引言
目前現有客運機車一般采用雙管供風方式為連掛客運車輛供風,即一條管路為供風管,為空氣彈簧、塞拉門、集便器供風,稱為輔助用風:另一條管路為列車管,為客車制動系統(tǒng)供風,稱為制動用風。
雖然在擔當牽引旅客列車的內燃、電力機車上普遍使用雙管供風系統(tǒng),但該系統(tǒng)在運用過程中暴露出一些問題和不足:(1）由于車輛用風的不確定性,制動機用風和雙管供風用風易導致在總風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,同時造成機務和車輛部門間的責任難以劃分:(3）雙管供風不足或車輛漏風等情況,可造成車門、集便器、空氣彈簧等設備無法正常使用,降低旅客的乘坐舒適度,引起旅客投訴等。
鑒于雙管供風系統(tǒng)存在上述問題,本文提出了一種機車雙管供風系統(tǒng)的優(yōu)化方案,該方案采用流量放大結構,優(yōu)化了系統(tǒng)供風速度,同時實時監(jiān)測控制機車總風壓力、雙管供風壓力、雙管供風流量等數據,并通過分析監(jiān)控這些數據,對供風管流量進行智能控制。
1雙管供風系統(tǒng)優(yōu)化方案
1.1傳統(tǒng)客運機車的雙管供風系統(tǒng)原理
傳統(tǒng)客運機車的雙管供風系統(tǒng)原理如圖1所示。機車兩端分別有一套雙管供風模塊,其主要組成包括總風切除塞門1、調壓閥2、旁通塞門3、止回閥4等。雙管供風總風風源取自機車第一、第二總風缸,通過供風支路為后部車輛供風,供風管壓力整定值為(600±20）kPa,以滿足車輛氣動設備的風壓需求。其中,調壓閥用于整定雙管供風的壓力為(600±20）kPa,供風管壓力過高可通過調壓閥溢流,止回閥用于防止供風管風源逆流。該管路由氣動閥件構成,調壓閥存在充風慢、輸出風壓不穩(wěn)定等問題。下面將對新型機車智能雙管供風裝置進行介紹。
1.2智能雙管供風裝置
1.2.1管路原理
優(yōu)化后的雙管供風裝置管路原理如圖2所示。其中,P1為機車總風風源,虛線框內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的開通和關斷,壓力傳感器1采集總風壓力,壓力傳感器2采集供風管壓力,流量計采集供風管流量,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需要在P1口、P2口處設置塞門。
該裝置采用精密調壓閥對供風壓力進行調整,中繼閥將流量放大,傳感器實時監(jiān)測機車的總風壓力、供風管壓力及供風流量,通過智能控制遮斷閥的通斷,準確控制供風流量,同時機車顯示輸出狀態(tài)及提示信號,確保機車供風流量和壓力的實時監(jiān)測。
1.2.2硬件設計及選型
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,其按照分布式網絡智能模塊技術的要求和標準進行設計,具有CAN及MVB通信功能,可獲取列車編組和運行工況信息,并通過采集總風缸壓力、供風管壓力和流量等信號,判斷報警限值并發(fā)送數據和報警信息到機車中央控制單元(CCU）,并存儲行車數據。同時,智能節(jié)點還具備控制功能,可根據判斷條件對兩個電磁閥進行控制。智能節(jié)點中央處理器選用在國內外軌道交通領域得到成熟應用的中央處理器芯片(CPU）,并選用高速A/D轉換芯片和FLAsH存儲器件,以滿足數據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系統(tǒng)管道內的氣體流量進行監(jiān)測。采用在交流電力機車上廣泛應用的流量傳感器,該流量傳感器符合空氣制動系統(tǒng)技術的要求,普遍適用于各型新造機車,質量可靠、精準度高、安全免維護。(2）傳感器:主要用于采集供風管壓力和總風缸壓力信號,作為供風狀態(tài)判斷和流量控制的依據。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影響供風管路的正常運用,選用開式電磁閥,即失
電時溝通進氣口與工作口的氣路,實現遮斷閥的開通?？紤]到電磁閥的重要性,選用國內外制動系統(tǒng)廣泛應用的兩位三通電磁閥。(4）氣動閥類部件:采用閥塊集成式設計,將中繼閥、遮斷閥、止回閥等部件集成為一個結構緊湊的模塊。氣閥設計采用國內機車制動機廣泛應用的閥類結構,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壓力、供風管壓力、供風管流量對供風支路進行控制,并根據監(jiān)測數據及流量預判,將總風壓力分為安全壓力、警惕壓力。安全壓力即供風管不會影響機車總風壓力:警惕壓力即供風管會將總風壓力降至正常壓力值以下,存在安全風險,需對供風管流量進行控制,主要控制方式如下:(1）當系統(tǒng)判斷總風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,實現雙管供風流量100%輸出:(2）當系統(tǒng)判斷總風壓力大于警惕值但低于總風安全壓力時,可分別控制電磁閥1及電磁閥2得失電,選擇關閉或打開中繼閥到遮斷閥1、遮斷閥2的通路,實現對雙管供風支路的通斷控制,從而控制供風流量:(3）當系統(tǒng)判斷總風壓力低于警惕值時,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的預控壓力,切斷中繼閥到P2口的所有通路,切除雙管供風,保護機車總風及制動用風,待總風壓力恢復時再進行控制。
2失效模式分析
現根據主電路板、電磁閥、傳感器及流量計、機械氣閥等重要部件和結構的失效機理,分析其對雙管供風系統(tǒng)的影響。2.1智能節(jié)點失效
智能節(jié)點失效將導致電磁閥1與電磁閥2不能按照P2口壓力實現正常得失電,不能按照總風實際壓力實現雙管供風流量的控制,智能節(jié)點失效將導致電磁閥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)機車雙管供風原理一致。
2.2電磁閥失效
電磁閥1或者電磁閥2出現故障,可以保證中繼閥到P2口有一條支路貫通,如果兩者同時出現得電后卡滯的問題,將會切除雙管供風,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故障,智能節(jié)點導向冗余控制模式,另一壓力傳感器或流量計工作,保證供風管正常輸出。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,若兩者同時出現故障,將切除雙管供風,影響客車衛(wèi)生間、車門等的使用。根據以往應用經驗,出現這種故障的概率很小。中繼閥、中繼閥膜板或供風閥出現故障,將導致系統(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）才能導通供風管旁路的供風。根據中繼閥運用情況,這種故障概率很小。
通過上述失效案例分析可知,由于雙管供風控制模塊采用兩路同時供風,正常情況下可實現供風分級控制,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符合設計預期。該方案優(yōu)化了傳統(tǒng)供風管路原理及部件結構,增加了流量監(jiān)控、數據存儲等功能,其主要試驗數據如表1所示。
從上述分析及表1試驗結果可知,文中所述方案實現了傳統(tǒng)雙管供風裝置的所有功能,同時具有流量監(jiān)控、數據存儲及網絡通信等智能化功能。與傳統(tǒng)雙管供風裝置比較,其主要具有以下優(yōu)點:(1）在結構上避免了傳統(tǒng)雙管供風裝置充風慢的缺陷,采用了制動系統(tǒng)廣泛應用的流量放大的中繼閥膜板結構。(2）增加了流量監(jiān)控、數據存儲及網絡通信等智能化功能,有利于雙管供風自動控制及機車壓縮機的控制保護。(3）供風管充風通路的冗余設計,避免了因單點故障造成雙管供風裝置無法充風的問題,提高了供風裝置的安全性、可靠性。
4結語
綜上所述,該優(yōu)化方案從管路原理、部件選型及冗余設計等方面均進行了優(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)化方案從技術上解決了傳統(tǒng)供風系統(tǒng)存在的問題,并提升了機車供風系統(tǒng)的智能化水平,下一步可以進行裝車調試,根據不同車輛供風參數優(yōu)化供風控制邏輯,進一步完善雙管供風方案。
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