基于三通球閥的列車車廂氣密性智能化檢測(cè)設(shè)備研發(fā)與驗(yàn)證

摘 要：目前列車車輛制造業(yè)使用的氣密性檢測(cè)設(shè)備操作流程復(fù)雜，存在人工成本高、準(zhǔn)確度不可靠、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等問(wèn)題，因此本文研制了一款使用三通球閥控制氣路的氣密性檢測(cè)設(shè)備。首先，詳細(xì)闡述了氣密性檢測(cè)設(shè)備氣路的具體設(shè)計(jì)方案。其次，利用三通球閥控制氣密檢測(cè)設(shè)備的氣路變化，使氣密設(shè)備快速切換空氣供給、抽取模式。最后，利用壓力傳感器采集車廂內(nèi)實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了車輛的氣密性符合設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了列車車廂的氣密性智能化自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，檢測(cè)方式可靠，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，能夠滿足當(dāng)下列車車輛行業(yè)對(duì)車廂氣密性檢測(cè)的要求。

關(guān)鍵詞：氣密性檢測(cè)；三通球閥；壓力傳感器

中圖分類號(hào)：U 674 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

當(dāng)動(dòng)車組交會(huì)時(shí)，均會(huì)引起車外較大的壓力波動(dòng)。車外壓力波動(dòng)傳入車內(nèi)會(huì)引起空氣壓力波動(dòng)，沖擊司乘人員的耳膜，造成司乘人員耳鳴、耳痛等。減緩車內(nèi)壓力波動(dòng)的主要措施之一是采用氣密性能良好的車輛，提高車輛的氣密性，以減少車內(nèi)壓力波動(dòng)，保證乘客的舒適性[1]。因此，鐵路車輛制造廠需要對(duì)列車車廂進(jìn)行整車氣密試驗(yàn)。氣密試驗(yàn)的傳統(tǒng)做法如下：2臺(tái)高功率風(fēng)機(jī)由2路氣管與氣密檢測(cè)工裝連接，2臺(tái)風(fēng)機(jī)分別對(duì)車廂進(jìn)行送風(fēng)與抽風(fēng)作業(yè)，使車廂內(nèi)部產(chǎn)生正壓與負(fù)壓，車廂內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值后，手動(dòng)關(guān)閉氣密檢測(cè)工裝上的風(fēng)口閥門，并檢測(cè)車廂內(nèi)部的氣密性。

傳統(tǒng)方式耗費(fèi)的人工和維護(hù)成本較大，2臺(tái)風(fēng)機(jī)、2條風(fēng)管不僅占地面積大，還會(huì)嚴(yán)重影響氣密性試驗(yàn)設(shè)備的質(zhì)量。在進(jìn)行正壓與負(fù)壓操作過(guò)程中需要調(diào)換風(fēng)管，風(fēng)管口徑大，操作不便，容易造成氣密性試驗(yàn)的人員浪費(fèi)，因此本文研制了一款操作簡(jiǎn)潔、移動(dòng)方便的氣密性試驗(yàn)設(shè)備。

1 氣量原理計(jì)算

根據(jù)TB/T3250—2010《動(dòng)車組密封設(shè)計(jì)及試驗(yàn)規(guī)范》中氣密試驗(yàn)的供風(fēng)需求[2]，本文采用內(nèi)部充氣方式。當(dāng)車廂內(nèi)、外氣壓差達(dá)到±4kPa后，穩(wěn)壓30s后停止充氣。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)列車車廂車體長(zhǎng)度是23.6m，車體寬度是3.106m，不同車型的高度不同，根據(jù)調(diào)查，本文取高度值為4m。車廂體積約為23.6×3.106×4=293.2064m3，遵循向上取值原則，車廂體積計(jì)算值取300m3。

理想氣體狀態(tài)方程如公式（1）所示。

pV=nRT （1）

式中：p為壓強(qiáng)，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度，K。

試驗(yàn)狀態(tài)下，溫度不變、摩爾氣體常數(shù)不變且氣體量不變的情況下，摩爾數(shù)不變，nRT為一個(gè)常數(shù)。

氣體流量均為標(biāo)況氣體體積，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101kPa，氣溫為20℃。車內(nèi)、外氣壓差為±4kPa，也就是車廂內(nèi)氣壓值為105kPa（正壓）和97kPa（負(fù)壓），在此只計(jì)算正值，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知101×V=nRT=105×300。代入公式（1）可得V≈311.88m3，311.88-300=11.88m3，可得在車廂±5kPa壓差范圍內(nèi)的標(biāo)況空氣體積差約為12m3。

將旋渦式氣泵作為供風(fēng)與抽風(fēng)的動(dòng)力源，選型參考泵的壓力-流量曲線、冗余能力和可能的漏風(fēng)點(diǎn)，再綜合考慮氣泵的體積、質(zhì)量、功率和噪聲等因素，設(shè)定供風(fēng)抽風(fēng)時(shí)間為2min，體積差約為12m3，得出吸氣量為6m3/min，換算為360m3/h。遵循向上選型原則，選用400+m3/h，理論上在約2min內(nèi)可達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)壓力。

2 氣路原理設(shè)計(jì)

本文選用電動(dòng)三通球閥進(jìn)行氣路連接。電動(dòng)三通球閥由角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和三通球閥組成，是一種旋轉(zhuǎn)類電動(dòng)切斷調(diào)節(jié)閥門，在工況中具有做分流、合流和改變介質(zhì)流通方向的作用。電動(dòng)三通球閥由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和三通法蘭球閥組成，接通220 V或380 V電源即可使用，適用于各種自控管道。

三通球閥是一種三通道回轉(zhuǎn)型球閥，根據(jù)閥芯通道結(jié)構(gòu)形式的不同，通常分為“L”形和“T”形2種。三通球閥流向如圖1所示?！癓”形閥芯連通2個(gè)垂直交叉的流體通道，形狀呈“L”形，可由內(nèi)部閥芯轉(zhuǎn)向形成2種通道；“T”形閥芯基于“L”形閥芯，但是其中一條流體通道完全打通，可以同時(shí)連接3個(gè)流體通道，形狀呈“T”形[3]。根據(jù)初始位置與轉(zhuǎn)向方向的不同，“T”形三通球閥可由內(nèi)部閥芯轉(zhuǎn)向形成6種通道。

三通球閥流通能力較好，適用于密封要求較嚴(yán)格的場(chǎng)合，可控制氣體、液體和蒸汽，也可控制高黏度、纖維顆粒狀的流體。

本文研制的氣密性試驗(yàn)設(shè)備共使用3個(gè)三通球閥，2個(gè)“T”形三通球閥。使用風(fēng)管連接車體和換向三通球閥。換向三通球閥為“T”形三通球閥，兩端換向口分別與輸入、輸出三通球閥連接（輸入三通球閥為“L”形三通球閥，輸出三通球閥為“T”形三通球閥）。輸入三通球閥連接過(guò)濾器，再與氣泵連接。輸出三通球閥直接與氣泵連接，另一閥口連接外置消音器。

2.1 送風(fēng)流程

送風(fēng)流程如圖2所示。漩渦式氣泵正轉(zhuǎn)運(yùn)行，輸入三通球閥為風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口，“L”形閥芯一端朝向氣泵，另一端朝向設(shè)備外部。輸出三通球閥此時(shí)只起送風(fēng)管路作用?！癟”形通道朝向氣泵，另外兩端通向換向三通閥與消音器。換向三通閥可轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)部閥芯，關(guān)閉換向三通閥與輸入三通閥間的通道，只開(kāi)啟換向三通閥與輸出三通閥、車體間的氣路通道，使風(fēng)壓打入車內(nèi)。

2.2 抽風(fēng)流程

抽風(fēng)流程如圖3所示。換向三通閥內(nèi)部閥芯順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，關(guān)閉其與輸出三通閥間的通道，打開(kāi)與輸入三通閥間的氣路通道。輸入三通閥內(nèi)部閥芯逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，關(guān)閉與設(shè)備進(jìn)風(fēng)口間的通道，連通換向三通閥與氣泵間的氣路。輸出三通閥內(nèi)部閥芯逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，關(guān)閉其與換向三通閥間的氣路通道，只保留與氣泵和消音器間的通道。當(dāng)三通球閥狀態(tài)穩(wěn)定后，漩渦式氣泵反轉(zhuǎn)運(yùn)行，將風(fēng)壓從車內(nèi)抽出。

3 測(cè)量原理

目前，實(shí)際測(cè)定車輛氣密性的方法有2種，即恒壓法和減壓法。本文研制的氣密性檢測(cè)設(shè)備采用減壓法。減壓法即將車體內(nèi)部加壓至預(yù)定的壓力，關(guān)閉進(jìn)氣閥后，內(nèi)壓即衰減，測(cè)定從預(yù)定的高壓壓力值降至低壓壓力值的時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)，氣密性越好[4]。

大氣壓強(qiáng)變送器主要由單片機(jī)、運(yùn)算放大器、V/I轉(zhuǎn)換芯片和傳感器組成，具有補(bǔ)償性好、測(cè)量精確度高、通信簡(jiǎn)單和調(diào)試方便的特點(diǎn)，還具有數(shù)據(jù)處理和控制功能[5]。本文將壓差變送器作為檢測(cè)車廂內(nèi)部氣壓的計(jì)量元器件。壓差變送器通過(guò)2路接口分別讀取外部大氣壓強(qiáng)和車廂內(nèi)部壓力值，自動(dòng)計(jì)算2個(gè)壓力值的壓差，再通過(guò)系統(tǒng)讀取計(jì)算，實(shí)時(shí)監(jiān)控車廂內(nèi)部的壓力變化，并計(jì)算泄壓時(shí)間。

4 工作流程

本文研制的氣密性檢測(cè)設(shè)備如圖4所示，該設(shè)備主要由機(jī)械系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)與電控系統(tǒng)3個(gè)部分組成。機(jī)械系統(tǒng)的主要作用連接、組裝氣泵、三通球閥、過(guò)濾器、消音器以及風(fēng)管等機(jī)械部件。考慮漩渦式氣泵、三通球閥和過(guò)濾器等元件質(zhì)量較大，本文將Q235方鋼作為主體框架原材料。將氣泵以螺栓連接在框架底部，氣泵上層為氣路系統(tǒng)，按照?qǐng)D2、圖3所示的氣路流程，將氣泵、三通球閥、過(guò)濾器和消音器這些氣路元件通過(guò)風(fēng)管進(jìn)行連接。

電控系統(tǒng)控制并驅(qū)動(dòng)氣泵和三通球閥，調(diào)整送風(fēng)與抽風(fēng)狀態(tài)時(shí)的氣路位置。在PLC中處理系統(tǒng)采集到的實(shí)時(shí)壓差數(shù)據(jù)，在人機(jī)交互界面中得出實(shí)時(shí)壓差數(shù)值與泄壓時(shí)間。

氣密性檢測(cè)設(shè)備工作流程分為3個(gè)階段，分別是運(yùn)行階段、泄壓階段以及數(shù)據(jù)采集階段，具體工作流程如圖5所示。運(yùn)行階段主要包括氣密性檢測(cè)前的參數(shù)設(shè)置與氣泵運(yùn)轉(zhuǎn)；泄壓階段是當(dāng)車廂內(nèi)部壓力達(dá)到設(shè)定值后開(kāi)始自動(dòng)泄壓；數(shù)據(jù)采集階段包括對(duì)泄壓階段進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判定本次氣密性檢測(cè)是否合格。

4.1 運(yùn)行階段

操作者利用上位機(jī)設(shè)置氣密性檢測(cè)參數(shù)，主要參數(shù)包括車廂內(nèi)部與外部壓差目標(biāo)值、泄壓階段壓力節(jié)點(diǎn)以及氣密性不合格時(shí)間下限。參數(shù)設(shè)置完成后可開(kāi)啟氣泵，對(duì)車廂持續(xù)送風(fēng)或者抽風(fēng)。設(shè)置車廂內(nèi)部與外部壓差目標(biāo)值，在氣泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)傳感器檢測(cè)到車廂內(nèi)部壓力與外部大氣壓力差值達(dá)到所設(shè)目標(biāo)時(shí)，即通過(guò)電控系統(tǒng)給氣泵傳送信號(hào)，使氣泵自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 泄壓階段

在氣泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，換向三通球閥開(kāi)始旋轉(zhuǎn)閥門，關(guān)閉風(fēng)管與設(shè)備的氣路通道，使車廂對(duì)外氣路形成閉路。此時(shí)車廂為一個(gè)密封容器，達(dá)到氣密性檢測(cè)被測(cè)元件的標(biāo)準(zhǔn)。壓差傳感器將車廂內(nèi)、外部實(shí)時(shí)壓差值反饋到上位機(jī)程序，并記錄泄壓時(shí)間。

4.3 數(shù)據(jù)采集階段

此時(shí)車廂內(nèi)、外壓差值會(huì)逐漸降低，每當(dāng)內(nèi)、外壓差值達(dá)到所設(shè)泄壓階段壓力節(jié)點(diǎn)時(shí)，電控系統(tǒng)就會(huì)記錄從目標(biāo)壓差值值泄壓到該壓差節(jié)點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間，再比較該時(shí)間與所設(shè)的氣密性不合格時(shí)間下限值。如果該泄壓時(shí)間不達(dá)標(biāo)，設(shè)備會(huì)直接提示操作者本次氣密性試驗(yàn)不合格，須及時(shí)停止氣密性檢測(cè)作業(yè)，檢查車廂內(nèi)部是否存在漏氣等現(xiàn)象。

當(dāng)車廂內(nèi)部壓力泄壓至所設(shè)的最后一個(gè)壓力節(jié)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算本次泄壓所花費(fèi)的總時(shí)間與各區(qū)間時(shí)間，自動(dòng)記錄、保存本次氣密性檢測(cè)結(jié)果，并上傳至系統(tǒng)平臺(tái)。

5 設(shè)備功能驗(yàn)證

將氣密性檢測(cè)設(shè)備與列車車廂相連接，采取內(nèi)部充氣的方式驗(yàn)證其功能效果。被檢測(cè)車廂為動(dòng)車組列車普通車廂，將車廂車門、車窗和其他設(shè)備安裝洞孔全部封堵，空調(diào)設(shè)備對(duì)外風(fēng)口關(guān)閉，試驗(yàn)場(chǎng)地溫度為24℃，符合TB/T3250—2010《動(dòng)車組密封設(shè)計(jì)及試驗(yàn)規(guī)范》所規(guī)定的試驗(yàn)條件，使用該設(shè)備對(duì)該車廂進(jìn)行氣密性檢測(cè)試驗(yàn)。

在試驗(yàn)過(guò)程中，完全由電控系統(tǒng)控制三通球閥內(nèi)部閥芯換向，以達(dá)到正壓、負(fù)壓氣路更換的效果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由程序自動(dòng)記錄并上傳，顯著減少了操作者的人工時(shí)間與體力，降低了由人為操作導(dǎo)致的誤差，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、可信。上位機(jī)程序記錄的本次氣密性測(cè)試的實(shí)時(shí)壓差曲線如圖6所示，可見(jiàn)泄壓率合格。正壓、負(fù)壓泄壓階段的壓差節(jié)點(diǎn)時(shí)間記錄見(jiàn)表1，可見(jiàn)泄壓時(shí)間合格。試驗(yàn)結(jié)果符合TB/T3250—2010《動(dòng)車組密封設(shè)計(jì)及試驗(yàn)規(guī)范》。

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用減壓法檢測(cè)列車車廂氣密性，設(shè)計(jì)了一款氣密性檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車廂的自動(dòng)氣密性檢測(cè)。并對(duì)車廂內(nèi)部氣壓壓差進(jìn)行了自動(dòng)化的定量判斷，提高了檢測(cè)作業(yè)效率。本設(shè)備在實(shí)際使用過(guò)程中運(yùn)行狀況良好，具有較高的泄漏檢測(cè)靈敏度，能夠有效保證產(chǎn)品質(zhì)量[6]。除列車車廂外，對(duì)于三通球閥和類似閥門管件的氣密性試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)，本文也具有良好的參考價(jià)值。

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