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,提高了供風(fēng)裝置的安全性、可靠性。

4結(jié)語

綜上所述,該優(yōu)化方案從管路原理、部件選型及冗余設(shè)計等方面均進(jìn)行了優(yōu)化,并通過失效模式案例分析及地面試驗,驗證了方案的可行性?？偟膩碚f,該優(yōu)化方案從技術(shù)上解決了傳統(tǒng)供風(fēng)系統(tǒng)存在的問題,并提升了機車供風(fēng)系統(tǒng)的智能化水平,下一步可以進(jìn)行裝車調(diào)試,根據(jù)不同車輛供風(fēng)參數(shù)優(yōu)化供風(fēng)控制邏輯,進(jìn)一步完善雙管供風(fēng)方案。