基于三通球閥的列車車廂氣密性智能化檢測設備研發(fā)與驗證

摘 要：目前列車車輛制造業(yè)使用的氣密性檢測設備操作流程復雜，存在人工成本高、準確度不可靠、數據處理復雜等問題，因此本文研制了一款使用三通球閥控制氣路的氣密性檢測設備。首先，詳細闡述了氣密性檢測設備氣路的具體設計方案。其次，利用三通球閥控制氣密檢測設備的氣路變化，使氣密設備快速切換空氣供給、抽取模式。最后，利用壓力傳感器采集車廂內實時壓力數據，驗證了車輛的氣密性符合設計要求。試驗結果表明，設備實現了列車車廂的氣密性智能化自動檢測，檢測數據準確，檢測方式可靠，保證了產品質量，能夠滿足當下列車車輛行業(yè)對車廂氣密性檢測的要求。

關鍵詞：氣密性檢測；三通球閥；壓力傳感器

中圖分類號：U 674 " " 文獻標志碼：A

當動車組交會時，均會引起車外較大的壓力波動。車外壓力波動傳入車內會引起空氣壓力波動，沖擊司乘人員的耳膜，造成司乘人員耳鳴、耳痛等。減緩車內壓力波動的主要措施之一是采用氣密性能良好的車輛，提高車輛的氣密性，以減少車內壓力波動，保證乘客的舒適性[1]。因此，鐵路車輛制造廠需要對列車車廂進行整車氣密試驗。氣密試驗的傳統做法如下：2臺高功率風機由2路氣管與氣密檢測工裝連接，2臺風機分別對車廂進行送風與抽風作業(yè)，使車廂內部產生正壓與負壓，車廂內壓力達到設定值后，手動關閉氣密檢測工裝上的風口閥門，并檢測車廂內部的氣密性。

傳統方式耗費的人工和維護成本較大，2臺風機、2條風管不僅占地面積大，還會嚴重影響氣密性試驗設備的質量。在進行正壓與負壓操作過程中需要調換風管，風管口徑大，操作不便，容易造成氣密性試驗的人員浪費，因此本文研制了一款操作簡潔、移動方便的氣密性試驗設備。

1 氣量原理計算

根據TB/T3250—2010《動車組密封設計及試驗規(guī)范》中氣密試驗的供風需求[2]，本文采用內部充氣方式。當車廂內、外氣壓差達到±4kPa后，穩(wěn)壓30s后停止充氣。

國家標準列車車廂車體長度是23.6m，車體寬度是3.106m，不同車型的高度不同，根據調查，本文取高度值為4m。車廂體積約為23.6×3.106×4=293.2064m3，遵循向上取值原則，車廂體積計算值取300m3。

理想氣體狀態(tài)方程如公式（1）所示。

pV=nRT （1）

式中：p為壓強，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體的物質的量，mol；R為摩爾氣體常數；T為溫度，K。

試驗狀態(tài)下，溫度不變、摩爾氣體常數不變且氣體量不變的情況下，摩爾數不變，nRT為一個常數。

氣體流量均為標況氣體體積，標準大氣壓為101kPa，氣溫為20℃。車內、外氣壓差為±4kPa，也就是車廂內氣壓值為105kPa（正壓）和97kPa（負壓），在此只計算正值，根據理想氣體狀態(tài)方程可知101×V=nRT=105×300。代入公式（1）可得V≈311.88m3，311.88-300=11.88m3，可得在車廂±5kPa壓差范圍內的標況空氣體積差約為12m3。

將旋渦式氣泵作為供風與抽風的動力源，選型參考泵的壓力-流量曲線、冗余能力和可能的漏風點，再綜合考慮氣泵的體積、質量、功率和噪聲等因素，設定供風抽風時間為2min，體積差約為12m3，得出吸氣量為6m3/min，換算為360m3/h。遵循向上選型原則，選用400+m3/h，理論上在約2min內可達到預定試驗壓力。

2 氣路原理設計

本文選用電動三通球閥進行氣路連接。電動三通球閥由角行程電動執(zhí)行機構和三通球閥組成，是一種旋轉類電動切斷調節(jié)閥門，在工況中具有做分流、合流和改變介質流通方向的作用。電動三通球閥由電動執(zhí)行機構和三通法蘭球閥組成，接通220 V或380 V電源即可使用，適用于各種自控管道。

三通球閥是一種三通道回轉型球閥，根據閥芯通道結構形式的不同，通常分為“L”形和“T”形2種。三通球閥流向如圖1所示。“L”形閥芯連通2個垂直交叉的流體通道，形狀呈“L”形，可由內部閥芯轉向形成2種通道；“T”形閥芯基于“L”形閥芯，但是其中一條流體通道完全打通，可以同時連接3個流體通道，形狀呈“T”形[3]。根據初始位置與轉向方向的不同，“T”形三通球閥可由內部閥芯轉向形成6種通道。

三通球閥流通能力較好，適用于密封要求較嚴格的場合，可控制氣體、液體和蒸汽，也可控制高黏度、纖維顆粒狀的流體。

本文研制的氣密性試驗設備共使用3個三通球閥，2個“T”形三通球閥。使用風管連接車體和換向三通球閥。換向三通球閥為“T”形三通球閥，兩端換向口分別與輸入、輸出三通球閥連接（輸入三通球閥為“L”形三通球閥，輸出三通球閥為“T”形三通球閥）。輸入三通球閥連接過濾器，再與氣泵連接。輸出三通球閥直接與氣泵連接，另一閥口連接外置消音器。

2.1 送風流程

送風流程如圖2所示。漩渦式氣泵正轉運行，輸入三通球閥為風機進風口，“L”形閥芯一端朝向氣泵，另一端朝向設備外部。輸出三通球閥此時只起送風管路作用。“T”形通道朝向氣泵，另外兩端通向換向三通閥與消音器。換向三通閥可轉動內部閥芯，關閉換向三通閥與輸入三通閥間的通道，只開啟換向三通閥與輸出三通閥、車體間的氣路通道，使風壓打入車內。

2.2 抽風流程

抽風流程如圖3所示。換向三通閥內部閥芯順時針轉動90°，關閉其與輸出三通閥間的通道，打開與輸入三通閥間的氣路通道。輸入三通閥內部閥芯逆時針轉動90°，關閉與設備進風口間的通道，連通換向三通閥與氣泵間的氣路。輸出三通閥內部閥芯逆時針轉動90°，關閉其與換向三通閥間的氣路通道，只保留與氣泵和消音器間的通道。當三通球閥狀態(tài)穩(wěn)定后，漩渦式氣泵反轉運行，將風壓從車內抽出。

3 測量原理

目前，實際測定車輛氣密性的方法有2種，即恒壓法和減壓法。本文研制的氣密性檢測設備采用減壓法。減壓法即將車體內部加壓至預定的壓力，關閉進氣閥后，內壓即衰減，測定從預定的高壓壓力值降至低壓壓力值的時間，時間越長，氣密性越好[4]。

大氣壓強變送器主要由單片機、運算放大器、V/I轉換芯片和傳感器組成，具有補償性好、測量精確度高、通信簡單和調試方便的特點，還具有數據處理和控制功能[5]。本文將壓差變送器作為檢測車廂內部氣壓的計量元器件。壓差變送器通過2路接口分別讀取外部大氣壓強和車廂內部壓力值，自動計算2個壓力值的壓差，再通過系統讀取計算，實時監(jiān)控車廂內部的壓力變化，并計算泄壓時間。

4 工作流程

本文研制的氣密性檢測設備如圖4所示，該設備主要由機械系統、氣路系統與電控系統3個部分組成。機械系統的主要作用連接、組裝氣泵、三通球閥、過濾器、消音器以及風管等機械部件。考慮漩渦式氣泵、三通球閥和過濾器等元件質量較大，本文將Q235方鋼作為主體框架原材料。將氣泵以螺栓連接在框架底部，氣泵上層為氣路系統，按照圖2、圖3所示的氣路流程，將氣泵、三通球閥、過濾器和消音器這些氣路元件通過風管進行連接。

電控系統控制并驅動氣泵和三通球閥，調整送風與抽風狀態(tài)時的氣路位置。在PLC中處理系統采集到的實時壓差數據，在人機交互界面中得出實時壓差數值與泄壓時間。

氣密性檢測設備工作流程分為3個階段，分別是運行階段、泄壓階段以及數據采集階段，具體工作流程如圖5所示。運行階段主要包括氣密性檢測前的參數設置與氣泵運轉；泄壓階段是當車廂內部壓力達到設定值后開始自動泄壓；數據采集階段包括對泄壓階段進行實時數據采集，并根據采集的數據判定本次氣密性檢測是否合格。

4.1 運行階段

操作者利用上位機設置氣密性檢測參數，主要參數包括車廂內部與外部壓差目標值、泄壓階段壓力節(jié)點以及氣密性不合格時間下限。參數設置完成后可開啟氣泵，對車廂持續(xù)送風或者抽風。設置車廂內部與外部壓差目標值，在氣泵持續(xù)運轉過程中，當傳感器檢測到車廂內部壓力與外部大氣壓力差值達到所設目標時，即通過電控系統給氣泵傳送信號，使氣泵自動停止運轉。

4.2 泄壓階段

在氣泵停止運轉的同時，換向三通球閥開始旋轉閥門，關閉風管與設備的氣路通道，使車廂對外氣路形成閉路。此時車廂為一個密封容器，達到氣密性檢測被測元件的標準。壓差傳感器將車廂內、外部實時壓差值反饋到上位機程序，并記錄泄壓時間。

4.3 數據采集階段

此時車廂內、外壓差值會逐漸降低，每當內、外壓差值達到所設泄壓階段壓力節(jié)點時，電控系統就會記錄從目標壓差值值泄壓到該壓差節(jié)點所花費的時間，再比較該時間與所設的氣密性不合格時間下限值。如果該泄壓時間不達標，設備會直接提示操作者本次氣密性試驗不合格，須及時停止氣密性檢測作業(yè)，檢查車廂內部是否存在漏氣等現象。

當車廂內部壓力泄壓至所設的最后一個壓力節(jié)點時，系統會自動計算本次泄壓所花費的總時間與各區(qū)間時間，自動記錄、保存本次氣密性檢測結果，并上傳至系統平臺。

5 設備功能驗證

將氣密性檢測設備與列車車廂相連接，采取內部充氣的方式驗證其功能效果。被檢測車廂為動車組列車普通車廂，將車廂車門、車窗和其他設備安裝洞孔全部封堵，空調設備對外風口關閉，試驗場地溫度為24℃，符合TB/T3250—2010《動車組密封設計及試驗規(guī)范》所規(guī)定的試驗條件，使用該設備對該車廂進行氣密性檢測試驗。

在試驗過程中，完全由電控系統控制三通球閥內部閥芯換向，以達到正壓、負壓氣路更換的效果。試驗數據由程序自動記錄并上傳，顯著減少了操作者的人工時間與體力，降低了由人為操作導致的誤差，使試驗數據更準確、可信。上位機程序記錄的本次氣密性測試的實時壓差曲線如圖6所示，可見泄壓率合格。正壓、負壓泄壓階段的壓差節(jié)點時間記錄見表1，可見泄壓時間合格。試驗結果符合TB/T3250—2010《動車組密封設計及試驗規(guī)范》。

6 結語

本文采用減壓法檢測列車車廂氣密性，設計了一款氣密性檢測設備，實現了對車廂的自動氣密性檢測。并對車廂內部氣壓壓差進行了自動化的定量判斷，提高了檢測作業(yè)效率。本設備在實際使用過程中運行狀況良好，具有較高的泄漏檢測靈敏度，能夠有效保證產品質量[6]。除列車車廂外，對于三通球閥和類似閥門管件的氣密性試驗設備的設計，本文也具有良好的參考價值。

參考文獻

[1]王繼華.關于整合CR400AF型動車組一次氣密試驗和整車氣密試驗的可行性探討[J].鐵道車輛，2019（6）：33-35.

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