CR400AF（-A）型動車組冷熱混合閥故障分析與研究

王化新，李知賢，韓志遠，劉鵬飛

（青島動車段，山東 青島266000）

0 引言

CR400AF（-A）動車組是我國自主研發(fā)、具有完全自主知識產權和中國標準的動車組。在整車設計過程中，考慮到乘客及司乘人員的用水需求，其給水衛(wèi)生系統(tǒng)采用按壓式冷熱混合閥，具有開關方便，節(jié)約用水，干凈衛(wèi)生，能減少手掌面二次污染的特點[1]。

當前，隨著CR400AF（-A）動車組運營里程的增加，按壓式冷熱混合閥出現水龍頭滴水、按壓卡滯、回彈不良等故障的頻率高居不下。傳統(tǒng)換件維修的處理方式存在成本高、受物料供應影響大的問題，物料浪費的現象十分嚴重。本文通過對冷熱混合閥常見故障進行統(tǒng)計分析，結合其結構及工作原理，研究導致其出現水龍頭滴水、長流水、按壓不回彈等故障現象的根本原因，并提出修復方法和改進措施，有效降低其故障率并極大降低維修成本。

圖1 冷熱混合閥故障類別統(tǒng)計圖

1 故障統(tǒng)計

本文對2019年度濟南東動車所配屬的CR400AF(-A)型動車組冷熱混合閥相關故障進行統(tǒng)計，其結果如圖1、圖2所示。

圖2 每月冷熱混合閥故障數量統(tǒng)計圖

從統(tǒng)計數據可以發(fā)現，2019年度濟南東動車所配屬的15組標準編CR400AF（-A）型動車組冷熱混合閥相關故障共計225件。如圖1所示，水龍頭滴水故障87件占總數的39%，是所有故障類別中故障率最高的；出水時間短/長、出水小/大等故障可以通過調節(jié)冷熱混合閥進行處理，其余故障均需要通過換件維修的方式進行處理，換件成本高，浪費嚴重。

濟南東動車所于2018年底新配屬CR400AF（-A）型動車組，故1～4月份故障率低，隨著運營里程增加，冷熱混合發(fā)故障開始增多，尤其在暑運之后，故障數達到頂峰，每月冷熱混合閥故障數近60件，此后逐步維持在每月25件以上，如圖2所示。當前冷熱混合閥故障已成為動車組給水系統(tǒng)中的傾向性故障，需在車內整修時對冷熱混合閥進行重點檢查與維護。

2 基本結構及原理分析

2.1 基本結構

按壓式水龍頭由TM單手輪、延時閥芯組、延時閥體、冷、熱水編織管等組成。如圖3所示，其中TM單手輪通過內六角沉頭螺釘安裝在延時閥芯組，延時閥芯組裝配有密封膠圈與延時閥體形成密封配合，保證出水口不滴水，冷、熱水編織管與延時閥體采用螺紋連接，保證密封性。

圖3 冷熱混合閥結構組成圖

2.2 工作原理

車下凈水箱壓力供水系統(tǒng)，通過水箱自帶的泵水系統(tǒng)為冷熱混合閥及車上其他用水設備供水[2]。一方面，凈水箱的水經過加壓后通過管路直接與冷熱混合閥的冷水編織管連接；另一方面，凈水箱的水先經過溫控器加熱后與熱水編織管連接，為混合閥提供穩(wěn)定的熱水。如圖4所示，當按壓TM單手輪時，閥芯內頂桿被推到低位，水流通過內頂桿的進水口進入閥芯，后經過閥芯出水口進入閥體，最后，由閥體出水口流出供乘客及司乘人員使用。按壓結束后，內頂桿在彈簧的作用力下慢慢恢復原位，內頂桿進水口關閉，閥體出水口停止出水。延時閥芯組安裝有密封膠圈，保證當按壓結束后，截斷閥芯與閥體之間的水流以防止滴水、長流水等。

圖4 閥芯作用原理示意圖

3 故障分析

3.1 水龍頭長流水

在正常水壓條件下，按壓TM單手輪后，水龍頭出水口出現長流水現象，如果泄漏量超過（1±0.2）L/min時，泄漏檢測開關接通，3 min后PLC控制水泵停止，列車HMI監(jiān)控屏故障報警。等待3 min后，PLC控制水泵再次啟動，列車HMI監(jiān)控器報警消除。若PLC再次檢測到持續(xù)3 min的流量信號時，第9 min后PLC控制水泵停止且不再啟動，車廂內所有用水設施無法使用。經過反復試驗，判斷上述故障原因為：延時閥芯組復位彈簧失效，導致水龍頭一直處于按壓狀態(tài)，內頂桿進水口無法關閉。

閥芯受力分析如圖5所示，當按壓TM單手輪時，F按壓+F上水壓力+G重力＞F下水壓力+F彈力+F摩擦，此時閥芯內頂桿進水口打開，水龍頭正常出水。當閥芯彈簧正常時，F上水壓力+G重力+F摩擦≤F下水壓力+F彈力；當閥芯彈簧失效時，F上水壓力+G重力+F摩擦≥F下水壓力+F彈力，此時閥芯內頂桿進水口無法關閉，形成長流水。

3.2 水龍頭滴水

按壓TM單手輪后，TM單手輪在閥芯復位彈簧的作用下復位，但水龍頭仍然有水滴出。分解冷熱混合閥后，發(fā)現其故障原因主要有兩點：

1）密封墊圈變形、密封膠圈磨耗破損，導致密封質量下降，水流直接由閥芯與閥體之間的密封處進入閥體，形成滴水，如圖6所示。密封墊圈用于密封閥芯內頂桿進水口，一方面，密封墊圈長時間在閥芯彈簧恢復力作用下容易被壓變形；另一方面，水垢較多或水質中含有微小粒子時，容易導致墊圈變形密封不嚴，出現滴水，建議直接更換密封墊圈。密封膠圈從表面觀察并沒有明顯的磨耗和破損，為研究其磨耗變化，現取兩個全新的冷熱混合閥a、b安裝在同一車底，然后每隔1周測量其相對應的密封膠圈a、b的質量變化并記錄其出現滴水的時間，膠圈質量隨時間變化曲線如圖7所示。由圖可知，密封膠圈質量隨著運營時間增長而逐漸減少，在第9周左右冷熱混合閥出現不同程度滴水現象，其中冷熱混合閥b的滴水頻率明顯高于冷熱混合閥a，與膠圈b的磨耗大于膠圈a相吻合。更換密封膠圈后，密封狀態(tài)良好，無滴水現象。

圖5 延時閥芯組受力分析圖

圖6 閥芯密封膠圈

圖7 密封膠圈質量隨時間變化曲線圖

2）閥芯內頂桿表面水垢多，與閥芯內表面產生的摩擦力較大，按壓時卡滯，在彈簧力作用下，閥芯內頂桿進水口無法完全關閉，導致少量水經過進水口進入閥體，形成滴水。自來水中鈣鎂離子的存在導致在日常使用過程中產生水垢，主要成分為CaCO3、MgCO3等[3]，無機酸除水垢能力強，但其腐蝕性強，刺激性大。經過試驗，建議選用檸檬酸鈉、冰乙酸配合EDTA的除垢方式，其中檸檬酸鈉屬于弱酸強堿鹽，在酸性條件下具有良好的除垢能力，腐蝕性小，配合EDTA絡合劑（常用H2Y表示分子式），防止少量沉淀的二次沉淀[4]。以Ca2+為例，其主要反應方程式如下：

將檸檬酸鈉、冰乙酸、EDTA按照5：2：0.05 的 比例配置除垢液，對閥芯內頂桿進行除垢，10 min后除垢效果如圖8 所示，除垢后的閥芯內頂桿作用狀態(tài)良好，無卡滯、滴水現象，冷熱混合閥作用狀態(tài)良好。

圖8 閥芯內頂桿除垢前后效果圖

4 結論

本文通過對CR400AF(-A)冷熱混合閥相關故障進行統(tǒng)計分析，確認當前冷熱混合閥滴水、長流水、按壓卡滯等已成為當前動車組客室設施系統(tǒng)的傾向性故障；在對其結構及工作原理進行分析后，確認閥芯彈簧、密封膠圈、密封墊圈及水垢等是造成以上故障的主要原因，通過對以上零部件進行更換及相應除垢處理可對其進行修復，改變以往換件維修的傳統(tǒng)方式，極大降低維修成本，同時也為其他動車組給水系統(tǒng)維修提供可借鑒資料，在研究過程中不斷試驗和總結，以期降低動車組檢修成本，修舊利廢，節(jié)支降耗，進一步提高客室整修質量及旅客乘坐體驗。