包效龍

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州車輛段 蘭州西動車所，甘肅 蘭州 730050）

1 設(shè)計背景

鐵路把安全作為生命線，而客車防火又是預(yù)防事故發(fā)生的重中之重，是最重要的安全風(fēng)險源之一。動車組上安裝有煙霧探測傳感器，作用是探測動車組司機(jī)室、衛(wèi)生間、配電柜及客室內(nèi)空氣中的煙霧濃度，預(yù)防由于旅客吸煙或者電氣裝置打火冒煙帶來的火災(zāi)隱患。因此煙霧探測傳感器的良好狀態(tài)就顯得尤為重要，作用不良或者損壞，將造成不可想象的后果。動車組在進(jìn)行二級修檢修時需要對煙霧探測傳感器進(jìn)行功能測試，而目前該項試驗是用煙報主機(jī)上的自測鍵進(jìn)行電路測試或采用電腦軟件強(qiáng)迫啟動煙霧探測傳感器使其報警，雖能驗證煙霧探測傳感器的電氣狀態(tài)，但是無法模仿實際報警情形。

在此背景下，設(shè)計和制作便攜式的煙霧發(fā)生器具有重要意義，它可以產(chǎn)生煙霧來模擬煙霧探測傳感器的報警情形，實現(xiàn)對煙霧探測傳感器的功能測試，確保在有煙霧時及時探測到并將報警信息傳遞至司乘人員，提早進(jìn)行查看處置。

2 系統(tǒng)原理設(shè)計

2.1 煙霧產(chǎn)生原理

本系統(tǒng)中的煙霧由霧化器霧化煙油產(chǎn)生。煙油的主要成分是甘油、乙二醇、丙二醇、水、穩(wěn)定劑等。本系統(tǒng)中的霧化器是利用煙油在空氣里面遇熱霧化而產(chǎn)生煙霧的原理制成的。其示意圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)煙霧產(chǎn)生示意圖

2.2 控制電路設(shè)計

系統(tǒng)中電路部分主要由三檔船型開關(guān)、蓄電池及充電部分、霧化器發(fā)熱絲、紅色發(fā)光二極管、藍(lán)色發(fā)光二極管及電阻等組成。

三檔船型開關(guān)是本控制電路的核心組成部分，對整個系統(tǒng)起模式選擇和互異保護(hù)作用。開關(guān)處于三個檔位時系統(tǒng)分別處于工作、充電、關(guān)閉三種模式，并且充電模式和工作模式為互異關(guān)系，即系統(tǒng)處于工作模式下在閉合工作電路的同時斷開充電電路，在充電模式下閉合充電電路的同時斷開工作電路，這樣就有有效避免了系統(tǒng)在充電模式下長時間連續(xù)工作可能造成的危險。在充電電路和工作電路里面各設(shè)計了兩路發(fā)光二極管電路用于提示使用者系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)處于工作模式時藍(lán)色發(fā)光二極管點亮，處于充電模式時紅色發(fā)光二極管點亮。

系統(tǒng)控制電路示意圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)控制電路示意圖

2.3 電源模塊設(shè)計

蓄電池作為本系統(tǒng)的能源單元，為系統(tǒng)的正常持續(xù)穩(wěn)定工作提供充足的電力。系統(tǒng)處于關(guān)閉模式時蓄電池電路位于三檔船型開關(guān)的中間OFF 位。蓄電池的充電和放電兩種工況通過三檔船型開關(guān)的兩端ON 位與相應(yīng)的電路導(dǎo)通，使其在充電模式下禁止放電，放電模式下禁止充電。

本系統(tǒng)中電源是由8 節(jié)18650 型可充電鋰電池拼接而成，其容量為18000mAh，輸出電壓為8.4V。該配置的電池可以完全滿足本系統(tǒng)的需要。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

煙霧發(fā)生器主要由儲油瓶、節(jié)流閥、霧化器、煙道、風(fēng)扇、開關(guān)及電源等組成。

產(chǎn)生煙霧的煙油儲存在儲油瓶中，利用棉繩良好的毛細(xì)作用，將煙油引流至霧化器。霧化器主要由安裝在瓷質(zhì)接油盤上的電阻螺旋管構(gòu)成，并以石棉填充電阻螺旋管，在保證阻燃性的同時又實現(xiàn)了緩存煙油的效果。最終利用電熱絲通電后發(fā)熱使煙油霧化產(chǎn)生煙霧。儲油瓶采用倒立引流的方式，以解決發(fā)煙過程煙油供給不足導(dǎo)致的電熱絲過熱問題，并設(shè)置節(jié)流閥起到調(diào)節(jié)煙油供應(yīng)速度和截斷油流的作用。由管路和風(fēng)扇組成的煙道可實現(xiàn)對煙霧流向的引導(dǎo)，提高煙霧流速，增加煙霧流向的可控性。

3.1 霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計

霧化器是本系統(tǒng)的煙霧產(chǎn)生源，是本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。

儲油瓶通過孔徑固定在三通支架上面，采用倒立引流的方式，貫穿通過節(jié)流閥的棉繩將儲油瓶里的煙油引流至霧化器，而旋轉(zhuǎn)節(jié)流閥旋鈕就可調(diào)節(jié)煙油供應(yīng)速度和截斷油流。

霧化器主要由安裝在瓷質(zhì)接油盤上的電阻螺旋管構(gòu)成，并以石棉布卷筒填充電阻螺旋管，在保證阻燃性的同時又實現(xiàn)了緩存煙油的效果。霧化器上的電熱絲在通電以后產(chǎn)生熱量，使霧化器上的煙油霧化產(chǎn)生煙霧。

霧化器下方設(shè)置盛油瓶，用于緩存霧化器霧化過剩的煙油，避免灑落煙油。

本系統(tǒng)中使用的煙霧油是舞臺制造煙霧效果時用的，主要成分是甘油、乙二醇、丙二醇、水、穩(wěn)定劑等，具有無味無毒等優(yōu)點，確保產(chǎn)生的煙霧對車內(nèi)設(shè)備無破壞、車內(nèi)環(huán)境無污染。

霧化器結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 霧化器結(jié)構(gòu)圖

3.2 煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)中煙道的結(jié)構(gòu)主要由管道和風(fēng)扇組成，有兩個作用，一是對儲油瓶和霧化器起支撐作用，二是控制煙霧方向和提高煙霧流速。

管道的材料為聚氯乙烯（PVC），煙道由DN40×10 的直管、DN40×40×40 的三通接頭、DN40 的45°彎頭、DN40×25 的異徑直通接頭，DN25×20 的直管組成。

風(fēng)扇采用5×5mm 的靜音風(fēng)扇，DC12V 供電。

煙道結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 煙道結(jié)構(gòu)圖

3.3 底座結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)中底座有兩個作用，一是起煙霧發(fā)生器正常放置而不倒立的支撐作用，二是起放置充電鋰電池的外殼保護(hù)作用。

基于以上需求，設(shè)計出了中空圓柱形支撐底座。底座上面安裝了充電口和三擋船型開關(guān)，下蓋與底座之間用螺紋方式固定。在底座上面安裝兩根金屬導(dǎo)桿用于安裝發(fā)煙裝置及給發(fā)煙裝置導(dǎo)電。其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 底座結(jié)構(gòu)圖

3.4 整體結(jié)構(gòu)模型（如圖6 所示）

圖6 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

3.5 系統(tǒng)實物圖（如圖7 所示）

圖7 系統(tǒng)實物圖

4 試驗效果測試

4.1 實驗方法

基于上述設(shè)計方案制作出了煙霧發(fā)生器（V1.0）。

2018 年4 月23 日 在CRH5G-5191 動車組和CRH380B-5732 動車組上的司機(jī)室、配電柜、客室、衛(wèi)生間等處的煙霧探測傳感器進(jìn)行現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果統(tǒng)計如下。

方法：用煙霧發(fā)生器在與煙霧探測傳感器正下方成45 度角的方向?qū)μ筋^釋放煙霧（TPB 車酒吧區(qū)感溫探測器除外），將處于工作狀態(tài)的煙霧發(fā)生器靠近煙霧探測傳感器開始計時，統(tǒng)計煙霧探測傳感器報警情況。

4.2 實驗結(jié)果

在對CRH5G-5191 進(jìn)行試驗時,所有的煙霧探測傳感器作用良好，都能夠在10s 內(nèi)準(zhǔn)確及時的觸發(fā)報警。如圖8 所示。

圖8 CRH5G-5191 現(xiàn)場試驗效果圖

在對CRH380B-5732 動車組試驗時，所有的煙霧探測傳感器作用良好，都能夠4s 內(nèi)觸發(fā)報警，靈敏度較CRH5G 動車組高。

圖9 CRH380B-5732 現(xiàn)場試驗效果圖

基于以上試驗過程，可以看出基于動車組的煙霧發(fā)生器所產(chǎn)生的煙霧能夠正常觸發(fā)動車組上的煙霧探測傳感器，表明此煙霧發(fā)生器可以作為驗證動車組煙霧探測傳感器功能的試驗工具。

5 結(jié)論

在系統(tǒng)設(shè)計初期按照要求，查找相關(guān)資料，確定設(shè)計方案，根據(jù)發(fā)煙原理制作了簡易的煙霧發(fā)生器，先在動車組上進(jìn)行了嘗試性試驗，驗證了設(shè)計方案的可行性。然后再根據(jù)設(shè)計要求不斷改進(jìn)控制電路、電源、霧化器結(jié)構(gòu)和煙道結(jié)構(gòu)，通過多次反復(fù)嘗試制作出符合設(shè)計要求的煙霧發(fā)生器。

在功能性方面，本系統(tǒng)各部分能夠達(dá)到設(shè)計要求，可充電鋰電池能夠提供充足穩(wěn)定的電力，三檔船型開關(guān)能夠滿足三種模式的控制，霧化器能夠在短時間內(nèi)產(chǎn)生煙霧，節(jié)流閥能夠?qū)崿F(xiàn)控制儲油瓶里煙油流速和截流的功能，盛油瓶能夠回收霧化剩余的煙油，煙道能夠順利的將煙霧輸送至出煙口，煙霧發(fā)生器產(chǎn)生的煙霧能夠快速觸發(fā)煙霧探測傳感器使其報警。

在安全性方面，電路控制中巧妙的利用三檔船型開關(guān)使充電模式和工作模式為互異關(guān)系，避免了在充電模式下長時間工作可能帶來的危險。電阻發(fā)熱絲的阻值通過不斷反復(fù)試驗，確保在現(xiàn)有蓄電池的供電條件下系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的工作，同時電阻發(fā)熱絲產(chǎn)生的溫度遠(yuǎn)低于煙油著火溫度，避免火災(zāi)隱患。同時發(fā)出的煙霧無毒無味，對人體健康不造成任何傷害，不損害動車組車內(nèi)設(shè)施，不污染車內(nèi)環(huán)境。

在實用性方面，本系統(tǒng)具有安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、實用性強(qiáng)、成本低廉、攜帶方便等優(yōu)點。

基于以上各方面，本設(shè)計完成了各項功能要求，成功開發(fā)出了基于動車組的煙霧發(fā)生器系統(tǒng)，滿足了現(xiàn)場的實際工作需要。