要包括以下部件：減壓閥、釋放電磁閥、制動電磁閥、空檔閥、安全電磁閥、中繼閥和壓力傳感器。其工作原理是通過電信號控制緩解電磁閥和制動電磁閥的動作，控制預控壓力，然后合理控制中繼閥的開度，實現(xiàn)列車管壓力的精確控制。其工作原理如圖4所示。圖4司機制動閥氣動原理圖2.1.2.1調(diào)壓閥DE-PI主風管與氣源相連，為司機制動閥供氣，但主風管內(nèi)氣壓大且不穩(wěn)定。Depi調(diào)壓閥將主風管的壓力調(diào)節(jié)到650℃uu5kPa以內(nèi)，主要功能是防止高于過充的空氣壓力直接作用在繼動閥上。2.1.2.2電磁閥制動電磁閥ve（SG）、釋放電磁閥VE1（DG）和ve2（DG）協(xié)同工作，以實現(xiàn)對預控制壓力re的精確控制。當釋放電磁閥VE1（DG）通電時，預控壓力重新升高（制動后釋放）；當制動電磁閥ve（SG）通電時，預控壓力re降低（制動效果）。當釋放電磁閥VE1（DG）出現(xiàn)故障時，釋放電磁閥ve2（DG）用作補充。安全電磁閥ve（SEC）必須始終通電。一旦緊急情況下需要緊急制動，它可以產(chǎn)生初始制動壓力。一旦電源出現(xiàn)問題，電磁閥將處于斷電狀態(tài)，使均衡風缸中的壓縮空氣立即排放到大氣中。當制動電磁閥ve（SG）出現(xiàn)故障時，安全電磁閥ve（SEC）將用作冗余，以確保駕駛安全。2.1.2.3中立閥VV(N)空檔閥vv（n）內(nèi)置在駕駛員制動閥中，由電磁閥ve（n）控制，以防止主風管向中繼閥Q（P）CG供氣，從而停止向列車管的流量輸出。該命令可通過BCU或由駕駛員控制的三位空檔開關(guān)獲得。2.1.2.4中繼閥Q(P)CG中繼閥向列車管提供壓力氣體，使列車管內(nèi)的氣壓與預控壓力re保持一致，中繼閥具有一定的流量放大作用。2.1.3制動控制單元制動控制單元BCU控制駕駛員制動閥的氣動裝置。BCU通過FIP總線與列車計算機連接，通過RS422串行通信通道與Locotrol遠程重聯(lián)控制裝置連接。如圖5所示，由自動制動控制器確定的輸入信號或來自機車遙控裝置的制動指令被傳輸?shù)紹CU，以計算均衡氣缸的壓力，然后發(fā)送命令控制每個電磁閥組件，通過閉環(huán)控制獲得列車制動或緩解所需的預控制壓力re。圖5BCU閉環(huán)控制原理圖2.1.4分配閥模塊每節(jié)機車的兩臺轉(zhuǎn)向架共用一個分配閥模塊，分配閥模塊包括分配閥、副風缸、控制風缸、分配閥截斷塞門以及轉(zhuǎn)向架中繼閥等部件，其氣路原理如圖6所示。圖6分配閥模塊氣路原理圖2.1.4.1分配閥從分配閥模塊的氣路示意圖可以看出，Rb（is）CP/CG旋塞可以將分配閥與主風管和列車管隔離。可通過SW4分配閥的客貨列車轉(zhuǎn)換手柄改變制動器的運行方式，以控制列車管的恒壓。位于貨車位置時，列車管恒壓500kPa；當處于乘客位置時，列車管的恒壓為600kpa。轉(zhuǎn)換手柄下的微動開關(guān)可以將轉(zhuǎn)換手柄的動作位置信息傳輸給牽引力控制單元。2.1.4.2副風缸總風管通過FI-RB(IS)CP過濾器和RB(IS)CP隔離塞門持續(xù)給副風缸進行供風。副風缸為機車空氣分配閥、轉(zhuǎn)向架中繼閥和停放制動裝置等提供所需的壓縮空氣。2.1.4.3控制風缸控制氣缸通過分配閥充滿空氣。通過打開和關(guān)閉旋塞Rb（is）RC，可以將制動器置于主釋放位置和階段釋放位置。當旋塞Rb（is）RC打開時，如果機車處于釋放狀態(tài)且列車管壓力大于300kPa，壓差控制閥vv（RT）RC將檢測列車管與R（T）氣缸之間的壓差。當壓差大于20KPa時，控制風缸為列車管提供壓力空氣；當壓差低于20KPa時，控制風缸至列車管的充氣通路將關(guān)閉，分配閥將再次向控制風缸補充空氣。2.1.5轉(zhuǎn)向架中繼閥模塊轉(zhuǎn)向架中繼閥模塊主要用于向轉(zhuǎn)向架制動裝置供氣。如圖7所示，機車空氣分配閥產(chǎn)生的預控壓力由轉(zhuǎn)向架中繼閥Q（P）FR2接收。中繼閥的輸出壓力通過制動缸隔離旋塞傳遞到轉(zhuǎn)向架制動缸，制動缸壓力為（375±10）kPa。電動氣動轉(zhuǎn)換電磁閥ve-q（P-COM）f聯(lián)鎖空氣分配閥輸出的空氣壓力。當無法使用空氣制動時，中繼閥的先導壓力將在4-5s內(nèi)通過dia-ve2-q（P-COM）f的排氣孔排出。圖7轉(zhuǎn)向架中繼閥模塊氣路原理圖2.2HXD3型電力機車制動機功能電力機車空氣制動主要包括兩部分：機車制動控制部分和基本制動部分。空氣制動在整個列車制動中起著重要作用。列車管內(nèi)氣壓控制的準確性直接影響到整個列車的制動性能。以HXD3型電力機車為研究對象，分析了整臺機車空氣制動機的作用。機車制動機包括三條管路：主風管、列車管和平均管。主風管為列車的管路、氣缸及各種閥門部件提供氣源；機車列車管與車輛列車管連接，保證機車通過控制列車管壓力及時調(diào)整整列車制動缸壓力；平均管主要用于控制重聯(lián)機車制動缸的壓力，使兩臺機車的制動和緩解功能保持同步。機車制動主要分為四種方式：獨立制動、常用制動、緊急制動和停放制動。2.2.1單獨制動功能機車單獨制動通常在機車單獨駕駛(如調(diào)車時)采用，它是一種直接向轉(zhuǎn)向架制動缸供風的制動模式。其氣路原理如圖8所示。圖8單獨制動模塊氣路原理圖當機車處于分離制動模式時，分離制動控制器直接控制分離制動中的電磁閥。當電磁閥處于斷電狀態(tài)時，主風管直接向制動缸提供壓縮空氣；如果電磁閥有問題，Rb（is）FD旋塞將隔離單獨制動產(chǎn)生的輸出。減壓閥將先導氣回路中的最大壓力限制在300kPa。如果將單獨的制動控制器移至制動位置，ve1fd和ve2fd電磁閥在接收到電信號后處于斷電狀態(tài)，Q（P）fd中繼閥的先導室通過300±10KPA的壓力調(diào)節(jié)閥充氣，制動缸將達到相同的壓力并施加制動效果；當獨立制動控制器移動到釋放位置時，ve2fd電磁閥通電，使Q（P）fd中繼閥的先導室壓力通過直徑（SG）fd孔逐漸排放到大氣中，制動缸壓力將逐漸降低；當獨立制動控制器移至空檔位置時，ve1fd電磁閥通電，ve2fd電磁閥斷電。此時，Q（P）FD中繼閥的先導室將保持恒定。2.2.2常用制動功能常用制動模式是制動器最常用的制動功能，用于控制列車的減速和停車。通常可以完成列車的分階段制動和分階段緩解。HXD3型電力機車的制動方式主要依靠電制動和空氣制動的復合制動。首先考慮的是電制動。當電制動不足時，自動制動控制器控制列車管內(nèi)的氣壓，實施空氣制動。常用制動的基本模式如圖9所示。圖9常用制動基本模式BCU接收到制動指令后，司機制動閥中的壓力傳感器以模擬信號的形式將均衡氣缸中的氣壓傳輸給BCU。BCU根據(jù)信號發(fā)出指令，控制制動電磁閥和緩解電磁閥的通電或斷電，以調(diào)節(jié)列車管壓力的降低或升高；SW4分配閥根據(jù)列車管壓力將輔助風缸的供風或排風分配到制動缸，實現(xiàn)整列車的制動和緩解。2.2.3緊急制動功能緊急制動模塊由緊急電磁閥、緊急排風閥和緊急閥隔離塞門組成，其氣路原理圖如圖10所示。圖10緊急制動模塊氣路原理圖緊急制動模塊使用高速開關(guān)電磁閥控制氣動閥進行相應的機械動作。當緊急電磁閥1或緊急電磁閥2通電時，列車管通過緊急排氣閥直接與大氣相連，進行快速排氣，實施緊急制動。為了防止列車管因緊急排氣閥突然失效而膨脹，增加了緊急閥隔離旋塞，以隔離緊急制動模塊。在緊急閥隔離旋塞和緊急排氣閥的上端安裝有微動開關(guān)，用于監(jiān)測和判斷緊急排氣閥和緊急閥隔離旋塞的工作狀態(tài)。緊急制動功能在緊急制動中，司機操作司機室的緊急制動設備后，采用電制動和空氣制動進行聯(lián)鎖制動，保證列車在緊急情況下的最大減速度。通過自動制動控制器或安全回路的緊急按鈕或緊急電磁閥，打開直徑為25mm的排氣孔進行快速排氣，以快速降低列車管的壓力。同時，制動控制單元BCU檢測到微動開關(guān)的狀態(tài)，并開始控制列車實施緊急制動，以獲得最大減速度并快速停車。機車的邏輯控制還可以實現(xiàn)機車的緊急制動。在重型聯(lián)合列車中，從機車通過機車控制系統(tǒng)接收主機車發(fā)送的信息，實施緊急制動。2.2.4停放制動功能當機車長時間停留在斜坡上時，為防止機車單機溜放，須實施停放制動以保障機車安全。停放制動模塊的氣路原理圖如圖11所示。圖11停放制動模塊氣路原理圖當機車處于停放制動狀態(tài)時，通過列車管的排氣實現(xiàn)自動空氣制動。在分配閥的控制下，輔助風缸通過雙穩(wěn)態(tài)電磁閥持續(xù)向制動缸供氣。如果機車長時間停放，由于外部泄漏，輔助風缸內(nèi)的氣壓會逐漸降低。此時，彈簧將逐漸動作，以確保制動效果。2.3空氣流動特性2.3.1空氣在列車管中的流動特性列車管是一個細長的風道，空氣屬于彈性材料。管壁阻力對氣流的阻力不容忽視，空氣在列車管內(nèi)的傳播會產(chǎn)生壓降?？諝鈮航档膫鞑ナ且环N類似于聲波的空氣波，但它不能以某種形式在周圍擴散，只能沿列車管向后傳播。列車管中的減壓波是振動波的一種形式，它在壓縮空氣空間中傳播，并具有相應的振動規(guī)律。列車管內(nèi)壁的阻力使空氣流速遠小于減壓波速，減壓過程中的氣流方向與壓降波的傳播方向相反。2.3.2空氣通過節(jié)流孔時的流動特性氣體通過收縮噴嘴的流動狀態(tài)與節(jié)流孔相似，是氣體處于流動狀態(tài)時從大截面向小截面的過渡。因此，通過分析通過節(jié)流孔的氣體質(zhì)量流量，可以得到通過收縮噴嘴的氣體質(zhì)量流量。當氣體通過收縮噴嘴時，假設它以理想氣體的形式通過噴嘴，氣流為一維等熵流。當容器中的壓力和溫度保持恒定時，收縮噴嘴中的壓力和溫度將與容器中的壓力和溫度一致。3HXD3型電力機車CCBⅡ制動機故障分析及處理3.1HXD3型電力機車制動機故障分類3.1.1控制電路故障在和諧機車上，驅(qū)動控制閥的制動器在微機控制的電-氣模式下運行。同時，許多閥門部件都有電氣連接點，并長時間返回BCU。制動轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)采用電氣控制方式，控制電路經(jīng)常出現(xiàn)故障。操作功能不正確的原因有：虛擬端子、插頭和插座松動、電路焊接故障、變阻器和二極管損壞。打開電動氣動閥線圈，將控制電纜短路并接地，將導致執(zhí)行器故障。因此，一些控制電路故障時有發(fā)生。3.1.2氣動部件故障這類故障主要發(fā)生在啟動部件的滑動部件中。它通常出現(xiàn)在閥門的滑動部件中。例如，由于缺少潤滑脂，各種應急配氣閥的零件會卡住，導致氣路無用；由于長時間工作，彈簧損壞，閥門零件也會出現(xiàn)問題；如果橡膠件老化后脫落，氣路會堵塞或放氣，制動器的制動效果會降低。閥門小孔堵塞也會干擾閥門的正常運行。3.1.3管路及其連接部分故障這些故障主要是堵塞和泄漏。例如：接頭漏風、風管漏風、砂管堵塞等。該故障一般比較明顯，主要是堵塞和泄漏。閥座隱蔽孔的泄漏會排出一些空氣。例如，在冬季，具有排水和過濾功能的部件可能會被灰塵或冷凍水堵塞，管道中混合的機械雜質(zhì)會導致彎曲部件和直徑以及空氣管接頭和管道堵塞。零件的安裝表面經(jīng)常泄漏。3.1.4因操作不當造成的故障在使用機車之前，駕駛員是否充分研究并掌握了駕駛員控制閥制動機的功能和原理？在操作機車時，機車是否可以根據(jù)制動器的操作要求進行操作直接與故障的發(fā)生有關(guān)。如果機車運轉(zhuǎn)，違反規(guī)定并且處理不當，制動機將發(fā)生故障。3.2HXD3型電力機車制動機故障處理3.2.1主控機車中的故障處理主控機車故障，這就是我們所說的備用制動問題。如果故障發(fā)生在主控機車的a端，司機必須轉(zhuǎn)動a機車的rbfse旋塞，并將其轉(zhuǎn)換為B部分的制動器進行控制。在運行過程中，當a部分的rbfse旋塞關(guān)閉時，該端的駕駛員制動閥被隔離，vv（is）rm閥中的先導壓力被消除；同時，B部分的ve-umrm閥失去了控制列車管道的動力。這樣，司機制動閥從B部分接收到的來自a部分的控制信號將用于控制機車制動和緩解、過充、快速緩解和緊急制動。這種處理方法是一種特殊的方法，用于駕駛員在工作途中遇到制動問題。當電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，最簡單的方法是改變空氣位置進行操作。在《問題應急解決方案表》中，如果我們談到改為空平運行，則應在機車正常空平運行的基礎(chǔ)上進行。為了消除電子控制系統(tǒng)影響“空氣水平”運行的隱患，我們必須將153換向閥旋轉(zhuǎn)到空氣水平，關(guān)閉14zk，形成完全依靠空氣控制的制動方法。3.2.2從控機車中的故障處理在機車運行期間，如果無線再接合機車的A端存在嚴重故障，則A部分的BCU將自動隔離駕駛員的制動閥，此時BCU命令=1。同時，B端的BCU開始控制列