HXD3型电力机车惩罚制动及弹停分析论文定稿解读

毕业设计（论文）题目：HXD3型电力机车惩罚制动及弹停分析
姓名：徐新强
学号：13921099
专业班级：电气工程及其自动化(电力机车)
2015年 10 月 10 日
毕业设计（论文）开题报告
中期进展情况检查表
年月日
目录
摘要 (I)
第一章绪论 (II)
ABSTRACT (III)
第二章：ATP惩罚制动故障进行原因分析 (1)
一、问题的提出 (1)
二、ATP惩罚制动监控装置电路工作原理 (3)
三、影响ATP惩罚制动故障的因素 (4)
四、监控主机硬件故障 (5)
五、制动系统存在问题 (6)
六、监控主机输出到IPM的信号通道上存在问题 (7)
七、实施效果 (10)
第三章：HXD3型电力机车弹簧停放装置故障原因分析及改进措施 (11)
一、问题的提出 (11)
二、HXD3型电力机车是如何对停车制动（弹停）进行控制的 (12)
三、变流器模块斩波试验方法的应用与探讨 (16)
第四章HXD3型电力机车制动控制静态试验程序 (17)
一、制动控制静态试验程序 (17)
二、停车制动（蓄能制动）试验 (20)
三、制动缸压力指示器试验 (20)
实施效果 (21)
参考文献 (22)
致谢 (23)
摘要
摘要：针对HXD3型电力机车运行过程中出现的ATP惩罚制动故障进行原因分析，并结合其电路结构和工作
弹停原理：司机通过位于操作台的旋转开关可以对停放制动进行控制。

当旋到制动位，脉冲电磁阀的作用电磁阀得电，于是停放制动缸制动；当旋到缓解位，脉冲电磁阀的缓解电磁阀得电，于是停放制动缓解。

同时设置了停放制动和空气制动的连锁，即当制动缸充风制动时，自动缓解停放制动缸。

关键词：电力机车；ATP惩罚制动；故障；改进措施；监控记录装置；弹停；缓解；
第一章绪论
以保证运行安全为目的，以监测运行速度为手段对列车进行控制的系统称为列车自动保护系统(简称ATP)。

列车运行监控记录装置简称监控装置，是保证列车运行安全为主要目的的列车速度控制装置，采用计算机智能处理对列车运行速度进行安全监控，实现ATP 功能。

就HXD3型机车ATP惩罚制动电路的构成和工作原理进行简单介绍，对运行中出现的典型故障进行分析说明并提出改进措施。

Abstract
To ensure the safe operation for the purpose, to monitor the running speed of train control system is called the automatic train protection system (ATP ).
Train running monitor and record device referred to as the monitoring device, is to ensure the safe operation of trains for the primary purpose of the train speed control device, using computer processing on the operational speed of train safety monitoring, the realization of ATP function. HXD3ATP punishment type locomotive brake circuit structure and working principle are introduced in this paper, the operation of the typical fault analysis and improvement measures.
第二章：ATP惩罚制动故障进行原因分析
一、问题的提出
西安铁路局安康机务段配属的HXD3 0741号电力机车在运用过程中多次无故出现列车管减压，制动系统显示屏(LCDM)报ATP惩罚制动，即LKJ2000型监控记录装置没有记录发出惩罚制动指令，而机车制动系统的微处理器(IPM)却显示收到信号从而发出相应控制指令，致使机车实施惩罚制动，严重影响了机车的正常使用。

图2-1
HXD3型机车ATP惩罚制动电路构成如图1所示。

主要由3部分构成：①监控装置。

监控装置工作的主要过程包括采集列车和线路状态参数，获取运行指令并确定指令目标处的速度控制值，对照指令目标处的速度值计算出列车运行当前必须限定的速度值(限速值)，将采集的实际运行速度与限速值进行比较判断，对实际运行速度达到限速值的情况进行报警，切除牵引或制动等控制指令进行速度控制。

在实现安全速度控制的同时，采集并记录与列车安全运行有关的各种机车运行状态信息。

电路中对应发出惩罚制动指令的为LKJ2000型监控主机；②电缆传输线。

电路主要由监控输出线J152和机车配线840构成；③制动系统。

主要包括继电器接口模块(RIM)、(IPM)、制动显示屏(LCDM)、电空控制单元(EPCU)；RIM是微处理器IPM与机车控制系统和安全装置(ATP)之间通信的继电器接口；IPM主要处理机车制动系统的各种任务，并通过LCDM进行故障记录和状态显示，通过LON网络传送制动指令给EPCU以执行制动命令；EPCU主要由电空阀和空气阀组成，它是制动系统的执行部件。

二、ATP惩罚制动监控装置电路工作原理
图2-2
监控装置内部对应的惩罚制动输出电路图如图2所示。

HXD3型电力机车上的惩罚制动信号为监控主机常用制动输出继电器的常开触点控制；正常状态下，监控装置在列车运行速度超过允许的限制速度时输出卸载指令，而当卸载不能使列车减速，此时由监控装置发出制动指令使列车实施常用制动，迫使列车减速。

即在满足监控装置输出制动指令的条件下，监控主机会发出惩罚制动的指令GF’(关风)，使对应的继电器RL得电动作，RL 继电器常开触点闭合，从而使J152(GFO)输出110 V的高电平信号，信号通过840传输给制动系统，同时在监控记录上会记录发生惩罚制动指令机车的运行状态；制动系统IPM在接收到该信号后通过LON网络传送指令给EPCU执行相应命令来控制机车空气管路的压力，实施惩罚制动，并且在制动系统对应的显示屏LCDM上记录下该故障信息为“ATP”惩罚制动”。

三、影响ATP惩罚制动故障的因素
根据ATP惩罚制动电路的工作原理可知产生该误动作的信号并不是由监控装置正常发出的，故结合机车惩罚制动的电路组成进行故障分析，可知能够造成ATP惩罚制动误动作故障主要有3种情况：(1)监控主机硬件故障；(2)制动系统故障；(3)监控主机到制动系统的信号传输通道故障。

四、监控主机硬件故障
监控主机本身硬件故障即监控主机内部对应的惩罚制动输出继电器RL 线圈串电，造成继电器得电动作或者是继电器RL 的常开触点部分由于干扰受大电流击穿而闭合，造成惩罚制动指令的输出，制动系统得到惩罚制动的信号后，执行机车惩罚制动动作。

即误动作的状态是由于没有经过监控装置的条件控制，直接因硬件故障而造成的，所以在监控装置上既无文件记录也无任何提示。

五、制动系统存在问题
制动系统本身存在问题一种是IPM设备所允许的门槛电压值偏低；IPM设备对应的惩罚制动输入电压的门槛值正常为32 V，如果故障机车的IPM设备所允许的门槛电压值偏低，当干扰来临时，超过了设备所允许的门槛电压值，从而引起装置误动作。

另一种是IPM上电源和地线处理的不好，11O V电源和地线的干扰进入装置而使装置误动作造成的故障。

另外制动系统的 IPM设备输入端口的抗干扰能力弱，不能有效滤除线路中的干扰信号，则设备也会受到外部干扰，从而影响到系统的正常运行，造成装置误动作。

六、监控主机输出到IPM的信号通道上存在问题
此通道上存在问题有两种可能，一种是机车上的该输出线路存在串电；监控到制动系统的配线主要包括监控装置的J152和机车外部配线840号线，此线路存在串电，即此线路与其他线路之间绝缘存在问题，使得机车在运行过程中，与其他线路接触，引起误动作；另一种则是监控装置的输出接口与IPM的输入接口设计的不完善，使得该线路易受到机车上110 V以上强电信号的干扰，使IPM误判有惩罚制动信号而输出相应的指令给EPCU，从而实施惩罚制动。

通过对监控主机与制动系统的信号通道进行分析发现，现车采用电缆直接连通LKJ2000惩罚输出信号到IPM，而且LKJ2000的监控主机为继电器常开触点输出控制，在无输出时此线为悬空状态；由于机车上使用的大功率设备比较多，特别是一些大的感性负载启停时会给机车电气系统造成严重污染，使得机车电压有较大幅度的涨落。

而在信号线840无输出时，常开触点控制的信号线相当于一个具有天线功能的元件，而且该信号线的走向是经微机柜连接器后沿侧墙走线盒到制动控制柜，走线路径比较长，期间在走线盒中与一些接触器的配线相邻；当机车通过分相区时，一些感性负载的启停，很容易使干扰信号耦合到线路上，引起大的干扰。

当干扰来临时可能会出现一个高于IPM门槛值的电压，从而引起机车惩罚制动。

4解决ATP惩罚制动故障的措施与效果分析以上可知针对监控装置本身硬件故障和制动系统IPM门槛电压低的故障，通过更换监控主机和更换出现问题的IPM和RIM进行解决；对IPM整机的电源和地线处理不当引起的误动作，通过重新布置电源线和地线进行故障处理；如果外部线路存在串电的情况，通过绝缘检查，以排除840与其他线路存在串电的可能。

结合HXD3 0741机车在线运用过程中发生ATP惩罚制动故障处理的具体情况，认为导致ATP惩罚制动误动作的主要原因是监控装置输出到IPM的输入通道接口设计不完善和制动系统输入端口抗干扰能力弱造成的。

具体解决措施可从以下两方面考虑：(1)提高制动系统设备的抗干扰能力由于机车上的11O V 上有众多的大电感负载，如接触器线圈、继电器线圈等，电路接通和断开电感负载时，产生瞬间干扰往往严重妨碍系统的正常工作，干扰信号也会通过多个途径耦合到用电设备中，为此在设备的电源部分要有电涌吸收电路，能够吸收电涌电压以保证设备的正常工作。

而在设备的信号输入电路部分，建议在IPM 设备的信号输入端口上合理的采取滤波措施；滤波是为了抑制噪声干扰，所以合理使用滤波器，可以削弱或抑制干扰，从而保护后级电路.(2)在信号传输通
道上加装下拉电阻由于此信号采用的是监控装置的继电器常开触点控制，惩罚制动无输出时为悬空状态，为高阻态；为减小导线的输入阻抗，减少干扰，在惩罚制动输出信号线上，靠近IPM一侧增加一个1．5 kfU25 W的下拉电阻R,增加电阻后，惩罚制动无输出时，此信号线不再为悬空状态，确保惩罚制动信号线对蓄电池负极电压为0，当信号线受到外界干扰时，通过此下拉电阻提供一个连续到地的电流通路,来吸收导线上传播的能量，即将干扰信号通过该电阻引入地，为干扰信号提供一个释放通道，从而有效消除原惩罚制动信号线对IPM 输人端的外部干扰。

LKJ2000内部输出继电器的负载能力约300 mA的电流，在惩罚输出信号线上增加的电阻吸收电流约74 mA，IPM在惩罚制动信号输入有效时所需电流不足10 mA，故增加的电阻不会对LKJ2000的负载输出造成影响，而且由于电阻是并联在IPM的输入上的，因此对 IPM的有效输入电压也不存在影响。

故增加该下拉电阻不会对整个线路造成不良影响。

缺点就是在电阻上消耗功率，存在电阻发热耗能。

鉴于现车改造方便，目前在HXD3 0741号机车上就是采取加装下拉电阻方案。

七、实施效果
自2010年4月在HXD0741号机车上增加下拉电阻以来，该车运用效果良好，未再出现由于线路干扰造成的ATP惩罚制动故障。

通过加装该下拉电阻可以有效地减少由于线路干扰造成的制动系统误动作，同时也对制动系统IPM输入端口的干扰起到一定的抑制作用。

在通过HXo3 0741号机车验证加装效果后，我们对配属西安铁路局安康机务段的3o台HX。

3型电力机车全部加装了下拉电阻，目前运行情况很好。

第三章：HXD3型电力机车弹簧停放装置故障原因分
析及改进措施
一、问题的提出
2009年生产的配属西安铁路局安康段的HXD3型电力机车，在实际运用过程中多次出现弹簧停放(简称弹停)装置自动上闸故障，严重者造成轮对擦伤，影响行车安全。

通过分析弹停装置气路工作原理和弹停脉冲阀工作原理，来查找弹停故障原因，为制定有效的整改措施提供理论依据。

二、HXD3型电力机车是如何对停车制动（弹停）进行控制的
司机通过位于操作台的旋转开关可以对停放制动进行控制。

当旋到制动位，脉冲电磁阀的作用电磁阀得电，于是停放制动缸制动；当旋到缓解位，脉冲电磁阀的缓解电磁阀得电，于是停放制动缓解。

同时设置了停放制动和空气制动的连锁，即当制动缸充风制动时，自动缓解停放制动缸。

停放制动装置的控制关系如下：
总风管→脉冲电磁阀→双向止回阀→减压阀→停放制动缸
↑
制动缸压力
在发生供电故障的情况下，也可以使用脉冲电磁阀的手动装置对停放制动装置进行手动操作。

在系统无风的情况下，可以使用停放制动单元的手动缓解装置（位于制动缸夹钳上）缓解停放制动。

手动缓解后，不能再次实施停放制动。

如果需要重新实施停放制动，必须使系统总风压力达到550kPa以上，方可实施停放制动。

图3-1弹停装置气路工作原理
如图l所示，机车在正常运行过程中，制动缸风压为0，弹停风缸及总风缸压力为900 kPa，弹停脉冲阀处于缓解位，塞门开放，弹停制动缸中压力为550 kPa。

气路流向顺序为：总风缸风压一止回阀～一缩堵一弹停脉冲阀一双向止回阀一减压阀一塞门一弹停制动缸。

此时弹簧停车装置处于缓解状态。

当机车停放时，弹停装置作用。

如果通过弹停脉冲阀作用则弹停制动缸中的压缩空气由弹停脉冲阀的排风口排出，如果通过塞门作用则弹停制动缸中的压缩空气由塞门的排风口排出。

制动缶『=风乐弹停风缸风压总风缸风压弹停装置非正常工作原因分析 (1)机车在正常的运行过程中，弹停装置在无人操作时自动上闸，即机车在运行过程中弹停制动缸中的风排出，排风口只有塞门和弹停脉冲阀两个排风口。

产生弹停故障后，司机用操纵台上的弹停控制开关能将弹簧停车装置正常缓解，说明弹停脉冲阀动作。

因为弹停脉冲阀的主阀对工作状态具有记忆功能(靠主阀芯和阀体之间的摩擦力将主阀芯固定在缓解位或作用位)，如果不用手动操作脉冲电磁阀或者给脉冲电磁阀电信号，主阀会始终处于原有的工作状态。

在排除塞门和双向止回阀导致弹停装置非正常工作后，故障原因就锁定在弹停脉冲阀上。

(2)为确认是否为电信号干扰而导致弹停脉冲
阀动作，将控制弹停脉冲阀产生作用的信号线从弹停脉冲阀一端断开，机车再进行运行试验，弹停装置的非正常作用仍再次发生。

故障发生后司机用弹停控制开关可将弹停装置缓解，说明弹停脉冲阀产生了动作，进一步将故障原因锁定在弹停脉冲阀上.车正常运行过程中，弹停脉冲阀处于缓解位，弹停装置缓解，脉冲电磁阀的主阀靠近作用位，电磁阀1和电磁阀2均处于失电状态，P，A连通，总风给弹停制动缸供风。

作排大气排火气位大气弹动缸.
图3-2弹停脉冲阀结构示意图(缓解位)
图3-3弹停脉冲阀结构示意图(作用位)
弹停脉冲阀产生“作用”的动作过程是电磁阀2得电，动铁芯上移，控制风进入作用端腔体，推动主阀向缓解位移动，从而使A，()连通，将弹停制动缸中的压缩空气排人大气，弹停脉冲阀处于作用位，弹停装置作用，弹停脉冲阀动作瞬间内部示意图如图3所示。

三、变流器模块斩波试验方法的应用与探讨
(1)在进行功率模块批量生产之前，应对试制产品进行电容充电斩波试验和老化功率试验，充分对产品设计电路以及制造工艺进行全方位性能考核；
(2)进入模块批量生产之后，采用电容充电斩波为主，结合功率试验的方式。

如果变流器模块为单一桥臂，无法进行功率试验，只做电容充电斩波试验。

特别是对IGBT器件并联的功率模块，必须做斩波试验。

(3)为了进一步确认弹停故障是由于弹停脉冲阀误动作所引起，在弹停故障多次发生的HX 3型0594号机车f 安装监测记录仪。

实时监测弹停脉冲阀作用和缓解电信号及弹停气路中的压力变化(压力测点)。

根据记录显示，机车运行过程中。

出现故障前弹停压力测点测得压力为550 k pa，说明弹停脉冲脚处于缓解的正确位置；发生故障时，测点测得压力逐渐减小，由530kPa减为0，时间为儿秒，与弹停脉冲阀动作的排气过程相同，之后I]机给出缓解信号，对应此时间点的弹停管内的压力开始上升至550 k pa。

由此口I判定弹停脉冲阀在一j机尢操作的情况由“缓解”位动作至“作用”位，从而导致产生故障。

而可能引起弹停脉冲阀动作的来源包括手动操作脉冲阀、电信号、电磁阀误动作3方面。

由于机车已经将脉冲阀作用线断开，因此排除了可能由于电信号而引起脉冲阀动作；而故障发生时又无人手动操作弹停脉冲阀，因此将故障原因完全锁定为弹停脉冲阀自身误动作引起。

第四章HXD3型电力机车制动控制静态试验程序
一、制动控制静态试验程序
1、试验前的检查确认
（1）必须设置停车制动或在车轮下放置止轮器以防止机车移动。

（2）机车总风缸风压不小于750kPa；
（3）检查总风缸截断塞门（A24）打开，总风缸4个排水塞门（A12）关闭；
（4）检查制动系统两端列车管塞门（B81）关闭、两端总风管塞门（B80）关闭、两端平均管塞门（BB94）关闭，紧急制动模块上制动缸截断塞门（Z10.22）打开。

（5）确认自动制动阀手柄在【重联】位、单独制动阀在【运转】位。

2、试验操作程序
二、停车制动（蓄能制动）试验
三、制动缸压力指示器试验
实施效果
2010年4月份将安康段多次发生弹停故障的HXD3型0732号机车的弹停自复位开关改为非自复位开关，经过运用考验，没有出现因弹停脉冲阀误动作所导致的弹停故障。

随后对发生弹停故障的15台车更换了弹停开关，运行至今没有再发生过弹停脉冲阀误动作而引起的弹停故障，消除了机车运行安全隐患。

参考文献
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[7] Lee F C，Deng-ming Peng．Power electronics bluding block and system intergradational
[8]~．Conference Record of IEEE～PIEMC，2001：1—8．
致谢
走的最快的总是时间，来不及感叹，大学生活已近尾声，三年多的努力与付出，随着本次论文的完成，将要划下完美的句号，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着老师的心血和汗水。

老师要指导很多同学的论文，加上本来就有的教学任务和科研项目，工作量之大可想而知，他还在百忙之中抽出大量的时间来指导我们。

他的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，他的渊博的专业知识，精益求精的工作作风，严以律己、宽以待人的崇高风范，将一直是我工作、学习中的榜样。

在我的毕业论文写作期间，老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。

在此向潘京涛老师表示深深的感谢和崇高的敬意。

同时，论文的顺利完成，离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。

在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，让我把握了毕业论文答辩怎么写。

在在他们的帮助下，论文得以不断的完善，终于帮助我完整的写完了整个论文。

最后，也是最重要的，我要感谢我的父母，由于没有他们，就没有现在站在这里的我，是他们赐与我生命，赐与我大学的机会，是他们创就今天的我。

对于你们，我布满无穷的感激。

最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。