基于動車組的煙霧發(fā)生器設計

包效龍

（中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州車輛段 蘭州西動車所，甘肅 蘭州 730050）

1 設計背景

鐵路把安全作為生命線，而客車防火又是預防事故發(fā)生的重中之重，是最重要的安全風險源之一。動車組上安裝有煙霧探測傳感器，作用是探測動車組司機室、衛(wèi)生間、配電柜及客室內空氣中的煙霧濃度，預防由于旅客吸煙或者電氣裝置打火冒煙帶來的火災隱患。因此煙霧探測傳感器的良好狀態(tài)就顯得尤為重要，作用不良或者損壞，將造成不可想象的后果。動車組在進行二級修檢修時需要對煙霧探測傳感器進行功能測試，而目前該項試驗是用煙報主機上的自測鍵進行電路測試或采用電腦軟件強迫啟動煙霧探測傳感器使其報警，雖能驗證煙霧探測傳感器的電氣狀態(tài)，但是無法模仿實際報警情形。

在此背景下，設計和制作便攜式的煙霧發(fā)生器具有重要意義，它可以產(chǎn)生煙霧來模擬煙霧探測傳感器的報警情形，實現(xiàn)對煙霧探測傳感器的功能測試，確保在有煙霧時及時探測到并將報警信息傳遞至司乘人員，提早進行查看處置。

2 系統(tǒng)原理設計

2.1 煙霧產(chǎn)生原理

本系統(tǒng)中的煙霧由霧化器霧化煙油產(chǎn)生。煙油的主要成分是甘油、乙二醇、丙二醇、水、穩(wěn)定劑等。本系統(tǒng)中的霧化器是利用煙油在空氣里面遇熱霧化而產(chǎn)生煙霧的原理制成的。其示意圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)煙霧產(chǎn)生示意圖

2.2 控制電路設計

系統(tǒng)中電路部分主要由三檔船型開關、蓄電池及充電部分、霧化器發(fā)熱絲、紅色發(fā)光二極管、藍色發(fā)光二極管及電阻等組成。

三檔船型開關是本控制電路的核心組成部分，對整個系統(tǒng)起模式選擇和互異保護作用。開關處于三個檔位時系統(tǒng)分別處于工作、充電、關閉三種模式，并且充電模式和工作模式為互異關系，即系統(tǒng)處于工作模式下在閉合工作電路的同時斷開充電電路，在充電模式下閉合充電電路的同時斷開工作電路，這樣就有有效避免了系統(tǒng)在充電模式下長時間連續(xù)工作可能造成的危險。在充電電路和工作電路里面各設計了兩路發(fā)光二極管電路用于提示使用者系統(tǒng)當前工作狀態(tài)，當系統(tǒng)處于工作模式時藍色發(fā)光二極管點亮，處于充電模式時紅色發(fā)光二極管點亮。

系統(tǒng)控制電路示意圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)控制電路示意圖

2.3 電源模塊設計

蓄電池作為本系統(tǒng)的能源單元，為系統(tǒng)的正常持續(xù)穩(wěn)定工作提供充足的電力。系統(tǒng)處于關閉模式時蓄電池電路位于三檔船型開關的中間OFF 位。蓄電池的充電和放電兩種工況通過三檔船型開關的兩端ON 位與相應的電路導通，使其在充電模式下禁止放電，放電模式下禁止充電。

本系統(tǒng)中電源是由8 節(jié)18650 型可充電鋰電池拼接而成，其容量為18000mAh，輸出電壓為8.4V。該配置的電池可以完全滿足本系統(tǒng)的需要。

3 系統(tǒng)結構設計

煙霧發(fā)生器主要由儲油瓶、節(jié)流閥、霧化器、煙道、風扇、開關及電源等組成。

產(chǎn)生煙霧的煙油儲存在儲油瓶中，利用棉繩良好的毛細作用，將煙油引流至霧化器。霧化器主要由安裝在瓷質接油盤上的電阻螺旋管構成，并以石棉填充電阻螺旋管，在保證阻燃性的同時又實現(xiàn)了緩存煙油的效果。最終利用電熱絲通電后發(fā)熱使煙油霧化產(chǎn)生煙霧。儲油瓶采用倒立引流的方式，以解決發(fā)煙過程煙油供給不足導致的電熱絲過熱問題，并設置節(jié)流閥起到調節(jié)煙油供應速度和截斷油流的作用。由管路和風扇組成的煙道可實現(xiàn)對煙霧流向的引導，提高煙霧流速，增加煙霧流向的可控性。

3.1 霧化器結構設計

霧化器是本系統(tǒng)的煙霧產(chǎn)生源，是本系統(tǒng)結構設計的重點。

儲油瓶通過孔徑固定在三通支架上面，采用倒立引流的方式，貫穿通過節(jié)流閥的棉繩將儲油瓶里的煙油引流至霧化器，而旋轉節(jié)流閥旋鈕就可調節(jié)煙油供應速度和截斷油流。

霧化器主要由安裝在瓷質接油盤上的電阻螺旋管構成，并以石棉布卷筒填充電阻螺旋管，在保證阻燃性的同時又實現(xiàn)了緩存煙油的效果。霧化器上的電熱絲在通電以后產(chǎn)生熱量，使霧化器上的煙油霧化產(chǎn)生煙霧。

霧化器下方設置盛油瓶，用于緩存霧化器霧化過剩的煙油，避免灑落煙油。

本系統(tǒng)中使用的煙霧油是舞臺制造煙霧效果時用的，主要成分是甘油、乙二醇、丙二醇、水、穩(wěn)定劑等，具有無味無毒等優(yōu)點，確保產(chǎn)生的煙霧對車內設備無破壞、車內環(huán)境無污染。

霧化器結構圖如圖3 所示。

圖3 霧化器結構圖

3.2 煙道結構設計

本系統(tǒng)中煙道的結構主要由管道和風扇組成，有兩個作用，一是對儲油瓶和霧化器起支撐作用，二是控制煙霧方向和提高煙霧流速。

管道的材料為聚氯乙烯（PVC），煙道由DN40×10 的直管、DN40×40×40 的三通接頭、DN40 的45°彎頭、DN40×25 的異徑直通接頭，DN25×20 的直管組成。

風扇采用5×5mm 的靜音風扇，DC12V 供電。

煙道結構圖如圖4 所示。

圖4 煙道結構圖

3.3 底座結構設計

本系統(tǒng)中底座有兩個作用，一是起煙霧發(fā)生器正常放置而不倒立的支撐作用，二是起放置充電鋰電池的外殼保護作用。

基于以上需求，設計出了中空圓柱形支撐底座。底座上面安裝了充電口和三擋船型開關，下蓋與底座之間用螺紋方式固定。在底座上面安裝兩根金屬導桿用于安裝發(fā)煙裝置及給發(fā)煙裝置導電。其結構如圖5 所示。

圖5 底座結構圖

3.4 整體結構模型（如圖6 所示）

圖6 系統(tǒng)整體結構設計示意圖

3.5 系統(tǒng)實物圖（如圖7 所示）

圖7 系統(tǒng)實物圖

4 試驗效果測試

4.1 實驗方法

基于上述設計方案制作出了煙霧發(fā)生器（V1.0）。

2018 年4 月23 日 在CRH5G-5191 動車組和CRH380B-5732 動車組上的司機室、配電柜、客室、衛(wèi)生間等處的煙霧探測傳感器進行現(xiàn)場試驗，試驗結果統(tǒng)計如下。

方法：用煙霧發(fā)生器在與煙霧探測傳感器正下方成45 度角的方向對探頭釋放煙霧（TPB 車酒吧區(qū)感溫探測器除外），將處于工作狀態(tài)的煙霧發(fā)生器靠近煙霧探測傳感器開始計時，統(tǒng)計煙霧探測傳感器報警情況。

4.2 實驗結果

在對CRH5G-5191 進行試驗時,所有的煙霧探測傳感器作用良好，都能夠在10s 內準確及時的觸發(fā)報警。如圖8 所示。

圖8 CRH5G-5191 現(xiàn)場試驗效果圖

在對CRH380B-5732 動車組試驗時，所有的煙霧探測傳感器作用良好，都能夠4s 內觸發(fā)報警，靈敏度較CRH5G 動車組高。

圖9 CRH380B-5732 現(xiàn)場試驗效果圖

基于以上試驗過程，可以看出基于動車組的煙霧發(fā)生器所產(chǎn)生的煙霧能夠正常觸發(fā)動車組上的煙霧探測傳感器，表明此煙霧發(fā)生器可以作為驗證動車組煙霧探測傳感器功能的試驗工具。

5 結論

在系統(tǒng)設計初期按照要求，查找相關資料，確定設計方案，根據(jù)發(fā)煙原理制作了簡易的煙霧發(fā)生器，先在動車組上進行了嘗試性試驗，驗證了設計方案的可行性。然后再根據(jù)設計要求不斷改進控制電路、電源、霧化器結構和煙道結構，通過多次反復嘗試制作出符合設計要求的煙霧發(fā)生器。

在功能性方面，本系統(tǒng)各部分能夠達到設計要求，可充電鋰電池能夠提供充足穩(wěn)定的電力，三檔船型開關能夠滿足三種模式的控制，霧化器能夠在短時間內產(chǎn)生煙霧，節(jié)流閥能夠實現(xiàn)控制儲油瓶里煙油流速和截流的功能，盛油瓶能夠回收霧化剩余的煙油，煙道能夠順利的將煙霧輸送至出煙口，煙霧發(fā)生器產(chǎn)生的煙霧能夠快速觸發(fā)煙霧探測傳感器使其報警。

在安全性方面，電路控制中巧妙的利用三檔船型開關使充電模式和工作模式為互異關系，避免了在充電模式下長時間工作可能帶來的危險。電阻發(fā)熱絲的阻值通過不斷反復試驗，確保在現(xiàn)有蓄電池的供電條件下系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的工作，同時電阻發(fā)熱絲產(chǎn)生的溫度遠低于煙油著火溫度，避免火災隱患。同時發(fā)出的煙霧無毒無味，對人體健康不造成任何傷害，不損害動車組車內設施，不污染車內環(huán)境。

在實用性方面，本系統(tǒng)具有安全可靠、結構簡單、操作方便、實用性強、成本低廉、攜帶方便等優(yōu)點。

基于以上各方面，本設計完成了各項功能要求，成功開發(fā)出了基于動車組的煙霧發(fā)生器系統(tǒng)，滿足了現(xiàn)場的實際工作需要。