CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組客室空調(diào)故障分析及預(yù)警方法探討

高原 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科技和信息化部

倪建軍 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動(dòng)車(chē)段

動(dòng)車(chē)組采用全密閉式車(chē)體，動(dòng)車(chē)組內(nèi)的空氣調(diào)節(jié)、通風(fēng)換氣均依靠動(dòng)車(chē)組空調(diào)，空調(diào)成為了影響動(dòng)車(chē)組運(yùn)行品質(zhì)的重要系統(tǒng)，在炎熱的夏季一旦空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響旅客的乘坐舒適性，甚至可能導(dǎo)致動(dòng)車(chē)組無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行，對(duì)運(yùn)輸秩序產(chǎn)生很大影響。現(xiàn)階段動(dòng)車(chē)組空調(diào)系統(tǒng)檢修以狀態(tài)預(yù)防修為主，對(duì)空調(diào)故障仍采用事后修的方式，因空調(diào)故障的發(fā)生具有突發(fā)性和隱蔽性特點(diǎn)，給空調(diào)系統(tǒng)的日常檢修維護(hù)帶來(lái)了極大的困難，若能找到一種行之有效的方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組空調(diào)系統(tǒng)故障甚至預(yù)測(cè)故障的發(fā)生，將空調(diào)系統(tǒng)故障帶來(lái)的影響減小到最低，對(duì)保證動(dòng)車(chē)組行車(chē)品質(zhì)和安全有序的運(yùn)行具有重要的意義。

1 客室空調(diào)制冷工作原理

空調(diào)制冷系統(tǒng)工作時(shí)，從冷凝器流出的制冷劑液體通過(guò)干燥過(guò)濾器后進(jìn)入節(jié)流裝置。制冷劑液體經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓后，進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)，通過(guò)通風(fēng)機(jī)吸收空調(diào)區(qū)域大量熱量，直至制冷劑氣化。離開(kāi)蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)吸收低壓蒸汽并將之壓縮，同時(shí)提高蒸汽的壓力和溫度。高溫高壓氣體被壓出壓縮機(jī)后進(jìn)入冷凝器，通過(guò)冷凝風(fēng)機(jī)將熱量排到外界空氣，冷凝成制冷劑液體。制冷劑液體又開(kāi)始新一輪的循環(huán)。空調(diào)機(jī)組制冷工作原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 空調(diào)機(jī)組制冷工作原理簡(jiǎn)圖

2 客室空調(diào)故障主要類型和分布

通過(guò)研究CR400BF型動(dòng)車(chē)組客室空調(diào)系統(tǒng)故障情況，在去除空調(diào)系統(tǒng)非功能性故障后，梳理出夏季動(dòng)車(chē)組客室空調(diào)系統(tǒng)制冷故障的主要類型有電氣元器件故障、系統(tǒng)偶發(fā)性故障、管路泄露、膨脹閥故障等，具體如表1所示。

表1 CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組客室空調(diào)故障類型和故障分布情況

從表1可以看出，電氣元器件故障、系統(tǒng)偶發(fā)性故障占比最高，且從發(fā)生故障后的故障排查情況來(lái)看，此類故障具有明顯的突發(fā)性和偶然性，具體表現(xiàn)為電氣元器件瞬間失效、空調(diào)系統(tǒng)瞬間停止工作，故障潛伏期短，不具備明顯的前瞻性研究意義。其次故障占比最多的是空調(diào)系統(tǒng)制冷劑不足、管路泄露故障、膨脹閥故障，此類故障的故障潛伏期長(zhǎng)短不一。潛伏期短時(shí)，主要是通過(guò)車(chē)載系統(tǒng)盯控相關(guān)故障的報(bào)警，及時(shí)進(jìn)行處置；潛伏期長(zhǎng)時(shí)，可以通過(guò)研究空調(diào)系統(tǒng)主要相關(guān)的數(shù)據(jù)來(lái)挖掘故障發(fā)生規(guī)律，實(shí)現(xiàn)故障的提前預(yù)判。因此選擇由于制冷劑泄漏等原因?qū)е碌内厔?shì)性制冷不良建立故障模型進(jìn)行研究。

3 客室空調(diào)故障預(yù)警閾值關(guān)聯(lián)性分析

客室空調(diào)使用制冷劑R407c作為冷媒，壓縮機(jī)將冷媒R407c壓縮成為高溫高壓氣態(tài)冷媒，冷媒循環(huán)至冷凝器內(nèi)通過(guò)冷凝風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，與外界空氣換熱冷卻。冷媒由高溫高壓氣態(tài)轉(zhuǎn)為中溫高壓液態(tài)冷媒。液態(tài)冷媒通過(guò)膨脹閥節(jié)流進(jìn)行膨脹降壓，變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌蠎B(tài)。冷媒在蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)吸熱。客室內(nèi)回風(fēng)與新風(fēng)混合后由蒸發(fā)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器進(jìn)行換熱，降溫后引入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)降溫。經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器吸熱后，冷媒由低溫低壓的氣液混合態(tài)變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)，由管路輸送回壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

為驗(yàn)證空調(diào)制冷壓力在實(shí)際運(yùn)用中與各項(xiàng)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)行了空調(diào)制冷壓力數(shù)據(jù)試驗(yàn)。空調(diào)機(jī)組在試驗(yàn)臺(tái)位上針對(duì)額定工況使用焓差法進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)條件如表2所示、測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 空調(diào)額定制冷工況及條件

表3 空調(diào)制冷系統(tǒng)壓力測(cè)試結(jié)果

表3的測(cè)試數(shù)據(jù)為額定工況的壓力，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，空調(diào)壓力與環(huán)境溫濕度、室內(nèi)溫度、熱負(fù)荷、旁通閥狀態(tài)、膨脹閥開(kāi)度等都有關(guān)系。

（1）壓縮機(jī)工作與壓力值關(guān)系

壓縮機(jī)不工作時(shí)，制冷系統(tǒng)高低壓力處于平衡狀態(tài)；當(dāng)壓縮機(jī)工作，制冷系統(tǒng)高壓升高，低壓降低。為保證運(yùn)行安全，空調(diào)系統(tǒng)需要使用高低壓保護(hù)器，保障壓縮機(jī)在正常范圍內(nèi)運(yùn)行，見(jiàn)表4。

表4 壓縮機(jī)型號(hào)系統(tǒng)參數(shù)

（2）旁通閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)與制冷壓力的關(guān)系

旁通閥打開(kāi)，系統(tǒng)高壓降低，低壓升高，制冷量減少，空調(diào)送風(fēng)溫度升高。根據(jù)制冷需求分為四級(jí)制冷：

①一級(jí)制冷：一臺(tái)壓縮機(jī)開(kāi)，旁通閥開(kāi)；

②二級(jí)制冷：一臺(tái)壓縮機(jī)開(kāi)，旁通閥關(guān)；

③三級(jí)制冷：兩臺(tái)壓縮機(jī)開(kāi)，一個(gè)旁通閥開(kāi)；

④四級(jí)制冷：兩臺(tái)壓縮機(jī)開(kāi)，旁通閥關(guān)。

（3）室外溫度與壓力值關(guān)系

在不同室外溫度下，空調(diào)制冷運(yùn)行（空調(diào)機(jī)組旁通電磁閥始終保持關(guān)閉狀態(tài)），機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行5 min，高、低壓力值正常應(yīng)如圖2所示（陰影部分）。

圖2 客室空調(diào)壓力圖

（4）車(chē)廂熱負(fù)荷、載客量與空調(diào)工作關(guān)系

當(dāng)空調(diào)運(yùn)行達(dá)到車(chē)內(nèi)溫度穩(wěn)定狀態(tài)下，空調(diào)投入的制冷量相當(dāng)于抵消車(chē)廂熱負(fù)荷的量，包括車(chē)廂隔熱傳遞、太陽(yáng)輻射、車(chē)內(nèi)設(shè)備發(fā)熱、載客量，所以熱負(fù)荷越大，空調(diào)投入冷量越多。

空調(diào)制冷劑泄漏，客室空調(diào)系統(tǒng)高壓和低壓趨勢(shì)如下：高壓值有下降趨勢(shì)；低壓值有下降趨勢(shì)；另一個(gè)系統(tǒng)高壓值沒(méi)有明顯下降趨勢(shì)；另一個(gè)系統(tǒng)低壓值沒(méi)有明顯下降趨勢(shì)。

表5是實(shí)際運(yùn)行中動(dòng)車(chē)組某車(chē)廂發(fā)生制冷劑泄漏的車(chē)組高低壓力數(shù)據(jù)示例：

表5 動(dòng)車(chē)組運(yùn)行中空調(diào)實(shí)際壓力情況

表5為某列動(dòng)車(chē)組線上運(yùn)行空調(diào)壓力數(shù)據(jù)，可以分為3個(gè)較明顯的階段。初期上午運(yùn)行數(shù)據(jù)基本正常，至中午壓力偏低，此時(shí)空調(diào)制冷效率會(huì)下降，到下午時(shí)分，高低壓力值下降明顯，已經(jīng)影響制冷。

4 故障預(yù)警模型建立

實(shí)現(xiàn)“閾值+策略+大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)”的故障預(yù)警模式，需要對(duì)動(dòng)車(chē)組客室空調(diào)系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析，確定故障相關(guān)參數(shù)，空調(diào)系統(tǒng)故障參數(shù)與空調(diào)故障相關(guān)性分析，確定空調(diào)故障識(shí)別關(guān)鍵閾值，設(shè)計(jì)故障識(shí)別策略，建立模型，并不斷進(jìn)行模型方案的優(yōu)化和完善。可以大大提高預(yù)警時(shí)間和準(zhǔn)確度，降低運(yùn)行故障率、逐步實(shí)現(xiàn)視情維修轉(zhuǎn)變，以及通過(guò)數(shù)據(jù)分析幫助正向改善，提高設(shè)備可用性、可靠性和安全性，降低運(yùn)維成本，見(jiàn)圖3。

圖3 故障預(yù)警模型建立流程

（1）基于室溫變化的故障預(yù)警模型

通過(guò)采集遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，獲取車(chē)廂的回風(fēng)溫度（即客室實(shí)際溫度）與客室設(shè)定溫度進(jìn)行比較。當(dāng)客室空調(diào)運(yùn)行中滿足下列條件時(shí)：

①外溫小于50℃。

②客室側(cè)門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)車(chē)廂側(cè)門(mén)打開(kāi)時(shí)，車(chē)廂與外界相通，外界高溫氣體會(huì)與車(chē)廂內(nèi)的封閉環(huán)境進(jìn)行快速的融合交換，同時(shí)，車(chē)門(mén)開(kāi)啟時(shí)，車(chē)輛處于站臺(tái)或檢修中心，綜合作用使客室溫度迅速升高，制冷產(chǎn)生的冷空氣流出車(chē)廂，效果大打折扣。待側(cè)門(mén)關(guān)閉后客室溫度會(huì)逐漸下降直至達(dá)到能量的動(dòng)態(tài)平衡。因此，當(dāng)客室車(chē)門(mén)開(kāi)啟時(shí)，客室車(chē)廂溫度容易出現(xiàn)異常高的現(xiàn)象，模型對(duì)于該狀態(tài)下數(shù)據(jù)不做判斷。

③壓縮機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)。壓縮機(jī)停止運(yùn)行的情況下，制冷系統(tǒng)未運(yùn)行或已達(dá)到設(shè)定溫度，無(wú)需觸發(fā)該診斷模型。

若滿足上述3個(gè)條件，且回風(fēng)溫度〉設(shè)定溫度+3℃，持續(xù)1 h以上，模型可以給出相關(guān)制冷不良提示，提醒檢修人員確認(rèn)。

（2）基于壓縮機(jī)壓力值數(shù)據(jù)的預(yù)警模型

根據(jù)空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行原理，在壓縮機(jī)啟動(dòng)的情況下，若高壓值高于該時(shí)刻外溫對(duì)應(yīng)的最大值或小于對(duì)應(yīng)的最小值一定幅度時(shí)，則該壓縮機(jī)系統(tǒng)可能存在異常。同理，當(dāng)?shù)蛪褐蹈哂谠摃r(shí)刻室溫對(duì)應(yīng)的最大值或小于對(duì)應(yīng)的最小值一定幅度時(shí)，該壓縮機(jī)系統(tǒng)可能存在異常。即

①5個(gè)以上連續(xù)低壓小于0.26；

②5 min內(nèi)4個(gè)以上小于0.2；

③高壓或低壓小于整車(chē)平均值0.2。

5 模型跟蹤驗(yàn)證情況

選取某動(dòng)車(chē)段配屬的CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組進(jìn)行故障預(yù)警模型的跟蹤使用，通過(guò)表6可以看出，2021年4月至10月累計(jì)發(fā)生客室空調(diào)制冷劑泄露、壓力異常相關(guān)類型故障31件，由模型進(jìn)行預(yù)警預(yù)測(cè)的有17件，占比54.8%，經(jīng)排查為真實(shí)故障并進(jìn)行處理6件，占模型預(yù)警預(yù)測(cè)范疇35.3%。

表6 故障預(yù)警跟蹤驗(yàn)證情況表

6 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)研究CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組客室空調(diào)故障類型，選擇故障比例相對(duì)較高且故障發(fā)生具有趨勢(shì)性的制冷劑泄露故障作為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)空調(diào)制冷劑泄露故障相關(guān)參數(shù)的分析、故障預(yù)警邏輯及閾值的分析，建立了故障預(yù)警模型。通過(guò)在某動(dòng)車(chē)段配屬的CR400BF平臺(tái)動(dòng)車(chē)組進(jìn)行模型跟蹤使用，模型預(yù)警故障發(fā)現(xiàn)率達(dá)到54.8%左右，準(zhǔn)確率達(dá)到了35.3%左右，能夠有效減小運(yùn)行動(dòng)車(chē)組空調(diào)故障的發(fā)生，提高動(dòng)車(chē)組運(yùn)用質(zhì)量和運(yùn)行品質(zhì)。