双管供风系统优化设计及探讨

引言

目前现有客运机车一般采用双管供风方式为连挂客运车辆供风,即一条管路为供风管,为空气弹簧、塞拉门、集便器供风,称为辅助用风:另一条管路为列车管,为客车制动系统供风,称为制动用风。

虽然在担当牵引旅客列车的内燃、电力机车上普遍使用双管供风系统,但该系统在运用过程中暴露出一些问题和不足:(1）由于车辆用风的不确定性,制动机用风和双管供风用风易导致在总风压力低的情况下引起制动机工作异常,给行车安全带来隐患:(2）因供风压力无法满足车辆需要,延误车辆在车站的挂车时间,造成发车晚点,引起旅客投诉,同时造成机务和车辆部门间的责任难以划分:(3）双管供风不足或车辆漏风等情况,可造成车门、集便器、空气弹簧等设备无法正常使用,降低旅客的乘坐舒适度,引起旅客投诉等。

鉴于双管供风系统存在上述问题,本文提出了一种机车双管供风系统的优化方案,该方案采用流量放大结构,优化了系统供风速度,同时实时监测控制机车总风压力、双管供风压力、双管供风流量等数据,并通过分析监控这些数据,对供风管流量进行智能控制。

1双管供风系统优化方案

1.1传统客运机车的双管供风系统原理

传统客运机车的双管供风系统原理如图1所示。机车两端分别有一套双管供风模块,其主要组成包括总风切除塞门1、调压阀2、旁通塞门3、止回阀4等。双管供风总风风源取自机车第一、第二总风缸,通过供风支路为后部车辆供风,供风管压力整定值为(600±20）kPa,以满足车辆气动设备的风压需求。其中,调压阀用于整定双管供风的压力为(600±20）kPa,供风管压力过高可通过调压阀溢流,止回阀用于防止供风管风源逆流。该管路由气动阀件构成,调压阀存在充风慢、输出风压不稳定等问题。下面将对新型机车智能双管供风装置进行介绍。

1.2智能双管供风装置

1.2.1管路原理

优化后的双管供风装置管路原理如图2所示。其中,P1为机车总风风源,虚线框内所有部件集成为一个模块,该模块集成了遮断阀、中继阀、止回阀、精密调压阀、测试口、电磁阀、传感器、流量计。电磁阀1、2分别用来控制遮断阀1、2的开通和关断,压力传感器1采集总风压力,压力传感器2采集供风管压力,流量计采集供风管流量,智能节点包含主电路板和对外电气接口。其中整车安装时可以根据需要在P1口、P2口处设置塞门。

该装置采用精密调压阀对供风压力进行调整,中继阀将流量放大,传感器实时监测机车的总风压力、供风管压力及供风流量,通过智能控制遮断阀的通断,准确控制供风流量,同时机车显示输出状态及提示信号,确保机车供风流量和压力的实时监测。

1.2.2硬件设计及选型

1.2.2.1智能节点

智能节点主要包括主电路板及对外电气接口,其按照分布式网络智能模块技术的要求和标准进行设计,具有CAN及MVB通信功能,可获取列车编组和运行工况信息,并通过采集总风缸压力、供风管压力和流量等信号,判断报警限值并发送数据和报警信息到机车中央控制单元(CCU）,并存储行车数据。同时,智能节点还具备控制功能,可根据判断条件对两个电磁阀进行控制。智能节点中央处理器选用在国内外轨道交通领域得到成熟应用的中央处理器芯片(CPU）,并选用高速A/D转换芯片和FLAsH存储器件,以满足数据的高速传输和存储等需要。

1.2.2.2电气部件

(1）流量计:主要用于对双管供风系统管道内的气体流量进行监测。采用在交流电力机车上广泛应用的流量传感器,该流量传感器符合空气制动系统技术的要求,普遍适用于各型新造机车,质量可靠、精准度高、安全免维护。(2）传感器:主要用于采集供风管压力和总风缸压力信号,作为供风状态判断和流量控制的依据。压力传感器采用抗干扰能力强的电流型压力传感器。由于机车总风缸压力范围为750～900kPa,因此选用量程为0～1000kPa的压力传感器。(3）电磁阀:用于控制供风管两条支路上的遮断阀的通断,考虑到电磁阀失电及故障时不应影响供风管路的正常运用,选用开式电磁阀,即失

电时沟通进气口与工作口的气路,实现遮断阀的开通。考虑到电磁阀的重要性,选用国内外制动系统广泛应用的两位三通电磁阀。(4）气动阀类部件:采用阀块集成式设计,将中继阀、遮断阀、止回阀等部件集成为一个结构紧凑的模块。气阀设计采用国内机车制动机广泛应用的阀类结构,确保其可靠性、安全性。

1.2.3控制原理

智能模块通过检测总风压力、供风管压力、供风管流量对供风支路进行控制,并根据监测数据及流量预判,将总风压力分为安全压力、警惕压力。安全压力即供风管不会影响机车总风压力:警惕压力即供风管会将总风压力降至正常压力值以下,存在安全风险,需对供风管流量进行控制,主要控制方式如下:(1）当系统判断总风压力处于安全压力范围时,可控制电磁阀1与电磁阀2均失电,沟通中继阀到遮断阀1与遮断阀2的通路,实现双管供风流量100%输出:(2）当系统判断总风压力大于警惕值但低于总风安全压力时,可分别控制电磁阀1及电磁阀2得失电,选择关闭或打开中继阀到遮断阀1、遮断阀2的通路,实现对双管供风支路的通断控制,从而控制供风流量:(3）当系统判断总风压力低于警惕值时,系统将暂时控制电磁阀1与电磁阀2均得电,此时将排出遮断阀1和遮断阀2的预控压力,切断中继阀到P2口的所有通路,切除双管供风,保护机车总风及制动用风,待总风压力恢复时再进行控制。

2失效模式分析

现根据主电路板、电磁阀、传感器及流量计、机械气阀等重要部件和结构的失效机理,分析其对双管供风系统的影响。2.1智能节点失效

智能节点失效将导致电磁阀1与电磁阀2不能按照P2口压力实现正常得失电,不能按照总风实际压力实现双管供风流量的控制,智能节点失效将导致电磁阀1与电磁阀2失电,从而使得中继阀到遮断阀1与遮断阀2的通路都开通,此时管路原理与传统机车双管供风原理一致。

2.2电磁阀失效

电磁阀1或者电磁阀2出现故障,可以保证中继阀到P2口有一条支路贯通,如果两者同时出现得电后卡滞的问题,将会切除双管供风,影响客车车辆卫生间、车门等的使用。

2.3传感器及流量计失效

单个压力传感器或流量计出现故障,智能节点导向冗余控制模式,另一压力传感器或流量计工作,保证供风管正常输出。2.4机械运动部件卡滞

遮断阀1或遮断阀2出现卡滞等故障,可以保证中继阀到P2口有一条支路贯通,若两者同时出现故障,将切除双管供风,影响客车卫生间、车门等的使用。根据以往应用经验,出现这种故障的概率很小。中继阀、中继阀膜板或供风阀出现故障,将导致系统没有输出或者输出不正常,此时需先操作故障隔离塞门(模块外）才能导通供风管旁路的供风。根据中继阀运用情况,这种故障概率很小。

通过上述失效案例分析可知,由于双管供风控制模块采用两路同时供风,正常情况下可实现供风分级控制,故障情况下可两路通路互为冗余,提高了控制模块的安全及可靠性,前后传感器以及流量计在控制上可以相互补充,故障情况下也能实现冗余控制。总的来说,该优化方案的安全性和可靠性高。

3试验验证

通过地面试验验证,上述方案地面试验参数符合设计预期。该方案优化了传统供风管路原理及部件结构,增加了流量监控、数据存储等功能,其主要试验数据如表1所示。

从上述分析及表1试验结果可知,文中所述方案实现了传统双管供风装置的所有功能,同时具有流量监控、数据存储及网络通信等智能化功能。与传统双管供风装置比较,其主要具有以下优点:(1）在结构上避免了传统双管供风装置充风慢的缺陷,采用了制动系统广泛应用的流量放大的中继阀膜板结构。(2）增加了流量监控、数据存储及网络通信等智能化功能,有利于双管供风自动控制及机车压缩机的控制保护。(3）供风管充风通路的冗余设计,避免了因单点故障造成双管供风装置无法充风的问题,提高了供风装置的安全性、可靠性。

4结语

综上所述,该优化方案从管路原理、部件选型及冗余设计等方面均进行了优化,并通过失效模式案例分析及地面试验,验证了方案的可行性。总的来说,该优化方案从技术上解决了传统供风系统存在的问题,并提升了机车供风系统的智能化水平,下一步可以进行装车调试,根据不同车辆供风参数优化供风控制逻辑,进一步完善双管供风方案。