關(guān)于某新型動車組保壓試驗最大泄漏設(shè)定值的研究分析

朱恩康 李國輝 王鵬 黃于師

摘 要：自某新型動車組投入運營以來，其安全、經(jīng)濟、舒適、節(jié)能的優(yōu)點得到社會廣泛認可。但是如何未雨綢繆，防患于未然，是擺在相關(guān)單位面前的難題。目前該新型動車組自動保壓設(shè)定值為30kPa，無可靠資料說明最大允許泄漏值，導(dǎo)致保壓試驗不通過時無可靠應(yīng)急處置依據(jù)。因此，為完善相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，本文針對該問題進行了一系列課題研究。

關(guān)鍵字：保壓試驗;泄漏值

中圖分類號：U279.5 文獻標(biāo)志碼：A

1 背景

高速動車組在線路上運行時，車內(nèi)設(shè)備用風(fēng)量頻繁，當(dāng)風(fēng)壓供應(yīng)不足時，部分車型會發(fā)生緊急制動，另一部分車型會封鎖牽引。某新型動車組具備自動保壓功能，可以方便快捷的查看本車組自然泄漏量。作為實時監(jiān)控動車組管路密封性的唯一手段，保壓試驗可以真實反映高速動車組管路及用風(fēng)設(shè)備的密封性。

目前應(yīng)急手冊及診斷代碼表暫無保壓試驗不通過相關(guān)應(yīng)急處置說明。現(xiàn)階段保壓試驗不通過（即泄漏值大于30kPa）存在較高的安全風(fēng)險。主要體現(xiàn)在一是標(biāo)準(zhǔn)不明確，保壓試驗結(jié)果不通過時，無相關(guān)依據(jù)輔助判斷是否具備繼續(xù)行車條件;二是容易造成行車事故，當(dāng)總風(fēng)風(fēng)壓進一步下降至600kPa時，網(wǎng)絡(luò)會封鎖牽引，易造成晚點，線路堵塞等情況。

因此，為完善相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，修復(fù)行車安全漏洞，本團隊針對該問題，對單臺空壓機、最大用風(fēng)量、最大泄漏值進行理論實踐分析，設(shè)計了一系列實驗進行課題研究，分析大量實車數(shù)據(jù)，并結(jié)合理論與實踐得出自動保壓試驗最大允許泄漏值，提出一些建議與防控措施。

2原理分析

2.1 用風(fēng)設(shè)備

動車組運行時，部分設(shè)備會長時間持續(xù)用風(fēng)，另外一部分設(shè)備在特定情況下會使用大量總風(fēng)。主要用風(fēng)設(shè)備有：撒砂裝置、車門、制動夾鉗、廁所、新風(fēng)廢排風(fēng)門、踏面清掃、空簧、防滑閥、車內(nèi)壓力釋放閥等。每個車輛的塞拉門、空氣彈簧、集便器，制動系統(tǒng)都獨立用風(fēng)，并且每個車輛的用風(fēng)具有不同時性和不同量性，因此對每個車輛用風(fēng)獨立模型化難度較大，同時也沒有這個必要，因為對應(yīng)于風(fēng)源系統(tǒng)，主要考察的是所有用風(fēng)裝置用風(fēng)總量，因此用風(fēng)系統(tǒng)采用集成化模型[1]。因此以時間單位為基礎(chǔ)，通過計算單位時間內(nèi)風(fēng)量，來找出用風(fēng)與供風(fēng)關(guān)系。

某新型動車組共配備兩臺空壓機，一般情況下單臺空壓機啟動，只有在特殊情況下兩臺空壓機才一起工作。剩下的1臺空壓機作為列車制動和輔助用風(fēng)的備用，只有當(dāng)制動或輔助用空氣系統(tǒng)發(fā)生空壓機故障或非正常泄漏導(dǎo)致空氣壓力不足時，才自動投入工作。這樣，通過空壓機的冗余設(shè)計提高機車空氣系統(tǒng)的可靠性，通過將制動和輔助用風(fēng)系統(tǒng)的分離設(shè)計而提高列車運行安全性[2]。因此，為提高安全冗余，必須考慮極端工況，即在只有單臺空壓機可正常工作的前提下進行理論分析。

2.2 相關(guān)邏輯

空壓機打風(fēng)邏輯：MR壓力值≥9.5bar時，所有空壓機關(guān)閉;7.8bar≤MR壓力值≤8.0bar時，靠近TBM空壓機優(yōu)先啟動;MR壓力值≤7.8bar時，兩臺空壓機錯峰啟動;BCU故障時，空壓機可通過壓力開關(guān)控制啟動，即MR壓力值≤7.5bar時，兩臺空壓機錯峰啟動。

總風(fēng)壓力低邏輯：由頭車PBCU-600kPa壓力開關(guān)檢測，當(dāng)總風(fēng)壓力低于600kPa時動作，網(wǎng)絡(luò)接收到壓力開關(guān)信號后上報總風(fēng)壓力低故障，同時封鎖牽引。

3理論研究

3.1 最大泄漏值標(biāo)準(zhǔn)

動車組共有兩臺空壓機，分布于3、6車。正常情況下，當(dāng)風(fēng)壓低于780kPa時，兩臺空壓機錯峰啟動。而最大泄漏值應(yīng)當(dāng)考慮極端工況，即其中一臺空壓機發(fā)生故障后，單臺空壓機運行能否滿足車組用風(fēng)要求。

3.2 風(fēng)量表達形式

由于動車組管路及風(fēng)缸體積難以計算，各種形式的用風(fēng)也難以用風(fēng)量具體表達。因此，要想得出具有實際意義的參考值，必須簡化計算公式，一些影響較小的因素盡可能忽略不計。其次，對于動車組用風(fēng)設(shè)備而言，其動作條件實際為風(fēng)壓，而不是風(fēng)量。因此參考克拉珀龍方程，在溫度短時間內(nèi)基本恒定、動車組容積基本恒定的條件下，壓強與風(fēng)量實際成正比關(guān)系?？諌簷C實際打風(fēng)風(fēng)壓（以每五分鐘為一時間單位）為自然打風(fēng)速率、自然泄漏值、撒砂加熱用風(fēng)之和。

P1=P4+P5+P6（1）

3.3 最大泄漏值

結(jié)合3.1與3.2可知，空壓機打風(fēng)總量必須大于用風(fēng)總量與泄漏總量之和，才能防止空壓機持續(xù)打風(fēng)不止。假設(shè)在某一泄漏臨界值，空壓機會一直持續(xù)打風(fēng)不會停止，此時總風(fēng)壓力會穩(wěn)定在一個數(shù)值，這一臨界值即為動車組最大泄漏值為Pmax。

Pmax=P1-P2 （2）

3.4 自動保壓顯示泄漏值

由于數(shù)據(jù)內(nèi)的最大用風(fēng)量已經(jīng)包含自然泄漏量P4，因此得出HMI實際顯示PHMI為：

PHMI=Pmax+P4（3）

式中：PHMI——自動保壓試驗HMI顯示泄漏值;P1動車組空壓機每5分鐘打風(fēng)風(fēng)壓;P2運行時每5分鐘最大用風(fēng)風(fēng)壓（通過數(shù)據(jù)采集得出）;P3動車組每5分鐘泄漏風(fēng)壓;P4每5分鐘自然泄漏用風(fēng)風(fēng)壓，P5每5分鐘撒砂加熱用風(fēng)風(fēng)壓;P6每5分鐘空壓機自然打風(fēng)風(fēng)壓

4實驗

4.1 實驗內(nèi)容

設(shè)計一系列實驗，需要驗證幾項內(nèi)容：一是空壓機打風(fēng)速度;二是不同空壓機打風(fēng)能力差異;三是自然泄漏量;四是撒砂加熱用風(fēng)風(fēng)壓;五是制動用風(fēng)風(fēng)壓。

4.2 自然泄漏量

車組自然停放情況下，00車投入主控，選擇兩組不同動車組進行自動保壓試驗，記錄保壓試驗結(jié)束時總風(fēng)壓下降情況及泄漏值（由于HMI風(fēng)壓個位數(shù)只以0-5顯示，導(dǎo)致人工計算結(jié)果與實際泄漏量結(jié)果有差異）。如表1所示：

結(jié)合運用檢修經(jīng)驗，動車組在自動保壓情況下，自然泄漏量取15kPa。

4.3 撒砂加熱用風(fēng)量

車組自然停放情況下，00車投入主控，進行手動保壓試驗，不切除撒砂，記錄每隔1分鐘的總風(fēng)壓力下降情況。手動保壓時，得出泄漏值為自然泄漏值與撒砂加熱泄漏值之和。如表2所示：

手動保壓試驗總風(fēng)壓變化曲線如圖1所示：

4.4 常用制動用風(fēng)量

車組自然停放情況下，00車投入主控，將總風(fēng)壓打至950kPa后穩(wěn)壓1分鐘，并且切除撒砂，依次進行B1-B7級制動施加與緩解，記錄制動B1-B7級時總風(fēng)壓下降情況。試驗結(jié)果如表3所示：

制動級位總風(fēng)壓變化曲線如圖2所示：

4.5 緊急制動EB用風(fēng)量

車組自然停放情況下，00車投入主控，將風(fēng)壓打至950kPa后穩(wěn)壓1分鐘，并且切除撒砂，多次施加緊急制動EB，記錄每次緊急制動時總風(fēng)壓下降情況。如表4所示：

緊急制動EB總風(fēng)壓變化曲線如圖3所示：

4.6 單臺空壓機打風(fēng)能力測試

車組自然停放情況下，未切除撒砂，切除一臺空壓機，手動讓總風(fēng)壓下降至750 kPa，啟動一臺空壓機打風(fēng)，采集打至950kPa的時間。如表5所示：

單臺空壓機打風(fēng)曲線如圖4所示：

4.7 小結(jié)

本次試驗?zāi)M了動車組在自然停放狀態(tài)下和運行時各類用風(fēng)設(shè)備的用風(fēng)量，完成了單臺空壓機打風(fēng)速率的計算。以每5分鐘作為一個時間單位，得出以下結(jié)果：

（1）自動保壓試驗時，動車組平均泄漏值為15kPa，密封性較好，泄漏量較少。得出每5分鐘自然泄漏量P4=15kPa。

（2）手動保壓時，未切除撒砂干燥用風(fēng)，車組泄漏量陡增，10min內(nèi)總風(fēng)壓下降了65kPa，每分鐘下降約6.5kPa。結(jié)合本車的自然泄漏量平均值為7.5kPa（表1數(shù)據(jù)），得出每5分鐘撒砂加熱用風(fēng)風(fēng)壓P5=25kPa。

（3）制動用風(fēng)也較為突出，在施加B1級制動時總風(fēng)壓下降約為5kPa，在施加B2-B4級制動時總風(fēng)壓下降約為10kPa，在施加B5-B7級制動時，總風(fēng)壓下降約為15kPa，緊急制動EB總風(fēng)壓下降約為20kPa，整體用風(fēng)量隨著制動級位的增大呈上升趨勢。

（4）空壓機打風(fēng)速率較為恒定，在初始風(fēng)壓分別為600kPa、750kPa的條件下進行多次試驗，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)單臺空壓機打風(fēng)速率曲線基本一致，經(jīng)計算自然打風(fēng)情況下，平均每5分鐘打風(fēng)風(fēng)壓約為P6=34×5=170kPa。

5數(shù)據(jù)分析

5.1 用風(fēng)量分析

下載各個交路車組DR數(shù)據(jù)，統(tǒng)計空壓機從停止到下次啟動的時間間隔數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)真實反映車組運行過程中的用風(fēng)情況（包含車組自然泄漏）。結(jié)合曲線及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從各個交路用風(fēng)情況中選取合適的數(shù)據(jù)作為最大用風(fēng)量的參考依據(jù)，代入上述公式中計算出理論最大泄漏值，并與實車驗證數(shù)據(jù)進行對比。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，選用幾組動車不同時間運行數(shù)據(jù)，生成風(fēng)壓變化曲線如圖5-6所示：

5.2 空壓機打風(fēng)間隔時間統(tǒng)計

根據(jù)上述數(shù)據(jù)變化情況，統(tǒng)計從始發(fā)到終到這一時間段內(nèi)，空壓機停止工作至下一次啟動的時間間隔（即總風(fēng)壓力從950kPa下降至800kPa的時間），形成散點分布圖及計數(shù)統(tǒng)計表，如以下圖表所示：

5.3 理論最大值

根據(jù)表6各用風(fēng)時間的占比情況，結(jié)合實際，選取用風(fēng)時間5分30秒計算較為合適。得出。將上述所有數(shù)據(jù)代入公式（1）、（2）、（3）得出空壓機每五分鐘打風(fēng)風(fēng)壓P1為210kPa，每5分鐘最大用風(fēng)風(fēng)壓Pmax為73.6kPa，HMI顯示的最大允許泄漏值PHMI 為88.6kPa。

出于安全考慮，需要驗算極限情況，回證數(shù)據(jù)中用風(fēng)時間最短的情況下，車組仍然滿足安全運行條件，即極限情況下風(fēng)壓不會低于600kPa，導(dǎo)致牽引丟失。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計查找到最短用風(fēng)時間約為4分鐘，同時加上計算出的最大理論漏風(fēng)值，在風(fēng)壓低于800kPa以后，空壓機開始工作，計算風(fēng)壓降至600kPa需要時間t為200kPa余量與新增風(fēng)量的比值，即

動車組在運行過程中用風(fēng)速度較快，用風(fēng)量較大的設(shè)備主要是制動裝置及防滑裝置，所以當(dāng)動車組頻繁制動時，會導(dǎo)致短時間內(nèi)用風(fēng)量激增，但頻繁制動的時間普遍較短（3分鐘以內(nèi)），遠低于計算值t=11.42min。由于該情況占比很少，遠低于其他工況占比，并且動車組風(fēng)壓低于780kPa時會啟動兩臺空壓機，所以即使在用風(fēng)極端惡劣的情況下，動車組仍然可以安全運行。

6實車驗證

6.1 實驗內(nèi)容

模擬動車組用風(fēng)設(shè)備漏風(fēng)的情況，啟動單臺空壓機，測試空壓機可允許工作時間及對最大理論泄漏值進行試驗，驗證最大理論泄漏值是否滿足動車組安全運行要求。抽選某新型動車組進行如下實驗，內(nèi)容見6.2，6.3。

6.2 空壓機最大泄漏量與用風(fēng)量模擬實驗

實驗內(nèi)容：將00車車內(nèi)空調(diào)截斷塞門打至45°，模擬空調(diào)管路漏風(fēng)，切除全部空氣壓縮機，切除撒砂加熱用風(fēng)，模擬最大泄漏量與最大用風(fēng)量。取風(fēng)壓至950kPa，空壓機停機時開始計時，總泄漏時間為5分09秒，風(fēng)壓下降245kPa，最大泄漏量與最大用風(fēng)量的模擬值為237.86kPa/5min。

模擬動車組存在最大漏風(fēng)量及最大用風(fēng)量的極限情況下，啟動單臺空壓機，風(fēng)壓曲線較平穩(wěn)，呈微上升趨勢，如圖9、10所示。

6.3 空壓機持續(xù)工作時間測試

實驗內(nèi)容：啟動單臺空壓機，并使其持續(xù)工作，測試單臺空壓機工作續(xù)航能力，如圖11。

從圖11可知，空壓機持續(xù)工作時間超20min，空壓機續(xù)航能力滿足漏風(fēng)情況下長期工作要求。

6.4 實驗結(jié)論

在實驗?zāi)M的條件下，單臺空壓機持續(xù)工作時間超過20min，總風(fēng)壓力上升緩慢，在20min左右總風(fēng)壓力達到950kPa，工作時間遠遠超過實際工作時間，連續(xù)工作期間，動車組未報油溫高、干燥塔故障等。

經(jīng)實驗證明實驗車組空壓機打風(fēng)能力實際接近于理論計算值210kPa，由于空壓機工作壓力實際大于車內(nèi)管路壓力，因此在時間足夠長、新增風(fēng)量稍稍大于消耗風(fēng)量的情況下，總風(fēng)壓力可以達到950kPa目標(biāo)值。在考慮設(shè)備安全運行的前提下，空壓機持續(xù)工作不停機實際是不被允許的，因此取210kPa為P1最大值。同時出于安全冗余原則，留出一次緊急制動EB用風(fēng)余量（安全冗余用風(fēng)20kPa）。最終結(jié)合理論分析得出具有參考意義的自動保壓試驗最大泄漏量為68.6kPa。

7結(jié)論

經(jīng)理論及實際驗證發(fā)現(xiàn)，動車組在極端工況下，自動保壓試驗最大允許泄漏量為88.6kPa。出于安全冗余原則，實際可參考值為68.6kPa。該數(shù)值建立在動車組在極端工況運行的基礎(chǔ)上，即只有一臺主空壓機可以正常工作。因此，兩臺主空壓機均正常時，最大允許泄漏量理論上更大，列車安全性更高。

由于實際情況更為復(fù)雜，建議應(yīng)急處置人員綜合考量，根據(jù)泄漏部位情況，研判有無進一步泄漏風(fēng)險，制定后續(xù)應(yīng)急處置措施，嚴禁盲目行車。建議相關(guān)技術(shù)人員，針對新型動車組常見漏風(fēng)部位進行梳理，研究一套可靠方案，在不影響動車組正常運行的前提下，減少因總風(fēng)壓力急劇減少帶來的不良影響，保障動車組安全運行。建議相關(guān)人員與主機廠深入交流，找出各個漏風(fēng)部位真實漏風(fēng)原因，提出相應(yīng)的改進措施，及時提報源頭，形成良好正反饋，從根本上解決隱患。

參考文獻：

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