轨道交通车辆便携式压缩空气质量检测设备的研发

0引言

无论是机车、客车、货车,还是地铁、轻轨、动车 组等各种形式的轨道车辆,都离不开压缩空气。压缩空气主要为制动提供动力,同时还为受电弓、塞拉门、集便器、空气弹簧等设备提供用风^[1—3]。近年来,我国动车组、城市轨道交通等飞速发展,随着轨道车辆保有量的增加,由压缩空气质量下降而导致的用风设备故障时有发生。

压缩空气的质量好坏关系到用风设备能否正常工作,影响其使用寿命,故现有技术标准对轨道车辆压缩空气的水、油和固体颗粒三种主要杂质的含量有明确规定。现有压缩空气检测设备多为地面固定式设备,用于对供风单元进行检测,无法移动进行随车检测。为此,周其显等人^[4]和张涛^[5]分别提出了一种针对轨道交通车辆压缩空气质量进行在线检测的方法,但这两种方法需要对现车的空气管路进行改造,对于已经上线运行的车辆而言,受安装空间限制,很难实施。为解决此问题,本项目研发了一种便携式压缩空气质量检测设备,可在检修作业时用于检测,也可进行跟踪检测。

1压缩空气杂质的危害

现代轨道交通车辆的安全和稳定运行高度依赖于高质量的压缩空气供应,这种压缩空气需要满足一系列严格的标准,包括清洁度和干燥度。为了获得这种高质量的压缩空气,轨道交通车辆采用了复杂的压缩空气供给系统。压缩空气供给系统也称为供风系统或风源系统,包括空气压缩机、干燥器、过滤器、风缸等零部件,主要用于产生压缩空气,并对其中的杂质进行处理,提供满足车辆用风需求的压缩空气^[6]。压缩空气中危害最大的主要杂质为固体颗粒、水和油,相关标准中对三种杂质的含量和检测方法有明确的规定^[7]。

1.1 固体颗粒的危害

压缩空气中的固体颗粒有多种来源,比如空气中的粉尘颗粒,管路内壁腐蚀产生的铁锈或结垢物,过滤设备的滤材脱落,密封材料的老化磨损等等,这些固体颗粒随着压缩空气的流动,会进入用风设备的内部,成为设备运行的隐患,比如可能造成设备中小孔的堵塞引发功能失效,造成活塞的卡滞引发泄漏,造成压缩弹簧的运动受阻引发动作不良等等。在轨道交通车辆中,就曾出现过相关故障,图1为某动车组的故障差压阀,铁锈进入差压阀内部,差压阀运动受阻,导致功能失效。

1.2 水分的危害

自然环境下的空气本身就含有水分,空气被压缩后,体积减小、压强增大,但水分含量不变,这就导致单位体积压缩空气中的水含量增加。而压缩空气的温度越低,其中的水分就越容易析出。空气经压缩后温度升高,遇到温度低的管路或设备内壁,水分就容易凝结,从而造成管路或设备的锈蚀。因此,在轨道交通车辆中,压缩空气要经过干燥器的处理才能供用风设备使用。但有时候由于干燥器失效等原因,供风管路的含水量可能会较高。在冬季极端恶劣天气时,管路中的水分会冻结设备,引发故障。图2为某动车组被冻结的气路控制箱止回阀,由于管路冻堵,下游用风设备供风不足,影响了动车组的正常运营秩序^[8]。

1.3 油的危害

目前,轨道交通车辆采用的空气压缩机主要为螺杆式空压机和往复活塞式空压机两种,需要通过润滑油进行润滑和冷却,从而减少设备的磨损,维持设备的长期稳定运行。当空气被压缩时,温度升高,这些润滑油也会变成油蒸气融入压缩空气中,如处理不彻底,油气进入管路设备,会造成设备堵塞或污染失效。文献[9]对地铁车辆压缩空气油脂超标引起的制动系统压力控制异常进行了分析,并提出了改进措施。为保证轨道交通车辆压缩空气的质量和性能,必须对油蒸气进行适当的处理。

2便携式检测设备的研发

2.1设备设计原理

为方便及时对轨道交通车辆的压缩空气质量进行检测,本项目提出一种便携式压缩空气质量检测设备,可方便快捷地检测出列车管路中压缩空气多种杂质(主要为水、油、固体颗粒等)是否符合相应标准要求,为检修人员提供数据支持,以便提早发现安全隐患并及时处理,从而减少压缩空气质量超标带来的影响,延长用风设备的使用寿命。

便携式压缩空气质量检测设备的原理如图3 所示。

该项目将压缩空气质量的检测设备集成于一个手提箱中,通过电池组供电(充电电源为AC220 V,50Hz),使用触摸屏显示及操作,可携带它临时测量,也可随车安装进行长时间跟踪监测。设备内部包含3个传感器:固体颗粒传感器、含水量传感器、含油量传感器,分别用于检测压缩空气中的固体颗粒、水和油三种杂质。传感器与触摸屏通过工控主板连接,传感器将检测结果传输到工控主板,工控主板解析后传输到触摸屏进行显示,触摸屏可根据需要,直接显示数据,也可处理成曲线形式显示,并具有数据传输和存储功能。箱体内设有电磁阀,用于控制检测设备与被测气路的通断,需要进行检测时,电磁阀得电接通,不需要检修检测时,电磁阀失电关闭。箱体外部设有快速接头,用于检测设备的气路与被测气路相连,通过截断塞门可手动控制快速接头与被测气路的通断。

在被测气路上还可根据需要安装流量计、温度传感器、压力传感器,可以长期监控被测气路的压缩空气流量、温度以及压力。检测时,先将流量计、温度传感器、压力传感器安装于被测气路上,并将数据线缆连接到对应箱体的插头上。再将箱体气路与被测气路通过快速接头连接。在被测气路压缩空气压力正常情况下,打开截断塞门,使被测气路的压缩空气进入箱体中。在检测设备对压缩空气质量进行检测时,触摸屏的电脑控制电磁阀打开,被测气路的压缩空气分别进入含油量传感器、含水量传感器和固体颗粒传感器,经检测后通过各自的排气孔排向大气。传感器将数据结果传输给触摸屏进行显示和存储。完成测试后,触摸屏控制电磁阀关闭气路,以便减少压缩空气的损失。如需跟踪监控被测气路的压缩空气质量,可通过触摸屏设置两次检测的时间间隔以及整个跟踪监测的时长,在下次检测时,触摸屏自动控制电磁阀打开,接通被测气路,检测完成后关闭,如此循环,直到达到设定的时长后关闭电磁阀并不再接通。在上述检测过程中,若提前将流量计、温度传感器、压力传感器安装于被测气路上,并连接好数据线路,则触摸屏还可实时显示和记录被测管路的流量、温度和压力。触摸屏记录的数据可通过U盘或 wi—Fi传输到其他电脑中进行管理。

2.2操作界面设计

为提供更好的人机交互服务,对设备触摸屏的操作界面进行了设计。主界面为人机交互的主要界面,可以实时显示在线测试的数据,同时也可以提供数据曲线,如图4所示。

主界面左侧区域为菜单按钮区域,可以通过按钮进行相应的操作,操作“退出”按钮,可退出软件;操作“参数管理”软件,可对测试参数进行设置,例如产品型号、测试参数(包括测试时间、采样周期、判定标准)等。

主界面右侧区域为测试区域,包括数据显示、曲线显示和操作区域。数据显示区域可以实时显示测量的露点、残油量和颗粒度。曲线显示区域,以曲线形式显示露点、残油量、颗粒度的值,便于观察数据的趋势。通过操作区域可在测试前进行型号的选择,并录入测试编号,电磁阀开关用于手动控制电磁阀的通断,通过“开始测试”和“停止测试”按钮可控制测试的启停。测试数据会自动记录到csv格式的数据文件中。

3 结论

本文所述便携式压缩空气质量检测设备采用手提箱的设计结构、集成安装的方式,方便携带,便于操作,可在检修作业时对轨道交通车辆的压缩空气质量进行检测,也可放置于车上进行实时跟踪检测。检测的数据可通过曲线形式进行实时显示,同时自动进行存储,并可在检测完毕后导出到存储设备。

后续可根据市场需求,增加实时在线传输功能,将检测数据在线实时传递给需要的监控设备,供有需要的人员及时掌握数据,比如提供给智能运维系统,便于对数据进行分析处理,并对供风单元的状态及时进行健康管理。

[参考文献]

[1] 于洋,吴国栋.时速160公里动力集中型动车组风源系统供风能力仿真分析 [J].铁道机车与动车,2022 (9):37-39.

[2]赵恩东,乔峰,赵杨坤.动车组主风源系统控制策略研究[J].铁道车辆,2017,55(6):6-9.

[3]孟繁辉.高速动车组供风系统故障分析及改进措施[J].铁道机车车辆,2016,36(3):77-80.

[4]周其显,刘凯.轨道车辆压缩空气质量健康管理系统研究[J].压缩机技术,2021(2):41-44.

[5]张涛.机车压缩空气质量在线检测的实现[J].机车电传动,2015(4):55-58.

[6]郝汝飞,刘铭倩.高速动车组的供风系统简述[J].科学技术创新,2019(9):173-174.

[7]唐松柏,卢文辉,李宪文.机车车辆制动系统用压缩空气的质量控制[J].铁道技术监督,2005(2):19-21.

[8] 樊立新.CR200J型动力集中动车组气路控制箱结冰问题分析及改进[J].铁道车辆,2024,62(1):176-181.

[9]王小明,周子舟.压缩空气不洁引起的制动系统压力控制异常分析及改进[J].机车电传动,2018(1):119-121.

2024年第18期第17篇