雙管供風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及探討

摘

要：介紹了傳統(tǒng)客運列車的雙管供風(fēng)系統(tǒng)工作原理，從管路原理、硬件設(shè)計及選型、控制原理等方面，闡述了新型機車智能雙管供風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案，并對雙管供風(fēng)裝置的失效模式進(jìn)行了分析，有效提升了機車雙管供風(fēng)系統(tǒng)的智能化水平。關(guān)鍵詞：雙管供風(fēng)；故障；失效；智能化；試驗驗證

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引言目前現(xiàn)有客運機車一般采用雙管供風(fēng)方式為連掛客運車輛供風(fēng)，即一條管路為供風(fēng)管，為空氣彈簧、塞拉門、集便器供風(fēng)，稱為輔助用風(fēng)；另一條管路為列車管，為客車制動系統(tǒng)供風(fēng)，稱為制動用風(fēng)。雖然在擔(dān)當(dāng)牽引旅客列車的內(nèi)燃、電力機車上普遍使用雙管供風(fēng)系統(tǒng)，但該系統(tǒng)在運用過程中暴露出一些問題和不足：（1）由于車輛用風(fēng)的不確定性，制動機用風(fēng)和雙管供風(fēng)用風(fēng)易導(dǎo)致在總風(fēng)壓力低的情況下引起制動機工作異常，給行車安全帶來隱患；（2）因供風(fēng)壓力無法滿足車輛需要，延誤車輛在車站的掛車時間，造成發(fā)車晚點，引起旅客投訴，同時造成機務(wù)和車輛部門間的責(zé)任難以劃分；（3）雙管供風(fēng)不足或車輛漏風(fēng)等情況，可造成車門、集便器、空氣彈簧等設(shè)備無法正常使用，降低旅客的乘坐舒適度，引起旅客投訴等。鑒于雙管供風(fēng)系統(tǒng)存在上述問題，本文提出了一種機車雙管供風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案，該方案采用流量放大結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了系統(tǒng)供風(fēng)速度，同時實時監(jiān)測控制機車總風(fēng)壓力、雙管供風(fēng)壓力、雙管供風(fēng)流量等數(shù)據(jù)，并通過分析監(jiān)控這些數(shù)據(jù)，對供風(fēng)管流量進(jìn)行智能控制。1

雙管供風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案1.1

傳統(tǒng)客運機車的雙管供風(fēng)系統(tǒng)原理傳統(tǒng)客運機車的雙管供風(fēng)系統(tǒng)原理如圖1所示。機車兩端分別有一套雙管供風(fēng)模塊，其主要組成包括總風(fēng)切除塞門1、調(diào)壓閥2、旁通塞門3、止回閥4等。雙管供風(fēng)總風(fēng)風(fēng)源取自機車第一、第二總風(fēng)缸，通過供風(fēng)支路為后部車輛供風(fēng)，供風(fēng)管壓力整定值為（600±20）kPa，以滿足車輛氣動設(shè)備的風(fēng)壓需求。其中，調(diào)壓閥用于整定雙管供風(fēng)的壓力為（600±20）kPa，供風(fēng)管壓力過高可通過調(diào)壓閥溢流，止回閥用于防止供風(fēng)管風(fēng)源逆流。該管路由氣動閥件構(gòu)成，調(diào)壓閥存在充風(fēng)慢、輸出風(fēng)壓不穩(wěn)定等問題。下面將對新型機車智能雙管供風(fēng)裝置進(jìn)行介紹。

1.2

智能雙管供風(fēng)裝置1.2.1

管路原理優(yōu)化后的雙管供風(fēng)裝置管路原理如圖2所示。其中，P1為機車總風(fēng)風(fēng)源，虛線框內(nèi)所有部件集成為一個模塊，該模塊集成了遮斷閥、中繼閥、止回閥、精密調(diào)壓閥、測試口、電磁閥、傳感器、流量計。電磁閥1、2分別用來控制遮斷閥1、2的開通和關(guān)斷，壓力傳感器1采集總風(fēng)壓力，壓力傳感器2采集供風(fēng)管壓力，流量計采集供風(fēng)管流量，智能節(jié)點包含主電路板和對外電氣接口。其中整車安裝時可以根據(jù)需要在P1口、P2口處設(shè)置塞門。該裝置采用精密調(diào)壓閥對供風(fēng)壓力進(jìn)行調(diào)整，中繼閥將流量放大，傳感器實時監(jiān)測機車的總風(fēng)壓力、供風(fēng)管壓力及供風(fēng)流量，通過智能控制遮斷閥的通斷，準(zhǔn)確控制供風(fēng)流量，同時機車顯示輸出狀態(tài)及提示信號，確保機車供風(fēng)流量和壓力的實時監(jiān)測。1.2.2

硬件設(shè)計及選型1.2.2.1

智能節(jié)點智能節(jié)點主要包括主電路板及對外電氣接口，其按照分布式網(wǎng)絡(luò)智能模塊技術(shù)的要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，具有CAN及MVB通信功能，可獲取列車編組和運行工況信息，并通過采集總風(fēng)缸壓力、供風(fēng)管壓力和流量等信號，判斷報警限值并發(fā)送數(shù)據(jù)和報警信息到機車中央控制單元（CCU），并存儲行車數(shù)據(jù)。同時，智能節(jié)點還具備控制功能，可根據(jù)判斷條件對兩個電磁閥進(jìn)行控制。智能節(jié)點中央處理器選用在國內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域得到成熟應(yīng)用的中央處理器芯片（CPU），并選用高速A/D轉(zhuǎn)換芯片和FLASH存儲器件，以滿足數(shù)據(jù)的高速傳輸和存儲等需要。1.2.2.2

電氣部件（1）流量計：主要用于對雙管供風(fēng)系統(tǒng)管道內(nèi)的氣體流量進(jìn)行監(jiān)測。采用在交流電力機車上廣泛應(yīng)用的流量傳感器，該流量傳感器符合空氣制動系統(tǒng)技術(shù)的要求，普遍適用于各型新造機車，質(zhì)量可靠、精準(zhǔn)度高、安全免維護(hù)。（2）傳感器：主要用于采集供風(fēng)管壓力和總風(fēng)缸壓力信號，作為供風(fēng)狀態(tài)判斷和流量控制的依據(jù)。壓力傳感器采用抗干擾能力強的電流型壓力傳感器。由于機車總風(fēng)缸壓力范圍為750～900kPa，因此選用量程為0～1000kPa的壓力傳感器。（3）電磁閥：用于控制供風(fēng)管兩條支路上的遮斷閥的通斷，考慮到電磁閥失電及故障時不應(yīng)影響供風(fēng)管路的正常運用，選用開式電磁閥，即失電時溝通進(jìn)氣口與工作口的氣路，實現(xiàn)遮斷閥的開通。考慮到電磁閥的重要性，選用國內(nèi)外制動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的兩位三通電磁閥。（4）氣動閥類部件：采用閥塊集成式設(shè)計，將中繼閥、遮斷閥、止回閥等部件集成為一個結(jié)構(gòu)緊湊的模塊。氣閥設(shè)計采用國內(nèi)機車制動機廣泛應(yīng)用的閥類結(jié)構(gòu)，確保其可靠性、安全性。1.2.3

控制原理智能模塊通過檢測總風(fēng)壓力、供風(fēng)管壓力、供風(fēng)管流量對供風(fēng)支路進(jìn)行控制，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及流量預(yù)判，將總風(fēng)壓力分為安全壓力、警惕壓力。安全壓力即供風(fēng)管不會影響機車總風(fēng)壓力；警惕壓力即供風(fēng)管會將總風(fēng)壓力降至正常壓力值以下，存在安全風(fēng)險，需對供風(fēng)管流量進(jìn)行控制，主要控制方式如下：（1）當(dāng)系統(tǒng)判斷總風(fēng)壓力處于安全壓力范圍時，可控制電磁閥1與電磁閥2均失電，溝通中繼閥到遮斷閥1與遮斷閥2的通路，實現(xiàn)雙管供風(fēng)流量100%輸出；（2）當(dāng)系統(tǒng)判斷總風(fēng)壓力大于警惕值但低于總風(fēng)安全壓力時，可分別控制電磁閥1及電磁閥2得失電，選擇關(guān)閉或打開中繼閥到遮斷閥1、遮斷閥2的通路，實現(xiàn)對雙管供風(fēng)支路的通斷控制，從而控制供風(fēng)流量；（3）當(dāng)系統(tǒng)判斷總風(fēng)壓力低于警惕值時，系統(tǒng)將暫時控制電磁閥1與電磁閥2均得電，此時將排出遮斷閥1和遮斷閥2的預(yù)控壓力，切斷中繼閥到P2口的所有通路，切除雙管供風(fēng)，保護(hù)機車總風(fēng)及制動用風(fēng)，待總風(fēng)壓力恢復(fù)時再進(jìn)行控制。2

失效模式分析現(xiàn)根據(jù)主電路板、電磁閥、傳感器及流量計、機械氣閥等重要部件和結(jié)構(gòu)的失效機理，分析其對雙管供風(fēng)系統(tǒng)的影響。2.1

智能節(jié)點失效智能節(jié)點失效將導(dǎo)致電磁閥1與電磁閥2不能按照P2口壓力實現(xiàn)正常得失電，不能按照總風(fēng)實際壓力實現(xiàn)雙管供風(fēng)流量的控制，智能節(jié)點失效將導(dǎo)致電磁閥1與電磁閥2失電，從而使得中繼閥到遮斷閥1與遮斷閥2的通路都開通，此時管路原理與傳統(tǒng)機車雙管供風(fēng)原理一致。2.2

電磁閥失效電磁閥1或者電磁閥2出現(xiàn)故障，可以保證中繼閥到P2口有一條支路貫通，如果兩者同時出現(xiàn)得電后卡滯的問題，將會切除雙管供風(fēng)，影響客車車輛衛(wèi)生間、車門等的使用。2.3

傳感器及流量計失效單個壓力傳感器或流量計出現(xiàn)故障，智能節(jié)點自動導(dǎo)向冗余控制模式，另一壓力傳感器或流量計工作，保證供風(fēng)管正常輸出。2.4

機械運動部件卡滯遮斷閥1或遮斷閥2出現(xiàn)卡滯等故障，可以保證中繼閥到P2口有一條支路貫通，若兩者同時出現(xiàn)故障，將切除雙管供風(fēng)，影響客車衛(wèi)生間、車門等的使用。根據(jù)以往應(yīng)用經(jīng)驗，出現(xiàn)這種故障的概率很小。中繼閥、中繼閥膜板或供風(fēng)閥出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致系統(tǒng)沒有輸出或者輸出不正常，此時需先操作故障隔離塞門（模塊外）才能導(dǎo)通供風(fēng)管旁路的供風(fēng)。根據(jù)中繼閥運用情況，這種故障概率很小。通過上述失效案例分析可知，由于雙管供風(fēng)控制模塊采用兩路同時供風(fēng)，正常情況下可實現(xiàn)供風(fēng)分級控制，故障情況下可兩路通路互為冗余，提高了控制模塊的安全及可靠性，前后傳感器以及流量計在控制上可以相互補充，故障情況下也能實現(xiàn)冗余控制?？偟膩碚f，該優(yōu)化方案的安全性和可靠性高。3

試驗驗證通過地面試驗驗證，上述方案地面試驗參數(shù)符合設(shè)計預(yù)期。該方案優(yōu)化了傳統(tǒng)供風(fēng)管路原理及部件結(jié)構(gòu)，增加了流量監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲等功能，其主要試驗數(shù)據(jù)如表1所示。從上述分析及表1試驗結(jié)果可知，文中所述方案實現(xiàn)了傳統(tǒng)雙管供風(fēng)裝置的所有功能，同時具有流量監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲及網(wǎng)絡(luò)通信等智能化功能。與傳統(tǒng)雙管供風(fēng)裝置比較，其主要具有以下優(yōu)點：（1）在結(jié)構(gòu)上避免了傳統(tǒng)雙管供風(fēng)裝置充風(fēng)慢的缺陷，采用了制動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的流量放大的中繼閥膜板結(jié)構(gòu)。（2）增加了流量監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲及網(wǎng)絡(luò)通信等智能化功能，有利于雙管供風(fēng)自動控制及機車壓縮機的控制保護(hù)。（3）供風(fēng)管充風(fēng)通路的冗余設(shè)計，避免了因單點故障造成雙管供風(fēng)裝置無法充風(fēng)的問題