基于故障樹高速動車組空調泄壓模式失效故障的分析及優化

胡明廣 薛 源

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

針對運行在中國廣袤大地上的高速動車組，因運行線路地勢復雜、隧道眾多等因素，空調系統不僅是控制動車組溫度與氣流的一個功能性系統，更是通過壓力波保護系統，精確控制新風閥和廢排閥的動作來調整車內壓力波動，保證動車組過隧道或高速會車時，控制車內壓力平衡，防止動車組車內壓力波動過大導致乘客耳鳴及車內風擋變形等問題。空調系統不僅影響乘客乘坐舒適度，也影響動車組運行安全[1]。因此，邏輯與功能完善的壓力波保護系統對高速動車組運行安全性與乘坐舒適性意義重大。

1 空調壓力波系統原理及組成

為避免高速動車組進出隧道或高速會車時產生的車外壓力急劇波動傳遞到車內，引起車內壓力突變，導致乘客耳鳴，高速動車組設置車內壓力保護裝置，用于抑制車外壓力波動向車內傳遞[2]。

1.1 壓力波系統組成

壓力波保護系統由壓力波控制器、壓差傳感器、新風閥及廢排閥組成[3]。其中壓力波控制器安裝在頭尾車，是控制各車廂新風閥及廢排閥的中樞機構。壓差傳感器安裝在頭尾車兩側，用來檢測動車組車外壓力的變化。各車空調機組兩側混合腔處各設2組新風閥，廢排裝置中設置1組廢排閥，為壓力波控制系統的執行機構，如圖1所示。

圖1 空調及壓力波控制系統組成

1.2 壓力波保護原理

當頭尾車檢測車內外壓力變化達到壓力波控制器預設的壓力波保護動作條件時，壓力波控制器驅動各車廂新風閥及廢排閥關閉，保證客室內氣壓的相對穩定[4]。當車內外壓差滿足預設的壓力波保護取消條件時，壓力波控制器會撤銷壓力波保護信號，打開各車廂新風閥及廢排閥，實現動車組車內與車外的換氣功能。為避免過長隧道動車組車內外壓差累積，導致壓力波閥打開時車內壓力波動大而引起旅客耳鳴，車內壓力波保護系統設置泄壓模式，由各車廂空調控制器控制新風閥及廢排閥動作緩慢進行壓力泄放，降低車內壓力突變對乘客的影響，進一步提升乘坐舒適性。

1.3 泄壓模式控制

為避免過隧道時車內外壓差累積導致開閥時車內壓力波動較大，車內壓力保護系統設置泄壓模式，通過非主控端車輛壓力保護閥間歇性動作進行泄壓，平衡車內外壓差，具體邏輯如下。1）進入條件（滿足任何一條執行泄壓）。條件1為壓力波保護狀態持續達到10min。條件2為車輛處于壓力波保護狀態，且車速降至190km/h以下。2）泄壓控制。采用非主控端車輛進行泄壓，滿足泄壓條件后，各車廂空調控制器控制屏蔽壓力波繼電器（后面簡稱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，各壓力保護閥由本車空調控制器控制。3min內非泄壓車廂保持各壓力保護閥均關閉，泄壓車廂進行分檔泄壓。3min結束后，全列壓力保護閥強制分時分車打開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

2 泄壓模式失效的故障樹分析

2.1 故障樹分析法

故障樹是一種倒立樹狀邏輯因果關系圖[5]。故障樹分析主要用于研究產品的可靠性，通過分析造成產品失效的可能因素，包括硬件、軟件和使用環境等，畫出故障樹，從而推斷出產品發生故障的原因，對故障的診斷及維修具有重要的指導意義[6]。故障樹分析步驟如下：1）對系統中各個部件的詳細情況深入了解，界定部件原理和部件之間的邏輯關系。2）提取故障數據或指標，收集、整理、篩選并統計相關指標數據，確立頂事件。3）分析頂事件發生原因，根據研究系統組成結構不斷細分，找出能夠引起頂事件發生的全部底事件。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生的所有故障狀態。定量分析是在定性分析的基礎上，對頂事件的組成部件重要度、薄弱度進行計算等。

2.2 泄壓模式失效故障樹分析實例

當高速動車組在具有長隧道及高海拔的西成線運行時，經常誤報控制柜火警故障。該文通過分析故障車廂空調裝置發現，每次發生煙火報警故障時，動車組均處于泄壓模式，并且故障車廂的壓力波保護閥被強制異常打開。分析故障車廂煙火裝置數據發現，控制柜火災探測器檢測的煙霧濃度值波動較大且超過報警閾值，衛生間及交流柜位置火災探測器檢測的煙霧濃度值存在明顯波動（說明火災探測器基于光散射原理設計，報警觸發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）。故障車廂火災探測器煙霧濃度變化趨勢如圖3所示。

圖3 壓力波異常打開車廂煙霧濃度趨勢圖

通過分析執行正常泄壓車廂的空調裝置數據發現，壓力波保護閥間歇性開閉，動作正常。分析煙火裝置數據發現，控制柜、衛生間及交流柜位置火災探測器檢測的煙霧濃度值均存在小幅波動。正常車廂火災探測器煙霧濃度變化趨勢如圖4所示。

圖4 正常泄壓車廂煙霧濃度趨勢圖

為診斷空調泄壓模式失效的根本原因，根據動車組空調壓力波控制系統組成、泄壓模式控制邏輯及相關部件的失效模式，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

根據數據分析及對動車組的檢查情況，初步可排除壓力波保護閥故障、空調控制器供電異常、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。

通過搭建試驗臺對空調控制器及KA9繼電器進行測試，發現動車組不同車廂空調控制器接收到列車網絡發送的速度信號不同步，時間差最大為516ms。試驗臺測試數據見表1。

表1 試驗臺測試數據

當頭尾車先于中間車獲取車速小于190km/h的信號時，頭尾車KA9繼電器得電，導致全列壓力波貫通線信號無效。中間車因壓力波貫通線信號無效，不滿足進入泄壓模式條件。此時，壓力波保護閥被強制打開，車內負壓時外界灰塵倒灌車內，最終導致火災探測器誤報煙火報警故障。

3 泄壓模式控制邏輯優化

3.1 泄壓模式邏輯缺陷分析

壓力波貫通線信號通過硬線采集，列車速度數據由TCMS通過空調控制器MVB網卡轉給控制器，由于控制器硬件處理數據速度比網卡慢，數據傳遞、處理存在細微誤差，因此不同車廂空調控制器接收速度信號的時間存在微小差異。當前動車組根據列車速度進入泄壓模式的邏輯如圖6所示。

圖6 根據速度進入泄壓模式的邏輯框圖

根據上述分析，當前泄壓模式邏輯存在缺陷，即當首尾車較中間車優先接收車速小于190km/h的信號時，全列壓力波貫通線信號無效，中間車無法正常進入泄壓模式。

3.2 泄壓模式實施策略優化

基于對動車組空調泄壓模式邏輯缺陷的研究和對各車廂空調控制器接收190km/h速度信號時間存在差異性的研究，該文提出首尾車較中間車延時進入泄壓模式的方案，確保中間車早于頭尾車進入泄壓模式，解決頭尾車先進入泄壓模式后屏蔽壓力波信號，導致中間車不能正常關閥的問題。

根據列車網絡傳輸協議要求，網絡信號傳輸數量級均為毫秒級，并且試驗臺測試不同車廂空調控制器接收到列車網絡發送的速度信號時間差最大為516ms，提出合理的優化方案，即在滿足泄壓條件時，頭尾車較中間車延時2s進入泄壓模式。

4 泄壓模式優化方案驗證

為驗證動車組實施空調泄壓模式策略優化的效果，對比分析大量西成線路運行動車組空調裝置數據，統計出動車組每運行10萬km空調進入泄壓模式失效的次數（每車廂失效1次計為1，多車廂失效累計統計），進而得出空調泄壓模式失效的概率，以此來量化評判空調泄壓模式優化升級的效果。詳細統計及計算結果見表2。

表2 空調泄壓模式優化前、后對比數據

通過分析動車組運行在漢中至鄠邑區間空調數據得出，空調泄壓模式優化前失效的概率為0.076，空調泄壓模式優化后失效的概率為0，提高了動車組空調系統使用的可靠性。

5 結論

首先，通過對動車組空調裝置及煙火裝置進行數據分析，當動車組內外壓差較大時，火災探測器檢測的煙霧濃度值與壓力波保護閥開啟存在正相關的關系，判斷空調泄壓模式失效是導致煙火誤報警的根本原因。

其次，基于故障樹分析法建立空調泄壓模式失效的故障樹模型，利用下行法求解故障樹的9個最小割集，并根據數據分析及地面試驗，診斷出空調泄壓模式失效的根本原因為空調控制器軟件缺陷。

再次，通過對列車處于壓力波保護狀態且車速降至190km/h以下進入泄壓模式的邏輯進行深入分析，結合空調控制器接收到列車網絡發送的速度信號不同步試驗研究，完成動車組空調進入泄壓模式邏輯的優化。

最后，通過對優化前、后動車組在漢中至鄠邑區間運行時空調數據進行分析，并進行空調泄壓模式軟件升級，降低了泄壓模式失效的概率，提高了動車組空調系統使用的可靠性。