工业与信息化
TECHNOLOGY AND INFORMATION
和谐型电力机车微机网络控制及变流系统自主检修研究方案探讨
狄毅莹
中国铁路北京局集团公司机务部 北京 100860
摘 要 和谐型电力机车微机网络控制及变流系统是机车的关键部件，因核心技术不掌握，检修受制于部件制造厂家，是影响机车检修的难题。为了落实国铁集团、集团公司对和谐型机车检修“提质降本增效”的要求，迫切需要在微机网络控制及变流系统自主检修方面进行研究和突破创新。文章对北京局集团公司配属的和谐型电力机车微机网络控制及变流系统的现状进行了分析，提出了自主检修遵循的原则、技术路线、实施步骤、需要突破的关键技术难点和深入研究的问题，形成了研究方案。
关键词 和谐型电力机车；微机网络控制及变流系统；自主检修；研究；方案
1 概述
截至2019年，北京局集团公司配属机车共计1655台，其中和谐型交流传动机车配属944台，占比57%，已成为集团公司配属机车的主流。和谐型机车中内燃机车121台、电力机车823台，电力机车占比87.2%，且承担干线货运及客运牵引任务，是和谐型机车中的主力。近年来，国铁集团、集团公司持续推进以“提质降本增效”为目标的和谐型机车修程修制改革，对和谐型机车部件、关键部件自主检修提出了更高的要求。因此，实现和谐型电力机车微机网络控制及变流系统的自主检修并有所突破创新显得尤为必要[1]。
2 问题的提出
北京局集团公司配属和谐型电力机车的机型主要是HXD2系列和HXD3系列。HXD2系列有HXD2、HXD2B两种机型：HXD2B型机车采用阿尔斯通牵引控制系统，检修已经授权国内企业；HXD2型机车大多数为国产八轴车，牵引控制系统能够实现国内自主检修。HXD3系列机车有HXD3、HXD3B、HXD3C、HXD3D四种机型，其中HXD3、HXD3C、HXD3D三种车型的微机网络控制及变流系统采用东芝的控制系统，目前仍有新造机车在生产，硬件支持及软件升级仍在持续。而HXD3B型机车是庞巴迪的控制系统，到目前为止只生产了500台，后续没有进一步的新造计划，且2019年起陆续进入C6修，选择该车型的微机网络控制及变流装置自主检修作为起步研究较为适合。下面以HXD3B型机车为例，梳理微机网络控制及变流系统运用检修中存在的突出问题，提出自主检修的研究方案。3 研究方案
3.1 现状分析
HXD3B型机车自2009年陆续配属北京局集团公司，已运用10年，电气电子器件、连接器、易损件等的老化问题已日益严重。此外，由于技术封锁等原因，进口产品的牵引逆变器核心部件相关的交付技术资料不够详细，机车检修单位不掌握系统软件更新处置、模块试验检修、综合调整等核心技术，网控系统中的电子装置和变流装置等核心部件的检修主要依赖于变流器厂家。另一方面，通过检修后网络控制系统仍存在通讯丢失、牵引封锁，变流装置IGBT故障等惯性问题，厂家整改效果也不明显。
3.2 遵循原则通过对HXD3B型机车运用检修经验的积累，微机网络控制及变流系统是机车的关键系统，自主检修的研究要深入研究、反复论证、周密安排、审慎推进，发生问题将直接影响机车运
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用质量安全，后果严重。因此，自主检修应遵循以下原则：
（1）遵守国铁集团、集团公司机车检修技术及相关要求。
（2）符合国家知识产权保护相关法规要求。
（3）落实国铁集团、集团公司的检修技术规程和检修范围及标准。
（4）以问题为导向，以解决机车运用检修中的存在的问题为目的。
（5）从小部件到大部件、从一般部件到核心部件，循序渐进开展自主检修的研究和实践，在确保机车运用安全的前提下稳妥推进。
（6）选取国内一流的铁道科研院所、高校或机车及相关部件设计制造单位作为合作伙伴，发挥各自优势，通过共同研究、实践验证、成果推广，由合作检修逐渐向自主检修过渡，形成自主检修能力[2]。
3.3 技术路线 （1）技术路线的选择
HXD3B型电力机车微机网络控制及变流系统自主修目前有两种检修思路：一是保持原车系统不变，对原车系统进行正常检修维护，对故障件进行专项维修，同时开展必要的国产化替代研究和替代，以保障机车正常运用。二是将系统进行国产化整体改造替代，改造使用国内自主化控制及变流系统，自主化产品具有完全自主生产及检修能力。
（2）对比
技术方面：思路一可保证系统总体不发生改变，主要侧重于维修和部分器件的替代，需对设备的硬件结构及软件控制进行技术研究，实现部分国产化替代方案，技术难度相对较小，实现周期较短。思路二需对整个系统的机械结构、通讯数据流、硬件结构和软件控制进行重新设计，开发周期长，技术难度相对较大，实现周期较长。
3.4 实施步骤（1）研究HXD3B型机车微机网络控制及变流系统检修技术规程，明确规程要求的检修范围及技术标准，研究制定检修范围及工艺、作业指导书，研究相关的检修、检测设备和互换配件配置方案。实现按检修技术规程、检修范围及标准检修。
（2）梳理微机网络控制及变流系统惯性故障，摸底质量现状，以问题为导向。经过多年运用检修经验的积累，梳理出HXD3B型机车微机网络控制及变流系统惯性故障主要集中在：VCU、GW网关报故障通信丢失，DCU或功率模块故障，DCU检测网压错误，VCU数据不完整、丢失等几方面问题。针对故
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团公司的相关要求对修复件进行地面试验验证、运用考核、效果评价，确保质量可靠。
（5）在验证合格的前提下，扩大试修部件的检修数量。同时按照国铁集团、集团公司的相关要求进一步扩展试修部件的范围，按要求完成试修、验证、评审、推广等程序。
（6）与合作单位组建维修团队，开展按检修技术规程、检修范围及标准对系统和对验证合格试修配件的合作检修。在合作中培养集团公司机务检修系统自己的技术人员和作业人员，从合作检修逐渐向自主检修推进，形成自主检修能力。
（7）随着检修技术的掌握，进一步扩展其他和谐型机车微机网络控制及变流装置的合作检修和自主检修[3]。4 关键技术难点
4.1 核心部件
障的处理方法基本上是重刷程序或更换配件，更换下来的配件外观无异常，无法判定是否故障或故障原因。
（3）从解决机车质量问题入手，开展已知故障部件的试修。故障部件分两类：一类是被动型不具备软件程序控制的部件，另一类是主动型具有芯片需要核心控制算法或可编程逻辑软件的部件。被动型的部件着重电气电子硬件器件的检测、修复和更换。主动型具有芯片的部件修复工作较为复杂，首先要进行电气电子硬件器件的检测及修复更换，然后还要对芯片的控制算法及逻辑进行专业测试分析和研究，最后进行软件、硬件联合检测调试。结合以上梳理出的HXD3B型机车微机网络控制及变流系统存在的惯性故障，可选取GW网关、VCU、DCU等部件开展试修。
（4）合作单位修复试修故障部件后，按照国铁集团、集
图1 牵引逆变器框架图
机车牵引逆变器如图1所示，主要涉及接触器、支撑电容、IGBT牵引逆变器功率模块、牵引逆变器驱动单元、TCU控制单元（HXD3B为DCU）。其中牵引逆变器功率模块和TCU控制单元为核心部分，也是牵引逆变器检修的重点。针对进口牵引逆变器的功率模块和TCU控制单元需要自行研究相关技术。
4.2 功率模块检修进口部件中牵引逆变器功率模块检修主要集中在IGBT的处理以及驱动板的检修。在能采购到IGBT的情况下，对IGBT进行正常测试，参数符合该型号的要求即可装车测试；因IGBT停产或其他原因采购不到，需要通过IGBT的替代来进行维修，需对IGBT参数进行测定，增加中间适配IGBT的中间驱动转换电路，以适应原车的驱动控制。
4.3 微机网络控制单元及TCU控制单元
由于微机网络控制单元及TCU控制单元为牵引系统的核心技术，进口部件的技术资料非常少，需要搭建模拟整车环境的测试平台来进行测试，设备投入及检修难度较大。
4.4 自主检修及国产化替代工艺为了进一步固化自主检修及国产化替代技术，需要建立完善微机网络控制及变流系统部件自主检修及国产化替代的技术标准，形成相应的检修工艺及作业指导书，结合检修作业人员的业务水平不断实践和修订，推进自主检修工作[4]。
5 需进一步研究的问题
（1）研究评估研发投入及自主检修成本较委外检修成本是否具有优势。研发需要投入一定的试验、检测、检修设备和元器件，组织研发团队，后续开展自主检修将产生一定的人
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中心向两侧对称施焊方法。一方面车体长度方向产生的收缩应力减小，另一方面焊接应力同步焊接方向指向两端，利于应力释放。待长度方向的焊缝全部完成，重新复核车体各门框位置对角线，也采用从中间向两端调整顺序，最后封闭端墙，减小焊接残余应力。（如下图标示）
泛应用于轨道车辆行业，尤其是铝合金材料的焊接。集中的焊接热能使焊接速度可以达到80~100mm/min。在多层多道焊接过程中控制多道焊层间的焊接温度在60~120摄氏度之间。采用先焊长缝，再焊短缝的焊接顺序。长缝产生的焊接应力大，但可以先形成稳定的框架结构，利用结构自身的稳定性内外侧同时施焊，焊接产生的应力能够相互抵消一部分。同时选用沿车厢
3.4 焊后变形的控制，整体冷却
车体结构焊接完成后，在刚性固定的约束下待整体温度降到室温再脱胎。焊接过程的不均匀加热是产生焊接变形的主要原因，焊后采用整体冷却，让厚度大且温度高的地方和整体结构保持温度连续冷却，相互制约平衡，利于焊接残余应力的均匀分布。避免在薄壁的板材表面形成急剧的表面变化形成内凹和外凸。
3.5 超差变形的修复，反撑变形较小的车体对角线如果前述部分工艺措施在作业过程中没有执行到位，造成了车体扭曲变形。在后期的返修过程中可以对车体对角线小的一侧进行反撑，调整到比反撑后的对角线多出收缩余量值，按照正常焊接工艺进行返修，也能挽回一些扭曲造成的差值[4]。4 结束语
综上所述，在对铝合金车体结构焊接过程中，出现焊接
变形是很常见的，通过正确的装配顺序，精确地预留焊接收缩余量；采用高效焊接方法，合理焊接工艺、整体冷却等工艺措施，能够保证车体扭曲尺寸在控制范围以内。如果工艺执行不到位，也可以采用反撑小变形对角线进行二次切割补焊返修，减小扭曲变形。参考文献
[1] 李吉春,马君.轨道车辆焊接制造工艺现状及趋势浅析[J].科技风,2019,(7):143.
[2] 董彦妮,张振鹏.焊接技术在轨道交通车体中应用现状及发展趋势[J].科学技术创新,2019,(5):173-174.
[3] 孙德伟,方斌.焊接技术在动车组铝合金车体焊接中的应用[J].中国新技术新产品,2019,(2):61-62.
[4] 袁新杰.动车组铝合金框架结构的焊接[J].焊接技术,2010,39(7): 25-27.
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工、材料、管理等成本。委外检修经过近几年来的逐步规范，已形成了较为统一的价格。两者相比较，除成本对比外，还要从提高机务系统劳产率、提高职工收入、提升检修职工技术水平、锻炼检修职工队伍等多方面综合考量。
（2）领会研究国铁集团对微机网络控制及变流装置检修的进一步规划，及时调整研究方向。按照和谐型机车修程修制改革的要求，对关键系统的检修有进一步的规划，涉及检修关键技术的平移、关键部件的维修资质管理、检修技术规程的变化等，都会影响检修成本、生产力布局等方面，需要进一步跟进研究。
6 结束语
在机车微机网络控制系统及变流系统自主检修方面，机务检修系统目前存在专业技术人员不足、技术水平不高、检修职工基础知识匮乏、基本技能差、相应的技术资料图纸不完整齐备等问题，给开展和谐型机车关键部件自主检修带来了很大难度。通过以上的研究分析，提出遵循原则、技术路线选择、实施步骤、关键技术难点，需要进一步深入研究自主检修成本和国铁集团的规划，争取逐步实现微机网络控制系统及变流
系统自主检修能力。参考文献
[1] 北车集团大连机车车辆有限公司.HXD3B型电力机车培训教材[M].大连:北车集团大连机车车辆有限公司,2009:1-43.
[2] 佚名.Ministry of Railway Transportation Maintenance Department.HXD3B electric locomotive[M].China Railway Press,2013:51.
[3] 杨守君,刘会岩.HXD3型交流传动电力机车[J].电力机车与城轨车辆,2007,30(4):9-13.
[4] Letor R,Candeloro Aniceto G. Short circuit behavior of IGBTs correlated to the intrinsic device structure and on the application circuit[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,1995,31(2):234-239.
作者简介
狄毅莹（1977－），男，河北省石家庄市人；毕业院校：西南交通大学，专业：热能动力机械与装置，学历：大学本科，高级工程师，现就职单位：中国铁路北京局集团有限公司机务部。
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