動車組主供風(fēng)系統(tǒng)雙塔干燥器故障診斷邏輯設(shè)計研究

馬永靖，鄭魏婧，李 松，張笑凡，馬 兵

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林 長春 130062)

動車組主供風(fēng)系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)組和干燥器組成，為動車組制動系統(tǒng)及其他用風(fēng)設(shè)備提供干燥清潔的壓縮空氣。主供風(fēng)系統(tǒng)輸出的壓縮空氣質(zhì)量應(yīng)滿足ISO 8573-1：2010[3:2:3] 《壓縮空氣 第1部分 雜質(zhì)和質(zhì)量等級》的要求，其中壓縮空氣露點等級為2級，相對濕度≤35%，可滿足-40 ℃環(huán)境溫度使用要求。大氣中總是含有水蒸氣，只要水分以蒸汽形式存在，它始終會與空氣結(jié)合在一起，直到超過飽和極限(100%空氣相對濕度)，水分才會轉(zhuǎn)化為水滴、霧或雪的形式。飽和極限視溫度而變化，隨著溫度的降低，空氣能吸收的水分將減少。當(dāng)環(huán)境溫度降低至壓縮空氣露點溫度時，空氣壓縮機(jī)組產(chǎn)生的壓縮空氣就會凝結(jié)出水。干燥器的功能就是除去壓縮空氣中的水分，使輸出的壓縮空氣相對濕度一直保持在35%以下。當(dāng)干燥器出現(xiàn)故障不能有效去除壓縮空氣中的水分時，主供風(fēng)系統(tǒng)輸出的壓縮空氣濕度將會大于35%，甚至?xí)Y(jié)出水。當(dāng)高濕度的壓縮空氣或凝結(jié)出的水通過供風(fēng)管路進(jìn)入到制動系統(tǒng)閥類部件及其他用風(fēng)設(shè)備時，就會造成氣動裝置零部件出現(xiàn)腐蝕和過早磨損等問題，如在冬季還會造成管路、設(shè)備凍結(jié)等嚴(yán)重后果[1]，最終導(dǎo)致系統(tǒng)性故障，嚴(yán)重影響行車安全。

目前，我國既有和諧號動車組均不具備干燥器故障診斷功能[2]，當(dāng)干燥器出現(xiàn)故障時往往不能被及時發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致管路積水。增加干燥器故障診斷功能，對干燥器工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，對于確保壓縮空氣質(zhì)量、提高系統(tǒng)安全性等具有極其重要的意義。同時為實現(xiàn)主供風(fēng)系統(tǒng)智能診斷、智能檢修維護(hù)提供了有效途徑。

本文介紹了雙塔干燥器的工作原理，提供了一種雙塔干燥器故障診斷裝置的方案。分析了雙塔干燥器的故障模式，重點闡述了雙塔干燥器故障的診斷邏輯。該雙塔干燥器故障診斷裝置可對雙塔干燥器的工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，并能將故障信息發(fā)送給列車控制系統(tǒng)和健康預(yù)測管理系統(tǒng)，在司機(jī)顯示屏上報出故障代碼，指導(dǎo)司機(jī)應(yīng)急處置和動車組檢修維護(hù)。

1 雙塔干燥器組成及工作原理

1.1 組成

雙塔干燥器主要由控制單元、電磁閥、活塞閥A、活塞閥B、干燥塔A、干燥塔B、止回閥A、止回閥B、溢流閥和節(jié)流閥等組成，見圖1。

圖1 雙塔干燥器組成及工作原理示意圖

1.2 工作原理

由圖1可知，雙塔干燥器的工作原理如下：

(1) 干燥塔A和干燥塔B中都裝有干燥劑。當(dāng)高濕度的空氣進(jìn)入干燥塔B時，干燥劑吸附空氣中的水蒸氣，輸出低露點的干燥空氣，此時干燥塔B處于“干燥階段”；當(dāng)部分干燥后的空氣通過節(jié)流閥進(jìn)入干燥塔A時，可帶走干燥劑吸附的水分，實現(xiàn)干燥劑再生，此時干燥塔A處于“再生階段”。

(2) 當(dāng)電磁閥失電時，沒有預(yù)控壓力輸入活塞閥A和活塞閥B，活塞閥A的A1至A2通道切斷，A2至A3通道連通；活塞閥B的A1至A2通道連通，A2至A3通道切斷。從空氣壓縮機(jī)組出來的高濕度的壓縮空氣通過進(jìn)風(fēng)口、活塞閥B進(jìn)入干燥塔B，此時干燥塔B處于“干燥階段”。當(dāng)干燥后的壓縮空氣壓力達(dá)到溢流閥設(shè)定值400 kPa后，通過止回閥B、溢流閥從出風(fēng)口輸出。同時，干燥塔B輸出的干燥壓縮空氣通過小孔徑的節(jié)流閥(控制再生風(fēng)量)進(jìn)入干燥塔A,干燥塔A處于“再生階段”，吸附了干燥劑中水分的空氣由活塞閥A的A2至A3通道,從排泄口排向大氣。由于此時干燥塔A與大氣相通，干燥塔A中的壓力接近大氣壓。

(3) 當(dāng)電磁閥得電時，干燥塔B輸出的壓縮空氣作為預(yù)控壓力輸入活塞閥A和活塞閥B，活塞閥A的A1至A2通道連通，A2至A3通道切斷；活塞閥B的A1至A2通道切斷，A2至A3通道連通。從空氣壓縮機(jī)組出來的高濕度的壓縮空氣通過進(jìn)風(fēng)口、活塞閥A進(jìn)入干燥塔A，此時干燥塔A處于“干燥階段”。當(dāng)干燥后的壓縮空氣壓力達(dá)到溢流閥設(shè)定值400 kPa后，通過止回閥A、溢流閥從出風(fēng)口輸出。同時，干燥塔A輸出的干燥壓縮空氣通過小孔徑的節(jié)流閥進(jìn)入干燥塔B,干燥塔B處于“再生階段”，吸附了干燥劑中水分的空氣由活塞閥B的A2至A3通道,從排泄口排向大氣。由于此時干燥塔B與大氣相通，干燥塔B中的壓力接近大氣壓。當(dāng)電磁閥失電時，重復(fù)第(2)項過程。

1.3 工作時序

雙塔干燥器工作時序見圖2。控制單元基于電子計時方式按固定程序周期性輸出“雙塔干燥器切換電氣信號”，控制電磁閥按“失電60 s—得電60 s”循環(huán)動作；每個干燥塔按“干燥60 s—再生60 s”循環(huán)工作，每120 s完成一次“干燥階段—再生階段”的循環(huán)；一個干燥塔為“干燥階段”時對應(yīng)另一個干燥塔為“再生階段”。

圖2 雙塔干燥器工作時序示意圖

2 雙塔干燥器故障診斷裝置技術(shù)方案

在干燥塔A和干燥塔B處分別設(shè)置壓力開關(guān)A和壓力開關(guān)B，用于監(jiān)控干燥塔工作狀態(tài)，壓力開關(guān)設(shè)定值為350 kPa(圖1)。

根據(jù)雙塔干燥器工作原理，空氣壓縮機(jī)組工作后，當(dāng)干燥塔進(jìn)入“干燥階段”時，內(nèi)部壓力會瞬時達(dá)到溢流閥設(shè)定值400 kPa，輸出壓縮空氣，壓力開關(guān)動作輸出高電平信號；當(dāng)干燥塔進(jìn)入“再生階段”時，內(nèi)部壓力會瞬時排放至接近大氣壓，壓力開關(guān)動作輸出低電平信號。正常情況下，壓力開關(guān)按“干燥階段—再生階段”循環(huán)切換，輸出持續(xù)的高低電平信號。

綜合空氣壓縮機(jī)組工作狀態(tài)信號(是否啟動)、壓力開關(guān)A信號和壓力開關(guān)B信號，設(shè)計雙塔干燥器故障診斷裝置(圖3)進(jìn)行故障診斷和存儲。可通過數(shù)據(jù)接口讀取和下載故障記錄。雙塔干燥器故障診斷裝置分別設(shè)置指示燈顯示裝置電源及工作狀態(tài)、干燥塔A及干燥塔B狀態(tài)、雙塔干燥器是否故障等狀態(tài)信息，具體含義見表1。

表1 雙塔干燥器故障診斷裝置指示燈含義

圖3 雙塔干燥器故障診斷裝置方案示意圖

雙塔干燥器故障診斷裝置可將雙塔干燥器故障信號發(fā)送給列車控制系統(tǒng)，在司機(jī)顯示屏上報出故障代碼，提示司機(jī)、機(jī)械師進(jìn)行應(yīng)急處置。同時也可將雙塔干燥器故障信號發(fā)送給動車組健康預(yù)測管理系統(tǒng)，生成故障信息，用于指導(dǎo)動車組檢修維護(hù)。

3 故障模式

雙塔干燥器內(nèi)部電磁閥不動作、活塞閥卡滯、止回閥故障和管路堵塞等都能造成干燥塔A和干燥塔B不能按正常工作時序切換，主要有以下3種故障模式。

3.1 故障模式1

當(dāng)某一個干燥塔在“再生階段”沒有向大氣正常排放時，就會出現(xiàn)2個干燥塔同時保持高壓，即認(rèn)為2個干燥塔同時處于“干燥階段”(壓力開關(guān)同時輸出高電平信號)，見圖4。

T1. 干燥塔由“干燥階段”切換為“再生階段”時， 干燥塔由高壓力降為低壓力所允許的最長時間。圖4 雙塔干燥器故障模式1示意圖

3.2 故障模式2

當(dāng)某一個干燥塔在“干燥階段”壓力沒有上升至壓力開關(guān)設(shè)定值時，就會出現(xiàn)2個干燥塔同時保持低壓，即認(rèn)為2個干燥塔同時處于“再生階段”(壓力開關(guān)同時輸出低電平信號)，見圖5。

T2. 干燥塔由“干燥階段”切換為“再生階段”時， 干燥塔由低壓力升為高壓力所允許的最長時間。圖5 雙塔干燥器故障模式2示意圖

3.3 故障模式3

當(dāng)干燥塔切換間隔過長時，就會出現(xiàn)某一個干燥塔一直“干燥”，另一個干燥塔一直“再生”的狀態(tài)，即認(rèn)為2個干燥塔長時間處于“再生階段”(壓力開關(guān)長時間持續(xù)輸出低電平信號)或“干燥階段”(壓力開關(guān)長時間持續(xù)輸出高電平信號)，未進(jìn)行狀態(tài)切換，見圖6。

T3. 干燥塔一個“干燥階段—再生階段”的循環(huán)周期時間。

4 故障診斷邏輯

4.1 故障監(jiān)控條件

雙塔干燥器故障診斷裝置供電時，當(dāng)空氣壓縮機(jī)組啟動后，雙塔干燥器故障診斷裝置開始進(jìn)行故障監(jiān)控需滿足以下前提條件：(1)動車組中壓供電正常，能為空氣壓縮機(jī)組提供動力電源；(2)收到空氣壓縮機(jī)組啟動控制信號。

4.2 故障診斷置位邏輯

為了避免很快就能恢復(fù)的偶發(fā)性異常問題觸發(fā)不必要的故障報警，雙塔干燥器故障診斷裝置開始工作后，當(dāng)監(jiān)控到滿足以下條件之一的故障時，間隔120 s后再次檢查干燥器狀態(tài)，如第2次監(jiān)控到滿足以下條件之一的故障，置位“雙塔干燥器故障”信號。

(1) 壓力開關(guān)A和壓力開關(guān)B同時輸出高電平信號時間超過設(shè)定值T1。T1為干燥塔由“干燥階段”切換為“再生階段”時，干燥塔由高壓力(≥400 kPa)降為低壓力(≤350 kPa，壓力開關(guān)動作值)所允許的最長時間，可根據(jù)實測值留一定余量獲得(圖4)，可取T1=30 s。

(2) 壓力開關(guān)A和壓力開關(guān)B同時輸出低電平信號時間超過設(shè)定值T2。T2為干燥塔由“再生階段”切換為“干燥階段”時，干燥塔由低壓力(接近大氣壓)升為高壓力(≥350 kPa，壓力開關(guān)動作值)所允許的最長時間，可根據(jù)實測值留一定余量獲得(圖5)，可取T2=20 s。

(3) 壓力開關(guān)A和壓力開關(guān)B持續(xù)輸出高電平信號或低電平信號時間超過設(shè)定值T3。T3為干燥塔一個“干燥階段—再生階段”的循環(huán)周期時間，參照圖6，取T3=120 s。

4.3 故障診斷復(fù)位邏輯

當(dāng)雙塔干燥器故障診斷裝置監(jiān)控到滿足以下條件之一時復(fù)位“雙塔干燥器故障”信號：(1)壓力開關(guān)A和壓力開關(guān)B信號符合工作時序，不滿足4.2條中規(guī)定的置位條件；(2)雙塔干燥器故障診斷裝置電源斷開。

5 故障處置

當(dāng)動車組報出雙塔干燥器故障時，說明雙塔干燥器已不能按正常時序進(jìn)行切換，需切除對應(yīng)的空氣壓縮機(jī)組，禁止其工作。動車組回庫后，可通過雙塔干燥器故障診斷裝置數(shù)據(jù)接口下載故障記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定故障原因后排除故障。

6 裝車運用

本文研究的動車組主供風(fēng)系統(tǒng)雙塔干燥器故障診斷裝置及診斷邏輯已應(yīng)用于中車長春軌道客車股份有限公司新研發(fā)的復(fù)興號動車組。