軌道交通車輛便攜式壓縮空氣質(zhì)量檢測設(shè)備的研發(fā)

摘要：壓縮空氣是軌道交通車輛的重要動力源和傳輸媒介之一，壓縮空氣質(zhì)量的優(yōu)劣不僅影響用風(fēng)設(shè)備的使用壽命，也影響行車安全。為及時發(fā)現(xiàn)壓縮空氣質(zhì)量是否超標(biāo)，研發(fā)了一種集成多功能的便攜式壓縮空氣質(zhì)量檢測設(shè)備，可以同時對軌道車輛中壓縮空氣的水、油和固體顆粒進(jìn)行在線檢測，從而及時發(fā)現(xiàn)隱患并進(jìn)行處理，減少壓縮空氣質(zhì)量超標(biāo)帶來的影響，延長用風(fēng)設(shè)備的使用壽命，提高軌道車輛運(yùn)行的安全性。

關(guān)鍵詞：便攜式;空氣質(zhì)量;檢測設(shè)備

中圖分類號：U260.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）18-0068-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.017

0 引言

無論是機(jī)車、客車、貨車，還是地鐵、輕軌、動車組等各種形式的軌道車輛，都離不開壓縮空氣。壓縮空氣主要為制動提供動力，同時還為受電弓、塞拉門、集便器、空氣彈簧等設(shè)備提供用風(fēng)[1-3]。近年來，我國動車組、城市軌道交通等飛速發(fā)展，隨著軌道車輛保有量的增加，由壓縮空氣質(zhì)量下降而導(dǎo)致的用風(fēng)設(shè)備故障時有發(fā)生。

壓縮空氣的質(zhì)量好壞關(guān)系到用風(fēng)設(shè)備能否正常工作，影響其使用壽命，故現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對軌道車輛壓縮空氣的水、油和固體顆粒三種主要雜質(zhì)的含量有明確規(guī)定?，F(xiàn)有壓縮空氣檢測設(shè)備多為地面固定式設(shè)備，用于對供風(fēng)單元進(jìn)行檢測，無法移動進(jìn)行隨車檢測。為此，周其顯等人[4]和張濤[5]分別提出了一種針對軌道交通車輛壓縮空氣質(zhì)量進(jìn)行在線檢測的方法，但這兩種方法需要對現(xiàn)車的空氣管路進(jìn)行改造，對于已經(jīng)上線運(yùn)行的車輛而言，受安裝空間限制，很難實施。為解決此問題，本項目研發(fā)了一種便攜式壓縮空氣質(zhì)量檢測設(shè)備，可在檢修作業(yè)時用于檢測，也可進(jìn)行跟蹤檢測。

1 壓縮空氣雜質(zhì)的危害

現(xiàn)代軌道交通車輛的安全和穩(wěn)定運(yùn)行高度依賴于高質(zhì)量的壓縮空氣供應(yīng)，這種壓縮空氣需要滿足一系列嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，包括清潔度和干燥度。為了獲得這種高質(zhì)量的壓縮空氣，軌道交通車輛采用了復(fù)雜的壓縮空氣供給系統(tǒng)。壓縮空氣供給系統(tǒng)也稱為供風(fēng)系統(tǒng)或風(fēng)源系統(tǒng)，包括空氣壓縮機(jī)、干燥器、過濾器、風(fēng)缸等零部件，主要用于產(chǎn)生壓縮空氣，并對其中的雜質(zhì)進(jìn)行處理，提供滿足車輛用風(fēng)需求的壓縮空氣[6]。壓縮空氣中危害最大的主要雜質(zhì)為固體顆粒、水和油，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對三種雜質(zhì)的含量和檢測方法有明確的規(guī)定[7]。

1.1 固體顆粒的危害

壓縮空氣中的固體顆粒有多種來源，比如空氣中的粉塵顆粒，管路內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)生的鐵銹或結(jié)垢物，過濾設(shè)備的濾材脫落，密封材料的老化磨損等等，這些固體顆粒隨著壓縮空氣的流動，會進(jìn)入用風(fēng)設(shè)備的內(nèi)部，成為設(shè)備運(yùn)行的隱患，比如可能造成設(shè)備中小孔的堵塞引發(fā)功能失效，造成活塞的卡滯引發(fā)泄漏，造成壓縮彈簧的運(yùn)動受阻引發(fā)動作不良等等。在軌道交通車輛中，就曾出現(xiàn)過相關(guān)故障，圖1為某動車組的故障差壓閥，鐵銹進(jìn)入差壓閥內(nèi)部，差壓閥運(yùn)動受阻，導(dǎo)致功能失效。

1.2 水分的危害

自然環(huán)境下的空氣本身就含有水分，空氣被壓縮后，體積減小、壓強(qiáng)增大，但水分含量不變，這就導(dǎo)致單位體積壓縮空氣中的水含量增加。而壓縮空氣的溫度越低，其中的水分就越容易析出?？諝饨?jīng)壓縮后溫度升高，遇到溫度低的管路或設(shè)備內(nèi)壁，水分就容易凝結(jié)，從而造成管路或設(shè)備的銹蝕。因此，在軌道交通車輛中，壓縮空氣要經(jīng)過干燥器的處理才能供用風(fēng)設(shè)備使用。但有時候由于干燥器失效等原因，供風(fēng)管路的含水量可能會較高。在冬季極端惡劣天氣時，管路中的水分會凍結(jié)設(shè)備，引發(fā)故障。圖2為某動車組被凍結(jié)的氣路控制箱止回閥，由于管路凍堵，下游用風(fēng)設(shè)備供風(fēng)不足，影響了動車組的正常運(yùn)營秩序[8]。

1.3 油的危害

目前，軌道交通車輛采用的空氣壓縮機(jī)主要為螺桿式空壓機(jī)和往復(fù)活塞式空壓機(jī)兩種，需要通過潤滑油進(jìn)行潤滑和冷卻，從而減少設(shè)備的磨損，維持設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)空氣被壓縮時，溫度升高，這些潤滑油也會變成油蒸氣融入壓縮空氣中，如處理不徹底，油氣進(jìn)入管路設(shè)備，會造成設(shè)備堵塞或污染失效。文獻(xiàn)[9]對地鐵車輛壓縮空氣油脂超標(biāo)引起的制動系統(tǒng)壓力控制異常進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施。為保證軌道交通車輛壓縮空氣的質(zhì)量和性能，必須對油蒸氣進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

2 便攜式檢測設(shè)備的研發(fā)

2.1 設(shè)備設(shè)計原理

為方便及時對軌道交通車輛的壓縮空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測，本項目提出一種便攜式壓縮空氣質(zhì)量檢測設(shè)備，可方便快捷地檢測出列車管路中壓縮空氣多種雜質(zhì)（主要為水、油、固體顆粒等）是否符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，為檢修人員提供數(shù)據(jù)支持，以便提早發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時處理，從而減少壓縮空氣質(zhì)量超標(biāo)帶來的影響，延長用風(fēng)設(shè)備的使用壽命。

便攜式壓縮空氣質(zhì)量檢測設(shè)備的原理如圖3所示。

該項目將壓縮空氣質(zhì)量的檢測設(shè)備集成于一個手提箱中，通過電池組供電（充電電源為AC220 V，50 Hz），使用觸摸屏顯示及操作，可攜帶它臨時測量，也可隨車安裝進(jìn)行長時間跟蹤監(jiān)測。設(shè)備內(nèi)部包含3個傳感器：固體顆粒傳感器、含水量傳感器、含油量傳感器，分別用于檢測壓縮空氣中的固體顆粒、水和油三種雜質(zhì)。傳感器與觸摸屏通過工控主板連接，傳感器將檢測結(jié)果傳輸?shù)焦た刂靼?，工控主板解析后傳輸?shù)接|摸屏進(jìn)行顯示，觸摸屏可根據(jù)需要，直接顯示數(shù)據(jù)，也可處理成曲線形式顯示，并具有數(shù)據(jù)傳輸和存儲功能。箱體內(nèi)設(shè)有電磁閥，用于控制檢測設(shè)備與被測氣路的通斷，需要進(jìn)行檢測時，電磁閥得電接通，不需要檢修檢測時，電磁閥失電關(guān)閉。箱體外部設(shè)有快速接頭，用于檢測設(shè)備的氣路與被測氣路相連，通過截斷塞門可手動控制快速接頭與被測氣路的通斷。

在被測氣路上還可根據(jù)需要安裝流量計、溫度傳感器、壓力傳感器，可以長期監(jiān)控被測氣路的壓縮空氣流量、溫度以及壓力。檢測時，先將流量計、溫度傳感器、壓力傳感器安裝于被測氣路上，并將數(shù)據(jù)線纜連接到對應(yīng)箱體的插頭上。再將箱體氣路與被測氣路通過快速接頭連接。在被測氣路壓縮空氣壓力正常情況下，打開截斷塞門，使被測氣路的壓縮空氣進(jìn)入箱體中。在檢測設(shè)備對壓縮空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測時，觸摸屏的電腦控制電磁閥打開，被測氣路的壓縮空氣分別進(jìn)入含油量傳感器、含水量傳感器和固體顆粒傳感器，經(jīng)檢測后通過各自的排氣孔排向大氣。傳感器將數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸給觸摸屏進(jìn)行顯示和存儲。完成測試后，觸摸屏控制電磁閥關(guān)閉氣路，以便減少壓縮空氣的損失。如需跟蹤監(jiān)控被測氣路的壓縮空氣質(zhì)量，可通過觸摸屏設(shè)置兩次檢測的時間間隔以及整個跟蹤監(jiān)測的時長，在下次檢測時，觸摸屏自動控制電磁閥打開，接通被測氣路，檢測完成后關(guān)閉，如此循環(huán)，直到達(dá)到設(shè)定的時長后關(guān)閉電磁閥并不再接通。在上述檢測過程中，若提前將流量計、溫度傳感器、壓力傳感器安裝于被測氣路上，并連接好數(shù)據(jù)線路，則觸摸屏還可實時顯示和記錄被測管路的流量、溫度和壓力。觸摸屏記錄的數(shù)據(jù)可通過U盤或Wi-Fi傳輸?shù)狡渌娔X中進(jìn)行管理。

2.2 操作界面設(shè)計

為提供更好的人機(jī)交互服務(wù)，對設(shè)備觸摸屏的操作界面進(jìn)行了設(shè)計。主界面為人機(jī)交互的主要界面，可以實時顯示在線測試的數(shù)據(jù)，同時也可以提供數(shù)據(jù)曲線，如圖4所示。

主界面左側(cè)區(qū)域為菜單按鈕區(qū)域，可以通過按鈕進(jìn)行相應(yīng)的操作，操作“退出”按鈕，可退出軟件;操作“參數(shù)管理”軟件，可對測試參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，例如產(chǎn)品型號、測試參數(shù)（包括測試時間、采樣周期、判定標(biāo)準(zhǔn)）等。

主界面右側(cè)區(qū)域為測試區(qū)域，包括數(shù)據(jù)顯示、曲線顯示和操作區(qū)域。數(shù)據(jù)顯示區(qū)域可以實時顯示測量的露點(diǎn)、殘油量和顆粒度。曲線顯示區(qū)域，以曲線形式顯示露點(diǎn)、殘油量、顆粒度的值，便于觀察數(shù)據(jù)的趨勢。通過操作區(qū)域可在測試前進(jìn)行型號的選擇，并錄入測試編號，電磁閥開關(guān)用于手動控制電磁閥的通斷，通過“開始測試”和“停止測試”按鈕可控制測試的啟停。測試數(shù)據(jù)會自動記錄到csv格式的數(shù)據(jù)文件中。

3 結(jié)論

本文所述便攜式壓縮空氣質(zhì)量檢測設(shè)備采用手提箱的設(shè)計結(jié)構(gòu)、集成安裝的方式，方便攜帶，便于操作，可在檢修作業(yè)時對軌道交通車輛的壓縮空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測，也可放置于車上進(jìn)行實時跟蹤檢測。檢測的數(shù)據(jù)可通過曲線形式進(jìn)行實時顯示，同時自動進(jìn)行存儲，并可在檢測完畢后導(dǎo)出到存儲設(shè)備。

后續(xù)可根據(jù)市場需求，增加實時在線傳輸功能，將檢測數(shù)據(jù)在線實時傳遞給需要的監(jiān)控設(shè)備，供有需要的人員及時掌握數(shù)據(jù)，比如提供給智能運(yùn)維系統(tǒng)，便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并對供風(fēng)單元的狀態(tài)及時進(jìn)行健康管理。

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收稿日期：2024-05-15

作者簡介：梁建全（1982—），男，河北唐山人，碩士，正高級工程師，從事軌道交通制動系統(tǒng)研發(fā)與檢修工作。

基金項目：廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助項目（2023CXCY009）;廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院新引進(jìn)人才科研啟動項目（GTXYR2316）