0引言

無論是機車、客車、貨車,還是地鐵、輕軌、動車 組等各種形式的軌道車輛,都離不開壓縮空氣。壓縮空氣主要為制動提供動力,同時還為受電弓、塞拉門、集便器、空氣彈簧等設(shè)備提供用風^[1—3]。近年來,我國動車組、城市軌道交通等飛速發(fā)展,隨著軌道車輛保有量的增加,由壓縮空氣質(zhì)量下降而導致的用風設(shè)備故障時有發(fā)生。

壓縮空氣的質(zhì)量好壞關(guān)系到用風設(shè)備能否正常工作,影響其使用壽命,故現(xiàn)有技術(shù)標準對軌道車輛壓縮空氣的水、油和固體顆粒三種主要雜質(zhì)的含量有明確規(guī)定。現(xiàn)有壓縮空氣檢測設(shè)備多為地面固定式設(shè)備,用于對供風單元進行檢測,無法移動進行隨車檢測。為此,周其顯等人^[4]和張濤^[5]分別提出了一種針對軌道交通車輛壓縮空氣質(zhì)量進行在線檢測的方法,但這兩種方法需要對現(xiàn)車的空氣管路進行改造,對于已經(jīng)上線運行的車輛而言,受安裝空間限制,很難實施。為解決此問題,本項目研發(fā)了一種便攜式壓縮空氣質(zhì)量檢測設(shè)備,可在檢修作業(yè)時用于檢測,也可進行跟蹤檢測。

1壓縮空氣雜質(zhì)的危害

現(xiàn)代軌道交通車輛的安全和穩(wěn)定運行高度依賴于高質(zhì)量的壓縮空氣供應,這種壓縮空氣需要滿足一系列嚴格的標準,包括清潔度和干燥度。為了獲得這種高質(zhì)量的壓縮空氣,軌道交通車輛采用了復雜的壓縮空氣供給系統(tǒng)。壓縮空氣供給系統(tǒng)也稱為供風系統(tǒng)或風源系統(tǒng),包括空氣壓縮機、干燥器、過濾器、風缸等零部件,主要用于產(chǎn)生壓縮空氣,并對其中的雜質(zhì)進行處理,提供滿足車輛用風需求的壓縮空氣^[6]。壓縮空氣中危害最大的主要雜質(zhì)為固體顆粒、水和油,相關(guān)標準中對三種雜質(zhì)的含量和檢測方法有明確的規(guī)定^[7]。

1.1 固體顆粒的危害

壓縮空氣中的固體顆粒有多種來源,比如空氣中的粉塵顆粒,管路內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)生的鐵銹或結(jié)垢物,過濾設(shè)備的濾材脫落,密封材料的老化磨損等等,這些固體顆粒隨著壓縮空氣的流動,會進入用風設(shè)備的內(nèi)部,成為設(shè)備運行的隱患,比如可能造成設(shè)備中小孔的堵塞引發(fā)功能失效,造成活塞的卡滯引發(fā)泄漏,造成壓縮彈簧的運動受阻引發(fā)動作不良等等。在軌道交通車輛中,就曾出現(xiàn)過相關(guān)故障,圖1為某動車組的故障差壓閥,鐵銹進入差壓閥內(nèi)部,差壓閥運動受阻,導致功能失效。

1.2 水分的危害

自然環(huán)境下的空氣本身就含有水分,空氣被壓縮后,體積減小、壓強增大,但水分含量不變,這就導致單位體積壓縮空氣中的水含量增加。而壓縮空氣的溫度越低,其中的水分就越容易析出。空氣經(jīng)壓縮后溫度升高,遇到溫度低的管路或設(shè)備內(nèi)壁,水分就容易凝結(jié),從而造成管路或設(shè)備的銹蝕。因此,在軌道交通車輛中,壓縮空氣要經(jīng)過干燥器的處理才能供用風設(shè)備使用。但有時候由于干燥器失效等原因,供風管路的含水量可能會較高。在冬季極端惡劣天氣時,管路中的水分會凍結(jié)設(shè)備,引發(fā)故障。圖2為某動車組被凍結(jié)的氣路控制箱止回閥,由于管路凍堵,下游用風設(shè)備供風不足,影響了動車組的正常運營秩序^[8]。

1.3 油的危害

目前,軌道交通車輛采用的空氣壓縮機主要為螺桿式空壓機和往復活塞式空壓機兩種,需要通過潤滑油進行潤滑和冷卻,從而減少設(shè)備的磨損,維持設(shè)備的長期穩(wěn)定運行。當空氣被壓縮時,溫度升高,這些潤滑油也會變成油蒸氣融入壓縮空氣中,如處理不徹底,油氣進入管路設(shè)備,會造成設(shè)備堵塞或污染失效。文獻[9]對地鐵車輛壓縮空氣油脂超標引起的制動系統(tǒng)壓力控制異常進行了分析,并提出了改進措施。為保證軌道交通車輛壓縮空氣的質(zhì)量和性能,必須對油蒸氣進行適當?shù)奶幚怼?

2便攜式檢測設(shè)備的研發(fā)

2.1設(shè)備設(shè)計原理

為方便及時對軌道交通車輛的壓縮空氣質(zhì)量進行檢測,本項目提出一種便攜式壓縮空氣質(zhì)量檢測設(shè)備,可方便快捷地檢測出列車管路中壓縮空氣多種雜質(zhì)(主要為水、油、固體顆粒等)是否符合相應標準要求,為檢修人員提供數(shù)據(jù)支持,以便提早發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時處理,從而減少壓縮空氣質(zhì)量超標帶來的影響,延長用風設(shè)備的使用壽命。

便攜式壓縮空氣質(zhì)量檢測設(shè)備的原理如圖3 所示。

該項目將壓縮空氣質(zhì)量的檢測設(shè)備集成于一個手提箱中,通過電池組供電(充電電源為AC220 V,50Hz),使用觸摸屏顯示及操作,可攜帶它臨時測量,也可隨車安裝進行長時間跟蹤監(jiān)測。設(shè)備內(nèi)部包含3個傳感器:固體顆粒傳感器、含水量傳感器、含油量傳感器,分別用于檢測壓縮空氣中的固體顆粒、水和油三種雜質(zhì)。傳感器與觸摸屏通過工控主板連接,傳感器將檢測結(jié)果傳輸?shù)焦た刂靼?工控主板解析后傳輸?shù)接|摸屏進行顯示,觸摸屏可根據(jù)需要,直接顯示數(shù)據(jù),也可處理成曲線形式顯示,并具有數(shù)據(jù)傳輸和存儲功能。箱體內(nèi)設(shè)有電磁閥,用于控制檢測設(shè)備與被測氣路的通斷,需要進行檢測時,電磁閥得電接通,不需要檢修檢測時,電磁閥失電關(guān)閉。箱體外部設(shè)有快速接頭,用于檢測設(shè)備的氣路與被測氣路相連,通過截斷塞門可手動控制快速接頭與被測氣路的通斷。

在被測氣路上還可根據(jù)需要安裝流量計、溫度傳感器、壓力傳感器,可以長期監(jiān)控被測氣路的壓縮空氣流量、溫度以及壓力。檢測時,先將流量計、溫度傳感器、壓力傳感器安裝于被測氣路上,并將數(shù)據(jù)線纜連接到對應箱體的插頭上。再將箱體氣路與被測氣路通過快速接頭連接。在被測氣路壓縮空氣壓力正常情況下,打開截斷塞門,使被測氣路的壓縮空氣進入箱體中。在檢測設(shè)備對壓縮空氣質(zhì)量進行檢測時,觸摸屏的電腦控制電磁閥打開,被測氣路的壓縮空氣分別進入含油量傳感器、含水量傳感器和固體顆粒傳感器,經(jīng)檢測后通過各自的排氣孔排向大氣。傳感器將數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸給觸摸屏進行顯示和存儲。完成測試后,觸摸屏控制電磁閥關(guān)閉氣路,以便減少壓縮空氣的損失。如需跟蹤監(jiān)控被測氣路的壓縮空氣質(zhì)量,可通過觸摸屏設(shè)置兩次檢測的時間間隔以及整個跟蹤監(jiān)測的時長,在下次檢測時,觸摸屏自動控制電磁閥打開,接通被測氣路,檢測完成后關(guān)閉,如此循環(huán),直到達到設(shè)定的時長后關(guān)閉電磁閥并不再接通。在上述檢測過程中,若提前將流量計、溫度傳感器、壓力傳感器安裝于被測氣路上,并連接好數(shù)據(jù)線路,則觸摸屏還可實時顯示和記錄被測管路的流量、溫度和壓力。觸摸屏記錄的數(shù)據(jù)可通過U盤或 wi—Fi傳輸?shù)狡渌娔X中進行管理。

2.2操作界面設(shè)計

為提供更好的人機交互服務,對設(shè)備觸摸屏的操作界面進行了設(shè)計。主界面為人機交互的主要界面,可以實時顯示在線測試的數(shù)據(jù),同時也可以提供數(shù)據(jù)曲線,如圖4所示。

主界面左側(cè)區(qū)域為菜單按鈕區(qū)域,可以通過按鈕進行相應的操作,操作“退出”按鈕,可退出軟件;操作“參數(shù)管理”軟件,可對測試參數(shù)進行設(shè)置,例如產(chǎn)品型號、測試參數(shù)(包括測試時間、采樣周期、判定標準)等。

主界面右側(cè)區(qū)域為測試區(qū)域,包括數(shù)據(jù)顯示、曲線顯示和操作區(qū)域。數(shù)據(jù)顯示區(qū)域可以實時顯示測量的露點、殘油量和顆粒度。曲線顯示區(qū)域,以曲線形式顯示露點、殘油量、顆粒度的值,便于觀察數(shù)據(jù)的趨勢。通過操作區(qū)域可在測試前進行型號的選擇,并錄入測試編號,電磁閥開關(guān)用于手動控制電磁閥的通斷,通過“開始測試”和“停止測試”按鈕可控制測試的啟停。測試數(shù)據(jù)會自動記錄到csv格式的數(shù)據(jù)文件中。

3 結(jié)論

本文所述便攜式壓縮空氣質(zhì)量檢測設(shè)備采用手提箱的設(shè)計結(jié)構(gòu)、集成安裝的方式,方便攜帶,便于操作,可在檢修作業(yè)時對軌道交通車輛的壓縮空氣質(zhì)量進行檢測,也可放置于車上進行實時跟蹤檢測。檢測的數(shù)據(jù)可通過曲線形式進行實時顯示,同時自動進行存儲,并可在檢測完畢后導出到存儲設(shè)備。

后續(xù)可根據(jù)市場需求,增加實時在線傳輸功能,將檢測數(shù)據(jù)在線實時傳遞給需要的監(jiān)控設(shè)備,供有需要的人員及時掌握數(shù)據(jù),比如提供給智能運維系統(tǒng),便于對數(shù)據(jù)進行分析處理,并對供風單元的狀態(tài)及時進行健康管理。

[參考文獻]

[1] 于洋,吳國棟.時速160公里動力集中型動車組風源系統(tǒng)供風能力仿真分析 [J].鐵道機車與動車,2022 (9):37-39.

[2]趙恩東,喬峰,趙楊坤.動車組主風源系統(tǒng)控制策略研究[J].鐵道車輛,2017,55(6):6-9.

[3]孟繁輝.高速動車組供風系統(tǒng)故障分析及改進措施[J].鐵道機車車輛,2016,36(3):77-80.

[4]周其顯,劉凱.軌道車輛壓縮空氣質(zhì)量健康管理系統(tǒng)研究[J].壓縮機技術(shù),2021(2):41-44.

[5]張濤.機車壓縮空氣質(zhì)量在線檢測的實現(xiàn)[J].機車電傳動,2015(4):55-58.

[6]郝汝飛,劉銘倩.高速動車組的供風系統(tǒng)簡述[J].科學技術(shù)創(chuàng)新,2019(9):173-174.

[7]唐松柏,盧文輝,李憲文.機車車輛制動系統(tǒng)用壓縮空氣的質(zhì)量控制[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2005(2):19-21.

[8] 樊立新.CR200J型動力集中動車組氣路控制箱結(jié)冰問題分析及改進[J].鐵道車輛,2024,62(1):176-181.

[9]王小明,周子舟.壓縮空氣不潔引起的制動系統(tǒng)壓力控制異常分析及改進[J].機車電傳動,2018(1):119-121.

2024年第18期第17篇