HXN5機車空壓機故障的分析

王毛晴 上海鐵路局合肥機務段

HXN5機車空壓機故障的分析

王毛晴 上海鐵路局合肥機務段

自HXN5型機車投入我段運用以來，出現(xiàn)了各類控制方面的問題，尤以空壓機故障出現(xiàn)的最頻繁。對近幾年我段HXN5機車出現(xiàn)的空壓機故障的分析，并結合自動控制理論進行研究，重點剖析故障原因及提出解決措施。通過對控制系統(tǒng)中容錯控制技術運用的調(diào)查，得出容錯控制技術可以有效避免閉環(huán)系統(tǒng)的上述弊端，降低空壓機故障率。

HXN5機車；空壓機；閉環(huán)控制系統(tǒng)；容錯控制技術

1 概述

空氣制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將導致機車運行途中無制動力而無法停下來，極大危害行車安全，因此空氣制動系統(tǒng)是保障機車運行安全的重要組成部分。而空氣制動系統(tǒng)的風源來自于空壓機，若要保障制動風源充足，首先要確保空壓機正常運作。自HXN5機車投入我段運用以來，共出現(xiàn)數(shù)65次空壓機不打風或打風慢等故障，嚴重影響列車運行安全和運輸生產(chǎn)任務。

結合我段發(fā)生的HXN5型機車空壓機的典型故障案例，總結其原因主要集中在空壓機控制系統(tǒng)中的接觸器、旁通閥、斷油閥、排氣溫度傳感器、出口壓力傳感器以及CIO控制板出現(xiàn)了故障。對于自動化程度極高的先進內(nèi)燃機車，從自動控制理論的角度分析上述這些部件，它們可構成一組閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，傳感器為排氣溫度、出口壓力，控制器為智能顯示器DS，執(zhí)行機構為接觸器、旁通閥/斷油閥，被控對象為空壓機。由于受到各種因素的影響，空壓機控制系統(tǒng)中各部件并不是一直保持良好的工作狀態(tài)，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障均會導致空壓機不工作，這也是我段出現(xiàn)空壓機故障率居高的最主要的原因。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的可靠性是保證系統(tǒng)正常運行的關鍵，在實際生產(chǎn)活動中由于環(huán)境、工作負荷、產(chǎn)品質(zhì)量等因素，導致系統(tǒng)內(nèi)部的元件發(fā)生故障，影響整個控制體系的控制效果甚至控制失效，給生產(chǎn)任務帶來嚴重影響。當控制系統(tǒng)發(fā)生某些故障時，系統(tǒng)還能保證原有的功能，這就需要容錯控制技術。容錯控制是指控制系統(tǒng)在傳感器，執(zhí)行器或元部件發(fā)生故障時，閉環(huán)系統(tǒng)仍然能夠保持穩(wěn)定，使控制系統(tǒng)能保持規(guī)定的性能或不喪失最基本的性能。容錯控制是提高系統(tǒng)可靠性和安全性的一條有效途徑。

容錯控制的思想最早出現(xiàn)于1971年，Niederlinski首先提出完整性控制概念。1986年9月，美國國家科學基金會和美國電氣和電子工程師學會控制系統(tǒng)學會正式提出了容錯控制概念?！叭蒎e”原是計算機系統(tǒng)設計技術中的一個概念，容錯是容忍錯誤的簡稱。容錯的基本思想是一個控制系統(tǒng)遲早會發(fā)生故障，所以在設計的時候應該考慮一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障，這種故障可能影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。我國在容錯控制上的理論研究基本上與國外同步。1986年，張翰英提出在我國“必須加速發(fā)展實用性容錯控制系統(tǒng)”的研究。1987年，鄭應平教授也發(fā)表了有關這方面的第一篇綜述性文章。隨后，葛建華、胡壽松、程一、倪茂林等將容錯控制思想應用到動態(tài)系統(tǒng)在傳感器失效時的研究。目前，一些容錯控制策略已經(jīng)成功應用于航天航空、核電站、水下機器人等領域的控制系統(tǒng)設計中。

2 控制器

智能顯示器DS是HXN5型內(nèi)燃機車上的控制微機單元，他們既是控制系統(tǒng)終端顯示接口，又是整個控制系統(tǒng)的處理核心。他們接收機車操作者的指令，并讀取機車運行狀態(tài)。在協(xié)調(diào)這些信息后，智能顯示器產(chǎn)生一組指令并將之傳送到HXN5型內(nèi)燃機車控制系統(tǒng)其他模塊單元上，以實現(xiàn)操作人員的指令，達到對機車智能控制和保護。由于智能顯示器本身的輸入/輸出能力是有限的，其接口擴展亦受到一定的限制，所以他們經(jīng)由CIO控制板收集來自操作人員的指令信息，也可以通過CIO收集一些有關機車工作狀態(tài)的重要信息，以便整個系統(tǒng)的自動控制。

CIO作為遍布整個機車的各種電子--機械裝置之間的一個主要接口，輸入數(shù)據(jù)給智能顯示器或接受來自控制器的控制信號。它也輸入來自幾個傳感器的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)報告由CIO的輸出控制的系統(tǒng)的狀況，CIO輸入/輸出信息（部分）如圖2所示。CIO在空壓機控制系統(tǒng)中扮演著重要角色，通過總風缸壓力傳感器、空壓機出口壓力傳感器、空壓機排氣溫度傳感器的輸入信號，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸送給DS，DS根據(jù)傳感器輸入信號的狀態(tài)控制空壓機接觸器的閉合方式以及旁通閥的運作。CIO還能讀取HXN5機車上若干故障檢測電路的狀態(tài)（如旁通閥保持旁通、接觸器CDC11保持打開等），并將其報告給智能顯示器顯示和診斷，以輔助機車操作人員和鐵路維修人員的工作。但由于CIO每一控制單元的控制板只有一塊，如果該板塊故障，便使對應控制系統(tǒng)癱瘓，近年我段在空壓機系統(tǒng)中共出現(xiàn)CIO模塊故障3例。

圖2 CIO輸入/輸出信息

案例：2016年10月1日，HXN5-0273回段報空壓機A不工作，分析文件除報CDC11保持打開外。外觀檢查接觸器良好無卡滯現(xiàn)象，更換CIO控制板后啟機試驗，空壓機A泵風正常。

3 傳感器

3.1 總風缸壓力傳感器

總風缸壓力傳感器（MR1）是空壓機控制回路中的直接輸入環(huán)節(jié)，當總風缸壓力低于下限設定值時，CIO接收MR1輸入信號經(jīng)過處理后傳遞給DS，控制空壓機運轉(zhuǎn)；當總風缸壓力達到上限設定值時，MR1的輸入信號再次通過CIO的處理，傳遞給DS控制空壓機停轉(zhuǎn)。如果總風缸壓力傳感器故障或感應錯誤壓力，會導致空壓機不工作。由于HXN5機車總風缸壓力傳感器采用冗余配置（MR1和MRR兩個壓力傳感器），能夠有效保障總風缸有正確的壓力指示，近年來我段沒有因總風缸壓力傳感器故障導致空壓機不工作的案例。

3.2 空壓機排氣溫度傳感器

空壓機排氣溫度高會導致空壓機不工作，引起排氣溫度高的原因有：空壓機油位低、旁通閥或斷油閥故障、油氣分離器堵塞、空氣濾清器臟、油過濾器臟、傳感器故障等?？諌簷C排氣溫度傳感器是空壓機控制系統(tǒng)中的保護元件，保障空壓機在特定溫度范圍內(nèi)工作。溫度超出設定值便通過CIO處理后給DS發(fā)送指令，控制空壓機停止工作。

案例：2016年7月15日，HXN5-0292機車回段報空壓機B不可用，分析文件空壓機B排氣溫度超過240°F。上車檢查空壓機油位低，排查漏油處所發(fā)現(xiàn)空壓機加油口蓋漏油，處理加油口蓋并補油，多次排風再打風試驗空壓機B泵風正常。

2016年7月29日，HXN5-0274機車回段報空壓機B不可用，分析文件空壓機B排氣溫度超過240°F。上車檢查發(fā)現(xiàn)傳感器接頭脫落，恢復后泵風正常。

3.3 空壓機出口壓力傳感器

空壓機出口壓力低會導致空壓機不工作，引起出口壓力低的原因有：空濾芯堵塞、油氣分離器堵塞、最小壓力閥故障、傳感器故障等。同空壓機排氣溫度傳感器一樣，空壓機出口壓力傳感器也是空壓機控制系統(tǒng)中的保護元件，保障空壓機出口壓力充足。如果空壓機出口壓力底，便通過CIO處理后給DS發(fā)送指令，控制空壓機停止工作。

案例：2016年7月5日，HXN5-0634回段報空壓機A不工作，分析文件空壓機A出口壓力傳感器超出最低范圍。上車檢查發(fā)現(xiàn)傳感器航插接頭處固定不緊導致接觸不良，更換傳感器后空壓機A泵風正常。

4 執(zhí)行機構

4.1 接觸器

空壓機接觸器受智能顯示器DS指令驅(qū)動，當DS發(fā)出指令時相應接觸器得電動作，接通輔助發(fā)電機與空壓機的三相電源，空壓機工作打風。每個空壓機對應三個接觸器，機車控制系統(tǒng)通過選擇功率接觸器確定特殊操作。以一空壓機為例，當CDC11閉合，CDC12、CDC13斷開時4極三角形聯(lián)接，空壓機轉(zhuǎn)速等于3倍柴油機轉(zhuǎn)速；當CDC11斷開，CDC12、CDC13閉合為2極星型聯(lián)接，空壓機轉(zhuǎn)速等于6倍柴油機轉(zhuǎn)速。如果接觸器本身故障，就會使空壓機接受不了電源而不工作，近年來我段HXN5空壓機系統(tǒng)中共出現(xiàn)接觸器故障5例。

案例：2016年9月29日，HXN5-0282回段報空壓機B不工作，分析文件CDC21保持打開，空壓機B出現(xiàn)4級堵轉(zhuǎn)。車上檢查發(fā)現(xiàn)CDC21接觸器觸指燒灼導致接觸器動作時觸指虛接，更換接觸器CDC21啟機試驗空壓機B工作正常。

4.2 旁通閥和斷油閥

旁通閥是由電源控制，外部先導型，四位五通電磁閥，當它得電時，允許壓縮機的排氣口和進氣口相貫通的同時切斷斷油閥的氣源使斷油閥不動作。每一組壓縮機啟動時，旁通閥立即得電極大地降低了啟動扭矩；在壓縮機停機時，旁通閥立即得電用來關閉斷油閥，從而限制進入壓縮機缸體的潤滑油。旁通閥的驅(qū)動電源由機車控制系統(tǒng)控制，控制氣源由機車輔助空氣系統(tǒng)提供。

斷油閥是氣動式兩位兩通閥，用來打開和關閉到每臺壓縮機的噴油通道，通過機體排氣管上的壓力氣源控制斷油閥的打開和關閉。

如若旁通閥故障（保持打開），在空壓機運行過程中，會阻止斷油閥動作，限制了空壓機缸體內(nèi)潤滑油的熱量交換，進而導致空壓機報高溫故障。另一方面若空壓機停機時，旁通閥故障（保持關閉），會使斷油閥保持與機體貫通致使斷油閥向機體噴油，導致空壓機油泄露油量減少。如果在空壓機運行過程中斷油閥故障（保持關閉）及空壓機停機時斷油閥故障（保持打開）也會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

案例：2016年8月12日，HXN5-0271回段報空壓機A不工作，分析文件壓縮機A旁通閥保持旁通，空壓機A排氣溫度超過240°F，空壓機A不可用。更換A機旁通閥試驗良好。

2015年12月18日，XHN5-0274機車回段報空壓機A故障，分析文件空壓機A排氣溫度超過240°F。上車檢查發(fā)現(xiàn)空壓機油位底，斷油閥接頭處漏油，更換斷油閥并補油后啟機試驗空壓機A泵風正常。

5 結束語

HXN5型內(nèi)燃機車自身具有先進的智能控制網(wǎng)絡，而其在空壓機控制系統(tǒng)中，會受到各元部件故障的影響，使控制系統(tǒng)工作性能大打折扣。為降低控制系統(tǒng)本身元部件故障對空壓機工作帶來的影響，迫切需要一個有效的解決措施。

結合容錯控制技術在各控制領域成功運用的實例，對HXN5空壓機故障案例的分析，采用容錯控制技術可以有效降低空壓機故障率。容錯控制技術的設計主要有硬件冗余和軟件解析冗余兩大類。硬件冗余的方法是，通過對重要原件及其較易發(fā)生故障的元件進行備份，以提高系統(tǒng)的容錯性能。軟件解析冗余方法主要是通過設計容錯控制器來提高整個控制系統(tǒng)的冗余度，從而加強控制系統(tǒng)的容錯能力。兩種方法中硬件冗余方法較為簡單，更容易實施，比較適合運用在HXN5機車空壓機控制系統(tǒng)中；軟件解析冗余需要復雜的控制算法，在一些高科技領域中應用廣泛。

容錯控制典型應用實例如表1所示。

HXN5機車上加入冗余CIO控制模塊、執(zhí)行機構（即接觸器、旁通閥、斷油閥等）和傳感器。由于HXN5機車本身自帶故障檢測能力，采用硬件冗余方法進行改善之后，在控制系統(tǒng)中某一系統(tǒng)元件發(fā)生故障被控制系統(tǒng)檢測到，下一步就采用備用元件重新執(zhí)行此次控制，保障空壓機正常運行，從而實現(xiàn)空壓機故障率的降低，容錯控制的概念圖如圖3所示。

表1 容錯控制典型應用實例一覽表

圖3 帶有容錯控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)

此外，對于油氣分離器、空氣濾清器、機油濾清器等這些由軟件和硬件無法控制的輔助部件要定期清洗更換，空壓機油管在小輔修時加大檢查力度避免因管路泄露導致油量減少，可以降低因溫度和壓力傳感器給入的保護指令而導致空壓機不工作的故障率。

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責任編輯：許耀元

來稿日期：2016-11-23