李 巍
(中車唐山機(jī)車車輛有限公司, 河北 唐山 063035)
CRH3 及CRH5 平臺(tái)動(dòng)車組在運(yùn)用中,多次發(fā)生初升弓送電時(shí),個(gè)別車制動(dòng)不緩解故障,經(jīng)查為雙向止回閥導(dǎo)致的間接制動(dòng)壓力過(guò)充。文中通過(guò)理論計(jì)算、整機(jī)與單機(jī)測(cè)試及拆解分析等方面,為此閥提出了4 個(gè)優(yōu)化方向,為降低該閥雙向貫通風(fēng)險(xiǎn)提出優(yōu)化措施。
正常工況下,緊急制動(dòng)緩解時(shí)列車管充風(fēng)到6 bar,列車管為儲(chǔ)風(fēng)缸B50 充風(fēng)到6 bar,同時(shí)雙向止回閥A3 側(cè)間接制動(dòng)預(yù)控壓力通過(guò)分配閥連通大氣;緊急制動(dòng)觸發(fā)時(shí)列車管排風(fēng)到0,分配閥動(dòng)作使儲(chǔ)風(fēng)缸B50 中6 bar 的風(fēng)壓到達(dá)儲(chǔ)風(fēng)缸B51 及雙向止回閥A3 側(cè),形成間接制動(dòng)預(yù)控壓力,如圖1所示。
圖1 制動(dòng)氣路原理圖
根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式(1):
式中:P為氣體壓強(qiáng);V為氣體體積;n為氣體物質(zhì)的 量;r為常 數(shù)[r=8.314 J/(mol·k)];T為 開(kāi) 爾 文溫度。
緊急制動(dòng)施加前后,儲(chǔ)風(fēng)缸B50、B51 以及管路內(nèi)壓縮空氣的“n×r×T”未發(fā)生改變,且風(fēng)缸及管路的容積不變,通過(guò)壓強(qiáng)與體積的乘積不變的原理,即為式(2):
式中:P前為間接制動(dòng)施加前B50 內(nèi)的氣體壓強(qiáng)(列車管壓力為6 bar);V1為B50、分配閥腔體及管路的容積(7 L+1.6 L);P后1為間接制動(dòng)施加后B50內(nèi)的氣體壓強(qiáng);V2為B51 及間接制動(dòng)的預(yù)控壓力管路 容 積(1.3 L+0.8 L);P后2為 間 接 制 動(dòng) 施 加 后B51 及管路中的壓強(qiáng),即間接制動(dòng)預(yù)控壓力(雙向止回閥A3 側(cè)壓強(qiáng))。
當(dāng)緊急制動(dòng)施加時(shí),儲(chǔ)風(fēng)缸B50 與儲(chǔ)風(fēng)缸B51通過(guò)分配閥相通,間接制動(dòng)預(yù)控壓力最高,P后1=P后2,即為式(3):
根據(jù)理論計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè),正常情況下間接制動(dòng)預(yù)控壓力最高應(yīng)為4.8±0.1(bar)。
CRH3 與CRH5 這2 平臺(tái)動(dòng)車組在斷電時(shí),均會(huì)觸發(fā)列車管排風(fēng)的緊急制動(dòng),雙向止回閥A3 側(cè)形成的間接制動(dòng)預(yù)控壓力達(dá)到4.8 bar。當(dāng)動(dòng)車組斷電停放時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),總風(fēng)壓力不可避免的泄漏,而間接制動(dòng)預(yù)控壓力容積小,風(fēng)壓泄漏極慢或基本無(wú)泄漏。此時(shí)升弓供電,在緊急制動(dòng)未緩解時(shí),緊急制動(dòng)電磁閥使雙向止回閥A1 側(cè)與總風(fēng)壓力相通,總風(fēng)壓力隨空壓機(jī)打風(fēng)緩慢上升,雙向止回閥A1 與A3 兩側(cè)壓力接近時(shí),個(gè)別雙向止回閥閥芯內(nèi)部動(dòng)作不靈敏使閥芯停在中間位置,直接制動(dòng)預(yù)控壓力與間接制動(dòng)預(yù)控壓力互通,如圖2 所示。雙向止回閥A3 側(cè)壓力(間接制動(dòng)預(yù)控壓力)隨A1 側(cè)壓力(即總風(fēng))上升到6 bar 以上,再操作緩解緊急制動(dòng),將無(wú)法通過(guò)列車管充風(fēng)(最高壓力6 bar)使分配閥閥芯運(yùn)動(dòng)到緩解位,A3 側(cè)壓力始終不能釋放,中繼閥持續(xù)輸出制動(dòng)壓力,故障表現(xiàn)為制動(dòng)無(wú)法緩解。
圖2 雙向止回閥原理圖[1]
CRH3C 與CRH380B(L)平臺(tái)動(dòng)車組在緊急制動(dòng)狀態(tài)下,列車管排風(fēng)形成的間接制動(dòng)預(yù)控壓力為4.8 bar(雙向止回閥A3 側(cè)),總風(fēng)壓力通過(guò)緊急制動(dòng)電磁閥輸出直接制動(dòng)預(yù)控壓力(雙向止回閥A1 側(cè))。當(dāng)總風(fēng)壓力從4.8 bar 以下開(kāi)始上升,如上升速度較為緩慢時(shí),雙向止回閥兩側(cè)的壓差無(wú)法瞬間建立(此閥的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求兩側(cè)壓差最小0.25 bar),且此時(shí)如果閥芯不靈敏未運(yùn)動(dòng)到位將導(dǎo)致兩側(cè)進(jìn)氣口貫通,間接制動(dòng)壓力隨總風(fēng)壓力上升。
選取1 列已發(fā)生間接制動(dòng)預(yù)控壓力過(guò)充故障的CRH380B 型動(dòng)車組,監(jiān)測(cè)總風(fēng)壓力(R)、直接制動(dòng)預(yù)控壓力(Cv)、間接制動(dòng)預(yù)控壓力(Stv)情況如下:
當(dāng)全列所有空壓機(jī)(2 臺(tái))可正常啟動(dòng),總風(fēng)壓力上升速率約為1 bar/min,間接制動(dòng)預(yù)控壓力(Stv)始終保持4.8 bar 不變,未跟隨總風(fēng)壓力(R)及直接制動(dòng)預(yù)控壓力(Cv)上升,即雙向止回閥兩側(cè)進(jìn)氣口未貫通,如圖3(a)所示;當(dāng)動(dòng)車組只啟動(dòng)1 臺(tái)空壓機(jī)時(shí),總風(fēng)壓力上升速率較慢,約為0.6 bar/min,間接制動(dòng)預(yù)控壓力(Stv)由4.8 bar 跟隨總風(fēng)壓力(R)及直接制動(dòng)預(yù)控壓力(Cv)上升到5.92 bar,即雙向止回閥兩側(cè)進(jìn)氣口貫通,如圖3(b)所示。
圖3 供風(fēng)測(cè)試壓力曲線
制定雙向止回閥的普查方案,普查方案原理是將總風(fēng)壓力降到4.8 bar 以下,使車組施加緊急制動(dòng),讓雙向止回閥的A1 側(cè)與總風(fēng)相通,A3 側(cè)為4.8 bar 的間接制動(dòng)預(yù)控壓力;全列車只啟動(dòng)1 臺(tái)主空壓機(jī),使A1 側(cè)總風(fēng)壓力緩慢上升到4.8 bar 以上,查看是否存在A3 側(cè)間接制動(dòng)壓力過(guò)充的情況,具體操作如下:
(1)模擬長(zhǎng)時(shí)間存放,車組總風(fēng)壓力初步下降
總風(fēng)壓力6.5 bar 以上,斷開(kāi)主斷,防止空壓機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)打風(fēng),只留1 臺(tái)空壓機(jī)待用(其他空壓機(jī)切除)。通過(guò)緊急制動(dòng)將總風(fēng)壓力降到6.5 bar,列車管充滿風(fēng)(6 bar),操作車組所有空氣制動(dòng)緩解。
(2)通過(guò)環(huán)路故障隔離開(kāi)關(guān)再次降低總風(fēng)壓
將所有頭車(1 車、00 車)的“緊急制動(dòng)閥”故障開(kāi)關(guān)打到關(guān)位(水平位),防止列車管排風(fēng)后由于總風(fēng)壓力不足導(dǎo)致全列緊急制動(dòng)無(wú)法緩解,以至無(wú)法操作降低風(fēng)壓。多次操作非占用端“緊急制動(dòng)回路”隔離開(kāi)關(guān),使緊急制動(dòng)回路斷開(kāi)再閉合,通過(guò)回路使制動(dòng)施加緩解,降低總風(fēng)壓力到4 bar以下。
(3)檢測(cè)雙向止回閥靈敏度
恢復(fù)“緊急制動(dòng)回路”故障開(kāi)關(guān),恢復(fù)1 車和8車的緊急制動(dòng)閥,通過(guò)緊急蘑菇頭施加緊急制動(dòng),列車管排風(fēng)后,雙向止回閥A3 口風(fēng)壓為4.8 bar。升弓閉合主斷,使空壓機(jī)打風(fēng)到總風(fēng)壓力7 bar,操作列車管充風(fēng)緩解所有制動(dòng)。如個(gè)別雙向止回閥動(dòng)作不靈敏,將會(huì)發(fā)生間接制動(dòng)預(yù)控壓力Stv 過(guò)充使制動(dòng)不緩解。
通過(guò)篩查,發(fā)現(xiàn)約每12 列車(8 輛短編,每輛車安裝1 個(gè)雙向止回閥)中有1 個(gè)雙向止回閥靈敏度測(cè)試無(wú)法通過(guò),截止2020 年5 月,已發(fā)現(xiàn)并更換7 個(gè)雙向止回閥。
為研究雙向止回閥導(dǎo)通的問(wèn)題,搭建了1 個(gè)靈敏度測(cè)試臺(tái),對(duì)12 個(gè)雙向止回閥樣本(前期運(yùn)用故障閥4 個(gè),整機(jī)篩查問(wèn)題閥7 個(gè),新閥1 個(gè))進(jìn)行功能測(cè)試與車組工況模擬測(cè)試。
功能測(cè)試:雙向壓差0.25 bar 的情況下,均測(cè)試通過(guò),雙向止回閥功能非常良好。
車組工況模擬測(cè)試:
(1)打開(kāi)H1、H3、HP0、HP1、HB 截?cái)嗳T,通過(guò)調(diào)壓閥P,將雙向止回閥DRV 的A1 與A3 口壓力調(diào)成4.8 bar,關(guān)閉HP1 塞門,切除雙向止回閥兩側(cè)供給,保持兩側(cè)壓力不變。
(2)打開(kāi)H4 塞門,調(diào)整流速使A1 壓力緩慢上升,觀察A3 側(cè)壓力值是否跟隨A1 側(cè)壓力上升,測(cè)試原理如圖4 所示。
圖4 雙向止回閥測(cè)試原理圖
(3)將雙向止回閥豎放與平放位置,如圖5 所示,檢查A1 與A3 是否有貫通的情況[2]。
圖5 雙向止回閥測(cè)試
測(cè)試結(jié)果如下:
(1)雙向止回閥尺寸標(biāo)準(zhǔn)為:閥芯外徑為φ30c8(29.857~29.89),閥 腔 內(nèi) 徑 為φ30 H8(30~30.033),配合公差為0.11~0.176 mm。經(jīng)檢查測(cè)量,這12 個(gè)樣本閥芯、閥腔及配合尺寸均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,機(jī)械配合無(wú)異常。
(2)12 個(gè)樣本閥件在平裝測(cè)試時(shí),11 個(gè)樣本兩側(cè)貫通(包括新閥),僅有1 個(gè)樣本未出現(xiàn)貫通情況;豎裝測(cè)試時(shí),僅10 號(hào)樣本存在貫通情況。
(3)10 號(hào)閥件樣本靈敏度最差,對(duì)10 號(hào)閥清潔及潤(rùn)滑后,仍存在貫通情況。雖裝配公差在正常范圍內(nèi),但手動(dòng)抽取閥芯時(shí)有輕微阻力,拆解未發(fā)現(xiàn)異常,確定為生產(chǎn)制造過(guò)程中的個(gè)例問(wèn)題。
(4)測(cè)試臺(tái)可以模擬靜止的壓力,如雙向止回閥A3 口加裝10 L 風(fēng)缸并設(shè)定在4.8 bar,與車組工況基本一致;動(dòng)車組總風(fēng)管路長(zhǎng)度從幾十米到上百米不等,風(fēng)缸總?cè)莘e為2 700~3 200 L,所以試驗(yàn)臺(tái)對(duì)于雙向止回閥A1 口的壓力上升情況與車組總風(fēng)壓力上升時(shí)流速及沖擊不能完全一致,即難以模擬車組壓力動(dòng)態(tài)情況,未能復(fù)現(xiàn)豎裝工況下貫通的故障情況,但可復(fù)現(xiàn)平裝工況下的壓力貫通情況,且新閥也同樣出現(xiàn)此種情況。從當(dāng)前試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,豎裝方式明顯優(yōu)于平裝方式。
在已發(fā)生間接制動(dòng)壓力過(guò)充的動(dòng)車組上進(jìn)行試驗(yàn),在車組總風(fēng)壓力較低時(shí),先操作緊急制動(dòng)緩解,當(dāng)總風(fēng)上升到7.1 bar 時(shí)再施加緊急制動(dòng),此時(shí)在A1 口瞬間建立的直接制動(dòng)預(yù)控壓力Cv=總風(fēng)壓力=7.1 bar,與間接制動(dòng)預(yù)控壓力Stv(雙止閥A3 口)4.8 bar 相比,瞬間形成的壓差為2.3 bar,即使閥本身存在個(gè)體差異,但此壓差仍足以推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)到位并密封A3 口,如圖6 所示。
圖6 動(dòng)車組初上電優(yōu)化后的壓力曲線
綜上,在動(dòng)車組當(dāng)天第1 次升弓送電后,由于停放時(shí)間長(zhǎng)總風(fēng)泄漏較低,此時(shí)應(yīng)先緩解緊急制動(dòng)再升弓打風(fēng),使總風(fēng)壓力上升到大于5.5 bar 時(shí)(間接制動(dòng)預(yù)控壓力不會(huì)高于5 bar),再進(jìn)行緊急制動(dòng)等其他操作,可以規(guī)避雙向止回閥的兩側(cè)壓力貫通問(wèn)題。
動(dòng)車組上電操作優(yōu)化方案的安全操作注意事項(xiàng):
(1)緩解緊急制動(dòng)前,應(yīng)施加停放制動(dòng),停放制動(dòng)為彈簧蓄能控制施加,無(wú)風(fēng)壓要求,可在不大于20‰的坡道上安全停放。
(2)如在大于20‰ 的坡道上停放或個(gè)別車停放制動(dòng)故障時(shí),則可在緩解緊急制動(dòng)前先施加備用制動(dòng)以防止溜車,最大備用制動(dòng)力不小于緊急制動(dòng)力。
CRH3 平臺(tái)動(dòng)車組雙向止回閥兩側(cè)壓力貫通的故障率遠(yuǎn)小于CRH5 平臺(tái)動(dòng)車組,究其根本原因?yàn)槠浒惭b方向?yàn)樨Q直安裝,而CRH5 平臺(tái)動(dòng)車組雙向止回閥為平裝。雙向止回閥豎裝與平裝原理圖如圖7 所示。
圖7 雙向止回閥豎裝(左)與平裝(右)原理圖
當(dāng)雙向止回閥A3 口壓力為4.8 bar 時(shí),A1 口從較小壓力開(kāi)始緩慢升壓直到閥芯動(dòng)作的瞬間,此2 種安裝方式的壓力平衡計(jì)算為式(4)、式(5):
豎裝方式:
式中:PA1為A1 口 壓 力;PA3為A3 口壓 力4.8 bar;b1為A1 壓力作用面直徑φ27 mm;b2為A3 壓力作用面直徑φ27 mm(由于PA3可通過(guò)閥芯側(cè)面到達(dá)A1壓力作用面膠圈的外圈,兩側(cè)外圈作用力相互抵消,所以PA3的實(shí)際作用面直徑為φ27 mm);Gb為閥芯重力0.057×9.8 N;Fb為平裝時(shí)閥芯與閥腔的摩擦力(由油膜及接觸面粗糙度共同決定,文中不做定量研究)。
代入式(4)、式(5),算得式(6)、式(7):
豎裝方式:
平裝方式:
當(dāng)雙向止回閥豎直安裝時(shí),A1 口壓力4.79 bar時(shí)即可開(kāi)啟閥芯,如A1 口壓力以極慢的速率上升,A3 口4.8 bar 的壓力可通過(guò)閥芯極小的側(cè)邊(公差0.15 mm)貫通A1,A3 壓力再次下降,A1 與A3 的壓力差增大,可促使閥芯向下運(yùn)動(dòng)。如A1 口壓力上升速度稍快時(shí),則可直接形成壓差使閥芯向下運(yùn)動(dòng)。所以,閥芯在正常情況下,基本不會(huì)發(fā)生A3 口過(guò)充的情況,文中單機(jī)測(cè)試已驗(yàn)證。
當(dāng)雙向止回閥平裝時(shí),A1 口壓力[(4.8+0.017Fb)bar]大于A3 口壓力(4.8 bar)才可開(kāi)啟閥芯,如A1 口壓力緩解上升,由在閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,A1 壓力過(guò)充到A3 口,使A3 口壓力一直隨A1 緩慢上升的現(xiàn)象,最終導(dǎo)致A3 口壓力過(guò)充,文中單機(jī)試驗(yàn)中也驗(yàn)證基本所有雙向止回閥(包括新閥)都存在這種過(guò)充情況。
綜上計(jì)算,此類雙向止回閥在設(shè)計(jì)使用時(shí),應(yīng)優(yōu)選豎裝方式。
當(dāng)間接制動(dòng)預(yù)控壓力Stv 過(guò)高時(shí),現(xiàn)車表現(xiàn)為制動(dòng)無(wú)法緩解,無(wú)任何診斷代碼,不便于應(yīng)急處置及庫(kù)內(nèi)檢修。在新版制動(dòng)軟件中計(jì)劃增加“間接制動(dòng)預(yù)控壓力Stv 過(guò)高”的代碼,當(dāng)Stv 壓力高于5.6 bar 并延遲10 s,制動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)報(bào)出診斷故障代碼以提示乘務(wù)人員。
優(yōu)化雙向止回閥測(cè)試臺(tái)及測(cè)試大綱,對(duì)每個(gè)出廠的雙向止回閥進(jìn)行靈敏度檢測(cè),新增加的測(cè)試要求如下:
雙向止回閥A3 口保持4.8 bar 的壓力(容積10 L),A1 口 由4.5 bar 壓力 以0.45 bar/min(參 考CRH3 與CRH5 這2 種車型單組空壓機(jī)的供風(fēng)速率)的速率上升至5.5 bar,A3 口壓力應(yīng)保持在4.8 bar 不變。
對(duì)于目前CRH3 與CRH5 動(dòng)車組的雙向止回閥,其雙向?qū)ǖ母驹驗(yàn)椋簞?dòng)車組緊急制動(dòng)施加工況下,啟動(dòng)主空壓機(jī)對(duì)總風(fēng)壓力升壓時(shí),使雙向止回閥存在雙向?qū)ǖ目赡苄?,且總風(fēng)壓力上升越慢,則其雙向?qū)ǖ目赡苄栽酱?,在有個(gè)體差異的雙向止回閥上表現(xiàn)更為明顯。這并不是閥本身故障或設(shè)計(jì)問(wèn)題,而是動(dòng)車組的“特殊工況”滿足了閥雙向?qū)ǖ臈l件。所以,合理規(guī)避動(dòng)車組的這個(gè)“特殊工況”,即可徹底解決該問(wèn)題。
通過(guò)上文的論述,結(jié)合動(dòng)車組操作規(guī)程文件的修訂,來(lái)優(yōu)化動(dòng)車組初上電的作業(yè)流程,即在緊急制動(dòng)緩解的工況下使主空壓機(jī)打風(fēng),從根本上避免雙向?qū)ǖ膯?wèn)題,節(jié)約更改整治成本;同時(shí),對(duì)于安裝方式優(yōu)化應(yīng)該在動(dòng)車組初始設(shè)計(jì)時(shí)考慮,現(xiàn)有動(dòng)車組由于成本原因不再建議變更,但為后續(xù)新型動(dòng)車組的雙向止回閥安裝方式提供了參考意見(jiàn),且操作規(guī)程的優(yōu)化也可完全規(guī)避雙向止回閥在平裝方式上雙向?qū)ǖ膯?wèn)題;通過(guò)故障自動(dòng)診斷及出廠例行試驗(yàn)優(yōu)化,明確故障的指向性及加強(qiáng)個(gè)例問(wèn)題的篩查。