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机车双管供风智能化改进设计

发表时间：2020/11/12 来源：《基层建设》2020年第21期作者：郭长征

[导读] 摘要：通过对机车供风系统不稳定引起的供风系统、制动系统风压不足问题进行分析，确定智能化改进方案，实现供风系统的自动控制，消除人为判断、切换各阀造成的误判、延误列车，有效提升机车双管供风系统的智能化水平。

        中国铁路北京局集团有限公司怀柔北机务段北京市 101400
        摘要：通过对机车供风系统不稳定引起的供风系统、制动系统风压不足问题进行分析，确定智能化改进方案，实现供风系统的自动控制，消除人为判断、切换各阀造成的误判、延误列车，有效提升机车双管供风系统的智能化水平。
        关键词：机车供风系统；供风压力；供风量；改进方案；自动控制；可靠性分析
        2019年来，我段连续发生因双管供风引发的故障，不仅影响正常的运输秩序，而且发生制动系统漏风故障后，故障点机车回段后不易模拟，对故障的判断带来了极大的不便。
        这种为客车辅助系统供风的装置（以下称供风系统），在实际使用过程中暴露出一些问题：（1）由于车辆供风系统的不稳定，导致总风压力低，列车管供风不足，给行车安全带来隐患；（2）故障发生时，供风压力不足，长时间不能达到定压，究竟是机车供风不足还是车辆风管漏泄、用风量大，很难界定；（3）因机车原设计大多采用调压阀结构且总风缸间逆止阀和空压机压力开关安装位置的不同，运用过程中供风系统发生故障需要人为采用关闭辅助用风，停车保压试验列车管漏泄等方式来确定，影响列车的正常运行。
        1 原有供风系统故障原因分析
        1.1机车上的供风系统构成
        机车的原有供风系统的原理如图1所示。机车两端分别有一套供风管，用止阀控制与车辆的联接，总风截断塞门1用于控制机车是否向车辆供风，减压阀用来调整供风压力。

                图1机车既有双管供风系统原理图.
        1.2故障原因分析
        1.2.1机车供风系统用调压阀控制，受调压阀的质量、性能影响，供风不稳定，总风缸来的风通过调压阀将供风压力整定为（600±20）kPa，通过逆止阀、风管路给车辆供风，该管路由于调压阀阀口开度小，充风慢、弹簧在长时间大流量供风时，易发生卡滞、压力异常等现象。
        1.2.2需要增加控制空压机的开关或改变开关位置（如图压力开关、截断塞门Ⅱ所示），因为总风风源取自机车第二总风缸，为确保安全，保证第一总风缸为列车管供风，一、二总风缸间设有逆止阀，空压机压力开关一般设在第一总风缸的管路上，也就是第二总风缸风压低于空压机工作值时空压机也不工作，造成供风系统供风不足，当第一总风缸压力低于规定压力值时，列车制动系统和供风系统同时用风，造成供风不足。
        2 方案设计
        为解决供风系统存在的上述问题，通过对机车总风缸压力、供风系统供风压力、供风系统风流量数据分析，改变系统控制模式，对供风系统流量进行智能控制。
        2.1 机车供风能力和车辆用风量的统计
        2.1.1机车供风能力的统计
        目前国内牵引旅客列车的主流机车使用的空气压缩机供风能力如下：

        因此考虑到机车实际使用情况，供风列车的用风量按单个空气压缩机的供风量计算，供风量在2.4 m3 /min。
        2.1.2车辆用风量的统计
        客车辅助系统主要是集便器的用风，目前有两种用风量，一种是使用一次循环用气量为0.07 m3（标准大气压），另一种是使用一次循环用气量为0.05 m3（标准大气压），两种集便器均为每循环一次的周期不大于15s，工作风压为410~900kPa。
        2.1.3 车辆用风量的计算分析
        旅客列车编组按有效用风车辆16辆计算；每节车有两个卫生间，一列车32个卫生间，每个卫生间每次用风量按0.07 m3计算；
        最大用风量：每人使用一次卫生间按30s计，每分钟卫生间最大使用率是2次/min，用风量是0.14 m3 /min，整列车同时使用时，最大用风量是4.48 m3 /min；
        用风量及充风时间：每节车卫生间用风由车辆辅助风缸供给，辅助风缸的容积为0.12 m3，全列车1.92 m3，考虑到压力传递延误及空气漏泄损耗，正常情况下充风时间限定在2min。
        2.2控制模式
        2.2.1当总风缸压力低于700 kPa，供风系统供风量超过2.4 m3 /min，充风时间超过2min，切除供风系统供风，保护机车总风及制动用风。
        2.2.2当供风系统供风量超过1.6 m3 /min，总风缸压力在600-700 kPa，供风管压力在500-600kPa时，供风系统采用一个支路供风，从而控制供风流量。
        2.3智能供风系统方案
        2.3.1供风系统构成
        供风系统组成如管路控制原理图2所示。风源来自机车总风缸，供风管风压控制是通过调压阀对中继阀供风压力进行调整，中继阀实现对供风管大流量供风，控制执行部分包括电磁阀、遮断阀、中继阀、止回阀、调压阀、检测部分包括测试口、压力传感器感器、流量计。

                    图2供风系统管路控制原理图
        压力传感器1采集的是总风缸压力，压力传感器2采集供风管的压力，流量计采集的是供风管流量，三者采集到的气体压力和流量信号转化成电流信号传送至智能控制部分的中央控制单元（CCU），中央控制单元输出控制电磁阀1、2的开断指令，用来控制遮断阀1、2的开通和关断，达到对供风系统两路进行控制的目的，智能控制部分采用ARM系列中央处理器芯片（CPU），以满足据的高速传输、存储、升级、控制程序读写等需要。
        2.3.2控制原理
        智能控制部分通过检测总风压力、供风管压力、供风管流量信号进行处理后，依据下列条件对供风支路进行控制：
        2.3.2.1当总风缸压力900kPa-700 kPa时，系统依据设定的列车用风量或接入TAX箱获取列车编组和运行工况信息，控制电磁阀1、电磁阀2均失电，由中继阀调整后的压力空气经遮断阀1与遮断阀2的通路给车辆供风，实现机车总风对供风系统100%输出。
        2.3.2.2 当供风系统供风量超过1.6 m3 /min，总风缸压力在600-700 kPa，供风管压力在500-600kPa时，中央控制单元输出控制电磁阀1失电，由中继阀调整后的压力空气只能通过遮断阀1的通路给车辆供风，在保证制动用风的前提下，控制供风流量。
        2.3.2.3 当总风缸压力低于700 kPa，供风系统供风量超过2.4 m3 /min，供风管压力低于450kPa，中央控制单元将电磁阀1与电磁阀2均得电，切断中继阀到供风管的通路，切除供风系统供风，保证机车总风及制动用风，待总风压力达到850 kPa时再进行控制。
        3 可靠性分析
        在实际使用中供风系统的各部件不可避免的会发生故障，下面对智能控制部分、电磁阀、中继阀、压力传感器、流量计发生故障时对供风系统的影响进行分析。
        3.1中继阀、两路供风系统均故障时，将导致供风系统没有风压输岀或者输岀风压不正常，系统检测机车总风压力正常，供风管压力逐渐降低，流量计检测为“0”，或者供风管供风压力高于620kPa，甚至达到总风压力，判断为机车供风系统故障，直接关闭截断塞门，按机车供风系统故障，停止为车辆供风进行处理。
        3.2 智能控制部分、电磁阀故障
        当智能控制部分、电磁阀故障时，因电磁阀控制的遮断阀采用的是，失电开通，得电关闭方式，此时压力空气可经中继阀和遮断阀开通的通路给车辆供风，这与机车原有双管供风原理一致，只是不能进行自动转换控制。
        4 供风系统下一步需要改进的方面
        4.1 供风系统过多的使用了现有机车零部件，机构复杂，不同的机车受实际安装位置和空间限制，供风系统的零部件选用、组合、集成有待进一步改进。
        4．2 考虑到制动系统的安全性，供风装置只对机车给车辆供风部分进行了改进，将空气干燥器的控制纳入到供风系统的自动控制上来，可以提高供风系统的控制准确性和有效性。
        4．3为了便于现场的使用和检查，通过检测系统提供的数据，增加机车输岀状态显示、语音提示和网络通信功能，如“空压机故障供风不足”、“车辆供风故障” “供风管压力低”“用风量超限”等提示。
        5 结束语
        通过对供风装置的管路改进、部件选型及冗余设计，供风系统在满足机车原有供风系统的要求下，实现对车辆供风的自动控制；可用于各型新老内燃、电力机车的安装和改造；）具有存储相关数据功能，使于事后分析，双套供风通路，提高了供风装置的安全性、可靠性，总的来说，这个供风系统从技术上解决了原有供风系统中存在的问题，并提升了机车供风系统的智能化水平，下一步通过对供风参数试验，完善供风控制逻辑，进一步提高供风系统的智能化水平。
        作者简介：郭长征（1969-10-31），男，汉族，籍贯：河北省承德市，当前职务：承德整备车间副主任，当前职称：工程师，学历：本科，研究方向：内燃机