基于故障樹高速動車組空調(diào)泄壓模式失效故障的分析及優(yōu)化

胡明廣 薛 源

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

針對運行在中國廣袤大地上的高速動車組，因運行線路地勢復(fù)雜、隧道眾多等因素，空調(diào)系統(tǒng)不僅是控制動車組溫度與氣流的一個功能性系統(tǒng)，更是通過壓力波保護系統(tǒng)，精確控制新風(fēng)閥和廢排閥的動作來調(diào)整車內(nèi)壓力波動，保證動車組過隧道或高速會車時，控制車內(nèi)壓力平衡，防止動車組車內(nèi)壓力波動過大導(dǎo)致乘客耳鳴及車內(nèi)風(fēng)擋變形等問題?？照{(diào)系統(tǒng)不僅影響乘客乘坐舒適度，也影響動車組運行安全[1]。因此，邏輯與功能完善的壓力波保護系統(tǒng)對高速動車組運行安全性與乘坐舒適性意義重大。

1 空調(diào)壓力波系統(tǒng)原理及組成

為避免高速動車組進出隧道或高速會車時產(chǎn)生的車外壓力急劇波動傳遞到車內(nèi)，引起車內(nèi)壓力突變，導(dǎo)致乘客耳鳴，高速動車組設(shè)置車內(nèi)壓力保護裝置，用于抑制車外壓力波動向車內(nèi)傳遞[2]。

1.1 壓力波系統(tǒng)組成

壓力波保護系統(tǒng)由壓力波控制器、壓差傳感器、新風(fēng)閥及廢排閥組成[3]。其中壓力波控制器安裝在頭尾車，是控制各車廂新風(fēng)閥及廢排閥的中樞機構(gòu)。壓差傳感器安裝在頭尾車兩側(cè)，用來檢測動車組車外壓力的變化。各車空調(diào)機組兩側(cè)混合腔處各設(shè)2組新風(fēng)閥，廢排裝置中設(shè)置1組廢排閥，為壓力波控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，如圖1所示。

圖1 空調(diào)及壓力波控制系統(tǒng)組成

1.2 壓力波保護原理

當(dāng)頭尾車檢測車內(nèi)外壓力變化達到壓力波控制器預(yù)設(shè)的壓力波保護動作條件時，壓力波控制器驅(qū)動各車廂新風(fēng)閥及廢排閥關(guān)閉，保證客室內(nèi)氣壓的相對穩(wěn)定[4]。當(dāng)車內(nèi)外壓差滿足預(yù)設(shè)的壓力波保護取消條件時，壓力波控制器會撤銷壓力波保護信號，打開各車廂新風(fēng)閥及廢排閥，實現(xiàn)動車組車內(nèi)與車外的換氣功能。為避免過長隧道動車組車內(nèi)外壓差累積，導(dǎo)致壓力波閥打開時車內(nèi)壓力波動大而引起旅客耳鳴，車內(nèi)壓力波保護系統(tǒng)設(shè)置泄壓模式，由各車廂空調(diào)控制器控制新風(fēng)閥及廢排閥動作緩慢進行壓力泄放，降低車內(nèi)壓力突變對乘客的影響，進一步提升乘坐舒適性。

1.3 泄壓模式控制

為避免過隧道時車內(nèi)外壓差累積導(dǎo)致開閥時車內(nèi)壓力波動較大，車內(nèi)壓力保護系統(tǒng)設(shè)置泄壓模式，通過非主控端車輛壓力保護閥間歇性動作進行泄壓，平衡車內(nèi)外壓差，具體邏輯如下。1）進入條件（滿足任何一條執(zhí)行泄壓）。條件1為壓力波保護狀態(tài)持續(xù)達到10min。條件2為車輛處于壓力波保護狀態(tài)，且車速降至190km/h以下。2）泄壓控制。采用非主控端車輛進行泄壓，滿足泄壓條件后，各車廂空調(diào)控制器控制屏蔽壓力波繼電器（后面簡稱KA9繼電器）得電。頭尾車KA9繼電器得電后壓力波貫通線失電。中間車KA9繼電器得電后將屏蔽列車貫通線信號，各壓力保護閥由本車空調(diào)控制器控制。3min內(nèi)非泄壓車廂保持各壓力保護閥均關(guān)閉，泄壓車廂進行分檔泄壓。3min結(jié)束后，全列壓力保護閥強制分時分車打開1min。泄壓模式控制原理如圖2所示。

圖2 泄壓模式控制原理示意圖

2 泄壓模式失效的故障樹分析

2.1 故障樹分析法

故障樹是一種倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖[5]。故障樹分析主要用于研究產(chǎn)品的可靠性，通過分析造成產(chǎn)品失效的可能因素，包括硬件、軟件和使用環(huán)境等，畫出故障樹，從而推斷出產(chǎn)品發(fā)生故障的原因，對故障的診斷及維修具有重要的指導(dǎo)意義[6]。故障樹分析步驟如下：1）對系統(tǒng)中各個部件的詳細情況深入了解，界定部件原理和部件之間的邏輯關(guān)系。2）提取故障數(shù)據(jù)或指標(biāo)，收集、整理、篩選并統(tǒng)計相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，確立頂事件。3）分析頂事件發(fā)生原因，根據(jù)研究系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)不斷細分，找出能夠引起頂事件發(fā)生的全部底事件。4）定性分析或定量分析。定性分析的目的是為了找出故障樹的最小割集，最小割集表示引起頂事件發(fā)生的所有故障狀態(tài)。定量分析是在定性分析的基礎(chǔ)上，對頂事件的組成部件重要度、薄弱度進行計算等。

2.2 泄壓模式失效故障樹分析實例

當(dāng)高速動車組在具有長隧道及高海拔的西成線運行時，經(jīng)常誤報控制柜火警故障。該文通過分析故障車廂空調(diào)裝置發(fā)現(xiàn)，每次發(fā)生煙火報警故障時，動車組均處于泄壓模式，并且故障車廂的壓力波保護閥被強制異常打開。分析故障車廂煙火裝置數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，控制柜火災(zāi)探測器檢測的煙霧濃度值波動較大且超過報警閾值，衛(wèi)生間及交流柜位置火災(zāi)探測器檢測的煙霧濃度值存在明顯波動（說明火災(zāi)探測器基于光散射原理設(shè)計，報警觸發(fā)源通常包括燃燒煙塵、乘客抽煙、清潔噴霧、廚房炊煙、空氣清新劑、熱水水汽和煙塵粒子等）。故障車廂火災(zāi)探測器煙霧濃度變化趨勢如圖3所示。

圖3 壓力波異常打開車廂煙霧濃度趨勢圖

通過分析執(zhí)行正常泄壓車廂的空調(diào)裝置數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，壓力波保護閥間歇性開閉，動作正常。分析煙火裝置數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，控制柜、衛(wèi)生間及交流柜位置火災(zāi)探測器檢測的煙霧濃度值均存在小幅波動。正常車廂火災(zāi)探測器煙霧濃度變化趨勢如圖4所示。

圖4 正常泄壓車廂煙霧濃度趨勢圖

為診斷空調(diào)泄壓模式失效的根本原因，根據(jù)動車組空調(diào)壓力波控制系統(tǒng)組成、泄壓模式控制邏輯及相關(guān)部件的失效模式，以泄壓模式失效事件作為頂事件，建立泄壓模式失效的故障樹模型，利用下行法求解故障樹的最小割集。泄壓模式失效的故障樹模型如圖5所示。

圖5 泄壓模式失效的故障樹模型

根據(jù)數(shù)據(jù)分析及對動車組的檢查情況，初步可排除壓力波保護閥故障、空調(diào)控制器供電異常、壓力波控制器軟件缺陷、壓力波控制器硬件故障、壓力波傳感器故障以及壓力波貫通線路故障。

通過搭建試驗臺對空調(diào)控制器及KA9繼電器進行測試，發(fā)現(xiàn)動車組不同車廂空調(diào)控制器接收到列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的速度信號不同步，時間差最大為516ms。試驗臺測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗臺測試數(shù)據(jù)

當(dāng)頭尾車先于中間車獲取車速小于190km/h的信號時，頭尾車KA9繼電器得電，導(dǎo)致全列壓力波貫通線信號無效。中間車因壓力波貫通線信號無效，不滿足進入泄壓模式條件。此時，壓力波保護閥被強制打開，車內(nèi)負壓時外界灰塵倒灌車內(nèi)，最終導(dǎo)致火災(zāi)探測器誤報煙火報警故障。

3 泄壓模式控制邏輯優(yōu)化

3.1 泄壓模式邏輯缺陷分析

壓力波貫通線信號通過硬線采集，列車速度數(shù)據(jù)由TCMS通過空調(diào)控制器MVB網(wǎng)卡轉(zhuǎn)給控制器，由于控制器硬件處理數(shù)據(jù)速度比網(wǎng)卡慢，數(shù)據(jù)傳遞、處理存在細微誤差，因此不同車廂空調(diào)控制器接收速度信號的時間存在微小差異。當(dāng)前動車組根據(jù)列車速度進入泄壓模式的邏輯如圖6所示。

圖6 根據(jù)速度進入泄壓模式的邏輯框圖

根據(jù)上述分析，當(dāng)前泄壓模式邏輯存在缺陷，即當(dāng)首尾車較中間車優(yōu)先接收車速小于190km/h的信號時，全列壓力波貫通線信號無效，中間車無法正常進入泄壓模式。

3.2 泄壓模式實施策略優(yōu)化

基于對動車組空調(diào)泄壓模式邏輯缺陷的研究和對各車廂空調(diào)控制器接收190km/h速度信號時間存在差異性的研究，該文提出首尾車較中間車延時進入泄壓模式的方案，確保中間車早于頭尾車進入泄壓模式，解決頭尾車先進入泄壓模式后屏蔽壓力波信號，導(dǎo)致中間車不能正常關(guān)閥的問題。

根據(jù)列車網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議要求，網(wǎng)絡(luò)信號傳輸數(shù)量級均為毫秒級，并且試驗臺測試不同車廂空調(diào)控制器接收到列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的速度信號時間差最大為516ms，提出合理的優(yōu)化方案，即在滿足泄壓條件時，頭尾車較中間車延時2s進入泄壓模式。

4 泄壓模式優(yōu)化方案驗證

為驗證動車組實施空調(diào)泄壓模式策略優(yōu)化的效果，對比分析大量西成線路運行動車組空調(diào)裝置數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出動車組每運行10萬km空調(diào)進入泄壓模式失效的次數(shù)（每車廂失效1次計為1，多車廂失效累計統(tǒng)計），進而得出空調(diào)泄壓模式失效的概率，以此來量化評判空調(diào)泄壓模式優(yōu)化升級的效果。詳細統(tǒng)計及計算結(jié)果見表2。

表2 空調(diào)泄壓模式優(yōu)化前、后對比數(shù)據(jù)

通過分析動車組運行在漢中至鄠邑區(qū)間空調(diào)數(shù)據(jù)得出，空調(diào)泄壓模式優(yōu)化前失效的概率為0.076，空調(diào)泄壓模式優(yōu)化后失效的概率為0，提高了動車組空調(diào)系統(tǒng)使用的可靠性。

5 結(jié)論

首先，通過對動車組空調(diào)裝置及煙火裝置進行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)動車組內(nèi)外壓差較大時，火災(zāi)探測器檢測的煙霧濃度值與壓力波保護閥開啟存在正相關(guān)的關(guān)系，判斷空調(diào)泄壓模式失效是導(dǎo)致煙火誤報警的根本原因。

其次，基于故障樹分析法建立空調(diào)泄壓模式失效的故障樹模型，利用下行法求解故障樹的9個最小割集，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析及地面試驗，診斷出空調(diào)泄壓模式失效的根本原因為空調(diào)控制器軟件缺陷。

再次，通過對列車處于壓力波保護狀態(tài)且車速降至190km/h以下進入泄壓模式的邏輯進行深入分析，結(jié)合空調(diào)控制器接收到列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的速度信號不同步試驗研究，完成動車組空調(diào)進入泄壓模式邏輯的優(yōu)化。

最后，通過對優(yōu)化前、后動車組在漢中至鄠邑區(qū)間運行時空調(diào)數(shù)據(jù)進行分析，并進行空調(diào)泄壓模式軟件升級，降低了泄壓模式失效的概率，提高了動車組空調(diào)系統(tǒng)使用的可靠性。