高速动车组备用制动系统气密性故障诊断方法

随着我国高速铁路的持续发展，各型动车组相继进入了高级修程。按照相关规程规定，速度300 km/h以上高速动车组每运行120万km时须进行一次高级检修。从2010年开始，我国速度300 km/h以上动车组已陆续开展高级修。而备用制动系统作为动车组运行的最后安全屏障，其故障检测技术也是动车组高级修程中的重要组成。

目前，应用现有的检测方法对高速动车组备用制动系统进行气密性故障检测，暴露出了检测流程复杂、效率低、准确性差等问题。备用制动系统中的泄漏点一般只是安装在某一模块上的某一元件，使用现有检测方法只能检测出模块级的泄漏点，而模块级的更换或检修必然会造成检修周期过长、成本过高的状况[1]。

1 备用制动系统

高速动车组备用制动系统是纯空气制动的自动制动系统，是由列车管控制的间接制动。当直通式电空制动发生故障时，其备用制动必须依靠列车司机手动操作才能激活[2-3]。

高速动车组备用制动系统由高低压控制系统(HL)和司机制动阀(1)、球阀(2)、单针压力表(6)、双针压力表(7)、储压罐(8)这5个元件组成。其中高低压控制系统(HL)又分为减压阀(3)、止回阀(4)、电磁阀(5)、止回阀(9)、检测套管(10)、继动阀(11)、活塞阀(12)7个元件，这7个元件通过支承板(Z)正面的压缩空气出入口与支承板(Z)连接，整个高低压控制系统(HL)通过其支承板(Z)侧面的压缩空气出入口(a、b、c、d、e)与上述5个元件、主风管(MR)、制动管(BP)及其他外围管路连接。图1为高速动车组备用制动系统原理图。

图1 备用制动系统原理图

2 备用制动系统气密性检测

2.1 气密性检测装置

为降低备用制动系统的检修成本，需要将诊断精度精确到具体元件，由于不同元件的功能和设计原理不同，对应的检测方法和诊断标准也不相同，这就需要在诊断过程中准确检测出每一个元件的压力值变化[4-5]。因此，为实现备用制动系统的元件级气密性故障诊断，设计了一种压力检测装置，该装置可以在既不改变现有高低压控制系统(HL)结构又不影响系统正常工作的状态下实现对该系统内各个元件的压力值检测。

该装置可将支承板(Z)与司机制动阀(1)、球阀(2)、储压罐(8)、主风管(MR)、制动管(BP)中任一外部元件及一个单针压力表连接并带有截断功能的三通式压力检测装置，使用该装置相当于使备用制动系统在正常工作状态下增加了多个压力检测点，为实现对各元件的气密性故障诊断提供可能。其中I端与支承板(Z)侧面的压缩空气出入口(a、b、c、d、e)连接；II端与司机制动阀(1)、球阀(2)、储压罐(8)、主风管(MR)、制动管(BP)其中之一的外部管路相连接；P为单针压力表；K为截断开关，可截断来自II端的压缩空气。图2为备用制动系统子气密性检测装置结构示意图。

图2 备用制动系统子气密性
检测装置结构示意图

将5个如图2所示的三通式压力检测装置的I端分别与支承板(Z)侧面的压缩空气出入口(a、b、c、d、e)连接，II端分别与司机制动阀(1)、球阀(2)、储压罐(8)、主风管(MR)、制动管(BP)的外部管路连接，各压力表P分别测试各压缩空气出、入口处的压力值，其II端截断开关分别为Ka～Ke。将一个带有压力传感器的电子压力表与检测套管(10)连接，以测量该处的压力值。

2.2 气密性检测标准计算

单位时间内泄漏量与压差之间的计算公式：

Δp=(Q×T×1.013×105)/(Ve×60)

Δp为压差；Q为泄漏量；Ve为等效内容积；T为检测时间。

以保压状态下各阀进气口或排气口处60 s压降值作为判断其气密性是否良好的标准值。以a口为例，令其起始压力值为p0，60 s后该口压力值为p60，则在实际检测中，其60 s压降值为Δpa=p0-p60。

根据动车组制动系统气密性检测标准，单位时间泄漏量不能超过总体积的5%，代入各个元件及附属管路的体积，计算得出各个元件的泄漏量上限作为其气密性检测的标准值[6-7]。表1为动车组备用制动系统气密性检测的标准值。

3 备用制动系统气密性故障诊断方法应用

由于司机制动阀(1)、球阀(2)、单针压力表(6)、双针压力表(7)、储压罐(8)安装在车内明显位置，只需使用常规泡沫检测法就可以检测出这5个元件是否存在泄漏故障。在确定上述5个元件无泄漏故障状态下，按照以下方法对集成于高低压控制系统(HL)内的各个元件进行气密性检测。

按如下4个步骤对各功能单元进行检测，并记录数据。

① 将司机制动阀(1)拨至锁止档位(截断a、b两口间的气路)，通过主风管(MR)充气一段时间后关闭Ka、Kd、Ke，打开球阀(2)利用控制逻辑相反原理截断电磁阀(5)，计算此时a口、d口、e口60 s压降值pa1、pd1、pe1。

② 关闭球阀(2)，利用备用制动系统预先设定的相反控制逻辑，打开止回阀(4)和电磁阀(5)，通过主风管(MR)充气一段时间后关闭Ka、Kd、Ke，计算此时a口、d口的60 s压降值pa2、pd2。

③ 打开球阀(2)并将司机制动阀(1)拨至充风档位以连通a、b两口间的气路，通过主风管(MR)充气一段时间后，关闭Kb、Kc以关闭活塞阀(12)，关闭Kd，计算此时b口、c口、d口的60 s压降值pb3、pc3、pd3。

④ 打开Kb、Kc以打开活塞阀(12)，通过主风管(MR)充气一段时间后关闭Kb和Kd，计算此时b口和d口的60 s压降值pb4和pd4，同步记录并计算上述两个步骤中检测套管(10)处的电子压力表60 s压降值pr1、pr2。

按照上述4个步骤顺序对各元件进行气密性检测，依据表1所列标准值对该元件的气密性状态进行判定。每一步检测须在确认上一步所检测元件气密性合格后才能进行，若上一步所检测元件存在气密性故障，则须更换或检修该元件，并重新检测合格后再进行下一步检测[8]。

4 试验验证

选取分别安装在4列CRH3C型动车组的8套备用制动系统，编号1～8，分别使用原检测方法和所介绍的高速动车组备用制动系统气密性故障诊断方法进行故障检测试验，试验结束后对使用这两种方法的检测时间、更换元件成本、检测精确度3个指标进行对比统计。表2为统计结果。

表1 备用制动系统气密性诊断的标准值

表2 与原检测方法的试验指标对比值 %

根据表2统计的试验数据可知，使用高速动车组备用制动系统气密性故障诊断方法可以节约40%左右的检测时间，由于上述8套系统的检测精确度均达到了元件级，检测到了具体的故障元件，避免了因直接更换模块而造成的成本浪费，节约了60%左右的成本。

5 结 论

高速动车组备用制动系统气密性故障诊断方法能够有效提高该系统气密性故障诊断精度，使其精确到具体元件，解决了当备用制动系统出现轻微泄露点时无法准确排查的问题，提高检测效率，降低维修成本。