HXD3型电力机车通风冷却系统故障处理解析.docx

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HXD3型电力机车通风冷却系统故障处理解析

黑龙江交通职业技术学院

铁道机车车辆（电力机车）专业

毕业设计（论文）

黑龙江交通职业技术学院

2015年12月

毕业设计（论文）

HXD3型电力机车通风冷却系统故障处理

尤猛

黑龙江交通职业技术学院

2015年12月

毕业设计（论文）

HXD3型电力机车通风冷却系统故障处理

姓名

：

尤猛

指导教师

：

张靓

专业

：

铁道机车车辆（电力机车）专业

学院

：

机车车辆学院

答辩日期

：

2015年12月

单位

：

黑龙江交通职业技术学院

摘要

电力机车是通过大功率能量转换设备，将接触网上的电能转换为动能驱动机车运行，随着电力机车的发展，这些大功率电器设备的功率越来越高，但由于电力机车重量和空间的限制，这些大功率电器设备都尽量做的重量轻、体积小。

而这直接造成的结果就是这些电器设备自通风散热能力较差，这就与这些电气设备工作室不可避免要产生大量的热量发生了矛盾。

因为产生的热量如不能及时散发掉，就要引起温度的升高；温升过高就将影响正常设备的工作，以至将设备烧坏，尤其一些大型的电器设备。

如机车的主变压器、牵引电动机、主变流器、平波电抗器、各种辅助设备等。

它们在运行中要产生大量的热，单纯依靠自然冷却，远远不能满足自然需要，为了保证这些设备的正常工作，必须装设专门的通风冷却设施，对这些设备进行强制性散热冷却，保证他们的工作温度能维持在允许的工作范围内。

此专门的通风冷却设施称为电力机车的通风冷却系统。

本文是通过介绍电力机车的通风冷却系统的结构和作用，从而引出一系列的故障原因和应急处理办法。

关键词：

通风冷却系统；主变压器；牵引电动机；主变流器；

Abstract

Electriclocomotiveispowerconversionequipment,whichcanbeconvertedintokineticenergy.Withthedevelopmentofelectricpower,thepowerofthepowersystemishigherandhigher.Andthisisdirectlycausedbytheresultsoftheseelectricalappliancessincetheventilationcoolingcapacityispoor,whichisinevitabletoproducealargenumberofheatandtheheatoftheworkshop.Becausetheheatgenerated,suchasnottimelysendoutwillcausetemperaturerise;temperatureistoohighwillaffecttheequipmentnormalwork,evenwillburnoutequipment,especiallysomelargeelectricalequipment.Suchasthemainengineofthemaintransformer,tractionmotor,themainconverter,flatwavereactor,avarietyofauxiliaryequipment.Theyarerunninginordertoproducealotofheat,simplyrelyonnaturalcooling,farfrommeetingthenaturalneeds,inordertoensurethenormalworkoftheequipment,theequipmentmustbeequippedwithspecialventilationcoolingfacilities,themandatorycoolingofthesedevicestoensurethattheirworkingtemperaturecanbemaintainedwithintheallowableoperatingrange.Thisspecialventilationcoolingsystemiscalledtheventilationcoolingsystemofelectriclocomotive.

Inthispaper,thestructureandfunctionoftheventilationcoolingsystemofelectriclocomotiveareintroduced,andaseriesoffaultcausesandemergencytreatmentmethodsareintroduced.

Keywords:

Ventilationcoolingsystem;maintransformer;tractionmotor;Mainconverter

第1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

电力机车是通过大功率能量转换设备，将接触网上的电能转换为动能驱动机车运行，随着电力机车的发展，这些大功率电器设备的功率越来越高，但由于电力机车重量和空间的限制，这些大功率电器设备都尽量做的重量轻、体积小。

而这直接造成的结果就是这些电器设备自通风散热能力较差，这就与这些电气设备工作室不可避免要产生大量的热量发生了矛盾。

因为产生的热量如不能及时散发掉，就要引起温度的升高；温升过高就将影响正常设备的工作，以至将设备烧坏，尤其一些大型的电器设备。

如机车的主变压器、牵引电动机、主变流器、平波电抗器、各种辅助设备等。

它们在运行中要产生大量的热，单纯依靠自然冷却，远远不能满足自然需要，为了保证这些设备的正常工作，必须装设专门的通风冷却设施，对这些设备进行强制性散热冷却，保证他们的工作温度能维持在允许的工作范围内。

此专门的通风冷却设施称为电力机车的通风冷却系统。

1.2本文研究的主要内容

电力机车上装有大量的电器设备，如主变压器、主变流器、牵引电动机等，这些器都是功率器件，工作时因铁耗、铜耗及其他损耗，将产生大量的热量，为使这些部件的温升不超过允许值，机车往往采用强迫通风的冷却方式降温，以确保机车可靠工作。

本文对HXD3型交流传动电力机车通风系统的作用、设备布置、结构特点、故障处理等进行介绍。

第2章HXD3型电力机车通风冷却系统

2.1HXD3型电力机车通风冷却系统的类型

HXD3型电力机车通风冷却系统主要由4部分组成。

第一部分为牵引电动机通风冷却系统，用来对牵引电动机的强迫通风冷却；第二部分为冷却塔通风系统，用来冷却主变压器油和主变流器水；第三部分为辅助设备通风冷却系统；第四部分为机械间走廊通风冷却系统，用来保证机械间工作时温度不过高，并形成正压和保证一些设备的用风。

具体布置如图2-1所示。

图2-1HXD3型电力机车的设备布置

2.1.1通风机的类型和特点

车内通风机有两种，一种是轴流式通风机（风扇），另一种是离心式通风机（鼓风机）。

轴流式通风机（风扇）：

叶轮轴与风道平行，或无风道。

叶轮由电动机驱动高速旋转时，由于叶片有一定的倾斜，形成空气的轴向流动。

叶轮背后形成真空，不断补入外界空气。

如图2-2。

轴流式通风机的特点：

风压较小，风力比较分散；不适宜远距离送风；体积较小；转速较高；效率较高。

离心式通风机（鼓风机）：

在蜗壳形的体内装设叶轮，叶轮由电动机驱动，在体内高速旋转，叶片间的空气被迫旋转，在离心力作用下，沿叶轮径向甩出进入风道。

如图2-3。

离心式通风机的特点：

风压较大，风力比较集中；可以比较远距离的送风（即风道长）；体积较大（蜗壳及风道占有较大的空间）；转速较低（受叶轮形状的影响）；效率较低。

这两类通风机在电力机车上均有采用：

牵引电机装在车下，一般用离心式风机冷却；制动电阻位置较局限，一般用轴流式通风机冷却；司机室电扇属于没有风道的轴流式通风机。

其它设备则两种风机均有采用；

一般情况下，被冷却的设备装在通风机的出风口一侧。

但当一台通风机同时冷却几件设备时，可以采用通风支路的方法；也可以将被冷却设备分别布置在通风机的进风口一侧和出风口一侧。

图2-2轴流式通风机工作原理

图2-3离心式通风机工作原理图

2.2牵引电动机通风冷却系统

HXD3型电力机车配有6台牵引电动机，牵引电动机通风冷却系统由6台牵引通风机来完成，每一台通风机用来冷却每一台牵引电动机。

其构造为，冷却风从顶盖的通风窗处进入，在送入电动鼓风机中，然后由电动鼓风机通过通风道将

冷却风送入电动机中进行冷却，最后排到大气中。

此通风机组由RAF-60/THTF5.3型通风机和TIKK-FCKW8/YFDQ185/FVF160DL1-2/JD160型电机组成。

通风机构造请参照图2-4和图2-5。

图2-4牵引通风机构造图（排风侧）

图2-5牵引通风机构造图（进风侧）

2.2.1牵引通风机的构造及特征

1）构造

电动机为单轴带脚全封闭外冷式三相感应电动机（F种绝缘），安装在鼓风机基座上，叶轮为低噪音离心轴流式，安装在电动机轴端部，为轴承是内置式构造。

电源线连接在风扇罩外侧端子箱内的端子板上。

2）特征

①采用斜流风扇

②惯性分离过滤器对应必要的风量和静压增量

③外框和叶片的间距变大防止冻结

④防止噪音

2.2.2性能及额定值

性能及额定值如表2-1

表2-1性能及额定功率

电动机

鼓风机

方式

笼型

方式

离心轴流式

通风方式

全封闭外冷式

风量

2.35m3/s（141m3/min）

相数

3Ø

极数

2P

额定值

连续

转速

2930r/min

输出功率

18.5kW

记事

额定性能是在20℃、1气压（760mmHg）的值

电压

380V

电压变动范围

380V

-5%～+5%

电流

35.5A

频率数

50Hz

转速

2930r/min

绝缘种类

F种

周围温度

（保管温度）

-25℃～40℃

（-40℃～40℃）

保护方式

IP44

涂色

RAL1208005

总质量

298kg

2.2.4检修项目及检查基准

1通风机的检查项目

1）通风机运转时检查有无异常声响、异常震动。

检查基准要求通风机转动时无异常声响及异常震动。

2）检查各安装螺丝有无松动。

检查基准要求通风机各安装螺丝无松动。

3）检查各个部件有无损坏以及灰尘附着（叶轮、外壳、导风筒等）。

检查基准要求通风机各个部件无损坏及灰尘附着，并清扫各部件。

4）检查通风机叶轮静平衡。

检查基准要求用手轻轻拨动叶轮，叶轮不会停在同一位置。

如果停在同一位置，是叶轮不平衡的表现，因此要确认有无平衡配重，并清扫叶片。

5）检查叶轮和导风板的间隙。

检查基准要求叶轮和导风板的间隙最低2mm（用塞规等工具进行测量）。

6）确认在组装后的振动情况（振幅），在振幅超过限值的情况下，确认动平衡。

将通风机放于操作台上，一额定电压、额定频率运转，基风扇罩安装支架的振幅在上下、左右、轴向三个方向小于30μm；残留不平衡量的限值在0.35g以下（两面要一起修正）。

2电机的检查项目

1）电机运转时有无异常声响、异常震动。

检查基准要求电机运转时无异常声响及异常震动。

检查各安装螺丝有无松动。

检查基准要求各安装螺丝无松动。

2）检查定子组装及转自组装。

检查基准要求定子转子无变色、损伤。

3）检查绝缘电阻。

检查基准要求各端子和接地间为500V，用兆欧表测量在10MΩ以上。

4）检查轴承大修时是否更换。

5）检查蝶形弹簧装置。

检查基准要求蝶形弹簧装置无损伤、疲劳等现象另外、全检时需更换。

6）检查轴承套有无磨耗。

检查基准要求如有磨耗，进行修补或更换。

7）确认垫圈类部件的劣化情况。

检查基准要求确认垫圈的劣化情况无裂痕等不良现象，如有裂痕更换。

2.3复合冷却器

HXD3型电力机车每台配有两台复合冷却器，复合冷却器的型号为FL220，复合型全铝合金板翅式高效冷却结构，如图2-6所示，上部为水散热器（冷却介质：

50%纯水+50%乙二醇），用于冷却主变流器，下部为有散热器（冷却介质：

变压器油），用于冷却主变压器。

图2-6复合冷却器

1-水冷2-油冷

主要技术数据：

冷却方式：

强迫水、油循环风冷方式

总散热量≥220kW，其中水散热器≥100kW，油散热器≥120kW

强迫通风量6.5m3/s；总风阻不大于1200Pa

水流量16m3/h

油流量45m3/h

进口温度风温42℃，水温66℃，油温85℃

出口温度风温不小于76℃，水温不高于60℃，油温不高于79℃

外形尺寸（1400×1050×740）mm（长×宽×高）（不包括进出水管）

重量450kg

全铝合金翅板式结构的油冷却器，具有每单位容积的传热面积大、性能优良、体积小、重量轻的优点。

空气冷却复合冷却器，会在冷却器芯子的波纹型散热片上积留灰尘，灰尘过厚将影响散热效果，因此，在每一次中修时，均应清洗冷却芯子。

在堵塞严重时应进行水洗或用水蒸气进行清洗。

2.4复合冷却器通风机组

HXD3型电力机车每台复合冷却器配有一台复合冷却器通风机组，复合冷却器通风机组是为冷却HXD3型电力机车主变压器和主变流器而被安装在机械间室内的。

其构造为，冷却风从顶盖的通风窗进入，在送入电动鼓风机中，然后由电动鼓风机通过通风道送出冷却风对复合冷却器进行冷却，最后排到大气中。

通风机组的构造请参照图2-7所示。

图2-7牵引通风机组和电机

2.4.1复合冷却器通风机组性能及额定值

表2-2为复合冷却器通风机组性能及定值。

表2-2复合冷却器通风机组性能及额定值

电动机

送风机

型号

TIKK-FCKW8

型号

RPF-67B

方式

鼠笼型电动机

方式

轴流式

外罩及通风方式

全闭其他扇形

风量（m3/s）

6.5

相数

3

极数

2

工作保证温度-25至40℃

保管温度-40至40℃

额定值

种类

连续

输出（kW）

20.0

电压（V）

380

电流（A）

38.5

频率（Hz）

50

回转数（min-1）

2930

绝缘种类

F种

轴承

负荷侧

6309VVC3

反负荷侧

6309VVC3

总重量（kg）

284

2.4.2检修项目及检查基准

1复合冷却器通风机的检查项目

1）通风机运转时检查有无异常声响、异常震动。

检查基准要求通风机转动时无异常声响及异常震动。

2）检查各安装螺丝有无松动。

检查基准要求通风机各安装螺丝无松动。

3）检查各个部件有无损坏以及灰尘附着（叶轮、外壳、导风筒等）。

检查基准要求通风机各个部件无损坏及灰尘附着，并清扫各部件。

4）检查通风机叶轮静平衡。

检查基准要求用手轻轻拨动叶轮，叶轮不会停在同一位置。

如果停在同一位置，是叶轮不平衡的表现，因此要确认有无平衡配重，并清扫叶片。

5）检查叶轮和导风板的间隙。

检查基准要求叶轮和导风板的间隙最低2mm（用塞规等工具进行测量）。

6）确认在组装后的振动情况（振幅），在振幅超过限值的情况下，确认动平衡。

将通风机放于操作台上，一额定电压、额定频率运转，基风扇罩安装支架的振幅在上下、左右、轴向三个方向小于30μm；残留不平衡量的限值在0.35g以下（两面要一起修正）。

2电机的检查项目

1）电机运转时有无异常声响、异常震动。

检查基准要求电机运转时无异常声响及异常震动。

2）检查各安装螺丝有无松动。

检查基准要求各安装螺丝无松动。

3）检查定子组装及转自组装。

检查基准要求定子转子无变色、损伤。

4）检查绝缘电阻。

检查基准要求各端子和接地间为500V，用兆欧表测量在10MΩ以上。

5）检查轴承大修时是否更换。

6）检查蝶形弹簧装置。

检查基准要求蝶形弹簧装置无损伤、疲劳等现象另外、全检时需更换。

7）检查轴承套有无磨耗。

检查基准要求如有磨耗，进行修补或更换。

确认垫圈类部件的劣化情况。

检查基准要求确认垫圈的劣化情况无裂痕等不良现象，如有裂痕更换。

2.3辅助设备通风冷却系统及机械间通风冷却系统

辅助设备通风冷却系统主要包括辅助滤波柜和辅助变流器，用来冷却发热的电器元件。

在机械间顶部布置了两个风扇，分别向机械见吹风，主要作用首先是保证机械见正压；其次是像空气压缩机提供所需的清洁空气；第三是赛走机械间电气设备所散发的热量。

第3章通风冷却系统故障处理

3.1辅助风机的故障处理

HXD3型电力机车采用独立通风技术，具有结构简单、进风面积大、风阻小、支路风分配量均匀的特点。

6台牵引通风机组和2台复合冷却风机组分别对应牵引电动机和复合冷却器进行冷却，保障牵引电机、主变压器（油冷）和牵引变流器（水冷）稳定工作。

牵引通风系统中采用了惯性过滤器，具有自动排尘的功能，使得冷却空气净化好，电器部件积尘少，且部分净化空气引入机械间使其保持正压，提高了工作可靠性。

3.2牵引通风机的故障处理

HXD3型电力机车的6台牵引电机由牵引通风机组的6台牵引通风机组进行独立冷却，其安装在机械间内，当冷却风从机顶盖的通风窗口进入后，通过异径风道松日电动鼓风机中，对牵引电机进行冷却，最后排到大气中。

3.2.1牵引通风机故障频发原因分析

目前国内生产的HXD3型电力机车牵引风机驱动电机全部采用免维护轴承。

尽管这种轴承在1～2年的时间内不需要给周呈增加新润滑脂，但是由于机车运行环境苛刻，机车一次运行时间长，造成周呈故障频发。

影响轴承故障主要有以下几个因素。

1.轴承油脂寿命短

以牵引风机JD260电机为例，JD260电机转速3520r/min，轴承平均工作温度70℃，（轴承文均不超过50K），采用6310-2RS1-ZZC3，LHT3耐高温润滑脂，根据《SKF抽成手册》样本可知润滑脂的理论寿命不到1500h，只够机车运行2～3年时间。

实际运行大约1年的风机轴承便处于缺润滑脂的状态，导致风机轴承干磨、发热致使点击烧损。

如图3-1所示，左侧为牵引风机电机轴承因润滑脂磨干，轴承保持架脱落的图片。

从图中可以看出，拆解后的轴承因润滑脂磨干，滚道内的滚珠间的油脂变干、变硬。

图3-1牵引风机电机轴承磨损图

2.环境因素缩短轴承寿命

由于机车运行环境苛刻，空气中灰尘和雾霾中腐蚀性气体会进入电机轴承中，加速轴承的损毁、老化，而且机车一次运行时间长，造成轴承温度高，使机车风机轴承内油脂被磨干，出现风机异音现象。

3.牵引风机电机本身机构问题导致轴承寿命短

风机叶轮和电机轴伸之间存在间隙，下雨天雨水经高速旋转的叶轮后变成水雾，水雾在电机轴伸出凝聚成水珠，因电机是旋转体，轴伸处密封不好是水珠会进入轴承室内部，给周呈造成危害。

因为轴承内的油脂在现有级车运行条件下寿命只有1年左右，1年后又要更换轴承，且轴承更换极为麻烦。

由于轴承装在风机的驱动电机内，更换轴承需要拆卸，对风机特别是电机造成很大的损伤，且增加不必要的检修成本，不但容易拉伤叶轮轮毂和转轴，也极易使端盖轴承室存在超差，同时这些部件一旦损伤还不能对其进行修理，只能更换。

3.2.2牵引通风机故障频发解决办法

根据HXD3型电力机车牵引风机的结构特点，可以与厂方协商合作，对点击安装轴承的端盖和轴承盖进行增加注油孔的改进，使其能通过注油管给轴承加油。

在加油结构的改造的同时提高电机的防护等级，改善点击防水性能，从而使电机轴承寿命和电机整体寿命提高。

使用猪油轴承后每三个月从风机外部注油孔给轴承加一次油，可大幅提高轴承寿命，使风机在三年检修程检修后不再每两年进行一次两年检修程，满足关于三年检修程前风机不能解体的要求，最终达到节约检修成本，提高检修质量的目的，也改善了牵引通风机故障频发的概率。

3.2.3牵引通风机应急故障处理办法

1.处理时断开主断路器，讲主手柄和换向手柄回“0”位。

2.当一组通风机故障时，在牵引/制动画面的故障信息中显示“牵引风机”1或2故障，并伴随有嗡鸣器的响声，断合几个响应的QA11-QA61“通风机”1-6自动开关（上排中间）再试。

同时TCMS会自动将相应的一组CI切除，即主变流

3.器6组中有一组不工作，即故障风机相对应的牵引电动机无流，机车保持5/6的牵引力，可继续维持运行。

4.若故障无法恢复，TCMS会自动将相对应的一组CI切除，也可人为在微机

5.显示屏上手触方法切除，即主变流器六组中有一组不工作，机车保持5/6的牵引力维持运行。

注：

通风机（牵引电机通风机和复合冷却器通风机）不工作，相应的牵引电动机仍有牵引力输出，但随着使用温度会上升，TCMS系统也会动作，将其功率输出封锁并跳主断，机车将失去牵引力。

3.3复合冷却器的故障处理

HXD3型电力机车的复合冷却器由2台复合冷却器通风机组进行独立冷却，其安装在机械间内，当冷却风从机顶盖的通风窗口进入后，通过异径风道松日电动鼓风机中，对复合冷却器进行冷却，最后排到大气中达到对牵引变流器和主变压器散热的目的。

3.3.1复合冷却器的常见故障

HXD3型电力机车投入运用后，复合冷却器最常见的故障是复合冷却器散热器堵塞及堵塞后不能被直观的发现和观察。

由于复合冷却器散热器散热片层与层之间的错位安装，散热片间间隙小，而我国大部分地区春季气候干燥，空气中的沙尘，柳絮等杂质很容易从车顶盖的通风窗进入复合冷却器散热器并吸附和卡在散热片之间，造成散热器堵塞，散热效果降低，影响复合冷却器的正常工作。

同时，在风道内也无安装风速或流量传感器或风速继电器，无法直观的发现复合冷却器风速是否在规定的范围内，而风道盖板又不是透明的，不易直接观察。

当复合冷却器散热器堵塞到一定程度时，就无法满足牵引变压器和主变流器的散热、冷却要求，从而造成牵引变压器和主变流器自身温度升高。

当牵引变压器监测到保护动作阀值（油温动作阀值100±3℃，油流量动作阀值≤200L/min）时，在TCMS的作用下，主断路器跳闸并进行保护；同样，当主变流器监测到保护动作阀值（水温动作阀值75℃，重启温度为55℃，水流量动作阀值≤90L/min）时，主断路器跳闸进行保护，严重时将烧毁主变流器IGBT功率件，造成牵引力丧失，甚至机破发生，影响正常行车。

3.3.2复合冷却器的常见故障的解决办法

通过对复合冷却器故障原因的分析，解决复合冷却器故障的办法有以下几点。

1.在通风电机和复合冷却器散热器之间，采用即插即装的方式安装钢丝过滤

2.网。

采用即插即装的安装方法的目的是为了可以快速的便捷的讲较脏的过滤网拆下清洗，便于清扫后在快速的进行车上安装。

3.在通风电机和复合冷却器散热器之间，加装风速传感器和流量传感器，在显示窗口增设复合冷却器通道内的风速传感器或流量显示器窗口。

以便得知复合冷却器通道内的风速及流量，能更好地预警。

3.3.2复合冷却器风机的应急故障处理方法

1.当一组冷却风机故障时，可断合几次电器开关柜上相应的QA71/QA18复合冷却器通风机1/2自动开关再试。

2.如确实故障，只在TCMS显示器上报故障，机车仍能继续牵引。

3.注意：

虽然能正常工作，但变压器油温会逐渐升高，最终会因为油温高而停止动力输出。

司机可根据牵引吨位