氣動先導電磁閥在集便系統中應用與故障研究

崔婧美，何光明，趙翀，姚金鈺

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

電磁閥是氣壓控制中最主要的元件，先導式是指電磁閥的主閥由氣壓力進行切換的一種動作方式。氣動先導式電磁閥結構簡單、外形尺寸小，由于其具有功耗小發熱少、線圈不易燒毀、響應時間短、可以長時間通電及氣動元件可靠性高等特點（表1），在動車組集便系統的罐式水增壓裝置中被大量使用。

表1 電磁閥特點

電磁閥在動車組集便系統中是一種應用十分普遍的執行元件，集便系統水增壓供水裝置中應用在進水處的氣動先導電磁閥作為便器沖洗程序的執行者，是便器沖洗回路中至關重要部件，進水電磁閥故障后將導致凈水箱內的水通過水增壓器源源不斷地輸入車內，造車淹車故障，因此選擇可靠性高、安全性好的氣動先導電磁閥至關重要。

1 結構和工作原理

集便系統水增壓裝置的進水處的氣動先導電磁閥主要由閥體、閥蓋、閥芯、活塞、彈簧、線圈、插頭等組成，結構見圖1，其原理是通過電氣控制方式實現閥的自動開啟和關閉，常態時彈簧壓縮閥芯，使閥芯膜片與閥體貼合，阻斷水流；當需要開啟時，為線圈提供電源，線圈產生磁力打開氣孔，壓縮氣體通過線圈底座進入閥蓋，推動活塞，活塞壓縮彈簧，將閥芯提升從而可以通過水流。

圖1 氣動先導電磁閥結構圖

電磁閥內部的密封結構可有效實現氣體和通過介質的隔離，介質不會進入閥蓋內，工作時通過密封件也不會對通過介質造成影響。影響電磁閥開啟和關閉密封的主要因素是進入閥蓋的氣體壓力和彈簧力，氣體壓力和彈簧力大小相等方向相反，消除了工作介質對電磁閥開、關的影響，只要復位彈簧能給閥芯膜片提供必須的密封壓力，同時氣體壓力保證能克服彈簧力，電磁閥即能實現可靠的啟閉功能（圖2）。

圖2 氣動先導電磁閥原理圖

2 選型

集便系統水增壓裝置進水口和出水口處分別安裝進、出水電磁閥，兩處閥體與活塞部分結構一致，都是由壓縮氣體驅動活塞進行開關的閥門，進水電磁閥是在閥體上集成了先導電磁閥塊，通過先導電磁閥塊的通斷電來控制閥門的開關，出水口處閥則是由集成在水增壓裝置板上的電磁閥塊控制閥門的開關。

選用電磁閥時，遵循安全、可靠、適用、經濟的原則。集便系統沖洗使用的介質為水，宜選用銅合金為閥體材料的電磁閥，電磁閥公稱壓力應超過管內最高工作壓力；對于電磁閥需長時間關閉且持續時間多于開啟時間，宜選用常閉電磁閥；根據管道參數選擇電磁閥的通徑規格(即DN)和接口方式，電壓規格應盡量優先選用DC24V 較為方便。

電磁閥選擇后，根據通過電磁閥的流體性質選用適宜的流量特性曲線可計算流量或壓差，進水電磁閥處的先導壓力值則通常根據使用壓力進行設置。

3 應用

集便系統引入計算機并充分發揮了計算機的智能作用，系統通過嚴謹的軟件邏輯程序進行控制確保其各項功能正常執行，當某個部件出現問題時，如果在程序中未能識別其破壞性，各程序段沒有自鎖和互鎖功能，系統動作容易出現強制執行的情況，以保持式集便系統為例，按壓便器沖洗按鈕，便器先進行一次沖水，當系統真空在設定范圍內時，便器滑閥打開進行排污，便器進行二次沖水，之后氣動先導電磁閥開啟對水增壓罐進行補水等待便器下一次使用，動作原理如圖3 所示。

圖3 動作原理圖

工況一：當便器水增壓罐內液位傳感器檢測到水增壓罐內水不滿時，氣動先導電磁閥打開，清水通過氣動先導電磁閥通口進入便器水增壓罐內，此時，水增壓罐內原有的氣體通過快速排氣閥排出。當水增壓罐內的液位傳感器檢測到水增壓罐滿后，氣動先導電磁閥關閉，便器停止進水。

工況二：當便器進行沖洗時，電磁閥組打開，風壓通過電磁閥組及快速排氣閥進入水增壓罐內，將水增壓罐內的水通過噴嘴壓送到便盆內，然后電磁閥組關閉，快速排氣閥內的膜片返回到原位，水增壓罐內的殘余壓縮空氣通過快速排氣閥排出。

工況三：當氣動先導電磁閥被雜質卡住不能完全關閉時，即使氣動先導電磁閥處于關閉狀態，清水仍可以通過卡住的電磁閥進入水增壓罐內，然后通過便盆噴嘴或者快速排氣閥排出，導致漏水。

4 故障研究分析

電磁閥最常見的故障為：接線頭松動導致電磁閥不得電、電磁閥線圈燒毀、密封件有雜質帶入或潤滑油太少卡住導致電磁閥泄漏或動作不良。

集便系統在應用氣動先導電磁閥的過程中，正常情況下，電磁閥得電打開向水增壓罐供水，當水罐注滿水后，電磁閥斷電，關閉進水口；當進水電磁閥故障無法關閉時，水箱持續向水增壓罐供水，溢出的水通過溢流管流出。電磁閥泄漏引起的長流水故障為氣動先導電磁閥在集便系統使用過程中出現比例最高的故障，若發現處置不及時，則會引發影響行車的嚴重故障。

對故障進水電磁閥拆解后發現，造成該部件故障的原因是受地域水質影響，在長期使用過程中，隔板組件過水側水垢嚴重，由于異物附著，閥芯往復運動時流體慢慢進入閥蓋一側，活塞運動潤滑油脂被沖洗，加速了軸密封O 型圈磨耗，導致閥蓋氣腔內部、活塞組件整體水垢、銹蝕，最終導致電磁閥閥芯卡滯，無法正常關閉，致使系統水管路無法正常切斷，出現滴水、漏水等情況。

5 故障應對措施

針對進水電磁閥卡滯導致的長流水故障，可通過水增壓器的快速排氣閥進行引流，將進水電磁閥的水導到至車外，也可通過集便系統軟件優化，在沖洗循環中的二次沖洗后進水電磁閥再進行補水，有效提升進水電磁閥的使用壽命；未進行沖洗動作時，水增壓罐液位不激活信號觸發，進水電磁閥不打開補水，水避免長流水導致淹車問題，優化后水增壓器控制邏輯如圖4 所示。

圖4 控制流程圖

結合集便系統的實際使用情況，氣動先導電磁閥在使用過程中出現故障的主要原因為水中含有雜質引起，因此通過采取在電磁閥安裝前保持管道清潔干凈、定期清洗或更換管道過濾網等措施，能有效降低電磁閥的使用故障發生率。

優化閥芯膜片以及O 型密封圈材質，選用耐腐蝕性更好的聚四氟乙烯（PTFE）或合成橡膠中性能更優的氟橡膠（FPM），也能有效提高電磁閥的密封性能。

高級修時，對進水電磁閥和氣控閥可進行氣密性檢驗測試，當氣源供應后，在電磁閥密閉空間和壓力檢測設備內形成一個穩定氣壓空間，然后根據壓力檢測設備中流量計和壓力表的數值顯示，可以確定氣動先導電磁閥是否出現故障，氣體檢測回路如圖5 所示。對故障電磁閥，根本的解決方法是將電磁閥拆下，取出活塞及膜片進行清洗，使得活塞在殼體內動作靈活。

圖5 檢測回路圖

6 結語

氣動先導電磁閥作為集便系統中重要的控制元件，其可靠性直接影響整個集便系統的可靠性。氣動先導電磁閥在集便系統使用過程中出現故障的主要原因為水中含有雜質引起，因此通過采取向外引流、軟件優化、密封材料選擇等措施，能有效降低氣動先導電磁閥的使用故障發生率。