胡明廣 薛 源
(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266000)
針對(duì)運(yùn)行在中國(guó)廣袤大地上的高速動(dòng)車組,因運(yùn)行線路地勢(shì)復(fù)雜、隧道眾多等因素,空調(diào)系統(tǒng)不僅是控制動(dòng)車組溫度與氣流的一個(gè)功能性系統(tǒng),更是通過壓力波保護(hù)系統(tǒng),精確控制新風(fēng)閥和廢排閥的動(dòng)作來調(diào)整車內(nèi)壓力波動(dòng),保證動(dòng)車組過隧道或高速會(huì)車時(shí),控制車內(nèi)壓力平衡,防止動(dòng)車組車內(nèi)壓力波動(dòng)過大導(dǎo)致乘客耳鳴及車內(nèi)風(fēng)擋變形等問題??照{(diào)系統(tǒng)不僅影響乘客乘坐舒適度,也影響動(dòng)車組運(yùn)行安全[1]。因此,邏輯與功能完善的壓力波保護(hù)系統(tǒng)對(duì)高速動(dòng)車組運(yùn)行安全性與乘坐舒適性意義重大。
為避免高速動(dòng)車組進(jìn)出隧道或高速會(huì)車時(shí)產(chǎn)生的車外壓力急劇波動(dòng)傳遞到車內(nèi),引起車內(nèi)壓力突變,導(dǎo)致乘客耳鳴,高速動(dòng)車組設(shè)置車內(nèi)壓力保護(hù)裝置,用于抑制車外壓力波動(dòng)向車內(nèi)傳遞[2]。
壓力波保護(hù)系統(tǒng)由壓力波控制器、壓差傳感器、新風(fēng)閥及廢排閥組成[3]。其中壓力波控制器安裝在頭尾車,是控制各車廂新風(fēng)閥及廢排閥的中樞機(jī)構(gòu)。壓差傳感器安裝在頭尾車兩側(cè),用來檢測(cè)動(dòng)車組車外壓力的變化。各車空調(diào)機(jī)組兩側(cè)混合腔處各設(shè)2組新風(fēng)閥,廢排裝置中設(shè)置1組廢排閥,為壓力波控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),如圖1所示。
圖1 空調(diào)及壓力波控制系統(tǒng)組成
當(dāng)頭尾車檢測(cè)車內(nèi)外壓力變化達(dá)到壓力波控制器預(yù)設(shè)的壓力波保護(hù)動(dòng)作條件時(shí),壓力波控制器驅(qū)動(dòng)各車廂新風(fēng)閥及廢排閥關(guān)閉,保證客室內(nèi)氣壓的相對(duì)穩(wěn)定[4]。當(dāng)車內(nèi)外壓差滿足預(yù)設(shè)的壓力波保護(hù)取消條件時(shí),壓力波控制器會(huì)撤銷壓力波保護(hù)信號(hào),打開各車廂新風(fēng)閥及廢排閥,實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組車內(nèi)與車外的換氣功能。為避免過長(zhǎng)隧道動(dòng)車組車內(nèi)外壓差累積,導(dǎo)致壓力波閥打開時(shí)車內(nèi)壓力波動(dòng)大而引起旅客耳鳴,車內(nèi)壓力波保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置泄壓模式,由各車廂空調(diào)控制器控制新風(fēng)閥及廢排閥動(dòng)作緩慢進(jìn)行壓力泄放,降低車內(nèi)壓力突變對(duì)乘客的影響,進(jìn)一步提升乘坐舒適性。
為避免過隧道時(shí)車內(nèi)外壓差累積導(dǎo)致開閥時(shí)車內(nèi)壓力波動(dòng)較大,車內(nèi)壓力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置泄壓模式,通過非主控端車輛壓力保護(hù)閥間歇性動(dòng)作進(jìn)行泄壓,平衡車內(nèi)外壓差,具體邏輯如下。1)進(jìn)入條件(滿足任何一條執(zhí)行泄壓)。條件1為壓力波保護(hù)狀態(tài)持續(xù)達(dá)到10min。條件2為車輛處于壓力波保護(hù)狀態(tài),且車速降至190km/h以下。2)泄壓控制。采用非主控端車輛進(jìn)行泄壓,滿足泄壓條件后,各車廂空調(diào)控制器控制屏蔽壓力波繼電器(后面簡(jiǎn)稱KA9繼電器)得電。頭尾車KA9繼電器得電后壓力波貫通線失電。中間車KA9繼電器得電后將屏蔽列車貫通線信號(hào),各壓力保護(hù)閥由本車空調(diào)控制器控制。3min內(nèi)非泄壓車廂保持各壓力保護(hù)閥均關(guān)閉,泄壓車廂進(jìn)行分檔泄壓。3min結(jié)束后,全列壓力保護(hù)閥強(qiáng)制分時(shí)分車打開1min。泄壓模式控制原理如圖2所示。
圖2 泄壓模式控制原理示意圖
故障樹是一種倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖[5]。故障樹分析主要用于研究產(chǎn)品的可靠性,通過分析造成產(chǎn)品失效的可能因素,包括硬件、軟件和使用環(huán)境等,畫出故障樹,從而推斷出產(chǎn)品發(fā)生故障的原因,對(duì)故障的診斷及維修具有重要的指導(dǎo)意義[6]。故障樹分析步驟如下:1)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)部件的詳細(xì)情況深入了解,界定部件原理和部件之間的邏輯關(guān)系。2)提取故障數(shù)據(jù)或指標(biāo),收集、整理、篩選并統(tǒng)計(jì)相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù),確立頂事件。3)分析頂事件發(fā)生原因,根據(jù)研究系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)不斷細(xì)分,找出能夠引起頂事件發(fā)生的全部底事件。4)定性分析或定量分析。定性分析的目的是為了找出故障樹的最小割集,最小割集表示引起頂事件發(fā)生的所有故障狀態(tài)。定量分析是在定性分析的基礎(chǔ)上,對(duì)頂事件的組成部件重要度、薄弱度進(jìn)行計(jì)算等。
當(dāng)高速動(dòng)車組在具有長(zhǎng)隧道及高海拔的西成線運(yùn)行時(shí),經(jīng)常誤報(bào)控制柜火警故障。該文通過分析故障車廂空調(diào)裝置發(fā)現(xiàn),每次發(fā)生煙火報(bào)警故障時(shí),動(dòng)車組均處于泄壓模式,并且故障車廂的壓力波保護(hù)閥被強(qiáng)制異常打開。分析故障車廂煙火裝置數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),控制柜火災(zāi)探測(cè)器檢測(cè)的煙霧濃度值波動(dòng)較大且超過報(bào)警閾值,衛(wèi)生間及交流柜位置火災(zāi)探測(cè)器檢測(cè)的煙霧濃度值存在明顯波動(dòng)(說明火災(zāi)探測(cè)器基于光散射原理設(shè)計(jì),報(bào)警觸發(fā)源通常包括燃燒煙塵、乘客抽煙、清潔噴霧、廚房炊煙、空氣清新劑、熱水水汽和煙塵粒子等)。故障車廂火災(zāi)探測(cè)器煙霧濃度變化趨勢(shì)如圖3所示。
圖3 壓力波異常打開車廂煙霧濃度趨勢(shì)圖
通過分析執(zhí)行正常泄壓車廂的空調(diào)裝置數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),壓力波保護(hù)閥間歇性開閉,動(dòng)作正常。分析煙火裝置數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),控制柜、衛(wèi)生間及交流柜位置火災(zāi)探測(cè)器檢測(cè)的煙霧濃度值均存在小幅波動(dòng)。正常車廂火災(zāi)探測(cè)器煙霧濃度變化趨勢(shì)如圖4所示。
圖4 正常泄壓車廂煙霧濃度趨勢(shì)圖
為診斷空調(diào)泄壓模式失效的根本原因,根據(jù)動(dòng)車組空調(diào)壓力波控制系統(tǒng)組成、泄壓模式控制邏輯及相關(guān)部件的失效模式,以泄壓模式失效事件作為頂事件,建立泄壓模式失效的故障樹模型,利用下行法求解故障樹的最小割集。泄壓模式失效的故障樹模型如圖5所示。
圖5 泄壓模式失效的故障樹模型
根據(jù)數(shù)據(jù)分析及對(duì)動(dòng)車組的檢查情況,初步可排除壓力波保護(hù)閥故障、空調(diào)控制器供電異常、壓力波控制器軟件缺陷、壓力波控制器硬件故障、壓力波傳感器故障以及壓力波貫通線路故障。
通過搭建試驗(yàn)臺(tái)對(duì)空調(diào)控制器及KA9繼電器進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)動(dòng)車組不同車廂空調(diào)控制器接收到列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的速度信號(hào)不同步,時(shí)間差最大為516ms。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。
表1 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)
當(dāng)頭尾車先于中間車獲取車速小于190km/h的信號(hào)時(shí),頭尾車KA9繼電器得電,導(dǎo)致全列壓力波貫通線信號(hào)無效。中間車因壓力波貫通線信號(hào)無效,不滿足進(jìn)入泄壓模式條件。此時(shí),壓力波保護(hù)閥被強(qiáng)制打開,車內(nèi)負(fù)壓時(shí)外界灰塵倒灌車內(nèi),最終導(dǎo)致火災(zāi)探測(cè)器誤報(bào)煙火報(bào)警故障。
壓力波貫通線信號(hào)通過硬線采集,列車速度數(shù)據(jù)由TCMS通過空調(diào)控制器MVB網(wǎng)卡轉(zhuǎn)給控制器,由于控制器硬件處理數(shù)據(jù)速度比網(wǎng)卡慢,數(shù)據(jù)傳遞、處理存在細(xì)微誤差,因此不同車廂空調(diào)控制器接收速度信號(hào)的時(shí)間存在微小差異。當(dāng)前動(dòng)車組根據(jù)列車速度進(jìn)入泄壓模式的邏輯如圖6所示。
圖6 根據(jù)速度進(jìn)入泄壓模式的邏輯框圖
根據(jù)上述分析,當(dāng)前泄壓模式邏輯存在缺陷,即當(dāng)首尾車較中間車優(yōu)先接收車速小于190km/h的信號(hào)時(shí),全列壓力波貫通線信號(hào)無效,中間車無法正常進(jìn)入泄壓模式。
基于對(duì)動(dòng)車組空調(diào)泄壓模式邏輯缺陷的研究和對(duì)各車廂空調(diào)控制器接收190km/h速度信號(hào)時(shí)間存在差異性的研究,該文提出首尾車較中間車延時(shí)進(jìn)入泄壓模式的方案,確保中間車早于頭尾車進(jìn)入泄壓模式,解決頭尾車先進(jìn)入泄壓模式后屏蔽壓力波信號(hào),導(dǎo)致中間車不能正常關(guān)閥的問題。
根據(jù)列車網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議要求,網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸數(shù)量級(jí)均為毫秒級(jí),并且試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試不同車廂空調(diào)控制器接收到列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的速度信號(hào)時(shí)間差最大為516ms,提出合理的優(yōu)化方案,即在滿足泄壓條件時(shí),頭尾車較中間車延時(shí)2s進(jìn)入泄壓模式。
為驗(yàn)證動(dòng)車組實(shí)施空調(diào)泄壓模式策略優(yōu)化的效果,對(duì)比分析大量西成線路運(yùn)行動(dòng)車組空調(diào)裝置數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)出動(dòng)車組每運(yùn)行10萬km空調(diào)進(jìn)入泄壓模式失效的次數(shù)(每車廂失效1次計(jì)為1,多車廂失效累計(jì)統(tǒng)計(jì)),進(jìn)而得出空調(diào)泄壓模式失效的概率,以此來量化評(píng)判空調(diào)泄壓模式優(yōu)化升級(jí)的效果。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)及計(jì)算結(jié)果見表2。
表2 空調(diào)泄壓模式優(yōu)化前、后對(duì)比數(shù)據(jù)
通過分析動(dòng)車組運(yùn)行在漢中至鄠邑區(qū)間空調(diào)數(shù)據(jù)得出,空調(diào)泄壓模式優(yōu)化前失效的概率為0.076,空調(diào)泄壓模式優(yōu)化后失效的概率為0,提高了動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)使用的可靠性。
首先,通過對(duì)動(dòng)車組空調(diào)裝置及煙火裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,當(dāng)動(dòng)車組內(nèi)外壓差較大時(shí),火災(zāi)探測(cè)器檢測(cè)的煙霧濃度值與壓力波保護(hù)閥開啟存在正相關(guān)的關(guān)系,判斷空調(diào)泄壓模式失效是導(dǎo)致煙火誤報(bào)警的根本原因。
其次,基于故障樹分析法建立空調(diào)泄壓模式失效的故障樹模型,利用下行法求解故障樹的9個(gè)最小割集,并根據(jù)數(shù)據(jù)分析及地面試驗(yàn),診斷出空調(diào)泄壓模式失效的根本原因?yàn)榭照{(diào)控制器軟件缺陷。
再次,通過對(duì)列車處于壓力波保護(hù)狀態(tài)且車速降至190km/h以下進(jìn)入泄壓模式的邏輯進(jìn)行深入分析,結(jié)合空調(diào)控制器接收到列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的速度信號(hào)不同步試驗(yàn)研究,完成動(dòng)車組空調(diào)進(jìn)入泄壓模式邏輯的優(yōu)化。
最后,通過對(duì)優(yōu)化前、后動(dòng)車組在漢中至鄠邑區(qū)間運(yùn)行時(shí)空調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并進(jìn)行空調(diào)泄壓模式軟件升級(jí),降低了泄壓模式失效的概率,提高了動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)使用的可靠性。