軌道交通車輛便攜式壓縮空氣質量檢測設備的研發

摘要：壓縮空氣是軌道交通車輛的重要動力源和傳輸媒介之一，壓縮空氣質量的優劣不僅影響用風設備的使用壽命，也影響行車安全。為及時發現壓縮空氣質量是否超標，研發了一種集成多功能的便攜式壓縮空氣質量檢測設備，可以同時對軌道車輛中壓縮空氣的水、油和固體顆粒進行在線檢測，從而及時發現隱患并進行處理，減少壓縮空氣質量超標帶來的影響，延長用風設備的使用壽命，提高軌道車輛運行的安全性。

關鍵詞：便攜式;空氣質量;檢測設備

中圖分類號：U260.7 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）18-0068-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.017

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展，隨著軌道車輛保有量的增加，由壓縮空氣質量下降而導致的用風設備故障時有發生。

壓縮空氣的質量好壞關系到用風設備能否正常工作，影響其使用壽命，故現有技術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的含量有明確規定。現有壓縮空氣檢測設備多為地面固定式設備，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量進行在線檢測的方法，但這兩種方法需要對現車的空氣管路進行改造，對于已經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，本項目研發了一種便攜式壓縮空氣質量檢測設備，可在檢修作業時用于檢測，也可進行跟蹤檢測。

1 壓縮空氣雜質的危害

現代軌道交通車輛的安全和穩定運行高度依賴于高質量的壓縮空氣供應，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。壓縮空氣供給系統也稱為供風系統或風源系統，包括空氣壓縮機、干燥器、過濾器、風缸等零部件，主要用于產生壓縮空氣，并對其中的雜質進行處理，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為固體顆粒、水和油，相關標準中對三種雜質的含量和檢測方法有明確的規定[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，管路內壁腐蝕產生的鐵銹或結垢物，過濾設備的濾材脫落，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，會進入用風設備的內部，成為設備運行的隱患，比如可能造成設備中小孔的堵塞引發功能失效，造成活塞的卡滯引發泄漏，造成壓縮彈簧的運動受阻引發動作不良等等。在軌道交通車輛中，就曾出現過相關故障，圖1為某動車組的故障差壓閥，鐵銹進入差壓閥內部，差壓閥運動受阻，導致功能失效。

1.2 水分的危害

自然環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。空氣經壓縮后溫度升高，遇到溫度低的管路或設備內壁，水分就容易凝結，從而造成管路或設備的銹蝕。因此，在軌道交通車輛中，壓縮空氣要經過干燥器的處理才能供用風設備使用。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設備，引發故障。圖2為某動車組被凍結的氣路控制箱止回閥，由于管路凍堵，下游用風設備供風不足，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，從而減少設備的磨損，維持設備的長期穩定運行。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，油氣進入管路設備，會造成設備堵塞或污染失效。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量和性能，必須對油蒸氣進行適當的處理。

2 便攜式檢測設備的研發

2.1 設備設計原理

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

便攜式壓縮空氣質量檢測設備的原理如圖3所示。

該項目將壓縮空氣質量的檢測設備集成于一個手提箱中，通過電池組供電（充電電源為AC220 V，50 Hz），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測。設備內部包含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。傳感器與觸摸屏通過工控主板連接，傳感器將檢測結果傳輸到工控主板，工控主板解析后傳輸到觸摸屏進行顯示，觸摸屏可根據需要，直接顯示數據，也可處理成曲線形式顯示，并具有數據傳輸和存儲功能。箱體內設有電磁閥，用于控制檢測設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，電磁閥失電關閉。箱體外部設有快速接頭，用于檢測設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需要安裝流量計、溫度傳感器、壓力傳感器，可以長期監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，并將數據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。在檢測設備對壓縮空氣質量進行檢測時，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，經檢測后通過各自的排氣孔排向大氣。傳感器將數據結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閉氣路，以便減少壓縮空氣的損失。如需跟蹤監控被測氣路的壓縮空氣質量，可通過觸摸屏設置兩次檢測的時間間隔以及整個跟蹤監測的時長，在下次檢測時，觸摸屏自動控制電磁閥打開，接通被測氣路，檢測完成后關閉，如此循環，直到達到設定的時長后關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，并連接好數據線路，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。觸摸屏記錄的數據可通過U盤或Wi-Fi傳輸到其他電腦中進行管理。

2.2 操作界面設計

為提供更好的人機交互服務，對設備觸摸屏的操作界面進行了設計。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據，同時也可以提供數據曲線，如圖4所示。

主界面左側區域為菜單按鈕區域，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“參數管理”軟件，可對測試參數進行設置，例如產品型號、測試參數（包括測試時間、采樣周期、判定標準）等。

主界面右側區域為測試區域，包括數據顯示、曲線顯示和操作區域。數據顯示區域可以實時顯示測量的露點、殘油量和顆粒度。曲線顯示區域，以曲線形式顯示露點、殘油量、顆粒度的值，便于觀察數據的趨勢。通過操作區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。測試數據會自動記錄到csv格式的數據文件中。

3 結論

本文所述便攜式壓縮空氣質量檢測設備采用手提箱的設計結構、集成安裝的方式，方便攜帶，便于操作，可在檢修作業時對軌道交通車輛的壓縮空氣質量進行檢測，也可放置于車上進行實時跟蹤檢測。檢測的數據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備。

后續可根據市場需求，增加實時在線傳輸功能，將檢測數據在線實時傳遞給需要的監控設備，供有需要的人員及時掌握數據，比如提供給智能運維系統，便于對數據進行分析處理，并對供風單元的狀態及時進行健康管理。

[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量健康管理系統研究[J].壓縮機技術，2021（2）：41-44.

[5] 張濤.機車壓縮空氣質量在線檢測的實現[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簡述[J].科學技術創新，2019（9）：173-174.

[7] 唐松柏，盧文輝，李憲文.機車車輛制動系統用壓縮空氣的質量控制[J].鐵道技術監督，2005（2）：19-21.

[8] 樊立新.CR200J型動力集中動車組氣路控制箱結冰問題分析及改進[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壓力控制異常分析及改進[J].機車電傳動，2018（1）：119-121.

收稿日期：2024-05-15

作者簡介：梁建全（1982—），男，河北唐山人，碩士，正高級工程師，從事軌道交通制動系統研發與檢修工作。

基金項目：廣州鐵路職業技術學院大學生創新創業資助項目（2023CXCY009）;廣州鐵路職業技術學院新引進人才科研啟動項目（GTXYR2316）