高原 中國鐵路上海局集團有限公司科技和信息化部
倪建軍 中國鐵路上海局集團有限公司上海動車段
動車組采用全密閉式車體,動車組內(nèi)的空氣調(diào)節(jié)、通風換氣均依靠動車組空調(diào),空調(diào)成為了影響動車組運行品質(zhì)的重要系統(tǒng),在炎熱的夏季一旦空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障,將嚴重影響旅客的乘坐舒適性,甚至可能導(dǎo)致動車組無法繼續(xù)運行,對運輸秩序產(chǎn)生很大影響?,F(xiàn)階段動車組空調(diào)系統(tǒng)檢修以狀態(tài)預(yù)防修為主,對空調(diào)故障仍采用事后修的方式,因空調(diào)故障的發(fā)生具有突發(fā)性和隱蔽性特點,給空調(diào)系統(tǒng)的日常檢修維護帶來了極大的困難,若能找到一種行之有效的方法及時發(fā)現(xiàn)動車組空調(diào)系統(tǒng)故障甚至預(yù)測故障的發(fā)生,將空調(diào)系統(tǒng)故障帶來的影響減小到最低,對保證動車組行車品質(zhì)和安全有序的運行具有重要的意義。
空調(diào)制冷系統(tǒng)工作時,從冷凝器流出的制冷劑液體通過干燥過濾器后進入節(jié)流裝置。制冷劑液體經(jīng)過節(jié)流降壓后,進入蒸發(fā)器進行蒸發(fā),通過通風機吸收空調(diào)區(qū)域大量熱量,直至制冷劑氣化。離開蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽進入壓縮機,壓縮機吸收低壓蒸汽并將之壓縮,同時提高蒸汽的壓力和溫度。高溫高壓氣體被壓出壓縮機后進入冷凝器,通過冷凝風機將熱量排到外界空氣,冷凝成制冷劑液體。制冷劑液體又開始新一輪的循環(huán)??照{(diào)機組制冷工作原理簡圖如圖1所示。
圖1 空調(diào)機組制冷工作原理簡圖
通過研究CR400BF型動車組客室空調(diào)系統(tǒng)故障情況,在去除空調(diào)系統(tǒng)非功能性故障后,梳理出夏季動車組客室空調(diào)系統(tǒng)制冷故障的主要類型有電氣元器件故障、系統(tǒng)偶發(fā)性故障、管路泄露、膨脹閥故障等,具體如表1所示。
表1 CR400BF平臺動車組客室空調(diào)故障類型和故障分布情況
從表1可以看出,電氣元器件故障、系統(tǒng)偶發(fā)性故障占比最高,且從發(fā)生故障后的故障排查情況來看,此類故障具有明顯的突發(fā)性和偶然性,具體表現(xiàn)為電氣元器件瞬間失效、空調(diào)系統(tǒng)瞬間停止工作,故障潛伏期短,不具備明顯的前瞻性研究意義。其次故障占比最多的是空調(diào)系統(tǒng)制冷劑不足、管路泄露故障、膨脹閥故障,此類故障的故障潛伏期長短不一。潛伏期短時,主要是通過車載系統(tǒng)盯控相關(guān)故障的報警,及時進行處置;潛伏期長時,可以通過研究空調(diào)系統(tǒng)主要相關(guān)的數(shù)據(jù)來挖掘故障發(fā)生規(guī)律,實現(xiàn)故障的提前預(yù)判。因此選擇由于制冷劑泄漏等原因?qū)е碌内厔菪灾评洳涣冀⒐收夏P瓦M行研究。
客室空調(diào)使用制冷劑R407c作為冷媒,壓縮機將冷媒R407c壓縮成為高溫高壓氣態(tài)冷媒,冷媒循環(huán)至冷凝器內(nèi)通過冷凝風機進行強制通風,與外界空氣換熱冷卻。冷媒由高溫高壓氣態(tài)轉(zhuǎn)為中溫高壓液態(tài)冷媒。液態(tài)冷媒通過膨脹閥節(jié)流進行膨脹降壓,變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌蠎B(tài)。冷媒在蒸發(fā)器內(nèi)進行蒸發(fā)吸熱??褪覂?nèi)回風與新風混合后由蒸發(fā)風機強制通風經(jīng)過蒸發(fā)器進行換熱,降溫后引入室內(nèi),實現(xiàn)降溫。經(jīng)過蒸發(fā)器吸熱后,冷媒由低溫低壓的氣液混合態(tài)變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài),由管路輸送回壓縮機實現(xiàn)循環(huán)。
為驗證空調(diào)制冷壓力在實際運用中與各項數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性,進行了空調(diào)制冷壓力數(shù)據(jù)試驗。空調(diào)機組在試驗臺位上針對額定工況使用焓差法進行試驗,具體試驗條件如表2所示、測試數(shù)據(jù)如表3所示。
表2 空調(diào)額定制冷工況及條件
表3 空調(diào)制冷系統(tǒng)壓力測試結(jié)果
表3的測試數(shù)據(jù)為額定工況的壓力,實際運行時,空調(diào)壓力與環(huán)境溫濕度、室內(nèi)溫度、熱負荷、旁通閥狀態(tài)、膨脹閥開度等都有關(guān)系。
(1)壓縮機工作與壓力值關(guān)系
壓縮機不工作時,制冷系統(tǒng)高低壓力處于平衡狀態(tài);當壓縮機工作,制冷系統(tǒng)高壓升高,低壓降低。為保證運行安全,空調(diào)系統(tǒng)需要使用高低壓保護器,保障壓縮機在正常范圍內(nèi)運行,見表4。
表4 壓縮機型號系統(tǒng)參數(shù)
(2)旁通閥開關(guān)狀態(tài)與制冷壓力的關(guān)系
旁通閥打開,系統(tǒng)高壓降低,低壓升高,制冷量減少,空調(diào)送風溫度升高。根據(jù)制冷需求分為四級制冷:
①一級制冷:一臺壓縮機開,旁通閥開;
②二級制冷:一臺壓縮機開,旁通閥關(guān);
③三級制冷:兩臺壓縮機開,一個旁通閥開;
④四級制冷:兩臺壓縮機開,旁通閥關(guān)。
(3)室外溫度與壓力值關(guān)系
在不同室外溫度下,空調(diào)制冷運行(空調(diào)機組旁通電磁閥始終保持關(guān)閉狀態(tài)),機組穩(wěn)定運行5 min,高、低壓力值正常應(yīng)如圖2所示(陰影部分)。
圖2 客室空調(diào)壓力圖
(4)車廂熱負荷、載客量與空調(diào)工作關(guān)系
當空調(diào)運行達到車內(nèi)溫度穩(wěn)定狀態(tài)下,空調(diào)投入的制冷量相當于抵消車廂熱負荷的量,包括車廂隔熱傳遞、太陽輻射、車內(nèi)設(shè)備發(fā)熱、載客量,所以熱負荷越大,空調(diào)投入冷量越多。
空調(diào)制冷劑泄漏,客室空調(diào)系統(tǒng)高壓和低壓趨勢如下:高壓值有下降趨勢;低壓值有下降趨勢;另一個系統(tǒng)高壓值沒有明顯下降趨勢;另一個系統(tǒng)低壓值沒有明顯下降趨勢。
表5是實際運行中動車組某車廂發(fā)生制冷劑泄漏的車組高低壓力數(shù)據(jù)示例:
表5 動車組運行中空調(diào)實際壓力情況
表5為某列動車組線上運行空調(diào)壓力數(shù)據(jù),可以分為3個較明顯的階段。初期上午運行數(shù)據(jù)基本正常,至中午壓力偏低,此時空調(diào)制冷效率會下降,到下午時分,高低壓力值下降明顯,已經(jīng)影響制冷。
實現(xiàn)“閾值+策略+大數(shù)據(jù)預(yù)測”的故障預(yù)警模式,需要對動車組客室空調(diào)系統(tǒng)的故障進行分析,確定故障相關(guān)參數(shù),空調(diào)系統(tǒng)故障參數(shù)與空調(diào)故障相關(guān)性分析,確定空調(diào)故障識別關(guān)鍵閾值,設(shè)計故障識別策略,建立模型,并不斷進行模型方案的優(yōu)化和完善??梢源蟠筇岣哳A(yù)警時間和準確度,降低運行故障率、逐步實現(xiàn)視情維修轉(zhuǎn)變,以及通過數(shù)據(jù)分析幫助正向改善,提高設(shè)備可用性、可靠性和安全性,降低運維成本,見圖3。
圖3 故障預(yù)警模型建立流程
(1)基于室溫變化的故障預(yù)警模型
通過采集遠程數(shù)據(jù),獲取車廂的回風溫度(即客室實際溫度)與客室設(shè)定溫度進行比較。當客室空調(diào)運行中滿足下列條件時:
①外溫小于50℃。
②客室側(cè)門處于關(guān)閉狀態(tài)。當車廂側(cè)門打開時,車廂與外界相通,外界高溫氣體會與車廂內(nèi)的封閉環(huán)境進行快速的融合交換,同時,車門開啟時,車輛處于站臺或檢修中心,綜合作用使客室溫度迅速升高,制冷產(chǎn)生的冷空氣流出車廂,效果大打折扣。待側(cè)門關(guān)閉后客室溫度會逐漸下降直至達到能量的動態(tài)平衡。因此,當客室車門開啟時,客室車廂溫度容易出現(xiàn)異常高的現(xiàn)象,模型對于該狀態(tài)下數(shù)據(jù)不做判斷。
③壓縮機處于運行狀態(tài)。壓縮機停止運行的情況下,制冷系統(tǒng)未運行或已達到設(shè)定溫度,無需觸發(fā)該診斷模型。
若滿足上述3個條件,且回風溫度〉設(shè)定溫度+3℃,持續(xù)1 h以上,模型可以給出相關(guān)制冷不良提示,提醒檢修人員確認。
(2)基于壓縮機壓力值數(shù)據(jù)的預(yù)警模型
根據(jù)空調(diào)壓縮機運行原理,在壓縮機啟動的情況下,若高壓值高于該時刻外溫對應(yīng)的最大值或小于對應(yīng)的最小值一定幅度時,則該壓縮機系統(tǒng)可能存在異常。同理,當?shù)蛪褐蹈哂谠摃r刻室溫對應(yīng)的最大值或小于對應(yīng)的最小值一定幅度時,該壓縮機系統(tǒng)可能存在異常。即
①5個以上連續(xù)低壓小于0.26;
②5 min內(nèi)4個以上小于0.2;
③高壓或低壓小于整車平均值0.2。
選取某動車段配屬的CR400BF平臺動車組進行故障預(yù)警模型的跟蹤使用,通過表6可以看出,2021年4月至10月累計發(fā)生客室空調(diào)制冷劑泄露、壓力異常相關(guān)類型故障31件,由模型進行預(yù)警預(yù)測的有17件,占比54.8%,經(jīng)排查為真實故障并進行處理6件,占模型預(yù)警預(yù)測范疇35.3%。
表6 故障預(yù)警跟蹤驗證情況表
文中通過研究CR400BF平臺動車組客室空調(diào)故障類型,選擇故障比例相對較高且故障發(fā)生具有趨勢性的制冷劑泄露故障作為研究對象,經(jīng)過空調(diào)制冷劑泄露故障相關(guān)參數(shù)的分析、故障預(yù)警邏輯及閾值的分析,建立了故障預(yù)警模型。通過在某動車段配屬的CR400BF平臺動車組進行模型跟蹤使用,模型預(yù)警故障發(fā)現(xiàn)率達到54.8%左右,準確率達到了35.3%左右,能夠有效減小運行動車組空調(diào)故障的發(fā)生,提高動車組運用質(zhì)量和運行品質(zhì)。