HXN5型内燃机车压力信号异常故障分析

刘峰，吴骏，顾一帆

摘要：HXN5机车压力信号异常故障引起柴油机停机，针对机车压力传感器信号异常原因进行分析，找出故障原因，提出改进措施，提高机车运行质量。

关键词：HXN5机车；压力信号；传感器密封

1 问题的提出

HXN5型机车是中车戚墅堰机车有限公司与GE公司合作开发的适用于干线货运的大功率交流电传动内燃机车，机车投入运用后发生多种压力信号异常故障，具体表现为机车运行过程中间歇性机油压力低故障、曲轴箱超压故障、机油泵出口压力传感器故障、燃油压力低故障、柴油机进水压力低故障等引起柴油机自动停机，造成机破。据统计，2018年以来全路HXN5机车机油压力异常信号故障共13起，其中机破6起、零公里1起、临修5起、碎修1起，尤其是2021年4~6月间C6修后的HXN5机车在哈局接连发生数次机油压力信号异常停机故障，且故障自动复位、无法复现，现场测试压力传感器输出正常，ECB线束接触电阻正常。故障发生后检查机车管路无异常，判定故障为压力信号异常。

针对上述问题，本文对HXN5型内燃机车压力信号异常现象进行分析，明确故障机理，并提出改进措施。

2 原因分析

2.1 ELIP柴油机机油进口压力传感器信号异常

根据GE公司微机软件中柴油机机油压力保护逻辑，机车机油压力保护分为两种：

①机油压力低保护；柴油机达到180 r/min并持续20 s后，柴油机控制单元（ECU）将由柴油机机油进口压力（ELIP）传感器读取的柴油机机油进口压力与定义了最小机油压力值进行比较，若机油压力降到低于最小压力，柴油机控制单元（ECU）采取适当措施。如果司控器手柄在8档、7档或6档，柴油机相应转速下机油的压力低于最小限制值达1 s，柴油机转速将降至5档。若机油的压力持续停留在限制值以下，则每过10 s柴油机转速会降低一档，直至柴油机怠速运转。

②机油压力极低保护；柴油机运行时，柴油机控制单元（ECU）会将传感器（ELIP）读出的柴油机机油进口压力与极低机油压力停机值（对于给定的柴油机转速）的表进行比较。如果机油压力降到停机值，柴油机停机。

根据机车机破后故障数据下载分析如图1所示，发现ELIP压力值异常波动，其中机车微机故障代码01-8111出发报警，故障代码01-0080、01-6062、01-6034触发柴油机停机，从长期数据来看，柴油机转速（右侧纵坐标橙色曲线）为0 r/min时，对应的ELIP（左侧纵坐标蓝色曲线）无故障时为ELIP数据为正值，出现故障停机时ELIP数据为负值。经测量传感器线束电阻均正常。

图1  机破ELIP压力变化过程

采用试验线束模拟传感器ELIP断路和短路故障。传感器ELIP断路时触发故障代码01-8111，短路时触发故障代码01-8110（柴油机润滑油压力超出上限），柴油机不停机。ELIP显示值采用ELSP机油泵出口压力传感器数据进行估算，比ELSP小100kPa～120kPa（14psi～17psi）左右。因此判断ELIP压力值低停机故障非传感器电路断路或短路造成。

采用信号发生器模拟ELIP传感器输出。 模拟信号发生器输出电压在0.5V～4.5V范围内低于保护限值时，触发柴油机停机故障，此时ELIP显示值和信号发生器输出电压对应压力值不一致，观察发现ELIP故障后显示值和ELPP数据相关联，会采用ELPP数据进行估算； 如果超出0.5V～4.5V范围，现象与ELIP传感器电路断路或短路相同。

因此，ELIP输出电压过低可能是传感器本身的输出问题或传感器输入电压下降。鉴于机车机油压力低故障时未出现其他ECU供电的传感器信号故障，因此ELIP输出信号电压过低的原因判定是传感器输出异常，考虑ELIP传感器运用环境较差，长时间受到柴油机振动和环境高低温变化影响，长期运用电气连接可靠性会有所降低，动力室水汽会侵入对ELIP传感器印制电路板，对传感器输出造成影响。

2.2 COP曲轴箱过压传感器信号异常

根据机车机破后故障数据下载分析，曲轴箱压力COP数据到达限制后停机，同样对COP传感器进行试验线束模拟断路和短路故障并采用信号发生器模拟COP传感器输出，得出数据电压在0.5V以下，故障代码8141（曲轴箱空气压力低于下限），COP显示值0kPa；电压在4.5V以上,故障代码8140（曲轴箱空气压力超出上限），COP显示值4.98kPa。当COP模拟输出电压超出（0.5V～4.5V）限值时（对应压力（-3.45kPa～3.45kPa）曲轴箱超压，柴油机停机。结合模拟试验判定，故障不是由线束断路或短路造成，故障也类似于ELIP传感器受环境影响造成输出信号异常。

2.3 EWIP柴油机水进口压力传感器信号异常

鉴于ELIP和COP压力信号异常的分析结论，通过对谁压力传感器进行拆解，发现EWIP传感器O型密封圈密封不良，实际使用过程中存在头部测量水压时会有水汽进入传感器内部，PCB电路板焊点处在较高的空气水汽、残留离子等作用下发生电化学腐蚀，导致传感器失效造成冷却水压力测得值低于停机保护值，造成柴油机保护性停机。

3 改进措施

传统国产化压力传感器采用橡胶O型圈密封，但机车使用环境较恶劣，尤其是机车动力室温度变化较大，长期热胀冷缩导致橡胶O型圈失效导致水汽侵入传感器PCB电路板，导致传感器失效，因此提出对压力传感器芯体进行激光焊接，传感器壳体也进行激光焊接，提高传感器整体密封性。

4 结 语

由于HXN5型内燃机车压力信号异常故障会严重影响机车的正常使用，且机车传感器压力信号异常故障现象复现困难，因此此类故障较难排查，在对机车各压力型传感器信号异常故障进行模拟试验得出数据后，弄清了压力信号异常故障的原因，也促进了国产化传感器密封性改进，自2020年底整改完所有压力传感器后，未再发生类似故障导致的机破。

参考文献：

[1] 蔚宏波 机车柴油机机油压力异常故障分析及对策. 内燃机车，2010.9

[2]赵呈珍，吴宏军，董传顺 HXN5型机车柴油机曲轴箱压力超差误报警的原因分析及整改措施.铁道机车与动车，2013.11