雙管供風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及探討

引言

目前現(xiàn)有客運(yùn)機(jī)車(chē)一般采用雙管供風(fēng)方式為連掛客運(yùn)車(chē)輛供風(fēng),即一條管路為供風(fēng)管,為空氣彈簧、塞拉門(mén)、集便器供風(fēng),稱為輔助用風(fēng):另一條管路為列車(chē)管,為客車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)供風(fēng),稱為制動(dòng)用風(fēng)。

雖然在擔(dān)當(dāng)牽引旅客列車(chē)的內(nèi)燃、電力機(jī)車(chē)上普遍使用雙管供風(fēng)系統(tǒng),但該系統(tǒng)在運(yùn)用過(guò)程中暴露出一些問(wèn)題和不足:(1）由于車(chē)輛用風(fēng)的不確定性,制動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)工作異常,給行車(chē)安全帶來(lái)隱患:(2）因供風(fēng)壓力無(wú)法滿足車(chē)輛需要,延誤車(chē)輛在車(chē)站的掛車(chē)時(shí)間,造成發(fā)車(chē)晚點(diǎn),引起旅客投訴,同時(shí)造成機(jī)務(wù)和車(chē)輛部門(mén)間的責(zé)任難以劃分:(3）雙管供風(fēng)不足或車(chē)輛漏風(fēng)等情況,可造成車(chē)門(mén)、集便器、空氣彈簧等設(shè)備無(wú)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(wèn)題,本文提出了一種機(jī)車(chē)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(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制機(jī)車(chē)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(guò)分析監(jiān)控這些數(shù)據(jù),對(duì)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(yùn)機(jī)車(chē)的雙管供風(fēng)系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)客運(yùn)機(jī)車(chē)的雙管供風(fēng)系統(tǒng)原理如圖1所示。機(jī)車(chē)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(mén)1、調(diào)壓閥2、旁通塞門(mén)3、止回閥4等。雙管供風(fēng)總風(fēng)風(fēng)源取自機(jī)車(chē)第一、第二總風(fēng)缸,通過(guò)供風(fēng)支路為后部車(chē)輛供風(fēng),供風(fēng)管壓力整定值為(600±20）kPa,以滿足車(chē)輛氣動(dòng)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(guò)高可通過(guò)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(dòng)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(wèn)題。下面將對(duì)新型機(jī)車(chē)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(jī)車(chē)總風(fēng)風(fēng)源,虛線框內(nèi)所有部件集成為一個(gè)模塊,該模塊集成了遮斷閥、中繼閥、止回閥、精密調(diào)壓閥、測(cè)試口、電磁閥、傳感器、流量計(jì)。電磁閥1、2分別用來(lái)控制遮斷閥1、2的開(kāi)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(jì)采集供風(fēng)管流量,智能節(jié)點(diǎn)包含主電路板和對(duì)外電氣接口。其中整車(chē)安裝時(shí)可以根據(jù)需要在P1口、P2口處設(shè)置塞門(mén)。

該裝置采用精密調(diào)壓閥對(duì)供風(fēng)壓力進(jìn)行調(diào)整,中繼閥將流量放大,傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)的總風(fēng)壓力、供風(fēng)管壓力及供風(fēng)流量,通過(guò)智能控制遮斷閥的通斷,準(zhǔn)確控制供風(fēng)流量,同時(shí)機(jī)車(chē)顯示輸出狀態(tài)及提示信號(hào),確保機(jī)車(chē)供風(fēng)流量和壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2.2硬件設(shè)計(jì)及選型

1.2.2.1智能節(jié)點(diǎn)

智能節(jié)點(diǎn)主要包括主電路板及對(duì)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(jì),具有CAN及MVB通信功能,可獲取列車(chē)編組和運(yùn)行工況信息,并通過(guò)采集總風(fēng)缸壓力、供風(fēng)管壓力和流量等信號(hào),判斷報(bào)警限值并發(fā)送數(shù)據(jù)和報(bào)警信息到機(jī)車(chē)中央控制單元(CCU）,并存儲(chǔ)行車(chē)數(shù)據(jù)。同時(shí),智能節(jié)點(diǎn)還具備控制功能,可根據(jù)判斷條件對(duì)兩個(gè)電磁閥進(jìn)行控制。智能節(jié)點(diǎn)中央處理器選用在國(guó)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(chǔ)器件,以滿足數(shù)據(jù)的高速傳輸和存儲(chǔ)等需要。

1.2.2.2電氣部件

(1）流量計(jì):主要用于對(duì)雙管供風(fēng)系統(tǒng)管道內(nèi)的氣體流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用在交流電力機(jī)車(chē)上廣泛應(yīng)用的流量傳感器,該流量傳感器符合空氣制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)的要求,普遍適用于各型新造機(jī)車(chē),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(hào),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(qiáng)的電流型壓力傳感器。由于機(jī)車(chē)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(shí)不應(yīng)影響供風(fēng)管路的正常運(yùn)用,選用開(kāi)式電磁閥,即失

電時(shí)溝通進(jìn)氣口與工作口的氣路,實(shí)現(xiàn)遮斷閥的開(kāi)通?？紤]到電磁閥的重要性,選用國(guó)內(nèi)外制動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的兩位三通電磁閥。(4）氣動(dòng)閥類部件:采用閥塊集成式設(shè)計(jì),將中繼閥、遮斷閥、止回閥等部件集成為一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的模塊。氣閥設(shè)計(jì)采用國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)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(guò)檢測(cè)總風(fēng)壓力、供風(fēng)管壓力、供風(fēng)管流量對(duì)供風(fēng)支路進(jìn)行控制,并根據(jù)監(jiān)測(cè)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(huì)影響機(jī)車(chē)總風(fēng)壓力:警惕壓力即供風(fēng)管會(huì)將總風(fēng)壓力降至正常壓力值以下,存在安全風(fēng)險(xiǎn),需對(duì)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(shí),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(shí)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(shí),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(kāi)中繼閥到遮斷閥1、遮斷閥2的通路,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí),系統(tǒng)將暫時(shí)控制電磁閥1與電磁閥2均得電,此時(shí)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(jī)車(chē)總風(fēng)及制動(dòng)用風(fēng),待總風(fēng)壓力恢復(fù)時(shí)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(jì)、機(jī)械氣閥等重要部件和結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理,分析其對(duì)雙管供風(fēng)系統(tǒng)的影響。2.1智能節(jié)點(diǎn)失效

智能節(jié)點(diǎn)失效將導(dǎo)致電磁閥1與電磁閥2不能按照P2口壓力實(shí)現(xiàn)正常得失電,不能按照總風(fēng)實(shí)際壓力實(shí)現(xiàn)雙管供風(fēng)流量的控制,智能節(jié)點(diǎn)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(kāi)通,此時(shí)管路原理與傳統(tǒng)機(jī)車(chē)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(shí)出現(xiàn)得電后卡滯的問(wèn)題,將會(huì)切除雙管供風(fēng),影響客車(chē)車(chē)輛衛(wèi)生間、車(chē)門(mén)等的使用。

2.3傳感器及流量計(jì)失效

單個(gè)壓力傳感器或流量計(jì)出現(xiàn)故障,智能節(jié)點(diǎn)導(dǎo)向冗余控制模式,另一壓力傳感器或流量計(jì)工作,保證供風(fēng)管正常輸出。2.4機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(shí)出現(xiàn)故障,將切除雙管供風(fēng),影響客車(chē)衛(wèi)生間、車(chē)門(mén)等的使用。根據(jù)以往應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),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(méi)有輸出或者輸出不正常,此時(shí)需先操作故障隔離塞門(mén)(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(yùn)用情況,這種故障概率很小。

通過(guò)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(shí)供風(fēng),正常情況下可實(shí)現(xiàn)供風(fēng)分級(jí)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(jì)在控制上可以相互補(bǔ)充,故障情況下也能實(shí)現(xiàn)冗余控制。總的來(lái)說(shuō),該優(yōu)化方案的安全性和可靠性高。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)地面試驗(yàn)驗(yàn)證,上述方案地面試驗(yàn)參數(shù)符合設(shè)計(jì)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(chǔ)等功能,其主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

從上述分析及表1試驗(yàn)結(jié)果可知,文中所述方案實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)雙管供風(fēng)裝置的所有功能,同時(shí)具有流量監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(diǎn):(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(dòng)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(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)通信等智能化功能,有利于雙管供風(fēng)自動(dòng)控制及機(jī)車(chē)壓縮機(jī)的控制保護(hù)。(3）供風(fēng)管充風(fēng)通路的冗余設(shè)計(jì),避免了因單點(diǎn)故障造成雙管供風(fēng)裝置無(wú)法充風(fēng)的問(wèn)題,提高了供風(fēng)裝置的安全性、可靠性。

4結(jié)語(yǔ)

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(jì)等方面均進(jìn)行了優(yōu)化,并通過(guò)失效模式案例分析及地面試驗(yàn),驗(yàn)證了方案的可行性。總的來(lái)說(shuō),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(wèn)題,并提升了機(jī)車(chē)供風(fēng)系統(tǒng)的智能化水平,下一步可以進(jìn)行裝車(chē)調(diào)試,根據(jù)不同車(chē)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。