CRH3型动车组牵引变流器冷却系统RAMS分析

CRH3型动车组牵引变流器冷却系统RAMS分析

文章阐述了CRH3型动车组项目牵引变流器冷却系统的系统安全性与系统可靠性、可用性以及可维修性（RAMS）的要求，目的是确保冷却系统的系统保证工作能够与车辆厂保持同步开展，以保证列车的正常运行。

标签：CRH3型动车组；牵引变流器冷却系统；RAMS；可靠性框图（RBD）前言

CRH3电动车组在运行过程中，牵引变流器会产生大量的热损耗，而牵引变流器冷却系统的作用就是能够及时将这些热量带走，足见其地位的重要性，因此对其安全性、可靠性、可用性以及可维修性的分析验证，也就变得尤为关键。

1 系统概述

电网提供25kv单相工频高压电、高压电经网侧高压电气设备传递给牵引变压器，牵引变压器将高压电降压后的单相工频电流输出给牵引变流器，牵引变流器将输入电流进行整流、滤波和逆变，输出可调频、调压的三相交流电，驱动三相交流异步牵引电机转动，带动车轮转动、列车运行。在这个能量转化和动力传递过程中，牵引变压器、牵引变流器和牵引电机的电气元件在工作中会产生热损耗，引起电气元件温度上升，如果温度超出元件所能承受的范围，变压器、变流器和电机等将不能正常工作，甚至可能会使电气元件产生绝缘失效、着火等危险。因此，必须采用合适的冷却系统将变压器、变流器和电机工作时产生的热量带走，这样才能保证牵引变压器、牵引变流器和牵引电机正常工作，从而保证机车安全运行。

以16节车厢的动车组长编组为例，牵引变流器冷却系统共8个，分别悬挂在动力车厢EC01、VC03、IC06、IC08、BC09、IC11、IC14、EC16的车底。如图1所示。

图1 牵引变流器冷却系统在列车上的分布

牵引变流器冷却系统构成及原理：CRH3高速电动车组牵引变流器冷却系统为水冷却系统。由以下主要部件构成：水冷基板、冷却装置、膨胀水箱、水泵、过滤器、传感器、各种控制阀门及管路等，其中冷却装置由空气过滤器、散热器、风机组、安装箱体等部件组成。典型牵引变流器冷却系统工作原理见图2。

图2 动车组牵引变流器冷却系统的原理示意图

1-截止阀；2-波纹管；3-散热器；4-风机组；5-水泵；6-膨胀箱；

7-膨胀箱视窗；8-水冷基板；9-功率模块

2 RAMS分析展开

2.1 适用范围

本次RAMS分析的范畴包括变流器冷却系统的主要部件，而不是所有部件，如空气过滤器、散热器、风机组、安装箱体、膨胀水箱、水泵、过滤器、传感器、各种控制阀门及管路等。

2.2 术语和缩写词

FMECA：故障模式、影响及危害性分析

MTBF：平均故障间隔时间

MTTR：平均修复时间

RAMS：可靠性、可用性、可维修性与安全性

RBD：可靠性框图

FTA：故障树分析

λ：反应故障发生的次数（x）与发生故障部件的数量（n）和运行时间（t）的关系

2.3 RAMS目标

可靠性目标：

可用性目标：

可维修性：

■必须保证冷却系统使用正规工厂的设备和工具，特殊工具的使用尽量少；

■避免不必要的螺钉连接，使用插接式部件防止错插；

■清洗时，能够在仅打开侧裙板，拆开过滤网和过滤器的情况下进行，并确保排水顺畅；

■能够在不使用任何特殊保护措施的情况下用自动刷洗设备清洗车辆外部。运行中水的飞溅不会引起故障、失灵和限制，压力传感器、温度传感器等电器件插头防护等级应达到IP67；

■带冷却液运行时，不得有泄漏现象，出现故障能够单独更换冷却器或阀门；

■各部件不得有裂纹、断裂、松动现象，出现故障能单独更换故障件。

安全性：

■不允许配件出现裂纹、断裂、松动现象。

2.4 RAMS建模与设计

2.4.1 假设

一般情况下，外来因素引起的事故，如外来电力中断、水淹或员工错误等，不列为故障。以下非责任故障不会影响产品的RAMS运行考核结果：（1）超过寿命期的损耗件；（2）连带故障（由前级故障导致的故障）；（3）修复前相同故障的重复出现；（4）碰撞、事故、故意破坏；（5）操作或维修人员的疏忽或不遵守操作规程；（6）不按本公司提供的操作或维护作业指导书要求操作和维护；（6）由于预防性维护工作失误导致的故障（如忘记加冷却液等）。

2.4.2 建立RAMS可靠性框图（RBD）

当变流器在工作时，因热损耗产生的热量首先传到水冷基板上，水冷基板再将热量传导到内腔的冷却水中，系统通过水泵将水冷基板内腔中的水强制循环到散热器中，高温水在散热器中通过外部风机强制通风散热，完成热交换后的冷却水再流回水冷基板内腔重复上述冷却过程。

冷却系统中安装膨胀箱，其作用是补偿温度变化引起的冷却液体积的变化；调节水泵进口的压力，若膨胀箱内部的空气压力大于某一规定值时，可以通过膨胀箱上的螺杆阀自动排气。膨胀箱上安装的可视液位仪可以方便地监视系统液位的变化。

由此可知，该系统中的任一部件的失效都可能导致整个系统的故障，根据串联系统的可靠性框图形式，最终得出牵引变流器冷却系统的串联可靠性框图（见图3）.

图3 变流器冷却系统可靠性框图

2.5 RAMS分析过程

2.5.1 RAMS性能的预计

牵引变流器冷却单元成功借鉴CRH3动车组前身德国ICE动车组进行可靠性的预计，并结合CRH3动车组上线以来的故障记录及实际运营期间所得的故障

数据更新了预计，以准确把握RAMS性能与客户要求的相符性。

同时通过以下几方面的设计优化大大降低了冷却系统的故障率：（1）散热器外部涂层的优化，提升了防腐蚀性能；（2）风箱及底板的加强方案，避免了裂纹的发生；（3）浮标开关限位更改为焊接形式，确保了其定位的准确性和牢固性；（4）为适应运行环境，提高温度、压力传感器的防水等级。

2.5.2 RAMS目标值的测试和验证

以冷却能力为例，规范中要求的200Pa车辆负压下的初始冷却能力为67KW，而验证的结果为74.6KW，即使在负压值达到700Pa时，冷却能力虽有下降，但仍可满足67KW的总体要求。如图4所示。

除型式试验以外，牵引变流器冷却系统的各类例行试验，如接地测试、绝缘测试、耐压测试、以及电机的功能测试，测试结果正常。

同时，通过对各类故障数据积累、FTA故障树分析、FMECA分析、维修信息的把握，最终得出结论：牵引变流器冷却系统的可靠性、可用性、可维修性以及安全性完全能够满足技术规范的要求。

3 结束语

RAMS工作是一个长期的系统不断积累不断改进的过程，还需要专业技术人员不断的坚持不懈的更新和维护，以期能够最大限度的保证产品的正常运行和使用。

参考文献

[1]牵引变流器冷却系统技术规范，2009[S].

[2]CRH3项目FMECA分析，2010[S].

[3]铁路应用.可靠型，可用性，可维修性和安全性（RAMS）的演示和规范-EN50126-1：1999[S].

[4]可靠性分析技术.可靠性方框图法-IEC61078：2006[S].

[5]系统可靠性分析技术-故障模式与效果分析程序（FMEA）IEC6081

2：1985[S].